RANCANGAN SISTEM CATU DAYA DC 2 kV/2 A UNTUK
KATODA SUMBER ION SIKLOTRON 13 MeV BERBASIS
TRANSFORMATOR
Heri Sudarmanto, Untung MargonoPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan-BATAN, Babarsari, Yogyakarta 55281 E-mail: [email protected]
ABSTRAK
RANCANGAN SISTEM CATU DAYA DC 2 kV/2 A UNTUK KATODA SUMBER ION SIKLOTRON 13 MeV BERBASIS TRANSFORMATOR. Telah dilakukan rancangan
sistem catu daya DC 2 kV/2 A untuk katoda sumber ion siklotron 13 MeV berbasis transformator. Tujuan rancangan untuk memperoleh parameter sistem catu daya tersebut. Catu daya yang dirancang menggunakan komponen utama meliputi dioda BY399 dan kapasitor 400 V/100 μF. Dari hasil perhitungan diperoleh transformator dengan spesifikasi: Vp = 220 V, Vs = 1000 V, Ip = 23 A, Is = 4 A, dp = 12 x 1 mm, ds = 2 x 1 mm, Np = 77 lilit, Ns = 385 lilit dan mn = 58,5 kg. Jumlah dioda dan kapasitor keseluruhan masing-masing 20 dan 240 buah.
Kata kunci: catu daya DC 2 kV/2 A, katoda sumber ion, siklotron 13 MeV,
transformator.
ABSTRACT
THE DESIGN OF 2 kV/2 A DC POWER SUPPLY SYSTEM FOR ION SOURCE CATHODE OF 13 MeV CYCLOTRON. The design of 2 kV/10 A DC power supply
system for ion source cathode of 13 MeV cyclotron, has been done. The goal of design was to obtained parameters of this power supply system. The designed power supply use main components consist of BY399 diodes and 400 V/100 μF capacitors. From the calculation result, it is obtained transformer with specification: Vp = 220 V, Vs = 1000 V, Ip = 23 A, Is = 4 A, dp = 12 x 1 mm, ds = 2 x 1 mm, Np = 77 turns, Ns = 385 turns and mn = 58,5 kg. The total of diodes and capacitors respectively are 20 and 240 pieces.
Keywords: 2 kV/2 A DC power supply, ion source cathode, 13 MeV cyclotron,
transformer.
PENDAHULUAN
ECY-13 merupakan proyek rancangbangun siklotron 13 MeV untuk PET (Positron
Emission Tomography) yang sedang dibuat di
PTAPB, Yogyakarta. Salah satu komponen siklotron adalah sumber ion. Sumber ion pada siklotron akan menghasilkan ion-ion hidrogen (H+ atau H-) yang akan dipercepat dalam komponen pemercepat siklotron.
Sumber ion yang dibuat adalah jenis Penning. Dalam sumber ion Penning, terdapat dua buah katoda berbentuk plat dan anoda berbentuk
silinder. Di antara katoda dan anoda dipasang beda tegangan agar terjadi lucutan elektron dari katoda ke anoda. Elekton tersebut hanyut di dalam ruang silinder menuju katoda lainnya. Oleh katoda lainnya, elektron ditolak kembali ke arah anoda, sehingga berosilasi di dalam ruang anoda dan membentuk plasma.
Untuk menghasilkan beda potensial tersebut, maka dibutuhkan catu daya. Catu daya yang dibutuhkan adalah catu daya DC 2 kV/2 A. Catu daya yang dibuat mengacu pada spesifikasi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Parameter catu daya katoda sumber ion siklotron 13 MeV.
Parameter Catu
Daya
Keterangan
Tegangan
0-2000 V
Arus
0-2 A
Efisiensi
0.8
Ripel
≤ 5%
DASAR TEORIPerhitungan daya, tegangan dan arus transformator [1]
Di bawah ini ditunjukkan persamaan-persamaan untuk menghitung parameter-parameter transformator meliputi: daya sekunder (Ps), daya masukan atau daya primer (Pi) dan arus primer (Ip).
(1)
(2) (3) dengan Vs adalah tegangan sekunder transformator (V), Is adalah arus sekunder transformator (A), Vp adalah tegangan primer transformator (V), Pp adalah daya primer (V) dan
ηsttadalah efisiensi catu daya.
Perhitungan diameter kumparan, dimensi inti, jumlah lilitan dan berat kern
Perhitungan diameter kumparan primer (dp) dan diameter kumparan sekunder (ds) ditunjukkan oleh persamaan (4) dan (5) [2]:
(4)
(5)
Terdapat beberapa parameter dalam menentukan dimensi inti transformator antara lain: sisi panjang penampang inti (b), sisi lebar penampang inti (h) dan luas penampang efektif (A). Perhitungan parameter tersebut ditunjukkan oleh persamaan (6), (7) dan (8) :
(6)
(7) (8) Sebelum menghitung besar jumlah lilitan, terlebih dahulu ditentukan faktor lilitan (N/E). Rumus faktor lilitan (N/E) didasarkan pada persamaan (9) di bawah ini [3]:
(9) Dengan memperhatikan nilai faktor lilitan, maka jumlah lilitan primer dan sekunder dapat ditentukan oleh persamaan (10) dan (11):
(10) (11) Untuk menghitung berat kern dapat dilihat pada persamaan (12):
(12)
Sistem penyearah (dioda dan kapasitor) Sistem penyearah yang digunakan adalah rangkaian doubler terdiri dari dua buah segmen. Masing-masing segmen terdiri dari kapasitor dan dioda. Untuk menghitung parameter-parameter rangkaian doubler, dibutuhkan persamaan (13) sampai dengan persamaan (23)
(13) (14) (15)
(16)
(17) (18) (19) (20) (21)
(22)
(23)
dengan Vs adalah tegangan sekunder (V),
Is adalah arus sekunder (A), Vseg adalah tegangan
tiap segmen (V), Iseg adalah arus tiap segmen (A), R adalah tahanan beban (ohm), C adalah
kapasitansi kapasitor (F), f adalah frekuensi jala-jala (Hz), r adalah ripel, Cseg adalah kapasitansi
tiap segmen (F), Vc adalah tegangan kapasitor yang
digunakan (F), Cc adalah kapasitansi kapasitor
yang digunakan (F), nCs adalah jumlah seri
kapasitor, Cs adalah kapasitansi kapasitor seri (F)
dan nCp adalah jumlah parallel kapasitor.
TATA KERJA
Langkah-langkah yang dilakukan dalam rancangan sistem ini meliputi:
1. Menentukan kriteria dan dasar rancangan. 2. Membuat konsep perancangan catu daya. 3. Melakukan perhitungan transformator. 4. Melakukan perhitungan penyearah.
Rancangan sistem ini dilakukan berdasarkan pembuktian rumus dari teori dasar. Namun Rancangan ini belum dilakukan eksperimen awal. Hasil yang diharapkan adalah hasil yang sesuai dengan kriteria dan dasar rancangan.
Kriteria dan dasar perancangan
Terdapat beberapa kriteria dalam rancangan sistem catu daya perangkat nitridasi plasma antara lain:
1. Berbasis transformator daya 2. Konstruksi sederhana dan kompak 3. Kapasitas daya 2 kV/2A
4. Maksimal ripel yang diijinkan 5% 5. Konfigurasi 1 fasa
Dasar yang dijadikan acuan dalam melakukan perancangan catu daya katoda sumber ion siklotron 13 MeV yaitu: menggunakan komponen yang mudah didapat di pasaran (lokal). Penetapan kriteria dan dasar perancangan tersebut diharapkan akan menghasilkan catu daya yang berdaya guna dan aman.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan kriteria dan dasar rancangan, maka dibuat konsep perancangan catu daya katoda sumber ion siklotron 13 MeV seperti disajikan pada Gambar
1.
Gambar 1. Skema catu daya sumber ion siklotron 13 MeV.
Catu daya tersebut terdiri dari transformator 1 fasa sebesar 1 kV/4 A, dimana inti yang digunakan pada transformator adalah inti dengan ukuran 5,7 cm [4]. Inti tersebut mudah didapat di pasaran lokal.
Sisi sekunder transformator dihubungkan dengan rangkaian doubler. Rangkaian doubler berfungsi untuk menyearahkan dan melipatkan keluaran transformator. Rangkaian doubler terdiri dari dua buah segmen. Masing-masing segmen terdiri dari kapasitor dan dioda.
Transformator
a. Daya, tegangan dan arus
Dengan memasukkan parameter tegangan dan arus dari transformator catu daya katoda sumber ion siklotron 13 MeV 1 kV dan 4 A ke dalam persamaan (1), maka didapatkan daya sekunder 4 kW. Hubungan arus maupun tegangan terhadap daya sekunder/beban adalah berbanding lurus. Jika arus atau tegangan dinaikkan, maka daya beban akan naik.
Dengan asumsi efisiensi catu daya 80 %, didapatkan daya primer sebesar:
Sisi primer transformator bekerja pada tegangan jala-jala yaitu 220 V, sehingga arus primer (Ip) transformator adalah
b. Diameter kumparan, dimensi inti, jumlah lilitan dan berat inti
Dengan arus primer dan arus sekunder transformator berturut-turut 23 A dan 4 A dimasukkan ke persamaan (4) dan (5), sehingga diperoleh diameter kumparan primer 3,36 mm dan diameter kumparan sekunder 1,4 mm. Untuk memudahkan dalam pencarian kumparan di pasaran, maka perlu dihitung diameter kumparan pengganti yang mempunyai nilai yang sama. Diameter kumparan 1 mm, tidak sulit untuk dicari di pasaran dan relatif tidak sulit dalam
penggulungan, sehingga akan digunakan sebagai kumparan pengganti.
Untuk kumparan primer:
Luas permukaan kumparan (d = 3,36 mm) = 3,14 x (3,36/2)2 = 8,86 mm2.
Luas permukaan kumparan (d = 1 mm) = 3,14 x (1/2)2 = 0,785 mm2.
Jumlah kumparan pengganti = 8,86 mm2/0,785 mm2 = 11,29 ≈ 12 lembar. Untuk kumparan sekunder:
Luas permukaan kumparan (d = 1,4 mm) = 3,14 x (1,4/2)2 = 1,54 mm2.
Luas permukaan kumparan (d = 1 mm) = 3,14 x (1/2)2 = 0,785 mm2.
Jumlah kumparan pengganti = 1,54 mm2/0,785 mm2 = 1,96 ≈ 2 lembar.
Dengan memasukkan daya primer transformator sebesar 5 kW ke dalam persamaan (6), (7) dan (8), maka diperoleh nilai b, h dan A sebesar 5,7 cm, 25 cm dan 142,5 cm2.
Tipikal konstruksi transformator pada umumnya memiliki data-data berikut [5]: Bmax: ±
9000 (gauss/cm2), rugi inti : < 1 % Po, rugi-rugi total: 1-3 % Po, dan efisiensi: 97-98 %. Berdasarkan data tersebut dan besarnya frekuensi 50 Hz, maka nilai N/E dapat diperoleh [6]:
Dari hasil N/E di atas, maka nilai jumlah liliitan primer transformator adalah Np = 220 V x 0,35 lilit/V = 77 lilit, sedangkan jumlah lilitan sekunder transformator adalah Ns = 1,1 x (1000 V x 0,35 lilit/V) = 385 lilit. Lilitan sekunder ditambahkan 10 % bertujuan untuk menanggulangi daya yang hilang.
Untuk menghitung berat inti masing-masing transformator sangat ditentukan oleh daya primernya. Berat inti untuk masing-masing transformator (m) adalah
Sistem penyearah a. Dioda
Langkah awal yang dilakukan dalam penentuan jumlah dioda yaitu menentukan tegangan dan arus tiap segmen. Dengan memasukan parameter ke dalam persamaan (13) dan (14), maka tegangan dan arus tiap segmen adalah 500 V dan 2 A. Dari nilai tersebut, tegangan pada dioda (VD) = 2 x 1000 V = 2000 V.
Untuk menghitung jumlah paralel dioda (nDp), terlebih dahulu ditentukan dioda yang akan digunakan. Dioda yang digunakan tipe BY399,
dimana arus dan tegangannya masing-masing 3 A dan 800 V. Jumlah paralel dioda adalah
Sedangkan jumlah seri dioda adalah
Jumlah dioda pada setiap segmen (nD) = 2 x 5 = 10, sehingga jumlah dioda secara keseluruhan (nDt) adalah 2 x 10 = 20 buah.
Gambar 2 menunjukkan susunan dioda untuk tiap segmen.
Gambar 2. Susunan dioda tiap segmen. 1. Kapasitor
Dengan memasukkan beberapa parameter:
f = 50 Hz, r = 5 % dan Rn = 1000 Ω, maka
kapasitas kapasitor transformator total 116 μF. Sedangkan kapasitas kapasitor untuk tiap segmen adalah
,sehingga
Untuk menghitung jumlah seri kapasitor (npa), terlebih dahulu ditentukan kapasitor yang
akan digunakan. Kapasitor yang digunakan memiliki tegangan dan kapasitas masing-masing 400 V dan 100 μF. Jumlah seri kapasitor untuk tiap segmen (nCs) adalah
Kapasitas dari kapasitor seri tersebut adalah
Jumlah paralel kapasitor untuk tiap fasa/transformator (nCp) adalah
Jadi jumlah kapasitor tiap segmen (nC)= 5 x 24 = 120 buah.
Jumlah kapasitor total yang dibutuhkan adalah 2 x 120 = 240 buah.
Gambar 3 menujukkan susunan kapasitor untuk tiap segmen.
Gambar 3. Susunan kapasitor tiap segmen. KESIMPULAN
1. Spesifikasi dari transformator sebagai berikut: tegangan primer (Vp) = 220 V, tegangan sekunder (Vs) = 1000 V, arus primer (Ip) = 23 A, arus sekunder (Is) = 4 A, diameter kumparan primer (dp) = 12 x 1 mm, diameter
kumparan sekunder (ds) = 2 x 1 mm, jumlah
lilitan primer (Np) = 77 lilit, jumlah lilitan sekunder (Ns) = 385 lilit dan berat inti (mn) =
58,5 kg.
2. Jumlah dioda yang dibutuhkan 20 buah tipe BY399, sedangkan jumlah kapasitor yang dibutuhkan 240 buah (400 V/100 μF).
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih ditujukan kepada Bapak Ir. Suprapto selaku Kepala BTAFN dan Ir. Slamet Santosa, M.Sc selaku penanggung jawab kegiatan siklotron atas diskusi dan masukannya. DAFTAR PUSTAKA
1. SAEFURROCHMAN, DKK., “Perancangan
Awal Catu Daya DC 2 kV/10 A Perangkat Nitridasi Plasma Double Chamber”. Prosiding
Seminar Nasional Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, Yogyakarta (2009).
2. Majalah Elektron No. 14, Institut Teknologi Bandung, Bandung (1984).
3. DJASIMAN, “Rancangbangun STT 300 kV/50
mA Untuk Sistem Pemercepat MBE 300 keV/20 mA”, Prosiding Seminar Nasional Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya, Yogyakarta (2005).
4. ANONIM, “Tabel Ukuran Inti Besi
Transformator”, diakses pada
http://digilib.petra.ac.id pada tanggal 4 Agustus 2009.
5. SCHARF, WALDEMAR, “Particle
Accelerator and Their Uses”, Warsaw, Poland.
6. DAWES, CHESTER L., “Electrical
Engineering”, McGraw-Hill Book Company,
