PERANCANGAN OSILA TOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGAN

Volume1 Nomor 1 Juli 1999

2°Lf ISSN 1411-1349

PERANCANGAN OSILA TOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGAN

TINGGI TIPE COCKROFf-WALTON

500 kV120 mA

Djasiman,Sudjatmoko, Suprapto

PP.'vY-BATAN JI. Bobanari P.O. Box: 1008, yogya/tDrta 55010

ABSTRAK

PERANCANGAN OSILATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGAN TINGGI TIPE

COCKROFT-WALTON 500 KYI20 MA. Telah dilakukan perancangan osilator daya untuk sumber tegangan tinggi tipe Cockroft-Walton. Sumber tegangan tinggi ini akan digunakan sebagai sumber tegangan pemercepat pada mesin berkas elektron (MBE) yang direncanakan pembuatanl1ya dengal1 kapasitas 500 keV/J0 mA. Perancangan osilator daya ini meliputipel1entUanspesifikasi keluaran. bentuk untai. pencatU dtrya don komponen utama osilator. Keluaran osiJator daya yaitU: daya. tegangan don frekuensi dirancang sesuai dengan kebutuhan masukan pe/ipat tegangan. Hasil perancangan

menunjukkan bahwa jel1is untai yang digunakan adaJah "tickler oscillator" klas-C dengan spesifikasi ke/uaran: J2.J kW, J5 kV don 40 kHz gefombang sinusoidaL Sedangkan komponen utama digunalam tabung trioda tipe ITK J5-2.

ABSTRAcr

DESIGN OF POWER OSCILLATOR FOR 500keV120mA COCKROFT-WALTON HIGH VOLTAGE SUPPLY. A design of power oscillator for Cockroft-Walton high voltage supply was carried out. This high voltagesupply would be used as the acceleration voltage supply of an electronbeam machine designed to have 500 keVIJO mA capacity. The power ocsilJator design consisted of output spesifikasi. circuit diagram.power suplly and osillafor main components determinations. Thepower oscillator OUtputwave power, voltage and frekuency designed according to voltage multiplier input requirements. The design results showed that the circuit was cfass-c "tickler oscilator" having an output spesifikotion of J2.J kW, J5 kVand 40 kHz sil1USwave. The main component was a /TK J5-2 triode tube.

PENDAHULUAN

S

ebagai ilrut berperan serta daIam kegiatan pembanguan dibidang IPTEK. PPNY-BATAN merencanakan program pembuatan suatu Mesin Berkas Elektron (MBE) 500 keV/IO mA. Sebagai somber tegangan pemercepatnya direncanakan dibuat dari tipe pelipat tegangan jenis . Cockroft-Walton berkapasitas 500 kV/20 IDA.

Pembangkit tegangan ini terdiri dari dua bagian utama yaitu osilator daDpelipat tegangan. Osilator berfungsi menghasilkan tegangan osilasi sebagai

masukanbagi pelipattegangandengandayayang

cukup untuk mengatasi seluruh rugi-rugi daD keluaran generator. Pelipat tegangan berfungsi merubah daD meningkatkan teganggan osilasi menjadi suatu tegangan tinggi searah (DC) sebagai keluaran generator.

Agar dapat diwujudkan suatu somber tegangan tinggi yang memadai sesuai yang diharapkan, dalam proses pembuatan ini perlu diawali dengan tahap perancangan alas bagian-bagiannya. Perancangan bagian osilator dilakukan dengan maksud menyiapkan suatu diagram sistem osilator yang memiliki data spesifikasi memadai basi generator Cockroft-Walton 500 kV/20 mA tersebut DaIam

kegiatan perancangan ini dilakukan anaIisa sistem untuk dapat memperhitungkan data-data spesifikasi osilator serta pemilihan bahannya. Dengan demikian dapat diperoleh suatu rancangan osilator daya dengan spesifikasi teknis yang memadai serta pemilihan bahanlkomponen yang cukup sederhana namun juga memadai.

ANALISA SISTEM

Beberapa hat terkait yang perlu ditinjau untuk dapat memperhitungkan berbagai data spesifikasi suatu rancangan osilator daIam hat ini antara lain: generator Cockroft-Walton,konfigurasi osilator, pemilihan bahan daD spesifikasi osilator yang meliputi ftekuensi, daya, tegangan keluaran serta pencatu dayanya.

Generator Cockroft-Walton

DaIam proses pembangkitan tegangan dari suatu generator Cockroft Walton menurut Bauer, keluarannyaY) dapat ditinjau menurut dua kondisi yaitu: kondlsi tanpa beban (I

=

0) dan kondisi berbeban (I

=

0).

Pada kondisi tanpa beban, tegangan keluaran (Vo) dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

Volume1 Nomor 1 Juri 1999 ISSN 1411-1349

dengan Vo= tegangan keluaran generator Cockroft-Walton

n

=

jumlah tingkat dalam pelipat tegangan

E

=

tegangan osilasi masukan pada

pelipat tegangan.

Bila kondisi berbeban (I = 0), tegangan keluarannya adalah :

Vo=2nE-.1V

10 2,f n2 n (2)

Vo

=

2 n E

- f.

C . (3 + 2" - "6) dengan .1v= turun tegangan pada peli pat

tegangan

10= ares beban atau keluaran

f

=

ftekuensi tegangan osilasi

C

=

kapasitansi tiap kapasitor pelipat tegangan

Pad a tegangan keluaran generator Cockroft-Walton bila mengalir arus beban akan timbul tegangan riak (SV) atau "ripple" yang besarnya dapat dinyatakan dengan:

SV

=

f~oc.f(n2

- n)

(3)

Dari persamaan-persamaan tersebut parameter n dan C adalah dari bagian pelipat tegangan, sedangkan f daD E dari osilator. Untuk suatu konstruksi generator Cockroft-Walton biasanya parameter n, C daD f adalah tetap, sedangkan E divariasi untuk memperoleh pengaturan tegangan keluaran.

Frekuensi Osilator

Untuk memperkecil turnn tegangan .1V daD tegangan riak SV, dapat dilakukan dengan cara memperbesar frekuensi (f). Frekuensi osilator dapat dibuat tinggi sekehendak, namun dalam hat ini perlu disesuaikan dengan kemampuan komponen yang terkait, seperti konstruksi trafo osilator daDkopmonen penyusun pelipat tegangan. Dari eksperimen dengan komponen yang sejenis menunjukkan bahwa pengoperasian dengan frekuensi diatas 70 kHz akan menimbulkan penurunan efisiensi. Karena itu pilihan frekuensi osilator direncanakan pada harga sekitar 40 kHz dengan gelombang sinusoidal agar sesuai dengan rumusan yang diacu. Harga tersebut cukup baik dalam arti sangat menunjang dalam menekan timbulnya rugi-rugi baik ttJrun tegangan maupun tegangan riak.

Daya Osilator

Daya osilator (pos) harns clapat mengatasi

jumlah daya keluaran generator (po), rugidaya

pada pelipat tegangan (M>pt)dan rugi daya pada

trafo keluaran (.1Ptr), seperti dirumuskan dalam persamaan berikut:

Pos = Po + .1Ppt + .1Ptr Besarnya daya keluaran telah tertentu yaitu:

Po

=

Vo x 10

=

500 kV x 20 mA

=

10 kW. Rugi daya pada pelipat tegangan: .1Ppt= 10x .1V

Dengan parameter yang telah ditentukan dalam rancangan yaitu 10

=

20 IDA,f = 40 kHz, n

= 20 daD C = 0,22 J,1F,maka besamya .1Ppt terhitung

kurang dari 3 % dengan basis Po, atau dapat

dinyatakan bahwa rendemen pelipat tegangan 11 pt sebesar 97 %.

Rugi transfer daya (.1Ptr) pada suatu trafo, pada umumnya sekitar 10 %. Dengan mengambil suatu toleransi agar penyediaan daya sedikit lebih, maka rendemen tarfo tersebut diperhitungkan sebesar 11tr

=

85 %

Dari analisa tersebut dapat diperhitungkan besarnya daya osilator (pos) yang harus disediakan, yaitu :

(4)

Pos = Po /(11pt;r;11tr) (5) Pos= 10kW 1(0,97 x 0,85)= 12,1kW. Makadaya osilator direncanakan sebesar 12.1 kW

Tegangan Ketuaran Osilator

Yang dimaksud tegangan keluaran osilator dalam hal ini adalah tegangan yang diambil dari sekunder trafo osilator yang siap diberikan ke pelipat tegangan. Untuk memperoleh tegangan keluaran sebesar 500 kV dari pelipat tegangan yang direncanakan memiliki 20 tingkat (n = 20),

diperlukan masukan tegangan osilasi sekurang-kurangnya 12,5 kV. UnttJk memberi kelonggaran agar osilator tidak perlu dioperasikan maksimum maka tegangan osilator direncanakan sebesar 15 kV.

Pencatu Daya Osilator

Sumberdayautamauntukmencatuosilator

ini adalah suatu sumber daya arus searah yang mencatu anoda dari tabung trioda TK 15-2 yang direncanakan menjadi komponen utamanya. Sumber daya anoda ini harus mampu mendukung jumJah daya keluaran osilator dan rugi-ruginya, sehingga merupakan sumber daya penyangga atas generator Cockroft-Walton secara keseluruban. Osilator direncanakan dibuat dengan ripe klas-C yang memiliki efisiensi daya maksimum 75 %, untuk perhitungan ini diambil efisiensi 70 %. sehingga diperlukan catu daya anoda sebesar: Pa=Pos/0,70= 12,1kW /0,70= 17,2 kW Jadi kapasitas sumberdayaanoda direncanakan sebesar] 7,2 kW.

Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol.1 No.1 Juli 1999: 19-23

Volume1 Nomor 1 JuJi 1999 Konfigurasi Osilator

Osilator merupakan bagian dari generator Cockroft-Walton yang berfungsi merubah daya arus searah (DC) menjadi arus bolak-baJik (AC) yang diperlukan sebagai masukan basi pelipat tegangan. Gelombang keluaran osilator ini dipilih sinusoidal dengan maksud menyesuaikan dengan rumusan teori acuan, waJaupun dimungkikan juga dengan bentuk gelombang yang lain. Kebanyakan osilator penghasil gelombang sinus frekuensi tinggi menggunakan prinsip resonansi dengan untai peRala LC(induktor daftkapasitor) dan umpanbaJik positif. Berbagai ragam untai osilator dapat dibuat dengan prinsip tersebut, namun pada dasarnya dapat dibedakan menurut cara memperoleh umpan baJiknya yaitu:

1. "Tickler oscillator", menggunakan suatu kumparan sekunder dari trafo osilator untuk memperoleh tegangan umpan baJik.

2. "Hartley oscillator", tegangan umpan baJik diperoleh dari pembagi tegangan secara induktif.

3. "Colpitts oscillator", tegangan umpan baJik diperoleh dari pembagi tegangan secara kapasitif.

Konfigurasi dasar dari ketiga macamosilator tersebut dengan trioda sebagai komponen aktifnya, diper1ihatkanpada gambar-I.

fdN

Q

.

oz

WE

ta) t,)

Gambar I. Konfigurasi dasar osilator resonansi (a "Tickler oscillator", b "Hartley oscillator", c "Colpitts oscillator)

Pada "tickler oscillator" gambar-la,

kumparan L2 paraJel C2 membentuk untai tangki atau peRala yang memberikan tegangannya sebagai umpan baJik positif ke grid. Besarnya tegangan umpan baJik dapat diatur dengan memilih jumlah lilitan L2, hila perlu polaritasnya dapat disesuaikan dengan membalik ujung-ujung kumparannya untuk memperoleh umpan balik positif.

Pada "Hartley oscillator" gambar-I b, besarnya tegangan umpan balik ditentukan oleh jumJah liIitan L2a dan L2b, untai tangki dibentuk

oleh C2 paraJel denganjumlah L2a daft L2b.

ISSN 1411-1349 "Colpitts oscillator" pada gambar-Ic, prisipnya sarna dengan gambar-Ib hanya berbeda pada pembagi tegangannya yang dibentuk oleh kapasitor C2a daft C2b untuk memperoleh tegangan umpan baJiknya.

Osilator akan berosilasi sesuai dengan frekuensi resonansi dari untai tangkinya (L2 C2) yang besarnya dapat dihitung menurut persarnaan (6). Berdasarkan kondisi resonansinya, harga komponen induktor dan kapasitor untai tangki juga dapat dihinmg dengan menggunakan persamaan (7) dan (8) berikut(3j. f

-

_-..J[C

159

(6)

L = 25300 f2.C C

=

25300 f2.L

dengan f

=

frekuensi resonansi (kHz) L

=

induktansi ootai tangki (J.lH) C

=

kapasitansi ootai tangki (jJF) Untai tangki berfungsi sarna seperti roda gila pada putaran mekanik (flywheel e£rect), yaitu menyimpan teBaga selama perioda aktif daft memberi teBaga pada perioda pasif agar kelangsungan osilasi dapat terjaga. KuaJitas suatu untai tangki disebut dengan faktor Q, dirumuskan sebagai perbandingan antara reaktansi induktif terhadap resistannya. Pada dasarnya faktor Q menyatakan perbandingan antara teBagatersimpan terhadap rugi teBaga (karena resistan) selama satu perioda osilasi(3}

Q

_-

-

Xl_R

dengan Q

=

faktor kuaJitas ootai tangki (figure of merite)

Xl= reaktansi induktif untai tangki (ohm)

R

=

resistansi untai tangki (ohm) Menaikkan faktor Q akan dapat meningkatkan kestabilan frekuensi daftamplituda tegangan keluaran osilator(3). Faktor Q suatu untai tangki dapat diperbesar dengan memperbesar induktansinya(L), karena Xl = 21tfL. Resistan untai tangki merupakanjumlah secara seri dengan resistan behan, sehingga faktor Q akan mengecil hila dibebani.

DaJam kondisi resonansi, tenaga yang dapat tersimpan juga dipengaruhi etch besarnya kapasitansi daft tegangan untai tangki seperti ditunjukkan oleh persamaan (10) berikut(3}

Wr=CE?

(7)

(8)

(9)

Volume1 Nomor 1 Juli 1999 ISSN 1411-1349

dengan Wt

=

tenaga tersimpan setiap perioda

osilasi

C

=

kapasitansi untai tangki Et= tegangan efektifuntai tangki Untuk menjaga frekuensi tertentu yang dikehendaki, menambah harga C harus diikuti dengan penurunan harga L, karena itu suatu perbandingan UC perlu dipilih secara experimen agar dapat memberikan keluaran bentuk gelombang sinusoidal yang baik.

UNT AI OSILA TO R

Untuk mewujudkan osilator daya dengan kapasitas atau spesifikasi teknis sebagai yang telah diperhitungkanterdahulu, dipilihjenis konfigurasi "tickler oscillator", karena kesederhanaannya dalam memperoleh besar dan poIaritas umpan batik positif. Secara lebih lengkap bentuk untai osilator ini direncanakan seperti diagram pada gambar-2.

l~

_l

_!!~

cz ~t311~

:I

EJ

:;

~)

l

..

r.

it

Gambar 2. Diagram untai osilator daya 40 kHzlI 5 kV

CI : 0.1 J,1f/15kV C5 : 500 pF C2: 0.01 J,1f/15kV C6: 0.1 J,1f C3 : 0.1 J,1f1l5kV L1 : 1,5 mH C4: 0.015 J,1f1l5kV Rl: 3,5 kOhm

Sebagai koponen aktif dari untai osilator ini digunakan tabung trioda ripe ITK 15-2 buatan TTE (Thomson Tube Elektroniques) Perancis. Anoda dicatu oleh suatu sumber daya DC (SDA) 17,2 kWIlO kV dan filamen dengan suatu sumber daya AC(SDF) 7,2 V/240 A untuk pemakaian beban 180 A(2)

Trafo osilator Tl dengan inti ferit dibentuk oleh tiga kumparan Ll,L2 dan L3. Kumparan Ll sebagai primer yang dialiri oleh arus anoda. Kumparan L2 paralel dengan C2 membentuk untai tangki, dengan nilai L2 = 1,5 mH dan C2 = 0,01 J,1f akan memberikan frekuensi osilasi sekitar 40 kHz. Tegangan keluaran osilator diambil dari kumparan L3 untuk diberikan langsung ke pelipat tegangan. Tegangan umpan batik positifuntuk grid cliambil

dari untai tangki melalui Cl. Kombinasi RI Cl dengan tetapan waktu yang dibuatjauh lebih besar dibanding periode frekuensi osiJasi, berfungsi memberi tegangan DC yang kontinyu untuk mebias grid. Kombinasi CI dengan penyearah grid-katoda akan beraksi sebagai pengeklem alas sinyal umpan batik ke grid sehingga puncaknya akan terklem pada nol Volt atau ground, yang berarti memberi tegangan bias negatif ke grid. Tegangan umpan batik dibuat 600 Vpp agar diperoleh tegangan bias grid untuk operasi trioda sebagai penguat klas-e<2)

Kapasitor keramik C5 dimaksudkan untuk mengurangi timbulnya osilasi parasit, besarnya dapat diperlcirakan dengan persamaan

(13) berikut(2) .

kPo Cge

= --r

..g

dengan Cgc = niJai kapasitor untuk grid-katoda (PF)

k

=

suatu angka untuk pendekatan

antara 12 sid 15. Po

=

daya osilator (kW) f

=

frekuensi osilator (M Hz) Untuk Po = 12,1 kW, f= 40 kHz, besarnya Cgc sekitar 500 pF. PEMILIHAN BAHAN . (13)

Mengingat besamya daya osilator yang direncanakan, maka sebagai komponen utama dalam untai osilator ini dipilih menggunakanjenis tabung elektron karena kemampuannya terhadap daya dan tegangan yang besar dibanding dengan jenis komponen dari bahan semi konduktor.

Tabung trioda ripe "ITK 15-2"antara lain memiliki spesifikasi daya maksimum sebesar 63 kW daD tegangan anoda maksimum 13 kV. Dengan spesifikasi data tersebut dipandang cukup memadai baik untuk kapasitas daya yang direncanakan sekarang maupun untuk prospek pengembangan lebih Ianjut. kebutuhan kapasitor dengan berbagai nilai kapasitasnya dapat dipenuhi dengan membuat sendiri dari bahan foil almunium tebal 0, I mm (produksi Reynolds Metals Company, Virginia, USA) sebagai elektroda dan plastik mika 0,2 mm sebagai bahan dielektrikumnya. Ketahanan plastik mika tersebut telah teruji kemampuannya terhadap tegangan hingga 30 kV, sehingga untuk tegangan keJja kapasitor sebesar 15 kV sebagai yang direncanakan sudah cukup memadai. Untuk suatu nilai kapasitor, dapat dirancang pembuatannya menurut rumusan (14) berikut(6).

Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol.1 No.1 Juli 1999: 19-23

Volume 1 Nomor 1 Juli 1999

(14)

C

-

_-

eA

d

dengan C

=

bpasitans (F)

e

=

pennitivitas (coulomb2 IN.m2 ), tetapan dielektrikum

A

=

luasanelektroda(m2)

d

=

jarak elektroda atau tebal dielektrikum (m)

Kumparan untuk induktor (1.) dapat dibuat dengan mengacu pada rumusan (15) dan (16) berikut(S).

n

=

~[(9r + 10p)L ] (16)

0,39,1 dengan L = induktansi (Jill)

n = jumlah Iilitan

r = 0,5 diameter kumparan (em)

p

=

panjang kumparan (em)

Untuk memperkecil nHai kapasitansi liar dari kumparan, susunan antara kawat Iilitan perlu dibuat lebih renggang.

KES IMP ULAN

Dari analisa untuk menyiapkan suatu rancangan osilator daya yang diharapkan mampu untuk mendukung kapasi tas generator . Cockroft-Walton 500 kV120mA. dapat dihasilkan

suatu rancangan untai osilator daya dengan spesifikasi teknis sebagai berikut.

Konfigurasi untai : "Tickler oscillator", kIas-C Komponen utama : Tabung trioda "ITK 15-2"

Frekuensi : 40 kHz

Gelombang : Sinusoidal Daya keluaran : 12,1 kW Tegangan keluaran : 15 kV

Pencatu daya anoda: Sumber DC 17,2 kW/I0 kV Pencatu daya filamen : Sumber AC 7,2 V/240 A

DAFfAR PUSTAKA

1. J.D. CRAGGS andJ.M MEEK. High Voltage And Laboratory Technique, London. 1953.

2. THOMSON TUBE ELECTRONIQUES,

France, 1994.

3. SLURZBERG, OSTERHELD, Essential Of Communi cat in Electronics, Mc. Graw-Hill. Inc, 1973.

4. MILMAN & HALKIAS, Electronic Devices And Circuits. Mc Graw-Hill, 1967.

5. WASITO. S, Vademekum elektronika, PT. Gramedia, 1984.

6. POERNOMO E, Pembuatan Sumber

Tegangan Rendah clan Tinggi Untuk Irradiator Elektron. PPNY-BATAN, 1984.

ISSN 1411-1349

TANYAJAWAB

Bum Sanwso

1. Apakah triodo dapat digantipower transistor don apa keuntungannya don kerugiannya 2. Berapa efisiensi daya sampai elektron

menghasilkan daya 500 keVr 10 mA

=5 kW

Djasiman

1. Penggunaan transistor power juga dimunglcinkan

keuntunganlkerugiannya :

-

trioda mampu daya clan tegangan besar, umumnya transistor tidak

-

trioda tahan terhadap tegangan dan arus lebih, transistor tidak

2. Efisiensi daya untuk bebanldaya 5 kW adalah 70%

Su darti

Jenis asci. yang disehutkan adalok tipe Tickler osc. Hardley Osc atau Colpitts ascI. Mengapa untuk perancangan ini dipilih nchler osc. Apa segi keunggulannya terhadapsistem yang lain

Djasiman

Dipilih tickler osc, keunggulannya

-

untainya Jebih sederhana

- Cara memperoleh besar dan polaritas sinyal umpan baliknya lebih mudah

Prayitno

Jenis "Core" (kern)/Inti apakah yang dipakai dalam trafo tersehut don hagaimana cara menghitung / menentukan inti tersehut

-

sehah apakahfrekuensi osi/asi dipilih 40 kHz.

karena jika frekuensinya ditinggikan akan mengurangijumlah lilitan

-

apakah 11dapat dicapai 70 % ? Djasiman

-

Inti traro menggunakan bahan ferit, sesuai yang disarankan oleh "TTE" untuk nilai frekuensi tersebut (40 kHz). Cara menetukan kami berpedoman agar inti tidak sampaijenuh , karena belum memperoleh rumusan yang dapat dipakai

-

Dipilih f= 40 kHz, karena disesuaikan dengan kemampuan komponen yang terkait ( trafo osilator dengan inti ferit, komponen pelipat tegangan yaitu dioda clankapasitor

-

Untuk memperoleh 11

=

70 %, osilator dibuat elas-C