SEMINAR NASIONAL
SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176
ANALISIS SUMBER TEGANGAN TINGGI
PAD A
PESAWAT SINAR-X DIAGNOSTIK
Suyatno, Sigit Bachtiar
PRPN-BATAN Kawasan Puspiptek - SerpongABSTRAK
ANALlSIS SUMBER TEGANGAN TINGGI PADA PESAWAT SINAR-X DIAGNOSTIK. Telah dilakukan
analisis terhadap sumber tegangan tinggi pesawat sinar-X diagnostik. Adapun tujuannya adalah untuk mengetahui karakteristik dan konstruksi yang digunakan sebagai pembangkit. Alat yang digunakan untuk membangkitkan tegangan tinggi bolak balik frekuensi rendah ialah sebuah transformator. Ciri-ciri Transformator tegangan tinggi mempunyai perbandingan jumlah lilitannya (turn ratio N) lebih besar daripada perbandingan transformator tenaga (power transformer). Hal ini dikarenakan transformator tegangan tinggi diterapkan pada tegangan distribusi (J27Volt - nOVolt), sedangkan tegangan yang harus dihasilkan beberapa raUls ribu Volt (30 kV-500 kV). Agar efisien dan ekonomis maka untuk tegangan tinggi diatas 100 kV digunakan beberapa trafo yang diseri yang disebut dengan kaskade. Tegangan tinggi bolak balik disearahkan, kemudian sebagai tegangan kerja pada tabung penghasil sinar-X Tegangan ini di dalam tabung akan mempercepat gerak elektron yang dihasilkan oleh filamen. Dengan diterapkannya tegangan tinggi pada elektron akan menghasikan energi kinetik yang digunakan untuk menumbuk anoda, sehingga menghasilkan sinar-X
Kata Kunci : Sinar-X, Tegangan Tinggi, Elektron, kaskade, Transformator
ABSTRA CT
AN ANALYSIS OF HIGH VOLTAGE X-RAY DIAGNOSTIC. It has been done an analysis of the high
voltage source X-ray diagnostics. The objective was to determine the characteristics and construction used as a generator. The tools used to generate a high voltage alternating low-frequency is a transformer. The characteristics of the high voltage transformer has a ratio of the number of win dings (turn ratio N) which is greater than the ratio of power transformer (power transformer). This is because the high voltage
transformer voltage applied to the distribution (J27Volt - 220 Volt), while the voltage to be generated is several hundred thousand volts (30 kV-500 kV). To be efficient and economical for a high voltage tramformer above 100 kV is constructed in series called a cascade. The high voltage alternating is rectified as a working voltage on the tube producing X-rays. This voltage in the tube will accelerate the movement of electrons produced by the filament. With the implementation of high voltage on the electron, it will generate kinetic energy that is used to strike the anode, thus producing X-rays.
Keywords: X-rays, High Voltage, Electron, cascade, Transformer
Suyatno dkk 387 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
Daftar Isi
1. PENDAHULUAN
Tegangan tinggi (High Voltage, HV) yaitu suatu tegangan listrik yang memerlukan perlakuan dan teknik-teknik khusus. Batasan kapan tegangan dapat dikatan tinggi (HV), tinggi sekali (Extra High Voltage, EHV) dan sangat tinggi (Ultra High Voltage, UHV) dapat dikategorikan sebagai berikut yaitu: HV dimulai dari 20-100 kV, EHV kira-kira mulai 220 kV dan UHV mulai 765 kV keatas.
Pada pesawat sinar-X diagnostik tegangan tinggi pada umumnya digunakan antara 30 kV sampai 125 kV. Tegangan tinggi ini akan diterapkan antara katoda dan anoda dalam tabung sinar-X. Dengan tegangan tinggi dan adanya pemanasan filamen maka elektron yang lepas dari katoda dalam tabung dapat bergerak cepat menuju anoda, akibatnya terjadi tumbukan tak kenyal sempuma antara elektron dengan anoda ( anoda sebagai target). Adanya tumbukan tersebut terjadilah peristiwa Bremstrahlung yang menghasilkan sinar-X. Tinggi nilai tegangan akan memberikan kemampuan daya tembus dari pesawat sinar-X, semakin tinggi teganganya maka daya tembus sinar-X terhadap ketebalan obyek semakin tinggi pula.
Untuk membangkitkan tegangan tinggi bolak balik frekuensi rendah diperlukan sebuah trafo yang biasanya di bumikan pada salah satu ujung lilitanya, sehingga diperoleh tegangan keluaran yang simetris terhadap bumi. Dengan pertimbangnan teknis dan ekonomis maka kini jarang digunakan hanya sebuah transformator untuk membangkitkan tegangan di atas ratusan kV. Sebagai pengganti digunakan beberapa trafo dengan menghubungkan lilitan tegangan tinggi secara seri atau kaskade. Pada susunan kaskade setiap trafo harus diisolasi terhadap tegangan-tegangan pada tingkat dibawahnya, dengan demikian lilitan eksitasi trafo pada setiap tingkat akan bekerja pada potensial yang tinggi. Trafo tegangan induktip dapat digunakan untuk membangkitkan tegangan tinggi bolak-balik dengan daya beberapa kV A. Trafo tegangan tinggi membutuhkan pendingin, karena pada saat bekerja suhu akan naik. Untuk tegangan tinggi 100 kV banyak digunakan isolasi resin epoksi, sedangkan untuk tegangan yang lebih tinggi digunakan minyak. Isolasi yang umum digunakan ialah minyak dengan penghalang isolasi dan kertas yang diresapi minyak ..
2. TEORI
SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGY AKAR TA, 16 NOVEMBER 20
II
ISSN 1978-0176 digunakan beberapa trafo dengan menghubungkan lilitan tegangan tinggi secara seri (kaskade).~ F E ~
HW'
-
E
o (a)
(b)::::
Gambar.1 Rangkaian Trafo Satu Tingkat (a) Terisolasi pada satu kutub
(b) Terisolasi penuh Dimana :
H : Lilitan Tegangan Tinggi F : Inti Besi
E : Lilitan Ekstraksi
Pada trafo susunan kaskade maka setiap trafo harus terisolasi terhadap tegangan pada tingkat dibawahnya. Trafo susunan kaskade seperti terlihat pada gambar 2 berikut ini.
K
K
-: 3P~
Gambar 2. Trafo kaskade tiga tingkat
Parameter-parameter tegangan tinggi bolak balik
Bentuk u (t) untuk tegangan tinggi bolak balik sering menyimpang dari bentuk sinus. Untuk pengujian tegangan tinggi besaran U / '>/2 didefinisikan sebagai tegangan uji (VDE-0433; IEC-Pub1.60-2 1973). Pada bentuk sinusoidal mumi U / '>/2 = Urms dengan catatan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih dalam batas yang diijinkan. Maka bentuk Persamaan Urms adalah :
Kinerja trafo dapat dikaji secara pendekatan dengan menggunakan rangkaian ekivalen yang terdiri atas impedansi hubung singkat RI
+
l{j)L dan kapasitans.i. total C = Cj+
Ca pada sisi tegangan tinggi. UI merupakan tegangan sekunder yang dihasilkan oleh Transformator untuk pembangkit tegangantinggi bolak-balik biasanya dibumikan pada salah satu ujung lilitan tegangan tinggi. Dalam perkembanganya kini jarang digunakan sebuah transformator untuk membangkitkan tegangan di atas beberapa ratus kV. Sebagai penggantinya
transformasi tegangan primer. Rangkaian ekivalen
ini berlaku untuk persamaan trafo berbeban dan
berlaku juga untuk trafo susunan kaskade.
SEMINAR NASIONAL
SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII
YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011
ISSN 1978-0176
U2""UI X 1
_ oo2LC
(2)
315;'
Gambar 4. Trafo HV
Nilai (1 - oo2LC) selalu lebih kecil dari 1, maka jelas
terlihat bahwa resonansi seri menghasilkan
peningkatan kapasitif terhadap tegangan sekunder.
Besar peningkatan tegangan dapat dihitung dari
tegangan hubung singkat trafo (Uk) sewaktu beban
kapasitif C menyerap arus nominal (In) pada
tegangan nominal Un dan frekuensi nominal.
Uk = In ooL = 002L C (3)
Un R L~ I
{]~
fC;
f'r·
F:Ac;~11u'
(a) Diagram rangkaian (b) Rangkaian ekivalen
Gambar 3. Kinerja Trafo
3.
TATAKERJA
Bahan yang digunakan dalam penulisan makalah ini
adalah trafo tegangan tinggi pada pesawat sinar-X
diagnostik 100 mA / 100 kV, sedangkan alat yang
digunakan adalah sebuah multimeter digital dan tool set.
4.
URUTAN KERJA
Untuk melakukan analisis trafo tegangan tinggi pada
pesawat sinar-X maka perlu dilakukan kegiatan
kegiatan antara lain:
1. Mempersiapkan alat dan bahan yang akan
dianalisa
2. Mempelajari gambar trafo tegangan tinggi
pada pesawat sinar-X.
3. Mempelajari teori ten tang trafo daya.
4. Menganalisis trafo sebagai sumber
tegangan tinggi pada pesawat sinar-X
5. Melakukan perhitungan trafo tegangan
tinggi.
5.
METODE
Tegangan tinggi merupakan sumber tegangan kerja
untuk tabung pesawat sinar-X. Kapasitas pesawat
sinar-X yang akan dianalisa adalah 10 kV A, 100
mA/lOO kV. Bentuk gambar dari trafo tegangan
tinggi adalah sebagai berikut :
Untuk mempermudah perhitungan biasanya
dianggap Trafo ideal, sehingga PI = P2
Daya maksimum pesawat sinar-X :
PI = 10 kV A, Arus maksimum : 100 mA dan
tegangan maksimum : 100 kVA. Menurut rum us
transformator secara umum adalah :
Yl
= NL=hV2 N2
II
PI = P2 = 10 kV A = 10 kW dengan asumsi cos <p= I PI = VI XII
II
=
10.000220
II
=
45,5 A NlxII=N2xI2Jika NI di asumsikan = 180 lilitan
Maka N2 =
NIlLll
12
N2
=
180 x45.50,1 N2 = 81900 lilitan
Jadi untuk peswat sinar-X dengan daya 10 kVA,
maka membutuhkan transformator dengan lilitan
primer: 180 dan lilitan sekundemya 81900.
U ntuk transformator 100 k V atau lebih
diusahakan cara pengisolasian yang ekonomis dan
gradien tegangan yang seragam. Cara menggulung
lilitan menurut Fortesque gulungan primer letaknya
terdekat pada inti sedangkan gulungan sekundemya
jauh dari inti. Secara konsentris dililitkan gulungan
ke 1, 2, 3 dan 4 yaitu guJungan guJungan yang
rendah teganganya. Sedang tegangan yang tinggi
dililitkan seJanjutnya yaitu tegangan ke 5,6 ... 17
dililitkan makin lama makin jauh dari intinya.
Selanjutnya untuk mendapatkan gradien potensial
yang seragam dilekatkan bahan penghantar
(misalnya timah) pad a tabung isolasi yang terletak di antara gulungan primer dan sekunder.
~I~
~
I~
I
~b"~:~';:~:nd"
~ Gul.Primer
Gambar 5. Transformator model Fortesque
Tegangan maksimum yang dapat dihasilkan oleh sebuah trafo adalah 1600 kV, untuk menaikkan lebih tinggi lagi dianggap sudah tidak ekonomis, baik ditinjau dari sudut
material maupun ruangan yang diperlukan. Dalam rangka menaikkan tegangan berarti menaikkan tebal isolasi. Untuk itu maka bila tegangan dinaikkan lebih dan 500 kV, digunakan beberapa transformator yang dihubungkan secara kaskade.
Pada pesawat sinar-X diagnostik tegangan tinggi yang dibutuhkan untuk catu tegangan ke tabung adalah tegangan tinggi DC. Untuk itu tegangan dari trafo harus disearahkan dengan menggunakan dioda bridge. Seperti terlihat pada gambar 6.
HV
Gambar 6. Rangkaian HV dengan Tabung sinar-X Pada gambar 6 terlihat bahwa tegangan dari trafo yang masuk berupa tegangan AC, disearahkan dengan menggunakan dioda Bridge. Dengan adanya tegangan tinggi maka elektron dari filamen akan dipercepat untuk menuju ke anoda, sehingga terjadi tumbukan tak kenyal sempurna antara elektron dengan anoda. Peristiwa tumbukan tersebut yang menimbulkan terjadinya sinar-X
6. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil analisis dan perhitungan trafo tegangan tinggi untuk kapasitas 10k VA atau setara 10 kW dengan tegangan tinggi 100 kV seperti terlihat pada tabel. 1
Tabel I. Hasil perhitungan Trafo
Primer
Sekunder
day. Volt
I
LilitLilitankVAV
I
(volt) (A) an(kV)(mA) 220 455 180 100 1008190010SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176 Tabel 2. Hasil Pengujian Trafo
No INPUT OUTPUT Daya
AceVolt) DcekV) kV A 1 10 4,2 10 2 20 9,1 3 30 12,5 4 40 18,2 5 50 21,7 6 100 45,5 7 220 100,1
Trafo tegangan tinggi suhunya akan naik pada saat dioperasikan. Untuk itu membutuhkan pendinginan, biasanya yang lazim dipakai adalah minyak (minyak trafo) yang ditempatkan pada suatu tanh
Trafo dengan isolasi minyak dapat dirancang dalam berbagai bentuk, antara lain kontruksi jenis tanki maka bagian aktif (inti dan kumparan) ditempatkan dalam wadah logam, sehingga memperbaiki pendinginan.
Gambar 7. Tanki Trafo HV Keterangan gambar :
1. Tempat masukan minyak pendingin 2. Tanki
3. Transformator 4. Minyak pendingin 7. KESIMPULAN
Dari hasil analisis Trafo tegangan tinggi pad a pesawat sinar-X diagnostik adalah sebagai berikut :
I. Trafo tegangan tinggi akan efisien dan ekonomis, jika menggunakan lebih dari satu trafo yaitu secara kaskade. Terutama untuk kapasitas diatas 100 kV.
2. Dibutuhkan minyak sebagai bahan pendingin trafo, karena suhunya akan naik pada saat dioperasikan.
3. Sebetulnya trafo ideal dalam arti daya masuk sarna dengan daya yang keluar tidak ada, karena pad a trafo banyak terdapat
SEMINAR NASIONAL
SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011 ISSN 1978-0176
kerugian kerugian, misal rugi tembaga, rugi besi dan sebagainya.
4. Pada konstruksi tegangan tinggi yang perlu diperhatikan adalah teknik isolasinya. 8. DAFT AR PUST AKA
1. ARTONO ARISMUNANDAR, Teknik Tegangan Tinggi, Pradnya Paramita, Jakarta, 1987.
2. FRANK.D.PETRUZELLA,Elektronika Industri, Andi. Jogjakarta, 1986
3. SUMANTO, Teori Transformator, Penerbit Andi Jogjakarta, 1996
4. THE RAJA, B.L, A Texts Book of Electrical Technologi, Bombay,- Nirja Contruction and Development Co, 1980
