Perancangan Osilator Daya Untuk Sumber - ANSN

2°Lf
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999
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-WALTONHIGH 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 voltagesupply 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 pelipattegangandengan dayayang
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:
Vo =2 nE
(1)
PERANCANGAN -aSILATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGAN
TINGGI TIPE COCKROFT-WALTON 500 kV120 mA
(Djasiman. dkk.)
19
ISSN 1411-1349
Volume1 Nomor 1 Juri 1999
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), rugi daya
pada pelipat tegangan (M>pt)dan rugi daya pada
Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiah
Teknologi Akselerator dan Aplikasinya
Vol.1 No.1 Juli 1999: 19-23
trafo keluaran (.1Ptr), seperti dirumuskan dalam
persamaan berikut:
(4)
Pos = Po + .1Ppt + .1Ptr
Besarnya daya keluaran telah tertentu yaitu:
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
Po
= Vo
= 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 :
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 sumber daya anoda direncanakan
sebesar ] 7,2 kW.
20
ISSN 1411-1349
Volume 1 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.
oz
fdN
Q
WE
.
ta)
"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.
t,)
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 baJikdapat 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.
(7)
= 25300
(8)
C
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}
- Xl
-
R
(9)
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?
(10)
dengan
PERANCANGAN OSILATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGAN
TINGGITIPE COCKROFT-WALTON500 kV120mA
(6)
L = 25300
f2.C
Q
Gambar I. Konfigurasi dasar osilator resonansi
(a "Tickler oscillator", b "Hartley
oscillator", c "Colpitts oscillator)
(Djasiman. dkk.)
- 159
-..J[C
f
21
ISSN 1411-1349
Volume1 Nomor 1 Juli 1999
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
:;
l
..it EJ r.
~)
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
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 = 1,5mH 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
Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiah
TeknologiAkselerator dan Aplikasinya
Vol.1 No.1 Juli 1999: 19-23
. (13)
BAHAN
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).
22
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999
C
dengan
-
(14)
eA
d
C
e
= bpasitans (F)
= pennitivitas (coulomb2 IN.m2
A
= luasanelektroda(m2)
= jarak elektroda atau
TANYAJAWAB
),
tetapan dielektrikum
d
tebal
dielektrikum (m)
Kumparan untuk induktor (1.) dapat dibuat
dengan mengacu pada rumusan (15) dan (16)
berikut(S).
n
= ~[(9r
+ 10p)L
0,39,1
]
(16)
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.
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
2.
tegangan dan arus lebih,
transistor tidak
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 terhadapsistemyang
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
elas-C
PERANCANGAN OSILATOR DAYA UNTUK SUMBER TEGANGAN
TINGGI TIPE COCKROFT-WALTON SOD kV120mA
(Djasiman. dkk.)
11= 70 %, osilator dibuat
23