RANCANGAN SISTEM CATU DAYA DC 2 kV/2 A - Digilib

PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
RANCANGAN SISTEM CATU DAYA DC 2 kV/2 A UNTUK
KATODA SUMBER ION SIKLOTRON 13 MeV BERBASIS
TRANSFORMATOR
Heri Sudarmanto, Untung Margono
Pusat 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
D
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
Heri Sudarmanto, dkk.
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.
ISSN 1410 – 8178
Buku I hal 233
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
Tabel 1. Parameter catu daya katoda sumber ion
siklotron 13 MeV.
Parameter Catu
(7)
(8)
Keterangan
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]:
Daya
Tegangan
0-2000 V
Arus
0-2 A
Efisiensi
0.8
Ripel
≤ 5%
(9)
Dengan memperhatikan nilai faktor lilitan,
maka jumlah lilitan primer dan sekunder dapat
ditentukan oleh persamaan (10) dan (11):
(10)
DASAR TEORI
Perhitungan daya, tegangan dan arus
transformator [1]
Di bawah ini ditunjukkan persamaanpersamaan 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
ηstt adalah efisiensi catu daya.
(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)
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)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(5)
(18)
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)
Buku I hal 234
ISSN 1410 – 8178
(19)
(20)
(21)
Heri Sudarmanto, dkk
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
(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 jalajala (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.
Heri Sudarmanto, dkk.
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
ISSN 1410 – 8178
Buku I hal 235
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
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-rugi inti : < 1 % Po, rugirugi 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 masingmasing 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,
Buku I hal 236
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
fasa/transformator (nCp) adalah
ISSN 1410 – 8178
untuk
tiap
Heri Sudarmanto, dkk
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
UCAPAN TERIMA KASIH
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.
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,
Tokyo.
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).
Heri Sudarmanto, dkk.
ISSN 1410 – 8178
Buku I hal 237