karakterisasi catu daya katoda sumber ion siklotron - Digilib

Volume 15, Oktober 2013
KARAKTERISASI
SIKLOTRON
ISSN 1411-1349
CATU
DAYA
KATODA
SUMBER
ION
Saminto, Silakhuddin, Eko Priyono
Pusat Teknologi dan Akselerator dan Proses Bahan, BATAN
Jln. Babarsari Kotak Pos 6101 ykbb Yogyakarta 55281
email: [email protected]
ABSTRAK
KARAKTERISASI CATU DAYA KATODA SUMBER ION SIKLOTRON. Suatu perangkat catu daya
katoda sumber ion siklotron telah dikarakterisasi. Perangkat tersebut terdiri modul kendali daya SCR tipe LPC
50HDA, transformator daya dan sistem penyearah. Karakterisasi catu daya meliputi pengukuran parameter
hanyutan pemanasan alat, regulasi aliran masukan, regulasi beban, tegangan riak dan uji stabilitas. Hasil
percobaan menunjukkan hanyutan pemanasan alat 0,50 %, regulasi aliran masukan 4,7 %, regulasi beban 45 %
dan tegangan riak puncak ke puncak 3 V. Hasil uji stabilitas menunjukkan tegangan keluaran rata-rata 1695 V
dan penyimpangan tegangan keluaran rata-rata 6,10 V atau 0,361%. Secara umum dapat dikatakan bahwa
perangkat catu daya katoda siap digunakan untuk optimasi parameter operasi pada perangkat uji sumber ion.
Kata kunci: catu daya katoda, perangkat sumber ion, siklotron
ABSTRACT
CARACTERIZATION OF CYCLOTRON ION SOURCE CATHODE POWER SUPPLY. A device of
the cyclotron ion source cathode power supply has been characterized. The device consists of LPC
50HDA type SCR power control module, power transformer and rectifier system. Characterization
includes of warm up drift parameter measurement, line regulation, load regulation, ripple voltage and stability
test. Experimental result shows 0.50 % of warm up drift, 4.7 % of line regulation, 45 % of load regulation and 3V
peak to peak of ripple voltage. Stability test result shows 1695 V of the average output voltage and 6.10 V or 0.361
% of the average output voltage deviation. Generally it can be said that the device of cathode power supply
is ready for use in the experiments for optimization of the operating parameters at the ion source test
device.
Keywords: cathode power supply, ion source device, cyclotron
PENDAHULUAN
S
uatu sumber ion jenis Penning Ionization Gauge
(PIG) untuk pemercepat ion H- pada disain
siklotron DECY 13 memerlukan sistem catu
daya katoda. Pada sumber ion tersebut, molekulmolekul gas hidrogen diionisasi di dalam ruang sumber
ion dan pada umumnya beroperasi pada tekanan gas
antara 10-4 hingga 10-1 Torr [1]. Untuk mengionisasi
ion-ion H- diperlukan catu daya katoda yang relatif
tinggi. Berdasarkan desain awal yang telah dibuat, catu
daya katoda ini memerlukan tegangan yang dapat di
variasi mulai 0 V sampai 2500 Vdc dengan arus
sampai 2,0 A [2].
Suatu perangkat catu daya katoda untuk sumber
ion siklotron menggunakan kendali SCR sudah dibuat
dan perlu dilakukan karakterisasi sebelum di
implementasikan pada perangkat uji sumber ion.
Dengan mempertimbangkan ketahanan operasi dan
komponen yang tersedia dalam referensi produk,
katalog, maka dipilih catu daya tipe pengendali daya
berbasis thyristor (thyristorized power controller).
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 15, Oktober 2013: 78 - 83
Catu daya tersebut dapat diatur (variable) melalui
perintah berupa tegangan 0-5 V atau potensiometer.
Komponen catu daya terkendali thyristor terdiri, SCR
terpasang terbalik parallel dan kontrol, trafo penaik
tegangan, penyearah tegangan dan kapasitor sebagai
tapis (filter) seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Pengendali daya berbasis thyristor.
Karakterisasi catu daya katoda diperlukan untuk
mengetahui kinerja catu daya katoda. Adapun ruang
lingkup karakterisasi catu daya katoda ini meliputi,
tegangan keluaran saat pemanasan alat (warm up drift),
regulasi terhadap saluran jaringan masukan (line
78
Volume 15, Oktober 2013
regulation), regulasi terhadap beban keluaran (load
regulation), tegangan keluaran kerut (ripple output)
dan uji stabilitas.
Dengan karakterisasi ini diharapkan dapat
diketahui unjuk kerja catu daya katoda berbasis
thyristor dan dapat membantu proses optimasi
parameter operasi pada perangkat uji sumber ion.
DASAR TEORI
Silicon Control Rectifier (SCR) [3]
SCR merupakan penyearah yang dapat diatur
keluarannya. Simbol dari sebuah SCR ditampilkan
pada Gambar 2.
ISSN 1411-1349
untuk memperoleh kontrol gelombang penuh. Dalam
hubungan ini, SCR pertama mengontrol tegangan
positip bentuk gelombang sinus dan SCR yang lain
mengontrol tegangan negatif. Kontrol arus dan
percepatan dicapai dengan pemberian trigger dan
penyalaan SCR pada waktu yang berbeda selama
setengah siklus. Jika pulsa trigger diberikan awal pada
setengah siklus, maka keluarannya tinggi. Jika pulsa
trigger diberikan terlambat pada setengah siklus, maka
hanya sebagian kecil dari bentuk gelombang yang
dilewatkan dan mengakibatkan keluarannya kecil.
Rangkaian Penyearah Jembatan [5]
Prinsip penyearah tegangan gelombang penuh
dengan penyearah jembatan ditampilkan pada Gambar
4.
Gambar 2. Simbol SCR.
Prinsip kerja SCR yaitu jika diberikan arus gate yang
makin besar, maka tegangan breakover-nya (Vbo)
menjadi turun. Tegangan ini merupakan tegangan
minimum yang diperlukan untuk SCR menjadi ON.
Agar SCR tetap ON, maka arus maju anoda ke katoda
harus berada diatas arus holding-nya. Sekali dipicu,
SCR tetap ON, sedang untuk membuat SCR OFF,
maka arus anoda katoda diturunkan dibawah arus
holding-nya.
Pengendali Sudut Fase SCR (SCR Phase Angle
Controller)[4]
Pengendali sudut fase SCR adalah suatu teknik
pengaturan pememicuan gate SCR untuk mengendalikan daya atau tegangan ke beban, misal, transformator,
heater, dll. Prinsip kerja dari SCR phase angle control
dijelaskan pada Gambar 3.
Gambar 4. Penyearah jembatan dan bentuk
gelombang keluaran dengan
tapis kapasitor.
Arah arus lewat D1 dan D2 melewati RL sebagaimana
terlihat pada gambar penyearah gelombang penuh
dengan sistem jembatan adalah sama, yaitu dari ujung
atas RL menuju ground. Dengan demikian arus yang
mengalir ke beban (iL) merupakan penjumlahan dari
dua arus i1 dan i2 dengan paruh waktu masing-masing.
Formulasi penyearah gelombang penuh adalah
V avg =
dengan
π
(1)
Vavg : tegangan keluaran,
Vm
Gambar 3. Pengendali sudut fase SCR.
2Vm
: tegangan masukan.
Fungsi kapasitor pada rangkaian adalah untuk
menekan ripple yang terjadi dari proses penyearahan
gelombang AC. Setelah dipasang filter kapasitor maka
output dari rangkaian penyearah gelombang penuh ini
akan menjadi tegangan DC yang dapat diformulasikan
sebagai
Gambar 3 menunjukkan penggunaan dua SCR yang
dihubungkan secara terbalik paralel (back to back)
KARAKTERISASI CATU DAYA KATODA
SUMBER ION SIKLOTRON
Saminto,Silakhuddin, Eko Priyono
79
Volume 15, Oktober 2013
V dc =
ISSN 1411-1349
2V max
Untuk nilai tegangan
dirumuskan sebagai
Vripple =
dengan
π
.
ripple
(2)
yang
ada
I Load
fC
dapat
(3)
f
: frekuensi listrik, hertz (Hz)
C
: kapasitor, farad (F)
ILoad : arus beban, amper (A)
Berdasarkan spesifikasi pengendali daya SCR tipe
LPC-50HDA, SCR mampu memberikan tegangan
dengan
keluaran Vout: 0-220 Vac, Iout: 40 A
kemampuan daya sekitar 8,8 kVA [6]. Sedang
spesifikasi tranformator yang telah dibuat, Vin: 0-220
Vac, Vout: 0-2000 Vac, Iout: 2,0 A dengan kemampuan
daya sekitar 4 kVA. Dari kedua spesifikasi
menunjukkan bahwa pengendali daya SCR cukup
aman untuk diintegrasikan dengan beban tranformator.
Parameter Catu Daya Katoda [7]
Hanyutan pemanasan (Warm up drift)
TATA KERJA
Rangkaian Catu Daya Katoda Sumber Ion
Untuk melakukan pengukuran parameter
operasi pada catu daya katoda diperlukan untai
rangkaian dan tata letak alat ukur tegangan dan arus.
Meter pengukur tegangan dan arus keluaran
menggunakan DVM “Lutron”, sedang tegangan
masukan diukur menggunakan DVM SANWA PC
5000. Skema pengukuran parameter operasi
ditampilkan pada Gambar 5.
Didefinisikan sebagai perubahan di dalam
tegangan keluaran DC (Vout) dari 15 detik setelah di
ON kan (V15S) sampai 30 menit setelah ON (V30M)
untuk
memenuhi agar catu daya mencapai
kesetimbangan termal yang dinyatakan dalam prosen
yaitu
Warm UP drift =
V15S − V30 M
V30 M
× 100 % .
(4)
Regulasi terhadap jaringan (Line regulation)
Didefinisikan sebagai perubahan di dalam
tegangan keluaran DC (Vout) dikarenakan variasi
tegangan masukan dengan semua faktor lain dijaga
konstan yang dinyatakan dalam prosentase dari
tegangan keluaran nominal yaitu
Line regulation =
Gambar 5. Rangkaian dan tata letak alat
ukur tegangan dan arus.
V
−V
OUT NOM
OUT MAX/MIN
V
OUT NOM
× 100 %
.
(5)
VOUT MAX/MIN = tegangan keluaran diukur pada
VIN ± 10%
Regulasi terhadap beban (Load regulation)
Konstruksi Catu Daya Katoda Sumber Ion
Konstruksi catu daya katoda sumber ion terdiri
pengendali daya SCR dan sistem penyearah
ditampilkan pada Gambar 6.
Didefinisikan sebagai perubahan di dalam
tegangan keluaran dc (Vout) disebabkan perubahan arus
beban dengan semua faktor lain dijaga konstan, yang
dinyatakan dalam prosentase dari tegangan keluaran
nominal yaitu
Load regulation =
VOUT R = ∞ − VOUT RL
VOUT R = ∞
× 100 % .
(6)
Load regulation diukur untuk tegangan masukan ac
nominal tetapi masih batas jangkau operasi normal.
a. Modul pengendali
daya SCR tipe
LPC-50HDA
b. Penyearah tegangan dan beban
Gambar 6. Pengendali daya SCR dan sistem
penyearah tegangan.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 15, Oktober 2013: 78 - 83
Riak (Ripple)
Didefinisikan sebagai komponen kotoran pada
tegangan keluaran, dinyatakan sebagai tegangan
puncak ke puncak (peak to peak) atau rms. Pengecekan
tegangan ripple dilakukan dengan menggunakan
osiloskop.
80
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
Stabilitas alat
Didefinisikan sebagai kestabilan tegangan
keluaran dengan beban terpasang dalam waktu operasi
beberapa jam nonstop.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Komponen-komponen
dirakit
menjadi
perangkat catu daya katoda selanjutnya diuji coba dan
dikarakterisasi dengan mengamati parameter yang
diperlukan sebelum diimplementasikan pada perangkat
uji sumber ion.
Hasil Pengujian Warm up Drift
Pengujian warm up drift meliputi pengukuran
tegangan keluaran pada kondisi 15 detik setelah di ON
kan dan 30 menit setelah di ON kan. Pengujian
dilakukan pada kondisi tegangan listrik nominal (220
Vac). Data pengujian warm up drift ditunjukkan pada
Tabel 1.
Tabel 1. Data pengujian warm up drift.
Tegangan
listrik
VOUT
15 detik
setelah ON
(V15S)
VOUT
30 menit
setelah ON
(V30M)
Arus
beban,
IL
220 Vac
2000 Vdc
1990 Vdc
1,0 A
Selanjutnya dengan memasukkan data pengujian ke
dalam persamaan 4, maka diperoleh nilai parameter
warm up drift adalah 0,50%. Hasil pengujian
menunjukkan bahwa selama pemanasan (warm up
drift) catudaya bekerja normal dengan tegangan
keluaran stabil dan tidak berfluktuasi dengan ditandai
prosentase warm up drift relatif kecil.
Selanjutnya dengan memasukkan data pengujian ke
dalam persamaan 5, maka diperoleh nilai parameter
line regulation adalah 4,7%.
Hasil Pengujian Load Regulation
Pada pengujian ini kondisi tegangan listrik pada
posisi 220 V dengan beban terpasang dan tanpa beban.
Data pengujian load regulation ditampilkan pada
Tabel 3.
Tabel 3. Data pengujian parameter load regulation.
Masukan
sumber daya
listrik
Keluaran HV
tanpa beban
(RL = ∞)
Keluaran HV
dengan beban
(RL = 238 Ω)
220 V ac
1500 V dc
820 V dc
Selanjutnya dengan memasukkan data pengujian ke
dalam persamaan 6, diperoleh nilai parameter load
regulation adalah 45%. Prosentase load regulation
tersebut cukup tinggi. Pada catu daya ini saat diberi
beban terjadi drop tegangan yang besar dan hal ini
tidak di harapkan terjadi. Untuk catu daya yang baik
nilai load regulation harus sekecil mungkin. Oleh
karena itu untuk memperkecil prosentase load
regulation diperlukan sistem kendali kalang tertutup
(close loop control system). Sistem tersebut akan
bekerja mengendalikan tegangan keluaran sesuai
setting demand.
Hasil Pengukuran Tegangan Riak (Ripple)
Hasil pengamatan ripple pada tegangan
keluaran 1700 Vdc dengan arus beban 1,01 A
ditampilkan pada Gambar 7.
Hasil Pengujian Line Regulation
Setelah semua bahan dan komponen dirangkai
seperti pada Gambar 5, selanjutnya dihubung ke
sumber daya listrik Vac (sebagai tegangan masukan
nominal) dan tegangan keluaran catudaya di set tetap
pada 1000 V dc. Pengujian parameter line regulation
dilakukan dengan mengubah sumber daya listrik
masukan ±10% dari tegangan nominal. Data pengujian
ditampilkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Data pengujian parameter line regulation.
Gambar 7. Bentuk tegangan ripple.
Melalui pengamatan osiloskop diperoleh nilai tegangan
ripple adalah 3 div kali 1 V/div = 3 VPP. Nilai tegangan
ripple tersebut dapat diturunkan (diperkecil) dengan
memperbesar nilai kapasitor tapis dan mengurangi arus
beban.
Masukan
sumber daya
listrik (V ac)
Keluaran tegangan
catudaya HV
(V dc).
Arus
beban,
IL
200
1430 (VOUT MIN)
0,712 A
Hasil Uji Stabilitas Alat
220
1500 (VOUT NOM)
0,753 A
230
1535 (V OUT MAX)
0,782 A
Pada uji ini tegangan keluaran diset 1700 V
dengan arus beban 1,09 amper, selanjutnya alat
dinyalakan selama 4 jam nonstop. Dikarenakan tidak
KARAKTERISASI CATU DAYA KATODA
SUMBER ION SIKLOTRON
Saminto,Silakhuddin, Eko Priyono
81
Volume 15, Oktober 2013
ISSN 1411-1349
punya alat perekam tegangan, maka perekaman data
dilakukan secara manual yaitu dengan mencatat secara
periodik tiap lima belas menit. Hasil rekaman data
tegangan keluaran terhadap waktu operasi ditampilkan
pada Tabel 4.
Tabel 4. Data uji tegangan keluaran catudaya.
Waktu operasi (Menit) 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 265 280 Tegangan output (Volt) 1710 1710 1700 1700 1700 1700 1700 1690 1690 1690 1690 1690 1690 1690 1690 1690 1690 1690 Dari data uji tegangan keluaran catudaya dapat
dihitung tegangan keluaran rata-rata ( VOUT ) = 1695 V
dan nilai penyimpangan (deviasi) tegangan keluaran
rata-rata (∆ VOUT )= 6,10 V atau 0,361%.
Dari Tabel 4 dapat dibuat kurva untuk mengetahui
tingkat stabilitas keluaran catu daya seperti
ditunjukkan pada Gambar 8.
Berdasarkan data hasil uji Tabel 4 dan kurva pada
Gambar 8 menunjukkan bahwa selama pengujian
tersebut tegangan keluaran mulai stabil pada menit ke
135 sampai selesai. Salah satu faktor ketidak stabilan
adalah kondisi beban yang tidak stabil. Pada uji ini
menggunakan beban lampu bolam 220 V/100 W diseri
12 kali dan diparalel dua baris. Beban lampu semakin
lama makin panas yang membuat hambatan (R) lampu
berubah sehingga membuat tegangan keluaran
berfluktuasi (tidak stabil). Selain itu faktor ketelitian
alat ukur yang digunakan. Meter pengukur tegangan
hanya dapat membedakan perubahan tegangan terkecil
10 V sehingga untuk perubahan nilai dibawah 10 V
tidak direspon. Dari hasil perhitungan menunjukkan
bahwa nilai penyimpangan tegangan keluaran rata-rata
(∆ VOUT ) cukup kecil yaitu 6.10 V atau 0.361 %
sehingga catu daya ini dapat dikategorikan cukup
stabil. Namun demikian untuk mengetahui keandalan
catudaya ini perlu uji stabilitas untuk waktu yang lebih
lama dan arus beban lebih dimaksimalkan.
KESIMPULAN
Telah dapat dibuat dan dikarakterisasi
perangkat catu daya katoda sumber ion meliputi
pengukuran parameter warm up drift, line regulation,
load regulation, tegangan ripple dan uji stabilitas alat.
Dari hasil pengukuran parameter diperoleh, warm up
drift 0,50%, line regulation 4,7%, load regulation 45%
dan tegangan ripple 3 Vpp. Hasil uji stabilitas operasi
selama 4 jam diperoleh tegangan keluaran 1690 V
sampai 1700 V sehingga dihasilkan tegangan keluaran
rata-rata ( VOUT )= 1695 V dengan penyimpangan
tegangan keluaran rata-rata (∆ VOUT ) = 6,10 V atau
0.361 %.
DAFTAR PUSTAKA
[1] ROVEY J.L., Design Parameter Investigation of a
Cold Catode Penning Ion Source for General
Laboratory Applications, Journal of Plasma
Science and Technology, 17(3). DOI, 2008.
[2] SILAKHUDDIN dkk., Penentuan Parameter
Komponen Perangkat Uji Sumber Ion Siklotron,
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah
Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, ISSN
1411-1349, Vol 14, PTAPB-BATAN, 2012.
[3] HAMONANGAN, ASWAN, “Thyristor-SCR,
TRIAC dan DIAC”, 2009, www.electroniclab.com
[4] SCR POWER CONTROL, WATLOW Electric
Manufacturing
Company,
USA
1995,
www.watlow.com/downloads/en/brochures/winscr 0210.pdf
Gambar 8. Kurva tegangan keluaran catu daya.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 15, Oktober 2013: 78 - 83
[5] BASIC ELECTRONICS TUTORIALS by Wayne
Storr, 2013, www.electronics-tutorials.ws
82
Volume 15, Oktober 2013
[6] SSR INTELLIGENT PHASE ANGLE CONTROL,
HB CONTROL, 221 Weaver Street, Fall River,
http://www.hbcontrols.com
[7] PETUNJUK PRAKTIKUM ELEKTRONIKA
NUKLIR, Jurusan Teknik Nuklir, Universitas
Gajah Mada, Yogyakarta, 1997.
ISSN 1411-1349
TANYA JAWAB
Irianto
− Apakah keuntungan/kelebihan kendali catudaya
menggunakan SCR dibanding menggunakan jenis
variac?
Saminto
− Dimensi catudaya menggunakan SCR lebih kecil,
ringan dan kompak
− Mempunyai kemampuan arus keluaran besar
− Mudah diperoleh dipasaran dan mudah di dalam
pembuatannya.
KARAKTERISASI CATU DAYA KATODA
SUMBER ION SIKLOTRON
Saminto,Silakhuddin, Eko Priyono
83