Pengaruh Beban Terhadap Kinerja Osilator Daya - ANSN

PENGARUH BEBAN TERllIADAP
KINERJA OSILATOR
DAY A UNTUK GENERATOR COCKROFT -WALTON 300
kV/20 ttlA
Djasiman, Sudjatmoko, Suprapto, Sukidi
P3 TM-BATAN.Yogyakarta
ABSTRAK
PENCARUH BEBAN TERHADAP KINERJA OSII,ATOR DAYA UNTUKGENERATOR COCKROFTWALTON 300 kV/20mA. Telah dilakukan penelitian pengaruh beban terhadapkinerja osilator daya
sebagai sumber tegangan masukanpada pelipat tegangangenerator Cockroft-Walton300 kV//20 mA.
Konstruksi osilator daya ini dibangun menurutkonfigurasi" tickler oscillator" dalam sistem untai satu
tingkat menggunakankomponen utanra tahung trioda ITK 15-2 Penelitiandilakukandenganmengujidan
menyempurnakan
osilator daya setelahdisatukandenganpelipat tegangan.Hasil pengujianpada kondisi
maksimumdapatdicapai daya keluaran6,75kV (300 kV/22,5mA),amplitudoteganganosilasi 14,I kV dan
frekuensi 23,8 kHz. pada kondisi masukanterdiri dari daya, tegangandan arus anoda masing-masing
sebesar14,3 k~ 5,5kV dan 2,6 A. Fluktuasi.frekuensiterhadapvariasi daya keluaranantara 0.03 -6, 75
kWadalah 24,04 -23, 76 kHlz .Pada variasi daya keluarantersebutdidapatkantegangandan arus anoda
serta tegangankeluaranmasing-masingadalah 0,5 -5.5 kVdan 0,2 -2,6A serta 1,2-14,1 kV:, Efisiensi
maksimumdidapatkan47,2 % pada laya keluaran6, 75 kW Hasil pengujian menunjukanbahwakapasitas
keluaran osilator daya telah sesuaidenganperencanaanyaitu mampumenyanggadaya bebangenerator
Cockcroft-Walton sebesar6 kW (300 kV/20 mAYdan frekuensi osilator hampir tidak terpengaruholeh
perubahanbeban.
ABSTRACT
LOAD INFLUENCEON THE POWVEROSCILLATORPERFOMANCEFOR300 Kv/20 mA COCKCROFTWALTONGENERATOR.The load influenceon thepower oscil/atoras the oscillation voltageinput source of
300 kV/20 mA Cockcroft-Waltonvoltagemultiplier has beenexamined.The oscillator circuit configuration
was built in accordanceto theprinciple of tickler oscillator type,and constructedin one stagesystemwith
main component of /TK 15-2 triode tube. Examination was carried out by testing and improving the V
oscillator circuit after connectingwith v~!!l1iPJiec.
The obtainedresult at maximumcondition test
indicatedoutput power, oscillationvoltage'amplitudeandfrequencywere 6 75 kW 14.1 kVand 23.8 kHz
respectively,at input parameter ofpower, voltage and current of anodeindicate value of 14.3 kW 5.5 kV
2.6A respectively.Frequencyfluctuation over the variation of outputpower in the range of 0.03 -6.75 kW
indicatedvalues of24.04- 23.8 kHz. On the condition ofoutputpower variation the indicatedanodevoltage,
anodecurrent and output oscillation voltagewere0.5 -5.5 tv; 0.2 -2.6A and 1.2-14.kV; respectively.The
maximumoverall efficiency obtained at 6.75 kW output power was 47.2%. Resultfrom the whole test
indicatedthat oscillator outputcapacityhasadequatedrequirementdesignthat was capableto overcomethe
Cockroft-Waltonloading of 6 kW (300 kV/20mA,and that frequencywas not nearlyinfluencedby varying
load.
PENDAHULUAN
D
alam program rancang bangun mesin berkas
elektron (MBE) oleh PPNY -BA TAN yang
diawali dengan kapasitas 300 key/tO
mA,
ditetapkan sebagai sumber tegangan pemercepatnya
adalah
generator
Cockroft-Walton
(GCW).
Generator ini terdiri dari dua bagian utama yaitu
osilator clara clan pelipat tegangan. Keluaran osllator
baik clara maupun tegangannya harus cukup besar
agar mampu mengatasikapasitas keluaran generator
clan rugi-rugi pada pelipat tegangan serta rugi-rugi
liar berupa arus bocor clan korona. Frekuensi
keluarannya juga dituntut cukup tinggi yaitu dalam
beberapapuluh kHz untukmenunjangagarrugi-rugi
dalam pelipat teganganlebih dapat diminimalkan.
Agar diperoleh tegangan cukup tinggi sesuai
kebutuhan, sementara tegangan osilasi yang
langsung diperoleh dari komponenutama osilator
(trioda) pada umurnnya relatif rendah, maka
digunakan trafo peningkat tegangan pada sisi
keluaran osilator Trafo ini adalah dari jenis
frekuensi tinggi sehingga konstruksinya lebih
khusus dibanding trafo biasa yang untuk 50 kHz,
antara lain hams menggunakaninti refit untuk
frekuensi sampai dengan 40 kHz clan tanpa inti
untuk frekuensiyang lebihtinggi.
f=
Berbagai tire
osilator clan bentuk
gelombang dapat digunakan sebagai sumber
pemberi masukan pada pelipat tegangan generator
Cockroft-Walton.
Osilator dengan clara besar
umumnya dibuat dengan menggunakanjenis tabung
elektron sebagai komponen utamanya dari pada
menggunakanjenis komponen padat ("solid state;.
Ada beberapa keunggulan dari penggunaanjenis
ta.bung elektron antara lain mampu bekerja dengan
catu tegangan clan arus yang relatif lebih tinggi,
tahan terhadap arus beban lebih clan tegangan lebih
yang berlangsung singkat.
Untai osilator clara yang telah dibuat untuk
GCW ini adalah dalam sistem satu tingkat
menggunakan komponen utama trioda ITK 15-2
dalam konfigurasi "tickler oscillator" seperti terlihat
dalam gambar 1. Sinyal umpan balik positif ke grid
diperoleh dari kumparan perangsang ("tickler coil;
pada trafo keluaran T I,' Trafo keluaran T I, adalah
dari jenis frekuensi tinggi berinti ferit, memiliki 3
buah kurnparan L1,. L2 dan L3. Kumparan L1,
sebagai primer dialiri arus anoda, L2 sebagai
kumparan
perangsang ("tickler coil'; memberi sinyal umpan
balik positif ke grid, dan L3 sebagai kumparan
sekunder menghasilkan tegangan tinggi keluaran
untuk diberikan ke pelipat tegangan. Kumparan LI,
paralel kapasitor C, merupakan rangkaian tangki
atau rangkaian resonansi dimana frekuensi
resonansinya akan menentukan besarnya fiekuensi
yang dihasilkan osilator menurut persamaanberikut:
159
.JLC
(1)
dengan f adalah frekuensi resonansi (kHz), L nilai
induktansi (IJ.H),clan C nilai kapasitansi (IJ.F)
Dengan mengatur jumlah clan arah lilitan
kumparan L2 besamya tegangan clan polaritas yang
sesuai dapat diperoleh sebagai umpan balik positif.
Tahanan grid RI' bersama dengan kapasitor C3
memiliki tetapan waktu yang jauh lebih besar
dibanding periode osilasi, berfungsi memberikan
tegangan bias ke grid. Kombinasi C3 d~ngan
penyearah grid-katoda beraksi sebagai rangkaian
pemegang ("clamp")
sehingga menghasilkan
tegangan DC negatif sebagai mana dibutuhkan
untuk bias grid-katoda. Kumparan RFC dipasang
untuk
mencegah sinyal RF
mengalir ke
"ground'lewat tahanan RI. Kapasitor keraniik C4
dipasang antara grid clan filamen/katoda berfungsi
untuk mengurangi osilasi parasit, nilai kapasitannya
diperkirakan dengan persamaanberikut;
c gc = xPo
W
(2)
dengan Cgc adalah nilai kapasitan daTi kapasitor
grid-katoda (pF), x. angka pendekatan antara 12 sid
15, Po daya keluaran nominal osilator (kW), daD f=
frekwensi nominal osilator (Mhz). Untuk keluaran
osilator 10 kW!40 kHz, kapasitor grid-katoda (C4)
ini adalah 400 pF.
Menurut spesifikasi data teknik tabung trioda
ITK 15-2 ini memiliki kapasitas maksimum untuk
daya, tegangan clan arus anoda masing-masing 63
kW, 12 kV clan 7 A, namun agar diperoleh
keandalan yang tinggi diambil faktor keamanan
operasi sebesar 75 % sehingga tabung trioda hanya
akan dioperasikan dengan daya keluaran maksimum
sebesar45 kW. Untuk bekerjanya memerlukan catu
daya filamen 7,2 VII 80 A, pendingin anoda
menggunakan sirkulasi air demineral dengan
resistivitas tinggi lebih daTi 50 kO./cm clan untuk
'iilamen! head' menggunakan hembu.sanudara 0,5
m3/menit.
Dapat dikatakanbahwa GCW adalah suatu
perangkat pengubahdaya DC tegangan rendah
menjadi daya DC bertegangan tinggi melalui
beberapa bagian sistem. Proses konversinya
berturut-turnt dhllulai dari osilator daya,trafo RF
peningkatteganganclanpelipattegangan.Mengingat
rugi-rugi daya yang terjadi dalam fungsi kerja tiap
bagian tersebut,maka masing-masingakan terikat
dengan suatu faktor daya guna atau efisiensi.
Efisiensi masing-masing bagian sistem tersebut
telah menjadi bahan pertimbangan dalam
perencanaankonstrUksiosilator daya sebelurnnya.
Secara pendekatan dalam perencanaan telah
diperkirakanbesarnyaefisiensi dari masing-masing
bagian sistem tersebut yaitu: untuk osilator daya
sebesar:70 %, trafo RF: 70 % clan disisi pelipat
tegangan: 95 %, sehingga efisiensi seluruhnya
sekitar47 %.
Dalam hal ini dilaporkan tentang pengaruh
bebanterhadapkinerja osilator daya sebagaibagian
penyanggadaTi GCW 300 kV/20 mA yang akan
digunakan sebagai sumber tegangan pemercepat
padaMBE 300kV/IO mA.
masukan dilakukan dengan cara mengatur catu clara
anoda melalui suatu variak, sedangkanclara keluaran
dengan cara mengatur rangkaian tahanan beban.
Parametermasukan meliputi clara, tegangan clan arus
catu clara osilator, diperoleh daTi pengukuran arus
clan tegangan anoda, sedangkan clara keluaran
diperoleh dari pengukuran tegangan clan arus
tahanan beban.. Frekuensi keluaran dapat langsung
diukur, sedang kan untuk memperoleh pengamatan
amplitudo tegangan keluaran (E) dilakukan
pengukuran terhadap tegangan tingkat pertama (V U
pada struktur pelipat tegangan, clan harga E didekati
daTi hubungan E = V 1/2, karena pengukuran secara
II'C
11
CI
C2
C3
10 nF/30kV
5 nF/I0 kV
C4
0,1 ~F/15 kV
trioda ITK 15-2
trafo keluaran
meter tegangan anoda
meter ares anoda
sumber daya filamen 7,2 V /240 A
400 pF/5 kV
C5
C6
0,01j.lF/5 kV
10 nF/15 kV
RI
D.
Yo
1,5 kO./l kW
penyearah 3 Al50 kV
meter tegangan beban
meter ares beban
sumber daya anoda
VI
TI
Va
10
SDF
10
SDA
Gambar I Rangkaian osilator clara untuk generator
Cockcroft-Walton 300 kV/20 mA.
TATA KERJA DAN PERCOBAAN
Untuk mengetahui pengaruh beban terhadap
kinerja osilator daya sebagai bagian penyangga
dalam struktur generator Cockcroft-Walton (GCW)
yang akan digunakan sebagai sumber tegangan
pemercepat pada mesin berkas elektron (MBE)
dilakukan penyatuan dengan pelipat tegangan (PT)
dan pengujian dengan pembebanan simulasi.
Rangkaian pengujian dengan pembebanan simulasi
ditunjukkan pada gambar 2. Pengujian clengan
pembebanan simulasi ini menggunakan rangkaian
tahanan beban yang terbuat daTi susunan seri-paralel
sejumlah 25920 buah tahanan karbon 10 kOJO,5 W
sehingga bemilai 12,96 kW/16,2MO, dipasang
melintas pada terminal keluaran GCW.
Untuk mengetahui kinerja osilator daya ini
dilakukan pengamatan atas parameter-parameter
masukan kaitannya dengan parameter keluaran pada
berbagai kondisi. Untuk memperoleh variasi daya
langsung sulit dilakukan. Dari data-data basil
percobaan akan dapat disajikan beberapa beberapa
hubungan antar parameter untuk memperoleh
gambaran watak kinerja osilator clara. Sementara
untuk memperoleh hubungan parameter osilator
clara terhadap waktu operasi belum dapat dilakukan,
karena perlengkapan sistem pendingin yang belum
memadai. Pendinginan tersebut antara lain- untuk
sumber clara anoda clan trafo RF serta pendingin
rangkaian tahanan beban
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam pengujian ini telah dilakukan pengamatan
terhadap parameter-parameter
masukan kaitannya
denganparameterkeluaranpada, berbagaikondisi.
Dari data-data basil pengamatandapat disajikan
beberapawatakhubunganantaraparametermasukan
terhadapparameterkeluaran dalam bentuk grafik.
Hubungan antara variasi clara masukan terhadap
dayakeluaranclan efisiensikonversiclara disajikan
dalam gambar 3, hubungan antara variasi clara
masukanterhadaptegangankeluaranpada kondisi
tanpa bebanclanberbebandisajikan dalamgambar
4, sedangkandidalamgambar5 disajikanhubungan
antara clara masukan dengan teganganclan arus
anoda.Dari pengamatanfrekuensikeluaranterhadap
variasi clara masukan diperoleh data dengan
fluktusai frekuensi antara 24,14 -23,8 kHz pada
variasi clara 0,1 -14,3 kW. Dari basil pengujian
variasi clara masukanterhadapclara keluaranyang
disajikan dalam gambar 3 menunjukkan clara
keluaranyangtelah dapatdicapaiadalah6,75 kW
ProsedingPertemuandan Presentasil/miah
P3TM-BATAN,Yogyakarta14-15Juti /999
Buku/
274
ditampilkan dalam gambar 4, terlihat adanya
kesebandingan
yang hampirlinier padakedua
10,
J.--
' -.., SO
i 8
d,
140
rII
130~
6
I!
.n
-
!
:B
§,
20 '"'
~
+Ppvs.Pil-10
I-Efvs.PiI ;
O~I
0
1-;.10
.2.5
pada clara masukan 14,3 kW atau dengan efisiensi
konversi clara sebesar 47,2 %. Daya masukan
tersebut selain untuk menyangga clara keluaran atau
clara beban adalah untuk mengatasi rugi-rugi clara
yang terjadi dalam proses kerjanya komponenkomponen sistem. Rugi-rugi clara tersebut antara
lain pada komponen utama osilator clara berupa
disipasi anoda, pada trafo RF dalam bentuk rugi-rugi
inti'dan kawat/tembaga, pada pelipat tegangan dan
rugi-rugi liar berupa arus bocor dan korona. Secara
pendekatan rincian rugi-rugi daya tersebut telah
diperkirakan dalam perencanaankonnstruksi osilator
clara berdasarkan efisiensi masing-masing bagian
yaitu untuk osilator daya sebesar70 %, trafo RF 70
% dan disisi pelipat tegangan 95 %, sehingga
efisiensi secra keseluruhan sekitar 46,6 %. Pada
kenyataannya harga efisiensi tersebut mendekati
perkiraan dalam perencanaan dengan selisih 0,6 %
lebih besar, hal ini menunjukkan bahwa kondisi
kerja masing-masing bagian sistem dalam batasbatas yang wajar. Pada kondisi daya rendah kurva
efisiensi cenderung menurun, hal ini disebabkan
karena keluaran osilator masih dominan untuk
mengatasi rugi-rugi terutama untuk eksitasi trafo RF.
Pada kondisi maksimum dengan daya
keluaran sebesar 6,75 kW tersebut didapatkan
tegangan keluaran bebentuk gelomgang sinusoidal
dengan amplitudo 14,1 kV clan frekuensi 23,8 kHz.
Pada kondisi tersebut parameter masukan yaitu daya,
tegangan
clan arus
anoda masing-masing
menunjukkan 14,3 kW, 5,5 kV dan 2,6 A.
Dari hubungan antara variasi daya masukan
terhadap tegangan keluaran osilator seperti
Djasimandkk
zd
I
7.'
10
12.5 ~IS
DaY'masukan
(kW)
Gambar 2: Diagram rangkaian pengujian osilator
clara dirangkai dengan pelipat tegangan
clan tahananbeban.
S
Gambar3. Hubungandayamasukanvs daya
keluaran
Gambar 4. Daya masukan vs tegangan keluaran pada
kondisi tanpa beban daD berbeban
3
2.5
~ ~
,2
j ;
I.S
t :
,r:;Pi~=fi
...
t
01
0
tl-
i
J
'>
Ow'
-Pi vs.J& Hr.'
,
2.5
,
7.S
10 12.'
'0
IS
Dayamasubn(kW)
Gambar5. Hubungandaya masukanvs. Tegangan
anodadanarusanoda
ISSN0216-3128
ProsedingPertemuandon PresentasiIlmiah
P3TM-BATAN. YogyakartaI4-15JuliI999
kondisi baik tanpa beban rnaupun berbeban, serta
perbedaankebutuhan daya yang besar diantara
kedua
kondisi
tersebut.
Kelinieran
kurva
rnenunjukkan bahwa kondisi kerja fungsi daTi
kornponen-kornponen sistern belum rnengalami
kejenuhan. Untuk rnernbangkitkantegangankeluaran
yang sarna sebes~r 14,I kV, pada kondisi tanpa
beban hanya dlbutuhkan daya rnasukan yang kecil,
hat ini karena daya rnasukanhanya diperlukan untuk
rnengcksitasi kondisi kerja kornponen-kornponen
sistern terutarna rugi-rugi inti trafo RF, sedangkan
pada kondisi berbeban diperlukan daya jauh lebih
besar karena untuk rnengatasijurnlah daya keluaran
dan seluruh rugi-rugi daya yang terjadi, terutarna
rugi-rugi disipasi anoda daTi tabung trioda clan
disipasi kurnparanpada trafo RF.
Berdasarkan perolehan data pengujian untuk
hubungan antara frekuensi keluaran dengan variasi
275
-.-
BukuI
keluaran 6,75 kW. Hasil pengujian menunjukkan
bahwakapasitaskeluaranosilator daya telah sesuai
denganperencanaanyaitu mampumenyanggadaya
beban generatorCockcroft-Walton sebesar6 kW
(300 kV/20 IDA)dan frekuensiosilator hampirtidak
terpengaruholehperubahanbeban.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkallterima kasih kepada
Heri Sudarmanto,Untung Margono, Sumaryadi,
Suhartono,Dwi Mulyanto atas bantuannyadalam
pelaksanaan
penelitianini.
DAFT AR ACUAN
I.
clara yang rnenunjukkan harga frekuensi yang
harnpir tetap yaitu 24,04 -23.76 kHz pada variasi
daya rnasukan antara 0,1 -14,3 kW atau daya beban
0,03 -6,75 kW. Hal ini karena frekuensi keluaran
osilator lebih ditentukan oleh nilai induktansi (L)
dan kapasitansi (C) daTi rangkaian resonansi(t., C.)
sesuaidengan persarnaan(I) dari pada oleh pengaruh
yang lain seperti variasi catu daya, beban dan suhu.
Hubungan variasi daya terhadap tegangan
clan arus anoda yang disajikan dalarn gambar 5
rnenampilkan kurva hubungan yang hampir .tinier.
DiI(aitkan dengan watak dalam garnbar 3 dimana
k~luaran osilator sebanding dengan daya rnasukan,
rnaka untuk pengaturan keluaran osilator yang
berarti juga keluaran GCW dapat diatur rnelalui
pengaturan tegangananoda. Pada kondisi rnaksimum
dengan daya 14,3 kW, rnenunjukkan tegangan dan
arus anoda rnasing-rnasingsebesar5,5 kV dan 2,6 A.
Berdasarkan kapasitas rnaksirnurn daTi spesiflkasi
data teknis tabung trioda ITK 15-2 yaitu tegangan
dan arus anoda rnasing-rnasing dapat dicatu hingga
12kV dan 7 A, rnaka dengan kondisi kerja tersebut
rnasih dalarn batas-batasyang aman dan rnasih dapat
ditingkatkan untuk pengernbanganlebih lanjut.
KESIMPULAN
Hasil pengujian pada kondisi maksimum
dapat dicapai daya keluaran 6,75 kW (300 kV/22,5
mA), amplituda tegangan osilasi 14,1 kV daD
frekuensi 23,8 kHz, pada kondisi masukan terdiri
dari daya, tegangan daD arus anoda masing-masing
sebesar 14,3 kW, 5,5 kV daD 2,6 A. Fluktuasi
frekuensi terhadap variasi daya keluaran antara 0,03
-6,75 kW adalah 24,04 -23,76 kHz. Pada variasi
daya keluaran tersebut didapatkan tegangandaD arus
anoda serta tegangankeluaran masing-masing adalah
0,5 -5,5 kV dan 0,2 -2,6 A serta 1,2 -14,1 kV.
Efisiensi maksimum didapatkan 47,2 % pada daya
2.
3.
4.
5.
SULRZI3ERG, OSTERHELD, Esential of
ComunicationElectronics,Mc. Graw. -IiI I, Ltd,
1973.
ThomsonTube Electroniques,ITK 15-263 kW
IndustrialTriode,France,1994.
GRAGGS, J, and MEEK, JM, High Voltage
Laboratory Technique, Butterworth, Ltd,
London,1953.
DJASIMAN, dkk, Konstruksi Osilator Daya
Untuk GeneratorCockcroft-Walton300 kV/20
mA, LaporanTeknikPPNY-BATAN, 1998.
SUPRAPTO,dkk, Konstruksidan Karakterisasi
PelipatTeganganGeneratorCockcroft -Walton
300 kV/20 mA Untuk Tegangan Pemercepat
Mesin Berkas Elektron 300 keV/IO mA,
Pertemuanllmiah HFI, 8 -10 Desember1998.
TANYAJAWAB
Rakis Ismanto
.Bagaimana
cara melakukan
pengukuran
tegangan outputnya daDdengan alat apa.
Djasiman
* Caranya dilakaukan dengan pengukuran
langsung menggunakan alaI pengukur
tegangan tinggi yang dikenakan langsung ke
elektroda tegangan tinggi. Alat pengukur
tegangantinggi tersebutterdiri dari meterarus
50 ,uA don tahanan seri 10.000 Mfl yang
dihubungkan secara seri sehingga memiliki
jangkau ukur 500 kJ":
Subari Santoso
*
Mohon dijelaskan lebih terinci frekuensi
osilator hampir tetap tidak terpengaruholeh
perubahan daya pada generator CockroftWalton.
Djasiman
* Frekuensi osilator pada dasarnya ditentukan
oleh nilai induktan don kapasitan dari
rangkaian resonansi(LI don CI dari gambar
I) menurut persamaan I, perubahan
dayaibeban dapat mempengaruhifrekuensi
melalui rumus;
*
dimana
Qejfadalahfaktor tangki nilairesonansi
Rt tahananuntai resonansi
RL tahananbeban
Makin besar nilai Qeffmakin tinggi kestabilan
frekuensinya. Jadi hampir tetapnyafrekuensi
karenapengaruh dominan ditentukanmenurut
persamaanI tersebut.
Diasimandkk
ISSN 0216-3128