Daftar Isi
SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006
PEMBUATAN CATU DAYA TEGANGAN TINGGI 2,5 KV MODEL BEM-451 UNTUK TEGANGAN BIAS DETEKTOR Ju~,PRAnTNo,DE~TA Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB Yogyakarta 55281 Telp. (0274) 488435 Abstrak PEMBUATAN CATU DAYA TEGANGAN TINGGI 2,5 KV MODEL: BEM-451 UNTUK TEGANGAN BIAS DETEKTOR. Telah dilakukan pembuatan Catu daya tegangan tinggi 2,5 kV, alat ini akan digunakan sebagai catu daya bias detektor, atau untuk konsumsi detektor arus rendah, tapi mempunyai kemampuan tegangan keluaran yang cukup tinggi, dan tegangan noise rendah. Kegiatan yang dilakukan meliputi desain rangkaian elektronik, pembuatan dan pengujian alat. Pengujian yang dilakukan meliputi faktor regulasi, stabilitas tegangan tanpa dan dengan beban. Spesifikasi yang ingin dicapai: tegangan keluaran mabimum +2500V DC, faktor regulasi ::; 0,5%, stabilitas tegangan ::; 0,3%, tegangan noise::; 7mV, dan arus beban mabimum 300 pA. Dari hasil pengujian diperoleh data: keluaran tegangan mabimum sebesar +2500 V, faktor regulasi tegangan 0,2 %, stabilitas teganganO,18 %, tegangan noise tanpa beban 1 mV, dan arus beban mabimum 300 pA. Dari seluruh hasil pengujian terlihat bahwa sistem penyedia daya tegangan tinggi yang dibuat telah berfungsi dengan baik dan sesuai spesifikasi yang ditentukan. Kata-kata kunci: Pembuatan, tegangan tinggi, bias detektor
Abstract THE CONSTRUCTION OF 2,5 KV BEM-451 HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY FOR BIAS DETECTOR. The construction of 2,5 kV high voltage bias supply has been done. This instrument will be used as power supply of bias detector for low current detector consumption, but is capable to produce high voltage output with low noise voltage. The activities involve designing electronic circuit, constructing and testing instrument. The test was donefor regulation factor and voltage stability testing with and without load. The specifications that will be achieved are maximum output voltage +2500 V DC, regulation factor ::;0,5 %, voltage stability ::; 0,3 %, noise voltage::; 7mV, and maximum load current 300 pA. The test gives results: maximum output voltage value +2500 V, regulation factor 0,2 %, voltage stability 0,18 %, noise voltage without load ImV, and maximum load current 300 pA. From the whole test result, it turns out that the high voltage power supply system functions properly and fulfills the recommended specification. Key word: Pembuatan, tegangan tinggi, bias detektor
PENDAHULUAN
regulasi tegangan yang eukup baik, serta tegangan noise rendah. Latar belakang pembuatan eatu daya tegangan tinggi adalah PTBIN-BATAN saat ini membutuhkan eatu claya tegangan tinggi tersebut dalam sistem spektometri neutron yang dimilikinya baik sebagai salah satu sarana analisis maupun penelitian. Di samping itu dari sisi penguasaan teknologi dalam pembuatan eatu daya tegangan tinggi juga penting untuk dikuasai dan
Penyedia daya tegangan tinggi 2,5 kV adalah suatu alat yang digunakan dalam instrumentasi nuklir sebagai eatu daya detektor nuklir khususnya untuk konsumsi detektor arus rendah (detector low current) biasanya untuk detektor semi konduktor[1].Catu daya tegangan tinggi tersebut diharapkan mempunyai kemampuan tegangan keluaran yang eukup tinggi sampai +2500V, stabilitas tegangan dan
Jumari dkk
85
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006
dikembangkan. Tujuan dalam pembuatan eatu daya tegangan tinggi ini adalah untuk memenuhi salah satu kebutuhan sistem eatu daya bias detektor untuk deteksi neutron di PTBIN-BATAN. Kemampuan arus beban maksimum adalah 300 !-LAdan tidak direko mendasikan untuk konsumsi arus beban melebihi 300 !-LA,karena jika dipakai untuk meneatu daya detektor yang mengkonsumsi arus beban melebihi 300 !-LA maka akan mengakibatkan eatu daya tegangan tinggi ini over load dan terjadi drop tegangan yang eukup besar yang mrngakibatkan sistem tidak dapat berfungsi dengan baik. Supaya eatu daya yegangan ini dapat berfungsi dengan baik maka harus dioperasikan sesuai prosedur yang telah dibuat. Pada pengujian eatu daya tegangan ini dititik beratkan pada pengujian stabilitas tegangan baik dengam beban maupun tanpa beban serta menekan tegangan noise sekeeil mungkin sesuai batasan harga yang ditetapkan. Untuk melakukan pengujian stabilitas tegangan tanpa beban dan dengan beban maka keluaran tegangan tinggi diset pada tegangan 1000 V, karena alat Differential Volt Meter yang dipakai untuk menguji stabilitas tegangan hanya mampu sampai 1000V. Caranya dengan mengatur keluaran tegangan tinggi DC pada 1000V, kemudian diukur stabilitas tegangannya dengan menggunakan Differential Volt Meter untuk setiap selang waktu 10 menit selama 8 jam, sedangkan untuk pengujian stabilitas tegangan dengan beban (alat tes beban) diset pada arus beban 300 !-LAdilakukan dengan mengatur harga tahanan beban, dan keluaran tegangan tinggi juga diset sebesar 1000 V, kemudian dilakukan pengukuran stabilitas tegangan dengan eara yang sarna. Sementara itu besamya tegangan noise diamati menggunakan osiloskop baik untuk tegangan noise tanpa atau dengan beban. Dari data hasil pengujian stabilitas tegangan diplotkan dalam bentuk grafik dan dieari berapa besar harga stabilitas tegangan tinggi tersebut. Untuk pengujian faktor regulasi dilakukan dengan mencatat tegangan sebelum dan setelah dibebani, kemudian dihitung berapa faktor regulasinya. Dari analisis data hasil pengujian dapat diketahui kualitas alat eatu daya tegangan tinggi yang dibuat.
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
86
DASAR TEOR! Pada prinsipnya eatu daya tegangan tinggi yang dibuat terdiri dari bagian osilator, driver, trafo BV (High Voltage), tegangan regulasi/tegangan referensi, penyearah dan pengganda tegangan, sistem penguat arus untuk meter penampil. Blok diagram eatu daya tegangan tinggi untuk bias detektor tersebut seperti disajikan pada Gambar 1. OSllator
Driver
ImloRV
Pt!Jyearah,'
Mete!
PenggaJ1lia
PelUillpli
Gambar 1. Blok diagram Catu Daya Tegangan Tinggi BEM - 451
Osilator berfungsi sebagai pembangkit pulsa kotak dengan frekuensi dan amplitudo tertentu, kemudian pulsa tersebut dimasukkan ke rangkaian driver untuk dikuatkan tinggi pulsanya, pulsa keluaran dari driver dimasukkan ke trafo BV, sementara itu tegangan DC teregulasi dimasukkan ke trafo BV untuk mengatur/meregulasi keluaran tegangan tinggi, selanjutnya disearahkan dan dilipat gandakan melalui rangkaian penyearah dan pengganda tegangan sehingga tegangan keluaran dapat meneapai +2500 V, keluaran tegangan tinggi tersebut ditampilkan pada meter analog panel depan. Rangkaian elektronik eatu daya tegangan tinggi BEM-451 yang dibuat seeara lengkap disajikan pada Gambar 2. Tegangan referensi yang dipakai sebagai tegangan regulasi diambilkan dari tegangan supply ±24V, pengaturan regulasi tegangan dilakukan dengan mengatur harga potensiometer Rpz dan sebagai regulator adalah trasistor Q7, Q8 dan QIO sedangkan sebagai rangkaian kontrol arus adalah Q9, Kemudian pada emitor transistor keluar tegangan DC yang dapat diatur dari -4V sampai dengan +24 V, tegangan keluaran dari rangkaian regulator ini selanjutnya digunakan untuk men-drive tap tengah dari trafo BV (T 1)' Pulsa Q3 dan Q4 dimasukkan ke rangkaian driver
Jumari dkk
SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006
akan diinduksikan dan dinaikkan tegangannya melalui trafo T1 dan pada keluaran trafo T 1 akan keluar tegangan AC dengan besar tegangan bervariasi tergantung dari besamya tegangan regulasi dan perbandingan jumlah gulungan kawat N 1 dan N2 (winding per volt) nya.
dan Q6, kemudian pulsa tersebut dikuatkan kemampuan arusnya dan dimasukkan ke trafo Tl (trafo step up) bagian primer. Karena adanya tegangan regulasi yang dipasang pada tap tengah trafo primer, maka pulsa kotak dengan amplitudo tegangan tertentu Qs
J"'"'"~I'. J."'.'"~
Gambar 2. Rangkaian Catu Daya Tegangan Tinggi BEM - 451
Tegangan AC keluaran trafo Tl disearahkan dengan menggunakan dioda penyearah tegangan tinggi, setelah disearahkan dilipat gandakan empat tingkat, masing-masing tingkat terdiri dari dua dioda dan dua kapasitor, sehingga keluaran tegangan tinggi maksimum menjadi 2500 V DC. Untuk menekan tegangan noise maka dipasang kondensator filter 2 buah. Perhitungan besamya tegangan tinggi maksimum secara teori adalah sebagai berikut{3,4,S) : Vmaks = 2nVi - L1V (1) dengan : V maks = keluaran tegangan tinggi maksimum n = banyaknya tingkat penggandaan Vi = tegangan AC masukan (tegangan AC keluaran trafo HV) L1V = penurunan tegangan untuk semua tingkat Besar L1V adalah :
METODOLOGI Peralatan yang Digunakan
Multimeter Sanwa model YX-360TR, Digital Multimeter model Fluke-83, Osciloscope Kenwood 40 MHz model CS-5130, AC-DC Differential Voltmeter model 893A, DC Power Supply Bin Modul ORTEC model 4001A, Soldering - desoldering iron Weller-DS 701 EC, Alat uji beban HV. Tata Kerja
Mendesain dan memodifikasi rangkaian catu daya tegangan tinggi +5 kV menjadi 2,5 kV, terutama pada trafo HV, rangkaian driver, rangkaian pengganda tegangan dan penguat arus untuk meter penampil, mendesain Lay Out PCB dan processing PCB rangkaian catu daya tegangan tinggi menjadi 2,5 kV, pengujian komponen, pemasangan komponen pada PCB,
(2)
dengan :
Jumari dkk
1= arus yang mengalir pada kapasitor dan dioda C = kapasitansi dari kapasitor f = frekuensi pulsa osilator
87
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006
mengatur keluaran tegangan tinggi maksimum dan kalibrasi meter. Pengujian rangkaian eatu daya tegangan meliputi pengujian 38472651 tinggi +beban 12VVfaktor -24 --Tingkat2 Tingkat4 Tinggipulsa noise dengan beban Tegangan -Tegangan Tingkat3 tinggidengan regulasi, stabilitas tegangan tanpa beban dan dengan beban dan pengujian terhadap spesifikasi teknis yang diharapkan. Blok diagram pengujian stabilitas HV disajikan pada Gambar 3 dan 4.
Pulsa osilator: 40mA Arus beban Konsumsiarus beban : Tiap + 24 V 80mA 1Catu mV 315 2500 5mV 1310V 998 100 mA Terukur 1900V 650 1000V ACkeluarantrafo HV 17,4 1,5 kHz VV Daya noise tanpa beban Tes pembebanan :padadiukur Tegangan keluaranmaksimum tiap tingkatpengganda Tabell. Pengujian Bagian Bagianyang 300 J:!.A Frekuensiosilator -tegangan Tingkat1 : Tegangan tinggitanpa beban NO.
[X; DiU:er<;olrn.!
CJ.ltu J~YA wg.angau
V;)h"\wt~>
tinggl IX:
Gambar 3. Diagram pengujian stabilitas HV tanpa beban
Gambar 4. Diagram Pengujian Stabilitas HV dengan Beban HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pengujian Pada Tiap Bagian Disajikan Pada Tabel 1 dan Hasil pengujian stabilitas tegangan tinggi tanpa beban disajikan pada Gambar 5. Hasil pengujian stabilitas tegangan tinggi dengan beban 300 ).LAdisajikan pada Gambar 6.
Perhitungan frekuensi asilator adalah: R asilator = 147 kQ
seeara teoretis
C asilator = 390 pf T= R.C T= 147.103 X 390.10-12
1015.00 1010.00
:E ij
f= ~= __ 1 T 57330xlO-9 f= 17,442 kHz Dan hasil pengukuran menggunakan osiloskop besamya frekuensi osilator = 17,4 kHz, jadi antara teon dan praktek ada selisih frekuensi yang besamya 42 Hz. Selisih harga ini kemungkinan diakibatkan oleh toleransi harga komponen R dan C yang terpasang pada osilator. Perhitungan keluaran tegangan tinggi maksimum seeara teoretis:
1Q>J<5.00
i
1GOO.X!
~
.,. 00
•
QB5.00
00000
975.00 e..00
'd,OO
to.OO
1~.oo
12:,1::0
B.OO
t4,(KI
15.QO
~~.OO
Wakru
Gambar 5. Grafik Stabilitas Bias Tegangan Tinggi Tanpa Beban
Vmaks
= 2nVi -
Ll
V
dengan: n = banyaknya pengganda tegangan = 4 Vi =tegangan AC terukur pada keluaran trafo HV = 315 V. f =frekuensi osilator terukur = 17,4 kHZ C = kapasitor tegangan tinggi = 0,1 ).LF I = Arus beban = 100 ).LA Besamya keluaran tegangan tinggi maksimum seeara teori adalah Vmaks = 2nVi - Ll V
Gambar 6. Grafik Stabilitas Bias Tegangan Tinggi dengan Beban
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
88
Jumari dkk
SEMINARNASIONALII SDMTEKNOLOGINUKLIR YOGYAKARTA,21-22 DESEMBER2006 Besarnya fi V adalah : -n +-n fiV = ( CfI )(23 3 21
- 1000V -998V xlOO%= 0,2%
FR -
-
z
fiV=( ( 0,1x1e100der r ).x{17,4x1
fiV= ( ( 1x10-7 1x1
=
17,127V
2500V
xlOO%
maksimum beban tegangan dengan dengan tanpa beban beban beban =Stabilitas 0,685%. tegangan yang diuji
1000V
Faktor regulasi tegangan menurut standar ORTEC yang diizinkan :S 0,5 %[1],sedangkan harga faktor regulasi yang didapatkan 0,2 % jadi harga tersebut masih masuk pada batasan harga yang ditentukan, berarti faktor regulasi tegangan eukup baik. Tegangan noise tanpa beban terukur 1mV, dengan beban terukur 5 mV dan dari harga tersebut menunjukkan bahwa tegangan noise masih di bawah harga yang ditetapkan yaitu hams :S 7 mV. Hasil pengujian itu disajikan pada Tabel 2. 1 mV Hasil Arus0,2% 5mV beban
Stabilitas Faktor 0,186 0,188 Bagian regulasi tegangan % tanpa 300 IJA Tegangan Harga noise yang Tegangan noise pengujian diharapkan S4mV S7mV Tabel 2. Hasil Pengujian Catu Daya Tegangan SO,5% SO,3% 300 IJA Tinggi 2,5 KV
5 4 26 3 NO.
Untuk pengujian stabilitas tegangan karena alat Differential Volt Meter yang dipakai untuk mengukur stabilitas tegangan hanya mampu sampai maksimum 1000 V maka pengujian stabilitas tegangan hanya dilakukan pada tegangan 1000 V, sebagai berikut:: Stabilitas tegangan pada 1000V tanpa beban = Vz - VIxlOO% VI
dengan, Vz= 1001,86V; VI = 1000 V, maka stabilitas tegangan tersebut adalahO,186% Stabilitas tegangan pada 1000V dengan beban : Stabilitas tegangan = Vz - VI xlOO% VI
dengan,: Vz= 1001,88V: VI = 1000 V,maka stabilitas tegangan tersebut adalah= 0,188% Stabilitas tegangan menurut standar ORTEC yang diizinkan :S 0,3 %[1], harga stabilitas tegangan tanpa beban 0,186 % dan stabilitas tegangan dengan beban 0,188 %, jadi harga-harga tersebut masih masuk pada batasan ditentukan yaitu di bawah 0,3 %, berarti stabilitas tegangan tinggi yang dibuat eukup baik. Faktor regulasi (FR) dengan beban detektor GM: FR = VnL- VL xlOO% VnL dengan, VnL = tegangan tanpa beban VL = Tegangan beban
Jumari dkk
89
KESIMPULAN Dari hasil pengujian dalam pembuatan eatu daya tegangan tinggi BEM - 451 ini ini dapat disimpulkan bahwa : 1. Besar keluaran tegangan maksimum +2500V, kemampuan arns beban maksimum 300 IlA, dan besarnya tegangan noise 5 mV sudah memenuhi kriteria yang disayaratkan. 2. Besar penyimpangan keluaran tegangan seeara teori dan praktek adalah 0,685% stabilitas tegangan 0,18 % dan faktor regulasi 0,2 %. harga-harga ini masih dalam batas yang diizinkan. 3. Hal yang sangat spesifik dari eatu daya tagangan tinggi yang dibuat adalah mempunyai tegangan keluaran yang eukup tinggi sebasar +2500 V dan mempunyai tegangan noise tanpa beban yang eukup rendah hanya 1 mV, serta konsumsi daya
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGY AKARTA, 21-22 DESEMBER 2006
4.
DC yang dibutuhkan eukup rendah hanya 10 watt. Pada prinsipnya seeara keseluruhan eatu daya tegangan tinggi BEM - 451 yang dibuat sudah berfungsi dengan baik.
±
6.
UCAPAN TERIMA KASIH
7.
Penulis mengueapkan terima kasih kepada Bp Djasiman atas saran-saran dalam pembuatan makalah ini dan rekan-rekan Balai Elektromekanik- PT APB yang telah membantu dalam pembuatan eatu daya tegangan tinggi BEM--451 ini terutama BP Legowo Hardiyanto, Bp Bambang Sumanto, dan Bp Mudji Rahardjo.
2. Operating and Servive Manual, 1978, "BIN Modul for standard Nuclear Instrument Modules TID - 20893", ORTEC, USA. DARSONO, 1998, "Akselerator Generator Neutron", Diklat Pengenalan dan Aplikasi Akselerator - BATAN, Yogyakarta.
4. JD. CRAGGS AND JM. MEEK, 1953, "High Voltage Laboratory Tecnique", 27-30 page, Butterworths Publication LTD, LONDON. 5. BYGRAVE, W.D, 1970, "Accelerator Nuclear Physics", High Voltage Engineering Cooperation, Burlington, Massachuseets, USA.
5.
6.
6.
Petunjuk Pemakaian dan Perawatan 1979, "Penyedia Daya Tegangan Tinggi DC model : DIN-450 BATAN", Yogyakarta.
7.
TANYAJAWAB Pertanyaan
2. 3. 4.
Pada tegangan berapa eatu bisa beroperasi optimum? (Sukarman)
1. Nilai yang diperoleh masih di bawah dari harga yang ditentukan. Ini berarti hargaharga spesifikasi teknis yang diperoleh eukup baik. Faktor yang mempengaruhi antara lain kualitas komponen dan hasil yang baik dari modifikasi sistem. 2. Keunggulan HV ini adalah mempunyai tegangan noise rendah, stabilitas baik, dan harga lebih murah. 3. Jenis detektor yang dapat di-support HV ini adalah detektor-detektor yang mengkonsumsi arus rendah maksimum 300j.tA dan tegangan maksimum 2500 V. Contoh detektor yang bisa memakai HV ini misalnya detektor neutron dan GM. 4. Lamanya melakukan pengujian kestabilan HV ini 24 jam, tapi tidak terus-menerus, melainkan 8 jam sehari selama 3 hari (jumlah 24 jam). Tetapi yang benar 24 jam terus-menerus.
1. Operating and Servive Manual: 1978, "0-5kV High Voltage Bias Supply Model 459", ORTEC, USA ..
1.
Pada tabel, hasil yang diperoleh semua di bawah nilai batas minimal ORTEC atau Canberra. Mengapa? (Subari Santoso) Bagaimana bila digunakan untuk monitoring yang operasinya sampai 24 jam terus-menerus?
Jawaban
DAFT AR PUST AKA
3.
5.
Spesifikasi hasil pengujian masih di bawah harga maksimum yang ditentukan. Ini berarti alat mempunyai unjuk kerja yang baik dan memenuhi syarat. Kalau HV ini digunakan untuk sistem monitoring yang operasinya sampai 24 jam, saya yakin alat ini marnpu karena sudah teruji keandalannya. HV ini supaya dapat beroperasi optimum pada tegangan 2000 Volt atau 60 % dari tegangan maksimum.
Berdasarkan Tabel 2, diperoleh nilai-nilai yang eukup jauh dari nilai yang diharapkan. Faktor-faktor apa yang mempengaruhi? Apa keunggulan HV tipe ini dibanding HV referensi (Canberra & Ortee)? Jenis detektor apa yang bisa di-support oleh HV ini? (Muhtadan) Berapa lama Anda melakukan pengujian sistem seeara terus-menerus? Bagaimana hasilnya?
Daftar Isi Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN
90
Jumari dkk
