,.
tOl'
PUSAT ANTAR UNIVERSITAS BIDANG MIKROELEKTRONIKA
PEMBUATAN MODEL 1989/1990 Chemical Vapour
Deposit~on
Oleh : Prof.Dr. Samaun Samadikun
,,~'l--ttDL~ I-,:)
i
lto-
,=_.~.
«
d la. laboratorium Elek tronika & Kornponen Institut Teknologi Bandung Jetan
I
G~r.e!;h8
10 Bandung 40132
PUSAT ANTAR UNIVERSITAS BIDANG MIKROELEKTRONIKA
MODEL
CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION Ole h : Prof. Dr. Samaun Samadikun Ir. S. Reka Rio Ir. Irman Idris
d/a. Laboratorium Elektronika & Komponen Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10 Bandung 40132
.
KATA PENGANTAR Model ini ditulis
untuk
memberikan
gambaran
mengenai
proses
pembuatan
sebuah perangkat yang sangat penting dalam
rangkaian terintegrasi ( Ie ), yang dinamakan Chemical Vapour Deposition
(CVD).
Perangkat tersebut telah didisain dan
direalisasikankan
menjadi alat yang dinamakan Atmospheric Pressure ( AP)
CVD
pada
PAU
Laboratorium
Pemrosesan
Rangkaian
Terintegrasi
Mikroelektronika ITB. Dengan selesainya penulisan buku ini maka diharapkan kita mendapat mengenai
konsep
Chemical
lebih
Vapour
banyak
Deposition
model
pengetahuan yang
sering
dipergunakan di dalam dunia mikroelektronika. Harapan penulis semoga pengembangan selanjutnya dari eVD ini
lebih
mendapat
perhatian dari peneliti-peneliti di bidang yang terkait. Buku model mengenai CVD disusun dalam 7 bab. Dimana pada Bab I diterangkan mengenai latar
belakang
dalam pembuatan rangkaian terintegrasi.
dan
Konsep
peranan dasar
eVD diteruskan dengan jenis-jenis reaktor eVD. Pada juga
dijelaskan
rangkaian
aplikasi-aplikasi
terintegrasi
dan
bab
eVD
ini
di
pada akhiri
eVD kerja
bab
ini
pembuatan dengan
penjelasan bahan-bahan kimia yang berbahaya serta penangananpenanganan
yang
harus
dilakukan.
Pada
dasarnya
merupakan pendahuluan untuk menuju pada pembahasan yang dikembangkan di PAU-ME ITB yang dijelaskan pada selanjutnya. ii
bab
ini
pada
eVD
bab-bab
Pada Bab II
dibahas
mengenai
teori
induksi yaitu salah satu cara pemanasan
CVD
singkat
pemanas
dengan
merujuk
pada literatur-literatur. Dan
pada
Bab
III
dibahas
mengenai
rancangan
dasar
inverter transistor setengah jembatan tipesumber arus. yaitu meliputi : konfigurasi rangkaian analisa
rangkaian.
transformasi
Laplace
Pada dan
dasar.
analisa
prinsip
kerja
rangkaian
diasumsikan
dan
digunakan
transistor
bekerja
sebagai saklar ideal. Pada Bab IV dijelaskan rangkaian
dasar
menjadi
sistem
rangkaian secara keseluruhan yang akan
direalisasikan.
bab ini juga dibahas komponen-komponen
yang
dalam
merealisasikan
tambahan
yang
rangkaian
diperlukan
serta
karena
Pada
akan
digunakan
beberapa
komponen
ketidak
idealan
kerja
transistor dalam praktek. Pada Bab V dijelaskan perhitungan-perhitungan menentukan harga
komponen
yang
akan
digunakan
rangkaian dan cara pengorasian alat
untuk
yang
merealisasikan
selesai
dirancang
dan dibuat. Dalam Bab VI dijelaskan prosedur pengujian
alat.
hasil
pengamatan bentuk gelombang serta hubungan antara daya
input
searah dengan temperatur benda yang dihasilkan. Bab
VII
merupakan
diambil sehubungan dengan
kesimpulan-kesimpulan pembahasan.
pembuatan
yang dan
pengujian alat yang telah dilakukan serta saran-saran.
dapat hasil
Terima kasih kepada saudara
Ifransyah. Ojahan Hutajulu.
Isa Puncuna dan J. Purwosugiarto yang telah banyak dalam
membantu
penulisan buku ini. Terima kasih juga untuk seluruh staf
Mikroelektronika
ITB
serta
seluruh
dan
staf
karyawan dan
karyawan
Laboratorium Elektronika dan Komponen Jurusan Teknik ITB yang telah banyak
berpartisipasi
dalam
PAU
Elektro
penulisan
buku
ini. Perbaikan dan pengembangan lebih lanjut dari tentu
saja
penelitian Pemrosesan
sangat pada
diharapkan
PAU
ME
Rangkaian
pengembangan ini
~enulis
ITB
dalam
model
ini
rangka
pengembangan
dan
Laboratorium
umumnya
Terintegrasi
khususnya.
mengharapkan kritik dan
Untuk
saran
dari
pembaca.
Bandung. 5 Maret 1990. Penulis.
Prof. Dr Samaun Samadikun Ir.
S.
Reka
Rio
Ir. Irman Idris.
DAFTAR lSI
·....... .. .............. ........ ..... ....... ii lSI . .... . . . ...... ........ ... ... . .. .. ... .. ...... . .. . v I3AMBAR ·. .... .. ... .... .... . .. .. . . . . . . .... . . ..... . .viii TABEL ·.. .. . .. ... . .... . ... . ... . ... . ....... .... • xiii PENDAHULUAN . . ..... . .. . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . 1
KATA PENI3ANTAR DAFTAR DAFTAR DAFTAR BAB I
I
1.1 Pr insi p Dasar CVD., ••••••••••••••.•••••.•••••••.•••••••• 2
1.1.1 Perjalanan Reactan di Permukaan Substrat ••••••• 3 1.1.2 Reaksi pada Permukaan Substrat ••••••••••••••••• 5 1.2 Jenis Reactor CVD •.•.•.•.•••..
.••••••••.••• _ •••..••.•• 7
·.............. .........
1.2.1 Metoda Pemberian Gas
•
~
7
..... .. ........ . . .. 9 'Low Pressure CVD' (LVCVD) . ................ ... .12 'Plasma Enhanced CVD'(PECVD) .... .. . .. . . . . . . . . . . .13
1.2.2 Metoda Pengaliran Panas 1.2.3 1.2.4
1.3 Aplikasi CVD
·. .......... ...... .... •• 15 (Si N ) .. . ... ...... . ..... ..... • 16 s ..
1.3.1 Silikon Dioksida (Si0 1.3.2 Silikon Nitride
2
)
1.3.3 Polycrystalline Silikon · ...... . . • . . . • . . . . . . . . . . . 17
. ...... ....... .. . .. . . . . . . . . . . . . .20 1.3.5 Silikon Oxynitrides dan SIPOS ..... . ... . ... .. .. • 24 Perlindungan dan Keselamatan ..... ..... ... ...... .. . . . . .25 1.3.4 Silikon Epitaxy
1.4
v
......... ........ .........• .26 2.1 Prinsip Dasar ....... .. .. .... ......................... .26 2.2 Konfugurasi Dasar Sistem Pemanas Induksi .... . .. . . . . ••• 28 Induksi . ......... . . . • .29 2.3 Rangkaian Listrik Beban TEORI PEMANAS INDUKSI
BAB II
Pem~nas
2.4 Besaran Listrik Besaran Pemanas Induksi 2.4.1 Resistansi Primer
• .31
.... .... ...... ............... .32 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . • .32
2.4.2 Reaktansi Primer
....... ............ .. ..... ..33 2.4.4 Reaktansi Sekunder ... .. . ..... .... .. ... ... .. · .33 ... .. .. ....... ... ..35 Efisiensi Koil Pemanas Hubungan Frekuensi Dengan Efisiensi · .. . .. . . . . . . . . . • .35 Hubungan Frekuensi Dengan Faktor Daya ·.... .... .... ... .36 Pemilihan Frekuensi ·..... .. . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . • .37 2.4.3 Resistansi Sekunder
2.5 2.6
2.7 2.8
2.9 Perbaikan Faktor Daya
·.. .. .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .
2.10 Daya Yang Dibutuhkan untuk Pemanasan
• .38
· .. . . . . . .. . . . . . • .41
..... ... ... ............ .... ...... .42 Konveksi ·... ..... ........ ... .......... ••• 42
2.10.1 Daya Radiasi 2.10.2 Daya
2.10.3 Daya Konduksi ••••••••••••••••••••••••••••••••• 43
BAB III
I
INVERTER TRANSISTOR SETENGAH JEMBATAN
........ . .. . .. .44
TIPE SUMBER ARUS
3.1 Prinsip Dasar Inverter Tipe Sumber Arus ••••••••••••••• 44
vi
3.2 Rangkaian Dasar Inverter Transistor Setengah Jembatan
..................... ........ .....•••• 45 Analisa Rangkaian .. ............... . ..... .... ....... .•• 50 3.3.1 Menghitung Arus dan Tangki LC ........ .50 3.3.2 Menghitung Arus Searah .............. ...... ..56 3.3.3 Harga Puncak Arus Koil Pemanas . . ...... . ..... • 58 3.3.4 Harga Puncak Tegangan Tangki LC .. ....... . ... ••• 58
Tipe Sumber Arus 3.3
Te~angan
3.3.5 Arus dan Tegangan Transistor 3.3.6 Menghitung Induktansi L
BAB IV
.
.. . . . . . . . . . . . . . . . •• 59 • It • • . . .. . . . . . . . . . . . . .
d
60
KOMPONEN-KOMPONEN RANGKAIAN INVERTER TRANSISTOR
SETENGAH JEMBATAN TIPE SUMBER ARUS 4.1 Diagram Blok Sistem Rangkaian
... ......-. ...... • •• 63
... .. . . . . . . . . . .. . . . . . •• 63
4.2 Rangkaian Penyearah dan Filter ••••••••••••••••••••••• 65 4.3 In·duktor Searah . . . • . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . • . • . . . . . . . . . . . 66
4.4 Inverter
.. .... ..... ...... ..... ......... .. .... ........ 67
4.5 Rangkaian Beban
• • • • • • • • • • a,a • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
72
4.6 Rangkaian Pacu Basis ••••••••••••••••••••••••••••••••• 74
...... .......... ............... ...... 76 . ... ........ .... 80 Starter ••••••••••••••••••
4.7 Rangkaian Timing 4.8 Rangkaian
BAB V : PERANCANGAN DAN REALISASI RANGKAIAN
... ...... .... . • 83
5.1 Spesifikasi Daya dan Frekuensi Untuk Pemanasan •••••••• 85
vii
.................. .... .....................• .87 Peranc:angan Inverter ... ... .. .. ..... .... ... ... ........ .91 Peranc:angan Induktor Searah . ... .... .... . ....... ..... • .95 Peranc:angan Sumber Tegangan Searah .......... . . . .... . • .99 Peranc:angan Rangkaian Pac:u Basis .... . . . . . . . . . . . . . . . . .105 Peranc:angan Rangkaian Timing .. ................ ...... .107
5.2 Tangld LC
5.3
5.4 5.5
5.6
5.7
5.8 Peranc:angan Rangkaian Starter
•• 109
5.9 Prosedur Mengoperasikan Alat
•• 112
BAB VI
PENGUJIAN ALAT DAN PEMBAHASAN
6.1 Tujuan Pengujian
............ ... •• 118
.................. ... ............ .118
.... .................. .. ...... .118 Prosedur Pengujian ... ........ .... .....'. . . .... ....... .119 Hasil Pengamatan Bentuk Gelombang .. ........... .... . •• 119 Hasil Pengukuran .... ... ............... ............ .. .121 Pembahasan .......... ........... .. . . .. . . . . . .. . . . . . . . . .123 6.6.1 Bentuk Gelombang ........... ..... . ... .. ..... .123
6.2 Rangkaian Pengujian 6.3 6.4 6.5 6.6
6.6.2 Hubungan Tegangan Arus dan Temperatur benda ••• 124
BAB VII : KESIMPULAN DAN SARAN
... ..... ..... .......... ... .127
DAFTAR PUSTAKA ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 129
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Serangkaian Langkah Reaksi di CVD •••••••••••• 2 Gambar 1.2 Aliran Fluida di atas Permukaan Padat ••••••• 3 Gambar 1.3
Kecepatan Tumbuh Lapisan pada CVD •••••••••• 6
Gambar 1.4 Reaktor Horisontal •••••••••••••••••••••••••• 8 Gambar 1.5 Reak tor Verti ka 1 •••••••••••••••••••••••••••• 8 Gambar 1.6 Hot Wall Reaktor Horisontal •••••••••••••••••• 9 Gambar 1. 7 Hot Wall Reaktor Vertikal •••.•••••••••••••••• 11 Gambar 1.8 Kecepatan reaksi untuk rekasi endoterm •••••• 12 Gambar 1.9 Plasma Enhanced CVD Reactor
..... .. ... ....... 14
Gambar 1.10 Karakteristik dan Aplikasi Reaktor CVD ••••• 14 Gambar 1.11 Resistivitas Polikristalin
.................
18
Gambar 1.12 Resistivitas dan Konsentrasi dopan ••••••••• 18 Gambar 1.13 Dopant Segregation & Carrier Trapping •••••• 19 Gambar 1.14 Cacat permukaan •••••••••••••••••••••••••••• 22 Gambar 1.15 Proses Autodoping pada proses epitaksi ••••• 23 Gambar 2.1
Distribusi Rapat Arus Konduksi ••••••••••••• 27
Gambar 2.2
Konfugurasi Dasar Sistem Pemanas Induksi ••• 28
Gambar 2.3
Beban Pemanas Induksi •••••••••••••••••••••• 29
Gambar 2.4 Rangkaian Ekivalen sederhana •••••••••••••••• 31 Gambar 2.5 Pen ampang koil pemanas dan benda silinder padat
........ ........ .. ...... .... ... ........ 31 , .. 2
"
"
..
Gambar 2.6 Kurva 1aktor koreksi K 2-9
dan
untuk
persamaan
2-11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. 34
Gambar 2.7 Kurva 1aktor koreksi F r untuk Persamaan 2-10. 34 Gambar 2.8 Kurva Faktor Koreksi ¥ untuk Persamaan 2-10 dan 2-11 •••••••••••••••••••••• '•••••••••••••• 34 Gambar 2.9 Kurva Faktor Koreksi F
x
untuk Persamaan 2-11. 34
Gambar 2.10 Rangkaian Kapasitor kompensasi Paralel
39
Gambar 3.1 Prinsip Dasar Inverter Sumber Arus .•••••••••• 45 Gambar 3.2 Rangkaian Dasar Tipe Transistor Setengah Jembatan tipe Sumber Arus •••••••••••••••••••••• 45 Gambar 3.3 Prinsip Kerja Rangkaian ••••••••••••••••••••• 46 Gambar 3.4 Bentuk Gelombang Teoritis ••••••••••••••••••• 49 Gambar 3.5
R~nkaian
Ekivalen TI OFF dan T2 ON •••••••••• 50
Gambar 3.6 Aliran Arus pada Induktor L •••••••••••••••• 56 d Gambar 3.7 Bentuk Arus Induktor L
••••••••••••••••••••• 61 d Gambar 4.1 Diagram Blok Sistem Rangkaian ••••••••••••••• 63 Gambar 4.2 Rangkaian Penyearah dan Filter LC ••••.••.••• 65 Gambar 4.3 Rangkaian Induktor Searah ••••••••••••••••••• 67 Gambar 4.4 De1inisi waktu penyaklaran transistor ••••••• 68 Gambar 4.5 Komutasi Overlaping konduksi karena keterlambatan proses pemadaman transistor •••••••• 69 Gambar 4.6 Rangkaian Anti Arus Mundur
........... ... .. . .
69
Gambar 4.7 E1ek Kapasitor Parasit C pada transistor ••• 71 cb Gambar 4.8 Rangkaian Tangki LC x
...................... ... 72
Gambar 4.9 Rangkaian Pacu Basis •••••••••••••••••••••••• 74 Gambar 4.10 Diagram Blok Rangkaian Timing •••••••••••••• 76 Gambar 4.11 Rangkaian Transduser Sinyal Kendali •••••••• 77 Gambar 4.12 Rangkaian Starter •••••••••••••••••••••••••• 81 Gambar 5.1 Diagram Aliran prosedur Perancangan Rangkaian 84 Gambar 5.2 bentuk dan Ukuran Grafit •••••••••••••••••••• 85 Gambar 5.3 Konstruksi Koil Pemanas ••••••••••••••••••••• 88 Gambar 5.4 Realisasi Rangkaian Inverter transistor Gambar 5.5 Bentuk dan Ukuran Inti Induktor Searah
... .. 95 L .. . 98 d
Gambar 5.6 Bentuk dan Ukuran Inti Induktor searah Ld····103 Gambar 5.7 Realisasi Rangkaian Pacu basis .... . . . . . . . . . .. 106 Gambar 5.8 Realisasi Rangkaian transduser Sinyal ••••••• 108 Gambar 5.9 Realisasi Rangkaian Pengubah gelombang Sinus ke per••;1 ..~ • . . . . . . . . . . . . . . . . . . '
108
Gambar 5.10 Realisasi Rangkaian Starter •••••••••••••••• 111 Gambar 5.11 Saklar Panel Alat •••••••••••••••••••••••••• 112 Gambar 5.12 Rangkaian Lengkap Inverter Transistor tipe Sumber Arus •.••••••.•.•••••••.•....•.•••.•• 116
Gambar 5.13 Konstruksi Atat •••••••••••••••••••••••••••• 117 Gambar 6.1
Rangkaian Pengujian •••••••••••••••••••••••• 118
Gambar 6.2
Bentuk Gelombang Tegangan Transistor ••••••• 115
Gambar 6.3
Bentuk Gelombang Tegangan Transistor dari Gambar 6.2 Skala waktu diperlebar
Gambar 6.4
1~/div
••••••••• 120
Bentuk Gelombang Tangki LC ••••••••••••••••• 120
.. '
DAFTAR TABEL
Tabel 6.1
Has!l Pengukuran Hubungan Sumber Tegangan Searah E, arus temperatur
searah' masukan
pada benda
2I
ddan
8 •••••••••••••••••• 119
Tabel 6.2 Perband!ngan has!l pengukuran
dengan
has!l
perhitungan .•...••....••.••.•.••..·•••.••..• 124
xiii
BAB I PENDAHULUAN Dalam proses pembuatan
rangkaian
-lapisan 'silikon dioxide',
terintegrasi
'silikon nitride',
dan lapisan 'epitaxi' dibuat
dengan
alat
lapisan
'polysilikon'
'Chemical
Vapour
Deposition' CVD. CVD didefinisikan sebagai formasi lapisan substrat yang tidak
di'rusak'
menggunakan
kimia
reaksi
pada
pembuatannya, phase
uap
padat
diatas
tetapi
dengan
(reactan)
yang
mengandung bahan-bahan yangdiperlukan. Tulisan ini dimulai dengan gambaran umumCVD yang banyak digunakan, dilanjutkan dengan CVD
telah
yang
dirancang
dasar
reaksi
di
PAU-ME ITB. Didalam bab pertama uraikan konsep
CVD,
macam-macam CVD dan aplikasinya. Dalam bab II dibahas mengenai teori sistem pemanasan CVD dalam hal ini pemanas induksi. Bab III menjelaskan mengenai metoda pembangkitan pemanas
induksi
dengan inverter transistor setengah jembatan. Kemudian bab IV diberikan
mengenai
komponen-komponen
yang
digunakan.
Dilanjutkan dengan bab V diuraikan mengenai
perancangan
realisasi CVD . Bab VI
dan
membahas
pengujian
Diakhiri dengan bab VII kesimpulan .
1
dan
bahasannya.
1.1 Prinsip Dasar CVD
Dalam CVD terjadi satu atau lebih gas yang permukaan
untuk
diinginkan
sua t u-
membentuk
memiliki
ketebalan
bereaksi
yang
Lapisan
lapisan.
yang
komposisi
dan
'uniform'(merata) dan memiliki struktur serta kemurnian dapat diprediksi. Sehingga
car a
bereaksi,
di
bahan-bahan
yang dan
perlindungan terhadap kontaminasi memerlukan penangannan yang baik pada CVD. Proses pembentukan
lapisan
dapat
digambarkan
sebagai
berikut: Dijfu,jnn of t cact
a rux to
~lIrf
{..;
Film-Ionning reaction
> 0
00
()
o
'I
Subscoucnt ;urface re~cljons
!)c·~(.rp:i()n
-'-~ ~
-----+- orQ2:Q."'.Q:'.;....
_______J Figure 8-1 The sequence o~ reaction steps in a CVD reaction.
(Gambar 1.1 Serangkaian langkah reaksi di CVD)
Tahapan kerjanya adalah
yang
pertama
reaktan didifusikan ke permukaan substrat, oleh permukaan
substrat
lalu
terjadi
molekul-molekul kemudian
reaksi.
Selanjutnya
diikuti oleh serangkaian reaksi kimia yang membentuk dan
akhirnya
gas
hasil
produksi
substrat.
2
terpisah
diserap
Iapisan
meninggalkan
1.1.2
Perjalanan Reactan di Permukaan Substrat
Perjalanan aliran suatu reactan perjalanan
fluida
aliran
dapat
diturunkan
permukaan
diatas
dari
substrat,
digambarkan sebagai berikut:
• •
) ) )
)
•
(Gambar
1.2
)
Aliran fluida diatas permukaan padat)
Pada permukaan substrat akan terjadi gaya aliran fluida sehingga mempengaruhi
kecepatan
dilihat dengan hukum Newton tentang aliran
yang
menarik
aliran.
viskositas
Jika dapat
dituliskan sebagai berikut:
=
F ~
dv
(1-1)
dz
adalah viskositas fluida, v adalah kecepatan aliran
dan
z
adalah jarak dari permukaan substrat. Dari persamaan tersebut terlihat agar gaya yang kecepatan pada permukaan
tak
terhingga
haruslah" nol,
3
dapat dan
dicegah
maka
membesar
terhadap jarak . Pada suatu ketinggian tertentu kecepatan aliran mencapai Tinggi
99% dari v
dari
substrat
sampai
ke
ketinggian
tersebut didefinisikan sebagai 'boundary layer'. Ada beberapa hukum
aliran
fluida
dapat digunakan untuk menggambarkan
tanpa
tingkah
dimensi lakunya.
yang Salah
satu besaran yang digunakan adalah besaran reynold (Re)
Re
p adalah kerapatan
d v p
=
fluida
d
(1-2)
lebar
dari
aliran
system
misalnya diameter tabung. Ketebalan
'boundary
layer'
jika
dengan
dihubungkan
besaran reynold 6
=
l
(1-3)
l adalah jarak dari batas awal permukaan substrat.
Aliran reactan / fluida memiliki flux
j
=
D
-6-- (No -
j
(1-4)
No)
D adalah 'diffusivity' dari reactan bentuk gas.
Sedangkan
dan
reactan
No
'boundary
masing-masing layer'
bagian
adalah atas
substrat.
4
konsentrasi dan
bagian
No
pada
bawah/permukaan
Penurunan rumus diatas diasumsikan alirannya Jika terjadi 'turbulace' maka akan
mempengaruhi
'laminar'. harga-harga
diatas.
'Turbulace' terjadi pada bilangan Reynold diatas 2000
tetapi
kebanyakan
CVD
memiliki
Re
sekitar
100
sehingga
relatif tidak terjadi 'turbulance'. Pengaruh yang lain adalah gadien temperatur pada CVD jua mempengaruhi
aliran
gas,
jika
efeknya
keell
seringkali
pemakaian 6 diambil harga efektifnya.
1.1.2
Reaksi pada Permukaan Substrat
Reactan yang di difusikan di permukaan di konsumsi
oleh
reaksi yang membentuk lapisan. Flux dari re.otan di permukaan adalah sebagai berikut:
=
j
Rs No
Rs adalah kecepatan reaksi permukaan,
(1-5) nilai
Rs
didapatkan
dari
=
Rs
EA adalah energi aktivasi, adalah
temperatur dan
R' exp
~
(1-6)
adalah konstanta
Boltzman,
T
R' adalah konstantapada suatu reaksi
dan konsentrasi reaktan tertentu. Kecepatan reaksi CVD dapat ditentukan dengan
flux
dari
(1-4) & (1-5) j
D No
=
Rs
D + 6 Rs
5
(1-7)
Biasanya
lebih
kecepatan tumbuh
Ro
Ro =
waktu.
menarik yaitu
r
j/r
yang
jika
ketebalan adalah
dilihat lapisan
jumlah
atom
adalah persatuan persatuan
volume Ro
D No
=
r
6.Rs »
Pada temperatur tinggi
Ro
Rs
(1-8)
(D + 6Rs)
D
terjadi kondisi
D No
~
r
6
kecepatan tumbuh lapisan ditantukan oleh ketebalan, 'boundary layer' dan diffusivity . Pada temperatur rendah
D »
6
Rs
ter jad i Ro
Pada
kondisi
ini
No Rs
~
r
temperatur
sangat
berpengaruh
terhadap
kecepatan pertumbuhan lapisan (fungsi exponensial) Gambaran umum
kecepatan
pertumbuhan
lapisan
terhadap
temperatur untuk semua CVD sebagai berikut:
(Gambar 1.3 Kecepatan tumbuh lapisan pada CVD)
6
Pada temperatur tinggi terjadi daerah yang disebut 'mass transport
limited'
pada
daerah
menyebabkan kecepatan reaksi
ini
melampaui
temperatur kecepatan
reactan yang disuplai ke permukaan substrata Pada rendah kecepatan reactan
yang
sampai
datangnya temperatur
melebihi
kecepatan
reactan dikonsumsi oleh reaksi permukaan. Daerah ini , Surface reaction rate
p engon t r o.Lan
limited',
naik
disebut
temperatur
harus dilakukan dengan baik pada daerah ini.
1.2 Jenis reactor CVD
Suatu reactor mempunyai dua kegunaan utama mendapatkan suplai gas
reactan
yang
uniform
yaitu ke
untuk
permukaan
substrat dan untuk mendapatkan energi (biasanya panas) mengimbangi energi aktivasi agar dapatbereaksi proses. Jenis CVD dapat dilihat dari
dan
terjadi
segi
seperti
panasnya
tekanan
beberapa
sistem pengaliran gasnya, sistem pemberian
untuk
yang digunakan dan pemakaian plasma.
1.2.1
Metoda pemberian gas
Dilihat dari mode mengalirnya gas, pada dua bentuk geometris CVD. Pertama dan yang
prinsipnya paling
reactor horizontal seperti pada gambar berikut:
7
ada
sederhana
To exhaust )
(Gambar Bentuk ini
1.4
mirip
dengan pengaliran
Reactor horizontal)
dengan
gas
tabung
seperti
'Diffusion
ini
ada
menglir langsung diatas substrat/ suseptor, daerah
kosong
menyebabkan
persis
tidak
di
permukaan
'uniform'.
Untuk
Furnance'
kemungkinan sehingga
substrat,
dengan memiringkan suseptor·seperti pada
gambar
timbul
hal
mengatasinya
gas
ini
biasanya
atau
dapat
juga dengan membuat perbedaan temperatur yang teratur (Ramp) di sepanjang daerah reaksi . Bentuk reaktor yang lain adalah vertical.reactor
bentuk
reactor ini mirip sungkup. Jika digambarkan sebagai berikut:
9F
c:::::\\~
Gas inlet
---f
t
To exhaust
(Gambar 1.5 Reactor vertikal)
8
Gas disuplai
dari
tengah-tengah
kebawah mengenai substrat. Susseptor
dan yang
biasanya dapat diputar pelan agar aliran
akan
mengalir
menjaga
substrat
gas
yang
permukaan substrat lebih 'uniform'. Panjang rute pada model menjadi
ini
kurang.
lebih
pendek
Kelemahannya
dan
faktor
model
mengenai
aliran
gas
pengosongan
gas
seperti
ini
lebih
dapat
dibagi
kompleks.
1.2.2
Metoda pengaliran panas
Jika dilihat dari metoda pengaliran panas atas
'Hot wall reactor' dan 'Cold wall reactor'.
Pada
'Hot
wall reactor' bagian yang terpanas adalah dinding reactor dan panas ini akan disalurakan ke
substrat.
Reactor
model
ini
biasanya berbentuk horizontal sebagai berikut;
(Gambar 1.6 Hot wall reactor horizontal)
'Hot wall reactor' berguna sekali terutama pada reaksi-reaksi
9
kimia yang 'exothermio',
Reaksi
'exothermio'
adalah
suatu
reaksi dimana produk yang diinginkan memiliki energi aktivasi yang
lebih
besar
reaotannya. Atau
dibandingkan
dengan
energi
aktivasi
reaksi tersebut melepaskan energi.
Pada prinsipnya semua reaksi
kimia
'reversible'.
Agar
lebih jelas • untuk reaksi 'exothermio'. pada temperatur yang tinggi 'forward reaotion' dikalahkan oleh keoepatan reaksinya.
'forward reaotion'
kearah produk yang diinginkan. Sedangkan adalah
arah reaksi ke arah
yang
tidak
'reverse adalah
arah
reverse di
reaoton' reaksi
reaotion'
inginkan.
Jika
digambarkan sebagai berikut:
1':; reaction rate
In k
If T
) ~
(Gambar
T
1.6 Keoepatan reaksi untuk reaksi exothermik)
Dengan dinding reaotor
yang
10
lebih
panas
maka
reaksi
'exothermik dapat berlangsung pada suhu tinggi. Untuk
jenis
'Cold
wall
reactor'
dapat
digambarkan
sebagai berikut:
(Gambar 1.7
Cold wall reactor
Pada sistem ini
bagian
substrat
vertikal)
menjadi
dibanding dinding yang melingkarinya. Reactor pada reaksi-reaksi yang 'endothermic'. adalah
reaksi
dimana
aktivasi yang lebih energi.
produk
rendah
Sifat reaksi ini
reaksinya
atau jika
reaksi dilihat
temperatur adalah sebagai berikut:
11
Reaksi
lebih ini
panas berguna
'endothermic'
mempunyai
energi
tersebut
menyerap
grafiknya
terhadap
In k
II T
)-
T
-0(
(Gambar 1.8 Kecepatan reaksi untuk reaksi endothermik)
Pada temperatur yang makin tinggi reaksinya
berlangsung
jauh lebihcepat untuk yang 'forward reaction'. Sehingga jika pada reaksi ini menggunakan 'Cold wall
reactor'
tidak
akan
terjadipanas yangtidak terkontrol.
1.2.3
·Low Pressure CVO· CLVCVO)
Pada temperatur rendah ketebalan 'bounday layer' menjadi bagian
yang
ketebalan
terpenting
'boundary
dalam
layer'
pembentukan
menjadi
dilakukan dengan menurunkan
tekanan
lapisan.
lebih pada
Agar dapat
tipis
reactor.
Reactor
dengan tekanan yang rendah disingkat dengan LVCVD. Dengan melihat
persamaan
berbanding terbalik dengan
(1-2)
ketebalan
berbanding lurus dengan difusivity
12
D.
dan
(1-3).
'boundary
flux
gas
layer'
dan
Difusivity berbanding
terbalik dengan
tekanan
kecepatan aliran gas
Dengan
dinaikan
menurunkan
maka
tekanan layer'
'bounday
dan makin
tipis dan ketebalan lapisan meningkat. LPCVD memiliki beberapa keuntungan, diantaranya gas dapat lebih 'uniform'
dan
jumlah
substrat
diproses bersamaan dapat lebih banyak sehingga
aliran
yang
dapat
produktivitas
tinggi.
1.2.4
"Plasma Enhanced
CVO"
Reaksi CVD berlangsung pada temperatur yang tinggi untuk mengatasi energi dapat
merusak
aktivasi
reactan.
substrat,
Sehingga akan lebih
Temperatur
khususnya
baik
jika
reactan lebih selektif
hal
bagian-bagian
energi ini
tinggi
yang
dapat
disuplai
dilakukan
ini
metal. pada dengan
menggunakan plasma. Metoda yang efisien untuk memecahkan molekul-molekul gas menjadi lebih reaktif adalah dengan rf plasma. Dengan plasma maka
reactan
bereaksi pada temperatur
akan
yang
lebih
lebih
reaktif
rendah.
dan
dapat
Plasma
dapat
timbul pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfir. Plasma Enhanced CVD dapat digambarkan sebagai berikut:
13
I I Grounded heated suscepior
1Gasj J,
inlet
To pump
(Gambar 1.9
Plasma enhanced CVD reaktor)
Beberapa karakteristik dan
aplikasi
dari
reaktor
adalah sebagai berikut:
PROCESS
ADV AND\GES
DJ5i' nVj\l-,fT'Y-;[-,
M'PLlCAT1£lli.$
APCVD (Low Temperature)
Simple Reactor, Fast Deposition, Low Temperature
Poor Step Coverage, Panicle Contamination
Low Temperature Oxides, both doped
LPCVD
Excellent Purity and Unifonnity, Conformal Step Coverage, Large Wafer Capacity
High Temperature Low Deposition Rate
IIigh Temperature Oxides, both doped and undopcd, Silicon Nitride, Poly-Si. W, WSi 2
rscvn
Low Temperature. Fast Deposition, . Good Step Coverage
Chemical (e.g. H 2) and Particulate Contamination
Low Temperature Insulators over Metals, Passivation (Nitride)
(Gambar 1.10
and undopcd
Karakteristik dan Aplikasi Reaktor CVD)
14
CVD
1.3
Aplikasi CVD
CVD telah digunakan pada banyak jenis lapisan berupa isolator, semikonduktor
dan
metal.
Secara
umum
gas
yang
digunakan sebagai reactan pada pembentukan lapisan dengan CVD adalah elemen-elemen untuk lapisan berupa gas dengan hidrogen atau chlorine. Didalam bab pembentukan
ini
akan
di
lapisan-Iapisan
uraikan
aplikasi
silikon
CVD
dioksida,
pada
silikon
nitride, polycrystalline silikon dan lapisan epitaksi.
1.3.1
Silikon Dioksida (SiO ) z
Diatas suatu substrat silikon dapat ditumbuhkan dioksida (Si0 2 ) secara langsung di oksidasi,tetapi permukaan substrat ada lapisan metal
ata~
ada
silikon jika
lapisan
di
lain,
SiO z tidak dapat ditumbuhkan dengan dioksidasi. Dalam hal ini oksidasi CVD dapat mengatasinya. Lapisan tipis SiO z kadang-kadang disebut sebagai
vapox,
pyrox atau silox. Campuran silikon yang dapat dioksidasi adlah SiCI SiHzCl z dan TEOS
(Si(OC zH 5 ) 4 )
dapat digunakan 0z' NO, Nz0 Reaksi dasar yang silane
S 1.' H4
atau
terjadi
dan
oxidatornya
adalah
dengan
mengoksidasi
+ 2H z temperatur
energi aktivasinya 0,4 eV.
15
SiBr
CO z dengan hidrogen. .
+
Reaksi ini bekerja pada
sebagai
4,
400-500
°c
dengan
4
CVd silikon dioxide sering kali di lain
sebagai contoh ditambah diboran
campuran
yang
disebut
ditambahkan Phosphine
'doped' (BzH cs)
'Borosilikate (PH g )
gas
menghasilkan
glass'
menghasilkan
dengan
(BSG)
jika
'Phosphosilikate
glass' (PSG). PSG atau pyroglass adalah lapisan yang banyak khususnya sebagai isolator antara
lapisan-lapisan
digunakan konduktor
atau sebagai proteksi pada proses akhir pembuatan devais.
1.3.2
Silikon Nitride
Silikon nitride ( Si gN 4
)
merupakan lapisan yang
penting
karena memberikan kemampuan sebagai suatu penyaring untuk proses oksidasi yang selektif .juga
('mask')
digunakan
sebagai
dielektrik. Reaksi yang digunakan adalah gas campuran silikon dengan amonia (NHg )
contoh
silion nitride
reaksi
berbagai
macam
gas
pembentuk
:
3 SiH 4
+
4 NH g
Si gN 4
+
12 Hz
3 SiC1 4 +
4 NH g
Si gN 4
+
12 HCl
3 SiHzCl z +
4 NH 4
Si gN 4
+
6HCL + 6Hz
Energi aktivasinya sekitar 1.8 eV masing-masing
700-900 °C. 850 °c
16
dengan dan
temperatur 650-750 °C.
reaksi
·
1.3.3
Polycrys~alline
,
Silikon
Polycrystalline Silikon (polysilikon membentuk
lapisan
merupakan konduktor
dengan yang
resistivitas berguna.
atau
poly)
yang
Lapisan
rendah ini
seringkali
digunakan sebagai gate pada MOS transistor,
resistor
sebagai
dengan
penghubung
antara
lapisan
metal
sehingga terbentuk sambungan yang bersifat Pada penggunaan gate MOS transistor pada
proses
'self
alignment'
atau substrat
'ohmic
contack'.
ini
bermanfaat
lapisan
dan
dapat
mempunyai
kapasitansi
gate yang rendah. Polysilikon didapat dengan diendapkan panas)
bahan
Si
°c
temperatur kerjanya 600-650
dengan energi aktivasi 1,7 eV
Polysilikon biasanya di'doping'
type-p
phosphine, arsene
akan
dalam
silane:
SOH 1 4
lain yaitu
(diuraikan
meningkatkan
dengan
hydride
atau diborone. Untuk
kecepatan
pengendapan
yang dopant
sedangkan
type-n sebaliknya. Pemberian
'dopant'
resistivitas
dibandingkan
murni.
dengan
Tetapi
mempengaruhi/meningkatkan terhadap
'dopant'
yang
polysilikon resistansinya praktis sama.
17
resistivitas tinggi
selali
silikon pada
RESISTIVITY OF PHOSPHORUS-DOPED POL YCRYST ALLINE SILICON
.o'r---:-----------,
'0'
l -.
.0'
<; '0
'0'
"'0 I'"
Ie",--'
(Gambar 1.11 Resistivitas Polycrystalline)
(Gambar 1.12 Resistivitas & konsentrasi dopant)
Perbedaan resistansi yang tinggi pada doping yang sedang disebabkan oleh : 1. Pemisahan atom 'dopant' ke batas-batas butiran poly. 2. Terperangkapnya muatan pada batas-batas butiran poly.
18
DOPANT SEGREGATION
..·. · .' . ".·· ·· ~ .' ·· : . ; ,·· , ":. · ,. . · · · · · (a) ..., '.: ... .... , ·.. . .·· ·· ···· '. ..·· .. · ·, · ..· :. · ···· ·..· · · · · . · : · .. ..· ·.· ........-· .' . .': . '.'. ;, ·.'·'.· ~: .· ~
'.,~:
,~
,
,
I""'Q~':~
,
'.0
,
~':
(b)
~
'" ~., ' ;
,
,
~
,
,
I'
0
0
,
"
0 0
'0
,
,
"
"I
,
,
I
:
:1,-
00
I
.~
"
'0
,
I.
,
· ·.. ·· ·· · .' · · ·.'.. ..··· ·'., .' . · · · · ·· . · ·· · · · .' : · · '. ·. · ·..·...· .·. ·· · · ·· ··· · ·· ·· · . ..· ··.··, .. ·..·· ·: · ·· . . · ·· · · · ·· . , , · '. , .' · · ·..,, ;· ·.. ·· ....··, ·.:· ·. · · • . . · .· ., · .· .· ·· .. · . r ·. ·· ·· .,
'_to."
CARRIER TRAPftNG ., 00
,
"
,"
·
0
~
- - 4 - - - ' - - - f - - Ec (e) - - --~ - - - --Et
(d) E"
- - t - - - f - - - t - - E"
(Gambar 1,13 Dopant segregation
& carrier trapping)
Teknik doping untuk polysilikon ada tiga Diffusi, Ion implantation dan
In
Situ,
cara
Doping
yaitu
menggunakan
diffusi dilakukan pada temperatur relatif tinggi (900-1000 °C) Keuntungan dopant
yang
model
ini
sangat
adalah tinggi
dapat
diberikan
kedalam
konsentrasi sehingga
lapisan
menghasilkan resistivitas yang rendah, Kerugian doping dengan teknik diffusi adalah
bekerja
pada
temperatur
tinggi
dan
meningkatkan kemungkinan rusaknya permukaan lapisan. Dengan
metoda
implantasi
kontrol yang presisi terhadap
ion dosis
memberikan dari
dopant,
keuntungan hal
ini
berguna pada pembuatan harga resistor, dalam pembuatan statik memory atau dalam mempelajari tentang doping,
19
lapisan-lapisan krisatal
1.3.4
amorphous
berukuran
~m
dan
crystalline
dirubah
ke
atau lebih.
S11ikon Epitaxy
Epitaksi silikon digunakan untuk membuat yang uniform.
suatu
lapisan
dengan
doping
suatu
endapan
rendah
substrat dengan doping yan gtinggi atau diatas substrat
diatas yang
memiliki bagian yang dopingnya tinggi. Teknik yang sederhana (misal ion
implatation')
hanya
dapat
'impurity digunakan
lapisan dengan doping tinggi diatas substrat rendah.
20
diffusiori
atau
unutk
membentuk
yang
dopingnya
'. Ketebalan lapisan epitaksi memiliki range lebih keeil ~m
(untuk IC yang baik)
(untuk devais tegangan
sampai
dengan
tinggi).
lebih
Epitaksi
ini
digunakan untuk IC bipolar tetapi juga IC-IC digunakan
untuk
memperkeeil
radiasi
besar
25
tidak
NMOS
parasitik
1 ~m
hanya
dan
CMOS
dan
efek
kapasitansi. Sebelum dimulai
proses
CVD
permukaan
dengan gas HCL agar didapat permukaan yang
silikon bersih.
dieteh Biasanya
ada beberapa eaeat di permekaan substrat. jika eaeatnya keeil (d~mensi
atom) lapisan
epitaksi
dapat' menjembati
sehingga
tidak akan tampak pada permukaan lapisan epitaksi. Jika eaeat yangterjadi besar maka akan tampakeaeat pulapada permukaan lapisan epitaksi. Cae at yang terjadi akan mengikuti orientasi kristalnya . Untuk orientasi kristal {lll} eaeat pada lapisan epitaksi akan timbul bentuk pyramid atautripyramid. Hal sangat
mengganggu
pada
saat
fotolithografi
masker tidak akan sempurna. Bentuk eaeat sebagai berikut:
21
yaitu
ini
kontak
(Gambar
1.14
Cacat permukaan )
Bahan yang banyak digunakan 5ilikon Tetracloride (5iC1 4
)
dengan reaksi 5i C14
5i
+
reaksi ini reversibel
HCl dapat mengetch
substratnya doping tinggi menyebabkan yang berpindah tempat sifat ini
ada
dikenal
HCl
+
5i
atom-atom dengan
doping'
OXide~
w~. ~9z. 'it~~~J" ;~~ ; ;
L
.
Substrate
Heavily n-doped by diffusion
p-doped
p-doped
22
dan
Original substrate surface
nama
jika doping 'auto
Dopant from reactant gas stream ~~ " .:.:. ;~:_.: 7! .. ". .. -~
-
,:,"
~-'.~
~, ,:::-:f:::::::
~~(;;~
Boundary laver
Autodoped epitaxial layer
(Gambar 1.15 Gas-gas
Proses 'autodoping' pd. proses epitaksi)
yang
biasa
dipergunakan
Diborane (B 2H cs ) ' Phosphine (PHs)
, dopant'
sebagai
dan Arsene (
AsHg )
Untuk
.
reaktan silane dopant 0.1% dari carriernya menjadikan Si
type-N
'dopant "nva
resistivitasnya 5.
10
15/
Cm
9
1
atau
ohm-em,
1
gas
konsentrasi
dopant
untuk
?
10 atom
silikon. Resistivitas dapat berubah karena pengaruh-pengaruh: 1. Silikon (substrat) mengandung sumber gas 2. Penanganan sistemnya 3. Dopant dari dinding reactor 4. Susceptor yang menyangga wafer. Untuk memperkecil pengaruh autodoping dan outdiffusion 1. System beroperasi pada temperatur rendah 2. Jangan menggunakan SiC1 4 agar tidak timbul HCL
23
3. Gunakan pengendapan (deposition) dua lapis.
1.3.5 Silikon Oxyndtrides
Material-material nitrides
dan
oxygen
dan SIPOS
yang
mirip
adalah
karakteristik
material
silikon
[SiD x Ny (H z )]. Material ini dibentuk dari reaksi .
N2 0 dan NH S . ini
adalah
tegangan Penggunaan
Sifat-sifat yang dapat dibentuk untuk
menyempurnakan
(stress) gas
rendah
bahan helium
ke'merataan'(uniformity)
sebagai indeks
oxynitrides SiH.
oleh
stabilitas dan
dengan material
temperatur,
tahan
'.
pembawa bias
diantara
retak.
meningkatkan
lapisan.
oxynitrides juga memberikan sifat yang baik untuk
Silikon penggunaan
isolator diatara Al konduktor. Silikon yang kaya lapisan-Iapisan oxide (atau
I
SIPOS)
dapat
dan
PECVD.
bahan
juga semi isolating polycrystalline silikon dibuat dalam reactor-reactor AVCVD, LPCVD
dikatakan
ini membentuk emiter menjadi bipolar transistor memiliki gain yang super, bahan ini juga digunakan sebagai
injector
electrically-erasable-read-only-memory (EEPROM). kimia SIPOS adalah
Komposisi
SiD x dimana x memiliki harga antara
sampai kurang dari 2 ,
Macam-macam
dengan menjaga perbandingan
lapisan
dapat
dalam
0,48
dibentuk
02dan SiH. lebih kecil dari 3,5.
24
-, 1.4
Perlindungan dan keselamatan
Proses-proses pada CVD menggunakan gas-gas yang
reaktif
dimana seringkali beracun, mudah terbakar atau keduanya. -gas hYdrides phosphine. arsenin
dan
Gas
kesemuanya
diborane
gas-gas beracun dan juga mudah terbakar. Silane adalah gas
beracun,
mudah
terbakar
meledak • ia akan terbakar spontan di udara.
dan
(Karena
dapat silane
dapat meledak. ada kecendrungan mengabaikan sifat beracunnya. Pada
konsentrasi
yang
cukup
rendah
silane
tidak
akan
'menyalakan' tetapi ia tetap merupakan racun yang berbahaya). Ammonia dan campuran chlorine adalah racun dan
bersifat
corrosive/bersifat merusak. Hydrogen
seringkali
adalah sangat mudah dapat
.meledak.
digunakan
terbakar
Hydrogen
dan
ketika
sebagai membentuk
panas
oksigen dapat meledak. Suatu proses hydrogen pada temperatur berbahaya. Semua system
kerja harus
yang
yang tanpa
dan
gas
pembawa.
campuran kontak
mengikutkan
tinggi
adalah
kebocoran
yang dengan serta sangat
dan
sistem
racun
dan
penanganan gas harus tanpa cacat. Pompa
vakum
dapat
mengumpulkan
material-material yang merusak dan
penanganan
dilakukan saat pembersihan dan penggantian olio
25
khusus
harus
BASIl
TEORI PEMANAS INDUKSI
2.1 Prinsip Dasar
Menurut
hukum
induksi
Faraday,
bahwa
maknit yangberubah - ubah pada suatu benda
induksi pada
medan
hakekatnya
akan menimbulkan gaya gerak listrik (GGL) induksi
GGL =
d~
-
(2-1)
dt Bila benda tersebut bersifat
konduktor
listrik,
benda tersebut akan mengalir ars yang disebut
maka
arus
pada
induksi.
Karena bahan konduktor mempunyai resistansi, maka selanjutnya a Li r-an arus induksi tersebut akan menimbulkan panas(I 2R) Gejala pemanasan karena
induksi
medan
magnet
ini
dikenal
sebagai rugi - rugi arus eddy pada mesin - mesin listrik. Sesuai dengan
hukum
induksi
perubahan medan maknit makin
Faraday,
tinggi~
maka
bertambah besar. Oleh sebab itu pemanas
bila
ggl
frekuensi
induksi
induksi
akan
membutuhkan
medan maknit frekuensi tinggi untuk menghasilkan arus induksi yang besar pada benda. Didalam medan magnit frekuensi tinggi, arus induksi yang mengalir pada benda
mempunyai
kulit, yaitu arus induksi akan berkonsentrasi pada
26
sifat
efek
permukaan
benda. Jarak dari
permukaan
dimana
arus
induksi
menyusut
menjadi l/e atau 37 % dari rapat arus permukaan disebut tebal kulit ': [1]
6
dengan
= 5030J ~f. [em] 6 p ~
f
= tebal
:
(2-2)
kulit [em]
= resistivitas bahan [ohm = permeabilitasrelatif = frekuensi [Hz]
Selain arus induksi.
sifat
em]
histeresis
bahan
maknetik
juga dapat menimbulkan pemanasan. Akan tetapi. karena efek kulit pada frekuensi
tinggi
sehingga
penetrasi
maknit yang menembus benda menjadi terbatas. Maka. akibat histeresis biasanya eukup
keeil
bila
dibandingkan
0, '7 t
-
)1
,JAI>.t
Gambar 2.1 Distribusi rapat arus induksi
27
medan
pemanasan
dengan pemanasan oleh arus induksi dan dapat diabaikan.
."t~
adanya
2.2 Konf'igurasi Dasar Sis'lem Pemanas InduJcsi
Konfigurasi dasar sistem pemanas dua bagian utama seperti
induksi
diperliha~kan
I I
SUMBER
terdiri
atas
pada gambar 2.2.
BEBAN
....------~·~rf--------t-
Gambar 2.2 Konfigurasi dasar sistem pemanas induksi
- Bagian sumber. yaitu generator G yang arus listrikfrekuensi
tinggi
sebagai
merupakan sumber
generator
daya/
energi
listrik. - Bagian
beban;
yang
berfungsi mengubah energidalam bentuk
terdiri
energi medan
atas
listrik magnit
sehingga terjadi proses pemanasan.
28
sebuah dari
untuk
induktor
generator menginduksi
yang
menjadi benda
2.3 Rangkaian Listrik Beban Pemanas Induksi
Secara listrik. rangkaian beban
pemanas
induksi
dapat
dipandang sebagai suatu ttansformator dengan : - sisi primer adalah koil pemanas . - sisi sekunder adalah benda kerja - inti adalah udara
Ip I p
~
Rp
Is
4
I
t
I I
i
Xs
Vp
Vp
I
I
Rs
I
I I
.. (a )
(b)
Gambar 2.3 Beban pemanas induksi (a) Simbol (b) Rangkaian ekivalen
Berdasarkan gambar 2.3(b) diperoleh persamaan
= I p (R p +
j
rangkaian
X5) - j wM Is' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 - 3 )
29
o
=
I
s
(R + jX ) - jwMI . ssp
(2-4)
Substitusi persamaan (2-4) pada persamaan (2-3) diperoleh
+ j{X + - (ZwM)2 XS}] = I p [R p + (WM)2 Zs p s
(2-5)
dengan
Persamaan (2-5) menunjukkan bahwa bila benda kerja dimasukkan ke dalam koil pemanas, maka (a) Resistansi pada sisi primer akan bertambah sebesar
(b) Reaktansi pada sisi primer akan berkurang sebesar
X = s'
R dan s'
(~:)2 Xs
(2-7)
Xs'merupakan resistansi
dan
reaktansi
dari
benda
kerja yang direfleksikan pada sisi primer. Berdasarkan
pada
persamaan
(2-5),
sederhana diperlihatkan pada gambar 2.4.
30
rangkaian
ekivalen
L
dengan L
R R
Gambar 2.4
= LP = Rp
L
,
s
Rp
,
Rangkaian ekivalen sederhana
2.4 Besaran Listrik Beban Pemanas Induksi
Beban kistrik rangkaian ekivalen beban dapatditentukan dari
besaran
fisisnya.
untuk menghitung besaran
listrik
pemanas
benda
induksi
dengan
pemanas
Beberapa
rangkaian berbentuk
induksi persamaan
ekivalen silinder
beban padat
diringkas dibawah ini 1?Bentuk silinder padat dipilih sebagai bentuk dasar karena analisa matematisnya paling sederhana.
a b 6
= jari = jari = tebal
jari benda jari koil kulit
Gambar 2.5 Penampang koil pemanas dan benda silinder padat
31
2.4.1 Resistansi Primer
Resistansi ae dari sebuah koil lapis solenoid
Rp
tunggal
berbentuk
dari bahan tembaga adalah
= l,~l~
2 N b
x 10- 6
ohm
(2-8)
= frekuensi
dengan f
N
= jumlah lilitan
1
= panjang koil [em]
b = jari
-
jari k'oil
s = faktor spasi gulungan
2.4.2 Reaktansi Primer
Reaktansi sebuah koil lapis tunggal
x
dengan
K
= faktor
10 -9 [K]
(2-9)
koreksi pada gambar 2.6
32
2 ••• 3 Resistansi Sekunder
Resistansi ae dari benda yang
direfleksikan
pada
sisi
primer adalah :
R ' s
dengan
= 2npN 1
2 (b)
(Fr)(Y)
0
.
p
= resistivitas bahan (ohm em)
b
= indeks ratio-
(2-10)
a~2/6
Fr = faktor koreksi pada gambar 2.7 Y = faktor koreksi pada gambar 2,8
2.4.4 Reaktansi Sekunder
Reaktansi dari benda yang direfleksikan pada sisi primer adalah :
.. xs '= - - - - x 10 -9 x (F )( K )( Y) [ 0 hm] )C
dengan
)C
(2 -11 )
a = jari - jari benda [em] F =.faktor koreksi pada gambar 2.9 )C
K = faktor koreksi pada gambar 2.6 dengan skala absis )C
diganti 2a(1
~
0,5/A ) It
33
10
1':'- ~ -
- 1- i'-. - .- ..- .~ l"- 1""- - -. .r' r--. ... .. ........ 7 _. - -l". - - -. .- ...
nv
ot>
o
o.z
on
0..
oe
_. _. _. .. ..
. ..
.-
Gambar
2.6
Kurva
faktor
1-
-
...
.
...
i't......r--- -
...
koreksi
K
untuk
persamaan
(2-9) dan (2-11)
........
10
IZ
1.4
COIL OI"MI. II. H
COIL-lEi,i;-TH"
Gambar
2.7
koreksi
(Fr) untuk
Kurva
faktor persamaan
(2-10) t-+--t---~_.• .l-._-- -1-+--+--+--+-1
. . +- .j .- -- -+--+--+~ ,-- •.-
.)0
.
)
,
~
'IifOCI 11I""0
oe 0.1
. ~
06 O. ~
-
f-
Ir.:'
IT ~ ~-
II ..
- -
r- t6
-f-
-
..
-
., - j I-
JJ.J~
- . ·. .. .• · .
.
- t--
.
2
-t= .- -i-·-I
6 10 INOE. ""'10
'2
Gambar
2.8
koreksi
.(Y)
Kurva untuk
faktor persamaan
(2-10) dan (2-11)
'"
• • 00
'0
i -I -
.' 0
'0
'.
V
.'0
..... I--
,;'
V
~
--1.0
V J
II
Gambar
2.9
koreksi
(Fx) untuk
.• 0 ~ ~
(2.1)
-
.10 •
J
•
•
,
,
•
'11II0(_ 'Ullt'
•
.~-;~,
34
Kurva
faktor persamaan
Rangkaian ekivalen adalah Resistansi
R = (R p +
RII '
Reaktansi
X = (X p + Z = (R 2
xs ' ) ohm
I
Impedansi
)
ohm
2 ) ohm
+ X
2.5 Efisiensi Koil Pemanas
Efisiensi
Koil
pemanas
dapat
dihitung
berdasarkan
perubahan resistansi ac pada sisi primer sebelum dan
sesudah
benda dimasukkan ke dalam koil :
n(%)
..
dengan R s
,
= =
R ' s
Rs '+ Rp resistansi benda yang direfleksikan pada koil pemanas
Rp 2.6
= resistansi koil sendiri
Hubungan Frekuensi dengan Efisiensi
Resistansi sekunder yang direfleksikan pada sisi R ' berdasarkan persamaan (2-10) s terhadap perkalian faktor :
35
adalah
berbanding
primer lurus
Sedangkan resistansi
primer
Rpberdasarkan
persamaan
(2-8)
dan
berubah
dari
maka
harga
adalah berbanding lurus terhadap yf :
Bila
frekuensi
dibuat
frekuensi rendah ke
variabel
frekuensi
tinggi,
bertambah lebih besar dibandingkan dengan
pertambahan
Rpkarena perkalian faktor (Fr)(Y) ( lih,t kurva 2.7 dan 2.8). bertambah
Ini
tinggi,
berarti dimana
efisiensi
efek
koil
kulit
Rs'akan
pada
harga
gambar
pemanas
mulai
akan
berpengaruh,
perkalian faktor (Fr)(Y) akan menuju pada harga konstan.
Dan
bila frekuensi terus dinaikkan, maka kenaikan frekuensi tidak secara efektif mempengaruhi efisiensi koil lagi, karena harga Rs 'maupun Rp sama - sama berbanding lurus . pada frekuensi
yang
terlalu
tinggi,
terhadap
Yf.
Jadi
koil
akan
ditentukan
oleh
rangkaian
beban
efisiensi
menuju pada harga yang konstan.
2.7 Hubungan Frekuensi dengan Faktor Daya
Daya nyata
yang
diserap
olehbenda
efisiensi koil pemanas dan faktor daya pada pemanas induksi. beban
pemanas
Faktor daya atau induksi
cos
didefinisikan
36
p
dari
sebagai
rangkaian
perbandingan
antara daya nyata
yang
dikonsumsi
komponen
oleh
resist if
dengan volt ampere pada rangkaian :
1
cos
p
2R
=V
I
R
=
........................... (2-13)
Z
Betdasarkan pada pembahasan pasal 2.6 berbanding lurus terhadap
perkalian
bahwa
faktor
harga
~f(Fr)(Y)
pada
~f
pada
Z
yang
frekuensi rendah dan akan berbanding lurus terhadap frekuensi terlalu tinggi. Sedangkan harga bersifat
induktif
akan
bertambah
impedansi
be~ar
R ' s
berbanding
lurus
terhadap f. Sehingga bila frekuensi terus dipertinggi. faktor daya rangkaian beban
pemanas
induksi
akan
berkurang.
berarti untuk menghasilkan daya nyata (watt) yang frekuensi makin tinggi dibutuhkan
daya
semu
sama
(volt
Ini pada
ampere)
yang makin besar pula.
2.8 Pemilihan Frekuensi
Berdasarkan pada pembahasan pasal 2.6 dan bahwa
penggunaan
frekuensi
tinggi
dalam
pemanas
adalah untuk memperbesar resistansi benda yang pada koil pemanas agar efisiensi koil pemanas ke benda!dapat
transfer
diperbesar.
37
2.7
terlihat induksi
direfleksikan
daya!energi Akan
tetapi.
dari pada
frekuensi yang terlalu tinggi, pada
harga
konstan
dan
efisiensi
faktor
Berdasarkan dua hal tersebut,
maka
koil
daya
akan
akan
frekuensi
menuju
berkurang. optimum
yang
frekuensi
yang
memberikan efisiensi terbesar dan faktor daya terbesar.
Hal
baik digunakan untuk pemanas induksi
adalah
ini terjadi pada frekuensi yang memberikan indeks ratio
A
=
2,5. 1 ) a~ Dengan memasukkan harga indeks ratio A = --6--= 2,5
persamaan
(2-2)
diperoleh
frekuensi
optimum
untuk
pada benda
berbentuk silinder padat adalah :
x
f=
dengan t
..
2.9
= tebal
Perbal~n
10
6
(2-14)
benda (em)
Faktor Daya
Penggunaan frekuensi tinggi pada pemanas
induksi
untuk
memperbesar efisiensi transferdaya/energi dari koil
pemanas
ke benda ternyata menyebabkan faktor daya
rangkaian
menjadi
berkurang.
yang
Untuk memperbaiki faktor daya
koil pemanas, maka pada koil pemanas
dapat
rendah
dipasang
dari sebuah
kapasitor paralel seperti diperlihatkan pada gambar 2.10.
38
L
c. R
Gambar 2.10
Rangkaian kapasitor kompensasl paralel
Fungsi kapasitor paralel tersebut adalah untuk mengkompensasi arus induktif
dari
koil
pemanas.
kapasitor yang sesuai, faktor pemanas induksi
dapat
dibuat
daya
Dengan cos
p
berharga
sehingga arus dari generator dapat
memilih
harga
rangkaian
beban
sama
dengan
satu,
diperkecil
karena
hanya
mengalirkan arus nyata. Rangkaian LC paralel tersebut disebut sebagai tangki LC karen a
sifatnya
dapat
menyimpan
energi.
Impedansi tangki LC adalah :
=
+
j
Untuk memenuhi kondisi faktor daya cosp
39
= 1,
bagian
imajiner
harus sama dengan nol, atau
Xc XL 2 diperoleh frekuensi pada cos
R _ ( _ )2 L
=
0
~
=1
atau frekuensi resonansi
" " " " " " " " " . " " " , (2-15)
Substitusi hargawopada persamaan (2-14) diperoleh
impedansi
tangki pada frekuensi resonansi adalah : 1
=
(2-16) C R
danarus dari generator adalah
I (w ) 9
0
=
=
v
VCR
-r- """'" ,.""""."",.",.""
Persamaan (2-17) menunjukkan bahwa bila diperbesar maka arus dari Hal
ini
adalah
generator
berlawanan
dengan
dikompensasi dengan kapasitor paralel,
40
harga
akan sifat
,(2-17)
resistansi
bertambah rangkaian
R
besar, tanpa
2.10 Daya Yang Dibutuhkan Untuk Pemanasan
Pemanas induksi membutuhkan sejumlah menaikkan temperatur benda kerja.
daya/energi
untuk
Daya yang dibutuhkan untuk
menaikkan temperatur benda bermassa H, panas jenis C sehingga temperaturnya naik sebesar be dalam selang waktu
Pm
=
4.17 x H x C x ~~
bt adalah :
[W)
(2-18)
H = massa [gr)
dimana
C = panas jenis [kal/gr °C)
be= kenaikan temperatur [DC) bt= selang waktu pemanasan [detik)
.
Apabila temperaturbenda menjadi lebih
1
tinggi
daripada
temperatur di sekitarnya. maka benda tersebut akan melepaskan energi ke sekitarnya.
'Pelepasan
energi
panas
ini
terjadi
dengan berbagai cara. yaitu radiasi, konveksi dan konduksi. Pelepasan energi panas ini akan berlangsung terus dan temperatur akhir pada benda daya
yang
diberikan
pada
akan
benda
menerus
stabil(konstan),
sama
dengan
daya
bila yang
dilepaskannya :
Ps
=
+
+
41
P kd ( e )
( 2 -19 )
dengan
P
= daya
s
sisi
sekunder
atau
daya
panas
pada
benda karena induksi medan magnet. Pr(8)
= daya
radiasi pada temperatur akhir 8
P
kv(8)
= daya
konfeksi pada temperatur akhir 8
kd(8)
= daya kondusi pada temperatur akhir 8
P
2.10.1
Daya Radiasi
Radiasi adalah pancaran energi dari benda panas. radiasi yang dipancarkan oleh bend a menurut
rumus
Daya
stefan
Boltzman adalah :
P r = daya radiasi [W]
dengan
.
e
= koefisien radiasi
A
= luas permukaan [cm 2 ]
8
= temperatur benda kerja [OK]
8
2.10.2
0
= temperatur sekitar [OK]
Daya Konveksi
Konveksi
adalah
rambatan
aliran/ perpindahan partikel
panas yang
yang
menyentuh
terjadi
karena
benda
panas.
Daya konveksi secar empiris dinyatakan:
P
kv
= 1,6 x 10- 4 x A x
(A8)1,S3 [W]
42
(2-21)
= daya konveksi [W]
dengan
2] = luas permukaan [cm ~$
2.10.3
=
beda temperatur rOC]
Daya Konduksi
Konduksi adalah rambatan panas yang terjadi yang saling
Daya
bersentuhan.
konduksi
pada
secar
benda empiris
dinyatakan :
= 4 x ~$ x dengan
P kd ~e
k
..
c s ~t
= = = = = =
J kxcxs ~t
[W]
.• '. . • • . . . . . • . • . ( 2 - 2 2 )
daya konduksi [W] beda temperatur rOC] koefisien konduksi bahan [W/cm °C] panas jenis [kal/gr °C] 3] berat jenis [gr/cm selang waktu [detik]
43
BAB III INVERTER TRANSISTOR SETENGAH JEMBATAN TIPE SUMBER ARUS 3.1
Prinsip Dasar
Tipe Sumber Arus
Inver~er
Pada dasarnya, generator arus listrik untuk pemanas induksi merupakan mengubah
suatu
frekuensi
alat
yang
energi listrik frekuensi rendah dari
menjadi energi listrik frekuensi
tinggi.
tinggi
berfungsi
jala
Sistem
jala konversi
frekuensi energi listrik ini dapat"dilakukan dengan sisten ae - de. sedangkan inverter merupakan alat pengubah de - ae. Berkaitan dengan karakteristik rangkaian induksi yang
berbentuk
tangki
1C
beban
paralel.
pemanas
inverter
tipe
sumber tegangan dengan bentuk gelombang non sinusoidal. tidak dapat
dihubungkan
tersebut. tegangan
langsung
dengan
rangkaian
Sebab arus masukan yang sangat besar akan
mengalir
kapasitor tangki.
Untuk
melalui itu
inverter
digunakan
tangki dari
1e
sumber
karen a
mengisi
rangkaian
inveter
dengan masukan berupa sumber arus yang disebut inverter
tipe
sumber
sumber
arus
masukan
yang
arus.
Prinsip
dasar
diperlihatkan pada gambar 3.1.
inverter Arus
tipe
searah
konstan dari sumber arus diarahkan oleh inverter menjadi arus bolak -
balik
frekuensi
tinggi
berbentuk tangki 1C paralel.
44
ke
rangkaian
beban
yang
_ _ IDC
SUMBER ARUS SEARAH
Gambar 3.1
,
BEBAN
INVERTER
TANGKI
LC
Prinsip dasar inverter tipe sumber arus
3.2 Rangkaian Dasar
Inverter
Transistor
Setengah
Jembatan
Prinsip dasar dari rangkaian inverter setengah
jembatan
Tipe Sumber Arus
tipe sumber arus adalah berdasarkan pada inverter tipe sumber arus.
Konfigurasi
rangkaian
dasar
ini
membentuk
sebuah
jembatan seperti diperlihatkan gambar 3.2. C
L<11 I
en
E
La2 1<12
10
~VO·_-,
iT1
1'1'2 L _ _ _ _ _ _ _ ..J
'1'1
X01L PEMANAS
Gambar 3.2 Rangkaian dasar inverter tipe transistor
setengah
jembatan tipe sumber arus Rangkaian dasar ini terdiri atas : - sebuah sumber tegangan searah E yang merupakan sumber daya
45
- dua buah induktor arus searah (L
d 1dan
L d 2)
yang
be r fung s I
sebagai pembentuk sumber arus. - dua buah transistor (T1
dan
T2)
yang
berfungsi
sebagai
inverter. - rangkaian tangki LC paralel yang merupakan rangkaian
beban
pemanas induksi.
Dilihat
konfigurasi
dari
rangkaian
dasar,
kedua
trnsistor yang berfungsi sebagai inverter hanya menempati dua cabang dari rangkaian
jembatan
inverter setengah jembatan. daya dari sumber menggunakan
daya
prinsip
sehingga
Dilihat
ke
rangkaian
sumber
arus.
rangkaian
dari
cara
beban,
disebut
penyaluran
rangkaian
Sehingga
keseluruhan
rangkaian disebut Inverter Transistor Setengah Jembatan Sumber Arus.
I I Id1 I
I
L
Tipe
r---"
I
,
o+-~--+ I
ini
I
I
O~C12
JI
--..,----------' (b )
(a)
Gambar 3.2 Prinsip kerja
~angkaian
(a) T1 off dan T2 on (b) T1 on dan T2 off
46
r
Prinsip keja rangkaian diperlihatkan Kedua transistor Tl dan T2 dianggap ideal dan bekerja
saling sehingga
arus
kontinyu.
induktor
Ldl
Kedua
bekerja
komplemen
setengah perioda
induktansi cukup besar sehingga
pada
kedua
3.3.
sebagai
saklar
dalam
setiap
simetris
pada dan
gambar
induktor
Ld2
mempunyai
berfungsi
sebagai
akan harga sumber
arus.
Misalkan transistor Tl off dan T2 arus konstan dari induktor Ldl
akan
on
(gambar
menga Li r
3.2(a»,
aebaga t
arus
keluaran melalui rangkaian LC dalam arah positif (sesuai arah tanda panah i
o)' Tl on dan T2 off
Pada setengah peioda berikutnya, transistor (gambar 3.2(b», arus konstan dari induktor
Ld2 akan mengalir sebagai arus
keluaran
melalui
dalam arah negatif (berlawanan arah dengan i transistor bekerja bergantian
secar
o)' periodik,
keluaran yang mengalir melalui tangki LC segi- empat. keluaran
akan
Berdasarkan pada uraian deret
tangki Bila maka
LC
kedua arus
berbentuk
Fourier,
yang berbentuk gelombang segi-empat tersebut
arus dapat
diuraikan menjadi penjumlahan fungsi sinus :
sin wt +
1 3
47
1
sin 3wt +
sin 5wt + ... ) 5
Bila
rangkaian
beban
tangki
frekuensi
resonansi
yang
disetalakan
penyaklaran kedua transistor, tangki LC akan berbentuk resonansinya.
maka
LC
paralel
mempunyai
dengan
frekuensi
tegangan
gelombang sinusoidal
Bentuk gelombang .secar
pada gambar 3.4 dihalaman berikut ini.
48
toritis
keluaran
pada
pad frekuensi diperlihatkan
.
, i 10
,; ;
I I
/
} Or-_ _
._harrnonlsa f r-e x u e n s i ~---t'----(-\.---I d a s a r
..-- /--I
\ --1\
~
r
I
1d
/
\
/
_.1
/
\
-._.. - ..-
\
I
\
/-..
I .rd
\ \ \ :---'>"
/
\ \
I
~'----~-----i - •. L ,
\
\
I
_/
0 i' I
j
1, .0
I f:
~fl !~
1 21d
Or-~----+------
t' )1',
+-_1.I
-I-
-1-
/---->
t
.f, t'·'
~
r .,
21d
I r 0r------t--.-:.----+------+-------t------.+-...
I'f' [' 0
r----'----+------f------~------¥--
1',
or----"""'----1
:.'.Q .-•.•.• I i~
,
e;:0
I
1d
____J__.. Gambar 3.4
-~
Bentuk gelombang teoritis
49
l
+ C,
dvo(t)
....................... (3-1 )
-~-
dt
v (t)
o
diR(t)
=
L
(3-2)
dt
Trans~ormas!
Laplace dar! persamaan (3-1) dan (3-2) adalah
+. C { sV (s) o
s
iR{O+)}
Kondisi
mula
transistor
dalam
Selanjutnya.
= vT1(0+)
vo(O+)
dari
keadaan
persamaan
(3-3)
diperoleh : Id/sCL
=
I R (0+)
s2 + sR/L + l/LC
Nyatakan w 2= l/LC dan o
=
+
a = R/2L
Id/sCL + siR(O+) s2 + 2as + w
o
51
=
=
konduksi
(3-4)
O.
pada
saat
t
dan
persamaan
karen a
=
0-.
(3-4)
=
I/sCL + siR(O+) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3-5)
(s + 01)2 + Co\) 2 N
~Co\)2o _ 012
dengan
~l/LC=
Co\) = o
=
= frekuensi
resonansi teredam
frekuensi resonansi
= koefisien
R/2L
redaman
Dengan menggunakan metoda uraian pecahan parsial diperoleh
I
=
(s)
Id
r: -
1
s
+ co 2 N 1
+ iR(O+) { - - - = - - = (s+0I)2+ Co\)2 N
(s+0I)2+ Co\)~ ................. (3-6)
Transformasi Laplace balik ke kawasan
waktu
(3-6) adalah iR(t) = I d - I d (cOSCo\)N t
=Id
01 -Olt + - - sin wNt) e Co\)N
-
52
dari
persamaan
+
dengan
f(>
iR(O+)sin (wNt -
= arc
~)]
(3-7)
tan
Definisikan faktor kualitas rangkaian tangki LC adalah
Q
=
wL R
Untuk harga Q yang cukup besar. maka
= JL1C Sehingga persamaan (3-7) dapat disederhanakan menjadi
. (t) lR
= Id
- e- a t[ I d - lR . (0)] +
R -Z-
cos w0 t
Dari persamaan (3-8). tegangan keluaran pada tangki LC dihitung dengan mengunakan persamaan (3-2) :
53
(3 - 8)
dapat
•
Bila frekuensi penyaklaran transistor adalah
w
=
w, o
maka
persamaan arus dan tegangan menjadi :
iR(O+)] wL sin wt ..... (3-10)
Karena rangkaian bekerja secara simetris, maka pada
setengah
perioda berikutnya berlaku kondisi :
i R( T/2+)
=-
i R( 0+)
( 3-11 )
v o(T/2+) = - vo(O+)
(3-12)
Substitusi kondisi (3-11) pada persamaan (3-9) diperoleh :
Didefinisikan
1
1
+
e e
-n/2Q -n/2Q
Untuk harga Q yang cukup besar
54
K ex ~ rr
Substitusikan definisi K dari persamaan(3-13) pada (3-9)
dan
(3-10) diperoleh persamaan arus dari tegangan tangki LC :
wt/ 2Q
iR(t)
=
I
vo(t)
=
RId + e- wt/2Q(1 + Q) I
d
- e-
(l+K) I
55
d
cos wt
d
wL sin wt
(3-14)
(3-15)
3.3.2 Menghi t.ung Arus Searah I d
Pada analisa diatas diasumsikan bahwa sebagai catu daya untuk untuk rangkaian diperoleh dari
dua
buah
sumber
arus
yang 'kons t an . Pada ke adaan yang sebenarnya, kedua d sumber arus tersebut direalisasikan dengan menggunakan dua
searah I
buah induktor dan sebuah sumber tegangan searah. Arus I
d
sebenarnya merupakan arus
rata-rata
yang
searah
mengalir
pada
induktor tersebut.
(al
Gambar 3.6
Pada searah L
d
keadaan
(1:»
Aliran arus pada induktor L d
steady-state.
tegangan
pada
induktor
adalah
O
56
(3-16)
Dengan menggunakan persamaan Fourier,
harga
rata-rata
arus
searah pada induktor dalam setiap perioda adalah:
1
T
-
T 0
1
-
f
f
T
L
L
T 0
1
-
T 0
~
f
T
did ---d dt dt
did ---d dt dt
E dt
v (t) dt 0
~
T/2'
T
{E-v (t)} dt + 0
f
E dt ]
T/2
0
=E
T/2
of
= ~ [f o
(l+k)QRI
=
+
d
(e- n/ 2Q+1)
2n
sehingga: .
o =E
-
i
(l+k)QRl
+
d 2n
(e- n/ 2Q+1 )
Jadi arus rata-rata yang mengalir pada induktor Ld adalah
E/R Id
= 1/2
+ (1+k)Q(e-n/2Q+1)/2n
57
(3-17)
Untuk harga Q yang cukup besar maka: n ~
I
. d
3.3.3
2
E/R
~
4Q2
{3-18)
Harga Puncak Arus Koil Pernanas
Haraga puncak pada arus dengan
mendiferensiasikan
disamakan
dengan
nolo
koil
pemanas
persamaan
Diperoleh
(3-14)
harga
dapat
dihitung
dan
hasilnya
puncak
arus
koil
pemanas yang terjadi pada saat t=O:
IR
=K
(3-19)
Id
Untuk harga Q yang cukup besar:
IR
3.3.4
~
4Q -n-- I
(3-20)
d
Harga Puncak Tegangan Tangki LC
Harga puncak tegangan tangki LC dapat mendiferensiasikan persamaan (3-15) dengan
nolo
Diperoleh,
harga
dan
puncak
dihitung
hasilnya tegangan
dengan
disamakan tangki
terjadi pada saat t = T/4:
_
o - R I d (1 + e
V
-n/4Q
{1+K)Q}
58
{3-21)
LC
Bila
harga
Iddari
persamaan
(3-17)
disubtitusikan
pada
persamaan (3-21) diperoleh:
A
Vo
E{l + e-
= 1/2
rr/4 Q(1+K)Q}
+ (1+K)Q(e- rr/ 2Q+1)/2rr
. . . . . . . . . . . . . . . (3-22)
Untuk harga Q yang cukup besar:
3.3.5 Arus dan Tegangan Transistor
Arus yang mengalir pada transistor T
1
adalah:
O
1
adalah:
2E/R
= 1/2 + (1+K)Q(e-rr/2Q+1)/2rr
(Q besar)
59
(3-24)
(3-25)
Tegangan pada transistor T
adalah:
1
O
(transistor OFF)
T/2
1
adalah:
E{l + e- n/4 Q(1+K)Q}
=
1/2 + (1+K)Q(e-
n/ 2Q+l)/2n
(Q besar )
(3.26)
Arus dan tegangan transistor T T
1
adalah sama dengan transistor 2 dengan pergeseran waktu 1/2 perioda.
3.3.6 Menghi tung InduJctansi L
d
Arus yang mengalir pada diperlihatkan pada
gambar
induktor
3.7.
Ldsecara
Hisalkan
pendekatan
transistor
T
10FF
pada saat t=O, maka pada selang waktu -T/2
1
ON,
60
arus
pada
induktor
Ld 1
akan
1(1 maks
ON
OFF
1(1 ~_c..
1(1 mIn
-Tic
T Bentuk arus induktor L d
l
Tic
0
Gambar 3.7
menuju harga maksimum:
i
d
maks =
-t--T/2o E dt f
d
+ i d min
E
=
T/2 + i d min
Bila transistor T10FF pacta setengah perioda berikutnya, pada induktor L berkurang menuju harga minimum: d1
61
arus
E T/2
=
{n + (1+K)Q(e-
L d
n/ 2Q+l)}
+ i
d
d
maks
Arus denyut pada induktor:
{n + (l+K) Q (e -n/2Q +1)}
=
(3-27)
Faktor denyut:
=
R 2wL
{n + (l+K) Q (e
-n/2Q
+1)}
(3-28)
Untuk harga Q yang cukup besar maka: 4LQ 'Y '~ -
nL
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ( 3.28 )
d
Persamaan (3-28) menunjukkan bahwa arus denyut pada
induktor
searh L akan bertambah besar apabila faktor kualitas Q d rangkaian tangki LC bertambah besar.
62
dari
BAS IV KOMPONEN-KOMPONEN RANGKAIAN INVERTER TRANSISTOR SETENGAH JEMBATAN TIPE SUMBER ARUS
4.1
Diagram Blok Sistem Rangkaian
Rancangan
keseluruhan
sistem
transistor setengah jembatan tipe
rangkaian
inverter
sumber
arus
yang
direalisasikan diperlihatkan pada diagram
blok
gambar
Sistem rangkaian ini merupakan dasr yang telah dibahas
pada
pengembangan bab
3.
dari
Secara
hendak 4.1.
rangkaian
garis
besar,
sistem rengkaian tersebut dapat dibagi at as dua sistem - rangkaian daya - rangkaian kendali
lAtA_ lAtA
•-....... PENYEARAH t--~ ~~e~KTOR t-~ INVERTER 1... + FILTER TRANSISTOR r---->-
1 •
SEARAH
BEBAN TANGKI LC
I
IANGKAIAN DAYA
f>- - -" - - -- ----t--~JJiGKA I AN ,.
----------~
KENDAL I RANGKAIAN PACU ~ RANGKAJAN ~ BASIS TIMING
RANGKAIAN STARTER ~
Gambar 4.1 Diagram blok sistem rangkaian
63
Rangkaian daya terdiri atas komponen
komponen
mempunyai kemampuan daya (arus dan tegangan) yang cukp
yang besar
untuk menyalurkan daya dari sumber daya ke beban. Keseluruhan rangkaian daya berfungsi mengubah daya frekuensi
rendah
dari
jala-jala
(arus
menjadi
dan
tegangan)
daya
(arus
dan
tegangan ) frekuensi tinggi yang akan digunakan untuk pemanas induksi. Rangkaian terdiri atas : - rangkaianpenyearah dan filter - induktor arus searah - inverter transistor - rangkaian beban tangki LC Rangkaian kendali terdiri atas
komponen-komponen
yang
mempunyai kemampuan daya yang lebih kecil untuk mengandalikan operasi rangkaian daya. Rangkaian kendali terdiri atas: - rangkaian pacu basis - rangkaian timing - rangkaian starter Berhubungan dengan
aplikasi
induksi, maka selama proses pada benda kerja dapat tangki LC
sehingga
rangkaian
pemanasan,
menyebabkan
frekuensi
untuk
kenaikan
perubahan
resonansinya
pemanas
temperatur
karakteristik dapat
berubah.
Kendali frekuensi menggunakan sebuah generator frekuensi yang mempunyai frekuensi konstan
dapat
menyebabkan
operasi
yang
semestinya.
rangkaian
dari
penyimpangan Untuk
itu
digunakan sistem kendali frekuensi.sendiri atau loop tertutup
64
melalui
rangkaian
timing
yang
disinkronisasikan
derig an
frekuensi resonansi tangki LC. Pada rangkaian
sistem harus
frekuensi
kendali dimulai
/di'start'
membangk I tkan
dengan
tegangan osilasi awal pada tangki
LC
oleh rangkaian timing. Ini
dilakukan
dapat
operasi
sendiri,
agar
dapat
dideteksi
dengan
bantuan
sebuah rangkaian starter.
4.2 Rangkaian Penyearah dan Filter.
Rangkaian
penyearah
dan
sumber tegangan bolak balik
filter
jala-jala
dari
menjadi
.-
.
rangkaian
daya.
Pada
laporan
yang
penelitian
ini
digunakan penyearah j embatan dioda satu phasa LC berbentuk L. Untuk
mengatur
tegangan
sumber
tegangan)
tegangan searah untuk mencatu daya (arus dan diperlukan
mengubah
berfungsi
dengan
masukan
filter
digunakan
sebuah aututransformator. Keseluruhan rangkaian penyearah ini diperlihatkan pada gambar 4.2
+
1 JALAJALA
Cp
j Gambar 4.2 Rangkaian penyearah dan filter LC
65
1 E
Besar induktor LF dan kapasitor CF yang diperlukan adalah
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.1)
3w
1
Dengan
Rdc
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.2)
= resistansi
beban
= frekuensi
w
jala-jala
4.3 Induktor Searah.
Induktor
Ld
searah
berfungsi
menjaga
masukan tetap konstan. Terhadap frekuensi induktor searah Ld akan sangat besar,
arus
tinggi,
sehingga
searah impedansi
denyut
arus
frekuensi tinggi pada induktor akan sangat kecil. Karena itu, induktor searah Ld dapat direalisasikan menggunakan tembaga
beremail
induktansi persamaan
yang
pada
inti
diperlukan
besi dapat
listrik dihitung
biasa.
gulungan Besar
berdasarkan
(3.24): 4LQ ~
dengan Ld =
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.3)
indu~tansi
induktor searah (H)
66
= induktansi koil Q = faktor kualitas . . . = faktor ripple L
pemanas (H)
Prosedur perancangan induktor diberikan pada lampiran A.
O>-----i
~===_I
SUMBER TEGANGAN SEARAH
JALAJALA
"
INVERTER TRANSISTOR
KETANQKI LC ~-----o
Gambar 4.3
Rangkai~
induktor searah
4.4 Inverter.
Rangkaian inverter terdiri
atas
dua
buah
daya tipe NPN. Kedua transitor bekerja sebagai mengarahkan
arus
searah
induktor searah sehingga
yang
konstan
menjadi. arus
daQ bolak
transistor
saklar
untuk
kontinyu
dari
balik
dengan
frekuensi tinggi ke rangkaian beban tangki Le. Dalam praktek, komponen transistor mempunyai
kecepatan
atau waktu penyaklaran (tON dan tOFF) yang terbatas. Definisi waktu penyaklaran transistor diperlihatkan pada gambar 4.4.
Simbol: td
waktu tunda sebelum arus kolektor naik
67
waktu kenaikan arus kolektor waktu simpan waktu penurunan arus kolektor waktu penyalaan waktu pemadaman
'e
Gambar 4.4 Definisi waktu penyaklaran transistor Pada umumnya transistor daya mempunyai waktu tOFFyang lebih lama daripada waktu penyalaan tONdan t OFF ini
mengakibatkan
kedua
tON.
transistor
pemadaman Perbedaan daya
pada
rangkaian inverter tidak dapat bekerja saling komplemen simetris secara ideal seperti yang diasumsikan ,akan terjadi
overlappin8
berkomutasi,
lihat
konduksi gambar
pada
4.5.
saat
Keadaan
kedua ini
transistor menyebabkan
rangkaian tangki LC terhubung singkat sesaat, sehingga terjadi
68
tetapi
dapat
c
."
E
- --
" l :
'1'/2.
I
-
ARUS SUMBER
T2
---- ARUS REAKTIl
'\I
L
I
\
\
I f'--t-""t
,;
- - - - - ---""
__.. _.. -._-_.. -_ . . -------1-
------I.~-_.
Gambar 4.5 Komutasi overlapping konduksi karena keterlambatan proses pemadaman transistor
arus mundur pada salah satu
transistor
karena
arus
discharge dari tangki LC yang bersifat reaktif.
Arus
mundur
ini dapat merusak
arus
mundur
transistor.
Untuk
mencegah
mengalir pada trsansistor. maka pada masing-masing transistor dipasang sebuah dioda seri dan
dioda
anti
paralel
diperlihatkan pada gambar 4.6.
DP2
Gambar 4.6 Rangkaian anti arus mundur
69
seperti
DS
RP
CCb
<
r--1 ~---t-----.
I I
TANPA RP DEHGAH RP
".
I
,
T
DP
0----------..-----
L--------+====t======--~) t
OFF
(a)
( b)
Gambar 4.7 (a) Efek kapasitorparasit Ceb pada transistor (b) Bentuk tegangan transistor Vee resistor RP dapat ditentukan dari konstanta waktu:
3 Ccb ( RP + RBE )
s
T/4 1
s
RP
RBE .... (4-5)
12 f Ccb
Resistor R berfungsi melewatkan (bypass) arus kapasitif BE yang terjadi pada transistor akibat perubahan tegangan dV/dt. Sebab
perubahan
transistor
dapat
tegangan
menyebabkan
karena arus kapasitif basis pada
dV/dt
parasit
transistor~
71
yang
terlalu
transistor akan
besar
konduksi
mengalir
pada
sendiri
sebagai
arus
4.5 Rangkaian Behan.
Rangkaian
beban
untuk
pemanas
induksi
. rangkaian LC paralel dan disebut tangki dapat menyimpan merupakan koil
energi. pemanas
dalamnya. Fungsi
koil
Induktor tempat pemans
L
LC
berbentuk
karena
pada
sifatnya
rangkaian
beban
bend a
kerja
dimasukkan
adalah
untuk
mengubah
ke arus
SINGLE-LAYER COPPER-TUBE PRIMARy
c
COIL
L
-··CONNECTIONS FOR COOLING
(a )
WATEFl
-,
(b)
Gambar 4.8 (a) Rangkaian tangki LC (b) Bentuk tipikal koil pemanas induksi
listrik
frekuensi
tinggi
menjadi
medan
maknit
frekuensi
tinggi untuk menginduksi benda kerja sehingga terjadi
proses
pemanasan. Arus listrik yang mengalir pada koil pemanas cukup besar sehingga dibutuhkan kawat penghantar yang pula. Biasanya menggunakan pipa pendingin untuk mengurangi
tembaga
temperatur
dan koil
cukup
besar
dialirkan karen a
air
radiasi
panas dari benda dan rugi - rugi resistansi pada koli pemanas
72
sendiri.
Kenaikan
memperbesar
pada
temperatur
resistansi
koil
pemanas
akan
efisiensinya
akan
koil
sehingga
menurun. Kapasitor C berfungsi memperbaiki/mengkompensasi faktor daya yang rendahdari koil pemanas agararus dapat
diperkecil
karena
hanya
dari
mengalirkan
generator nyata.
arus
Kapasitor C yang digunakan harus mempunyai daya
reaktif
(Volt Ampere Reaktif) yang cukup agar kapasitor tidak Besar daya reaktif yang dicatu
oleh
sebuah
VAR
panas.
kapasitor
pada
tegangan V dan frekuensi f adalah:
VAR
= 2nfCV 2
"
Besar daya reaktif tersebut tidak boleh
melebihi
(4-7a)
batas
VAR
kapasitor pada harga nominalnya:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.7b)
diperoleh hubungan:
V ................................• (4-8) N
dengan V f
= tegangan
= frekuensi
kerja kerja
73
V N f
4.6
N
= tegangan nominal = frekuensi nominal
Rangkaian Pacu Basis.
Dalam menggunakan transistor sebagai saklar, pacu basis merupakan bag ian
yang
penting
karena
rangkaian rangkaian
pacu basis akan mengendalikan daerah kerja transistor (linear atau mode saklar) dan kecepatan penyaklaran transistor
(mode
saklar). Rangkaian pacu basis yang digunakan diperlihatkan gambar
4.9.
Rangkaian
tersebut
menggunakan
transistor NPN/PNP yang saling komplemen
pada
Dengan menggunakan tegangan kerja simetri
+V
rangkaian tersebut dapat memberikan arus
basis
negatif bagi transistor daya. Penggunaan arus
pasangan
tahap dan
pada
akhir.
-V,
positif basis
maka dan
negatif
akan mempercepat proses pemadaman transistor daya.
+v
DZ
TD BUFFER TTL OPEN COLLECTOR
m
7
RS
-v Gambar 4.9 Rangkaian pacu basis
74
Prinsip kerja rangkaian:
Proses penyalaan
transistor
memberikan pulsa berlogika
"1"
daya
(level
TD
dimulai
TTL)
pada
masukan. Logika "1" pada terminal .masukan
akan
3
ON.
Arus
kolektor
transistor T
dari
transistor
terminal
mengaktifkan
buffer TTL dan mengalirkan arus basis transistor T T
dengan
T
sehingga 3 menyebabkan
3akan OFF. Arus basis untuk transistor daya
ON dan T 1 2 TD akan mengalir mengikuti loop: +V - R1 - VCE(T1) - GND. Bila transistor daya TD ON, tegangan VCE
akan
turun
menjadi
VCEsat.
Bila
VBE(TD)
kolektor-emitter
tegangan
VCEsat(TD) < VBE(T1) + VBE(TD) - VDAS, maka
saturasi
dioda
DAS
akan
ON dan arus basis pada transistor T1 akan dilewatkan melalui dioda anti saturasi DAS sehinggaarus basis
transistor
akan berkurang. Regulasi arus basis dengan menggunakan
daya dioda
anti saturasi DAS akan membuat transistor bekerja pada daerah quasi-saturasi sehingga waktu
simpan
(stora8e
time)
dapat
dipe.rsingkat. Proses pemadaman
transistor
daya
TD
memberikan logika "0" pada terminal masukan TTL
terbuka
dan
arus
basis
transistor
mengalir. Transistor Ts akan OFF dan
negatif
mengalir melalui transistor T2
dari
dengan
sehingga
buffer
Ts
transistor
basisnya
transistor
sehingga
muatan
dapat
tidak
menyebabkan
T1 OFF. Transistor T2 akan ON karena arus melalui R2. Arus basis
dimulai
mengalir daya
akan
basis
akan
terkuras dengan cepat dan transistor daya segera padam.
75
4.7
Rangkaian Tindng.
Rangkaian
timing
berfungsi
mengendalikan
timing
penyaklaran kedua transistor inverter. Kerja rangkaian timing ini disinkronisasikan dengan frekuensi resonanasi pada tengki LC agar frekuensi penyaklaran transistor dapat dibuat
selalu
sama
Karena
dengan
frekuensi
resonansi
pada
tangki
LC.
terjadi waktu tunda (deLay) pada rangkaian timing, pacu basis dan proses pemadaman transistor keluaran
inverter
yang
disalurkan
tertinggal phasa terhadap tegangan
ke
arus konstan dari
induktor
daya,
maka
arus
tangki
LC
akan
tangki
menyebabkan impedansi tangki LC akan searah
LC.
bersifat akan
rangkaian
pulsa-pulsa
kendali
timing yang
ini
induktif
dan
ke
menghasilkan
depan
mendahului
tegangan tangki LC. Pergeseran pulsa-pulsa kendali ini mempunyai selang waktu (bukan phasa) ke
depan
yang
o ANGAN OXl LC
SINYAL RANGXAIAN KENDALl TRANSDUSER SINYAL
Gambar 4.10 Diagram blok
76
PENGUBAH GELOMBANG SINUS KE PERSEGI
ra~gkaian
spike
tegangan
spike
dapat
harus
tergeser
Keadaan
menyebabkan
tegangan pada tangki LC. Untuk menghindarkan tersebut,
rangkaian
PULSA XENDA LI
timing
harus konstan
mengingat waktu tunda rangkaian kendali dan proses
pemadaman
transistor daya mempunyai selang waktu yang konstan dan tidak tergantung pada frekuensi. Diagram
biok
rangkaian
gambar 4.10. Rangkaian
timing
timing ini
diperlihatkan
terdiri
atas
transduser sinyal dan rangkaian pengubah gelombang
pad a
rangkaian sinus
ke
persegi. a). Rangkaian transduser sinyal Rangkaian
transduser
berfungsi
tangki LC dan menghasilkan sinyal kendali depan mendahului
tegangan
pada
tangki
menghasilkan sinyal kendali dengan (bukan phasa) ke depan mendahului diperlihatkan
pada
gambar
4,11.
tegangan
mendeteksi yang LC.
Sebuah
pergeseran tegangan Rangkaian
tergeser
selang
pada ini
•
(a) Rangkaian transduser sinyal kendali (b) Bentuk gelombang
77
waktu LC
mempunyai
•-
Gambar 4.11
metode
tangki
--vc-- TA
ke
respons yang sangat cepat
dan
menghasilkan
sinyal
kendali
dengan pergeseran selang waktu ke depan yan konstan dan tidak tergantung pada frekuensi. Diasumsikan tegangan kapasitor atau tegangan tangki berbentuk gelombang sinusoudal dengan sudut phasa
Le
= o.
dan arus pada kapasitor adalah: dVe dt
=e
ie(t)
= Ie cos "->t Tegangan
tangki
dengan
dideteksi
transformator tegangan TT dan arus pada
menggunakan kapasitor
sebuah dideteksi
dengan menggunakan sebuah transformator arus TA dan beban RA. Kedua
sinyal
hasil
deteksi
tersebut
sin "->t +
IeR A NA
dijumlahkan
sinyal kendali: V
vsig(t) =
0
N:f
= Vs i g
sin ( "->t+9')
dengan:
V
sig =
I
V
(_0_)
NT
2
+
(
IeR A N A
78
2
)
cos "->t
menjadi
= arc
tp
tan
Untuk sudut phasa
tan
tp~
tp
tp
NT
NA
RA l2n ' C
yang cukup keqil:
=
NT -. R 2n N A T A
C
=
NT 2n -R NAT
C
A
diperoleh:
t
Dengan
a
=
NT
R C A N A
NA
(4 -9)
= perbandingan lilitan trafo NT = perbandingan lilitan trafo RA = beban trafo arus C = kapasitor tangki LC t a = selang waktu sinyal kendali
arus tegangan
mendahului
tegangan
tangki LC. lihat gambar 4.11(b)
Dengan mengatur resistor RA. selang
waktu
t
a
hingga dapatmengeliminir waktu tunda rangkaian t
dapat
kendali
transistor. Dengan demikian arus keluaran dari OFF dapat dibuat sephasa dengan tegangan tangki LC.
79
diatur dan
inverter
b) Pengubah gelombang sinus ke persegi Sinyal transduser
kendali adalah
yang
dihasilkan
berbentuk
gelombang m~njadi
mengubah bentuk sinus tersebut dapat
digunakan
persegi.
Level
disesuaikan
rangkaian
pengubah
tegangan
dengan
pulsa
rangkaian
sinusoidal.
Untuk
pulsa-pulsa
gelombang
yang
tegangan
lev~l
oleh
kendali
sinus
dihasilkan
yang
ke harus
diperlukan
rangkaian pacu basis. Rangkaian pengubah gelombang
oleh
sinus
persegi dapat direalisasikan menggunakan komparator
ke
tegangan
rangkaian terintegrasi (IC).
4.6
Rangkaian Starter.
Pada
sistem
kendali
frekuensi
sendiri,
operasi
rangkaian harus dimulai/distart dengan membangkitkan tegangan osilasi awal pada tangki LC. Besar tegangan osilasi awal yang diperlukan disesuaikan dengan sensitivitas rangkaian Skema
rangkaian
starter
diperlihatkan
pada
Rangkaian starter ini berfungsi mengalirkan
timing.
gambar
arus
awal
4.13. pada
induktor searah Ld agar bila salahasatu transistor dinyalakan akan dihasilkan tegangan osilasi yang cukup besar pada tangki LC sehingga dapat dideteksi oleh rangkaian timing.
Rangkaian
starter
R~
terdiri
atas
komponen
kapasitorC~.
80
SCR,
resistor,
dan
Le11
Ld2
C
II
PUSH-ON
£.
SCR
~VG1
L T1
T2
Rs t
RANGKAIAN STARTER
Gambar 4.12 Rangkaian Starter
Pengisian arus awal pada
induktor
searah
dengan menekan saklar 'PUSH-ON' dan SCR akan awal 1st akan ineg a Lf r mengikuti loop: E -
Ld
dimulai
konduksi.
Arus
SCR
(L~+Ld2)
Rst - GND. Besar arus awal adalah: Est
= R
(4-10)
st
Setelah beberapa saat. arus pada kedua induktor dan Ld2) akan mencapai kondisi
steady
state
searah
dan
transistor
dapat dinyalakan. Misalkan transistor T1 ON dan T2 OFF. arus pada SCR akan berpindah mengalir melalui ON dan SCR akan padam karena mendapat
81
transistor
pra~tegangan
(L~
mundur
maka
T1
dari kapasitor
C~.
Tegangan
osilasi
pada
tangki
segera terbentuk mengaktifkan rangkaian timing dan akan
bekerja
secara
reeeneratijf
steady-statenya.
82
menuju
LC
akan
rangkaian kondisi
BAB V PERANCANGAN DAN REALISASI RANGKAIAN Peraneangan
rangkaian
meliputi
peraneangan
rangkaian
daya dan peraneangan rangkaian kendali. Peraneangan rangkaian daya disesuaikan dengan spesifikasi daya dan
frekuensi
diperlukan untuk memanasi benda"kerja. Sedangkan rangkaian daya.
kendali
Diagram
disesuaikan' dengan aliran
prosedur
yang
peraneangan
kebutuhan
peraneangan
rangkaian rangkaian
diperlihatkan pada gambar 5.1. Peraneangan rangkaian daya meliputi : - penentuan spesifikasi daya dan
frekuensi
yang· diperlukan
untuk pemanasan - praneangan tangki LC - peraneangan rangkaian inverter - peraneangan induktor searah - peraneangan sumber tegangan searah Peraneangan rangkaian kendali meliputi - peraneangan rangkaian pacu basis - perneangan rangkaian timing - peraneangan rangkaian starter Pada
tulisan
ini
akan
diraneang
dan
direalisasikan
prototip alat untuk memanasi sepotong grafit berbentuk persegi padat dengan ukuran : panjang em dan tebal
= 1,3
= 5,1
em,
lebar
em hingga temperaturnya meneapai 800
83
balok
= oC.
3,2
.--
PERANCANGAN
PERANCANGAN
RANGKAIAN DAYA
RANGKAIAN KENDALl
---4--BENDA PERANCANGAN
PENENTUAN
1
SPESIFIKASI
I
8
RANGKAIAN STARTER
DAYA DAN FREKUENSI
sensitivitas
P,f C
2
PERANCANGA~M---------~
PERANCANGAN
TANGKI LC
RANGKAIAN
Va
7
I
'TIMING ,II
I R, V0, Q
PERANCANGAN
3
INVERTER ,
4
level TTL IB
1----------------=)1
PERANCANGAN RANGKAIAN
Id PERANCANGAN INDUKTOR SEARAH Id, E PERANCANGAN
5 "
"
Gambar 5.1
Diagram aliran prosedur perancangan rangkaian
84
6
5.1 Spesifikasi Daya Dan Frekuensi Untuk Pemanasan Daya
dan
frekuensi
ditentukan dari
yang
parameter
grafit hendak dipanaskan
dibutuhkan
benda ,kerja. sampai
800
0
e
utnuk
pemanasan
Misalkan daya.
sepotong
Ukuran
benda
kerja adalah sebagai :
pand ang
p
= 5,1
lebar
1
tebal
t
= 3,2 = 1,3
em em em
Gambar 5.2 Bentuk dan ukuran grafit
Resistivitas grafit
p
= 800
Permeabilitas grafit
J.I
= 1
Koefisien radiasi
e
= 0,5
J.lOem
Luas permukaan benda adalah
A
= 2 (pxl + lxt = 2 (5,lx3,2 + = 54,22 em2
.j
+ txp) 3,2x1,3 + 1,3x5,1)
a) Daya yang diperlukan Pada temperatur 800 0 e daya yang didisipasikan adalah :
85
oleh
benda
Daya radiasi Pr = 5,73 x
= 5,73
x e x A x (e4 _ e 4 )
to- 12
x 10
-12
o
x 0,5 x
x
54,22
(1073
4
3004 )
= 205 Daya konveksi P
kv
W
= 1,6 x 10- 4 x A x (e - e
= = 60
O)l,33
1,6 x 10- 4 x 54,22 x (1073 - 300)1,33 W
Daya konduksi dianggap sangat kecil karena grafit ditempatkan dalam tabung kwarsa yang bersifat konduktor panas yang buruk. Untuk mempertahankan temperatur benda pada temperatur daya
yang
diberikan
pada
benda
sama
dengan
daya
800 0C, yang
didipasikan Ps = Pr + P kv
= 205
+ 60
= 265 W dengan Ps = daya pada sisi sekunder atau benda kerja Pr = daya radiasi Pkv= daya konveksi
b) Pemilihan frekuensi
Berdasarkan pada persamaan
(2-15),
diperlukan untuk pemanasan adalah :
86
frekuensi
optimum
yang
f
=
158 x p x 10 6
Hz
~t2
=
6 158 x 800 x 10- 6 x 101 x (1,3)2
= 75
kHz
5.2 Peraneangan Tangki LC a) Koil Pemanas
Dimensi koil pemanas disesuaikan
dengan
dimensi
kerja agar kopling maknetis antara benda dengan koil efisiensinya
besar.
Konstruksi
koil
pemanas
diperlihatkan pada gambar 5.3. Ukuran koil adalah : panjang 1 jumlah lilitan N
=
= 10 18.
em,
jari-jari
Kawat
koil
penghantar
b
pemanas
yang
pemanas
=
benda
dibuat tersebut
2,25
menggunakan
em, pipa
tembaga berdiameter 3/16 inehi.
Karakteristik listrik koil
pemanas
diukur
dengan
resonansi pada frekuensi 75 kHz adalah : Resistansi koil tanpa benda
Rp
Resistansi koil dengan benda
Rp
Induktansi ekivalen
L
87
= 0,11 ohm + Rs = 0,21 =
6
~H
ohm
jembatan
-1
Gambar 5.a Konstruksi koil pemanas
Faktor kualitas Q
= wL R
= 2n
x 75 x 10 3 x 6 x10 -6 0,21
= 13 Efesiensi koil pemanas
n
(%)
= Rs
x 100 %
Rp + Rs
88
= 0,21
- 0,11 x 100 % 0,21.
= 50
%
Daya nyata yang diperlukan pada koil pemanas adalah Pp + Ps
= Ps/n = 265 0,50
= 530
W
Arus RMS pada koil pemanas yang diperlukan adalah I R (RMS)
=i
pp + Ps R
=i
530
= 50
A
0,21
Tegangan puncak pada koil pemanas Va
=IR
X <.o>L
= 50~
2 X 2n X 75 X 10 3 X 6 X 10- 6
= 200
V
b) Kapasitor Kompensasi "'
Besar
kapasitor
1tompensasi
yang
diperlukan
rangkaian tangki LC mempunyai frekuensi resonansi sebesar kHz adalah :
89
75
=
1
(2n x 75 x 10 3 )2 x 6 x 10- 6
= 0,75
I1F
Dengan menganggap arus pada kapasitor adalah sama dengan arus dari koil pemanas, daya reaktif yang
dicatu
oleh
kapasitor
adalah : VAR
= I R VR = 45,23 x
176
-{Z
= 5,63 Untuk
mencatu
kVAR
VAR
tersebut
berukuran O,lI1F, 8 kV (puncak
digunakan ),
50
8 Hz
buah
kapasitor
dipasang
paralel. Kapasitor ini dapat mencatu daya reaktif
secara
:
VAR = 2rr x fN x C x (V (RMS» 2 N 6 3 = 2n x x 50 x 8 x 0,1 x 10- x (8x 10 / -(2 ) 2
= 8,04 kVAR VAR kapasitor harus lebih besar dari VARuntuk agar
kapasitor
tidak
panas.
Berdasarkan
koil
persamaan
pemanas (4-8)
tegangan maksimum yang diperbolehkan pada kapasitor ini untuk frekuensi kerja 75 kHz adalah :
90
vo = -ffN
x VN
f 3 = -{ 50 x 8 x 10 75 x 10
= 206
3
V ( puncak )
5.3 Perancangan Inverter
a) Pemilihan transistor Arus puncak yang mengalir melalui transistor berdasarkan persamaan ( 3-24 ) adalah : IT
=2
Id
Berdasarkan persamaan ( 3-2a ), arus searah I d adalah
= n
X 50-f2
4 x 13
= 4,3 A Jadi arus pada transistor adalah IT = 2 x 4,3 A
= 8,6 A Tegangan pada transistoradalah sama dengan
tegangan
Le. Jadi tegangan puncak pada transistor adalah :
91
tangki
VT
=
V
o
= 200
V
Transistor yang digunakan
harus
mempunyai
waktu
pemadaman
kurang dari 1/4 perioda frekuensi yang digunakan.
t
OFF < T/4 < 13,6/4
~s
< 3,42
~s
Haka gunakanlah transistor tipe 2SC 3320 dengan parameter Arus maksimum : IT = 15 A Tegangan maksimum
V = 500 V T
Waktu pensaklaran
tON
=
td + tr
-, = 1,5
= 0,5
~s)
t OFF
= 0,15
tf
~s
= 1,65~s
~s
b) Dioda seri Arus maju
pada
dioda
seri
adalah
sama
dengan
arus
transistor :
Tegangan mundur pada dioda ditentukan daripergeseran
92
selang
waktu yang
disediakan
untuk
mengeliminir
waktu
pemadaman
,transistor
= 200 sin 2n x 75 x l03 x 1,65 x 10- 6
= 140 V
Maka digunakan dioda tipe
dengan
1N3892
parameter
sebagai
berikut Arus maksimum rata-rata
IF
Tegangan mundur maksimum
VRM = 300 V t r r = 200 ns
Waktu pemadaman Muatan recovery
Q R
= 12
A
= 1,3 /-Ie
c) Oioda anti paralel OP Arus maju yang melalui dioda anti paralel arus
mundur
yang
dibutuhkan
oleh
dioda
OP
seri
merupakan OS
untuk
mengeksekusi muatan recovery pada saat proses pemadamannya : IF (OP)
= I RM (OS) = Y (4/3) QR dIF/dt
Oiperkirakan induktansi parasit rangkaian adalah maka
=
93
Ip
=1
/-IH ,
= 140 1 x 10- 6
= 140
A/J.ls
sehingga I
RM
= ,I (
4/3 ) x 1,3 x 10- 6 x 140 x 10 6
15,6 A
=
Arus I
hanya mengalir sesaat (selama t 0,2 J.lS ), RM rr sehingga untuk dioda anti paralel OP dapat digunakan dioda tipe lN3892 yang mampu melewatkan arus puncak
sesaat
sampai
150 A.
d) Resistor R
BE dan RP
- Resistor R
BE dapat ditentukan secara empiris dan
diberikan dalam lembaran data transistor yang perancanganOini digunakan resistor ~
biasanya
lengkap.
Pada
BE= 47 ohm.
R
Resistor paralel RP dapat ditentukan dari persamaan (4-5) RP
RP
~
1
~
- 47
1
12 x 75 x 10 3x 10- 9 ~
64 ohm
94
6q N 0 N
~ ~
~ ~ ~
Z
@q N ~ ~ ~
Z
0 N ~ ~
U
~
N
q7
Gambar 5.4 Realisasi rangkaian inverter transistor
5.4 Perancangan Induktor Searah Arus searah yang mengalir pada induktor Ld adalah I d = 4,3 A Berdasarkan persamaan ( 3-28), induktor yang diperlukan arus denyut r
agar
=1 adalah :
nr Induktor
Ld
dirancang
pada
95
kondisi
faktor
kualitas
Q
maksimum, yaitu koil pemanas diperoleh Q tanpa benda L
tanpa
wL/R p
benda.
Dari
pengukuran
= 25, sehingga :
= 4 x 25 x 10- 6 x 6
d
1l
= 19 Untuk
x 0.01 mH percobaan.
keperluan
mempunyai kemampuan
dirancang
induktor
I d c = 8 A, Lm = 15 mH dan Lo = 20
searah mHo
Kadar arus pada induktor adalah
Ik
= Ief f = 0
=
Idc
+
+
8
8 A
Diameter kawat email dapat dipilih dari tabel 2 lampiran A d
= 0,0475
inch
= 1,2 mm
Bahan inti yang digunakan adalah besi fluksi ( lihat tabel 1 lampiran A )
= (17,5 - 12) kG = 5,5 kG Permeabilitas awal : 1-'1= 500 Permeabilitas pada arus 1m = 8 A adalah
96 •
silicon
dengan
rapat
= 500
x 15 x 10- 3 20 x 10- 3
= 375 Kuat medan H pada arus 1 m H
=8
A adalah
=B /-1m
= 5,5
x 10
3
375
= 14,67
De
Volume efektif minimum yang dibutuhkan v em
= O,41T = O,41T
x 10 8 Lm 1 m / BH x 10 8 x 15 x 10- 3 x 8 2
5.5 x 10
= 1495
3
x
14,67
em 3
Untuk memenuhi volume efektif minimum digunakan eelah
udara.
Pakai
inti
berbentuk
diperlihatkan pada gambar 5.5.
B-1
inti
dengan
dengan ukuran
10,2
-
.--A
f
--
--
- -
l'--
-
1\
-l
Ukuran em :
-
'---~
o-
.
j
-
A e
-,
I
e
Wa
t
L
3.2
POTONGAN
Gambar 5.5
J
I
= = =
13,76 em 2 17,2
em
9,69
em
2
I
~
A-A
Bentuk dan ukuran inti induktor searah Ld
Indeks induktansi inti adalah : ALm
= ( BA e )2 x 10-16/ Lm 3x = ( 5,5 x 10 13,76 7 = 5,97 x 10-
2 m )2 x 10- 16 /
I
Jmlah lilitan yang diperlukan N
= -(
L
m
= ,I 15
x 10 3
= 159
lilitan
5.97 x 10- 7
98
3x 8 2 15 x 10-
Jumlah lilitan ini membentuk luas penampang tembaga ACu = 1,1 x N x d 2 = 1,1 x 159 x ( 0,12 )2
kumparan
.
2 = 2,52 em
ACu < Wa' ini berarti kumparan dapat dimasukkan pada inti. Panjang lintasan medan magnetik efektif : Ie = 0,4 n N 1 m / H
= 0,4
n
x 159 x 8
/ 14,67
= 108,96 em Celah udara yang dibutuhkan 1g = (1 1 ) / e -e
= (108,96
~1
- 17,2 ) / 500
= 0,184 em 5.5 Peraneangan Sumber Tegangan Searah
Berdasarkan persamaan
(3-23
),
tegangan
diperlukan adalah
E = Vo 1l
= 200 1l
= 64 V Arus dari sumber tegangan searah
99
adalah
searah
yang
Id
= 8;6
A
Beban ekivalen untuk sumber tegangan searah adalah
=
Rd c
E
2 I d
=
64 8,6
= 7,4
ohm
Induktor filter LF yang diperlukan adalah LF '9
Rd c 3w
7,4 h-----3 X 2n x 50 8 mH
Q
Kapasitor filter CF yang diperlukan adalah C » F
1
2w R
dc
»
1
2 X 2n x 50 x 7,4
»
215 J.lF
Dalam perancangan ini digunakan auto transformator - jembatan dioda penyearah induktor filter
o
220 V, 9,5 A (RMS)
35 A /
L
100
F
= 15
400V mH
- kapasitor filter
: C
Peraneangan induktor filter L
= 4000
F
Arus yang mengalir pada induktor iLF
= Ide
/-IF
L
F
adalah
+ 4 Vm cos 2wt
3n XL
XL
= tegangan = 2 wL
w
= frekuensi jala-jala
dengan V m
Tegangan searah
E
ae input puneak
=2
Vm ' sehingga
n
iLF
= Ide
+ 2 E cos 2
t
3 XL Arus puneak pada induktor L
I m = I de + 2
E
3 XL
= 10
+
120 3 x 2 x 2n x 50 x 15 10- 3
= 14,24 A (mendekati 15 A) Kadar induktor L F I
k
= I d c + I eff = 10 +
120
-f2
3 x 2 x 2n x 50 x 15 x10
= 13 A
101
Diameter kawat email yang
digunakan
dipilih
dari
tabel
2
lampiran A. d = 0,0666 inch = 1,6 mm Bahan inti yang digunakan adalah besi
.
fluksi ( lihat tabel 1 lampiran A ) B
= Bs
Br = (17,5 - 12) kG
= 5,5
kG
Permeabilitas awal :
~1=
500
Permeabilitas pada arus 1m = 15A adalap
."«
=
~1
x
L
m
L
o
3 = 500 x 15 x 1020 x 10- 3 = 375
Kuat medan H pada arus 1 m = 15A adalah
H
=B ~m
= 5,5
x 10
3
375 = 14,67 De Volume efektif minimum yang dibutuhkan _
v e m - O,4n x 10
8
Lm 1 m / BH
102
silicon
dengan
rapat
= 0,4rr x 10 8 x 15 x 10- 3 x 15 2 5,5 x 10
3
x
14,67
5256 em 3
=
Untuk memenuhi volume efektif minimum digunakan eelah
udara.
Pakai
inti
berbentuk
E-1
inti
dengan
dengan uku r an
diperlihatkan pada gambar 5.6.
,..-
I .,
I
9
~I
--
Ukuran em :
.
ID
Ae ~~llBI2 Ie
A --
l
Wa
= 25,65 = 27,3 = 24,32
em 2 em em
2
:lL--------' l- / I II">
;;
1t:...L-..L-l---~4-L-~ G-·~
I
5, 7
I
, . . - - -~
Gambar 5.6 Bentuk dan
u~uran
inti induktor searah Ld
Indeks induktansi inti adalah : ALm =
(
=
(
BA )2 x 10-16/ L 1 2 o m m 3 16 / 15 x 10- 3 x 15 2 5.5 x 10 x 25.65 )2 x 10-
= 5.90 x 10- 7
103
Jmlah lilitan yang diperlukan
N
= -rr;m ALm = .; 15 x 10 3
= 160
lilitan
5,90 x 10- 7
Jumlah lilitan ini membentuk luas penampang tembaga 2 ACu = 1,1 x N x d = 1,1 x 160 x ( 0,16 )2 = 4,51 em2
ACu
<
Wa , ini berarti kumparan dapat dimasukkan pada inti.
Panjang lintasan medan magnetik efektif :
Ie
= 0,4 n N 1 m / = 0,4 n x 160 x = 205,58 em
H 15 / 14,67
Celah udara yang dibutuhkan
19
kumparan
= (1 e - 1 e ) / 1-'1 = ( 205,68 - 27,3 = 0,36 em
) / 500
104
5.6Perancangan Rangkaian Pacu Basis
Oalam percobaan
ini,
rangkaian
mampu memacu transistor daya tipe 2
Ie
arus kolektor tipe 2
se
= 10
se
pacu
basis
3320 untuk mengalirkan
,
A. Oari lembaran data transistor
3320, arus basis yangdiperlukan untuk
Ie = 10 A dengan
arus kolektor
dirancang
faktor
penguatan
daya
mengalirkan ~
= 7,5
adalah :
I B (TO) = Ie
-
~
= 10 7,5
=
1, 33 A
Pakai transistor pacu basis
2 Sc 2562, ~ = 35 1 = T = 2 SA 1012, ~ = 35 2 2905, ~ = 50 T = 2N 3 Berdasarkan pada karakteristik T
komponen lainnya dapat ditentukan:
105
97 1113
transistor
yang
dipilih,
+
v 0---,----,--
....., DAS
TD
1
- V 0------+------4
Gambar 5.7
Realisasi rangkaian pacu basis
Oaf tar komponen
Rl
= 10/3
n
01
R2
= 68
o
OAS
= BA
R3
= 22
o
Tl
= 2SC 2562
R4
= 100
o
T2
= 2SA 1012
R5
= 470
o
T3
= 2N 2905
R BE
= 47
n
ICl
= SN 7406
106
J
02 =
lN 4148 158
5.7 Perancangan Rangkaian Timing a) Rangkaian Transduser Perbandingan lilitan NT dan NA padarangkaian transduser sinyal disesuaikan dengan tegangan tangki LC dan tegangan masukan detektor lintasan nolo Yntuk tegangan tangki LC = 200 V dan tegangan masukan detektor lintasan nol
=5
volt,
maka
. dipilih : perbandingan lilitan trafo tegangan perbandingan lilitan trafo arus Resistor RA untuk menggeser sinyal tagangan tangki LC adalah :
= 50 NA = 200 NT
kendali
agar
mendahului
= 1,65 x 10 -6
= 50
x 10 -6
0,8
= 8,25 ohm
Agar pergeseran sinyal kendali dapat disesuaikan dengan waktu pemadaman transistor, maka dipakai sebuah resistor tetap RA 10 ohm diparalelkan dengan sebuah potensio meter 100 ohm. Potensiometer
ini
ditempatkan
memudahkan pengaturan.
107
pada
panel
alat
untuk
L
Gambar 5.8
Realisasi rangkaian transduser sinyal
b) Pengubah gelombang sinus ke persegi pengubah
Rangkaian direalisasikan terintegrasi komparator
gelombang
menggunakan IC
tegangan
level 100
IC
diferensial
mempunyai dua saluran kompatib~l rlp.n~Rn
komparator
~A-760.
tipe
sinus
keluaran
tegangan ini
dengan yang
o.~
rangkaian
merupakan kecepatan
saling
sebuah tinggi,
komplemen
dan
te~an~an
~---(')
Gambar
persegi
ke
OUT2
I
reallsaSl rangKalan pengubah gelombang sinus persegi
Sensitivitas tegangan input
= 50 108
m Vp p
= 3,5 ( 100
Batas tegangan input
+ 1 )
= 10,5 V
50 5.8 Perancangan Rangkaian Starter
Arus
mula
yang
diperlukan
pada
s~nsitivitas rang~aian
ditentukan dari
induktor
searah
timing. Bila rangkaian
timing mempunyai sensitivitas 50 mV pp' maka tegangan puncak pada tangki LC yang diperlukan pada saat di start adalah : Vo
50 mV
~
x N T
2
= 1,25 V
Arus mula pada induktor searah yang dibutuhkan adalah V
=1
T/4 fI
st
-0
dt
C
= I st
x T
C
4
atau I
st =
4CV
0
T
=
4
fCv 0
3 6 = 4 x 75 10 x 0,8 x 10- x
= 0,3 A Arus yang melalui SCR adalah
109
1,25
I SCR = 21 s t = 0,6 A
Waktu pemadaman SCR:
t OFF < T/4 < 3,4
/JS
Gunakan SCR tipe S6089 Tegangan forward blocking maksimum berulang
V V DRM = 400
Arus konduksi rata-rata
IT
Waktu pemadaman
t
=3
OFF = 3,5 s
Tegangan sumber untuk starter dapat diperkecil agar daya pada resistor R st
tidak
terlalu
tidak boleh terlalu kecil,
supaya
energi
memberikan
yang
cukup
untuk
diperlukan dalam proses tegangan start E
st
= 20
pemadaman V,
Rs t yang diperlukan adalah
Resistor R st
=
E st 2 I st
=
20 0,6
= 33,33
kapasitor
ohm
110
arus
SCR.
rangkaian
baik.
besar.
tetapi, mempunyai
komutasi
Dengan
dapat
disipasi
Akan Cst
A
yang
menggunakan
distart
dengan
Daya yang didisipasikan pada R adalah st )2 ( Est PR st = R st
=
20 )2
(
33,33
= 12 Kapasitor
W
Cst yang
diperlukan
harus
memberikan
konstanta
waktu CstRstjauh lebih besar dari pada waktu pemadaman SCR. CstR s t »
t
Cst »
OFF
(SCR)
t OFF
----. Rs t
3,5 x 10- 6
»
33,33
»
0,1
~F
PUSH-ON
$6089
KE RANGKAIAN INVERTER 6v
J
~F' I 300V
q
Gambar 5.10
Realisasi rangkaian starter
111
5.9 Prosedur Mengoperasikan Alat
Alat
yang
tertentu. Urutan
dirancang
memerlukan
pengoperasian
ini
urutan
tidak
.
Apabila urutan pengoperasian terbalik maka dapat
bekerja
dan
dapat
merusak
pengoperasian
boleh alat
transistor
terbalik. tidak
daya.
akan Untuk
mengoperasikan alat disediakan 3 buah saklar pada panel
alat
seperti diperlihatkan pada gambar 5.11.
AUTOTRANSFOkMATOR
ALAT r - - - - - - - t - READY ~---+-RUN
JALAJALA
O--t-CHARG I UG
ON
"'--
..-.( S2
ON
~ S3~
ON
@S4
OFF OFF' PUSH
Gambar 5.11 Saklar panel alat
112
a) Prosedur penyalaan Atur knob auto transformator pada posisi minimum - Nyalakan saklar daya autotransformator 51 - Putar knob autotransformator hingga tegangan - Nyalakan saklar 52 ' indikator
~eady
- Tekan saklar 54 sesaat, indikator
E
= 20
V
akan menyala
CHARGING
akan
menyala,
lalu lepaskan - Atur kembali knob autotransformator hingga tegangan E
= 20
searah
V
- Nyalakan saklar 53
indikator
RUN
akan
menyala
indikator CHARGING akan padam. Pada keadaan ini alat
dan sudah
bekerja. - Atur tegangan searah E sesuai dengan yang diperlukan - Penting,selama alat bekerja, ketiga
saklar
panel
jangan
dioperasikan. b) Prosedur pemadaman Turunkap tegangan auto trnsformator hingga tegangan E - Padamkan saklar autotransformator 51 - Padamkan saklar 52 - Padamkan saklar 53
113
=0
V
·OAFTAR KOMPONEN Resistor: R1 R2
= 220 ohm
R3 R4
=
R5 R6 R7 Ra
= 100 ohm 50 ohm
= 100 ohm = 50
ohm
= 220 ohm =
100 ohm
= 220 ohm
R9 = R10 =
100/3 ohm/15W
200 ohm l
R11 R21
R12 R22
= 1013 ohm 19W
R31 R4 1
R32 R4 2
= 22 ohm/3W
R5 1 RP 1
R52 RP 2
= 470 ohm
RA = PA = VR
= 56 ohm/9W
= 100 ohm
= 64 ohm/3W
10 ohm 100 ohm
= 1k ohm
Daya resistor tanpa spesifikasi adalah 1/2 W
114
Kapasitor : C .~
C
1 2
C3 C 4 C
5
C 6 C7 C 8 C
9
C F C
= = = = = = = = = = =
4700 #J F/45V 4700 #J F/45V 4700 #J F/45V 4700 #J F/45V 10 #J F/16V 10 #J F/16V 1 #J F/25V 1 #J F/25V 4 #J F/300V 4000 #J F/250V 0,8 #J F/8kV ( Kapasitor tangki )
Induktor Ld 1 Ld 2 LF L
= = = =
15
mH, 8A
15
mH, 8A
15
mH, lOA
6
#JH
(
koil pemanas )
Transistor T11
T
T
T2 2
T
21
31 TD 1
12
T3 2 TD 2
= 2SC = 2SA = 2N = 2SC
2562 1012 2905 3320
115
Dioda
= = = = =
JD 1 JD2•
JD 3
DS 1•
DS 2
DP l'
DP 2
DAS 1•
DAS 2
D11• D12 .D 2 1 SCR = S 6089
J
jembatan dioda 35 A /400V jembatan dioda 5A /100V IN
3892
IN
3892
BA 158 D22
= IN
4148
Rangkaian Terintegrasi IC 1 IC 2 IC 3 IC 4
= = = =
7805 7905 I-lA 760
SN 7406
Indikator :
RUN
= =
LED
CHARGING
=
lampu pijar 12 V
READY
LED
116
• s, o
TR,
~~
F 3
LF
SC R
f
ACSOH1·
eFr
?20V
F,
I
Ld
L
CHARGING
2 ":'"
c
-.:1
(dA
Oil
°Il
":'"
+5'1 RZ
0
-5V \C50HZ
:z0 " I
I
t
RIO
i
J
,'1
~// READY .
R3
";"
,
.
":'"
~
~
-
I
""- ~ ; , ~
~"'-'
1: Y
.'
..... :.
I
•
Gambar 5.13 Konstruksi alat
117
BAB VI PENGJIAN ALAT DAN PEMBAHASAN 6.1 Tujuan Pengujian Pengujian alat bertujuan untuk membandingkan unjuk alat yang telah dirancang dan dibuat,
apakah
analisa
dititikberatkan
pada
- pengamatan bentuk gelombang tegangan pada transistor
daya,
matematis.
Pengujian
alat
sesuai
laku dengan
rangkaian daya dan meliputi :
tegangan tangki LC dan arus keluaran dari inverter. - pengukuran hubungan sumber tegangan searah
(
E
)
dengan
arus searah masukan (2Id), tegangan puncak tangki LC (Vo) dan temperatur benda yang dihasilkan. 6.2 Rangkaian Pengujian
SUMBER TEGANGAN SEARAH
INVERTER
1o
V
RANGKAIAN KENDALl
Gambar 6.1 Rangkaian pengujian
118
THERMOMETER THERMOKOPEL
6.3 Prosedur Pengujian - Nyalakan alat dengan mengikuti prosedur penyalaan alat pada 5.9 a
- Amati bentuk gelombang tegangan transistor. tegangan tangki LC dan arus keluaran dari inverter untuk beberapa harga E. - Ukur hubungan antara sumber tegangan searah (E) dengan arus searah masukan (2Id). tegangan puncak tangki
LC
(Vo)
dan
temperatur benda untuk beberapa harga E. - Padamkan alat dengan mengikuti prosedur ,pemadaman alat pada 5.9 b
6.4
Hasil Pengamatan Bentuk Gelombang
CRC 5041
OSCILLOSCOPE
I
~ .
l.• . ;
;;t
-=-_._'~
in
'---------
Gambar 6.2Bentuk gelombang tegangan transistor Trace atas tegangan T0 1 20 V /div Trace bawah tegangan T0 • 20 V /div 2 Skala waktu 5 ~s /div '
119
-
j
Gambar 6.3 Bentuk gelombang tegangan transistor dari gambar 6.2 dengan skala waktu diperlebar 1
~s/div
"
Gambar 6.~ Bentuk gelombang tangki LC Trace atas : tegangan tangki LC. 20 V/div Trace bawah
arus keluaran inverter. 2A / div
Skala waktu
2
~s/div
120
6.5 Hasil Pengukuran
No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9
E (volt)
20 25 30 35 40 45 50 55 60
2Id (A) 2,8 3,4 4,0 4,8 5,4 6,0 6,7 7,2 8,0
Vo (volt) 54 66 80 96 104 1 13 150 165
9
(
°c
)
250 360 410 480 610 680 720 810
Tabel 6.1 Hasil pengukuran hubungan sumber tegangan searah (E), arus searahmasukan (2Id) dan temperatur pada benda (9)
pada
Gambar temperatur 810 0 C
121
Gambar 6.6 Tampak samping koil pemanas
Gambar 6.7 Meja kerja
122
6.6 Pembahasan 6.6.1 Bentuk Gelombang Pada gambar 6.3 • 6.2 dan 6.4 bentuk gelombang
yang
dihasilkan.
diperlihatkan
beberapa
Bentuk-bentuk
gelombang
ini adalah sesuai dengan yang diperkirakan
secara
teoritis.
Pada gambar-gambar tersebut tampak terjadi osilasi" ". ketika kedua transistor berkomutasi. Osilasi"
ringing
ringing
ini terjadi karena arus searah yang konstan dan kontinu
dari
paksa mengalir secara mendadak induktor searah L dan L d1 d 2di melalui tangki LC. Osilasi "ringing ini akan bertambah besar dan akan terjadi tangki LC apabila
spike
arus
tegangan
keluaran
phasa terhadap tegangan tangki LC.
"
tinggi
dari
inverter
Sebab
arus ini akan membuat impedansi tangki
(350V)
pada
tertinggal
ketinggalan
LC
menjadi
phasa
bersifat
induktif. sehingga aliran arus pada kedua induktor searah L d1 dan L akan tertahan dan membangkitkan GGL balik (back d2 ) yang tampak sebagai spike tegangan tinggi tersebut. mengatur potensiometer PA keluaran dari
inverter
EMF
Dengan
yang terdapat pada panel alat. arus
dapat
digeser
mendahului tegangan tangki LC sehingga
(sekitar impedansi
22
0
tangki
akan bersifat kapasitif. Dengan demikian spike tegangan tangki LC dapat dihilangkan karena arus pada searah L dan L dapat mengalir d1 d2
123
~engan
kedua
lancar.
)
LC pada
induktor
6.6.2 Hubungan Tegangan Arus dan Temperatur Benda Perbandingan
antara
hasil
pengukuran
perhitungan diperlihatkan pada tabel berikut
'124
dengan
hasil
"
HASIL PENGUKURAN No.
HASIL PERHlTUNGAN r-.
E (Volt.)
I
2Id
2,8 3,4 4,0 ll, 8 5,ll 6,0 6,8 7,2 8,0
20 25'
1
2 3 4 5 6
30
35 llO ll5 50 55 60
7
8 9
(A)
Tabel 6.2
?dC = E
Pdc
(IN)
Vo
(Volt.)
56 85 120 168 216 . 270 ·335 386 480
54 66 80 96 lOll 110 135 150 165
Perbandingan
has~l
e
(OC)
A
Vo (Vo 1 t)
250 360 410 480 550 610 680 720 810
.
Ps
= Pr
PKv = daya panas pada benda yang
Pr
= daya radiaSl persarnaan (3-20)
PKv = day a Konveksi persarnaan (3-21)
(A)
2,78 3,ll7 ll, 17 ll, 86 5, 56 6, 25 6, 95 7,6ll 8, 3ll
pengukuran dengan hasll perhIt.ungan
2Id
x
62, 8 78, 5 9ll, 2 109,9 125,7 III 1, II 157, 1 172,8 188,5
2Id
d~dlsIpaslKan
Ps
('w'l
21, 9 ll3, 3 56,2 78, 3 105,8 1 3ll, 5 175,0 201, a 273,7
I
Tegangan puncak tangki
LC
(Vo)
yang
persamaan (3-23) adalah lebih besar hasil pengukuran.
sekitar
Penyimpangan
ini
rangkaian praktek arus keluaran
d~ri
impedansi
kapasitif . Sedangkan
dalam
bahwa
dari
arus
keluaran
tegangan tangki LC resistif. Akibat
dalam
adalah
impedansi
LC
bersifat
diasumsikan
sefasa
LC
tangki 'tangki
ini
tegangan
menjadi
matematis
impedansi
konstan yang disalurkan ketangki
pada
karen a
mendahului ~C
tangki
inverter
perbedaan
dari
inverter yang disalurkan
analisa
sehingga
berdasarkan
20%
terjadi,
22 0
ketangki LC mempunyai fasa sekitar tangki LC, sehingga
dihitung
dengan bersifat
LC
ini
arus
akan
menghasilkan
dihitung
berdasarkan
tegangan puncak yang berbeda. Arus
searah
masukan
(2Id)
yang
persamaan (2-18) adalah sesuai denganhasil pengukuran - Dari hasil pengukuran temperatur pada benda dapat daya
panas
persamaan
yang (3-20)
didisipasikan
yang
didisipasikan oleh benda (Ps) adalah kira-kira setengah
dari
ini,
hasil
Tanpa yang
(3-21).
berdasarkan
benda
panas
daya masukan
dan
oleh Diperoleh
dihitung
menghiraukan
diperolehadalah
efisiensi koil pemanas yaitu 50 % perubahan resistansi koil
pemanas
menggunakan jembatan resonansi
125
)
daya
ketelitian
dengan
sesuai (
dari tanpa Hasil
perhitungan
hasil dan
dengan
pengukuran
dengan
perhitungan
benda ini
tidak dapat digunakan untuk menentukan efisiensi alat karena penyimpangannya terlalu besar.
126
keseluruhan
BAB VII
KESIMPULAN DAN SARAN Pada tulisan
ini
diperkenalkan
sebuah
alat
pengubah
energi listrik frekuensi rendah dari jala-jala menjadi energi listrik frekuensi tinggi untuk digpnakan sebagai alat pemanas induksi. Sistem konversi energi listrik ini dilakukan sistim
ac-dc-ac.
menggunakan
yaitu
gabungan
dengan
rangkaian
penyearah dan inverter. -
Sebagai jantung dari alat ini adalah Inverter Transistor Setengah Jembatan Tipe inverter
ini
Sumber
membentuk
sebuah
Arus.
Konfigurasi
jembatan
dan
komponen transistor daya mode saklar sebagai
rangkaian menggunakan
saklar
Analisa rangkaian yang digunakan dalam tulisan ini untuk
menghitung
besaran
komponen
yang
merealisasikan rangkaian. Deskripsi akurat daya
yang
frekuensi
terjadi kerja
pada
transistor
rangkaian
inverter
statis. ditujukan
diperlukan tentang
dalam
disipasi
daya
dan
pembatasan
ini
masih
memerlukan
analisa lebih lanjut. Hasil pengujian prototip alat yang selesai dirancang dan direalisasikan memperlihatkan - Transistor daya mode saklar (2SC 3320) yang digunakan rangkaian inverter tidak panas pada proses pensaklaran arus kolektor IC (ON)
= 8A
VCE (OFF)
127
= 165
V • f
= 75
pada yaitu kHz.
Seeara
kwalitatif
hal
traansistor daya mode
ini
menunjukkan
saklar
pada
efesiensi
rangkaian
kerja
inverter
ini
eukup tinggi. - Tegangan puneak tangki LC
(Vo)
hasil
perhitungan
adalah
lebih besar sekitar 20% dari pada pengukuran -A~us
searah masukan (2Id) hasil
perhitungan
adalah
sesuai
dengan hasil pengukuran - Dengan daya masukan 480
Watt
alat
ini
dapat
sepotong grafit berbentuk balok persegi padat
memanaskan
dengan
panjang 5,1 em lebar 3,2 em dan tebal 1.3em yang
ukuran
ditempatkan
dalam tabung kwarsa hingga temperatur meneapai 810 °C. Karena kesulitan
pengukuran
daya
keluaran
pada
koil
pemanas dan benda kerja, maka efiensi keseluruhan
alat
yang
selesai dibuat belum dapat ditentukan. Dalam praktek fisik radiasi. konveksi dan konduksi panas pada dapat
di tentukan
dengan
tel i ti.
keluaran pada koil pemanas dan benda
Untuk kerja
yang sesuai misalnya dengan kalorimeter.
128
kondisi
bend a
tidak
p enguku r an
daya
diperlukan
alat
DAFTAR
PUSTAKA
1. L Hartshorn, Radio-Frekuensi Heathing. George Allen
&
Unwin Ltd., London, 1949. 2.
H.
Sabotka,
Industrial HF Heat Generator.
Philips
Thechnical Library, Netherland, 1963. 3.
N.R.
Stansel,
Induction Heating Selection of Frequency.
AlEE Transactions, Vol.63, Oktober, 1944 p.755-759. 4.
R.M.
Baker,
Induction Heating of Moving Magnetic Strip.
AlEE Transaction, vol.64, April 1945, p.184-189. 5. R.M.
Baker,
Heating of Nonmagnetic Electric Coductors By
Magnetic Induction - Longitudinal Flux.
J . T.
Transaction,
p~273-278.
vol.63, June 1944, 6.
AlEE
Yang han
and
J . W.
Williamson,
Design of Induction Heating Coils for Cylindricals Non Hagne tic Loads. AlEE Transaction, vol.64, Agustus 1945, p.587-592. 7.
T.P.
Kinn,
Charcteristic
Yacum
and
.t.llh.e.
Radio
Application
Problems,AIEE Transactions,
vol.
Frequency
LQ
Generator
Induction
63
Heating
December
1944,
p.
1290-1303. 8. D. Venable and
T.P
Industrial Electronics Wiley and sons Inc.,
Kinn, Reference New
Radio
Frequency
Book,
York;
Chapman
QL
Induction
Heating
Westinghouse, and
Hall
~
John
Ltd.
London, 1948, ch. 24. 9
G.H
Brown,
EfficiencY
129
Heating
Coils.
Electronics, August. 1944 p. 124-129. 10 W.M Roberts, Problem in
~
Heating Equipment, Proceeding
"
of
Q.f.
Design the
Frequency
H.igh
I. R. E
Wave
and
and
Electronics, July 1946, p. 489-500 11 W.F Peschel, !&ad. Power Matching Q.f. H.igh Supllies !..Qz. Induction Heating .. IEEE
Frequency
Transactions
on
Power IA
vol.IA-16, no.3, May/ June 1974 , p. 351-359. 12 W.E Frank
~
Development in H.igh Frequency Power
IEEE Transaction on IGA, for IGA-6, no. 1 Jan./
SQurce,
Feb.1970
p.
29-35 13. Wolf Tauber, Silicon Processing !..Qz.
~
YLliL
ERA yol,l
Process Technology, Lattice Press Sunset Beach, California. 1986 p. 109-160. 14. W.Scot Ruska, Microelectronic Processing, Mc Graw
Hill
Book Company, 1987 p. 268-295. 15.
W.H
Shepherd,
0.0
Trapp,
Semiconductor
Handbook. Technology Associates, April 15, 8-23 .
.I
130
1982,
Technology p.
8-1
