RANCANGAN SISTEM CATU DAYA PLASMA IRADIATOR ELEKTON PULSA

Aminus Salam, dkk.

ISSN 0216 - 3128

21

RANCANGAN SISTEM CATU DAYA PLASMA IRADIATOR ELEKTON PULSA Aminus Salam, Budi Santoso, Saefurrachman PSTA - BATAN, Jl Babarsari Yogyakarta [email protected]

ABSTRAK RANCANGAN SISTEM CATUDAYA PLASMA IRADIATOR ELEKTRON PULSA. Telah dilakukan rancangan sistem catu daya plasma pada sistem irradiator elektron pulsa berbasis sumber elektron katoda plasma, Sistem catu daya plasma terdiri dari 2 bagian utama yaitu sistem ADPS dan sistem IDPS. Sistem ADPS (Arc Dischage Power Suplly) adalah sistem untuk menghasilkan gelombang kotak (pulse wave) yaitu rangkaian PFN (Pulse Forming Network) LC dengan 10 rangkaian LC, modul transformator dengan tegangan masukkan 220 V dan tegangan keluaran 1000 V, komponen R dan diode penyearah arus tinggi. Sistem IDPS (Ignitor Discharge Power Supply) merupakan sistem elektroda pemicu yang menginisiasi pembentukan lucutan plasma, sistem IDPS terdiri dari sistem UJT, SCR dan trafo flyback inti ferit. Sistem UJT (unit transistor junction) berfungsi sebagai pembentuk pulsa gelombang kotak dengan frekuensi 1 Hz, system SCR berfungsi untuk meningkatkan tegangan pulsa dari UJT dan kemudian tegangan ditingkatkan menggunakan transformator dengan flyback inti ferit (diameter 1,5 cm, panjang 7,5 cm) menjadi tegangan tinggi sehingga unjuk kerja IDPS untuk inisiasi spot plasma yaitu diperoleh : gelombang pulsa teredam kritis (ζ=1). Sebagai pendukung rancangan sistem ADPS pada rangkaian LC yaitu dengan analisa dan simulasi menggunakan program Watfor 77 dan MatLab diperlukan rangkaian LC 10 tingkat (L = 1 µF dan C= 82 µH) untuk gelombang pulsa paling mendekati bentuk kotak, sebagai pengaman diode digunakan tahanan R=15Ω/96 watt dan sebagai acuan hasil pada sistem ADPS tegangan keluaran 1000 volt, arus 100 A dan lebar pulsa 100 µ dt dan untuk sistem IDPS direncanakan dapat diperoleh hasil spesifikasi teknis gelombang pulsa teredam kritis (ζ=1) frekuensi 1-30 Hz, V ≥ 9 kV, τ ≥ 4 µ dt dan I = 10 A) akan menghasilkan berkas elektron yang optimal, diharapkan dapat bermanfaat untuk langkah selanjutnya dalam mewujudkan sumber elektron katoda plasma di PSTA Batan Yogyakarta. Kata kunci : catudaya plasma, ADPS, IDPS

ABSTRACT DESIGN OF POWER SUPPLY FOR THE ELECTRON PULSES IN PLASMA IRRADIATOR. The design of power supply for electron pulses in plasma irradiator has been done. They are ADPS and IDPS, the system of ADPS (Arc Discharge Power Supply) is the power supply whith PFN circuits (10 LC) to generator source out put pulses which approximate a square wave shape . This system is expected to give an output voltatage 1000 V and its current of 100 A having pulse width of 100 μ second . To achive these cexpected values, this system divided into three module which has input voltage of 220 V and the output voltage of 1000 V, the PFN system and resistance (R=15Ω/96 watt) for the protect capasitors. The design of ADPS to support the program Watfor 77. The performance of IDPS (Ignitor Discharge Power Supply) system for ionization plasma spot is pulse wave critical with frekuency 1-30 Hz. System of IDPS have three module that are UJT, SCR and transformator flyback with ferrir core. The ideal ioutput IDPS are V ≥ 9 kV, τ ≥ 4 µ dt and I = 10 A . The system of ADPS and IDPS is a pair in the part of electron source which plasma spot and the system is on the left and right on the DUET can support pulses electron beam machine plasma chatode in PSTA Batan Yogyakarta. Key words : generator plasma, ADPS, IDPS

PENDAHULUAN

P

ada tahun 2019 diharapkan di Pusat Sains Teknologi Akselerator, BATAN Yogyakarta telah siap pembuatan dokumen uji fungsi perangkat sistem irradiator elektron pulsa untuk treatmen produk hasil pertanian. Selama ini MBE digunakan untuk mendukung pengolahan hasil pertanian, obatobatan, pelapisan, sterilisasi dll. Sedangkan MBE

lateks untuk pengolahan karet alam. Perangkat MBE konvensional merupakan perangkat yang besar (dengan arus kecil) untuk industri skala besar dan memerlukan sistem pendukung komponen serta ruangan yang cukup besar. Saat ini dilakukan rintisan perakitan MBE pulsa pada catudaya plasma pada sistem irradiator elektron pulsa berbasis sumber elektron katoda plasma (SEKP), keuntungan MBE pulsa komponennya lebih kompatibel, ruangan yang

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah ‐ Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2015 Pusat Sains dan Teknologi Akselerator ‐ BATAN Yogyakarta, 9 ‐ 10 Juni 2015

22

ISSN 0216 - 3128

diperlukan tidak luas dan banyak manfaatnya dan harga awal dan perawatan lebih murah dibanding MBE konvensional [1]. Untuk mewujudkan MBE Pulsa dilakukan rancangan sistem catu daya plasma SEKP, yaitu terdiri dari sistem catu daya plasma (ADPS dan IDPS), sistem grid, sistem vakum, penentuan material elektroda, sistem ekstraksi berkas elektron dan sistem kerangka. Dalam melakukan rancangan catu daya plasma yang terdiri dari system ADPS dan IDPS. Sistem ADPS (Arc Dischage Power Suplly) adalah sistem untuk menghasilkan gelombang kotak (pulse wave) yaitu rangkaian PFN (Pulse Forming Network) LC dengan rangkaian 10 LC, modul transformator dengan tegangan masukan 220 V dan tegangan keluaran 1000 V, komponen R dan diode penyearah arus tinggi. Sistem IDPS (Ignitor Discharge Power Supply) merupakan sistem elektroda pemicu yang menginisiasi pembentukan lucutan plasma, sistem IDPS terdiri dari sistem UJT, SCR dan trafo flyback inti ferit. Sistem UJT (unit transistor junction) berfungsi sebagai pembentuk pulsa gelombang kotak dengan frekuensi 1 Hz, sistem SCR berfungsi untuk meningkatkan tegangan pulsa dari UJT dan kemudian tegangan ditingkatkan menggunakan transformator dengan flyback inti ferit (diameter 1,5 cm, panjang 7,5 cm) menjadi tegangan tinggi sehingga unjuk kerja IDPS untuk inisiasi spot plasma yaitu diperoleh : gelombang pulsa teredam kritis (ζ = 1). Agar dapat diperoleh tegangan keluaran ADPS 1000 volt, arus 100 A dan lebar pulsa 100 μdt telah dilakukan optimasi sistem trafo, sitem rangkaian LC, dan dilakukan analisa dan simulasi rangkaian PFN 10 LC. Untuk menjaga kestabilan keluaran sistem ADPS yaitu dengan menggunakan capasitor bank untuk menghindari discharge sebelum rangkaian L– C, demikian juga dilakukan penyearah arus keluaran dari rangkaian L–C dengan menggunakan diode HDB2,5 dan untuk melindungi diode, serta kapasitor dipasang R sebesar 15Ω/96 watt Optimasi parameter IDPS diatur dengan melakukan peningkatan kemampuan UJT, SCR dan trafo flyback inti ferit. Untuk trafo flyback inti ferit akan digunakan trafo yang diameternya paling besar yang ada dipasaran dan ditingkatkan jumlah lilitan serta besar kawat yang digunakan. Dengan melakukan optimasi IDPS diharapkan dapat diperoleh tegangan keluaran IDPS adalah > 9 kV dengan lebar pulsa >4 μ detik, arus spot plasma 10 A. Untuk mencapai hasil keluaran pada sistem catudaya irradiator katoda plasma yang optimal maka dengan melakukan optimasi parameter IDPS dan ADPS pada SEKP sangat perlu diperhatikan sistem pengkabelan, karena kabel katoda dan anoda harus saling diisolasi supaya tidak terjadi lucutan di luar tabung.

DISKRIPSI PLASMA

Aminus Salam, dkk.

SISTEM

CATUDAYA

Sistem catu daya plasma merupakan bagian dari sistem sumber elektron katoda plasma, catudaya plasma terdiri dari ADPS dan IDPS. Prinsip sumber elektron katoda plasma yang dirancang dengan acuan sistem DUET seperti tampak pada Gambar 1.

Gambar 1. Sumber elektron sistem dua sumber “DUET”. Sistem catu daya lucutan ignitor IDPS dan sistem catu daya tegangan pulsa ADPS merupakan satu kesatuan (satu pasang) pada sistem mesin berkas elektron katoda plasma dengan menggunakan sistem DUET. Sumber elektron sistem dua sumber ”DUET” terdiri dari bejana plasma, sistem anode berongga, sistem grid, sistem ekstraksi, sistem catu daya (catu daya pulsa/ ADPS, catu daya sistem pemicu/IDPS), sistem vakum dan didukung oleh jenis bahan untuk elektoda. Sistem kerja sumber elektron dua sumber pertama tergantung dari kerja ADPS dan IDPS melalui sistem elektroda akan menghasilkan berkas elektron, berkas elektron melewati sistem grid yang ditarik oleh tegangan tinggi(sistem ekstraksi) akan menghasilkan berkas elektron pulsa. Sehingga berkas elektron pulsa dapat digunakan untuk pelapisan, pengelasan, sterilisasi dan untuk kesejahteraan masyarakat Indonesia khususnya dalam bidang pertanian[2].

SISTEM CATU DAYA PULSA/ADPS ADPS (Arc Dischage Power Suplly ) ialah sistem catu daya yang menghasilkan pulsa gelombang kotak, adapun sistem ADPS meliputi sistem trafo dan sistem rangkaian LC.

1. Sistem Trafo Sistem trafo digunakan sebagai tegangan masukan rangkaian LC pada rangkaian catu daya


Aminus Salam, dkk.

ISSN 0216 - 3128

generator plasma sumber elektron katoda plasma, diperlukan trafo dengan keluaran 1000 watt /1000Volt. Untuk ini dilakukan pembuatan trafo/merangkai kembali trafo dari trafo tegangan masukan 220 volt tegangan keluaran 90 volt, 10 Ampere menjadi trafo tegangan masukan 220 volt dengan tegangan keluaran 1000 volt/1000 watt, yaitu dengan menghitung panjang inti besi, tebal kern dan luasan kern maka dapat ditentukan diameter kawat primer dan diameter kawat sekunder. Pada trafo daya sekunder 1000 watt/1000 volt, dapat ditentukan parameter-parameter sbb[3] : p 1000 Arus sekunder Is = s = = 1 A dan vs 1000 Daya Primer

Pp = 1,25 x 1000 = 1250 W

Arus Primer

Ip =

Pp Vp

=

1250 =5 A 220

23

dengan kapasitor dan induktor masing masing berjumlah sepuluh buah seperti Gambar 7

Gambar 2. Gambar sistem rangkaian ADPS. Dari gambar sistem rangkaian ADPS, untuk sistem PFN (pulse forming network) dengan 5 LC dengan C = 1 µF, dan L = 82 µH sehingga dapat dilakukan penyelesaian dengan peninjauan dari loop 1 hingga loop ke 5 sebagai berikut :

p s 1000 = =1 A Vs 1000 Sehingga dapat dicari panjang penampang inti besi dan tebal kern sebagai berikut[4]: Arus Sekunder

Is =

Penampang inti b

5,7 cm

Tebal inti kern (h)

9,7 cm

Luas penampang (A)

55,29 cm2

Diameter kumparan trafo primer (dp)

1,6 mm

Diameter kumparan trafo sekunder (ds)

0,7 mm

Jumlah lilitan primer (Np)

416

Jumlah lilitan sekunder (Ns)

1136

2. Sistem Rangkaian LC Untuk sumber daya lucutan busur DUET digunakan rangkaian LC (L=82 µH, C =1µF/1,2 kV), sebelum rangkaian LC dipasang capasitor dan resistor R, dan setelah rangkaian L–C dipasang diode sebagai penyearah dan R. Tegangan 220 V sebagai masukan pada trafo dengan tegangan keluaran 1000 V yang digunakan sebagai tegangan masukan pada rangkaian L-C sehingga tegangan pulsa keluaran ADPS adalah 1000 V. Sedangkan pada keluaran anoda dan katoda dipasang komponen diode dan tahanan sebagai pengaman komponen C. Dari hasil penentuan jenis trafo dan hasil jumlah lilitan primer, sekunder serta penentuan komponen elektronik yang diperlukan maka dapat dilakukan rancangan rangkaian sistem catu daya generator plasma berbasis katoda plasma yang terdiri dari sistem trafo dengan jumlah lilitan primer 416 dan lilitan sekunder 1136. Rangkaian LC (dilengkapi dengan tahanan R, capasitor dan dioda d) diengan C = 0,1 µ F/ 1,2 kV dan L = 82 µ H

Gambar 3. Gambar rangkaian PFN pada sistem ADPS.

Untuk menyelesaikan bentuk rangkaian PFN menggunakan metoda loop, dengan kondisi sebagai berikut [5]:

∑ V =0 Pada loop I, persamaannya adalah : VC ( I 1) + V 0 + V L ( I 1) − V0 + VC ( I 1) − VC ( I 2 ) = 0 Dengan VC =

dI Q ∫ I dt dan V L = L dan VR = I R. = dt C C

Sehingga persamaan loop I menjadi

∫ I 1dt + L dI 1 + V C

dt

0

− V0 +

∫ I 1dt − ∫ I 2 dt C

C

= 0 (1)

Pada loop 2 persamaannya adalah :

∫ I 2 dt + L dI 2 C

dt

+ V0 − V 0 +

∫ I 2 dt − ∫ I1dt − ∫ I 3 dt = 0 C

C

C

(2)


∫ I 3 dt + L dI 3 C

dt

+ V 0 − V0 +

∫ I 3 dt − ∫ I 2 dt − ∫ I 4 dt = 0 (3) C

C

C


24

ISSN 0216 - 3128

Aminus Salam, dkk.


∫ I 4 dt + L dI 4 C

dt

∫ I 4 dt − ∫ I 3 dt − ∫ I 5 dt = 0 (4) + V0 − V0 + C

C

C

2

C

dt

− V0

∫ I 4 dt + I − C

5

(5)

R=0

Untuk lebih sederhananya persamaan 1 (loop 1) hingga persamaan ke 5 (loop ke 5) adalah : L

∫ I 1dt

dI 1 +2 C dt

−

∫ I 2 dt C

=0

(6)

dI ∫ I 2 dt − ∫ I1dt − ∫ I 3 dt = 0 L 2 +2 dt C C C

∫ I 3 dt

∫ I 2 dt

∫ I 4 dt

(7)

dI 3 +2 dt C

=0

(8)

L

dI 4 ∫ I 4 dt − ∫ I 3 dt − ∫ I 5 dt = 0 +2 dt C C C

(9)

1 dI 5 ∫ I 5 dt ∫ I 4 dt + I R = 0 L + − V0 − 5 2 dt C C

(10)

C

−

C

(11)

Untuk proses yang sama digunakan untuk persamaan lain dapat diperoleh R I 2 = Q1 + Q3 − 2 Q2

(12)

R I 3 = Q2 + Q4 − 2Q3

(13)

R I 4 = Q3 + Q5 − 2 Q4

(14)

R I 5 = 2(1 + Q4 − Q5 − β ι5 )

(15)

Q adalah muatan, RI adalah current speed, ι adalah arus, V adalah tegangan, β = RL C

Sistem Komputasi

L

−

dι , dapat menjadi dτ

R I 1 = Q2 − 2 Q1

Dan pada loop ke 5 persamaannya adalah :

∫ I 5 dt + 1 L dI 5

dan jika Q = ∫ ι dτ dan RI =

Setelah diperoleh satu sistem persamaan rangkaian, maka dapat dilakukan penyelesaiannya dalam sistem komputasi. Sehingga menjadi sederhana dengan memberikan syarat batas dapat dilakukan secara komputasi klasik. Jika τ = 0, dapat diperoleh Q = 0, ι = 0, RI1 = RI2 = RI3 = RI4 = 0, V0 = 1, ι1 = ι2 = ι3 = ι4 = ι5 = 0 karena RI5 = 2,

ι new = ιold + RI old × ∆τ

Dalam komputasi persamaan diatas diselesaikan terlebih dahulu dengan memasukkan nilai-nilai yang ada pada persamaan diatas. Dengan nilai yang dapat diketahui terlebih dahulu, adapun harga/nilai yang dapat dimasukkan pada persamaan diatas adalah :

Untuk rangkaian 10 LC

t = t 0τ , t 0 = LC , I = I 0ι , I 0 =

Dari persamaan (15) untuk 10 LC dapat diperoleh :

V0 LC

,

dan jika

dimasukkan sebagai faktor normalisasi untuk persamaan 6 sampai dengan 10, dapat diperoleh

I t I0 = V0 , 0 0 = V0 , sehingga persamaan diatas menjadi C t0

dι1 = ι 2 dτ − 2 ∫ ι 2 dτ dt ∫

Jika τ = 0, dapat diperoleh Q = 0, ι = 0, RI1 = RI2 = RI3 = RI4 = RI9 = 0, V0 = 1, ι1 = ι2 = ι3 = ι4 = ι5 … = ι10 = 0 karena RI10 = 2, ι new = ιold + RI old × ∆τ 1 Qnew = Qold + ι old × ∆τ + × RI old × ∆τ 2 2

dι1 = V0 ∫ ι 2 dτ − 2V0 ∫ ι1 dτ dt

Jika dari persamaan tersebut dibagi dengan diperoleh :

(16)

C

dengan

V0

RI10 = 2 (1 + Q9 − Q10 − β ι10 )

Q adalah muatan, RI adalah current speed, ι adalah arus, V adalah tegangan, β = RL

I dι ∫ι1dτ − I t ∫ι2 dτ = 0 L 0 1 + 2I 0t0 0 0 C C t 0 dt

L

1 Qnew = Qold + ι old × ∆τ + × RI old × ∆τ 2 2

, akan

Dengan memggunakan persamaan tersebut dapat dilakukan dalam computer code menggunakan software. WATFOR77[6]. Untuk melindungi C 1 μF/1,2 kV dan diode H.DB 2,5 digunakan R 15Ω/96 watt.


Aminus Salam, dkk.

ISSN 0216 - 3128

25

SISTEM CATU DAYA IGNITOR/IDPS Sistem IDPS (Ignitor Dicsharge Power Supply) merupakan sistem pemicu untuk terjadinya spot plasma, sistem IDPS terdiri dari sistem UJT, SCR, dan trafo tegangan tinggi flyback inti ferit adalah sebagai kerikut :

Sistem UJT (Unit Junction Transistor) UJT merupakan sistem rangkaian untuk menghasilkan pulsa tegangan rendah (bentuk gelombang kotak), untuk memperoleh frekuensi yang dikehendaki dari 1 Hz s/d 50 Hz dengan mengatur potensiometer (R1 dan R2), komponen elektronik yang diperlukan terdiri dari R, C dan transistor. Pulsa gelombang kotak sebagai keluaran dari sistem UJT akan digunakan sebagai masukan pada sistem SCR[7].

p=

1 f C1 V12 2

dengan V1 adalah tegangan kapasitor, R2 Trafo OT240 dengan perbandingan 1 : 1.

(19) =

R3= 100 Ω,

Untuk C1 = 0,3 µF dan frekuensi 50 Hz maka dapat diperoleh parameter R1, Rpotensiometer dan dayanya berdasarkan persamaan (1) nilai R1 dan Rpotensiometer adalah : R 1 + R potensiometer =

1 = 13,3 kΩ f 5 C2

(20)

dan dayanya adalah P =

1 f C1 V 2 = 0,0012 W 2

(21)

Sistem SCR (Silicon Controlled Retifier) SCR adalah merupakan sistem rangkaian yang berfungsi sebagai penguat tegangan/daya pulsa gelombang kotak dari UJT, sebagai pendukung pada SCR diperlukan transistor 2N2646 dan BC141, diode, kapasitor dan R (4).

Trafo Inti Ferit Trafo inti ferit digunakan sebagai penguat yang berfungsi memperbesar tegangan keluaran dari SCR, untuk menentukan jumlah kawat lilitan pada trafo inti ferit dengan Vbias 300 V, tegangan yang diperlukan 9 kV, arus 10 A, lebar pulsa 4 µdt dan frekuensinya 50 Hz, maka dapat diperoleh perbandingan lilitan sekunder (N1) dengan primer (N2) pada trafo T2 adalah Gambar 4. Gambar rangkaian sistem IDPS.

N= Sistem kerja rangkaian UJT akan memberikan pulsa tegangan yaitu setelah kapasitor C1 terisi muatan setelah melalui tahanan R1 dan R potensiometer, waktu pengisian kapasitor direlasikan tpengisian kapasitor C1 = 5 (R1 + Rpotensiometer) C1

(17)

Jadi setelah beda waktu tpengisian kapasitor C1 terjadi pulsa baru demikian seterusnya, maka besarnya frekuensi pengulangan adalah F = 1/tpengisian kapasitor C1

(18)

Untuk mengetahui berapa daya P dari tahanan R1 dan R potensiometer yang dibutuhkan, diperlukan relasi sebagai berikut

Vout 9000 = = 30 300 Vbias

(22)

Energi keluaran Eout adalah Eout = Vout × iout × t = 9000 × 10 × 4.10-6 = 0,36 (23) Berdasarkan kekekalan energi, maka Ekapasitor = ½ C2 V2 bias = Eout = 0,36 J

(24)

maka C2 =

2 × 0,36 2 × 0,36 = = 8 µF 300 2 V 2 bias

(25)

Untuk frekuensi 50 Hz, maka besarnya R5 adalah R5 =

1 = 500 Ω 50 × 5 × 8 .10 −6

(26)


26

ISSN 0216 - 3128

dan daya dari tahanan atau diode adalah P = f × 0,36 = 18 W

(27)

Pada umumnya keluaran dari trafo T2 dikenakan kapasitor C3 yang besarnya adalah C3 =

C2 8 × 10 −6 = = 9 nF 900 N2

(28)

Sehingga dengan parameter-parameter yang diperoleh di atas gambar rangkaian sistem IDPS ditunjukan pada Gambar 5.

Aminus Salam, dkk.

Dalam mengatasi agar diperoleh gelombang teredam kritis maka akan dipasang beban R sebelum trafo flyback, di mana R sebagai fungsi ζ, dan agar teredam kritis maka ζ = 1, dengan parameter ζ = α/ω0, α = R/2L, dan ω0 = 1/√LC.

ζ = 1=

R α = LC 2L ω0 R 2L

LC

2 L = R LC R=

2L LC

=

2 L2 LC

=2

L2 L =2 LC C

Untuk C = 1 µF dan L = 82 µH maka nilai R yang dibutuhkan agar pulsa keluaran IDPS teredam kritis : R=2

82 × 10 −6 = 2 82 = 18,1107 Ω 1 × 10 − 6

Grafik terjadinya teredam kritis dari fungsi ζ, disajikan pada Gambar 7

Gambar 5. Rangkaian IDPS dengan parameternya.

Dari Gambar 5, pada sistem IDPS diharapkan pulsa berbentuk teredam kritis dengan tegangan keluaran IDPS 9 kV, lebar pulsa yang sempit (sekitar 4 µ detik) dengan arus yang yang semakin besar. Untuk memperoleh waktu operasi IDPS kiri dan kanan supaya optimum/serempak akan dilakukan pengujian sistem IDPS dengan menggunakan 1 unit IDPS dengan 2 trafo flyback pada Gambar 6.

Gambar 7. Grafik arus sebagai fungsi waktu dengan variasi ζ.

TATA KERJA

Gambar 6. Sistem IDPS untuk keluaran 2 elektrode.

Dalam melakukan uji IDPS dan ADPS pada sistem katoda plasma untuk memperoleh optimasi parameter IDPS dan ADPS, pada sistem IDPS satu rangkaian IDPS dipasang dua trafo flyback inti ferit untuk keluaran IDPS1 dan IDPS2 dengan tujuan dapat diperoleh dua pemicu yang karakteristiknya sama. Dalam melakukan uji IDPS flyback inti ferit IDPS1 dengan diameter Φ 1,5 cm dan flyback inti ferit IDPS2 dengan diameter Φ 1,3 cm (dikarenakan untuk memperoleh flyback inti ferit diameter Φ 1,5 cm sangat sulit) dan dapat dihasilkan gelombang teredam kritis (terpenuhi ζ=1). Untuk sistem ADPS


Aminus Salam, dkk.

ISSN 0216 - 3128

optimasi parameter ADPS dilakukan dengan menggunakan gambar dimana satu keluaran dari trafo sebesar 1000 volt digunakan untuk masukan dua buah sistem rangkaian L-C sehingga tersusun keluaran rangkaian ADPS1dan ADPS2[8].

Perancangan Sistem ADPS Sistem ADPS merupakan sumber daya tegangan tinggi dengan komponen utama rangkaian L-C sehingga diharapkan tegangan keluaran ADPS dalam bentuk gelombang pulsa (kotak). Perancangan sis-tem ADPS dilakukan untuk rangkaian 5 LC dan 10 LC, untuk rangkaian 5 LC ditunjukan pada Gamabr 7.

27

masing-masing pasangan dapat menghasilkan spot plasma yang sama pada sisi kiri dan kanan pada SEKP sistem DUET[9].

Perancangan IDPS Dalam melakukan perancangan sistem IDPS dengan beban dan tanpa beban dilakukan terlebih dahulu menyusun rangkaian IDPS yaitu dari melakukan perakitan dari piranti rangkaian IDPS dan pemasangan alat ukur yang diperlukan yaitu CRO. Sistem rangkaian IDPS ditunjukan pada Gambar 9.

Gambar 9. Gambar rangkaian sistem IDPS.

Gambar 8. Sistem rangkaian dengan 5 LC untuk 2 keluaran.

Pada Gambar 8 terdapat rangkaian 5 LC dua buah yang akan digunakan untuk dua buah keluaran IDPS. Untuk memperoleh sumber tegangan tinggi bentuk pulsa/ADPS diperlukan tegangan 1000 volt yang diperoleh dari sebuah trafo dengan tegangan masukan 220 volt. Untuk mengubah trafo dengan masukan 220 volt dan keluaran 1000 volt yaitu dengan menentukan jumlah lilitan kawat primer dan sekunder pada trafo dengan pemilihan diameter kawat primer dp = 1,6 mm dan diameter kawat sekunder ds = 0,7 mm. Keluaran dari trafo sebesar 1000 V disambungkan dengan C (capasitor bank) yang berfungsi untuk menstabilkan muatan listrik yang kemudian dihubungkan dengan 2 buah rangkaian LC(C = 1µF dan L = 82 µH), sebagai penahan pulsa yang sangat cepat pada keluaran rangkaian LC maka digunakan diode HDB 2,5 yang mempunyai spesifikasi untuk tegangan tinggi, arus tinggi dan frekuensi tinggi tetapi diperlukan R=15Ω/96 watt untuk pengaman capasitor dan dioda, untuk memperoleh pulsa gelombang kotak diperlukan 10 LC. Seperti halnya pada sistem keluaran IDPS1 dan IDPS2 maka pada keluaran sistem ADPS juga dibentuk keluaran ADPS1 dan ADPS2, sehingga IDPS1 berpasangan dengan ADPS1 dan IDPS2 dengan ADPS2 sehingga kerja

Pada Gambar 9 rangkaian sistem IDPS sebagai pembangkit gelombang pulsa adalah sistem UJT dengan menggunakan 2N2646, BC141 dan komponen R dan C dengan diatur tahanan R variabel sehingga dapat menghasilkan gelombang pulsa, keluaran dari sistem UJT diperkuat oleh trafo OT240 (1:1) dan digunakan sebagai masukan pada SCR diperkuat tegangannya sebesar 300 Volt sehingga pada keluaran SCR tegangannya menjadi berlipat. Keluaran pada SCR supaya menjadi lebih tinggi hingga orde kV diperlukan flyback inti ferit diameter Φ 1,5 cm.

HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk menghasilkan berkas elektron pada katoda plasma sistem ADPS (penghasil pulsa gelombang kotak) berpasangan dengan sistem IDPS (sebagai sistem pemicu dari keluaran ADPS). Dalam sistem DUET perancangan sistem catu daya plasma pada sisi kiri ADPS1 berpasangan dengan IDPS1 demikian juga pada sisi kanan ADPS2 berpasangan dengan IDPS2.

Sistem ADPS Perancanganan sistem ADPS dilakukan dengan perancangan awal dengan rangkaian PFN untuk 5 LC, dimana satu trafo untuk dua buah rangkaian LC (dengan masing-masing 5 LC) tetapi hasil gelombang kotak belum sempurna untuk itu dilakukan perancangan rangkaian PFN untul 10 LC, dengan satu sistem trafo untuk satu sistem ADPS, sehingga


28

ISSN 0216 - 3128

untuk sistem ADPS 1 diperlukan satu trafo dan satu sistem rangkaian PFN (10 LC) demikian juga untuk ADPS 2 diperlukan satu sistem trafo tersendiri(6).

Aminus Salam, dkk.

Dari grafik hasil simulasi diperoleh bahwa dengan PFN 5 LC bentuk pulsa gelombang kotak kurang sempurna dibanding dengan rangkaian PFN untuk 10 LC bentuk pulsa gelombang kotak mendekati sempurna[10].

Sistem IDPS Dalam perancangan sistem IDPS terdiri dari sistem UJT, SCR dan sistem trafo flyback inti ferit dimana sistem IDPS berpasang dengan ADPS. Untuk Perancangan sistem IDPS satu sistem UJT dan SCR dapat digunakan untuk dua ferit yang terhubung dengan ADPS 1 dan ADPS 2 tetapi untuk supaya tidak saling terganggu maka IDPS 1 terdiri dari sistem UJT, SCR dan ferit demikian juga IDPS 2 (tedriri dari satu perangkat UJT, SCR dan trafo flyback inti ferit). Gambar 10. Hasil simulasi rangkaian PFN untuk 5 LC dengan BETA = 2.

Gambar 13. Hasil pengukuran IDPS sisi kananV =2,2 I = 12,34 A dan τ = 36 µs. Gambar 11. Hasil simulasi rangkaian PFN untuk 5 LC dengan BETA = 2,5.

Gambar 14. Gambar pengukuran IDPS sisi kiri V = 1,80, I = 9,92 A dan τ = 32 µs.

KESIMPULAN

Gambar 12. Hasil simulasi rangkaian PFN untuk 10 LC dengan R = 15 Ω.

Telah dilakukan perancangan sistem ADPS dan IDPS untuk rancang bangun dan pengembangan sistem IDPS dan ADPS Iradiator Elektron Pulsa pada sumber elektron katoda plasma sistem DUET untuk


Aminus Salam, dkk.

menghasilkan rancangan catudaya plasma sistem ADPS dan IDPS dilakukan :

ISSN 0216 - 3128

29

pada

Note part 8, presented in BAS 2011 Yogyakarta, Indonesia, December 5th-9th, 2011.

1. Sistem ADPS dari hasil simulasi sistem PFN dengan L = 82 µH dan C = 1 µF/1,2kV hasil simulasi bentuk pulsa gelombang kotak rangkaian PFN dengan 10 LC hasilnya lebih baik dari rangkaian PFN 5 LC. Untuk pengaman rangkaian LC digunakan R tahanan diode dengan R= 15 Ω/96 W. Tegangan masukan dari PLN 220 V menggunakan trafo peningkat tegangan menjadi 1000 V, yang digunakan sebagai masukan rangkaian LC. Pada sistem ADPS diharapkan diperoleh keluaran dengan tegangan V = 1000 V, arus I = 100 A serta lebar pulsa τ = 100 µ dt).

3. Wasito, Vademekum Elektronika, Percetakan PT Gramedia, Jakarta, 1984.

2. Pada sistem IDPS yang terdiri dari satu unit UJT dan SCR digunakan sebagai masukan trafo flyback ferit panjang 7,5 cm , Φ 1,5 cm dimana sebagai acuan dengan spesifikasi diharapkan sebagai berikut V ≥ 9 kV, τ ≥ 4µdetik dan I = 10 A).

7. S. Lee, Control Electronics, in Laser and Plasma Technology, Procces, of the First Tropical College on Applied Physics, World Scientific Publishing Co Pte Ltd. Singapore, 1985.

3. Sebagai sistem catu daya plasma ADPS dan IDPS bekerja berpasangan, ADPS sebagai penghasil gelombang pulsa bentuk kotak sedangkan IDPS sebagai sistem pemicu untuk terjadinnya discharge[11] pada sstem ADPS. Untuk bentuk DUET sebelah kiri terdapat ADPS1 dan IDPS 1 dan sebelah kanan ADPS 2 dan IDPS 2 dan untuk menghindari terjadinya pelemahan tegangan maka sebaiknya pada sistem catu daya plasma DUET dibuat 2 ADPS dan 2 IDPS.

UCAPAN TERIMAKASIH Kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Kepala PSTA-BATAN yang telah membiayai penelitian ini melalui dana DIPA PSTA-BATAN Tahun Anggaran 2015, kepada Bapak Prof. Drs. H. Sudjatmoko, S.U. dan Bapak Drs. Widdi Usada yang telah memberikan arahan dan bimbingan dalam penulisan makalah ini, serta kami ucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Hery Sudarmanto, Bapak Untung Margono dan Bapak–Ibu tim SEKP yang telah memberikan masukan dalam penulisan ini.

DAFTAR PUSTAKA 1. Aminus Salam. Budi Santoso, Saefurrachman, Unjuk Kerja Sistem IDPS Untuk Inisiasi Spot Plasma, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2013 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN Yogyakarta, 26 Juni 2013. 2. Efim Oks, Generation of Large Cross Section Beams in Plasma Cathode Systems, Lecture

4. Millman, Halkias, M. Barmawi Dan M.O. Tjia, Elektronika Terpadu, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1984. 5. Richcard M., Ness Engineering Technical Data Pulse Forming Network (PFN) Formulas, Ness Engineering, Inc, Sandiago, 2014. 6. “ ------------“. Watfor-77 Software V1.4, Watcom Systems Inc. 1986.

8. Efim Oks, Low Pressuredischarge for Plasma Electron Source, Lecture note part 2, presented in BAS 2011 Yogyakarta, Indonesia, December 5th-9th, 2011. 9. EFIM OKS, Plasma Cathode Electron Sources, Physics, Technology, Applications, WILEYVCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Wienheim, 2006, ISBN; 3-527-40634-4. 10. Richard A., Power Supplies For Pulsed Plasma Technologies, Advanced Energy Industriers, Inc, Fort Collins, Colorado 80525, 1999. 11. J.B. CALVERT, Electrical Discharge, Physics Index, USA, 2009.

TANYA JAWAB Eko Priyono − Hasil simulasi yang ditampilkan menggunakan paket program apa? Bagaimana bila disimulasi pakai Mat Lab. − Apakah dalam ADPS dan IDPS frekuensi tidak diperhatikan, kalau ya berapa frekuensi yang dibutuhkan. Aminus Salam − Program yang digunakan untuk sistem tampilan ADPS menggunakan paket program Wattfor 77, program Mat Lab sudah pernah digunakan hasilnya juga bentuk gelombang kotak/pulsa. Tetapi pada tampilan lebih baik menggunakan program Wattfor 77. − Frekuensi pada IDPS dan ADPS sangat diperlukan, terutama pada sistem IDPS frekuensinya diatur pada sistem UJT berkisar antara 1 Hz s/d 30 Hz.


RANCANGAN SISTEM CATU DAYA PLASMA IRADIATOR ELEKTON PULSA

Recommend Documents