SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIRYOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006

PEMBUATAN CATU DAYA TEGANGAN TINGGI 2,5 KVMODEL BEM-451

UNTUK TEGANGAN BIAS DETEKTOR

Ju~,PRAnTNo,DE~TAPustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB

Yogyakarta 55281 Telp. (0274) 488435

Abstrak

PEMBUATAN CATU DAYA TEGANGAN TINGGI 2,5 KV MODEL: BEM-451 UNTUK TEGANGANBIAS DETEKTOR. Telah dilakukan pembuatan Catu daya tegangan tinggi 2,5 kV, alat ini akan digunakansebagai catu daya bias detektor, atau untuk konsumsi detektor arus rendah, tapi mempunyai kemampuantegangan keluaran yang cukup tinggi, dan tegangan noise rendah. Kegiatan yang dilakukan meliputi desainrangkaian elektronik, pembuatan dan pengujian alat. Pengujian yang dilakukan meliputi faktor regulasi,stabilitas tegangan tanpa dan dengan beban. Spesifikasi yang ingin dicapai: tegangan keluaran mabimum+2500V DC, faktor regulasi ::; 0,5%, stabilitas tegangan ::; 0,3%, tegangan noise::; 7mV, dan arus bebanmabimum 300 pA. Dari hasil pengujian diperoleh data: keluaran tegangan mabimum sebesar +2500 V,faktor regulasi tegangan 0,2 %, stabilitas teganganO,18 %, tegangan noise tanpa beban 1 mV, dan arusbeban mabimum 300 pA. Dari seluruh hasil pengujian terlihat bahwa sistem penyedia daya tegangan tinggiyang dibuat telah berfungsi dengan baik dan sesuai spesifikasi yang ditentukan.

Kata-kata kunci: Pembuatan, tegangan tinggi, bias detektor

Abstract

THE CONSTRUCTION OF 2,5 KV BEM-451 HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY FOR BIASDETECTOR. The construction of 2,5 kV high voltage bias supply has been done. This instrument will beused as power supply of bias detector for low current detector consumption, but is capable to produce highvoltage output with low noise voltage. The activities involve designing electronic circuit, constructing andtesting instrument. The test was donefor regulation factor and voltage stability testing with and without load.The specifications that will be achieved are maximum output voltage +2500 V DC, regulation factor ::;0,5 %,voltage stability ::; 0,3 %, noise voltage::; 7mV, and maximum load current 300 pA. The test gives results:maximum output voltage value +2500 V, regulation factor 0,2 %, voltage stability 0,18 %, noise voltagewithout load ImV, and maximum load current 300 pA. From the whole test result, it turns out that the highvoltage power supply system functions properly andfulfills the recommended specification.

Key word: Pembuatan, tegangan tinggi, bias detektor

PENDAHULUAN

Penyedia daya tegangan tinggi 2,5 kVadalah suatu alat yang digunakan dalaminstrumentasi nuklir sebagai eatu daya detektornuklir khususnya untuk konsumsi detektor arusrendah (detector low current) biasanya untukdetektor semi konduktor[1].Catu daya tegangantinggi tersebut diharapkan mempunyaikemampuan tegangan keluaran yang eukuptinggi sampai +2500V, stabilitas tegangan dan

regulasi tegangan yang eukup baik, sertategangan noise rendah. Latar belakangpembuatan eatu daya tegangan tinggi adalahPTBIN-BATAN saat ini membutuhkan eatuclaya tegangan tinggi tersebut dalam sistemspektometri neutron yang dimilikinya baiksebagai salah satu sarana analisis maupunpenelitian. Di samping itu dari sisi penguasaanteknologi dalam pembuatan eatu daya tegangantinggi juga penting untuk dikuasai dan

Jumari dkk 85 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN

SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR

YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006

DASAR TEOR!

Gambar 1. Blok diagram Catu Daya TeganganTinggi BEM - 451

Pada prinsipnya eatu daya tegangantinggi yang dibuat terdiri dari bagian osilator,driver, trafo BV (High Voltage), teganganregulasi/tegangan referensi, penyearah danpengganda tegangan, sistem penguat arus untukmeter penampil. Blok diagram eatu dayategangan tinggi untuk bias detektor tersebutseperti disajikan pada Gambar 1.

Osilator berfungsi sebagai pembangkitpulsa kotak dengan frekuensi dan amplitudotertentu, kemudian pulsa tersebut dimasukkanke rangkaian driver untuk dikuatkan tinggipulsanya, pulsa keluaran dari driverdimasukkan ke trafo BV, sementara itutegangan DC teregulasi dimasukkan ke trafoBV untuk mengatur/meregulasi keluarantegangan tinggi, selanjutnya disearahkan dandilipat gandakan melalui rangkaian penyearahdan pengganda tegangan sehingga tegangankeluaran dapat meneapai +2500 V, keluarantegangan tinggi tersebut ditampilkan pada meteranalog panel depan.

Rangkaian elektronik eatu daya tegangantinggi BEM-451 yang dibuat seeara lengkapdisajikan pada Gambar 2. Tegangan referensiyang dipakai sebagai tegangan regulasidiambilkan dari tegangan supply ±24V,pengaturan regulasi tegangan dilakukan denganmengatur harga potensiometer Rpz dan sebagairegulator adalah trasistor Q7, Q8 dan QIO

sedangkan sebagai rangkaian kontrol arusadalah Q9, Kemudian pada emitor transistorkeluar tegangan DC yang dapat diatur dari -4Vsampai dengan +24 V, tegangan keluaran darirangkaian regulator ini selanjutnya digunakanuntuk men-drive tap tengah dari trafo BV (T1)'

Pulsa Q3 dan Q4 dimasukkan ke rangkaian driver

Mete!

PelUillpli

Pt!Jyearah,'

PenggaJ1lia

ImloRVDriverOSllator

dikembangkan. Tujuan dalam pembuatan eatudaya tegangan tinggi ini adalah untukmemenuhi salah satu kebutuhan sistem eatudaya bias detektor untuk deteksi neutron diPTBIN-BATAN. Kemampuan arus bebanmaksimum adalah 300 !-LAdan tidak direkomendasikan untuk konsumsi arus bebanmelebihi 300 !-LA,karena jika dipakai untukmeneatu daya detektor yang mengkonsumsiarus beban melebihi 300 !-LA maka akanmengakibatkan eatu daya tegangan tinggi iniover load dan terjadi drop tegangan yang eukupbesar yang mrngakibatkan sistem tidak dapatberfungsi dengan baik. Supaya eatu dayayegangan ini dapat berfungsi dengan baik makaharus dioperasikan sesuai prosedur yang telahdibuat. Pada pengujian eatu daya tegangan inidititik beratkan pada pengujian stabilitastegangan baik dengam beban maupun tanpabeban serta menekan tegangan noise sekeeilmungkin sesuai batasan harga yang ditetapkan.Untuk melakukan pengujian stabilitas tegangantanpa beban dan dengan beban maka keluarantegangan tinggi diset pada tegangan 1000 V,karena alat Differential Volt Meter yang dipakaiuntuk menguji stabilitas tegangan hanyamampu sampai 1000V. Caranya denganmengatur keluaran tegangan tinggi DC pada1000V, kemudian diukur stabilitas tegangannyadengan menggunakan Differential Volt Meteruntuk setiap selang waktu 10 menit selama 8jam, sedangkan untuk pengujian stabilitastegangan dengan beban (alat tes beban) disetpada arus beban 300 !-LAdilakukan denganmengatur harga tahanan beban, dan keluarantegangan tinggi juga diset sebesar 1000 V,kemudian dilakukan pengukuran stabilitastegangan dengan eara yang sarna. Sementara itubesamya tegangan noise diamati menggunakanosiloskop baik untuk tegangan noise tanpa ataudengan beban. Dari data hasil pengujianstabilitas tegangan diplotkan dalam bentukgrafik dan dieari berapa besar harga stabilitastegangan tinggi tersebut. Untuk pengujianfaktor regulasi dilakukan dengan mencatattegangan sebelum dan setelah dibebani,kemudian dihitung berapa faktor regulasinya.Dari analisis data hasil pengujian dapatdiketahui kualitas alat eatu daya tegangan tinggiyang dibuat.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN 86 Jumari dkk

Gambar 2. Rangkaian Catu Daya Tegangan Tinggi BEM - 451

Tegangan AC keluaran trafo Tl 1= arus yang mengalir pada kapasitor dandisearahkan dengan menggunakan dioda diodapenyearah tegangan tinggi, setelah disearahkan C = kapasitansi dari kapasitordilipat gandakan empat tingkat, masing-masing f = frekuensi pulsa osilatortingkat terdiri dari dua dioda dan dua kapasitor,sehingga keluaran tegangan tinggi maksimum METODOLOGImenjadi 2500 V DC. Untuk menekan tegangannoise maka dipasang kondensator filter 2 buah.Perhitungan besamya tegangan tinggi mak­simum secara teori adalah sebagai berikut{3,4,S):

Vmaks = 2nVi - L1V (1)

SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIRYOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006

Qs dan Q6, kemudian pulsa tersebut dikuatkankemampuan arusnya dan dimasukkan ke trafoTl (trafo step up) bagian primer.

Karena adanya tegangan regulasi yangdipasang pada tap tengah trafo primer, makapulsa kotak dengan amplitudo tegangan tertentu

dengan :V maks = keluaran tegangan tinggi maksimum

n = banyaknya tingkat penggandaanVi = tegangan AC masukan (tegangan AC

keluaran trafo HV)L1V = penurunan tegangan untuk semua

tingkatBesar L1V adalah :

(2)

dengan :

Jumari dkk 87

akan diinduksikan dan dinaikkan tegangannyamelalui trafo T1 dan pada keluaran trafo T1 akankeluar tegangan AC dengan besar teganganbervariasi tergantung dari besamya teganganregulasi dan perbandingan jumlah gulungankawat N1 dan N2 (winding per volt) nya.

J"'"'"~I'.

J."'.'"~

Peralatan yang Digunakan

Multimeter Sanwa model YX-360TR, DigitalMultimeter model Fluke-83, OsciloscopeKenwood 40 MHz model CS-5130, AC-DCDifferential Voltmeter model 893A, DC PowerSupply Bin Modul ORTEC model 4001A,Soldering - desoldering iron Weller-DS 701EC, Alat uji beban HV.

Tata Kerja

Mendesain dan memodifikasi rangkaiancatu daya tegangan tinggi +5 kV menjadi 2,5kV, terutama pada trafo HV, rangkaian driver,rangkaian pengganda tegangan dan penguatarus untuk meter penampil, mendesain Lay OutPCB dan processing PCB rangkaian catu dayategangan tinggi menjadi 2,5 kV, pengujiankomponen, pemasangan komponen pada PCB,

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN

SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR

YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006

1010.00

1015.00

975.00

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tabell. Pengujian pada Tiap Bagian Catu Daya

NO.

Bagianyang diukurTerukur1

Konsumsiarus beban : + 24 V 100 mA-24 V

80mA+ 12V

40mA2

Pulsa osilator:- Frekuensiosilator

17,4kHz- Tinggipulsa

1,5 V3

Tegangan ACkeluarantrafo HV 315 V4

Tegangan tiaptingkatpenggandategangan :- Tingkat1

650 V- Tingkat2

1310V- Tingkat3

1900V- Tingkat4

2500 V5

Tegangan keluaranmaksimum 2500 V6

Tes pembebanan :Tegangan tinggitanpa beban

1000VTegangan tinggidengan beban

998 V7

Tegangan noise tanpa beban 1 mVTegangan noise dengan beban

5mV8

Arus beban 300 J:!.A

Perhitungan frekuensi asilator seeara teoretisadalah:

R asilator = 147 kQ

C asilator = 390 pfT= R.CT= 147.103 X 390.10-12

f= ~= __ 1T 57330xlO-9

f= 17,442 kHz

Dan hasil pengukuran menggunakanosiloskop besamya frekuensi osilator = 17,4kHz, jadi antara teon dan praktek ada selisihfrekuensi yang besamya 42 Hz. Selisih hargaini kemungkinan diakibatkan oleh toleransiharga komponen R dan C yang terpasang padaosilator. Perhitungan keluaran tegangan tinggimaksimum seeara teoretis:

[X; DiU:er<;olrn.!

V;)h"\wt~>CJ.ltu J~YA wg.angau

tinggl IX:

:E 1Q>J<5.00

ij 1GOO.X!

~ .,. 00i00000• QB5.00

Gambar 3. Diagram pengujian stabilitas HV tanpabeban

e..00 'd,OO to.OO 1~.oo 12:,1::0 B.OO t4,(KI 15.QO ~~.OO

Wakru

Gambar 4. Diagram Pengujian Stabilitas HVdengan Beban

Gambar 5. Grafik Stabilitas Bias Tegangan TinggiTanpa Beban

mengatur keluaran tegangan tinggi maksimumdan kalibrasi meter. Pengujian rangkaian eatudaya tegangan tinggi meliputi pengujian faktorregulasi, stabilitas tegangan tanpa beban dandengan beban dan pengujian terhadap spe­sifikasi teknis yang diharapkan.

Blok diagram pengujian stabilitas HVdisajikan pada Gambar 3 dan 4.

Hasil Pengujian Pada Tiap BagianDisajikan Pada Tabel 1 dan Hasil pengujianstabilitas tegangan tinggi tanpa beban disajikanpada Gambar 5. Hasil pengujian stabilitastegangan tinggi dengan beban 300 ).LAdisajikanpada Gambar 6.

Vmaks = 2nVi - Ll V

Gambar 6. Grafik Stabilitas Bias Tegangan Tinggidengan Beban

dengan:

n = banyaknya pengganda tegangan = 4Vi =tegangan AC terukur pada keluarantrafo HV = 315 V.

f =frekuensi osilator terukur = 17,4 kHZC = kapasitor tegangan tinggi = 0,1 ).LFI = Arus beban = 100 ).LA

Besamya keluaran tegangan tinggi maksimumseeara teori adalah Vmaks = 2nVi - Ll V

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN 88 Jumari dkk

SEMINARNASIONALIISDMTEKNOLOGINUKLIRYOGYAKARTA,21-22DESEMBER2006

Besarnya fi V adalah :

fiV = ( I )(2 3 1 z

- -n +-nCf 3 2

fiV=( 100der X~43 +.!.4z -.!.4)( 0,1x1er ).x{17,4x1 <t) 3 2 6

fiV= ( 1x1<r' }2,66+8-066t2,873V( 1x10-7}x(17,4x1<y) ,Vmaks = 2nVi - fi V =( 2x4x3l5V) - 2,873V= 2517,127 VJadi antara Vmak seeara teori dengan Vmakterukur ada selisih harga sebesar = 2517,127 V- 2500 V = 17,127 V. Besarnya penyimpangan

= 17,127V xlOO% = 0,685%.2500V

Untuk pengujian stabilitas tegangankarena alat Differential Volt Meter yangdipakai untuk mengukur stabilitas teganganhanya mampu sampai maksimum 1000 V makapengujian stabilitas tegangan hanya dilakukanpada tegangan 1000 V, sebagai berikut::

Stabilitas tegangan pada 1000V tanpabeban = Vz - VIxlOO%

VI

dengan, Vz= 1001,86V; VI = 1000 V, makastabilitas tegangan tersebut adalahO,186%

Stabilitas tegangan pada 1000V dengan

beban : Stabilitas tegangan = Vz - VIxlOO%VI

dengan,: Vz= 1001,88V: VI = 1000 V,makastabilitas tegangan tersebut adalah= 0,188%

Stabilitas tegangan menurut standarORTEC yang diizinkan :S 0,3 %[1], hargastabilitas tegangan tanpa beban 0,186 % danstabilitas tegangan dengan beban 0,188 %, jadiharga-harga tersebut masih masuk pada batasanditentukan yaitu di bawah 0,3 %, berartistabilitas tegangan tinggi yang dibuat eukupbaik.

Faktor regulasi (FR) dengan beban detektorGM:

FR = VnL- VLxlOO%VnL

dengan,VnL = tegangan tanpa bebanVL = Tegangan beban

- 1000V -998V xlOO%= 0,2%FR - 1000V

Faktor regulasi tegangan menurut standarORTEC yang diizinkan :S 0,5 %[1],sedangkanharga faktor regulasi yang didapatkan 0,2 %jadi harga tersebut masih masuk pada batasanharga yang ditentukan, berarti faktor regulasitegangan eukup baik.

Tegangan noise tanpa beban terukur1mV, dengan beban terukur 5 mV dan dariharga tersebut menunjukkan bahwa tegangannoise masih di bawah harga yang ditetapkanyaitu hams :S 7 mV. Hasil pengujian itudisajikan pada Tabel 2.

Tabel 2. Hasil Pengujian Catu Daya TeganganTinggi 2,5 KV

NO.

BagianHarga yangHasil

yang diuji

diharapkanpengujian

Stabilitas teganganSO,3%

0,186 %tanpa beban 2

Stabilitas teganganSO,3%

0,188 %dengan beban 3

Faktor regulasiSO,5%

0,2%tegangan 4

Tegangan noise tanpa S4mV1 mV

beban5

Tegangan noise S7mV5mV

dengan beban 6

Arus beban300 IJA

300 IJAmaksimum

KESIMPULAN

Dari hasil pengujian dalam pembuataneatu daya tegangan tinggi BEM - 451 ini inidapat disimpulkan bahwa :1. Besar keluaran tegangan maksimum

+2500V, kemampuan arns bebanmaksimum 300 IlA, dan besarnya tegangannoise 5 mV sudah memenuhi kriteria yangdisayaratkan.

2. Besar penyimpangan keluaran teganganseeara teori dan praktek adalah 0,685%stabilitas tegangan 0,18 % dan faktorregulasi 0,2 %. harga-harga ini masihdalam batas yang diizinkan.

3. Hal yang sangat spesifik dari eatu dayatagangan tinggi yang dibuat adalahmempunyai tegangan keluaran yang eukuptinggi sebasar +2500 V dan mempunyaitegangan noise tanpa beban yang eukuprendah hanya 1 mV, serta konsumsi daya

Jumari dkk 89 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN

DC yang dibutuhkan eukup rendah hanya ±10 watt.

4. Pada prinsipnya seeara keseluruhan eatudaya tegangan tinggi BEM - 451 yangdibuat sudah berfungsi dengan baik.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengueapkan terima kasihkepada Bp Djasiman atas saran-saran dalampembuatan makalah ini dan rekan-rekan BalaiElektromekanik- PT APB yang telah membantudalam pembuatan eatu daya tegangan tinggiBEM--451 ini terutama BP Legowo Hardiyanto,Bp Bambang Sumanto, dan Bp Mudji Rahardjo.

DAFT AR PUST AKA

1. Operating and Servive Manual: 1978, "0-5kVHigh Voltage Bias Supply Model 459",ORTEC, USA ..

2. Operating and Servive Manual, 1978, "BINModul for standard Nuclear InstrumentModules TID - 20893", ORTEC, USA.

3. DARSONO, 1998, "Akselerator GeneratorNeutron", Diklat Pengenalan dan AplikasiAkselerator - BATAN, Yogyakarta.

4. JD. CRAGGS AND JM. MEEK, 1953, "HighVoltage Laboratory Tecnique", 27-30 page,Butterworths Publication LTD, LONDON.

5. BYGRAVE, W.D, 1970, "Accelerator NuclearPhysics", High Voltage EngineeringCooperation, Burlington, Massachuseets,USA.

6. Petunjuk Pemakaian dan Perawatan 1979,"Penyedia Daya Tegangan Tinggi DC model: DIN-450 BATAN", Yogyakarta.

TANYAJAWAB

Pertanyaan

1. Berdasarkan Tabel 2, diperoleh nilai-nilaiyang eukup jauh dari nilai yang diharapkan.Faktor-faktor apa yang mempengaruhi?

2. Apa keunggulan HV tipe ini dibanding HVreferensi (Canberra & Ortee)?

3. Jenis detektor apa yang bisa di-support olehHV ini? (Muhtadan)

4. Berapa lama Anda melakukan pengujiansistem seeara terus-menerus? Bagaimanahasilnya?

SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR

YOGY AKARTA, 21-22 DESEMBER 2006

5. Pada tabel, hasil yang diperoleh semua dibawah nilai batas minimal ORTEC atau

Canberra. Mengapa? (Subari Santoso)6. Bagaimana bila digunakan untuk

monitoring yang operasinya sampai 24 jamterus-menerus?

7. Pada tegangan berapa eatu bisa beroperasioptimum? (Sukarman)

Jawaban

1. Nilai yang diperoleh masih di bawah dariharga yang ditentukan. Ini berarti harga­harga spesifikasi teknis yang diperoleheukup baik. Faktor yang mempengaruhiantara lain kualitas komponen dan hasilyang baik dari modifikasi sistem.

2. Keunggulan HV ini adalah mempunyaitegangan noise rendah, stabilitas baik, danharga lebih murah.

3. Jenis detektor yang dapat di-support HV iniadalah detektor-detektor yang mengkon­sumsi arus rendah maksimum 300j.tA dantegangan maksimum 2500 V. Contohdetektor yang bisa memakai HV inimisalnya detektor neutron dan GM.

4. Lamanya melakukan pengujian kestabilanHV ini 24 jam, tapi tidak terus-menerus,melainkan 8 jam sehari selama 3 hari(jumlah 24 jam). Tetapi yang benar 24 jamterus-menerus.

5. Spesifikasi hasil pengujian masih di bawahharga maksimum yang ditentukan. Iniberarti alat mempunyai unjuk kerja yangbaik dan memenuhi syarat.

6. Kalau HV ini digunakan untuk sistemmonitoring yang operasinya sampai 24 jam,saya yakin alat ini marnpu karena sudahteruji keandalannya.

7. HV ini supaya dapat beroperasi optimumpada tegangan 2000 Volt atau 60 % daritegangan maksimum.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN 90 Jumari dkk