pusat antar universitas bidang...
TRANSCRIPT
I
PUSAT ANTAR UNIVERSITASBIDANG
MIKROELEKTRONIKA
PEMBUATAN MODEL
1989/1990
Chemical Vapour Deposit~on
Oleh :
Prof.Dr. Samaun Samadikun
,,~'l--ttDL~I-,:)l--to-
i ,=_.~. «
d la. laboratorium Elektronika & Kornponen
Institut Teknologi Bandung
Jetan G~r.e!;h8 10 Bandung 40132
tOl', .
..
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
sebuah perangkat yang sangat penting dalam proses pembuatan
rangkaian terintegrasi ( Ie ), yang dinamakan Chemical Vapour
Deposition (CVD).
Perangkat tersebut telah didisain dan direalisasikankan
menjadi alat yang dinamakan Atmospheric Pressure ( AP) CVD
pada Laboratorium Pemrosesan Rangkaian Terintegrasi PAU
Mikroelektronika ITB. Dengan selesainya penulisan buku model
ini maka diharapkan kita mendapat lebih banyak pengetahuan
mengenai konsep Chemical Vapour Deposition 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 dan peranan eVD
dalam pembuatan rangkaian terintegrasi. Konsep dasar kerja
eVD diteruskan dengan jenis-jenis reaktor eVD. Pada bab ini
juga dijelaskan aplikasi-aplikasi eVD pada pembuatan
rangkaian terintegrasi dan bab ini di akhiri dengan
penjelasan bahan-bahan kimia yang berbahaya serta penanganan
penanganan yang harus dilakukan. Pada dasarnya bab ini
merupakan pendahuluan untuk menuju pada pembahasan pada eVD
yang dikembangkan di PAU-ME ITB yang dijelaskan pada bab-bab
selanjutnya.
ii
dapat
hasil
merujuk
pemanassingkat
dengan
Pada Bab II dibahas mengenai teori
induksi yaitu salah satu cara pemanasan CVD
pada literatur-literatur.
Dan pada Bab III dibahas mengenai rancangan dasar
inverter transistor setengah jembatan tipesumber arus. yaitu
meliputi : konfigurasi rangkaian dasar. prinsip kerja dan
analisa rangkaian. Pada analisa rangkaian digunakan
transformasi Laplace dan diasumsikan transistor bekerja
sebagai saklar ideal.
Pada Bab IV dijelaskan rangkaian dasar menjadi sistem
rangkaian secara keseluruhan yang akan direalisasikan. Pada
bab ini juga dibahas komponen-komponen yang akan digunakan
dalam merealisasikan rangkaian serta beberapa komponen
tambahan yang diperlukan karena ketidak idealan kerja
transistor dalam praktek.
Pada Bab V dijelaskan perhitungan-perhitungan menentukan
harga komponen yang akan digunakan untuk merealisasikan
rangkaian dan cara pengorasian alat yang 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 kesimpulan-kesimpulan yang
diambil sehubungan dengan pembahasan. pembuatan dan
pengujian alat yang telah dilakukan serta saran-saran.
Terima kasih kepada saudara Ifransyah. Ojahan Hutajulu.
Isa Puncuna dan J. Purwosugiarto yang telah banyak membantu
dalam penulisan buku ini.
Terima kasih juga untuk seluruh staf dan karyawan PAU
Mikroelektronika ITB serta seluruh staf dan karyawan
Laboratorium Elektronika dan Komponen Jurusan Teknik Elektro
ITB yang telah banyak berpartisipasi dalam penulisan buku
ini.
Perbaikan dan pengembangan lebih lanjut dari model ini
tentu saja sangat diharapkan dalam rangka pengembangan
penelitian pada PAU ME ITB umumnya dan Laboratorium
Pemrosesan Rangkaian Terintegrasi khususnya. Untuk
pengembangan ini ~enulis mengharapkan kritik dan saran dari
pembaca.
Bandung. 5 Maret 1990.
Penulis.
Prof. Dr Samaun Samadikun
Ir. S. Reka Rio
Ir. Irman Idris.
DAFTAR lSI
KATA PENI3ANTAR ·........................................... ii
DAFTAR lSI ................................................ v
DAFTAR I3AMBAR ·..........................................viii
DAFTAR TABEL ·.... ................................... • xiii
BAB I I PENDAHULUAN ........ .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 1
1.1 Prinsi 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
CVD'(PECVD)
·.......................1.2.1 Metoda Pemberian Gas
1.2.2 Metoda Pengaliran Panas
7
9
.12
.13
..............
....... .. . . . . . . . . . ..........................
(LVCVD)'Low Pressure CVD'
'Plasma Enhanced
1.2.3
1.2.4
•
1.3 Aplikasi CVD
1.3.2 Silikon .......................1.3.1 Silikon Dioksida
Nitride
(Si02
)
(Si N )s ..
·................. ....•• 15
• 16
1.3.3 Polycrystalline Silikon · ...... . . • . . . • . . . . . . . . . . . 17
................. .. . . . . . . . . . . . .1.3.4 Silikon
1.3.5 Silikon
Epitaxy
Oxynitrides dan SIPOS ..................20
• 24
.251.4 Perlindungan dan Keselamatan .........................
v
........................................2.2 Konfugurasi Dasar Sistem Pemanas
2.3 Rangkaian Listrik Beban Pem~nas
2.4 Besaran Listrik Besaran Pemanas
2.1 Prinsip Dasar .26
• .26
• .31
• .29
••• 28..... .. . . ...............
Induksi
Induksi
Induksi
..........................INDUKSIPEMANASTEORIIIBAB
2.4.1 Resistansi Primer ............................. .32
2.4.2 Reaktansi Primer .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • .32
2.4.4 Reaktansi Sekunder
...........................2.4.3 Resistansi Sekunder
...... ....................33
· .33
2.5 Efisiensi Koil Pemanas ...................35
·...............2.6 Hubungan Frekuensi Dengan Efisiensi
2.7 Hubungan Frekuensi Dengan Faktor Daya
·... .. .. . . . . . . . • .35
.36
2.8 Pemilihan Frekuensi
2.9 Perbaikan Faktor Daya
·........ .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .·.. .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
• .37
• .38
2.10 Daya Yang Dibutuhkan untuk Pemanasan · .. . . . . . .. . . . . . • .41
.422.10.1 Daya Radiasi .................................2.10.2 Daya Konveksi ·.............................••• 42
2.10.3 Daya Konduksi ••••••••••••••••••••••••••••••••• 43
......... .. . . .BAB III I INVERTER TRANSISTOR SETENGAH JEMBATAN
TIPE SUMBER ARUS .44
3.1 Prinsip Dasar Inverter Tipe Sumber Arus ••••••••••••••• 44
vi
3.2 Rangkaian Dasar Inverter Transistor Setengah Jembatan
........Menghitung Arus dan Te~angan
•••• 45Tipe Sumber Arus
3.3 Analisa Rangkaian
3.3.1
.....................................................................
Tangki LC
•• 50
.50
.....................3.3.2 Menghitung Arus Searah
3.3.3 Harga Puncak Arus Koil Pemanas
3.3.4 Harga Puncak Tegangan Tangki LC
...........................
.56
• 58
••• 58
3.3.5 Arus dan Tegangan Transistor .. . . . . . . . . . . . . . . . •• 59
3.3.6 Menghitung Induktansi Ld • It •• . . .. . . . . . . . . . . . . . 60
BAB IV .. KOMPONEN-KOMPONEN RANGKAIAN INVERTER TRANSISTOR
SETENGAH JEMBATAN TIPE SUMBER ARUS ... ......-. ......• •• 63
4.1 Diagram Blok Sistem Rangkaian ... .. . .. . . . . . . . . . . . . . •• 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
4.8 Rangkaian Starter ••••••••••••••••••
4.7 Rangkaian Timing .....................................................
76
80
BAB V : PERANCANGAN DAN REALISASI RANGKAIAN ..............• 83
5.1 Spesifikasi Daya dan Frekuensi Untuk Pemanasan •••••••• 85
vii
...........................................5.3 Peranc:angan
5.5 Peranc:angan
5.6 Peranc:angan
5.2 Tangld • .87
.91
• .95
• .99
.105
...................... . . . . . . . . . . . . . . . .
..........................................................
Tegangan Searah
Induktor Searah
Inverter
Rangkaian Pac:u Basis
Sumber
LC
Peranc:angan5.4
.1075.7 Peranc:angan Rangkaian Timing ........................5.8 Peranc:angan Rangkaian Starter •• 109
5.9 Prosedur Mengoperasikan Alat •• 112
....................................
.................. . . . . . . . . . . . . . . .PENGUJIAN ALAT DAN PEMBAHASAN
6.2 Rangkaian Pengujian
6.3 Prosedur Pengujian
.118
.119
.123
•• 119
.121
•• 118
.118
...
....
............
..................
............ .. . . . . . . . . . . . . . . .
Gelombang
..................................................'. .........
Bentuk
.............
Pengujian
Pengamatan
Pengukuran
Tujuan
BAB VI
6.1
6.6 Pembahasan
6.4 Hasil
6.5 Hasil
6.6.1 Bentuk Gelombang ........................... .123
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 Penampang koil pemanas dan benda silinder
padat .......................................2, ..
"
" ..
31
Gambar 2.6 Kurva 1aktor koreksi K untuk persamaan
2-9 dan 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 untuk Persamaan 2-11. 34x
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 Jem-
batan 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 Ld •••••••••••••••• 56
Gambar 3.7 Bentuk Arus Induktor L d ••••••••••••••••••••• 61
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 keter-
lambatan proses pemadaman transistor •••••••• 69
Gambar 4.6 Rangkaian Anti Arus Mundur .............. .. . . 69
Gambar 4.7 E1ek Kapasitor Parasit Cc b pada transistor ••• 71
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 ..... 95
Gambar 5.5 Bentuk dan Ukuran Inti Induktor Searah Ld ... 98
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 1~/div ••••••••• 120
Gambar 6.4 Bentuk Gelombang Tangki LC ••••••••••••••••• 120
.. ' .
Tabel 6.1
DAFTAR TABEL
Has!l Pengukuran Hubungan Sumber Tegangan
Searah E, arus searah' masukan 2Iddan
temperatur pada benda 8 •••••••••••••••••• 119
Tabel 6.2 Perband!ngan has!l pengukuran dengan has!l
perhitungan .•...••....••.••.•.••..·•••.••..• 124
xiii
padat diatas
tetapi dengan
(reactan) yang
BAB I
PENDAHULUAN
Dalam proses pembuatan rangkaian terintegrasi lapisan
-lapisan 'silikon dioxide', 'silikon nitride', 'polysilikon'
dan lapisan 'epitaxi' dibuat dengan alat 'Chemical Vapour
Deposition' CVD.
CVD didefinisikan sebagai formasi lapisan
substrat yang tidak di'rusak' pembuatannya,
menggunakan reaksi kimia pada phase uap
mengandung bahan-bahan yangdiperlukan.
Tulisan ini dimulai dengan gambaran umumCVD yang telah
banyak digunakan, dilanjutkan dengan CVD yang dirancang di
PAU-ME ITB.
Didalam bab pertama uraikan konsep dasar reaksi 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 dan
realisasi CVD . Bab VI membahas pengujian dan bahasannya.
Diakhiri dengan bab VII kesimpulan .
1
1.1 Prinsip Dasar CVD
Dalam CVD terjadi satu atau lebih gas yang bereaksi di
permukaan untuk membentuk sua t u- lapisan. Lapisan yang
diinginkan memiliki ketebalan dan komposisi yang
'uniform'(merata) dan memiliki struktur serta kemurnian yang
dapat diprediksi. Sehingga cara bereaksi, bahan-bahan dan
perlindungan terhadap kontaminasi memerlukan penangannan yang
baik pada CVD.
Proses pembentukan lapisan dapat digambarkan sebagai
berikut:
Subscoucnt;urface re~cljons
Film-Ionningreaction
o{..;
'I!)c·~(.rp:i()n
> 0 00 () -----+- orQ2:Q."'.Q:'.;.... -'-~~_______J
Dijfu,jnn oft cact a rux to ~lIrf<irr
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 molekul-molekul
reaktan didifusikan ke permukaan substrat, kemudian diserap
oleh permukaan substrat lalu terjadi reaksi. Selanjutnya
diikuti oleh serangkaian reaksi kimia yang membentuk Iapisan
dan akhirnya gas hasil produksi terpisah meninggalkan
substrat.
2
1.1.2 Perjalanan Reactan di Permukaan Substrat
Perjalanan aliran suatu reactan dapat diturunkan dari
perjalanan aliran fluida diatas permukaan substrat,
digambarkan sebagai berikut:
••
• )
)
)
)
)
(Gambar 1.2 Aliran fluida diatas permukaan padat)
Pada permukaan substrat akan terjadi gaya yang menarik
aliran fluida sehingga mempengaruhi kecepatan aliran. Jika
dilihat dengan hukum Newton tentang aliran viskositas dapat
dituliskan sebagai berikut:
F = dvdz (1-1)
~ adalah viskositas fluida, v adalah kecepatan aliran dan z
adalah jarak dari permukaan substrat. Dari persamaan tersebut
terlihat agar gaya yang tak terhingga dapat dicegah maka
kecepatan pada permukaan haruslah" nol, dan
3
membesar
terhadap jarak .
Pada suatu ketinggian tertentu kecepatan aliran mencapai
99% dari v Tinggi dari substrat sampai ke ketinggian
tersebut didefinisikan sebagai 'boundary layer'.
Ada beberapa hukum aliran fluida tanpa dimensi yang
dapat digunakan untuk menggambarkan tingkah lakunya. Salah
satu besaran yang digunakan adalah besaran reynold (Re)
Re = d v p(1-2)
p adalah kerapatan fluida
misalnya diameter tabung.
d lebar dari aliran system
Ketebalan 'boundary layer' jika dihubungkan
besaran reynold
dengan
6 =l
(1-3)
l adalah jarak dari batas awal permukaan substrat.
Aliran reactan / fluida memiliki flux j
j D= -6-- (No - No) (1-4)
D adalah 'diffusivity' dari reactan bentuk gas. Sedangkan No
dan No masing-masing adalah konsentrasi reactan pada
'boundary layer' bagian atas dan bagian bawah/permukaan
substrat.
4
Penurunan rumus diatas diasumsikan alirannya 'laminar'.
Jika terjadi 'turbulace' maka akan mempengaruhi 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
pemakaian 6 diambil harga efektifnya.
1.1.2 Reaksi pada Permukaan Substrat
seringkali
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 (1-5)
Rs adalah kecepatan reaksi permukaan, nilai Rs didapatkan
dari
Rs = R' exp (1-6)
EA adalah energi aktivasi, ~ adalah konstanta Boltzman, T
adalah temperatur dan R' adalah konstantapada suatu reaksi
dan konsentrasi reaktan tertentu.
Kecepatan reaksi CVD dapat ditentukan dengan flux dari
(1-4) & (1-5)
j =
5
D No RsD + 6 Rs
(1-7)
Biasanya lebih menarik jika yang dilihat adalah
kecepatan tumbuh Ro yaitu ketebalan lapisan persatuan
waktu.
volume
Ro = j/r r adalah jumlah atom persatuan
Ro =
Pada temperatur tinggi
Ro ~
D No Rsr (D + 6Rs)
6.Rs » D
D Nor 6
(1-8)
terjadi kondisi
kecepatan tumbuh lapisan ditantukan oleh ketebalan, 'boundary
layer' dan diffusivity . Pada temperatur rendah D » 6 Rs
ter jad i
Ro ~No Rs
r
Pada kondisi ini 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 ini temperatur naik
menyebabkan kecepatan reaksi melampaui kecepatan datangnya
reactan yang disuplai ke permukaan substrata Pada temperatur
rendah kecepatan reactan yang sampai melebihi kecepatan
reactan dikonsumsi oleh reaksi permukaan. Daerah ini disebut
, Surface reaction rate limited', p engon t r o.Lan temperatur
harus dilakukan dengan baik pada daerah ini.
1.2 Jenis reactor CVD
Suatu reactor mempunyai dua kegunaan utama yaitu untuk
mendapatkan suplai gas reactan yang uniform ke permukaan
substrat dan untuk mendapatkan energi (biasanya panas) untuk
mengimbangi energi aktivasi agar dapatbereaksi dan terjadi
proses. Jenis CVD dapat dilihat dari beberapa segi seperti
sistem pengaliran gasnya, sistem pemberian panasnya tekanan
yang digunakan dan pemakaian plasma.
1.2.1 Metoda pemberian gas
Dilihat dari mode mengalirnya gas, pada prinsipnya ada
dua bentuk geometris CVD. Pertama dan yang paling sederhana
reactor horizontal seperti pada gambar berikut:
7
To exhaust)
(Gambar 1.4 Reactor horizontal)
Bentuk ini mirip dengan tabung 'Diffusion Furnance'
dengan pengaliran gas seperti ini ada kemungkinan gas
menglir langsung diatas substrat/ suseptor, sehingga timbul
daerah kosong persis di permukaan substrat, hal ini
menyebabkan tidak 'uniform'. Untuk mengatasinya biasanya
dengan memiringkan suseptor·seperti pada gambar 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:
9Fc:::::\\~
Gas ---f tinlet
To exhaust
(Gambar 1.5 Reactor vertikal)
8
Gas disuplai dari tengah-tengah dan akan mengalir
kebawah mengenai substrat. Susseptor yang menjaga substrat
biasanya dapat diputar pelan agar aliran gas yang mengenai
permukaan substrat lebih 'uniform'. Panjang rute aliran gas
pada model ini lebih pendek dan faktor pengosongan gas
menjadi kurang. Kelemahannya model
kompleks.
1.2.2 Metoda pengaliran panas
seperti ini lebih
Jika dilihat dari metoda pengaliran panas dapat dibagi
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 dibandingkan dengan energi aktivasi
reaotannya. Atau reaksi tersebut melepaskan energi.
Pada prinsipnya semua reaksi kimia 'reversible'. Agar
lebih jelas • untuk reaksi 'exothermio'. pada temperatur yang
tinggi 'forward reaotion' dikalahkan oleh 'reverse reaoton'
keoepatan reaksinya. 'forward reaotion' adalah arah reaksi
kearah produk yang diinginkan. Sedangkan reverse reaotion'
adalah arah reaksi ke arah yang tidak di inginkan. Jika
digambarkan sebagai berikut:
1':; reaction rate
In k
If T )~ T
(Gambar 1.6 Keoepatan reaksi untuk reaksi exothermik)
Dengan dinding reaotor yang lebih panas maka reaksi
10
'exothermik dapat berlangsung pada suhu tinggi.
Untuk jenis 'Cold wall reactor' dapat
sebagai berikut:
digambarkan
(Gambar 1.7 Cold wall reactor vertikal)
Pada sistem ini bagian substrat menjadi lebih panas
dibanding dinding yang melingkarinya. Reactor ini berguna
pada reaksi-reaksi yang 'endothermic'. Reaksi 'endothermic'
adalah reaksi dimana produk reaksinya mempunyai energi
aktivasi yang lebih rendah atau reaksi tersebut menyerap
energi. Sifat reaksi ini jika dilihat grafiknya terhadap
temperatur adalah sebagai berikut:
11
In k
II T )-
-0( T(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 terpenting dalam pembentukan lapisan. Agar
ketebalan 'boundary layer' menjadi lebih tipis dapat
dilakukan dengan menurunkan tekanan pada reactor. Reactor
dengan tekanan yang rendah disingkat dengan LVCVD.
Dengan melihat persamaan (1-2) dan (1-3). flux gas
berbanding terbalik dengan ketebalan 'boundary layer' dan
berbanding lurus dengan difusivity D. Difusivity berbanding
12
dan
makin
tekanan
layer'
terbalik dengan tekanan Dengan menurunkan
kecepatan aliran gas dinaikan maka 'bounday
tipis dan ketebalan lapisan meningkat.
LPCVD memiliki beberapa keuntungan, diantaranya aliran
gas dapat lebih 'uniform' dan jumlah substrat yang dapat
diproses bersamaan dapat lebih banyak sehingga produktivitas
tinggi.
1.2.4 "Plasma Enhanced CVO"
Reaksi CVD berlangsung pada temperatur yang tinggi untuk
mengatasi energi aktivasi reactan. Temperatur tinggi ini
dapat merusak substrat, khususnya bagian-bagian metal.
Sehingga akan lebih baik jika energi yang disuplai pada
reactan lebih selektif hal ini dapat dilakukan dengan
menggunakan plasma.
Metoda yang efisien untuk memecahkan molekul-molekul gas
menjadi lebih reaktif adalah dengan rf plasma.
Dengan plasma maka reactan akan lebih reaktif dan dapat
bereaksi pada temperatur yang lebih rendah. Plasma dapat
timbul pada tekanan yang lebih rendah dari tekanan atmosfir.
Plasma Enhanced CVD dapat digambarkan sebagai berikut:
13
Groundedheated
suscepior
J,To pump
II
1-Gasjinlet
(Gambar 1.9 Plasma enhanced CVD reaktor)
Beberapa karakteristik dan
adalah sebagai berikut:
aplikasi dari reaktor CVD
PROCESS ADVAND\GES DJ5i' nVj\l-,fT'Y-;[-, M'PLlCAT1£lli.$
APCVD Simple Reactor, Poor Step Coverage, Low Temperature
(Low Temperature) Fast Deposition, Panicle Contamination Oxides, both doped
Low Temperature and undopcd
LPCVD Excellent Purity and High Temperature IIigh Temperature
Unifonnity, Conformal Low Deposition Rate Oxides, both doped andStep Coverage, undopcd, Silicon Nitride,
Large Wafer Capacity Poly-Si. W, WSi2
rscvn Low Temperature. Chemical (e.g. H2) and Low Temperature
Fast Deposition, . Particulate Insulators over Metals,
Good Step Coverage Contamination Passivation (Nitride)
(Gambar 1.10 Karakteristik dan Aplikasi Reaktor CVD)
14
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 ini akan di uraikan aplikasi CVD pada
pembentukan lapisan-Iapisan silikon dioksida, silikon
nitride, polycrystalline silikon dan lapisan epitaksi.
1.3.1 Silikon Dioksida (SiO )z
Diatas suatu substrat silikon dapat ditumbuhkan silikon
dioksida (Si02
) secara langsung di oksidasi,tetapi jika di
permukaan substrat ada lapisan metal ata~ ada lapisan lain,
SiOz tidak dapat ditumbuhkan dengan dioksidasi. Dalam hal ini
oksidasi CVD dapat mengatasinya.
Lapisan tipis SiOz kadang-kadang disebut sebagai vapox,
pyrox atau silox.
Campuran silikon yang dapat dioksidasi adlah SiCI4, SiBr4
SiHzClz dan TEOS (Si(OCzH5 ) 4 ) dan sebagai oxidatornya
dapat digunakan 0z' NO, N 0 atau CO dengan hidrogen.z z .
Reaksi dasar yang terjadi adalah dengan mengoksidasi
silane S ' H1. 4 + + 2Hz
Reaksi ini bekerja pada temperatur 400-500 °cenergi aktivasinya 0,4 eV.
15
dengan
CVd silikon dioxide sering kali di 'doped' dengan gas
menghasilkanlain sebagai contoh ditambah diboran (BzHcs)
campuran yang disebut 'Borosilikate glass' (BSG) jika
'Phosphosilikatemenghasilkanditambahkan Phosphine (PH g )
glass' (PSG).
PSG atau pyroglass adalah lapisan yang banyak digunakan
khususnya sebagai isolator antara lapisan-lapisan 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 ('mask')
untuk proses oksidasi yang selektif .juga digunakan sebagai
dielektrik.
Reaksi yang digunakan adalah gas campuran silikon dengan
amonia (NHg
) contoh reaksi berbagai macam gas pembentuk
silion nitride :
3 SiH4 + 4 NH g SigN 4
+ 12 Hz
3 SiC14
+ 4 NH g SigN 4+ 12 HCl
3 SiHzCl z + 4 NH4
SigN 4+ 6HCL + 6Hz
Energi aktivasinya sekitar 1.8 eV dengan temperatur reaksi
masing-masing 700-900 °C. 850 °c dan 650-750 °C.
16
· ,
1.3.3 Polycrys~allineSilikon
Polycrystalline Silikon (polysilikon atau poly) dapat
membentuk lapisan dengan resistivitas yang rendah
merupakan konduktor yang berguna. Lapisan ini seringkali
digunakan sebagai gate pada MOS transistor, resistor atau
sebagai penghubung antara lapisan metal dengan substrat
sehingga terbentuk sambungan yang bersifat 'ohmic contack'.
Pada penggunaan gate MOS transistor lapisan ini bermanfaat
pada proses 'self alignment' dan mempunyai
gate yang rendah.
kapasitansi
Polysilikon didapat dengan diendapkan (diuraikan dalam
panas) bahan silane:
SOH1 4 Si
temperatur kerjanya 600-650 °c dengan energi aktivasi 1,7 eV
Polysilikon biasanya di'doping' dengan hydride yang
lain yaitu phosphine, arsene atau diborone. Untuk dopant
type-p akan meningkatkan kecepatan pengendapan sedangkan
type-n sebaliknya.
Pemberian 'dopant' mempengaruhi/meningkatkan
resistivitas dibandingkan terhadap resistivitas silikon
murni. Tetapi dengan 'dopant' yang tinggi selali
polysilikon resistansinya praktis sama.
17
pada
RESISTIVITY OF PHOSPHORUS-DOPEDPOL 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
(a)
DOPANT SEGREGATION
. ~ . " · · ~. . .' . ·· · ·,~ · '.,~: '_to." · .': .. ; , · , ,I""'Q~':~ ·,· , · " . ·I. · · :- · ,....'. ·· ·., · · · · '., : . . " · · .~ ·.. ·. .... .. ~': :1,- : ·.., ·'.0 · , . :. · · 0 ··.· · .· " · · · .. ·. , · "I '0 · 0
·: · . 0 ..~ ..
'" ~., .. · · ......-, '. ·.' '. .' ~:
; .': . '. · · · .. ;, ·'. ·
(b)
CARRIER TRAPftNG
· . · ., ·· ·· · · 00 .' .'· · '.., .· · '0 00 · ··.· · .' . · . .. ,· ··· ,, · · .· · · ,
.' · ·· I '. ·· · · , :~
· , , .. · · · ·· ·. . , · · ·· . · · ·, · · .. . ·I · · I' · · · .. ·, · .. · .· ·· ..0 · . · ,
: · . . · · · ·,
.' · , · · '. · , ·" . , · ·· . · :· . , ·· ." ; "
. · ....· · • , , · · , .. ·· . . · 0. · · .. ~ , ·. . · .. · .. r ·. · ·
--4---'---f-- Ec
(e) -- --~ --- --Et (d)
--t---f---t-- E" E"
(Gambar 1,13 Dopant segregation & carrier trapping)
Teknik doping untuk polysilikon ada tiga cara yaitu
Diffusi, Ion implantation dan In Situ, Doping menggunakan
diffusi dilakukan pada temperatur relatif tinggi (900-1000 °C)
Keuntungan model ini adalah dapat diberikan konsentrasi
dopant yang sangat tinggi kedalam lapisan sehingga
menghasilkan resistivitas yang rendah, Kerugian doping dengan
teknik diffusi adalah bekerja pada temperatur tinggi dan
meningkatkan kemungkinan rusaknya permukaan lapisan.
Dengan metoda implantasi ion memberikan keuntungan
kontrol yang presisi terhadap dosis dari dopant, hal ini
berguna pada pembuatan harga resistor, dalam pembuatan statik
memory atau dalam mempelajari tentang doping,
19
lapisan-lapisan amorphous dan crystalline
krisatal berukuran ~m atau lebih.
dirubah ke
diffusiori atau
unutk membentuk
1.3.4 S11ikon Epitaxy
Epitaksi silikon digunakan untuk membuat suatu endapan
yang uniform. suatu lapisan dengan doping rendah diatas
substrat dengan doping yan gtinggi atau diatas substrat yang
memiliki bagian yang dopingnya tinggi.
Teknik yang sederhana (misal 'impurity
ion implatation') hanya dapat digunakan
lapisan dengan doping tinggi diatas substrat yang dopingnya
rendah.
20
'.
Ketebalan lapisan epitaksi memiliki range lebih keeil 1
~m (untuk IC yang baik) sampai dengan lebih besar 25 ~m
(untuk devais tegangan tinggi). Epitaksi ini tidak hanya
digunakan untuk IC bipolar tetapi juga IC-IC NMOS dan CMOS
digunakan untuk memperkeeil radiasi parasitik dan efek
kapasitansi.
Sebelum dimulai proses CVD permukaan silikon dieteh
dengan gas HCL agar didapat permukaan yang bersih. 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. Caeat yang terjadi akan mengikuti orientasi
kristalnya . Untuk orientasi kristal {lll} eaeat pada lapisan
epitaksi akan timbul bentuk pyramid atautripyramid. Hal ini
sangat mengganggu pada saat fotolithografi yaitu kontak
masker tidak akan sempurna.
Bentuk eaeat sebagai berikut:
21
(Gambar 1.14 Cacat permukaan )
Bahan yang banyak digunakan 5ilikon Tetracloride (5iC14
)
dengan reaksi
5i C14
+ 5i + HCl
reaksi ini reversibel HCl dapat mengetch 5i dan jika
substratnya doping tinggi menyebabkan ada atom-atom doping
yang berpindah tempat sifat ini dikenal dengan nama 'auto
doping'
OXide~
w~. ~9z.
L'it~~~J" ;~~;;.
Substrate
Heavily n-doped p-dopedby diffusion
22
p-dopedOriginalsubstratesurface
Dopant fromreactant gas
stream~~ " .:.:. ;~:_.: 7!-~.. - ". ,:,".. ~-'.~
~, ,:::-:f:::::::~~(;;~
Boundarylaver
Autodopedepitaxial layer
(Gambar 1.15 Proses 'autodoping' pd. proses epitaksi)
Gas-gas yang biasa dipergunakan sebagai ,dopant'
Diborane (B2Hcs ) ' Phosphine (PHs) dan Arsene ( AsHg ) .
reaktan silane dopant 0.1% dari carriernya menjadikan
Untuk
Si type-N resistivitasnya 1 ohm-em, konsentrasi gas
'dopant "nva
silikon.
5. 10 15/Cm9atau 1 dopant untuk
?10 atom
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 SiC14
agar tidak timbul HCL
23
3. Gunakan pengendapan (deposition) dua lapis.
1.3.5 Silikon Oxyndtrides dan SIPOS
Material-material yang mirip karakteristik diantara
nitrides dan oxygen adalah material silikon oxynitrides
Material ini dibentuk dari reaksi SiH. dengan
Sifat-sifat yang dapat dibentuk oleh material
[SiD N (H )].x y z
N 0 dan NH .. 2 S
ini adalah untuk menyempurnakan stabilitas temperatur,
tegangan (stress) bahan rendah dan tahan retak.
Penggunaan gas helium sebagai'.
pembawa meningkatkan
ke'merataan'(uniformity) indeks bias lapisan. Silikon
oxynitrides juga memberikan sifat yang baik untuk penggunaan
isolator diatara Al konduktor.
Silikon yang kaya lapisan-Iapisan oxide (atau dikatakan
juga semi isolating polycrystalline silikon I SIPOS) dapat
dibuat dalam reactor-reactor AVCVD, LPCVD dan PECVD. bahan
ini membentuk emiter menjadi bipolar transistor memiliki gain
yang super, bahan ini juga digunakan sebagai injector dalam
electrically-erasable-read-only-memory (EEPROM). Komposisi
kimia SIPOS adalah SiD dimana x memiliki harga antara 0,48x
sampai kurang dari 2, Macam-macam lapisan dapat dibentuk
dengan menjaga perbandingan 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
-gas hYdrides phosphine. arsenin dan diborane
gas-gas beracun dan juga mudah terbakar.
kesemuanya
Silane adalah gas beracun, mudah terbakar dan dapat
meledak • ia akan terbakar spontan di udara. (Karena 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 digunakan sebagai gas pembawa.
adalah sangat mudah terbakar dan membentuk campuran yang
dapat .meledak. Hydrogen ketika panas dan kontak dengan
oksigen dapat meledak. Suatu proses yang mengikutkan serta
hydrogen pada temperatur kerja yang tinggi adalah sangat
berbahaya. Semua system harus tanpa kebocoran dan sistem
penanganan gas harus tanpa cacat.
Pompa vakum dapat mengumpulkan racun dan
material-material yang merusak dan penanganan khusus harus
dilakukan saat pembersihan dan penggantian olio
25
BASIl
TEORI PEMANAS INDUKSI
2.1 Prinsip Dasar
Menurut hukum induksi Faraday, bahwa induksi medan
maknit yangberubah - ubah pada suatu benda pada hakekatnya
akan menimbulkan gaya gerak listrik (GGL) induksi
GGL =d~
- (2-1)dt
Bila benda tersebut bersifat konduktor listrik, maka pada
benda tersebut akan mengalir ars yang disebut arus induksi.
Karena bahan konduktor mempunyai resistansi, maka selanjutnya
aLi 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 Faraday, bila frekuensi
perubahan medan maknit makin tinggi~ maka ggl induksi akan
bertambah besar. Oleh sebab itu pemanas induksi 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 sifat efek
kulit, yaitu arus induksi akan berkonsentrasi pada permukaan
26
benda. Jarak dari permukaan dimana arus induksi menyusut
menjadi l/e atau 37 % dari rapat arus permukaan disebut tebal
kulit ': [1]
6 = 5030J ~f. [em] : (2-2)
dengan 6 = tebal kulit [em]
p = resistivitas bahan [ohm em]
~ = permeabilitasrelatif
f = frekuensi [Hz]
Selain arus induksi. sifat histeresis bahan maknetik
juga dapat menimbulkan pemanasan. Akan tetapi. karena adanya
efek kulit pada frekuensi tinggi sehingga penetrasi medan
maknit yang menembus benda menjadi terbatas. Maka. pemanasan
akibat histeresis biasanya eukup keeil bila dibandingkan
dengan pemanasan oleh arus induksi dan dapat diabaikan.
."t~ t - )1
0, '7
,JAI>.t<K
Gambar 2.1 Distribusi rapat arus induksi
27
2.2 Konf'igurasi Dasar Sis'lem Pemanas InduJcsi
Konfigurasi dasar sistem pemanas induksi terdiri atas
dua bagian utama seperti diperliha~kan pada gambar 2.2.
BEBANSUMBER
II
....------~·~rf--------t-
Gambar 2.2 Konfigurasi dasar sistem pemanas induksi
- Bagian sumber. yaitu generator G yang merupakan generator
arus listrikfrekuensi tinggi sebagai sumber daya/ energi
listrik.
- Bagian beban; yang terdiri atas sebuah induktor yang
berfungsi mengubah energi listrik dari generator menjadi
energidalam bentuk medan magnit untuk menginduksi benda
sehingga terjadi proses pemanasan.
28
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
I p Rp I sI p ~ 4
tIII
iVp Vp Xs Rs
III
II
..( a ) (b)
Gambar 2.3 Beban pemanas induksi
(a) Simbol
(b) Rangkaian ekivalen
Berdasarkan gambar 2.3(b) diperoleh persamaan rangkaian
= I p (Rp + j X5) - j wMIs' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 - 3 )
29
o = I (R + jX ) - jwMI (2-4)s . ssp
Substitusi persamaan (2-4) pada persamaan (2-3) diperoleh
=
dengan
I [R + (WM)2 + j{X + - (ZwM)2XS}] (2-5)
p p Zs p s
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
Xs' = (~:)2 Xs (2-7)
Rs' dan Xs'merupakan resistansi dan reaktansi dari benda
kerja yang direfleksikan pada sisi primer.
Berdasarkan pada persamaan (2-5), rangkaian ekivalen
sederhana diperlihatkan pada gambar 2.4.
30
Ldengan
L = L Ls,
R PR = R Rp
,p
Gambar 2.4 Rangkaian ekivalen sederhana
2.4 Besaran Listrik Beban Pemanas Induksi
Beban kistrik rangkaian ekivalen beban pemanas induksi
dapatditentukan dari besaran fisisnya. Beberapa persamaan
untuk menghitung besaran listrik rangkaian ekivalen beban
pemanas induksi dengan benda berbentuk silinder padat
diringkas dibawah ini1?Bentuk silinder padat dipilih sebagai
bentuk dasar karena analisa matematisnya paling sederhana.
a = jari
b = jari
jari benda
jari koil
6 = tebal kulit
Gambar 2.5 Penampang koil pemanas dan benda silinder padat
31
2.4.1 Resistansi Primer
Resistansi ae dari sebuah koil lapis tunggal berbentuk
solenoid dari bahan tembaga adalah
Rp = l,~l~ N2
b x 10-6 ohm (2-8)
dengan f = frekuensi
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 -910 [K] (2-9)
dengan K = faktor koreksi pada gambar 2.6
32
2 ••• 3 Resistansi Sekunder
Resistansi ae dari benda yang direfleksikan pada sisi
primer adalah :
2R ' = 2npN (b) (Fr)(Y)
s 1
.0 (2-10)
..
dengan p = resistivitas bahan (ohm em)
b = indeks ratio- 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 :
x '=s-9---- x 10 x (F )( K )( Y) [ 0 hm] (2 -11 )
)C )C
dengan 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
koreksi K untuk persamaan
Gambar 2.6 Kurva faktor
(2-9) dan (2-11)
1':'-~ - - 1- - _. _. .-
i'-. - .- ..- .- _. ..- 1-~
l"- - -. .- .. ... -1""-r'
. ... - r--. ... .. ...
7 _. - -- ........l"-i' ...
. - - -. .- ... t......r--- -........
10
ot>o o.z 0.. on o e 10 IZ 1.4
COIL OI"MI. II. HCOIL-lEi,i;-TH"
nv
koreksi (Fr) untuk persamaan
t-+--t---~_.•.l-._---1-+--+--+--+-1... +- j .- -- -+--+--+~. ,-- •.-
Gambar
(2-10)
2.7 Kurva faktor
.)0
) . ~ ,'IifOCI 11I""0
faktorKurva2.8Gambar
koreksi .(Y) untuk persamaan
(2-10) dan (2-11)'"6 6 10 '2INOE. ""'10
..2
-t= .- -i-·- -- -f- I --
~f-.- IT ~- - .. ., - -
Ir.:' j I-II r-t- .- . · .
JJ.J~~ - .. - - t-- - .. .• · .
0.1
O.
oe
~
06
•
faktorKurva2.9Gambar
koreksi (Fx) untuk persamaan
(2.1)
• J • • , , •
'11II0(_ 'Ullt'
i-I-I--~ --1.0.....
V,;'
V
VJ
II~~
-
• .~-;~,
'0
'0
. ' 0
.'0
.• 0
.10
• 00
'.
34
Rangkaian ekivalen adalah
Resistansi R = (R + R ' ) ohmp II
Reaktansi X = (Xp + x ' ) ohms
Impedansi Z = I (R2 X2 ) ohm+
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(%) =R '
sR '+ Rs p
dengan Rs,
= resistansi benda yang direfleksikan pada koil.. pemanas
Rp = resistansi koil sendiri
2.6 Hubungan Frekuensi dengan Efisiensi
Resistansi sekunder yang direfleksikan pada sisi primer
R ' berdasarkan persamaan (2-10) adalah berbanding luruss
terhadap perkalian faktor :
35
Sedangkan resistansi primer Rpberdasarkan persamaan (2-8)
adalah berbanding lurus terhadap yf :
Bila frekuensi dibuat variabel dan berubah dari
frekuensi rendah ke frekuensi tinggi, maka harga Rs'akan
bertambah lebih besar dibandingkan dengan pertambahan harga
Rpkarena perkalian faktor (Fr)(Y) ( lih,t kurva pada gambar
2.7 dan 2.8). Ini berarti efisiensi koil pemanas akan
bertambah tinggi, dimana efek kulit mulai 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
R 'maupun R sama - sama berbanding lurus terhadap Yf. Jadis . p
pada frekuensi yang terlalu tinggi, efisiensi koil akan
menuju pada harga yang konstan.
2.7 Hubungan Frekuensi dengan Faktor Daya
Daya nyata yang diserap olehbenda ditentukan oleh
efisiensi koil pemanas dan faktor daya pada rangkaian beban
pemanas induksi. Faktor daya atau cos p dari rangkaian
beban pemanas induksi didefinisikan sebagai perbandingan
36
antara daya nyata yang dikonsumsi oleh komponen resist if
dengan volt ampere pada rangkaian :
12R Rcos p = = ........................... (2-13)
V I Z
Betdasarkan pada pembahasan pasal 2.6 bahwa harga R 's
berbanding lurus terhadap perkalian faktor ~f(Fr)(Y) pada
frekuensi rendah dan akan berbanding lurus terhadap ~f pada
frekuensi terlalu tinggi. Sedangkan harga impedansi Z yang
bersifat induktif akan bertambah be~ar berbanding lurus
terhadap f. Sehingga bila frekuensi terus dipertinggi. faktor
daya rangkaian beban pemanas induksi akan berkurang. Ini
berarti untuk menghasilkan daya nyata (watt) yang sama pada
frekuensi makin tinggi dibutuhkan daya semu (volt ampere)
yang makin besar pula.
2.8 Pemilihan Frekuensi
Berdasarkan pada pembahasan pasal 2.6 dan 2.7 terlihat
bahwa penggunaan frekuensi tinggi dalam pemanas induksi
adalah untuk memperbesar resistansi benda yang direfleksikan
pada koil pemanas agar efisiensi transfer daya!energi dari
koil pemanas ke benda!dapat diperbesar. Akan tetapi. pada
37
frekuensi yang terlalu tinggi, efisiensi koil akan menuju
pada harga konstan dan faktor daya akan berkurang.
Berdasarkan dua hal tersebut, maka frekuensi optimum yang
baik digunakan untuk pemanas induksi adalah frekuensi yang
memberikan efisiensi terbesar dan faktor daya terbesar. Hal
ini terjadi pada frekuensi yang memberikan indeks ratio A =2,5. 1 )
a~Dengan memasukkan harga indeks ratio A = --6--= 2,5 pada
persamaan (2-2) diperoleh frekuensi optimum untuk benda
berbentuk silinder padat adalah :
f= x 106 (2-14)
..
dengan t = tebal benda (em)
2.9 Perbal~n 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. Untuk memperbaiki faktor daya yang rendah dari
koil pemanas, maka pada koil pemanas dapat dipasang sebuah
kapasitor paralel seperti diperlihatkan pada gambar 2.10.
38
c.
L
R
Gambar 2.10 Rangkaian kapasitor kompensasl paralel
Fungsi kapasitor paralel tersebut adalah untuk mengkompensasi
arus induktif dari koil pemanas. Dengan memilih harga
kapasitor yang sesuai, faktor daya cos p rangkaian beban
pemanas induksi dapat dibuat berharga sama dengan satu,
sehingga arus dari generator dapat 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 = 1, bagian imajiner
39
harus sama dengan nol, atau
X X 2c L = 0
diperoleh frekuensi pada cos ~ = 1 atau frekuensi resonansi
R_(_ )2
L""""""""".""", (2-15)
Substitusi hargawopada persamaan (2-14) diperoleh impedansi
tangki pada frekuensi resonansi adalah :
1= (2-16)
C R
danarus dari generator adalah
vI (w ) =
9 0
VCR= -r- """'" ,.""""."",.",."" ,(2-17)
Persamaan (2-17) menunjukkan bahwa bila harga resistansi R
diperbesar maka arus dari generator akan bertambah besar,
Hal ini adalah berlawanan dengan sifat rangkaian tanpa
dikompensasi dengan kapasitor paralel,
40
2.10 Daya Yang Dibutuhkan Untuk Pemanasan
Pemanas induksi membutuhkan sejumlah daya/energi untuk
menaikkan temperatur benda kerja. Daya yang dibutuhkan untuk
menaikkan temperatur benda bermassa H, panas jenis C sehingga
temperaturnya naik sebesar be dalam selang waktu bt adalah :
Pm = 4.17 x H x C x ~~ [W) (2-18)
dimana H = massa [gr)
C = panas jenis [kal/gr °C)
be= kenaikan temperatur [DC)
.1
bt= selang waktu pemanasan [detik)
Apabila temperaturbenda menjadi lebih 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 menerus
dan temperatur akhir pada benda akan stabil(konstan), bila
daya yang diberikan pada benda sama dengan daya
dilepaskannya :
yang
Ps = + +
41
P kd ( e ) ( 2-19 )
dengan Ps =daya sisi sekunder atau daya panas pada
benda karena induksi medan magnet.
Pr(8) = daya radiasi pada temperatur akhir 8
Pkv(8) = daya konfeksi pada temperatur akhir 8
Pkd(8) = daya kondusi pada temperatur akhir 8
2.10.1 Daya Radiasi
Radiasi adalah pancaran energi dari benda panas. Daya
radiasi yang dipancarkan oleh bend a menurut rumus stefan
Boltzman adalah :
dengan Pr = daya radiasi [W]
e = koefisien radiasi.A = luas permukaan [cm 2 ]
8 = temperatur benda kerja [OK]
8 = temperatur sekitar [OK]0
2.10.2 Daya Konveksi
Konveksi adalah rambatan panas yang terjadi karena
aliran/ perpindahan partikel yang menyentuh benda panas.
Daya konveksi secar empiris dinyatakan:
Pkv
= 1,6 x 10-4 x A x (A8)1,S3 [W] (2-21)
42
dengan =
=
daya konveksi [W]
luas permukaan [cm2]
~$ = beda temperatur rOC]
2.10.3 Daya Konduksi
Konduksi adalah rambatan panas yang terjadi pada benda
yang saling bersentuhan.
dinyatakan :
Daya konduksi secar empiris
= 4 x ~$ x J kxcxs~t
[W] .• '. . • • . . . . . • . • . ( 2- 22 )
dengan Pkd = daya konduksi [W]
~e = beda temperatur rOC]
k = koefisien konduksi bahan [W/cm °C]
. c = panas jenis [kal/gr °C].s = berat jenis [gr/cm3]
~t = selang waktu [detik]
43
BAB III
INVERTER TRANSISTOR SETENGAH JEMBATAN
TIPE SUMBER ARUS
3.1 Prinsip Dasar Inver~er Tipe Sumber Arus
Pada dasarnya, generator arus listrik frekuensi tinggi
untuk pemanas induksi merupakan suatu alat yang berfungsi
mengubah energi listrik frekuensi rendah dari jala jala
menjadi energi listrik frekuensi tinggi. Sistem konversi
frekuensi energi listrik ini dapat"dilakukan dengan sisten ae
- de. sedangkan inverter merupakan alat pengubah de - ae.
Berkaitan dengan karakteristik rangkaian beban pemanas
induksi yang berbentuk tangki 1C paralel. inverter tipe
sumber tegangan dengan bentuk gelombang non sinusoidal. tidak
dapat dihubungkan langsung dengan rangkaian tangki 1e
tersebut. Sebab arus masukan yang sangat besar dari sumber
tegangan akan mengalir melalui inverter karen a mengisi
kapasitor tangki. Untuk itu digunakan rangkaian inveter
dengan masukan berupa sumber arus yang disebut inverter tipe
sumber arus. Prinsip dasar inverter tipe sumber arus
diperlihatkan pada gambar 3.1. Arus searah masukan yang
konstan dari sumber arus diarahkan oleh inverter menjadi arus
bolak - balik frekuensi tinggi ke rangkaian beban yang
berbentuk tangki 1C paralel.
44
SUMBERARUSSEARAH
__ IDC
INVERTER BEBANTANGKILC
,
Gambar 3.1 Prinsip dasar inverter tipe sumber arus
3.2 Rangkaian Dasar Inverter Transistor Setengah Jembatan
Tipe Sumber Arus
Prinsip dasar dari rangkaian inverter setengah jembatan
tipe sumber arus adalah berdasarkan pada inverter tipe sumber
arus. Konfigurasi rangkaian dasar ini membentuk sebuah
jembatan seperti diperlihatkan gambar 3.2.
L<11 C La2
I en 1 01<12
E ~VO·_-,
iT1 1'1'2
'1'1L _______ ..J
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 (Ld 1dan Ld 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 dari konfigurasi rangkaian dasar, kedua
trnsistor yang berfungsi sebagai inverter hanya menempati dua
cabang dari rangkaian jembatan sehingga rangkaian disebut
inverter setengah jembatan. Dilihat dari cara penyaluran
daya dari sumber daya ke rangkaian beban, rangkaian ini
menggunakan prinsip sumber arus. Sehingga keseluruhan r
rangkaian disebut Inverter Transistor Setengah Jembatan Tipe
--..,----------'
Sumber Arus. II Id1
o+-~--+I I II L J
r---"I, I I
O~C12
(a) ( b )
Gambar 3.2 Prinsip kerja ~angkaian
(a) T1 off dan T2 on
(b) T1 on dan T2 off
46
Prinsip keja rangkaian diperlihatkan pada gambar 3.3.
Kedua transistor Tl dan T2 dianggap bekerja sebagai saklar
ideal dan bekerja saling komplemen simetris dalam setiap
setengah perioda sehingga arus pada kedua induktor akan
kontinyu. Kedua induktor Ldl dan Ld2 mempunyai harga
induktansi cukup besar sehingga
arus.
berfungsi sebagai sumber
Misalkan transistor Tl off dan T2 on (gambar 3.2(a»,
arus konstan dari induktor Ldl akan menga Li r aebaga t arus
keluaran melalui rangkaian LC dalam arah positif (sesuai arah
tanda panah i o)' Pada setengah peioda berikutnya, transistor
Tl on dan T2 off (gambar 3.2(b», arus konstan dari induktor
Ld2 akan mengalir sebagai arus keluaran melalui tangki LC
dalam arah negatif (berlawanan arah dengan i o)' Bila kedua
diuraikan menjadi penjumlahan fungsi sinus :
keluaran yang berbentuk gelombang segi-empat tersebut dapat
arus
berbentukakan
sin 5wt + ... )5
1
secar periodik, maka arus
3
1sin wt + sin 3wt +
transistor bekerja bergantian
keluaran yang mengalir melalui tangki LC
segi- empat. Berdasarkan pada uraian deret Fourier,
47
Bila rangkaian beban tangki LC paralel mempunyai
frekuensi resonansi yang disetalakan dengan frekuensi
penyaklaran kedua transistor, maka tegangan keluaran pada
tangki LC akan berbentuk gelombang sinusoidal pad frekuensi
resonansinya. Bentuk gelombang .secar toritis diperlihatkan
pada gambar 3.4 dihalaman berikut ini.
48
-~ l
\\
\:---'>"\\
/-..
//
\ /\ I
\\
I
/
121d
I
. ._harrnonlsa..-- /--I f r-e x u e n s i
~---t'----(-\.---I d a s a r
Bentuk gelombang teoritis
I
I
I1 d
____J__..
t21d
I
,_/
-._..-..-I
. r d
~'----~-----i - •. L
Gambar 3.4
\ --1-\ 1d
~ _.1\
\
,i 10 /,; I; I} Or-__
r
or----"""'----1
,
:.'.Q.•-.•.• Ii~
:0e;
1',
i'0Ij
1, .0
If:
~fl!~ Or-~----+------ +-_1.- -I- -1- /---->
t')1',.f,t'·'
~r .,r 0r------t--.-:.----+------+-------t------.+-...
I'f'[' 0r----'----+------f------~------¥--
49
dvo(t)+ C, -~-
dt....................... (3-1 )
v (t) =odiR(t)
L (3-2)dt
Trans~ormas! Laplace dar! persamaan (3-1) dan (3-2) adalah
s+. C { sV (s)
o
iR{O+)} (3-4)
Kondisi mula vo(O+) = vT1(0+) = = O. karen a
transistor dalam keadaan konduksi pada saat t = 0-.
Selanjutnya. dari persamaan (3-3) dan
diperoleh :
persamaan (3-4)
Id/sCL + I R (0+)=
s2 + sR/L + l/LC
Nyatakan w 2= l/LC dan a = R/2Lo
Id/sCL + siR(O+)=
s2 + 2as + wo
51
=I/sCL + siR(O+)
(s + 01)2 + Co\) 2N
........................... (3-5)
dengan ~Co\)2 _ 012 = frekuensi resonansi teredamo
~l/LC= frekuensi resonansiCo\) =o
= R/2L = koefisien redaman
Dengan menggunakan metoda uraian pecahan parsial diperoleh
I (s) = I r: -d s
1
+ co 2N
(s+0I)2+ Co\)~
................. (3-6)
1+ iR(O+) { ---=--=
(s+0I)2+ Co\)2N
Transformasi Laplace balik ke kawasan waktu dari persamaan
(3-6) adalah
iR(t) = I d - I d (cOSCo\)Nt 01 -Olt+ -- sin wNt) eCo\)N
= I d
52
dengan f(> =
+ iR(O+)sin (wNt - ~)] (3-7)
arc tan
Definisikan faktor kualitas rangkaian tangki LC adalah
Q = wLR
Untuk harga Q yang cukup besar. maka
= JL1C
Sehingga persamaan (3-7) dapat disederhanakan menjadi
. (t) = I - e-a t[ I . (0)] R w t (3 8)lR d d - lR + -Z- cos 0 -
Dari persamaan (3-8). tegangan keluaran pada tangki LC dapat
dihitung dengan mengunakan persamaan (3-2) :
53
•
Bila frekuensi penyaklaran transistor adalah w =persamaan arus dan tegangan menjadi :
w,o maka
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 )
vo(T/2+) = - vo(O+) (3-12)
Substitusi kondisi (3-11) pada persamaan (3-9) diperoleh :
Didefinisikan
1
1
+ -n/2Qe
-n/2Qe
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 :
iR(t) = I d - e-wt/2Q (l+K) I d cos wt (3-14)
vo(t) = RId + e- wt/2Q(1 + Q) I d wL sin wt (3-15)
55
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
searah I d yang 'kons t an . Pada ke adaan yang sebenarnya, kedua
sumber arus tersebut direalisasikan dengan menggunakan dua
buah induktor dan sebuah sumber tegangan searah. Arus searah
I d sebenarnya merupakan arus rata-rata yang mengalir pada
induktor tersebut.
(al (1:»
Gambar 3.6 Aliran arus pada induktor Ld
Pada keadaan steady-state. tegangan pada
searah Ld adalah
induktor
O<t<T/2
T/2<t<T (3-16)
56
Dengan menggunakan persamaan Fourier, harga rata-rata arus
searah pada induktor dalam setiap perioda adalah:
1 T did- f Ld ---- dt =T 0 dt
T/2'~ [f {E-v (t)} dt +o 0
Tf E dt ]
T/2
1 T did- f Ld ---- dt ~ 0T 0 dt
1 T- f E dt =ET 0
T/2~ f v (t) dt =o 0
sehingga: .
+(l+k)QRI (e-n/2Q+1)
d
2n
o = E - i +(l+k)QRl
d(e-n/2Q+1 )
2n
Jadi arus rata-rata yang mengalir pada induktor Ld adalah
E/RI d = 1/2 + (1+k)Q(e-n/2Q+1)/2n (3-17)
57
Untuk harga Q yang cukup besar maka:
n2 E/R
I ~ ~ {3-18). d 4Q2
3.3.3 Harga Puncak Arus Koil Pernanas
Haraga puncak pada arus koil pemanas dapat dihitung
dengan mendiferensiasikan persamaan (3-14) dan hasilnya
disamakan dengan nolo Diperoleh harga puncak arus koil
pemanas yang terjadi pada saat t=O:
I R = K I d (3-19)
Untuk harga Q yang cukup besar:
4QI R ~ -n-- I d (3-20)
3.3.4 Harga Puncak Tegangan Tangki LC
Harga puncak tegangan tangki LC dapat dihitung dengan
mendiferensiasikan persamaan (3-15) dan hasilnya disamakan
dengan nolo Diperoleh, harga puncak tegangan tangki LC
terjadi pada saat t = T/4:
_ -n/4QVo - R I d (1 + e {1+K)Q} {3-21)
58
Bila harga Iddari persamaan (3-17) disubtitusikan pada
persamaan (3-21) diperoleh:
A E{l + e-rr/4Q(1+K)Q}
Vo = 1/2 + (1+K)Q(e- rr/ 2Q+1)/2rr
Untuk harga Q yang cukup besar:
3.3.5 Arus dan Tegangan Transistor
............... (3-22)
Arus yang mengalir pada transistor T1 adalah:
O<t<T/2 (transistor OFF)
T/2<t<T (transistor ON)
Arus puncak pada transistor T1 adalah:
2E/R= 1/2 + (1+K)Q(e-rr/2Q+1)/2rr (3-24)
(Q besar) (3-25)
59
Tegangan pada transistor T1 adalah:
O<t</2 (transistor OFF)
T/2<t<T (transistor ON)
Tegangan puncak pada transistor T1 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 T2 adalah sama dengan transistor
T1 dengan pergeseran waktu 1/2 perioda.
3.3.6 Menghi tung InduJctansi Ld
Arus yang mengalir pada induktor Ldsecara pendekatan
diperlihatkan pada gambar 3.7. Hisalkan transistor T10FF
pada saat t=O, maka pada selang waktu -T/2<t<O, transistor T1
akan ON. Pada keadaan T1 ON, arus pada induktor Ld 1 akan
60
ON1(1 maks
1(1 ~_c..
1(1 mIn
OFF
-Tic 0
Gambar 3.7
menuju harga maksimum:
Tic TBentuk arus induktor Ld
l
oi d maks = -t-- f E dt + i d min
d T/2
=E
T/2 + i d min
Bila transistor T10FF pacta setengah perioda berikutnya, arus
pada induktor Ld 1 berkurang menuju harga minimum:
61
=E T/2
L d{n + (1+K)Q(e-n/2Q+l)} + i
dmaks
d
Arus denyut pada induktor:
=
Faktor denyut:
-n/2Q{n + (l+K) Q (e +1)} (3-27)
=R
2wL-n/2Q{n + (l+K) Q (e +1)} (3-28)
Untuk harga Q yang cukup besar maka:
4LQ'Y '~ - ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ( 3.28 )nLd
Persamaan (3-28) menunjukkan bahwa arus denyut pada induktor
searh Ld akan bertambah besar apabila faktor kualitas Q dari
rangkaian tangki LC bertambah besar.
62
BAS IV
KOMPONEN-KOMPONEN RANGKAIAN
INVERTER TRANSISTOR SETENGAH JEMBATAN
TIPE SUMBER ARUS
4.1 Diagram Blok Sistem Rangkaian
Rancangan keseluruhan sistem rangkaian inverter
transistor setengah jembatan tipe sumber arus yang hendak
direalisasikan diperlihatkan pada diagram blok gambar 4.1.
Sistem rangkaian ini merupakan pengembangan dari rangkaian
dasr yang telah dibahas pada bab 3. Secara garis besar,
sistem rengkaian tersebut dapat dibagi atas dua sistem
- rangkaian daya
Gambar 4.1 Diagram blok sistem rangkaian
I
RANGKAIANSTARTER ~
----------~
RANGKAIANPACU ~ RANGKAJAN~BASIS TIMING
----t---
- rangkaian kendali
lAtA_lAtA
11.•..-....... PENYEARAHt--~ ~~e~KTOR t-~ INVERTER BEBAN.. + FILTER TRANSISTOR r---->- TANGKI• SEARAH LC
IANGKAIAN DAYA
f>- - -" - - --~JJiGKA I AN KENDAL I,.
63
Rangkaian daya terdiri atas komponen komponen yang
mempunyai kemampuan daya (arus dan tegangan) yang cukp besar
untuk menyalurkan daya dari sumber daya ke beban. Keseluruhan
rangkaian daya berfungsi mengubah daya (arus dan tegangan)
frekuensi rendah dari jala-jala menjadi 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 rangkaian untuk pemanas
induksi, maka selama proses pemanasan, kenaikan temperatur
pada benda kerja dapat menyebabkan perubahan karakteristik
tangki LC sehingga frekuensi resonansinya dapat berubah.
Kendali frekuensi menggunakan sebuah generator frekuensi yang
mempunyai frekuensi konstan dapat menyebabkan penyimpangan
operasi rangkaian dari yang semestinya. Untuk itu
digunakan sistem kendali frekuensi.sendiri atau loop tertutup
64
melalui rangkaian timing yang
frekuensi resonansi tangki LC.
disinkronisasikan derigan
Pada sistem kendali frekuensi sendiri, operasi
rangkaian harus dimulai /di'start' dengan membangkI tkan
tegangan osilasi awal pada tangki LC agar dapat dideteksi
oleh rangkaian timing. Ini dapat dilakukan dengan bantuan
sebuah rangkaian starter.
4.2 Rangkaian Penyearah dan Filter.
Rangkaian penyearah dan filter berfungsi mengubah
sumber tegangan bolak balik dari jala-jala menjadi sumber
tegangan searah untuk mencatu daya (arus dan tegangan) yang
diperlukan rangkaian daya. Pada laporan penelitian ini
. digunakan penyearah j embatan dioda satu phasa dengan filter
.-LC berbentuk L. Untuk mengatur tegangan masukan digunakan
sebuah aututransformator. Keseluruhan rangkaian penyearah ini
diperlihatkan pada gambar 4.2
+
1 1JALA-JALA Cp E
j
Gambar 4.2 Rangkaian penyearah dan filter LC
65
Besar induktor LF dan kapasitor CF yang diperlukan adalah
................................... (4.1)3w
1 ................................... (4.2)
Dengan Rdc = resistansi beban
w = frekuensi jala-jala
4.3 Induktor Searah.
Induktor searah Ld berfungsi menjaga arus searah
masukan tetap konstan. Terhadap frekuensi tinggi, impedansi
induktor searah Ld akan sangat besar, sehingga denyut arus
frekuensi tinggi pada induktor akan sangat kecil. Karena itu,
induktor searah Ld dapat direalisasikan menggunakan gulungan
tembaga beremail pada inti besi listrik biasa. Besar
induktansi yang diperlukan
persamaan (3.24):
dapat dihitung berdasarkan
4LQ
~................................... (4.3)
dengan Ld = indu~tansi induktor searah (H)
66
L = induktansi koil pemanas (H)
Q = faktor kualitas
..... = faktor ripple
Prosedur perancangan induktor diberikan pada lampiran A.
O>-----i
JALAJALA
SUMBERTEGANGANSEARAH
~===_I
INVERTERTRANSISTOR
"
KETANQKI LC
~-----o
Gambar 4.3 Rangkai~ induktor searah
4.4 Inverter.
Rangkaian inverter terdiri atas dua buah transistor
daya tipe NPN. Kedua transitor bekerja sebagai saklar untuk
mengarahkan arus searah yang konstan daQ kontinyu dari
induktor searah sehingga menjadi. arus bolak 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:
t d 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 pemadaman
tOFFyang lebih lama daripada waktu penyalaan tON. Perbedaan
tONdan t OFF ini mengakibatkan kedua transistor daya pada
rangkaian inverter tidak dapat bekerja saling komplemen
simetris secara ideal seperti yang diasumsikan ,akan tetapi
terjadi overlappin8 konduksi pada saat kedua transistor
berkomutasi, lihat gambar 4.5. Keadaan ini menyebabkan
rangkaian tangki LC terhubung singkat sesaat, sehingga dapat
terjadi
68
c
E
"
. "\I f'--t-""t
,;- -- - ARUS SUMBER
T2 ---- ARUS REAKTIl
LII\
-_ ... -------1-
l : '1'/2. '\I
- - - - - ---""------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 transistor. Untuk mencegah arus mundur
mengalir pada trsansistor. maka pada masing-masing transistor
dipasang sebuah dioda seri dan dioda anti paralel seperti
diperlihatkan pada gambar 4.6.
DP2
Gambar 4.6 Rangkaian anti arus mundur
69
T DP
".
TANPA RP< DEHGAH RP
OFFL--------+====t======--~) t
RPDSCCb
r--1 ~---t-----.III,
0----------..-----
(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
1RP s R
12 f CcbBE.... (4-5)
Resistor RBE berfungsi melewatkan (bypass) arus kapasitif
yang terjadi pada transistor akibat perubahan tegangan dV/dt.
Sebab perubahan tegangan dV/dt yang terlalu besar pada
transistor dapat menyebabkan transistor konduksi sendiri
karena arus kapasitif parasit akan mengalir sebagai arus
basis pada transistor~
71
4.5 Rangkaian Behan.
Rangkaian beban untuk pemanas induksi berbentuk
. rangkaian LC paralel dan disebut tangki LC karena sifatnya
dapat menyimpan energi. Induktor L pada rangkaian beban
merupakan koil pemanas tempat bend a kerja dimasukkan ke
dalamnya. Fungsi koil pemans adalah untuk mengubah arus
c
( a )
L
SINGLE-LAYER COPPER-TUBE
PRIMARy COIL
-··CONNECTIONS FOR
COOLING 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 cukup besar
pula. Biasanya menggunakan pipa tembaga dan dialirkan air
pendingin untuk mengurangi temperatur koil karen a radiasi
panas dari benda dan rugi - rugi resistansi pada koli pemanas
72
sendiri. Kenaikan temperatur pada koil pemanas akan
memperbesar resistansi koil sehingga
menurun.
efisiensinya akan
Kapasitor C berfungsi memperbaiki/mengkompensasi faktor
daya yang rendahdari koil pemanas agararus dari generator
dapat diperkecil karena hanya mengalirkan arus nyata.
Kapasitor C yang digunakan harus mempunyai daya reaktif VAR
(Volt Ampere Reaktif) yang cukup agar kapasitor tidak panas.
Besar daya reaktif yang dicatu oleh sebuah kapasitor pada
tegangan V dan frekuensi f adalah:
VAR2= 2nfCV " (4-7a)
Besar daya reaktif tersebut tidak boleh melebihi batas VAR
kapasitor pada harga nominalnya:
............................. (4.7b)
diperoleh hubungan:
VN
................................• (4-8)
dengan V = tegangan kerja
f = frekuensi kerja
73
VN = tegangan nominal
f N = frekuensi nominal
4.6 Rangkaian Pacu Basis.
Dalam menggunakan transistor sebagai saklar, rangkaian
pacu basis merupakan bag ian yang penting karena rangkaian
pacu basis akan mengendalikan daerah kerja transistor (linear
atau mode saklar) dan kecepatan penyaklaran transistor (mode
saklar).
Rangkaian pacu basis yang digunakan diperlihatkan pada
gambar 4.9. Rangkaian tersebut menggunakan pasangan
transistor NPN/PNP yang saling komplemen pada tahap akhir.
Dengan menggunakan tegangan kerja simetri +V dan -V, maka
rangkaian tersebut dapat memberikan arus basis positif dan
negatif bagi transistor daya. Penggunaan arus basis negatif
TDDZ
-v7
Gambar 4.9 Rangkaian pacu basis
akan mempercepat proses pemadaman transistor daya.
+v
BUFFER TTLOPEN COLLECTOR RS
m74
Prinsip kerja rangkaian:
Proses penyalaan transistor daya TD dimulai dengan
memberikan pulsa berlogika "1" (level TTL) pada terminal
masukan. Logika "1" pada terminal .masukan akan mengaktifkan
buffer TTL dan mengalirkan arus basis transistor T3 sehingga
T3 ON. Arus kolektor dari transistor T3akan menyebabkan
transistor T1 ON dan T2 OFF. Arus basis untuk transistor daya
TD akan mengalir mengikuti loop: +V - R1 - VCE(T1) VBE(TD)
- GND. Bila transistor daya TD ON, tegangan kolektor-emitter
VCE akan turun menjadi VCEsat. Bila tegangan saturasi
VCEsat(TD) < VBE(T1) + VBE(TD) - VDAS, maka dioda DAS akan
ON dan arus basis pada transistor T1 akan dilewatkan melalui
dioda anti saturasi DAS sehinggaarus basis transistor daya
akan berkurang. Regulasi arus basis dengan menggunakan 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 dimulai dengan
memberikan logika "0" pada terminal masukan sehingga buffer
TTL terbuka dan arus basis transistor Ts tidak dapat
mengalir. Transistor Ts akan OFF dan menyebabkan transistor
T1 OFF. Transistor T2 akan ON karena arus basisnya mengalir
melalui R2. Arus basis negatif dari transistor daya akan
mengalir melalui transistor T2 sehingga muatan 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 dengan frekuensi resonansi pada tangki LC. Karena
terjadi waktu tunda (deLay) pada rangkaian timing, rangkaian
pacu basis dan proses pemadaman transistor daya, maka arus
keluaran inverter yang disalurkan ke tangki LC akan
tertinggal phasa terhadap tegangan tangki LC. Keadaan ini
menyebabkan impedansi tangki LC akan bersifat induktif dan
arus konstan dari induktor searah akan menyebabkan spike
tegangan pada tangki LC. Untuk menghindarkan spike tegangan
tersebut, rangkaian timing harus dapat menghasilkan
pulsa-pulsa kendali yang tergeser ke depan mendahului
tegangan tangki LC. Pergeseran pulsa-pulsa kendali ini harus
mempunyai selang waktu (bukan phasa) ke depan yang konstan
o
LIANGAN SINYAL PULSAOXl LC RANGXAIAN KENDALl PENGUBAH XENDA
TRANSDUSER GELOMBANGSINYAL SINUS KE
PERSEGI
Gambar 4.10 Diagram blok ra~gkaian timing
76
mengingat waktu tunda rangkaian kendali dan proses pemadaman
transistor daya mempunyai selang waktu yang konstan dan tidak
tergantung pada frekuensi.
Diagram biok rangkaian timing diperlihatkan pad a
gambar 4.10. Rangkaian timing ini terdiri atas rangkaian
transduser sinyal dan rangkaian pengubah gelombang sinus ke
persegi.
a). Rangkaian transduser sinyal
Rangkaian transduser berfungsi mendeteksi tegangan
tangki LC dan menghasilkan sinyal kendali yang tergeser ke
depan mendahului tegangan pada tangki LC. Sebuah metode
menghasilkan sinyal kendali dengan pergeseran selang waktu
(bukan phasa) ke depan mendahului tegangan pada tangki LC
diperlihatkan pada gambar 4,11. Rangkaian ini mempunyai
--vc-- -
•TA -
•
Gambar 4.11 (a) Rangkaian transduser sinyal kendali
(b) Bentuk gelombang
77
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 Le
berbentuk gelombang sinusoudal dengan sudut phasa = o.
dan arus pada kapasitor adalah:
ie(t) edVe=dt
= Ie cos "->t
Tegangan tangki dideteksi dengan menggunakan sebuah
transformator tegangan TT dan arus pada kapasitor dideteksi
dengan menggunakan sebuah transformator arus TA dan beban RA.
Kedua sinyal hasil deteksi tersebut dijumlahkan menjadi
sinyal kendali:
V IeRAvsig(t)
0 sin "->t + "->t= N:f NAcos
= Vs i g sin ( "->t+9')
dengan:
V I V 2 IeRA 2
sig= (_0_) + ( )N T N A
78
tanNT
RA2n
Ctp = arc NA l'
Untuk sudut phasa tp yang cukup keqil:
tanNT 2n
Ctp~ tp = -. RN A TA
diperoleh:
=NT 2n-RNAT
A
C
t a =NT- R
AC (4 -9)
NA
Dengan NA = perbandingan lilitan trafo arus
NT = perbandingan lilitan trafo tegangan
RA = beban trafo arus
C = kapasitor tangki LC
t a = selang waktu sinyal kendali mendahului tegangan
tangki LC. lihat gambar 4.11(b)
Dengan mengatur resistor RA. selang waktu t a dapat diatur
hingga dapatmengeliminir waktu tunda rangkaian kendali dan
t OFF transistor. Dengan demikian arus keluaran dari inverter
dapat dibuat sephasa dengan tegangan tangki LC.
79
b) Pengubah gelombang sinus ke persegi
Sinyal kendali yang dihasilkan oleh rangkaian
transduser adalah berbentuk gelombang sinusoidal. Untuk
mengubah bentuk sinus tersebut m~njadi pulsa-pulsa kendali
dapat digunakan rangkaian pengubah gelombang sinus ke
persegi. Level tegangan pulsa yang dihasilkan harus
disesuaikan dengan lev~l tegangan yang diperlukan oleh
rangkaian pacu basis. Rangkaian pengubah gelombang sinus ke
persegi dapat direalisasikan menggunakan komparator 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 timing.
Skema rangkaian starter diperlihatkan pada gambar 4.13.
Rangkaian starter ini berfungsi mengalirkan arus awal 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 terdiri atas komponen SCR, resistor, R~ dan
kapasitorC~.
80
Le11 C Ld2 II PUSH-ON
SCR £.L
~VG1T1 T2 Rs t
RANGKAIANSTARTER
Gambar 4.12 Rangkaian Starter
Pengisian arus awal pada induktor searah Ld dimulai
dengan menekan saklar 'PUSH-ON' dan SCR akan konduksi. Arus
awal 1st akan inega Lf r mengikuti loop: E - (L~+Ld2) SCR
Rst - GND. Besar arus awal adalah:
Est= R
s t(4-10)
Setelah beberapa saat. arus pada kedua induktor searah (L~
dan Ld2) akan mencapai kondisi steady state dan transistor
dapat dinyalakan. Misalkan transistor T1 ON dan T2 OFF. maka
arus pada SCR akan berpindah mengalir melalui transistor T1
ON dan SCR akan padam karena mendapat pra~tegangan mundur
81
dari kapasitor C~. Tegangan osilasi pada tangki
segera terbentuk mengaktifkan rangkaian timing dan
akan bekerja secara reeeneratijf menuju
steady-statenya.
82
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 yang
diperlukan untuk memanasi benda"kerja. Sedangkan peraneangan
rangkaian kendali disesuaikan' dengan kebutuhan rangkaian
daya. Diagram aliran prosedur peraneangan 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 balok
persegi padat dengan ukuran : panjang = 5,1 em, lebar = 3,2
em dan tebal = 1,3 em hingga temperaturnya meneapai 800 oC.
83
PERANCANGAN
RANGKAIAN DAYA
.-- ---4--BENDA
PERANCANGAN
RANGKAIAN KENDALl
1 PENENTUAN
SPESIFIKASI
DAYA DAN
FREKUENSI
PERANCANGAN
I RANGKAIAN
STARTER
8
P,f
C
sensitivitas
Va
2 PERANCANGA~M---------~
TANGKI LCI
PERANCANGAN
RANGKAIAN
'TIMING
7
PERANCANGAN
RANGKAIAN
3
I R, V Q0,
,II
PERANCANGAN I B1----------------=)1
INVERTER
level TTL
6
Id,
4 PERANCANGANINDUKTORSEARAH
Id, E
5 PERANCANGAN
""
Gambar 5.1 Diagram aliran prosedur perancangan rangkaian
84
5.1 Spesifikasi Daya Dan Frekuensi Untuk Pemanasan
Daya dan frekuensi yang dibutuhkan utnuk pemanasan
ditentukan dari parameter benda ,kerja. Misalkan sepotong
grafit hendak dipanaskan sampai 8000 e daya. Ukuran benda
kerja adalah sebagai :
pand ang
lebar
tebal
p = 5,1 em
1 = 3,2 em
t = 1,3 em
Gambar 5.2 Bentuk dan ukuran grafit
Resistivitas grafit
Permeabilitas grafit
Koefisien radiasi
p = 800 J.lOem
J.I = 1
e = 0,5
Luas permukaan benda adalah
.j
A = 2 (pxl + lxt + txp)
= 2 (5,lx3,2 + 3,2x1,3 + 1,3x5,1)
54,22 em2=a) Daya yang diperlukan
Pada temperatur 8000 e daya yang didisipasikan oleh benda
adalah :
85
Daya radiasi Pr = 5,73 x to- 12 x e x A x (e4
-12= 5,73 x 10 x 0,5 x 54,22
_ e 4 )o
x (10734
3004 )
= 205 W
Daya konveksi Pkv
= 1,6 x 10-4 x A x (e - eO)l,33
= 1,6 x 10-4 x 54,22 x (1073 - 300)1,33
= 60 W
Daya konduksi dianggap sangat kecil karena grafit ditempatkan
dalam tabung kwarsa yang bersifat konduktor panas yang buruk.
Untuk mempertahankan temperatur benda pada temperatur 8000C,
daya yang diberikan pada benda sama dengan daya
didipasikan
P = P + Pks r v
= 205 + 60
= 265 W
dengan Ps = daya pada sisi sekunder atau benda kerja
Pr = daya radiasi
Pkv= daya konveksi
b) Pemilihan frekuensi
yang
Berdasarkan pada persamaan (2-15), frekuensi optimum yang
diperlukan untuk pemanasan adalah :
86
f = 158 x p x 106 Hz
~t2
= 158 x 800 x 10-6 x 10-6
1 x (1,3)2
= 75 kHz
5.2 Peraneangan Tangki LC
a) Koil Pemanas
Dimensi koil pemanas disesuaikan dengan dimensi benda
kerja agar kopling maknetis antara benda dengan koil pemanas
efisiensinya besar. Konstruksi koil pemanas yang dibuat
diperlihatkan pada gambar 5.3. Ukuran koil pemanas tersebut
adalah : panjang 1 = 10 em, jari-jari koil b = 2,25 em,
jumlah lilitan N = 18. Kawat penghantar menggunakan pipa
tembaga berdiameter 3/16 inehi.
Karakteristik listrik koil pemanas diukur dengan jembatan
resonansi pada frekuensi 75 kHz adalah :
Resistansi koil tanpa benda
Resistansi koil dengan benda
Induktansi ekivalen
87
Rp = 0,11 ohm
Rp + Rs = 0,21 ohm
L = 6 ~H
-1
Gambar 5.a Konstruksi koil pemanas
Faktor kualitas
Q = wL
R
3 -6=2n x 75 x 10 x 6 x10
0,21
= 13
Efesiensi koil pemanas
n (%) = Rs
Rp + Rs
x 100 %
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 = I R X <.o>L
= 50~ 2 X 2n X 75 X 103X 6 X 10-6
= 200 V
b) Kapasitor Kompensasi
"'
Besar kapasitor 1tompensasi yang diperlukan
rangkaian tangki LC mempunyai frekuensi resonansi sebesar 75
kHz adalah :
89
= 1
(2n x 75 x 103 )2x 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 kVAR
Untuk mencatu VAR tersebut digunakan 8 buah kapasitor
berukuran O,lI1F, 8 kV (puncak ), 50 Hz dipasang secara
paralel. Kapasitor ini dapat mencatu daya reaktif :
VAR 2rr x fN C (VN(RMS» 2= x x
= 2n x x 50 x 8 x 0,1 x 10-6 x (8x 103/ -(2 ) 2
= 8,04 kVAR
VAR kapasitor harus lebih besar dari VARuntuk koil pemanas
agar kapasitor tidak panas. Berdasarkan persamaan (4-8)
tegangan maksimum yang diperbolehkan pada kapasitor ini untuk
frekuensi kerja 75 kHz adalah :
90
v = -ffN x VNo
f
-{ 50 x 103= 8 x
75 x 103
= 206 V ( puncak )
5.3 Perancangan Inverter
a) Pemilihan transistor
Arus puncak yang mengalir melalui transistor berdasarkan
persamaan ( 3-24 ) adalah :
IT = 2 I dBerdasarkan 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 tangki
Le. Jadi tegangan puncak pada transistor adalah :
91
VT = Vo
= 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 VT = 500 V
Waktu pensaklaran tON = t d + t r = 0,5 ~s
-, = 1,5 ~s)
t OFF = 1,65~s
t f = 0,15 ~s
b) Dioda seri
Arus maju pada dioda seri adalah sama dengan arus
transistor :
Tegangan mundur pada dioda ditentukan daripergeseran selang
92
waktu yang disediakan untuk mengeliminir waktu pemadaman
,transistor
= 200 sin 2n x 75 x l03x 1,65 x 10-6
= 140 V
Maka digunakan dioda tipe 1N3892 dengan parameter sebagai
berikut
Arus maksimum rata-rata IF = 12 A
Tegangan mundur maksimum VRM = 300 V
Waktu pemadaman t r r = 200 ns
Muatan recovery QR = 1,3 /-Ie
c) Oioda anti paralel OP
Arus maju yang melalui dioda anti paralel OP merupakan
arus mundur yang dibutuhkan oleh dioda seri 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 Ip = 1 /-IH ,
maka
=
93
= 140
1 x 10-6
= 140 A/J.ls
sehingga
I RM = ,I ( 4/3 ) x 1,3 x 10-6x 140 x 106
15,6 A
Arus I RM hanya mengalir sesaat (selama t r r = 0,2 J.lS ),
sehingga untuk dioda anti paralel OP dapat digunakan dioda
tipe lN3892 yang mampu melewatkan arus puncak sesaat sampai
150 A.
d) Resistor RBE dan RP
- Resistor RBE dapat ditentukan secara empiris dan biasanya
diberikan dalam lembaran data transistor yang lengkap. Pada
perancanganOini digunakan resistor RBE= 47 ohm.
~ Resistor paralel RP dapat ditentukan dari persamaan (4-5)
RP ~ 1
RP ~ 1
12 x 75 x 103x 10-9
~ 64 ohm
94
- 47
6q @q
N~ N
0 ~ ~0N ~ ~
~ ~ N~ Z ~
Z ~
U~ q7N
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 agar
arus denyut r =1 adalah :
nr
Induktor Ld dirancang pada kondisi faktor kualitas Q
95
maksimum, yaitu koil pemanas tanpa benda. Dari pengukuran
diperoleh Q tanpa benda wL/Rp = 25, sehingga :
Ld = 4 x 25 x 10-6x 6
1l x 0.01
= 19 mH
Untuk keperluan percobaan. dirancang induktor searah
•
mempunyai kemampuan I d c = 8 A, Lm = 15 mH dan Lo = 20 mHo
Kadar arus pada induktor adalah
I k = I e f f + I d c
= 0 + 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 silicon dengan rapat
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
= 500 x 15 x 10-3
20 x 10-3
= 375
Kuat medan H pada arus 1m = 8 A adalah
H = B
/-1m
= 5,5 x 103
375
= 14,67 De
Volume efektif minimum yang dibutuhkan
vem = O,41T x 108 L 1m / BHm
= O,41T x 108 x 15 x 10-3x 82
5.5 x 103 x 14,67
= 1495 em3
Untuk memenuhi volume efektif minimum digunakan inti dengan
eelah udara. Pakai inti berbentuk
diperlihatkan pada gambar 5.5.
B-1 dengan ukuran
1\
-l Ukuran em :
Ae 13,76 2= em
I = 17,2 eme
Wa 9,69 2= em
I I
~L 3.2 J
10,2
.--- -
-- - - - - - -
'---~ -o-.-,
t
j
A
fl'--
POTONGAN A-A
Gambar 5.5 Bentuk dan ukuran inti induktor searah Ld
Indeks induktansi inti adalah :
ALm ( BA )2 10-16/L I 2= xe m m
= ( 5,5 x 103x 13,76 )2x 10-16 / 15 x 10-3x 8 2
= 5,97 x 10-7
Jmlah lilitan yang diperlukan
N = -( L m
= ,I 15 x 103 = 159 lilitan
5.97 x 10-7
98
Jumlah lilitan ini membentuk luas penampang tembaga kumparan
ACu = 1,1 x N x d2
= 1,1 x 159 x ( 0,12 )2 .= 2,52 em2
ACu < Wa' ini berarti kumparan dapat dimasukkan pada inti.
Panjang lintasan medan magnetik efektif :
Ie = 0,4 n N 1m / H
= 0,4 n x 159 x 8 / 14,67
= 108,96 em
Celah udara yang dibutuhkan
1 = (1 - 1 ) / ~1gee
= (108,96 - 17,2 ) / 500
= 0,184 em
5.5 Peraneangan Sumber Tegangan Searah
Berdasarkan persamaan (3-23 ), tegangan searah yang
diperlukan adalah
E = Vo
1l
= 200
1l
= 64 V
Arus dari sumber tegangan searah adalah
99
I d = 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 Rdc3w
7,4h------
3 X 2n x 50
Q 8 mH
Kapasitor filter CF yang diperlukan adalah
CF » 1
2w Rdc» 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 / 400V
LF = 15 mH
100
- kapasitor filter : C = 4000 /-IF
Peraneangan induktor filter LF
Arus yang mengalir pada induktor LF
adalah
iLF = Ide + 4 Vm cos 2wt
3n XL
dengan Vm = tegangan ae input puneak
XL = 2 wL
w = frekuensi jala-jala
Tegangan searah E = 2 Vm ' sehingga
n
iLF = Ide + 2 E cos 2 t
3 XL
Arus puneak pada induktor L
I = I d + 2 Em e
3 XL
= 10 + 120
3 x 2 x 2n x 50 x 15 10-3
= 14,24 A (mendekati 15 A)
Kadar induktor LF
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 silicon dengan rapat.
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
Lm
."« = ~1 x L o
= 500 x 15 x 10-3
20 x 10-3
= 375
Kuat medan H pada arus 1m = 15A adalah
H =B
~m
= 5,5 x 103
375
= 14,67 De
Volume efektif minimum yang dibutuhkan_ 8
vem - O,4n x 10 Lm 1m / BH
102
= 0,4rr x 108 x 15 x 10-3x 152
5,5 x 103 x 14,67
= 5256 em3
Untuk memenuhi volume efektif minimum digunakan inti dengan
eelah udara. Pakai inti berbentuk E-1 dengan ukur an
~I
Ukuran em :
Ae = 25,65 em 2
~~llBI2 Ie = 27,3 em
l Wa = 24,32 em2
I5, 7 I
,..-- -~
,..- --
.ID
diperlihatkan pada gambar 5.6.I ., I 9
A -:lL--------'l- / -
III">
;;1t:...L-..L-l---~4-L-~
G-·~Gambar 5.6 Bentuk dan u~uran inti induktor searah Ld
Indeks induktansi inti adalah :
ALm = ( BA )2 x 10-16/L 1 2o m m
= ( 5.5 x 103x 25.65 )2x 10- 16 / 15 x 10-3x 15 2
= 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 kumparan
ACu = 1,1 x N x d 2
= 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 1m / H
= 0,4 n x 160 x 15 / 14,67
= 205,58 em
Celah udara yang dibutuhkan
19 = (1 - 1 ) / 1-'1e e
= ( 205,68 - 27,3 ) / 500
= 0,36 em
104
5.6Perancangan Rangkaian Pacu Basis
Oalam percobaan ini, rangkaian pacu basis dirancang
mampu memacu transistor daya tipe 2 se 3320 untuk mengalirkan,
arus kolektor Ie = 10 A. Oari lembaran data transistor daya
tipe 2 se 3320, arus basis yangdiperlukan untuk mengalirkan
arus kolektor Ie = 10 A dengan faktor penguatan ~ = 7,5
adalah :
IB (TO) = Ie-~
= 10
7,5
= 1, 33 A
Pakai transistor pacu basis
T1 = 2 Sc 2562, ~ = 35
T2 = 2 SA 1012, ~ = 35
T3 = 2N 2905, ~ = 50
Berdasarkan pada karakteristik transistor yang
komponen lainnya dapat ditentukan:
105
97 1113
dipilih,
1
+v 0---,----,-- .....,
DAS
TD
- V 0------+------4
Gambar 5.7 Realisasi rangkaian pacu basis
Oaftar komponen
Rl = 10/3 n 01 J 02 = lN 4148
R2 = 68 o OAS = BA 158
R3 = 22 o Tl = 2SC 2562
R4 = 100 o T2 = 2SA 1012
R5 = 470 o T3 = 2N 2905
RBE = 47 n ICl = SN 7406
106
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 NT = 50
perbandingan lilitan trafo arus NA = 200
Resistor RA untuk menggeser sinyal kendali agar mendahului
tagangan tangki LC adalah :
=
=50
-61,65 x 10
-60,8 x 10
= 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
Rangkaian pengubah gelombang sinus ke persegi
direalisasikan menggunakan komparator tegangan rangkaian
terintegrasi IC tipe ~A-760. IC ini merupakan sebuah
komparator tegangan diferensial dengan kecepatan tinggi,
mempunyai dua saluran keluaran yang saling komplemen dan
kompatib~l rlp.n~Rn level te~an~an100
~---(') OUT2
I
Gambar o.~ reallsaSl rangKalan pengubah gelombang sinus
persegi
Sensitivitas tegangan input = 50 m Vp p
108
Batas tegangan input = 3,5 ( 100 + 1 ) = 10,5 V
50
5.8 Perancangan Rangkaian Starter
Arus mula yang diperlukan pada induktor searah
ditentukan dari s~nsitivitas rang~aian timing. Bila rangkaian
timing mempunyai sensitivitas 50 mVpp' 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 adalahT/4
V = 1 fI s t dt-0
C
= I x Tst
C 4
atau
I = 4CVst 0
T
= 4 fCv0
= 4 x 75 10 3x 0,8 x 10-6x 1,25
= 0,3 A
Arus yang melalui SCR adalah
109
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
Arus konduksi rata-rata
Waktu pemadaman
VDRM = 400 V
IT = 3 A
t OFF = 3,5 s
Tegangan sumber untuk starter dapat diperkecil agar disipasi
daya pada resistor Rs t tidak terlalu besar. Akan tetapi,
tidak boleh terlalu kecil, supaya kapasitor Cst mempunyai
energi yang cukup untuk memberikan arus komutasi yang
diperlukan dalam proses pemadaman SCR. Dengan menggunakan
tegangan start Es t = 20 V, rangkaian dapat distart dengan
baik.
Resistor Rs tyang diperlukan adalah
Rs t = E st
2 I st
= 20
0,6
= 33,33 ohm
110
Daya yang didisipasikan pada Rs t adalah
PRs t = ( Est)2
Rs t
= ( 20 )2
33,33
= 12 W
Kapasitor Cst yang diperlukan harus memberikan konstanta
waktu CstRstjauh lebih besar dari pada waktu pemadaman SCR.
CstRs t » t OFF (SCR)
Cst » t OFF----.Rs t
» 3,5 x 10-6
33,33
» 0,1 ~F
PUSH-ON
KE RANGKAIANINVERTER
J
$6089
q ~F' I300V
6v
Gambar 5.10 Realisasi rangkaian starter
111
5.9 Prosedur Mengoperasikan Alat
Alat yang dirancang memerlukan urutan pengoperasian
tertentu. Urutan pengoperasian ini tidak boleh terbalik.
Apabila urutan pengoperasian terbalik maka alat tidak akan.dapat bekerja dan dapat merusak transistor daya. Untuk
mengoperasikan alat disediakan 3 buah saklar pada panel alat
seperti diperlihatkan pada gambar 5.11.
AUTOTRANSFOkMATOR
JALAJALA
ALAT
r-------t- READY~---+-RUN
O--t-CHARG I UG
ON ON ON
"'-- ..-.( S2~ S3~ @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 E = 20 V
- Nyalakan saklar 52 ' indikator ~eady akan menyala
- Tekan saklar 54 sesaat, indikator CHARGING akan menyala,
lalu lepaskan
- Atur kembali knob autotransformator hingga tegangan searah
E = 20 V
- Nyalakan saklar 53 indikator RUN akan menyala dan
indikator CHARGING akan padam. Pada keadaan ini alat 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 = 0 V
- Padamkan saklar autotransformator 51
- Padamkan saklar 52
- Padamkan saklar 53
113
·OAFTARKOMPONEN
Resistor:
R1 = 220 ohm
R2 = 100 ohm
R3 = 50 ohm
R4 = 100 ohm
R5 = 50 ohm
R6 = 220 ohm
R7 = 100 ohm
Ra = 220 ohm
R9 = 100/3 ohm/15W
R10 = 200 ohml
R11 R12 = 1013 ohm 19W
R21 R22 = 56 ohm/9W
R31 R32 = 22 ohm/3W
R4 1 R42 = 100 ohm
R51 R52 = 470 ohm
RP 1 RP2 = 64 ohm/3W
RA = 10 ohm
PA = 100 ohm
VR = 1k ohm
Daya resistor tanpa spesifikasi adalah 1/2 W
114
Kapasitor :
C1 = 4700 #J F/45V
C2 = 4700 #J F/45V.~
C3 = 4700 #J F/45V
C4 = 4700 #J F/45V
C5 = 10 #J F/16V
C6 = 10 #J F/16V
C7 = 1 #J F/25V
C8 = 1 #J F/25V
C9 = 4 #J F/300V
CF = 4000 #J F/250V
C = 0,8 #J F/8kV ( Kapasitor tangki )
Induktor
Ld 1 = 15 mH, 8A
Ld 2 = 15 mH, 8A
LF = 15 mH, lOA
L = 6 #JH ( koil pemanas )
Transistor
T11 T12 = 2SC 2562
T2 1 T2 2 = 2SA 1012
T3 1 T32 = 2N 2905
TD 1 TD2 = 2SC 3320
115
Dioda
JD1 = jembatan dioda 35 A /400V
JD2• JD3 = jembatan dioda 5A /100V
DS1• DS2 = IN 3892
DPl' DP2 = IN 3892
DAS 1• DAS2 = BA 158
D11• D12 .D21 J D22 = IN 4148
SCR = S 6089
Rangkaian Terintegrasi
IC1 = 7805
IC2 = 7905
IC3 = I-lA 760
IC4 = SN 7406
Indikator :
READY = LED
RUN = LED
CHARGING = lampu pijar 12 V
116
•
CHARGING
":'"
Oil
RIOSC R
IL d2
L
":'"
c
eFr-.:1
LFF3
TR,
+5'1 RZ
0
-5VR3
\C50HZ
J ~//:z0 "
I ,'1 READY
I ";", .
":'" ~ ~.t
F,
°Il
o ~~ i
(dA
fACSOH1·?20V
s,
""- ~ ; , ~
~"'-' .'1: Y
-
I
I
•.....:.
Gambar 5.13 Konstruksi alat
117
BAB VI
PENGJIAN ALAT DAN PEMBAHASAN6.1 Tujuan Pengujian
Pengujian alat bertujuan untuk membandingkan unjuk laku
alat yang telah dirancang dan dibuat, apakah sesuai dengan
analisa matematis. Pengujian alat
rangkaian daya dan meliputi :
dititikberatkan pada
- pengamatan bentuk gelombang tegangan pada transistor daya,
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
SUMBERTEGANGANSEARAH
1INVERTER V o
THERMOMETERTHERMOKOPEL
RANGKAIANKENDALl
Gambar 6.1 Rangkaian pengujian
118
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 .
.••. ; ;;tl -=-_._'~
in'---------
Gambar 6.2Bentuk gelombang tegangan transistor
Trace atas tegangan T0 1 20 V /div
Trace bawah tegangan T0 2 • 20 V /div
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. E (volt) 2Id (A) Vo (volt) 9 ( °c )
1 20 2,8 54 250
2 25 3,4 66 360
3 30 4,0 80 410
4 35 4,8 96 480
5 40 5,4 104
6 45 6,0 1 610
7 50 6,7 13 680
8 55 7,2 150 720
9 60 8,0 165 810
pada
Tabel 6.1 Hasil pengukuran hubungan sumber tegangan searah
(E), arus searahmasukan (2Id) dan temperatur pada
benda (9)
Gambar
temperatur 8100 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 diperlihatkan beberapa
bentuk gelombang yang dihasilkan. Bentuk-bentuk gelombang
ini adalah sesuai dengan yang diperkirakan secara teoritis.
Pada gambar-gambar tersebut tampak terjadi osilasi" ringing
". ketika kedua transistor berkomutasi. Osilasi" ringing
ini terjadi karena arus searah yang konstan dan kontinu dari
induktor searah Ld 1 dan Ld 2dipaksa mengalir secara mendadak
melalui tangki LC. Osilasi "ringing ini akan bertambah
besar dan akan terjadi spike tegangan tinggi (350V) pada
tangki LC apabila arus keluaran dari inverter tertinggal
phasa terhadap tegangan tangki LC. Sebab ketinggalan phasa
arus ini akan membuat impedansi tangki LC menjadi bersifat
induktif. sehingga aliran arus pada kedua induktor searah Ld 1
dan Ld 2 akan tertahan dan membangkitkan GGL balik (back EMF
) yang tampak sebagai spike tegangan tinggi tersebut. Dengan
mengatur potensiometer PA yang terdapat pada panel alat. arus
keluaran dari inverter dapat digeser (sekitar 22 0)
mendahului tegangan tangki LC sehingga impedansi tangki LC
akan bersifat kapasitif. Dengan demikian spike tegangan pada
tangki LC dapat dihilangkan karena arus pada kedua induktor
searah Ld 1 dan Ld 2 dapat mengalir ~engan lancar.
123
6.6.2 Hubungan Tegangan Arus dan Temperatur Benda
Perbandingan antara hasil pengukuran dengan
perhitungan diperlihatkan pada tabel berikut
'124
hasil
"
HASIL PENGUKURAN HASIL PERHlTUNGANNo. r-. A
I E (Volt.) 2Id (A) Pdc (IN) Vo (Volt.) e (OC) Vo (Vo 1 t) 2Id (A) P s ('w'l
1 20 2,8 56 54 250 62, 8 2,78 21, 92 25' 3,4 85 66 360 78, 5 3,ll7 ll3, 33 30 4,0 120 80 410 9ll, 2 ll, 17 56,24 35 ll, 8 168 96 480 109,9 ll, 86 78, 3
I5 llO 5,ll 216 lOll 550 125,7 5, 56 105,86 ll5 6,0 . 270 110 610 III 1, II 6, 25 1 3ll, 57 50 6,8 ·335 135 680 157, 1 6, 95 175,08 55 7,2 386 150 720 172,8 7,6ll 201, a9 60 8,0 480 165 810 188,5 8, 3ll 273,7
Tabel 6.2 Perbandingan has~l pengukuran dengan hasll perhIt.ungan
?dC = E x 2Id
P s = Pr .. PKv = daya panas pada benda yang d~dlsIpaslKan
Pr = daya radiaSl persarnaan (3-20)
PKv = day a Konveksi persarnaan (3-21)
Tegangan puncak tangki LC (Vo) yang dihitung berdasarkan
persamaan (3-23) adalah lebih besar sekitar 20% dari pada
hasil pengukuran. Penyimpangan ini terjadi, karen a dalam
rangkaian praktek arus keluaran d~ri inverter yang disalurkan
ketangki LC mempunyai fasa sekitar 22 0 mendahului tegangan
tangki LC, sehingga impedansi tangki ~C menjadi bersifat
kapasitif . Sedangkan dalam analisa matematis diasumsikan
bahwa arus keluaran dari inverter adalah sefasa dengan
tegangan tangki LC sehingga
resistif. Akibat perbedaan
impedansi tangki
impedansi 'tangki
LC
LC
bersifat
ini arus
konstan yang disalurkan ketangki LC ini akan menghasilkan
tegangan puncak yang berbeda.
Arus searah masukan (2Id) yang dihitung berdasarkan
persamaan (2-18) adalah sesuai denganhasil pengukuran
- Dari hasil pengukuran temperatur pada benda dapat dihitung
daya panas yang didisipasikan oleh benda berdasarkan
persamaan (3-20) dan (3-21). Diperoleh daya panas yang
didisipasikan oleh benda (Ps) adalah kira-kira setengah dari
ketelitian perhitungandaya masukan Tanpa menghiraukan
ini, hasil yang diperolehadalah sesuai dengan dengan
efisiensi koil pemanas yaitu 50 % ( dari hasil pengukuran
perubahan resistansi koil pemanas tanpa dan dengan benda
menggunakan jembatan resonansi )
125
Hasil perhitungan ini
tidak dapat digunakan untuk menentukan efisiensi keseluruhan
alat karena penyimpangannya terlalu besar.
126
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 dengan
sistim ac-dc-ac. yaitu
penyearah dan inverter.
menggunakan gabungan rangkaian
-Sebagai jantung dari alat ini adalah Inverter Transistor
Setengah Jembatan Tipe Sumber Arus. Konfigurasi rangkaian
inverter ini membentuk sebuah jembatan dan menggunakan
komponen transistor daya mode saklar sebagai saklar statis.
Analisa rangkaian yang digunakan dalam tulisan ini ditujukan
untuk menghitung besaran komponen yang diperlukan dalam
merealisasikan rangkaian. Deskripsi akurat tentang disipasi
daya yang terjadi pada transistor daya dan pembatasan
frekuensi kerja rangkaian inverter ini masih memerlukan
analisa lebih lanjut.
Hasil pengujian prototip alat yang selesai dirancang dan
direalisasikan memperlihatkan
- Transistor daya mode saklar (2SC 3320) yang digunakan pada
rangkaian inverter tidak panas pada proses pensaklaran yaitu
arus kolektor IC (ON) = 8A VCE (OFF) = 165 V • f
127
= 75 kHz.
Seeara kwalitatif hal ini menunjukkan efesiensi kerja
traansistor daya mode saklar pada rangkaian 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 memanaskan
sepotong grafit berbentuk balok persegi padat dengan ukuran
panjang 5,1 em lebar 3,2 em dan tebal 1.3em yang 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 kondisi
fisik radiasi. konveksi dan konduksi panas pada bend a tidak
dapat di tentukan dengan tel i ti. Untuk p enguku r an daya
keluaran pada koil pemanas dan benda kerja diperlukan alat
yang sesuai misalnya dengan kalorimeter.
128
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. AlEE Transaction,
vol.63, June 1944, p~273-278.
6. J . T. 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, Yacum .t.llh.e. Radio Frequency Generator
Charcteristic and Application LQ Induction Heating
Problems,AIEE Transactions, vol. 63 December 1944, p.
Coils.Heating
Frequency Heating ~
Westinghouse, John
and Hall Ltd.
1290-1303.
8. D. Venable and T.P Kinn, Radio
Industrial Electronics Reference Book,
Wiley and sons Inc., New York; Chapman
London, 1948, ch. 24.
9 G.H Brown, EfficiencY QL Induction
129
Wave and
FrequencyQ.f. H.igh
I. R. E and
Electronics, August. 1944 p. 124-129.
10 W.M Roberts, Problem in ~ Design
Heating Equipment, Proceeding of the
Electronics, July 1946, p. 489-500
11 W.F Peschel, !&ad. Power Matching Q.f. H.igh Frequency Power
Supllies !..Qz. Induction Heating .. IEEE Transactions on IA
"
vol.IA-16, no.3, May/ June 1974 , p. 351-359.
12 W.E Frank ~ Development in H.igh Frequency Power SQurce,
IEEE Transaction on IGA, for IGA-6, no. 1 Jan./ 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 Technology
Handbook. Technology Associates, April 15, 1982, p. 8-1
8-23 .
.I
130