PEMBUATAN SISTEM KONTROL DAN PROTEKSI UNTUK PENGUAT DAYA RF SIKLOTRON PROTON 13 MeV

Transkripsi

1 P r a j i t n o Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BATAN Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta prajit@batan.go.id ABSTRAK PENGUAT DAYA RF SIKLOTRON PROTON 13 MeV. Telah dilakukan analisis dan pembuatan sistem kontrol dan proteksi penguat daya RF yang digunakan untuk siklotron proton 13 MeV. Tujuan dibuatnya sistem kontrol dan proteksi ini adalah agar kinerja penguat daya rf optimum. Sistem proteksi dibuat berbasis mikrokontroler yang berfungsi mengatur waktu hidupnya switch tegangan tinggi dan memberikan informasi jika terjadi trip pada parameter operasi. Pada saat tegangan tinggi anode dihidupkan akan terjadi penarikan arus pengisian kapasitor filter yang sangat besar, oleh karena itu perlu dibuat proteksi agar diode penyearah tidak mengalami kerusakan karena harus melewatkan arus yang sangat besar. Dalam makalah ini dibahas analisis dan cara mengontrol dan memproteksi penguat daya rf agar dapat bekerja optimum. Dengan dibuatnya sistem kontrol dan proteksi ini, diharapkan penguat daya rf dalam melaksanakan fungsinya sebagai sumber daya pemercepat ion keandalannya dapat ditingkatkan Kata kunci: siklotron, kontrol, proteksi ABSTRACT CONTROL AND PROTECTION SYSTEM FOR RF POWER AMPLIFIER OF THE 13 MeV CYCLOTRON PROTON. Analysis and manufacture of control systems and protection of RF power amplifier used for 13 MeV proton cyclotron has been done. Purpose of making the control and protection system in order that performance of rf power amplifier can be optimum.. Protection system is based on microcontroller which controls a high voltage switches and provide information in the event of trip on operating parameters. When the anode high voltage switch turned on will draw very large currents for charging capacitor filter, therefore it needs to be made protection in order to protect against damage to the rectifier diode which should flow very large currents. This paper discussed analysis and how to control and protect the rf power amplifier in order to work optimally. With manufacture of control and protection system, rf power amplifier is expected in performing its function as a ion accelerator and reliability can be improved Key words: cyclotron, control, protection PENDAHULUAN Sesuai dengan Rencana Stratejik PTAPB- BATAN , saat ini PTAPB sedang melaksanakan program pengembangan dan rancang bangun akselerator partikel bermuatan. Dalam program tersebut salah satu kegiatannya adalah rancang bangun siklotron proton 13 MeV untuk produksi radio isotop. Salah satu bagian penting dari siklotron adalah sistem RF yang akan digunakan sebagai sumber tegangan bolakbalik pemercepat ion. Sistem rf yang dikembangkan di PTAPB terdiri dari pembangkit frekuensi dengan teknik Direct Digital Synthesizer (DDS), penguat pendorong menggunakan transistor LDMOS dan penguat daya RF 10 kw menggunakan tabung elektron jenis triode dengan teknik grounded grid. Melalui program penelitian tahun 2011 yang dibiayai melalui DIPA PTAPB telah dibuat pembangkit frekuensi DDS dan penguat pendorong dengan LDMOS, sedangkan penguat daya rf direalisasikan dengan biaya DIPA 2012 dan program insentif PKPP Ristek. Guna mendukung bekerjanya penguat daya rf, telah dibuat sistem kontrol dan proteksi yang tujuannya untuk meningkatkan keandalan dan keamanan operasi penguat daya rf sehingga kinerja penguat daya rf optimum Pada makalah ini disajikan hasil analisis yang direalisasikan dalam bentuk modul dan board 48

2 Volume 14, Nopember 2012 ISSN elektronik dan terintegrasi menjadi sistem kontrol dan proteksi. Dari hasil pengujian sistem sudah dapat berfungsi dengan baik sesuai dengan harapan. TEORI Tabung Triode Di dalam tabung trioda terdapat tiga buah elektroda, yaitu: katoda, anoda dan grid (Gambar 1) [1]. Dalam operasinya katoda harus dipanaskan oleh filamen agar elektron-elektron yang berada di dalamnya mudah terlepas. Kemudian anoda diberi tegangan positif Tabel 1. Kebutuhan aliran udara tabung 3CX15000A7. Anode Diss. (watts) SEA LEVEL Air flow (cfm) Approx. Press. Drop (In H 2 O) FEET Air flow (cfm) Approx. Press. Drop (In H 2 O) 5, , , , Catu Daya Anoda Pada Gambar 2 ditampilkan penyearah 3 fase model bridge yang digunakan untuk catu daya tegangan tinggi anoda. Gambar 1. Tabung triode. Agar mampu menarik elektron-elektron yang terlepas itu. Selanjutnya grid diletakkan di antara katoda dan anoda yang berfungsi untuk mengendalikan jumlah elektron yang mengalir dari katoda ke anoda. Penguat daya rf untuk siklotron proton 13 MeV yang dibuat PTAPB menggunakan tabung triode tipe 3CX15000A7 buatan EIMAC, dengan tegangan anoda ±7000 V dc dan filamen 6,3 V ac. Maksimum tingkat suhu untuk permukaan luar tabung 3CX15000A7 adalah C. Untuk mempertahankan suhu inti anoda (anode core) dan seal keramik/metal di bawah C. Pendingin udara yang cukup pada permukaan terpaksa harus disediakan. Umur penggunaan tabung biasanya dapat jangka lama jika daerah ini dipelihara pada suhu di bawah maksimum rating. Minimum aliran udara diperlukan untuk mempertahankan suhu inti anoda dan seal di bawah C dengan aliran udara masuk 50 0 C seperti pada Table 1. [2] Aliran udara harus diterapkan sebelum atau bersama-sama dengan tegangan elektroda termasuk filamen dan secara normal harus dipelihara untuk perioda pendek setelah semua tegangan dilepas agar tabung menjadi dingin. Gambar 2. Penyearah 3 fase model bridge Setiap waktu catu daya diaktifkan dan andaikan kapasitor filter telah dikosongkan, penyearah harus memandang ke dalam yang merepresentasikan hubung singkat. [3] Perlindungan lonjakan arus (surge protection) diperlukan untuk melindungi diode sampai kapasitor menjadi mendekati terisi (charged), kecuali diode yang digunakan mempunyai very high-current rating (beberapa ratus ampere). Meskipun resistansi dc sekunder transformator kadang-kadang dapat diandalkan untuk dapat membatasi surge-current, tetapi ini jarang benar pada catu daya tegangan tinggi. Resistor seri dapat dipasang diantara sekunder transformator dan penyearah, tetapi jadi penghalang untuk pengaturan tegangan yang baik. Metoda perlindungan penyearah yang paling baik adalah menerapkan tegangan rendah pada primer transformator untuk perioda yang singkat (0,5 2 detik) sampai kapasitor diisi (charged), setelah kapasitor terisi tegangan penuh dapat diterapkan. SWR Meter & RF Power Meter Standing wave ratio disingkat SWR kadangkadang disingkat dengan nama VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). Bila impedansi saluran transmisi tidak sesuai dengan beban maka akan timbul daya refleksi (reflected power) pada saluran yang berinterferensi dengan daya maju (forward 49

3 power). Interferensi ini menghasilkan gelombang berdiri (standing wave) yang besarnya tergantung pada besarnya daya refleksi. VSWR didefinisikan sebagai perbandingan tegangan maksimum dan tegangan minimum gelombang berdiri pada saluran transmisi : VSWR = V max /V min SWR Meter & RF Power Meter bekerja atas prinsip kerja directional coupler. Directional coupler terdiri dari saluran transmisi dan sepotong kawat yang sejajar dengan saluran utama. Kawat tersebut membentuk saluran sekunder yang menghasilkan tegangan yang sebanding dengan daya dari saluran utama. Untuk dapat menghasilkan tegangan maju dan mundur secara terpisah pada directional coupler dipakai kawat yang terpisah (Gambar 3). Gambar 3. Directional coupler. Tegangan yang dihasilkan directional coupler berupa tegangan bolak-balik dengan frekuensi tinggi. Untuk menyearahkan tegangan tersebut dibutuhkan dioda dengan kemampuan menangani frekuensi tinggi. Directional coupler yang dilengkapi penyearah dan kapasitor, tegangan DC yang dihasilkan dapat memberikan informasi sebagai SWR Meter atau Power Meter. TATA KERJA Bahan dan Alat Penelitian Bahan dan alat yang digunakan dalam penelitian pembuatan kontrol dan proteksi penguat daya rf adalah sebagai berikut : Bahan : 1. Magnetic contactor 2. Komponen elektronik IC, resistor, kapasitor, diode, 3. Transformator untuk catu daya ±15 V 4. Kabel untuk wiring 5. Modul mikrokontroller Alat : 1. Oscilloscope 2. Digital Multimeter 3. Tool-set 4. Soldering Iron Susunan Sistem Kontrol dan Proteksi Penguat Daya RF Pembuatan sistem kontrol dan proteksi penguat daya rf dengan blok diagram seperti terlihat pada Gambar 4, dengan algoritma sebagai berikut : 1. Switch filamen dihidupkan (ON) 2. Tunggu (count down) 200 detik. 3. Apabila waktu tunggu sudah mencapai 0 dan tegangan filamen serta blower bekerja normal, maka switch HV dapat dihidupkan 4. Traformator tegangan tinggi (HV) akan menerima tegangan di bawah tegangan kerjanya karena tegangan catu 3 fase diseri resistor. 5. Setelah ± 2 detik kapasitor filter tegangan tinggi terisi (charged) resistor dihubung singkat sehingga trafo HV menerima tegangan normal. 6. Apabila terjadi trip dari salah satu parameter operasi yang ditandai dengan lampu indikator trip menyala, maka magnetic contactor HV akan off. 7. Untuk mengembalikan pada kondisi normal dilakukan dengan menekan tombol reset. Gambar 4. Blok diagram sistem kontrol dan proteksi penguat daya rf. 50

4 Volume 14, Nopember 2012 ISSN HASIL DAN PEMBAHASAN Modul Kontrol dan Proteksi Sistem kontrol dan proteksi penguat daya rf untuk siklotron proton 13 MeV telah selesai dibuat. Modul kontrol dan proteksi berbasis mikrokontroler dibuat dengan standar rack 19 dengan tata letak tampilan panel depan sebagai tertampil pada Gambar 5. Panel depan modul kontrol dan proteksi penguat daya rf seperti terlihat pada Gambar 5, terdapat switch on/off, meter analog, tombol, konektor, tampilan LCD dan LED dengan penjelasan fungsi sebagai berikut : 1. Switch untuk mengaktifkan magnetic contactor filamen dan blower Pada saat switch posisi on, pada layar LCD akan tertampil Wait 200 sec. yang artinya harus menunggu 200 detik untuk dapat menghidupkan switch HV. Tampilan 200 sec akan count-down sampai 0 detik. 2. Switch untuk mengaktifkan magnetic contactor tranformator tegangan tinggi. Setelah count-down mencapai 0 detik, switch HV bisa dihidupkan jika semua lampu LED dalam keadaan padam. Apabila lampu LED ada yang menyala berarti terjadi trip, kondisi ini dapat dinormalkan dengan menekan tombol reset. Kalau tombol reset sudah ditekan tetapi lampu LED tetap ada yang menyala berarti terjadi permasalahan dari parameter proses penguat daya rf. 3. Konektor DB-9 keluaran RS-232 Keluaran RS-232 selalu mengirim data parameter proses dengan kecepatan 9600 bps, sehingga dapat ditampilkan di layar komputer bila diperlukan. 4. Tombol reset trip Tombol reset digunakan untuk mengenbalikan trip pada kondisi normal. 5. Switch pemilih tampilan daya rf Switch digunakan memilih daya rf yang akan ditampilkan pada meter yaitu daya forward atau reflected 6. Tombol push-on untuk mengatur menu pilihan dan setting nilai batasan trip. Dua tombol sebelah kiri digunakan untuk mengatur nilai parameter atau batasan operasi, sedangkan dua tombol sebelah kanan untuk memilih menu parameter operasi yang akan diatur (set) nilainya. 7. Liquid Crystal Display (LCD) untuk menampilkan timer count-down dan pengaturan parameter batasan operasi. 8. Lampu LED untuk memberikan informasi jika terjadi trip 9. Meter analog untuk mengukur arus grid 10. Meter analog untuk mengukur arus anoda 11. Meter analog untuk mengukur daya rf forward atau reflected. Gambar 5. Tampilan panel depan modul kontrol dan proteksi penguat daya rf. Board Waktu Tunda Relay Waktu tunda untuk membatasi surge-current terdiri dari IC inverter CD4069, kapasitor (C) dan resistor (R). Lamanya waktu tunda tergantung dari nilai C dan R yang membentuk konstanta waktu. Keluaran dari IC inverter digunakan untuk menghidupkan transistor C1815 yang digunakan menggerakkan relay. Kontak relay tersebut digunakan untuk mengaktifkan magnetic contactor. Gambar lengkap board tunda seperti ditampilkan pada Gambar 6. 51

5 Gambar 6. Rangkaian elektronik dan tata letak komponen board waktu tunda relay SWR meter. Gambar 7. Rangkaian SWR/Power meter. Tegangan hasil deteksi daya rf arah maju (forward) atau arah balik (reflected) disearahkan menggunakan diode jenis germanium. Tujuan penggunaan diode germanium adalah agar amplitudo tegangan dc yang hilang kecil, hal ini dikarenakan sifat dari diode germanium yang mempunyai tegangan maju antara 0,1 0,2 V. Tegangan forward dan reflected selanjutnya menjadi masukan dari modul kontrol dan proteksi untuk ditampilkan pada meter analog dan juga dibandingkan dengan nilai referensi trip. Pengukuran Suhu Dalam mengoperasikan penguat daya rf, panas yang terjadi pada udara pendingin dibatasi tidak boleh lebih dari 50 0 C. Oleh karena itu pada daerah penala masukan rf dipasang detektor suhu menggunakan LM-35 buatan National Instrument dengan catu daya 12 V dc. LM-35 adalah rangkaian sensor suhu terintegrasi, linier dan presisi dengan fitur mv/ 0 C. [5] Sehingga untuk mendeteksi suhu 50 0 C akan diperoleh tegangan keluaran dari LM-35 sebesar 500mV. Tegangan keluaran LM-35 ini akan dibaca oleh mikrokontroler dan ditampilkan pada layar LCD. Apabila suhu pendingin penguat RF melebihi 50 0 C penguat daya RF akan diamankan karena dianggap aliran udara pendingin tidak memenuhi syarat. Gambar 8. Sensor suhu LM

6 Volume 14, Nopember 2012 ISSN Rangkaian Kontrol dan Proteksi Rangkaian lengkap sistem kontrol dan proteksi penguat daya rf yang terdiri dari: MCB 3 fase, MCB 1 fase, magnetic contactor (SK-24, SK- 11, SK-25), board delay relay dan modul mikrokontroler, ditampilkan pada lampiran Gambar 9. Prinsip kerja dari sistem kontrol dan proteksi adalah sebagai berikut: 1. MCB 3 fase dihidupkan (ON), modul kontrol dan proteksi menerima tegangan 220 Vac. 2. Switch filamen pada modul kontrol dan proteksi dihidupkan (ON), pada tampilan LCD akan muncul tulisan wait 200 sec dan akan mencacah turun sampai 0 sec. 3. Tranformator filamen dan blower menerima catu tegangan 220 Vac. 4. Apabila tidak ada lampu LED trip yang menyala, berarti dapat dilanjutkan menghidupkan switch HV, tetapi bila lampu LED trip ada yang menyala tombol reset harus ditekan. 5. Apabila tombol reset sudah ditekan tetapi lampu LED trip masih menyala berarti ada masalah dengan parameter operasi. 6. Setelah switch HV dihidupkan (ON), magnetic contactor SK-11 akan aktif dan tranformator tegangan tinggi akan memperoleh catu tegangan Vac yang diseri dengan resistor 3 10 Ω/20 W selama ~2 detik untuk pengisian awal kapasitor filter, setelah itu magnetic contactor SK-24 akan aktif untuk mencatu tranformator tegangan tinggi. 7. Apabila pada saat operasi terjadi trip, maka catu tegangan dari modul kontrol dan proteksi yang digunakan untuk mengaktifkan magnetic contactor HV akan mati (OFF). 8. Magnetic contactor HV dapat diaktifkan lagi setelah trip yang terjadi diperbaiki. KESIMPULAN Telah selesai dibuat dan diuji coba sistem kontrol dan proteksi untuk mendukung bekerjanya penguat daya rf siklotron proton 13 MeV. Secara keseluruhan sistem sudah berfungsi dengan baik. Dari hasil pengujian waktu tunggu pemanasan filamen dapat diprogram sesuai keinginan, tetapi pengaturan awalnya (default) adalah 200 detik, sedangkan waktu tunda relay agar magnetic contactor untuk transformator tegangan tinggi adalah ~2 detik. UCAPAN TERIMA KASIH Dengan selesainya pembuatan prototip sistem kontrol dan proteksi penguat daya rf ini, disampaikan ucapan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada rekan-rekan komunitas IQED khususnya Sdr. Wardhana N. atas masukan dan ideide dalam merealisasikan menjadi prototip. DAFTAR PUSTAKA [1] WHITAKER, JERRY C., Power Vacuum Tubes Handbook, 2nd Edition. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000 [2] Technical Data 3CX15000A7, EIMAC division of varian, California 94070, USA [3] The ARRL Handbook For Radio Communications, Eighty-Fourth Edition, Published By: ARRL the national association for Amateur Radio, Newington, CT USA [4] RICHARD C. DORF, The Electrical Engineering Handbook Series, Second Edition, Copyright 2005 by Taylor & Francis Group [5] LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors, Literature Number: SNIS159B, November 2000, diunduh Agustus TANYA JAWAB Saminto Kenapa sistem proteksi ini menggunakan IC Mikrokontroller, apa keuntungannya? Dapatkah sistem proteksi dibangun menggunakan full hardware? Misal dengan gerbang-gerbang TTL atau CMOS? Bagaimana sistem pengaman untuk IC mikrokontroler jika terjadi surge atau terjadi over voltage input (sumber daya)? Agar parameter operasi/trip dapat diprogram nilainya sesuai dengan kebutuhan Pada prinsipnya bisa menggunakan fullhardware, tetapi untuk mengubah nilai batasan trip lebih sulit Pengamanan untuk IC mikrokontroler jika terjadi surge diproteksi dengan memasang varistor pada trafo catu dayanya 53

7 Lampiran 1. Gambar 9. Rangkaian Sistem Kontrol dan Proteksi. 54