ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER

Transkripsi

1 ISSN Volume 3, Januari 202 ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER Saefurrochman dan Suprapto Puat Teknologi Akelerator dan Proe Bahan-BATAN, Yogyakarta Jln. Babarari Kotak Po 60 ykbb Yogyakarta _romanky@yahoo.com, praptowh@batan.go.id ABSTRAK ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER. Analia hail uji rangkaian pengendali SCR untuk catu daya nitridai plama double chamber telah dilakukan. Analia hail uji dilakukan untuk mengetahui dan memvalidai kinerja rangkaian pengendali SCR. Metode pengujian merupakan metode pengukuran langung yang meliputi uji kinerja rangkaian oilator dan SCR. Hail analia rangkaian oilator dengan komponen utama UJT 2646 dan trafo OT 240 pada rangkaian pengendali SCR telah berfungi baik. Hal ini terlihat dengan terbentuknya tegangan Vcc 4 V ebagai indikai inyal pula untuk mengaktifkan gate pada SCR dan pada aat tegangan Vcc 2 V (makimum) inyal pula mendekati penuh. Sinyal pula ini elanjutnya digunakan untuk mengaktifkan gate SCR ehingga tegangan luaran SCR dapat terkendali. Sedangkan untuk SCR yang dipaang pada rangkaian doubler juga telah berfungi baik. Dengan indikai timbulnya tegangan pada ii luaran rangkaian doubler hampir dua kali daripada tegangan maukannya. Penambahan waktu uji (operai) dan penambahan aru beban ebanding dengan uhu SCR. Kata kunci: rangkaian pengendali SCR, nitridai plama double chamber ABSTRACT ANALYSIS OF SCR CONTROL CIRCUIT TESTING FOR POWER SUPPLY DOUBLE CHAMBER PLASMA NITRIDING. Analyi of cr control circuit teting for power upply double chamber plama nitriding ha been performed. Analyi of teting wa carried out to find out and validate the performance of the SCR control circuit. The teting method i direct meaurement conit of ocillator circuit and SCR performance tet. The analyi of ocillator circuit with main component of OT UJT 2646 and OT 240 tranformer on the SCR control circuit wa functioning properly. Thi can be een with the formation of the 4 V voltage Vcc a an indication pule ignal to activate the gate on the SCR and at 2 V Vcc voltage (max) pule ignal i almot full. Thi pule ignal will be ued to activate the SCR gate o that the SCR ouput voltage can be controlled. For SCR that intalled on the doubler circuit, they are functioning properly too. The indication i the voltage on the output ide of the doubler circuit i almot twice a the input ide. The addition of tet time (operation time) and the addition of the load current i proportional to the temperature of SCR. Keyword: SCR control circuit, double chamber plama nitriding. PENDAHULUAN P ada proe perlakuan permukaan (urface treatment) baik komponen mein maupun alatalat permeinan (tool teel) dengan teknologi nitridai plama elalu menggunakan catu daya. Catu daya ini digunakan untuk membangkitkan plama yaitu mengioniai atom-atom nitrogen menjadi paangan ion dan elektron. Kemudian ion-ion nitrogen didepoiikan ke permukaan logam dan elanjutnya berdifui. Ada 2 (dua) jeni catu daya yang dapat digunakan yaitu catu daya DC tegangan tinggi dan catu daya AC (radio frekueni/rf). Pada perangkat nitridai ini dipilih catu daya DC dengan pertimbangan lebih ederhana dan dapat menghailkan daya yang lebih bear ehingga untuk mencapai uhu aat proe nitridai tidak memerlukan pemana. Rancangbangun catu daya DC ini didaarkan perhitungan awal tegangan breakdown dan aru untuk perangkat nitridai plama double chamber [], ehingga ditentukan catu daya dengan tegangan 2 kv dan daya 20 kw. Berdaarkan deain detil terebut maka aru catu daya adalah 0 A dan parameter catu daya yang direncanakan diajikan pada Tabel [2]. 40 Proiding Pertemuan dan Preentai Ilmiah Teknologi Akelerator dan Aplikainya Vol. 3, Januari 202 : 40-48

2 Volume 3, Januari 202 ISSN Tabel. Parameter catu daya perangkat nitridai plama double chamber. Parameter Catu Daya Keterangan Tegangan V Aru 0-0 A Efiieni 0.8 Ripel 5% Untuk mewujudkan item catu daya terebut, maka diperlukan kema catu daya eperti yang diajikan pada Gambar. Pada kema terlihat bahwa catu daya berbai tranformator 3 phae dengan pelipat tegangan berupa rangkaian doubler. Tranformator terebut terdiri dari 3 buah tranformator phae yang dihubung bintang di ii primernya, edangkan rangkaian doubler menggunakan SCR yang berfungi ebagai penyearah dan pengatur tegangan erta kapaitor ebagai penapi (filter). Keluaran catu daya ini merupakan aru earah (DC) dan bear tegangan dapat diatur dengan mengatur aru gate dari SCR. Rangkaian pengendali SCR berupa rangkaian oilator yang memberikan inyal trigger pada kaki gate SCR dan inyal terebut akan mengaktifkan SCR ampai kondii yang ditentukan. Pada catu daya ini menggunakan 2 (dua) buah SCR untuk tiaptiap phae yang nantinya akan dipicu oleh oilator agar menghailkan keluaran phae poitif dan phae negatif. SCR yang digunakan adalah tipe CR8 U02JY yang mampu mengatur aru ampai 50 A. DASAR TEORI Rangkaian doubler [3] Rangkaian doubler merupakan rangkaian penyearah etengah gelombang yang dapat menaikkan tegangan ebear dua kali dari maukannya. Namun aru yang dihailkan berubah menjadi etengah dari maukannya. Rangkaian doubler diajikan pada Gambar 2. Rangkaian doubler perangkat nitridai plama double chamber terdiri dari enam buah egmen, dengan dua buah egmen mewakili atu phae. Maing-maing egmen terdiri dari kapaitor dan SCR. SCR digunakan untuk menggantikan dioda (ebagai penyearah) dan ekaligu untuk mengatur tegangan luaran yang diatur dengan memvariai maukan gate SCR. Gambar. Skema catu daya perangkat nitridai plama double chamber. ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER. Saefurrochman, dkk 4

3 ISSN Volume 3, Januari 202 nc Veg = (6) V 2 c Gambar 2. Rangkaian doubler. SCR (Silicon Controlled Rectifier) [4] SCR merupakan komponen penyearah yang dapat diatur keluarannya. Simbol dari SCR diajikan pada Gambar 3. Gambar 3. Simbol SCR. Prinip kerja SCR yaitu dengan aru gate I g yang emakin bear, maka tegangan breakover-nya (V bo ) menjadi turun. Tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Agar SCR tetap ON maka aru forward dari anoda menuju katoda haru berada di ata aru holdingnya. Sekali SCR mencapai keadaan ON, maka elamanya akan ON. Untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat aru anoda-katoda turun dibawah aru I h (holding current). Kapaitor [5] Untuk menghitung kebutuhan kapaitor pada rangkaian doubler, dibutuhkan peramaan () ampai dengan peramaan (8) V I V V eg = () 6 I eg = I (2) R = (3) C = (4) r f R 2 3 xc C 2 = nc C c (7) eg nc p = (8) C dengan V adalah tegangan ekunder (V), I aru ekunder (A), V eg tegangan tiap egmen (V), I eg aru tiap egmen (A), R tahanan beban (Ω), C kapaitani kapaitor (F), f frekueni jala-jala (Hz), r faktor ripel, C eg kapaitani tiap egmen (F), V c tegangan kapaitor yang digunakan (V), C c kapaitani kapaitor yang digunakan (F), nc jumlah eri kapaitor, C kapaitani kapaitor eri (F) dan nc p jumlah paralel kapaitor. Rangkaian oilator [6] Oilator merupakan uatu rangkaian yang berfungi untuk menghailkan pembangkit gelombang pula. Pada catu daya nitridai plama rangkaian oilator digunakan untuk memberikan trigger pada gate SCR, dengan memberikan inyal trigger pada SCR maka tegangan dapat diatur euai dengan kebutuhan. Rangkaian oilator yang digunakan pada catu daya ini diajikan pada Gambar 4. TATA KERJA Deain dan kontruki rangkaian doubler Deain rangkaian doubler mengacu pada kema catu daya perangkat nitridai plama double chamber. Berdaarkan kema terebut, terdapat tiga buah rangkaian doubler. Tiap rangkaian doubler terdiri dari dua egmen, dengan maing-maing egmen diwakili oleh atu buah SCR dan atu unit kapaitor. Perhitungan jumlah kapaitor didaarkan oleh peramaan () ampai (8). Langkah elanjutnya adalah mengkontruki rangkaian doubler untuk maing-maing phae. SCR dan kapaitor dirakit dalam atu papan yang terbuat dari pertinek, dengan kaki komponen dihubungkan menggunakan kawat tembaga. Untuk menjaga agar tegangan maing-maing kapaitor ama bear, maka dipaang reitor ecara paralel ebagai pembagi tegangan. C eg =6 C (5) 42 Proiding Pertemuan dan Preentai Ilmiah Teknologi Akelerator dan Aplikainya Vol. 3, Januari 202 : 40-48

4 Volume 3, Januari 202 ISSN Gambar 4. Skema rangkaian oilator. Gambar 5. Skema uji kinerja rangkaian oilator. Deain dan kontruki rangkaian oilator Rangkaian oilator ini terdiri dari tiga bagian meliputi umber tegangan, rangkaian relakai UJT dan trafo iolai. Pembangkit gelombang dengan oilator membutuhkan umber tegangan DC untuk membentuk gelombang pula. Rangkaian pembangkit gelombang ini merupakan rangkaian relakai UJT yang terdiri dari komponen paif eperti reitor, kapaitor, potenio, trimpot dan komponen aktif yaitu UJT 2N2646. Sinyal luaran dari rangkaian ini adalah egitiga. Sinyal luaran ini ebagai maukan trafo iolai dan luaran trafo iolai ebagai trigger gate SCR. Trafo iolai ini dibuat dengan trafo OT 240 yang dimodifikai agar mampu menahan tegangan ebear 3 kv untuk mengiolai rangkaian oilator terhadap tegangan luaran catu daya yang bearnya 2 kv. Dengan modifikai iolai trafo OT 240 yang mampu menahan tegangan 3 kv agar lebih aman jika dioperaikan pada tegangan luaran catu daya ebear 2 kv. Uji kinerja rangkaian oilator Uji kinerja rangkaian oilator dilakukan dengan mengamati perubahan phae tegangan luaran trafo iolai. Pengamatan dilakukan dengan oilokop, dengan cara membuat variai tegangan maukan akan didapatkan perubahan pada tegangan luaran. Tabel 2 menunjukan bahan dan alat-alat pendukung untuk membantu proe uji kinerja rangkaian oilator yang dibuat dengan komponen utama UJT 2646 dan trafo OT 240. Tabel 2. Bahan dan alat-alat pendukung uji kinerja rangkaian oilator Jumla Jumla Bahan Alat h h Kabel Trafo A Rangkaian Trafo 2 A oilator Potenio 50 kω Oilokop Multimeter analog ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER. Saefurrochman, dkk 43

5 ISSN Volume 3, Januari 202 Untuk memudahkan pengujian ini, maka dibuat kema uji kinerja rangkaian oilator yang diajikan pada Gambar 5. Uji kinerja SCR Uji kinerja SCR dilakukan untuk mengetahui kemampuan rangkaian SCR bila digunakan dalam waktu yang cukup lama. Hal itu dilakukan dengan mengamati perubahan uhu terhadap penambahan waktu operai dan kenaikan aru beban. Uji ini dilakukan ebanyak enam kali etiap jeda waktu 30 menit dengan mengukur daya luaran SCR yang dibebani 2 (dua bela) lampu bolam yang diuun ecara paralel eperti yang diajikan pada Gambar 5. Pengujian juga dilakukan dalam dua tahap yaitu tahap pertama pengujian menggunakan aru 5A dan tahap kedua dengan aru 6 A pada tegangan maukan dan luaran yang ama yaitu 60 V dan 00 V. Aru beban diatur dengan memutar potenio. Bahan dan alat-alat pendukung untuk membantu proe uji kinerja SCR diajikan pada Tabel 3 dan kema uji kinerjanya diajikan pada Gambar 6. Tabel 3. Bahan dan alat-alat pendukung uji kinerja SCR. Bahan Jumlah Alat Jumlah Kabel Trafo A Rangkaian oilator Trafo 5 A Potenio Pengukur 50 kω uhu digital Rangkaian Multimeter 2 kapaitor analog Lampu Rangkaian 2 bolam SCR HASIL DAN PEMBAHAS AN Hail kontruki rangkaian doubler Tipe kapaitor yang digunakan dalam pembuatan rangkaian doubler ini adalah kapaitor elektrolit dengan nilai 80 V/0000 µf. Berdaarkan nilai dari kapaitor terebut dan peramaan () ampai (8), diperoleh peifikai tekni kapaitor untuk rangkaian doubler yang diajikan pada Tabel 4. Untuk mendinginkan SCR akibat daya terdiipai yang terjadi dipaang heatink eperti diajikan pada Gambar 7. Gambar 6. Skema uji kinerja SCR. Tabel 4. Speifikai tekni kapaitor untuk rangkaian doubler. No. Parameter Lambang/Notai Nilai/Jumlah. Tegangan tiap egmen V eg 350 V 2. Aru tiap egmen I eg 0 A 3. Jumlah eri kapaitor nc 9 4. Jumlah paralel kapaitor nc p 7 5. Jumlah kapaitor tiap egmen nc Jumlah kapaitor total nct Proiding Pertemuan dan Preentai Ilmiah Teknologi Akelerator dan Aplikainya Vol. 3, Januari 202 : 40-48

6 Volume 3, Januari 202 ISSN tegangan (tinggi) pula makin naik dan akan mencapai kejenuhan dan turun kembali. Hal ini diebabkan catu daya oilator UJT adalah bentuk pula hail penyearahan gelombang penuh dari trafo dengan dioda tanpa filter kapaitor. Pada kondii tegangan V cc 2 V, tegangan pula mulai menurun dan pola ini euai pola tegangan catu daya oilator. Gambar 7. Kontruki rangkaian doubler. Hail uji rangkaian oilator Rangkaian oilator UJT 2646 tidak diberi catu daya tegangan DC ebagai V cc melainkan dengan catu daya pula hail penyearahan gelombang penuh dari trafo dengan dioda tanpa filter kapaitor, bentuk pula catu daya ini diajikan pada Gambar 8. Gambar 8. Bentuk pula catu daya oilator UJT Pengujian rangkaian oilator dimulai dengan pengujian iklu etengah poitif yang hailnya diajikan pada Tabel 5. Dari hail terebut makin tinggi tegangan maukan makin bear tegangan luaran. Sinyal pula pertama ebear V dibangkitkan pada tegangan V cc ebear 4 V. Sinyal pertama inilah yang mulai digunakan untuk mengaktifkan gate SCR ehingga ada luaran tegangan dari SCR. Makin bear tegangan V cc yang diberikan pada rangkaian oilator UJT maka makin banyak pula yang terbentuk. Pada tegangan V cc 0 V jumlah pula bertambah banyak dan makin cepat. Hal ini berarti pada kondii tegangan V cc makin bear kapaitor (C 2 ) pada rangkaian oilator UJT (Gambar 4) mulai cepat melakukan pengiian dan pengoongan ehingga pula yang terbentuk makin banyak. Diamping itu, Hail uji kinerja SCR Hail uji kinerja SCR dengan beban lampu diajikan pada Tabel 6 dan 7. Pada pengujian ini V in merupakan tegangan luaran tranformator yang bertindak ebagai maukan SCR, edangkan V out tegangan luaran rangkaian doubler. Dari tabel 6 dan 7 teraji bahwa SCR berama dengan kapaitor ebagai pelipat tegangan (doubler) telah berfungi dengan baik. SCR bekerja (on) etelah mendapat tegangan trigger dari oilator, ehingga aru mengalir dari anoda ke katoda dan membawa muatan untuk diimpan pada kapaitor. Hal ini menyebabkan tegangan luaran pada pelipat menghailkan tegangan hampir dua kali lipat dibandingkan dengan tegangan maukan. Dengan tegangan maukan ebear 60 V menghailkan tegangan luaran ebear 00 V. Penambahan aru beban (diindikaikan nyala lampu yang emakin terang) menyebabkan tahanan pada filamen emakin bear. Berdaarkan hukum ohm, kenaikan aru dan tahanan mengakibatkan tegangan pada luaran rangkaian doubler meningkat. Namun berdaarkan pengukuran, tegangan luaran rangkaian doubler tetap 00 V. Hal ini terjadi karena kekurangtelitian dalam pembacaan alat ukur, karena alat ukur yang digunakan adalah alat ukur analog. Range perubahan tegangan di bawah V, tidak bia diamati dengan jela. Selain itu penambahan aru menyebabkan kenaikan daya pada SCR. Daya terebut menyebabkan diipai pana pada SCR. Dari hail pengujian tahap pertama terlihat bahwa penambahan waktu uji mempengaruhi perubahan uhu pada SCR. Pengujian elama 2,5 jam menaikkan uhu SCR dari 30,2 ⁰C hingga 43 ⁰C. Kenaikan uhu terhadap waktu memenuhi peramaan y = 0,062 x + 35,54 dengan R 2 = 0,507. Begitu juga pada pengujian tahap kedua, uhu pada SCR juga naik eiring dengan penambahan waktu uji. Suhu SCR meningkat dari 30,8 ⁰C hingga 45,2 ⁰C dan memenuhi peramaan y = 0,076 x + 36,53 dengan R 2 = 0,563. Suhu pada SCR akan teru meningkat hingga tabil pada nilai tertentu. ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER. Saefurrochman, dkk 45

7 ISSN Volume 3, Januari 202 Tabel 5. Hail pengujian iklu etengah poitif oilator Tegangan V cc Tegangan luaran Sinyal pula 0 V 0 0 Grafik inyal luaran V V V 0.6 v 0 4 V.4 v 5 V 2 v 6 V 2 v 2 7 V 3 v 2 8 V 4 v 2 9 V 4 v 2 0 V 4 v 3 V 6 v 5 2 V 8 v 7 46 Proiding Pertemuan dan Preentai Ilmiah Teknologi Akelerator dan Aplikainya Vol. 3, Januari 202 : 40-48

8 Volume 3, Januari 202 ISSN Tabel 6. Hail uji kinerja SCR terhadap waktu tahap (aru 5 A). V in (V) V out (V) I (A) Waktu (menit) T (⁰C) Intenita lampu Redup Redup Redup Redup Redup Redup Tabel 7. Hail uji kinerja SCR terhadap waktu tahap 2 (aru 6 A). V in (V) V out (V) I (A) Waktu (menit) T (⁰C) Intenita lampu Terang Terang Terang Terang Terang Terang Pada pengujian tahap kedua menggunakan aru 6 A, uhu SCR relatif lebih tinggi dibandingkan percobaan tahap pertama. Karena aru beban makin bear, maka aru yang dilewatkan melalui SCR makin bear dan menyebabkan daya terdiipai pada SCR makin bear ehingga menyebabkan kenaikkan uhu. Kenaikkan aru ini juga dapat dilihat nyala lampu (lampu ebagai beban) makin terang eperti yang diajikan pada Gambar 9. Gambar 9. Uji kinerja SCR KESIMPULAN Dari analia hail uji imulai rangkaian pengendali SCR untuk catu daya nitridai plama double chamber dapat diimpulkan bahwa:. Rangkaian oilator dengan komponen utama UJT 2646 dan trafo OT 240 pada rangkaian pengendali SCR telah berfungi baik dengan indikai inyal pula untuk mengaktifkan gate pada SCR mulai terbentuk pada tegangan V cc 4 V dan pada aat tegangan V cc 2 V (makimum) inyal pula mendekati penuh. Sinyal pula ini telah dapat digunakan untuk mengaktifkan gate SCR ehingga tegangan luaran SCR dapat terkendali. 2. SCR yang dipaang pada rangkaian doubler telah berfungi baik. Hal ini diindikaikan dengan timbulnya tegangan pada ii luaran rangkaian doubler hampir dua kali dibandingkan dengan tegangan maukan. Penambahan waktu uji (operai) dan penambahan aru beban ebanding dengan uhu SCR, ehingga dibutuhkan heatink/pendingin pada SCR yang mampu menyerap pana dari SCR dan melepakannya ke atmofer. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kaih diampaikan kepada Bapak Heri Sudarmanto dan Bapak Untung Margono ata bantuan dan kerjaamanya. DAFTAR PUSTAKA. USADA, WIDDI, DKK., Dokumen Rancangan Detil Sitem Elektroda, Rancangan Detil Perangkat Nitridai Plama Untuk Perlakuan Dengan Sampel Changer Otomati, Yogyakarta (2009). 2. SUPRAPTO, IR., Pengembangan dan Rancangbangun Perangkat Berbai Plama, Preentai Uulan Kegiatan, Yogyakarta (2009). 3. NAIDU, KAMARAJU, Engineering High Voltage 4 th Edition, Tata McGraw Hill, New Delhi (2009). 4. HAMONANGAN, ASWAN, Tyritor-SCR, TRIAC dan DIAC, (2009). 5. SAEFURROCHMAN, DKK., Perancangan Awal Catu Daya DC 2 kv/0 A Perangkat Nitridai Plama Double Chamber Untuk Komponen Mein, Proiding Pertemuan dan Preentai Ilmiah Teknologi Akelerator dan Aplikainya, Yogyakarta (2009). 6. WOOLLARD, BARRY, Elektronika Prakti, PT. Anem Koong Anem, Jakarta (2003). ANALISA HASIL UJI RANGKAIAN PENGENDALI SCR UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER. Saefurrochman, dkk 47

9 ISSN Volume 3, Januari JOHNSON, CURTIS D., Handbook of Electrical and Electronic Technology, Prentice Hall, New Jerey (996). TANYA JAWAB Totok Dermawan Pada rangkaian terebut kenapa menggunakan SCR bukan TRIAC? Saefurrochman Pada rangkaian terebut, SCR berfungi ebagai pengarah yang dapat dikendalikan (AC ke DC), edangkan TRIAC bekerja pada daerah AC. Edi Trijono B. Apakah hail uji udah dapat dipakai untuk menyimpulkan kemampuan optimal catu daya yang menurut deain 2 kv, 20 kw? Saefurrochman Maih perlu beban yang euai (20 kw) agar dapat dilakukan pengujian beban. Kendala elama ini belum mendapatkan beban ebear 20 kw. 48 Proiding Pertemuan dan Preentai Ilmiah Teknologi Akelerator dan Aplikainya Vol. 3, Januari 202 : 40-48