ANALISIS SUMBER TEGANGAN TINGGI PAD A PESAWAT SINAR-X DIAGNOSTIK

Transkripsi

1 YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011 ANALISIS SUMBER TEGANGAN TINGGI PAD A PESAWAT SINAR-X DIAGNOSTIK Suyatno, Sigit Bachtiar PRPN-BATAN Kawasan Puspiptek - Serpong ABSTRAK ANALlSIS SUMBER TEGANGAN TINGGI PADA PESAWAT SINAR-X DIAGNOSTIK. Telah dilakukan analisis terhadap sumber tegangan tinggi pesawat sinar-x diagnostik. Adapun tujuannya adalah untuk mengetahui karakteristik dan konstruksi yang digunakan sebagai pembangkit. Alat yang digunakan untuk membangkitkan tegangan tinggi bolak balik frekuensi rendah ialah sebuah transformator. Ciri-ciri Transformator tegangan tinggi mempunyai perbandingan jumlah lilitannya (turn ratio N) lebih besar daripada perbandingan transformator tenaga (power transformer). Hal ini dikarenakan transformator tegangan tinggi diterapkan pada tegangan distribusi (J2 7Volt - novolt), sedangkan tegangan yang harus dihasilkan beberapa rauls ribu Volt (30 kv-500 kv). Agar efisien dan ekonomis maka untuk tegangan tinggi diatas 100 kv digunakan beberapa trafo yang diseri yang disebut dengan kaskade. Tegangan tinggi bolak balik disearahkan, kemudian sebagai tegangan kerja pada tabung penghasil sinar-x Tegangan ini di dalam tabung akan mempercepat gerak elektron yang dihasilkan oleh filamen. Dengan diterapkannya tegangan tinggi pada elektron akan menghasikan energi kinetik yang digunakan untuk menumbuk anoda, sehingga menghasilkan sinar-x Kata Kunci : Sinar-X, Tegangan Tinggi, Elektron, kaskade, Transformator ABSTRA CT AN ANALYSIS OF HIGH VOLTAGE X-RAY DIAGNOSTIC. It has been done an analysis of the high voltage source X-ray diagnostics. The objective was to determine the characteristics and construction used as a generator. The tools used to generate a high voltage alternating low-frequency is a transformer. The characteristics of the high voltage transformer has a ratio of the number of win dings (turn ratio N) which is greater than the ratio of power transformer (power transformer). This is because the high voltage transformer voltage applied to the distribution (J27Volt Volt), while the voltage to be generated is several hundred thousand volts (30 kv-500 kv). To be efficient and economical for a high voltage tramformer above 100 kv is constructed in series called a cascade. The high voltage alternating is rectified as a working voltage on the tube producing X-rays. This voltage in the tube will accelerate the movement of electrons produced by the filament. With the implementation of high voltage on the electron, it will generate kinetic energy that is used to strike the anode, thus producing X-rays. Keywords: X-rays, High Voltage, Electron, cascade, Transformer Suyatno dkk 387 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

2 1. PENDAHULUAN Tegangan tinggi (High Voltage, HV) yaitu suatu tegangan listrik yang memerlukan perlakuan dan teknik-teknik khusus. Batasan kapan tegangan dapat dikatan tinggi (HV), tinggi sekali (Extra High Voltage, EHV) dan sangat tinggi (Ultra High Voltage, UHV) dapat dikategorikan sebagai berikut yaitu: HV dimulai dari kv, EHV kira-kira mulai 220 kv dan UHV mulai 765 kv keatas. Pada pesawat sinar-x diagnostik tegangan tinggi pada umumnya digunakan antara 30 kv sampai 125 kv. Tegangan tinggi ini akan diterapkan antara katoda dan anoda dalam tabung sinar-x. Dengan tegangan tinggi dan adanya pemanasan filamen maka elektron yang lepas dari katoda dalam tabung dapat bergerak cepat menuju anoda, akibatnya terjadi tumbukan tak kenyal sempuma antara elektron dengan anoda ( anoda sebagai target). Adanya tumbukan tersebut terjadilah peristiwa Bremstrahlung yang menghasilkan sinar X. Tinggi nilai tegangan akan memberikan kemampuan daya tembus dari pesawat sinar-x, semakin tinggi teganganya maka daya tembus sinar X terhadap ketebalan obyek semakin tinggi pula. Untuk membangkitkan tegangan tinggi bolak balik frekuensi rendah diperlukan sebuah trafo yang biasanya di bumikan pada salah satu ujung lilitanya, sehingga diperoleh tegangan keluaran yang simetris terhadap bumi. Dengan pertimbangnan teknis dan ekonomis maka kini jarang digunakan hanya sebuah transformator untuk membangkitkan tegangan di atas ratusan kv. Sebagai pengganti digunakan beberapa trafo dengan menghubungkan lilitan tegangan tinggi secara seri atau kaskade. Pada susunan kaskade setiap trafo harus diisolasi terhadap tegangan-tegangan pada tingkat dibawahnya, dengan demikian lilitan eksitasi trafo pada setiap tingkat akan bekerja pada potensial yang tinggi. Trafo tegangan induktip dapat digunakan untuk membangkitkan tegangan tinggi bolak-balik dengan daya beberapa kv A. Trafo tegangan tinggi membutuhkan pendingin, karena pada saat bekerja suhu akan naik. Untuk tegangan tinggi 100 kv banyak digunakan isolasi resin epoksi, sedangkan untuk tegangan yang lebih tinggi digunakan minyak. Isolasi yang umum digunakan ialah minyak dengan penghalang isolasi dan kertas yang diresapi minyak.. 2. TEORI Transformator untuk pembangkit tegangan tinggi bolak-balik biasanya dibumikan pada salah satu ujung lilitan tegangan tinggi. Dalam perkembanganya kini jarang digunakan sebuah transformator untuk membangkitkan tegangan di atas beberapa ratus kv. Sebagai penggantinya SEMINAR NASIONAL YOGY AKAR TA, 16 NOVEMBER 20 II digunakan beberapa trafo dengan menghubungkan lilitan tegangan tinggi secara seri (kaskade). ~ F E ~ HW' (a) - E (b):::: Gambar.1 Rangkaian Trafo Satu Tingkat (a) Terisolasi pada satu kutub (b) Terisolasi penuh Dimana : H F E : Lilitan Tegangan Tinggi : Inti Besi : Lilitan Ekstraksi Pada trafo susunan kaskade maka setiap trafo harus terisolasi terhadap tegangan pada tingkat dibawahnya. Trafo susunan kaskade seperti terlihat pada gambar 2 berikut ini. K -: 3P~ K Gambar 2. Trafo kaskade tiga tingkat Parameter-parameter tegangan tinggi bolak balik Bentuk u (t) untuk tegangan tinggi bolak balik sering menyimpang dari bentuk sinus. Untuk pengujian tegangan tinggi besaran U / '>/2 didefinisikan sebagai tegangan uji (VDE-0433; IEC Pub ). Pada bentuk sinusoidal mumi U / '>/2 = Urms dengan catatan bahwa penyimpangan bentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masih dalam batas yang diijinkan. Maka bentuk Persamaan Urms adalah : Urms Kinerja trafo dapat dikaji secara pendekatan dengan menggunakan rangkaian ekivalen yang terdiri atas impedansi hubung singkat RI + l{j)l dan kapasitans.i. total C = Cj + Ca pada sisi tegangan tinggi. U I merupakan tegangan sekunder yang dihasilkan oleh o (I) Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 388 Suyatno dkk

3 SEMINAR NASIONAL YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011 transformasi tegangan primer. Rangkaian ekivalen ini berlaku untuk persamaan trafo berbeban dan berlaku juga untuk trafo susunan kaskade. U2""UI X 1 _ oo2lc Nilai (1 - oo2lc) selalu lebih kecil dari 1, maka jelas terlihat bahwa resonansi seri menghasilkan peningkatan kapasitif terhadap tegangan sekunder. Besar peningkatan tegangan dapat dihitung dari tegangan hubung singkat trafo (Uk) sewaktu beban kapasitif C menyerap arus nominal (In) pada tegangan nominal Un dan frekuensi nominal. Uk = In ool = 002 L C (3) R L~ I C; f'r F:Ac;~11u' (a) Diagram rangkaian (b) Rangkaian ekivalen 3. TATAKERJA Gambar 3. Kinerja Trafo Bahan yang digunakan dalam penulisan makalah ini adalah trafo tegangan tinggi pada pesawat sinar-x diagnostik 100 ma / 100 kv, sedangkan alat yang digunakan adalah sebuah multimeter digital dan tool set. 4. URUTAN KERJA Untuk melakukan analisis trafo tegangan tinggi pada pesawat sinar-x maka perlu dilakukan kegiatan kegiatan antara lain: 1. Mempersiapkan alat dan bahan yang akan dianalisa 2. Mempelajari gambar trafo tegangan tinggi pada pesawat sinar-x. 3. Mempelajari teori ten tang trafo daya. 4. Menganalisis trafo sebagai sumber tegangan tinggi pada pesawat sinar-x 5. Melakukan perhitungan trafo tegangan tinggi. (2) 315;' Gambar 4. Trafo HV Untuk mempermudah perhitungan biasanya dianggap Trafo ideal, sehingga PI = P2 Daya maksimum pesawat sinar-x : PI = 10 kv A, Arus maksimum : 100 ma dan tegangan maksimum : 100 kva. Menurut rum us transformator secara umum adalah : Yl = NL=h V2 N2 II PI = P2 = 10 kv A = 10 kw dengan asumsi cos <p= I PI = VI X II II = II = 45,5 A NlxII=N2xI2 Jika NI di asumsikan = 180 lilitan Maka N2 = NIlLll 12 N2 = 180 x ,1 N2 = lilitan Jadi untuk peswat sinar-x dengan daya 10 kva, maka membutuhkan transformator dengan lilitan primer: 180 dan lilitan sekundemya U ntuk transformator 100 kv atau lebih diusahakan cara pengisolasian yang ekonomis dan gradien tegangan yang seragam. Cara menggulung lilitan menurut Fortesque gulungan primer letaknya terdekat pada inti sedangkan gulungan sekundemya jauh dari inti. Secara konsentris dililitkan gulungan ke 1, 2, 3 dan 4 yaitu gujungan gujungan yang rendah teganganya. Sedang tegangan yang tinggi dililitkan sejanjutnya yaitu tegangan ke 5, dililitkan makin lama makin jauh dari intinya. Selanjutnya untuk mendapatkan gradien potensial yang seragam dilekatkan bahan penghantar (misalnya timah) pad a tabung isolasi yang terletak di antara gulungan primer dan sekunder. 5. METODE Tegangan tinggi merupakan sumber tegangan kerja untuk tabung pesawat sinar-x. Kapasitas pesawat sinar-x yang akan dianalisa adalah 10 kv A, 100 ma/loo kv. Bentuk gambar dari trafo tegangan tinggi adalah sebagai berikut : ~I~ ~I~I~b"~:~';:~:nd" ~ Gul.Primer Gambar 5. Transformator model Fortesque Suyatno dkk 389 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BA TAN

4 YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011 Tegangan maksimum yang dapat dihasilkan oleh sebuah trafo adalah 1600 kv, untuk menaikkan lebih tinggi lagi dianggap sudah tidak ekonomis, baik ditinjau dari sudut material maupun ruangan yang diperlukan. Dalam rangka menaikkan tegangan berarti menaikkan tebal isolasi. Untuk itu maka bila tegangan dinaikkan lebih dan 500 kv, digunakan beberapa transformator yang dihubungkan secara kaskade. Pada pesawat sinar-x diagnostik tegangan tinggi yang dibutuhkan untuk catu tegangan ke tabung adalah tegangan tinggi DC. Untuk itu tegangan dari trafo harus disearahkan dengan menggunakan dioda bridge. Seperti terlihat pada gambar 6. HV Tabel 2. Hasil Pengujian Trafo No INPUT OUTPUT Daya AceVolt) DcekV) kv A , , , , , , ,1 Trafo tegangan tinggi suhunya akan naik pada saat dioperasikan. Untuk itu membutuhkan pendinginan, biasanya yang lazim dipakai adalah minyak (minyak trafo) yang ditempatkan pada suatu tanh Trafo dengan isolasi minyak dapat dirancang dalam berbagai bentuk, antara lain kontruksi jenis tanki maka bagian aktif (inti dan kumparan) ditempatkan dalam wadah logam, sehingga memperbaiki pendinginan. Gambar 6. Rangkaian HV dengan Tabung sinar-x Pada gambar 6 terlihat bahwa tegangan dari trafo yang masuk berupa tegangan AC, disearahkan dengan menggunakan dioda Bridge. Dengan adanya tegangan tinggi maka elektron dari filamen akan dipercepat untuk menuju ke anoda, sehingga terjadi tumbukan tak kenyal sempurna antara elektron dengan anoda. Peristiwa tumbukan tersebut yang menimbulkan terjadinya sinar-x 6. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil analisis dan perhitungan trafo tegangan tinggi untuk kapasitas 10k VA atau setara 10 kw dengan tegangan tinggi 100 kv seperti terlihat pada tabel. 1 Primer Lilitan (kv) (A) (ma) kva 10 IVI 100 day. Sekunder Tabel I. Hasil perhitungan Trafo Gambar 7. Tanki Trafo HV Keterangan gambar : 1. Tempat masukan minyak pendingin 2. Tanki 3. Transformator 4. Minyak pendingin 7. KESIMPULAN Dari hasil analisis Trafo tegangan tinggi pad a pesawat sinar-x diagnostik adalah sebagai berikut : I. Trafo tegangan tinggi akan efisien dan ekonomis, jika menggunakan lebih dari satu trafo yaitu secara kaskade. Terutama untuk kapasitas diatas 100 kv. 2. Dibutuhkan minyak sebagai bahan pendingin trafo, karena suhunya akan naik pada saat dioperasikan. 3. Sebetulnya trafo ideal dalam arti daya masuk sarna dengan daya yang keluar tidak ada, karena pad a trafo banyak terdapat Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BA TAN 390 Suyatno dkk

5 YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011 kerugian kerugian, misal rugi tembaga, rugi besi dan sebagainya. 4. Pada konstruksi tegangan tinggi yang perlu diperhatikan adalah teknik isolasinya. 8. DAFT AR PUST AKA 1. ARTONO ARISMUNANDAR, Teknik Tegangan Tinggi, Pradnya Paramita, Jakarta, FRANK.D.PETRUZELLA,Elektronika Industri, Andi. Jogjakarta, SUMANTO, Teori Transformator, Penerbit Andi Jogjakarta, THE RAJA, B.L, A Texts Book of Electrical Technologi, Bombay,- Nirja Contruction and Development Co, 1980 Suyatno dkk 391 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN