5/7/2018 Perangkat Nuklit

1/8

Jurnal Perangkat NuklirVolume 02, Nomor 01, Mei 2008 ISSN: 1978-3515RANCANGAN CATU DAYA TEGANGAN TINGGI PADA ALAT RENOGRAF

Joko Sumanto, ST.Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir - SATANKawasan Puspiptek Gd. 71 Serpong

ABSTRAKRancangan catu daya tegangan tinggi pada a/at renograf telah dibuat. Renograf inimempunyai dua unit detektor Nal(TI). Kedua detektor tersebut memerlukan catu dayategangan tinggi sekitar 800 Vdc sampai 1000 Vdc. Catu daya tegangan tinggi yang adasekarang rangkaiannya rumit dan dimensinya beset, sedangkan catu daya tegangantinggi yang berbentuk chip harganya mahal. Untuk itu akan dirancang sebuah catu dayategangan tinggi yang rangkaiannya sederhana berbentuk modul sehingga praktis sertadilengkapi dengan proteksi hubung singkat. Catu daya ini terdiri dari sub bagian antaralain: osilator, penguat transkonduktan, penguat push-pull, penaik tegangan dengan trafointi ferrit, pelipat tegangan, devider, pengatur tegangan dengan umpan balik agar tetapstabil. Setiap sub bagian dirancang dan dihitung secara rinci dalam makalah ini. Hasilyang diharapkan berupa rancangan modul catu daya tegangan tinggi yang prekiis.Kata kunci: Catu daya, High voltage - HV.ABSTRACTA Design of high voltage power supply for renograph has been made. ARenograph has two Nai(TI) detector unit. The detectors need to be supplied of highvoltage about 800 Vdc until 1000 Vdc. Existing high voltage power supply iscomplicated and the dimension is big, while high voltage power supply in the chip form isexpensive. For that reason, we design a high voltage power supply which is simple, inform of practical module and also provided with short circuit protection. This powersupply is consisted of: oscillator, transconductance amplifier, push-pull amplifier, coreferrit transformer, voltage multiplier, divider and voltage regulator with feed back in orderto remain to stabilize. Each sub units designed and calculated in detail in this paper.Result is in the form of module design of practical high voltage power supply.Keyword: Power Supply, High Voltage - HV.PENDAHULUAN

Penggunaan catu daya tegangantinggi pada sistem pencacah gamaseperti pada alat renograf sangatmenentukan kualitas pulsa yangdihasilkan oleh detektor. Penggunaanbahan sintilasi menjadi populer denganditemukannya bahan sodium yodidayang diaktivasi oleh thalium-Nal(TI)yang sensitif terhadap partikel beta dansinar gama serta tabung penggandafoton (Photo multiplayer tube- PMT).PMT ini dimaksudkan untuk mengubah

cahaya yang dihasilkan detektor Nal(TI)menjadi pulsa listrik yang dapatdihitung dan dianalisa denganperalatan elektronik. Dengan detektortersebut dapat dibuat pencacah gamaatau spektrometer gama yang dapatmengukur intensitas dan energi gamadengan ketelitian tinggi. Agar detektorbersama PMT dapat bekerja,diperlukan catu daya tegangan tinggihingga ratusan voltdc. Tegangan tinggitersebut mempunyai spesifikasi antaralain: stabilitas tegangan yang balk

32

5/7/2018 Perangkat Nuklit

2/8

Jurnal Perangkat NuklirVolume 02, Nomor 01, Mei 2008terhadap perubahan beban dan bebasderau.Pada alat Renograf mempunyaidua unit detektor Nal(TI). Keduadetektor tersebut memerlukan catudaya tegangan tinggi sekitar 800 Vdcsampai 1000 Vdc. Catu daya tegangantinggi yang ada sekarangrangkaiannya rumit dan dimensinyabesar, sedangkan catu daya tegangantinggi yang berbentuk chip harganyamahal.Untuk itu akan dirancang sebuahcatu daya tegangan tinggi yangrangkaiannya sederhana berbentukmodul sehingga praktis serta dilengkapidengan proteksi hubung singkat. Catudaya ini terdiri dari sub bagian antaralain: osilator, penguat transkonduktan,penguat push-pull, penaik tegangandengan trafo inti ferrit, pelipat tegangan,devider, pengatur tegangan dengan

ISSN : 1978-3515umpan balik agar tetap stabil. Setiapsub bagian dirancang dan dihitungsecara rinci dalam makalah ini. Hasilyang diharapkan berupa rancanganmodul catu daya tegangan tinggi yangpraktis untuk alat renograf.

TEORISistem pencacah gama dapatdigunakan dalam berbagai alat untukkeperluan yang berhubungan denganradiasi gama. Tegangan tinggimemegang peranan penting pada

suatu sistem pencacah gama. Padaalat renograf memerlukan catu dayategangan tinggi hingga 1000 Vdc untukmensupply detektor Nal(TI). Blokdiagram prinsip kerja Catu daya HVsecara umum diperlihatkan padagambar 1.

V rev Proses pelipat gandategangan

Keluaran HV

DeviderPembagiTegangan (Vp)

Gambar 1: Blok Prinsip kerja sistem catu daya tegangan tinggi [I]Secara umum prinsip kerja sistemtegangan tinggi sebagai berikut:masukan tegangan rendah sebagaireverensi disingkat Vref, dinaikkanmelalui proses pelipat teganganmenjadi keluaran tegangan tinggi HV.Dari keluaran tegangan tinggi HVditurunkan melalui devider pembagitegangan menjadi teganganpembanding Vp sebagai umpan balik

untuk dibandingkan dengan teganganmasukan Vref. Jika Vref > Vp, makaproses pelipat tegangan terusberlangsung sehingga keluarantegangan tinggi HV menjadi naik.Dengan naiknya HV, maka Vp menjadinaik pula. Suatu saat Vref :0 ; Vp yang

mengakibatkan proses pelipattegangan akan berhenti. Denganberhentinya proses pelipat teganganrnaka HV akan berangsur-angsur turun.Dan bila HV turun maka Vp juga ikutturun. Akibatnya Vref > Vp, makaproses pelipat tegangan kembaliberlangsung. Dengan berlangsungnyaproses yang berulang-ulang inimengakibatkan keluaran HV menjadistabil bergantung dari masukan Vrefwalaupun diberi beban.

RANCANGAN CATU DAY A HVCatu daya HV ini terdiri dari subbagian: osuator, Penguat

33

5/7/2018 Perangkat Nuklit

3/8

Jurnal Perangkat NuklirVolume 02, Nomor 01, Mei 2008transkonduktansi, Penguat push-pulldengan power amplifier, Penaiktegangan dengan trafo ferrit core,Pelipat tegangan dengan dioda dankapasitor, devider, pengatur tegangan

ISSN: 1978-3515dengan umpan balik, Blok diagramrancangan catu daya HV diperlihatkanpada Gambar2.

Rangk. Rangk. Ferrit Pelipat---+ r..silator ~ Trans- f - - - + Push-pull Ganda OutHVcorekonduktans ---+ f - - - + tegangai

IPengatur ~ Rangk.Tegangan Umpan balik

Gambar2: Blok diagram rancangan catu daya tegangan tingiOsilator

Osilator digunakan untukmembangkitkan gelombang sinusdengan frekuensi sekitar 5 kHz sampai40 kHz. Osilator t r u dirancangmenggunakan rangkaian dasar LF357.Rangkaian tersebut dirancangsedemikian rupa sehingga frekuensikeluarannya bergantung pada nilai Rdan C. Osilator yang direncanakandiperlihatkan pada Gambar3.

R I8.2

Gambar3: Rancangan osilatorj l]Dari rangkaian Gambar3

tersebut didapat persamaan sbb:

t= 0,7RC (1)f= II t (2)sehinggaf= 1 1(0,7xRxC) ......... (3)Dimana:t =Waktu satu siklus (detik)R = nilai resistor (ohm)C = nilai capasitor (Farad)0,7 = nilai constantaDari persamaan (1) dapat dihitung:t rnak = 0,7 R C

= 0,7 x 100 x 10 3x4,7 x 10.9= 329 x 10 -6 detiksehingga,f min = 1 / t mak= 1 / ( 329 x 10 -6= 3039 Hz= 3 kHzdant min = 0,7 R C= 0,7 x 4,7 x 10 3 X 4,7 x 10 -9

= 15,463 x 10.6 detiksehingga,f mak = 1 / t min= 1/ (15,463 x 10-6

= 64670,5 Hz= 65 kHz

34

5/7/2018 Perangkat Nuklit

4/8

Jurnal Perangkat NuklirVolume 02, Nomor 01, Mei 2008Jadi frekuensi keluarannyadapat diaturdari 3 kHz sampai 65 kHz. Hal ini telahsesuai dengan frekuensi yangdiperlukan sekitar 15 kHz sampai 40kHz.Rangkaian Transkonduktan

Rangkaian transkonduktandirangkai dari IC CA3080 yangdigunakan sebagai regulator tegangankeluaran HV. Rangkaian ini akanbekerja apabila ada arus yang mengalirpada pin 5. Jika arus yang mengalirmelalui pin 5 semakin besar makaamplitudo keluaran transkonduktanakan semakin besar pula. Sebaliknyajika arus yang mengalir pada pin 5semakin keeil, maka amplitudo sinuskeluaran transkonduktan semakin kecilpula. Proses ini akan digunakan untukmengontrol keluaran HV agar tetapstabil. Rangkaian skematiknyadiperlihatkan pada Gambar4.

Output f \ ;Pin 5

Gambar 4a: Siok Rangkaian regulatordari transkonduktorCA3080.[4]R~5k O

~15

Gambar 4 b: Rangkaian detail regulatordengan CA3080

ISSN: 1978-3515Penguat push-pull

Penguat push-pull dirangkaimenggunakan power amplifier TOA2004 yang biasa digunakan padapenguat sound system. Kelebihan ICTDA2004 ini mudah didapat di pasaran,harganya murah, daya output maksimal20 watt, eukup untuk eatu daya HV,mempunyai proteksi hubung singkatyang baik, rentang frekuensi yanglebar. IC ini juga dapat menekan derauyang baik, dimana input maksimalnyahanya 0,5 volt. Menggunakan eatudaya tunggal. Dalam rancangandigunakan tegangan Vee 5 volt dankeluaran push-pull yang diinginkanmaksimal 2 Vpp dengan input 0,2 Vpp,sehingga faktor penguatannya G = 2Vpp / 0,2 Vpp = 10 kali. Rangkaiandasar push-pull diperlihatkan padaGambar5.

~OutpJ IInpu

Rangkaianpush-pu l l

Gambar 5: Blok Rangkaian dasar pushpull

Vo l

t vVo2

~Gambar 6: Raneangan push-pulldalamTDA 2004 [2]

35

5/7/2018 Perangkat Nuklit

5/8

Jurnal Perangkat NuklirVolume 02, Nomor 01, Mei 2008Dari gambar 5 dan Gambar 6 diperolehpersamaan:Vo1 = {(R10 1 R12) + 1} x Vinp................... (4)Vo2 = - { R16 1 (R12 + R13)} x Vinp............... (5)Dimana:Vo1 = Keluaran push-pull 1 non

inverting dalam satuanVolt

Vo2 = keluaran push-pull 2inverting dalam satuanVolt

R10,R12, R13 = Resistor dalam satuanohmVinp = Tegangan input dalamsatuan Volt

Tanda negatip ini menunjukkan sinyalVo2 berbeda 180 derajat dari Vo l,sehingga membentuk push-pull.Dari persamaan (4) dapat dihitung:

]

'! , ,, J

Input Push-pull ::, ,V\ i iPelipat Ganda tegangantiga kali dengan diodadan kapasitor

ISSN: 1978-3515 R10 1 R12) +1) = (Vo11 Vinp)(R10/R12) = (Vo1/Vinp)-1( R iO 1 R 12) = 10 - 1 = 9Maka dipilih R10 = 100 ohm dan R12 =10 ohm hal ini masih dalam toleransi.Dari persamaan (5) dapat dihitung:(R161 (Ri2 + R13) = Vo2/Vinp(R161 ( 10 + R13) = 10Maka dipilih R13 = 10 ohm dan R16 =200 ohm.Menghitung lilitan Trafo Ferrit

Tegangan Output HVmaksimum yang direncanakan adalah1000 Vdc. Sedangkan tegangan inputprimer adalah push-pull 2 Vpp. Pelipattegangan dengan dioda dan kapasitorsebanyak 3 tingkat. Jadi Vdc satutingkat = 1000 1 3 = 333 volt dc. Siokdiagram pelipat tegangan dengandiode dan Kapasitor diperlihatkan padaGambar7.

Gambar 7: Siok diagram pelipat tegangan tiga tingkat dengan diode dan Kapasitor

Tegangan AC Skunder dapat dihitungdengan persamaan:Vdc = 0,7 Vac (6)Dimana:Vdc = Tegangan skunder DC satutingkat = 333 volt dcVac = Tegangan Skunder AC dalamsatuan VppDengan persamaan (6), Teganganskunder AC dapat dihitung:Vac = Vdc 1 0 ,7Vac = 333/0 ,7 = 475,7 Vpp.Jadi Vac skunder dibulatkan menjadiS O D Vpp

Sehingga perbandingan lilitan primer:lilitan skunder = 2 :500.Karena rangkaian primernya adalahpush-pull, maka perbandingan lilitanprimer: lilitan skunder menjadi = 2 :250. Kemampuan koker yangdigunakan untuk menggulung kabeldiameter 0,15 mm sebanyak 1000 lilit.maka jumlah lilitan per volt = 1000 1250 = 4 Iilit per volt.Sehingga jumlah lilitan primer dansekunder dengan diameterkawat email

36

5/7/2018 Perangkat Nuklit

6/8

Jurnal Perangkat NuklirVolume 02, Nomor 01, Mei 20080,15 mm dapat dihitung sebagaiberikut:Jumlah lilitan primer = (4 lit! volt) x 2volt = 81ilitJumlah lilitan skunder = (4 IIti volt) x250 volt = 1000 Iilit.

Rangkaian Filter dan umpan balikRangkaian filter HV dirangkai

dari beberapa kapasitor yang disusunseri para lei disesuaikan dengankemampuan komponennya. Dalamrancangan digunakan 4 buah kapasitor10 nF 1 630 Vdc. Rangkaian umpanbalik dirangkai dari resistor yang dibuatdevider dan integrator. Blok Rangkaianfilter dan umpan balik diperlihatkanpada gam bar 8.

Titik A merupakan titikkesetimbangan ground semu. Sehinggadalam keadaan maksimum input = - 10Vdc dan output HV = 1000 Vdc. R input

R o u t p u tResistor 4 x 2M 2

ISSN : 1978-3515ditentukan sebesar 100 Kilo ohm, makaRout = (1000 /10) x 100 K = 10.000Kilo ohm = 10 mega ohm. Disini dipilihrangkaian devider 100 K + (4 x 2M2)devider In! disesuaikan dengankemampuan resistor.

Selama input titik A = negatip,maka output U7 = bernilai maksimum,sehingga mengakibatkan transistor 01akan mengalirkan arus menujurangkaian transkonduktan. Sebaliknyajika input titik A = bernilai positip, makaoutput U7 bernilai minimum, sehinggamengakibatkan transistor 01 tidakmengalirkan arus menuju rangkaiantranskonduktan. Proses ini digunakansebagai kontrol regulasi.

~e~ankunduk tan s

- 10 VdcA

R i n pu t100 kO

Ou t HV 1000 Vdc

Filtercapas i to r

Gambar 8: Blok Rangkaian filter HV dan umpan balik.

Rangkaian pengatur HVPada rangkaian ini difengkapi

dengan integrator yang berguna untukmemperlambat keluaran HV dari 0menuju setting stabil yang diinginkan.Hal ini untuk menjaga agar detektortidak terkena tegangan kejut yangsangat tingi yang dapat mengkibatkankerusakan detektor. Rangkaian ini perluinput sebesar 0 Vdc sampai 5 Vdcdengan cara memutar potensio P2.Keluaran pengatur ini setelah melewati

bag ian integrator sebesar 0 Vdc sampainegatip 10 Vdc. Blok Rangkaianpengatur ini diperlihatkan pada Gambar9a dan Gambar 9b ..

3 7

5/7/2018 Perangkat Nuklit

7/8

Jurnal Perangkat NuklirVolume 02, Nomor 01, Mei 2008

Regulator+5V Rangk.Integrator

ISSN : 1978-3515

Out uto s/d - 10 V

Gambar 9a: Blok Rangkaian pengatur keluaran HV

5V 0 HvH"" Ov

R27luk

R2312k

TL082

R32 7 M ... 18v

eu nin-4711n Ik

DI

HASIL DAN PEM8AHASAN

PotensioPengatur

-15-Jn4148 ""to lnbahfin...... tak pet:'~u

Gambar 9b: Rangkaian Detail pengatur keluaran HV

Hasil yang diperoleh berupagambar skematik rancangan CatuDaya Tegangan Tinggi yang dapatdiatur dari 0 Vdc sampai 1000 Vdc.Catu daya tersebut digunakan untukmensuply tegangan tinggi yangdiperlukan oleh kedua detektor Nal(TI)

pada alat renograf. Catu daya tersebutdirancang menggunakan komponenlokal, tetapi mempunyai kualitas yangbaik. Mempunyai proteksi hubungsingkat yang baik dari sifat TDA 2004.Keluaran TDA 2004 berupa sinyal sinussehingga dapat menekan nois. OutputHV dapat disetting dari 0 sampai 1000Vdc melalui input 0 sampai 5 Vdc. Dari

38

5/7/2018 Perangkat Nuklit

8/8

Jurnal Perangkat NuklirVolume 02, Nomor 01, Mei 2008perhitungan diperoleh Frekuensiosilator yang dapat diatur dari 3 kHzsampai 65 kHz. Frekuensi irudisesuaikan dengan impedansi trafo intiferril. Daya power push-pull maksimaldapat mencapai 20 watt.[2]. Gainpower amplifier dari TDA 2004 adalah10 kali. Lilitan per volt pada trafo ferritadalah 4 lilit per volt. Lilitan primer 8 liIitdan lllitan skunder 1000 lilit dengandiameter kawat email 0,15 mm.Menggunakan tiga pelipat tegangandengan diode dan kapasitor. Padarangkaian setting pengatur tegangantinggi dilengkapi rangkaian integratoruntuk memperlambat laju kenaikantegangan tinggi yang cepat, sehinggadapat mencegah kerusakan detektorakibat tegangan kejut maksimal sesaat.Menggunakan catu daya 12 Vdcuntuk mensupply komponen analog op-amp dan + 5 Vdc untuk mensupplyTDA2004.

KESIMPULANTelah dirancang Catu daya HVyang dapat diatur 0 Vdc sampai 1000Vdc melalui input 0 sampai 5 Vdc. Catudaya HV tersebut untuk mensupplytegangan tinggi detektor Nal(TI) padaalat renograf. Menggunakan komponenyang mudah didapat dipasaran.Dilengkapi dengan proteksi hubungsingkat dari TDA 2004 serta kontrolregulasi dari transkonduktan CA3080.

Rangkaian ini memerlukan catu dayarendah 12 Vdc untuk mensupplykomponen opamp dan + 5 Vdc untukmensupply IC TDA 2004.

UCAPAN TERIMA KASIHTerima kasih kepada Drs.Rukmono Pribadi yang telah memberi. inspirasi dan ide penggunaan poweramplifier TDA 2004 dalam perancangancatu daya tegangan tinggi ini.

ISSN: 1978-3515DAFTAR PUSTAKA

1. BR. BAIRI, etc. "Handbook ofNuclear Medical Instrument",Tata Me GrawHili Co. NewDehli, 1994.2. Data Sheet, "SGS-Thomsonmicroelectronics", 1995.3. Data Sheet,"STMicroelectronics", 1998.http://www.st.com4. CATALOG, "NationalSemiconductor", edisi June1999, www.National.com.5. CATALOG, "FairchildSemiconductor", Harris co,1999, www.Fairchildsemi.com ..6. CATALOG, "HarrisSemiconductor", Harris co,1996, www.Harris.com.

39

http://www.st.com/http://www.national.com./http://www.fairchildsemi.com/http://www.harris.com./http://www.harris.com./http://www.fairchildsemi.com/http://www.national.com./http://www.st.com/