SEMINAR NASIONAL

SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011

ISSN 1978-0176

ANALISIS SUMBER TEGANGAN TINGGIPAD 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 untukmengetahui karakteristik dan konstruksi yang digunakan sebagai pembangkit. Alat yang digunakan untukmembangkitkan tegangan tinggi bolak balik frekuensi rendah ialah sebuah transformator. Ciri-ciriTransformator tegangan tinggi mempunyai perbandingan jumlah lilitannya (turn ratio N) lebih besardaripada perbandingan transformator tenaga (power transformer). Hal ini dikarenakan transformatortegangan tinggi diterapkan pada tegangan distribusi (J2 7Volt - nOVolt), sedangkan tegangan yang harusdihasilkan beberapa raUls ribu Volt (30 kV-500 kV). Agar efisien dan ekonomis maka untuk tegangan tinggidiatas 100 kV digunakan beberapa trafo yang diseri yang disebut dengan kaskade. Tegangan tinggi bolakbalik disearahkan, kemudian sebagai tegangan kerja pada tabung penghasil sinar-X Tegangan ini di dalamtabung akan mempercepat gerak elektron yang dihasilkan oleh filamen. Dengan diterapkannya tegangantinggi pada elektron akan menghasikan energi kinetik yang digunakan untuk menumbuk anoda, sehinggamenghasilkan 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 - 220 Volt), while the voltage to be generated isseveral 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

1. PENDAHULUAN

Tegangan tinggi (High Voltage, HV) yaitusuatu tegangan listrik yang memerlukan perlakuandan teknik-teknik khusus. Batasan kapan tegangandapat dikatan tinggi (HV), tinggi sekali (Extra HighVoltage, EHV) dan sangat tinggi (Ultra HighVoltage, UHV) dapat dikategorikan sebagai berikutyaitu: HV dimulai dari 20-100 kV, EHV kira-kiramulai 220 kV dan UHV mulai 765 kV keatas.

Pada pesawat sinar-X diagnostik tegangantinggi pada umumnya digunakan antara 30 kVsampai 125 kV. Tegangan tinggi ini akan diterapkanantara katoda dan anoda dalam tabung sinar-X.Dengan tegangan tinggi dan adanya pemanasanfilamen maka elektron yang lepas dari katoda dalamtabung dapat bergerak cepat menuju anoda,akibatnya terjadi tumbukan tak kenyal sempumaantara elektron dengan anoda ( anoda sebagaitarget). Adanya tumbukan tersebut terjadilahperistiwa Bremstrahlung yang menghasilkan sinar­X. Tinggi nilai tegangan akan memberikankemampuan daya tembus dari pesawat sinar-X,semakin tinggi teganganya maka daya tembus sinar­X terhadap ketebalan obyek semakin tinggi pula.

Untuk membangkitkan tegangan tinggibolak balik frekuensi rendah diperlukan sebuah trafoyang biasanya di bumikan pada salah satu ujunglilitanya, sehingga diperoleh tegangan keluaran yangsimetris terhadap bumi. Dengan pertimbangnanteknis dan ekonomis maka kini jarang digunakanhanya sebuah transformator untuk membangkitkantegangan di atas ratusan kV. Sebagai penggantidigunakan beberapa trafo dengan menghubungkanlilitan tegangan tinggi secara seri atau kaskade.Pada susunan kaskade setiap trafo harus diisolasiterhadap tegangan-tegangan pada tingkatdibawahnya, dengan demikian lilitan eksitasi trafopada setiap tingkat akan bekerja pada potensial yangtinggi. Trafo tegangan induktip dapat digunakanuntuk membangkitkan tegangan tinggi bolak-balikdengan daya beberapa kVA. Trafo tegangan tinggimembutuhkan pendingin, karena pada saat bekerjasuhu akan naik. Untuk tegangan tinggi 100 kVbanyak digunakan isolasi resin epoksi, sedangkanuntuk tegangan yang lebih tinggi digunakan minyak.Isolasi yang umum digunakan ialah minyak denganpenghalang isolasi dan kertas yang diresapi minyak ..

2. TEORI

SEMINAR NASIONAL

SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGY AKAR TA, 16 NOVEMBER 20 IIISSN 1978-0176

digunakan beberapa trafo dengan menghubungkanlilitan tegangan tinggi secara seri (kaskade).

~ F E ~ HW'- E

o(a) (b)::::

Gambar.1 Rangkaian Trafo Satu Tingkat

(a) Terisolasi pada satu kutub(b) Terisolasi penuh

Dimana :

H : Lilitan Tegangan TinggiF : Inti BesiE : Lilitan Ekstraksi

Pada trafo susunan kaskade maka setiaptrafo harus terisolasi terhadap tegangan pada tingkatdibawahnya. Trafo susunan kaskade seperti terlihatpada gambar 2 berikut ini.

K

K

-: 3P~

Gambar 2. Trafo kaskade tiga tingkat

Parameter-parameter tegangan tinggi bolakbalik

Bentuk u (t) untuk tegangan tinggi bolakbalik sering menyimpang dari bentuk sinus. Untukpengujian tegangan tinggi besaran U / '>/2didefinisikan sebagai tegangan uji (VDE-0433; IEC­Pub1.60-2 1973). Pada bentuk sinusoidal mumi U /'>/2 = Urms dengan catatan bahwa penyimpanganbentuk tegangan tinggi dari bentuk sinus masihdalam batas yang diijinkan. Maka bentuk PersamaanUrms adalah :

Kinerja trafo dapat dikaji secara pendekatan denganmenggunakan rangkaian ekivalen yang terdiri atas

impedansi hubung singkat RI + l{j)L dan kapasitans.i.total C = Cj + Ca pada sisi tegangan tinggi. U Imerupakan tegangan sekunder yang dihasilkan oleh

Transformator untuk pembangkit tegangantinggi bolak-balik biasanya dibumikan pada salahsatu ujung lilitan tegangan tinggi. Dalamperkembanganya kini jarang digunakan sebuahtransformator untuk membangkitkan tegangan diatas beberapa ratus kV. Sebagai penggantinya

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

Urms

388

(I)

Suyatno dkk

transformasi tegangan primer. Rangkaian ekivalen

ini berlaku untuk persamaan trafo berbeban dan

berlaku juga untuk trafo susunan kaskade.

SEMINAR NASIONAL

SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011

ISSN 1978-0176

U2""UI X 1_ oo2LC

(2) 315;'Gambar 4. Trafo HV

Nilai (1 - oo2LC) selalu lebih kecil dari 1, maka jelasterlihat bahwa resonansi seri menghasilkan

peningkatan kapasitif terhadap tegangan sekunder.

Besar peningkatan tegangan dapat dihitung daritegangan 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)Un R L~ I

{]~ fC; f'r· F:Ac;~11u'

(a) Diagram rangkaian (b) Rangkaian ekivalen

Gambar 3. Kinerja Trafo

3. TATAKERJA

Bahan yang digunakan dalam penulisan makalah iniadalah trafo tegangan tinggi pada pesawat sinar-X

diagnostik 100 mA / 100 kV, sedangkan alat yangdigunakan adalah sebuah multimeter digital dan toolset.

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 akandianalisa

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-X5. Melakukan perhitungan trafo tegangan

tinggi.

5. METODE

Tegangan tinggi merupakan sumber tegangan kerja

untuk tabung pesawat sinar-X. Kapasitas pesawatsinar-X yang akan dianalisa adalah 10 kV A, 100

mA/lOO kV. Bentuk gambar dari trafo tegangan

tinggi adalah sebagai berikut :

Untuk mempermudah perhitungan biasanya

dianggap Trafo ideal, sehingga PI = P2Daya maksimum pesawat sinar-X :PI = 10 kV A, Arus maksimum : 100 mA dan

tegangan maksimum : 100 kVA. Menurut rum ustransformator secara umum adalah :

Yl = NL=hV2 N2 II

PI = P2 = 10 kV A = 10 kW dengan asumsi cos <p= IPI = VI X II

II = 10.000220

II = 45,5 A

NlxII=N2xI2

Jika NI di asumsikan = 180 lilitan

Maka N2 = NIlLll12

N2 = 180 x 45.5

0,1N2 = 81900 lilitan

Jadi untuk peswat sinar-X dengan daya 10 kVA,maka membutuhkan transformator dengan lilitan

primer: 180 dan lilitan sekundemya 81900.U ntuk transformator 100 kV atau lebih

diusahakan cara pengisolasian yang ekonomis dan

gradien tegangan yang seragam. Cara menggulunglilitan menurut Fortesque gulungan primer letaknya

terdekat pada inti sedangkan gulungan sekundemyajauh dari inti. Secara konsentris dililitkan gulunganke 1, 2, 3 dan 4 yaitu guJungan guJungan yang

rendah teganganya. Sedang tegangan yang tinggidililitkan seJanjutnya yaitu tegangan ke 5,6 ... 17dililitkan 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.

~I~~I~I~b"~:~';:~:nd"~ Gul.Primer

Gambar 5. Transformator model Fortesque

Suyatno dkk 389 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BA TAN

Tegangan maksimum yang dapat dihasilkan olehsebuah trafo adalah 1600 kV, untuk menaikkan lebihtinggi lagi dianggap sudah tidak ekonomis, baikditinjau dari sudutmaterial maupun ruangan yang diperlukan. Dalamrangka menaikkan tegangan berarti menaikkan tebalisolasi. Untuk itu maka bila tegangan dinaikkanlebih dan 500 kV, digunakan beberapa transformatoryang dihubungkan secara kaskade.Pada pesawat sinar-X diagnostik tegangan tinggiyang dibutuhkan untuk catu tegangan ke tabungadalah tegangan tinggi DC. Untuk itu tegangan daritrafo harus disearahkan dengan menggunakan diodabridge. Seperti terlihat pada gambar 6.

HV

Gambar 6. Rangkaian HV dengan Tabung sinar-X

Pada gambar 6 terlihat bahwa tegangan dari trafoyang masuk berupa tegangan AC, disearahkandengan menggunakan dioda Bridge. Dengan adanyategangan tinggi maka elektron dari filamen akandipercepat untuk menuju ke anoda, sehingga terjaditumbukan tak kenyal sempurna antara elektrondengan anoda. Peristiwa tumbukan tersebut yangmenimbulkan terjadinya sinar-X

6. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari hasil analisis dan perhitungan trafotegangan tinggi untuk kapasitas 10k VA atau setara10 kW dengan tegangan tinggi 100 kV sepertiterlihat pada tabel. 1

Tabel I. Hasil perhitungan TrafoPrimer

Sekunderday.Volt

ILilit VILilitankVA

(volt)

(A)an(kV)(mA)220

455180100 1008190010

SEMINAR NASIONAL

SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

Tabel 2. Hasil Pengujian TrafoNo INPUT OUTPUT Daya

AceVolt) DcekV) kVA1 10 4,2 102 20 9,13 30 12,54 40 18,25 50 21,76 100 45,57 220 100,1

Trafo tegangan tinggi suhunya akan naik pada saatdioperasikan. Untuk itu membutuhkan pendinginan,biasanya yang lazim dipakai adalah minyak (minyaktrafo) yang ditempatkan pada suatu tanhTrafo dengan isolasi minyak dapat dirancang dalamberbagai bentuk, antara lain kontruksi jenis tankimaka bagian aktif (inti dan kumparan) ditempatkandalam wadah logam, sehingga memperbaikipendinginan.

Gambar 7. Tanki Trafo HV

Keterangan gambar :1. Tempat masukan minyak pendingin2. Tanki3. Transformator

4. Minyak pendingin

7. KESIMPULAN

Dari hasil analisis Trafo tegangan tinggipad a pesawat sinar-X diagnostik adalah sebagaiberikut :

I. Trafo tegangan tinggi akan efisien danekonomis, jika menggunakan lebih darisatu trafo yaitu secara kaskade. Terutamauntuk kapasitas diatas 100 kV.

2. Dibutuhkan minyak sebagai bahanpendingin trafo, karena suhunya akan naikpada saat dioperasikan.

3. Sebetulnya trafo ideal dalam arti dayamasuk sarna dengan daya yang keluar tidakada, karena pad a trafo banyak terdapat

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BA TAN 390 Suyatno dkk

SEMINAR NASIONAL

SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

kerugian kerugian, misal rugi tembaga, rugibesi dan sebagainya.

4. Pada konstruksi tegangan tinggi yang perludiperhatikan adalah teknik isolasinya.

8. DAFT AR PUST AKA

1. ARTONO ARISMUNANDAR, TeknikTegangan Tinggi, Pradnya Paramita,Jakarta, 1987.

2. FRANK.D.PETRUZELLA,Elektronika

Industri, Andi. Jogjakarta, 1986

3. SUMANTO, Teori Transformator, PenerbitAndi Jogjakarta, 1996

4. THE RAJA, B.L, A Texts Book ofElectrical Technologi, Bombay,- NirjaContruction and Development Co, 1980

Suyatno dkk 391 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN