## Fabrikasi Transformator Step-up 1-kV Fasa Tunggal untuk Generator Pemicu Transduser Ultrasonik
Darmawan Hidayat, Nendi Suhendi Syafei, Bambang Mukti Wibawa, Bernard Y. Tumbelaka Departemen Teknik Elektro, Fakultas MIPA, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang KM. 21, Jatinangor 45363, Jawa Barat, Indonesia darmawan.hidayat@unpad.ac.id

## Abstrak
Generator  pulsa  tegangan  tinggi  diperlukan  untuk  memicu  transduser  ultrasonik  dalam  proses  pembangkitan gelombang ultrasonik. Salah satu komponen sumber daya generator pulsa ini adalah tegangan tinggi searah (DC) orde 1 kV.  Makalah  ini  melaporkan  desain  dan  fabrikasi  tegangan  tinggi  DC  melalui  transformator step-up inti  besi  fasa tunggal 0,5 mA dengan tegangan  punak-puncak sinusoida  sekunder hingga 1 kV 50 Hz. Masukan primer adalah jala- jala  220  VAC  dengan  variasi  tegangan  AC  terminal  sekunder  100,  200,  400,  600,  800  dan  1000  V.  Sebuah  dioda jembatan  penyearah  digunakan  untuk  penyearahan  penuh  tegangan  AC  sekunder  menjadi  DC.  Kinerja  transformator meliputi  rasio  dan  linearitas  penguatan  tegangan,  tanggapan  frekuensi,  dan  analisis  pembebanan.  Hasil  pengujian menunjukkan  amplitudo  tegangan  sekunder  meningkat  linear  seiring  kenaikan  tegangan  sekunder  dengan  tegangan sekunder  maksimum  adalah  1220  V  untuk  masukan  primer  220  VAC.  Hasil  penyearahan  menunjukkan  penyearahan penuh dengan ripple kurang dari 1%. Berdasarkan hasil seluruh pengujian, transformator dapat mencatu tegangan tinggi yang  diperlukan  hingga  ~1  kV  dengan  daya  maksimum  sekitar  400 Watt  memenuhi  kriteria  untuk  mencatu  generator pulsa tegangan tinggi.
Kata kunci : tegangan tinggi, transformator, arus searah, step-up

## Abstract
A short-time-width high-voltage pulse generator is necessary for the generation of ultrasonic waves in the purposes of various material evaluations and physical quantity measurements. This necessitates a DC high voltage power supply in the order of hundreds of volts. This work reports a design and fabrication of an iron-cored single phase 0.5 mA step- up transformer which provided secondary output voltage up to 1 kV with a 50-Hz sinusoid primary working voltage of 220 VAC. An integrated bridge diode fully rectified the secondary voltage waveforms into an unrectified DC voltage. Transformer performance including the step-up ratio and gain, frequency response and load analysis were evaluated. The test results showed secondary maximum voltage of 1220 V for 220 VAC primary input, which secondary voltages proportionally increased with the increasing of primary voltage. The evaluated transformer parameters included ratio and linearity of voltage gain, frequency response and loading analysis. The frequency response analysis exhibited that the transformer working frequency was 50 Hz. In conclusion, the designed transformer were able to provide up to 1 kV DC  voltage  with  maximum  power  of  400  W.  This  was  sufficiently  adequate  to  provide  DC  high  voltage  for  the ultrasonic transducer pulse circuit.
Keywords : high voltage, transformer, DC voltage, step-up

## I. P ENDAHULUAN
Gelombang  ultrasonik  banyak  digunakan  untuk keperluan  evaluasi  tak-merusak  dan  pengukuran berbagai  besaran  fisis  karena  keunggulan  daya tembus  pada  objek-objek  berbahan opak (material yang  tidak  meneruskan  atau  memantulkan  cahaya
atau energi radiasi, tak tembus pandang). Salah satu metode pembangkitan gelombang ultrasonik adalah dengan  memberikan  sinyal  eksitasi  ke  transduser ultrasonik  berupa  pulsa  tegangan  dengan  durasi (lebar  waktu  pulsa)  tertentu  sesuai  karakteristik transduser  [1]-[3].  Lebar  pulsa  sinyal  eksitasi menentukan kandungan frekuensi yang
dibangkitkan. Untuk meningkatkan daya pemancaran  gelombang  ultrasonik,  daya  sinyal eksitasi juga harus diperbesar dengan meningkatkan besar tegangan pulsa [4][5].
Gambar  1  memperlihatkan  sistem  tipikal evaluasi  dan  pengukuran  tak-merusak  berbasis gelombang ultrasonik dengan mode pulse-echo dan mode  transmisi.  Pada  mode pulse-echo ,  transduser yang  digunakan  hanya  satu  bekerja  sebagai pemancar  dan  penerima.  Terdapat  tiga  komponen elektronik  utama  yaitu:  (1)  generator  pulsa,  untuk membangkitkan  pulsa  dengan  pengaturan  lebar pulsa  dan  interval  repetisi  pulsa;  (2)  sumber tegangan  tinggi  DC,  untuk  menyediakan  tegangan tinggi  DC  sebagai  sumber  daya  bagi  transduser pemancar; dan (3) rangkaian penyaklaran ( switching ),  yang  berfungsi  untuk  mencacah tegangan  tinggi  DC  kontinyu  menjadi  pulsa-pulsa tegangan  tinggi  dengan  lebar  pulsa  yang  singkat untuk  pemicu  tranduser  ultrasonik.  Daya  rambat gelombang  ultrasonik  ditentukan  oleh  daya  sinyal eksitasi  dalam  hal  ini  besar  tegangan  (magnitudo) sinyal  eksitasi  ke  transduser  pemancar.  Dalam banyak aplikasi evaluasi tak-merusak dan pengukuran  besaran  fisis  berbasis  gelombang ultrasonik,  diperlukan  tegangan  pulsa  dengan magnitudo  dalam  orde  hingga  ratusan  volt  untuk meningkatkan daya rambat gelombang [6]-[8]. Oleh karena  itu,  catu  daya  tegangan  tinggi  DC  stabil dalam orde ratusan volt menjadi komponen penting untuk  implementasi  sistem  berbasis  gelombang ultrasonik.
Makalah  ini  menyajikan  pembangkitan  sumber tegangan  tinggi  DC  untuk  keperluan  pembangkitan pulsa  cepat  tegangan  tinggi  dengan  menggunakan transformator step-up inti  besi  fasa  tunggal  dari sumber  tegangan  primer  220  VAC  50  Hz  (Gambar 1).  Kinerja  catu  daya  tegangan  tinggi  yang  dikaji meliputi  rasio  penaikan  tegangan,  respon  frekuensi dan analisis pembebanan.
Gambar 1. Catu daya tegangan tinggi DC untuk eksitasi transduser gelombang ultrasonik [6]

## II. D ESAIN DAN F ABRIKASI
Gambar  2  memperlihatkan  tahapan  proses implementasi  sistem  catu  daya  tegangan  tinggi. Terdapat dua tahap untuk implementasi sistem catu daya  tegangan  tinggi  untuk  keperluan  eksitasi transduser  ultrasonik.  Pertama,  tahap  desain transformator,  meliputi:  desain tegangan  maksimal, desain  daya  keluaran,  desain  fasa,  dan  desain konstruksi  transformator.  Tahap  kedua  adalah fabrikasi  dan  pengujian,  meliputi  gambar  teknik, pembuatan transformator dan pengujian.
Transformator  dirancang  untuk  tegangan  primer AC  220  V  bekerja  pada  frekuensi  50  Hz.  Terdapat enam terminal sekunder sebagai keluaran, yaitu 100, 200,  400,  600,  800  dan  1000  V.  Diameter  kawat konduktor  primer  dan  sekunder  masing-masing adalah 9,0 × 10 -4 dan 4,5 × 10 -4 m. Rasio lilitan dan tegangan adalah 1,5. Lilitan primer dibuat sebanyak 330  lilitan  sehingga  jumlah  lilitan  masing-masing terminal  sekunder  dapat  dilihat  pada  Tabel  1.  Inti transformator  ( kern )  adalah  inti  besi  dengan geometri  pasangan  E  dan  I  ukuran  44  yaitu  ukuran panjang  dan  lebar  inti-E  adalah  0,133  ×  0,089  m; dan ukuran inti-I adalah 0,133 × 0,022 m. Gambar 3 memperlihatkan  konstruksi  inti  besi  transformator yang dibuat.
Gambar 2. Tahapan implementasi desain dan fabrikasi transformator
Gambar 3. Inti besi transformator
Tabel 1. Jumlah lilitan sekunder untuk tiap terminal keluaran
Jumlah lilitan sekunder, n s Rasio n s : n p
Terminal Sekunder 100 V 150 0,45 200 V 300 0,91 400 V 600 1,82 600 V 900 2,73 800 V 1200 3,64 1000 V 1500 4,55
Gambar 4. Diagram skematik transformator untuk pengujian rasio tegangan primer-sekunder dan respon frekuensi

## A. Pengujian  Rasio  Tegangan  dan  Respon Frekuensi
Untuk  mengetahui  rasio step-up tegangan primer-sekunder,  terminal  primer  diberi  sinyal sinusoid  50  Hz  dengan  rentang  amplitudo  0-15  V dari sebuah sinyal generator (GW-Instek GFG-8255) dan  sinyal  sinusoid  AC  50  Hz  220  V  dari  jala-jala listrik  PLN  seperti  diperlihatkan  Gambar  4.  Sinyal keluaran  di  primer  diukur  dengan  voltmeter  AC (Sanwa  800a),  ditampilkan  dan  direkam  dengan menggunakan osiloskop (GW-Instek 2104A).

## B. Penyearahan dan Pengujian Pembebanan
Gambar  5  memperlihatkan  rangkaian  penyearah penuh dan perata tegangan. Rangkaian empat dioda (BY329)  disusun  untuk  proses  penyearahan gelombang  penuh.  Perataan  gelombang  dari rangkaian dioda dilakukan dengan menggunakan 12 kapasitor  450  µF/450  V  yang  disusun  secara  seri- paralel.  Perataan  gelombang  dari  rangkaian  dioda dilakukan dengan menggunakan tiga kapasitor yang disusun  seri  dan  empat  paralel.  Dengan  rangkaian ini, tegangan kerja perataan adalah 3×450 V adalah 1350 V, dan kapasitansi total menjadi 4×(450/3) µF adalah 600 µF.
Gambar 5. Skematik rangkaian penyearahan dan perataan gelombang penuh

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Gambar  6  memperlihatkan  bentuk  tegangan primer  dan  sekunder  trasnformator step-up .  Sinyal masukan  primer  adalah  sinusoid  50  Hz  dengan amplitudo 6,80 V, menghasilkan tegangan keluaran sekunder di terminal 800 V adalah sinusoid 22,4 V. Dari  hasil  pengujian  seperti  Gambar  5,  dapat dihitung  nilai  penguatan step-up amplitudo  adalah 3,29  sehingga  untuk  tegangan  jala-jala  220  VAC akan  menghasilkan  amplitudo  keluaran  sebesar 745,8  VAC  dengan  tegangan  efektif  ( rms )  sebesar 527,36  Vrms.  Sinyal  tegangan  sekunder  sefasa dengan  sinyal  primer.  Ini  karena  lilitan  sekunder dirancang sefasa dan fasa tunggal.
Untuk  menghitung  rasio  penguatan  sekunder- primer  masing-masing  terminal  sekunder  terhadap tegangan  primer,  sinyal  sinusoid  50  Hz  dengan rentang  amplituod  0-10  V  dari  sinyal  generator dimasukkan  ke  terminal  primer.  Setiap  tegangan pada  terminal  sekunder  diukur  dan  direkam menggunakan osiloskop digital. Gambar 7 memperlihatkan  nilai  amplitudo  tegangan  sekunder di  masing-masing  terminal  untuk  variasi  amplitudo tegangan  primer.  Tegangan  pada  masing-masing terminal meningkat linear seiring variasi perubahan amplitudo  primer.  Untuk  satu  nilai  amplitudo primer,  tegangan  pada  tiap  terminal  sekunder meningkat sesuai dengan rasio penguatan sekunder- primer  Tabel  1.  Hasil  pengujian  Gambar  7 menunjukkan bahwa rasio penguatan untuk sekunder  tanpa  beban  sesuai  dengan  rasio  lilitan sekunder-primer  berdasarkan  rancangan  rancangan. Dengan  cara  ini,  variasi  nilai  tegangan  sekunder dapat dipilih dari terminal sekunder.
Gambar 6. Bentuk sinyal masukan di primer dan keluaran di sekunder pada terminal 600 V
Gambar 7. Pengaruh amplitudo primer terhadap amplitudo sekunder untuk tiap terminal sekunder
Gambar 8. Rasio penguatan amplitudo ( step-up ) antara amplitudo sekunder terhadap primer
Rasio penguatan tegangan sekunder-primer hasil pengujian  Gambar  7  disajikan  pada  Gambar  8. Untuk  tiap  terminal  sekunder  terdapat  selisih  nilai rasio  sekunder-primer  hasil  perhitungan  lilitan  dan pengukuran tegangan, masing-masing sebesar -0,02,
0,  0,02, 0,07, 0,08 dan 0,05 untuk terminal T-100V, 200V,  400V,  600V,  800V dan  1000V.  Nilai  selisih ( error ) ini tidak begitu signifikan untuk penggunaan tegangan-tegangan orde ratusan volt.
Untuk menghasilkan tegangan DC rata, tegangan sinusoid step-up keluaran di sekunder transformator selanjutnya  disearahkan  melalui  empat  buah  dioda tegangan tinggi dengan rangkaian penyearah penuh. Perataan  gelombang  penuh  dilakukan  dengan kapasitor.  Tegangan  DC  hasil  penyearahan  dan perataan diukur terhadap variasi amplitudo primer.
Gambar  9  memperlihatkan  tegangan  DC keluaran  hasil  penyearahan  dan  perataan  sinyal sekunder  di  terminal  T-600V.  Amplitudo  sinyal primer  divariasikan  dari  11  hingga  110  V. Tampak bahwa  tegangan  DC  keluaran  linear  terhadap amplitudo primer. Tegangan untuk masukan 110 V menghasilkan  tegangan  DC  sebesar  1220  V  (tanpa beban).  Tegangan  ini  sudah  mencukupi  untuk eksitasi  transduser  ultrasonik.  Hasil  pengukuran Gambar  9  menyimpulkan  bahwa  daya  eksitasi  ke transduser  ultrasonik  dapat  dilakukan  dengan pengaturan  amplitudo  sekunder  atau  pengaturan sinyal masukan primer.
Untuk  mengurangi  interferensi  magnetik  akibat transformator,  seluruh  rangkaian  ditempatkan  di dalam kemasan ( casing ) aluminium seperti diperlihatkan  Gambar  10.  Empat  dioda  tegangan tinggi  befungsi  untuk  penyearah  penuh.  Rangkaian seri-paralel  kapasitor  meratakan  sinyal  hasil penyearahan.
Gambar 9. Tegangan keluaran hasil penyearahan dan perataan terhadap amplitudo sinusoid primer
Gambar 10. Wujud fisik catu daya tegangan tinggi DC untuk eksitasi transduser ultrasonik

## IV. K ESIMPULAN
Hasil  penelitian  telah  berhasil  merancang  dan fabrikasi  catu  daya  tegangan  tinggi  DC  1-kV menggunakan  transformator  fasa  tunggal  step-up fabrikasi.  Besar  tegangan  dapat  ditentukan  dengan pemilihan enam terminal sekunder. Hasil perancangan  dan  pengujian  menungkap  bahwa transformator dapat menyediakan tegangan DC 100 hingga  1220  V.  Variasi  tegangan  dapat  dilakukan dengan  pemilihan  terminal  sekunder  dan  variasi amplitudo  primer.  Tegangan  DC  keluaran  linear terhadap  tegangan  masukan  primer.  Berdasarkan hasil pengujian dapat disimpulkan bahwa transformator  telah  berfungsi  sesuai  rancangan  dan memenuhi kriteria untuk digunakan sebagai eksitasi transduser ultrasonik.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penelitian  ini  didanai  oleh  Kemenristekdikti melalui skim Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi (PUPT)  Universitas  Padjadjaran  tahun  anggaran 2017  dan  dukungan  dari Academic  Leadership Grant (ALG) Universitas Padjadjaran Prof. Bernard Y.  Tumbelaka.  Kami  mengucapkan  terima  kasih kepada  Kemenristekdikti  atas  pendanaan  PUPT Universitas  Padjadjaran  nomor:  718/UN6.3.1/PL/ 2017.

## R EFERENSI
[1] D.  Campbell,  J.  Harper,  V.  Natham,  F.  Xiao,  R. Sundararajan, “A Compact High Voltage Nanosecond Pulse Generator”, in Proc. ESA Annual Meeting on Electrostatics, 2008, p. 1  12.
[2] Y. Guo, G. Zhu, “Novel  Design  and
Implementation  of  Ultra-wideband  Pulse  Generator Based  on  Avalanche  Transistor”,  in  proc. PIERS Proceedings, 2014, p. 34  38. [3] A. Camarda, A. Romani, M. Tartagni, “Piezoelectric  Transformers  for  Ultra-low  Voltage Energy Harvesting Applications”, Procedia Engineering vol. 87, pp. 1521 – 1524, 2014.
[4] R.K.  Barik,  S.S.  Karthikeyan,  “A  novel  quad-band impedance transformer with ultra-high transforming Ratio”, International  Journal  of  Electronics  and Communications (AEÜ) vol. 78 pp. 157–161, 2017.
[5] V.A.  Lavrinovich,  A.V.  Mytnikov,  H.  Li, “Advanced  technology  of  transformer  winding condition  control  based  on  nanosecond  probing impulse”, Resource-Efficient  Technologies vol.  2 pp. 111–117, 2016.
[6] E.  Macrelli,  A.  Romania,  N.  Wang,  S.  Roy,  M. Hayes,  R.P.  Paganelli,  M.  Tartagni,  “Design  and fabrication  of  a  29  H  bond  wire  micro-transformer with  LTCC  magnetic  core  on  silicon  for  energy harvesting applications”, Procedia Engineering vol. 87 pp. 1557 – 1560, 2014.
[7] D.  I.  Zenkov,  S.  G.  Kozlov,  Yu.  P.  Kuropatkin,  V. D.  Mironenko,  V.  I.  Nizhegorodtsev,  I.  N. Romanov,  A.  A.  Tkachuk,  E.  V.  Urlin,  and  O.  A. Shamro, “A  ГИН-1200  high-voltage  pulse generator”, Instruments and Experimental Techniques , 2008, Vol. 51, No. 3, pp. 396–400.
[8] A.  Chaney,  and  R.  Sundararajan,  “Simple MOSFET-Based  High-Voltage  Nanosecond  Pulse Circuit”, IEEE  Transactions  On  Plasma  Science , vol. 32, no. 5, pp. 1919-1924, Oct. 2004.
[9] M.  Kaczmarek,  “Inductive  current  transformer accuracy of transformation for the PQ measurements”, Measurement vol.  101  pp.  53–61, 2017.
[10] M.  Kaczmarek,  “Development  and  application  of the  differential  voltage  to  single-ended  voltage converter  to  determine  the  composite  error  of voltage transformers and dividers for transformation of  sinusoidal  and  distorted  voltages”, Electric Power  Systems  Research vol.  150  pp.  169–176, 2017.