SENSOR CAHAYA
A.
TUJUAN
PEMBELAJARAN
1) Mahasiswa mengetahui karakteristik berbagai sensor
cahaya.
2) Mahasiswa dapat menguji berbagai sensor cahaya
terhadap besaran fisis.
3) Mahasiswa dapat merancang berbagai jenis sensor cahaya
terhadap besaran fisis.
4) Mahasiswa dapat menganalisis
karakteristik sensor cahaya.
B.
DASAR
TEORI
Sensor
cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya,
pantulan cahaya, bias cahaya yang mengenai benda atau ruangan yang diproses dan
dikondisikan lalu dirubah menjadi besaran listrik. Secara umum, suatu sensor
cahaya akan dikelompokkan dalam 2 sifat, yaitu :
1. Bersifat
Resistif, artinya perubahan-perubahan intensitas cahaya akan mempengaruhi nilai
resistansi dalam rangkaian.
2. Bersifat
Kapasitif, artinya perubahan-perubahan intensitas cahaya akan mempengaruhi
nilai kapasitansi dalam rangkaian.
1.
LDR (Light
Dependent Resistor)
Sensor
Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) adalah salah satu jenis resistor yang dapat mengalami perubahan
resistansinya apabila mengalami perubahan penerimaan cahaya. Besarnya nilai
hambatan pada Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) tergantung pada
besar kecilnya cahaya yang diterima oleh LDR itu sendiri. LDR sering disebut
dengan alat atau sensor yang berupa resistor yang peka terhadap cahaya.
Biasanya LDR terbuat dari cadmium sulfida yaitu merupakan bahan semikonduktor
yang resistansinya berubah-ubah menurut banyaknya
cahaya (sinar) yang mengenainya. Resistansi LDR pada tempat yang gelap biasanya
mencapai sekitar 10 MΩ, dan ditempat terang LDR mempunyai resistansi yang turun
menjadi sekitar 150 Ω. Seperti halnya resistor konvensional, pemasangan LDR
dalam suatu rangkaian sama persis seperti pemasangan resistor biasa.
Gambar 1.
Bentuk Fisik LDR (Light Dependent Resistor)
Prinsip Kerja LDR Pada dasarnya LDR
terbuat dari sebuah cakram semikonduktor yang mempunyai dua buah elektroda pada
permukaannya. Pada saat gelap atau intensitas cahaya rendah, bahan tersebut
menghasilkan elektron bebas dengan jumlah yang relatif kecil. Sehingga hanya
sedikit elektron yang dihasilkan untuk mengangkut muatan elektrik. Hal ini
berarti, pada saat keadaan gelap atau intensitas cahaya rendah, maka LDR akan
menjadi konduktor yang buruk, sehingga LDR memiliki resistansi yang besar pada
saat gelap atau intensitas cahaya rendah. Pada saat terang atau intensitas
cahaya tinggi, bahan tersebut lebih banyak menghasilkan elektron yang lepas
dari atom. Sehingga akan lebih banyak elektron yang dihasilkan untuk mengangkut
muatan elektrik. Hal ini berarti, pada saat terang atau intensitas cahaya
tinggi, maka LDR menjadi konduktor yang baik, sehingga LDR memiliki resistansi
yang kecil pada saat terang atau intensistas cahaya tinggi.
2. Photodioda
Sensor photodioda akan mengalami
perubahan resistansi pada saat menerima intensitas cahaya dan akan mengalirkan
arus listrik secara forward sebagaimana dioda pada umumnya. Photodioda biasanya terintegrasi pada sebuah rangkaian
elektronik, dan pada rangkaian tersebut terdapat penguat amplifier, photodiode tersebut secara langsung terhubung dengan current to voltage converter, tegangan
yang dihasilkan sebanding dengan arus yang juga sebanding dengan intensitas
cahaya. Arus ini umumnya teratur terhadap power
density (Dp). Perbandingan antara arus keluaran dengan power density disebut
sebagai current responsitivity. Arus yang dimaksud adalah arus bocor ketika
photodioda tersebut disinari dan dalam keadaan dipanjar mundur.
Gambar 2. Bentuk fisik Photodioda
Photodioda
memanfaatkan efek foton yang membawa muatan di deplesi layer pada diode sambungan
pn: ketika foton diserap, photodioda membentuk pasangan elektron yang mengisi
setiap hole. Sedangkan muatan yang dibawa tetap
berada dalam bahan ini disebut internal photoeffect. Dan tegangan yang arahnya berlawanan membuat muatan
yang dibawa mengalami penyimpangan ke arah eksternal elektroda sehingga
memproduksi arus yang nilainya sebanding
dengan intensitas cahaya. Mekanisme tersebut beralainan dengan prinsip kerja
LED dan laser diode. Beberapa muatan tersebut yang berpindah sepanjang
sambungan p-n akan hilang selama proses rekombinasi. Selama proses rekombinasi,
bandwith dari diode pn tidak akan
melampaui 10 MHz, namun muatan yang berpindah pada sambungan mengalami panjar
mundur.
Jika photodioda tidak terkena cahaya, maka
tidak ada arus yang mengalir ke rangkaian pembanding, jika photodioda terkena
cahaya maka photodioda akan bersifat sebagai tegangan, sehingga Vcc dan photodioda
tersusun seri, akibatnya terdapat arus yang mengalir ke rangkaian pembanding.
Gambar 3. Prinsip Kerja Photodioda
Beberapa karakteristik photodioda, antara lain:
1. Arus
bergantung linier pada intensitas cahaya
2. Respons
frekuensi bergantung pada bahan (Si 900nm, GaAs 1500nm, Ge 2000nm)
3. Digunakan
sebagai sumber arus
4. Junction capacitance turun menurut tegangan
bias mundurnya
5. Junction
capacitance menentukan respons frekuensi arus yang diperoleh
Gambar 4. Karakteristik Arus –
Tegangan ( I-V ) pada Fotodioda
Tanggapan frekuensi sensor photodioda
tidak luas. Dari rentang tanggapan itu, sensor photodioda memiliki tanggapan
paling baik terhadap cahaya infra merah, tepatnya pada cahaya dengan panjang
gelombang sekitar 0,9 µm. Kurva tanggapan sensor photodioda ditunjukkan pada
gambar berikut.
Gambar 5. Kurva Tanggapan Frekuensi Sensor Photodioda
Hubungan antara keluaran sensor photodioda
dengan intensitas cahaya yang diterimanya ketika dipanjar mundur adalah
membentuk suatu fungsi yang linier. Hubungan antara keluaran sensor photodioda
dengan intensitas cahaya ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 6. Keluaran Photodioda dengan Intensitas Cahaya
Kelebihan photodioda :
Respon cepat, Sensitivitas cahaya tinggi, Sambungan kapasitansi kecil, Bebas
dari Pb. Aplikasi
photodioda adalah dalam photodioda
kecepatan tinggi, mesin fotokopi, pendeteksi kebakaran dan mesin game.
3. Phototransistor
Phototransistor merupakan jenis
transistor yang bias basisnya berupa cahaya infra merah. Besarnya arus yang
mengalir di antara kolektor dan emitor sebanding dengan intensitas cahaya yang
diterima photo transistor tersebut. Photo transistor sering digunakan sebagai
saklar terkendali cahaya inframerah, yaitu memanfaatkan keadaan jenuh (saturasi)
dan mati (cut off) dari phototransistor tersebut.
Gambar 7. Bentuk
Fisik Photo Transistor
Prinsip Kerja Sensor Phototransistor : Sambungan antara basis dan kolektor, dioperasikan dalam catu balik dan berfungsi sebagai fotodioda yang merespon masuknya sinar dari luar. Bila tak ada sinar yang masuk, arus yang melalui sambungan catu balik sama dengan nol. Jika sinar dari energi photon cukup dan mengenai sambungan catu balik, penambahan pasangan hole dan elektron akan terjadi dalam depletion region, menyebabkan sambungan menghantar. Jumlah pasangan hole dan elektron yang dibangkitkan dalam sambungan akan sebanding dengan intensitas sinar yang mengenainya. Sambungan antara basis emitor dapat dicatu maju, menyebabkan piranti ini dapat difungsikan sebagai transistor bipolar konvensional. Terminal basis dari photo transistor tidak membutuhkan sambungan (no connect) untuk bekerja. Jika basis tidak disambung dan VCE adalah positif, sambungan basis kolektor akan berlaku sebagai fotodioda yang dicatu balik. Arus kolektor dapat mengalir sebagai tanggapan dari salah satu masukan, dengan arus basis atau masukan intensitas sinar L1.
Prisip kerja photo transistor untuk
menjadi saklar yaitu saat pada basis menerima cahaya infra merah maka photo
transistor akan berada pada keadaan jenuh (saturasi dan saat tidak menerima
cahaya infra merah photo transistor berada dalam kondisi mati (cut off) Stuktur
phototransistor mirip dengan transistor bipolar (bipolar junctoin transistor).
Pada daerah basis dapat dimasuki sinar dari luar melalui suatu celah transparan
dari luar kamasan taransistor. Celah ini biasanya dilindungi oleh suatu lensa
kecil yang memusatkan sinar di tepi sambungangan basis emitor.
Komponen ini memiliki sifat yang sama
dengan transistor yaitu menghasilkan kondisi cut off dan saturasi. Perbedaannya
yaitu, bilamana pada
transistor kondisi cut off terjadi saat tidak ada arus yang mengalir melalui
basis ke emitor dan kondisi saturasi terjadi saat ada arus mengalir melalui
basis ke emitor maka pada phototransistor kondisi cut off terjadi saat tidak
ada cahaya infrared yang diterima dan kondisi saturasi terjadi saat ada cahaya
infrared yang diterima. Kondisi cut off adalah kondisi di mana transistor
berada dalam keadaan OFF sehingga arus dari collector tidak mengalir ke emitor.
Pada rangkaian gambar diatas, arus akan mengalir dan membias basis transistor
Q2 C9014. Kondisi saturasi adalah kondisi di mana transistor berada dalam
keadaan ON sehingga arus dari collector mengalir ke emitor dan menyebabkan
transistor Q2 tidak mendapat bias atau OFF. Phototransistor ST8-LR2 memiliki
sudut area 15 derajat dan lapisan pelindung biru yang melindungi sensor dari
cahaya-cahaya liar. Pada phototransistor yang tidak dilengkapi dengan lapisan
pelindung ini, cahaya-cahaya liar dapat menimbulkan indikasi-indikasi palsu
yang terkirim ke CPU dan mengacaukan proses yang ada di sana.
Karakteristik
Foto Transistor, antara lain :
1.
Dalam rangkaian jika
menerima cahaya akan berfungsi sebagai resistan.
2.
Dapat menerima
penerimaan cahaya yang redup (kecil).
3.
Semakin tinggi
intensitas cahaya yang diterima, maka semakin besar pula resistan yang
dihasilkan.
4.
Memerlukan sumber
tegangan yang kecil.
5.
Menghantarkan arus saat
ada cahaya yang mengenainya.
6.
Penerimaan cahaya
dilakukan pada bagian basis.
7.
Apabila tidak menerima
cahaya maka tidak akan menghantarkan arus.
Aplikasi komponen ini sebagai sensor
peraba adalah digunakan bersama dengan LED Infrared yang dipancarkan ke
permukaan tanah. Apabila permukaan tanah atau lantai berwarna terang, maka
sinyal infrared akan dikembalikan ke sensor dan diterima oleh ST8-LR2. Namun
bila permukaan tanah atau lantai berwarna gelap, maka sinyal infrared akan
diserap dan hanya sedikit atau bahkan tidak ada yang kembali.
4. LM
324
LM324 adalah Penguat operasional (Operational amplifier) atau yang biasa disebut
op-amp merupakan suatu komponen elektronika berupa sirkuit terintegrasi (integrated
circuit atau IC) yang terdiri atas bagian differensial amplifier, common
emiter amplifier dan bagian push-pull amplifier. Bagian output Op-amp ini
biasanya dikendalikan dengan umpan balik negatif (negative feedback)
karena nilai gain-nya yang tinggi. Keuntungan
dari penggunaan Op Amp adalah karena komponen ini memiliki penguatan (A) yang
sangat besar, Impedansi input yang besar, (Zin >>) dan Impedansi Output
yang kecil (Zout <<). Selain dari itu, kemampuan interval frekuensi dari
komponen ini sangat lebar.
Gambar 8. Simbol Penguat Operasional Amplifier
Penggunaan dari
Op-amp meliputi: amplifier atau penguat biasa (non-Inverting Amplifier),
Inverting Amplifier, komputer analog (operasi jumlah, kurang,integrasi, dan
diferensiasi), dll. Jenis Op-amp yang populer dipakai adalah chip 741. Penguat operasional adalah suatu rangkaian terintegrasi yang
berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah
dijelaskan di atas. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran
serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik,
penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang
berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground).
Karakteristik
dari Op Amp ideal:
a. Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain)
AVOL = - ∞
b. Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOf = 0
c. Hambatan masukan (input resistance) RI = ∞
d. Hambatan keluaran (output resistance) RO
e. Lebar pita (band width) BW = ∞ = 0
f. Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik
g. Karakteristik tidak berubah dengan suhu
C.
ALAT
DAN BAHAN
1. Modul
trainer sensor cahaya 1
buah
2. Avo
meter digital 2
buah
3. Power
supply 2
buah
4. Jack
banana secukupnya
5. Kabel penghubung (jumper) secukupnya
D.
KESEHATAN DAN KESELAMATAN KERJA
1. Pelajari
dan pahami petunjuk praktikum pada lembar kegiatan praktikum.
2. Pastikan
tegangan keluaran catu daya sesuai yang dibutuhkan.
3.
Periksalah terlebih dahulu semua
komponen aktif maupun pasif sebelum digunakan.
4.
Sebelum catu daya
dihidupkan hubungi dosen pendamping untuk mengecek kebenaran rangkaian.
5.
Kalibrasi alat
ukur yang akan digunakan.
6. Dalam menggunakan meter kumparan putar, mulailah dari batas ukur
yang besar. Bila
simpangan terlalu kecil dan masih di
bawah batas ukur yang lebih rendah,turunkan batas
ukur.
7. Yakinkan
tempat anda bekerja aman dari sengatan listrik.
8. Hati-hati
dalam penggunaan peralatan praktikum !
E.
LANGKAH
KERJA PRAKTIKUM
1.
Langkah
Percobaan
a) Siapkan
alat dan bahan (trainer sensor cahaya)
b)
Hubungkan jack ke trainer sensor cahaya.
c) Hubungkan catu daya 5V
pada jack VCC dan ground pada jack GND
d) Untuk output sensor, hubungkan jack merah sensor pada jack
merah 1 untuk LDR, jack merah 2 untuk photodioda, atau jack merah 3 untuk
phototransistor.
e) Pasang
lux meter pada kotak hitam yang tersedia pada trainer asli untuk melihat
intensitas cahaya dari lampu.
f) Hubungkan catu daya sebesar 5 V
ke jack merah A (dimer) untuk menyalakan.
g) Pasang avometer 1 untuk melihat tegangan yang digunakan
untuk mengatur tegangan ke dimer.
h) Atur tegangan dimer di pot dimer dengan memutar potensiometer.
i) Pasang avometer 2 pada jack merah 1 dan ground untuk
melihat tegangan output sensor.
j) Untuk menghitung output differensial, maka hubungkan jack
merah 1(output sensor) pada jack merah 2 differensial.
k) Hubungkan jack merah 4 pada jack merah 3 differensial.
l) Lalu ukur tegangan output differensial.
m) Catat
tegangan yang dihasilkan
Vout pada penguat sesuai dengan tabel.
F. HASIL
PERCOBAAN
|
1.
No.
|
Tegangan
Lampu
(V)
|
Intensitas
Cahaya
(lux)
|
Jenis
Sensor
|
|||||
|
LDR
|
Photodioda
|
Phototransistor
|
||||||
|
V
SENSOR (V)
|
V
differen (V)
|
V
sensor (V)
|
V
differen (V)
|
V
sensor (V)
|
V
differen (V)
|
|||
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G.
GRAFIK
HASIL PERCOBAAN
a. Grafik LDR
b. Grafik
Photodioda
c. Grafik
Phototransistor
H.
ANALISIS
Buatlah
analisis dari percobaan diatas!
...............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
I.
KESIMPULAN
........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
J.
SOAL
LATIHAN
1. Apa
prinsip kerja dari LDR, Photodioda,
Phototransistor dan LM324 ?
2. Apa
fungsi dari differensial dan buffer ?
3. Gambarlah rancangan rangkaian aplikasi sensor cahaya !
Jelaskan cara kerjanya !
Tidak ada komentar:
Posting Komentar