BAB I PENDAHULUAN
A. Lata Latarr Bel Belak akan ang g
Kece Kecela laka kaan an di jala jalan n beba bebass hamb hambat atan an suda sudah h seri sering ng terj terjad adii di Indone Indonesia sia.. Dengan Dengan segala segala resiko resiko kecelak kecelakaan aan lalu lalu lintas lintas di jalan jalan bebas bebas hambatan lebih tinggi dibandingkan berkendaraan di jalan protokol atau bukan di jalan bebas hambatan. Peraturan lalu lintas di ruas jalan bebas hambat hambatan an memang memang lebih lebih ketat ketat hal terseb tersebut ut mengin mengingat gat jumlah jumlah dan laju kecepatan kendaraan rata-rata melaju dengan kecepatan tinggi. Upaya pihak pengelola jalan bebas hambatan, diantaranya untuk meng mengur uran angi gi
kece kecela laka kaan an
ters terseb ebut ut
deng dengan an
mela melaku kuka kan n
pemb pembat atas asan an
kecepatan. Selain sebagai salah satu bentuk dari pihak manajemen lalu lintas, juga pertimbangannya adalah keselamatan, sebab dengan kecepatan semaki semakin n tinggi tinggi kemung kemungkin kinan an untuk untuk menjad menjadii korban korban kecelak kecelakaan aan lebih lebih besar. besar. Akan Akan tetapi tetapi dalam dalam kenyat kenyataan aanny nya, a, para para pengem pengemudi udi banyak banyak yang yang mengabaikan pembatasan kecepatan yang telah dipasang dan disampaikan melalui alat peraga atau rambu lalu lintas. Hal tersebut terbukti dari kasus kecelakaan yang terjadi di jalan bebas hambatan, umumnya disebabkan karena kecepatan yang berlebihan. Bahkan Bahkan tidak tanggung-tangg tanggung-tanggung, ung, meskipun jalannya satu arah tetapi kecelakaan lalu lintasnya seringkali melibatkan kendaraan bermotor dari dari arah arah berlaw berlawana anan. n. Kecelak Kecelakaan aan ini menunj menunjukk ukkan an bahwa bahwa kendar kendaraan aan bermotor tersebut melaju dalam kecepatan melebihi dari yang disarankan. Hal ini juga disebabkan karena pemilik kendaraan memacu kendaraannya dengan kecepatan tinggi. Sehingga tanpa disadari jarak antara kendaraan dengan kendaraan didepan atau dibelakang sudah terlalu dekat. Apalagi pada malam hari, seringkali pengemudi sudah lelah dan mengantuk dan teta tetap p
meng mengem emud udii
kend kendar araan aanny nya, a, sehi sehing ngga ga kemu kemung ngki kina nan n
unt untuk uk
bertabrakan atau ditabrak dengan kendaraan lain semakin lebih besar.
1
Dengan demikian perlu adanya upaya lain yang merupakan suatu langkah pencegahan atau preventif bagi setiap kendaraan atau pihak lain seperti seperti pengel pengelola ola jalan jalan bebas bebas hambat hambatan, an, salah salah satu satu cara upaya upaya tersebu tersebutt adalah dengan membuat suatu peralatan yang dapat berfungsi untuk untuk dapat memper mempering ingatk atkan an kendar kendaraan aan mobil mobil yang yang mendek mendekat at dari dari arah belaka belakang, ng, sehingga dapat menjaga jarak berkendara di jalan dengan kecepatan tinggi. Peng Penggu guna naan an siny sinyal al lampu lampu yang yang dapa dapatt dipa dipasa sang ng pada pada bagi bagian an belakang mobil untuk berkendara di jalan bebas hambatan khususnya pada malam hari. Lampu ini memberi tanda kepada mobil lain yang mendekat dari arah belakang. Apabila jarak mobil dari arah belakang terlalu dekat maka maka lampu lampu ini akan akan meberi meberikan kan sinyal sinyal kelap-k kelap-kelip elip untuk untuk member memberikan ikan peringatan sehingga mobil tersebut dapat menjaga jarak. Lampu ini juga dapat digunakan untuk memberi tanda jika mobil sedang berhenti di sisi jalan bebas hambatan. Proses Proses kerja lampu sinyal sinyal ini adalah dengan dengan menggunak menggunakan an sensor sensor cahaya. Apabila mendapat cahaya dari lampu mobil dari arah belakang semakin dekat maka lampu ini akan kelap-kelip selama waktu 30 detik sampai mobil dari arah belakang tersebut tidak lagi terlalu dekat atau telah mendahului. Lampu ini menggunakan dua Integrated Circuit Penghitung Waktu (IC-NE555), Phototransistor, Transistor, Resistor, Kapasitor, Ligh Emitting Diode (LED) dan Baterai sebagai catu daya. Contoh aplikasi dari sensor cahaya dapat digunakan pada lampu sinyal. Pada makalah ini akan dipelajari mengenai sensor terutama sensor cahaya cahaya beserta beserta jenis-j jenis-jeni enisny snya, a, karakt karakteri eristi stik k dan prinsi prinsip p kerja kerja sensor sensor cahaya. B. Tujuan
1. Menget Mengetahu ahuii jenis-j jenis-jeni eniss sensor sensor caha cahaya. ya. 2. Menget Mengetahu ahuii karakte karakteris ristik tik senso sensorr cahaya. cahaya. 3. Menget Mengetahu ahuii prinsi prinsip p kerja kerja senso sensorr cahaya cahaya..
2
C. Batasan Masalah
Untuk mempermudah penulisan maka perlu adanya pembatasan masalah mengenai pembahasan sensor cahaya yaitu, penulis hanya membahas mengenai jenis-jenis, karakteristik dan prinsip kerja sensor cahaya. D. Metode Penulisan
Dalam menyelesaikan makalah ini, menggunakan metode studi pustaka. Studi pustaka dimaksudkan untuk mendapatkan landasan teori, data-data
atau informasi sebagai bahan acuan dalam melakukan
penyusunan makalah ini. E. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: Bab I
Pendahuluan Bab satu ini berisi tentang latar belakang, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan makalah dan sistematika penulisan makalah.
Bab II Dasar Teori Bab ini menjelaskan tentang dasar teori mengenai pengertian sensor dan sensor cahaya. Bab III Bab ini menjelaskan mengenai jenis-jenis sensor cahaya, karakteristik sensor cahaya dan prinsip kerja sensor cahaya. Bab IV Penutup Bab ini berisi saran-saran dan kesimpulan. Daftar Pustaka Berisi tentang judul serta pengarang dari buku-buku yang digunakan dan alamat website untuk menunjang terselsaikanya makalah ini.
3
BAB II SENSOR CAHAYA
A. Pengertian Sensor
Sensor adalah alat untuk mendeteksi/mengukur sesuatu, yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroler sebagai otaknya (Petruzella, 2001). Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara elektronik berfungsi mengubah besaran fisik (misalnya : temperatur, cahaya, gaya, kecepatan putaran) menjadi besaran listrik yang proposional. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan ini harus memenuhi persyaratan persyaratan kualitas yakni : 1.
Linieritas Konversi harus benar-benar proposional, jadi karakteristik konversi harus linier.
2.
Tidak tergantung temperatur Keluaran konverter tidak boleh tergantung pada temperatur di sekelilingnya, kecuali sensor suhu.
3.
Kepekaan Kepekaan sensor harus dipilih sedemikian, sehingga pada nilai-nilai masukan yang ada dapat diperoleh tegangan listrik keluaran yang cukup besar.
4.
Waktu tanggapan Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan keluaran sensor untuk mencapai nilai akhirnya pada nilai masukan yang berubah secara mendadak. Sensor harus dapat berubah cepat bila nilai masukan pada sistem tempat sensor tersebut berubah.
4
5.
Batas frekuensi terendah dan tertinggi Batas-batas tersebut adalah nilai frekuensi masukan periodik terendah dan tertinggi yang masih dapat dikonversi oleh sensor secara benar. Pada kebanyakan aplikasi disyaratkan bahwa frekuensi terendah adalah 0 Hz.
6.
Stabilitas waktu Untuk nilai masukan (input) tertentu sensor harus dapat memberikan keluaran (output) yang tetap nilainya dalam waktu yang lama.
7.
Histerisis Gejala histerisis yang ada pada magnetisasi besi dapat pula dijumpai pada sensor. Misalnya, pada suatu temperatur tertentu sebuah sensor dapat memberikan keluaran yang berlainan. Empat sifat diantara syarat-syarat dia atas, yaitu linieritas,
ketergantungan
pada
temperatur,
stabilitas
waktu
dan
histerisis
menentukan ketelitian sensor (Link, 1993). B. Sensor Cahaya
Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik . Prinsip kerja dari alat ini adalah mengubah energi dari foton menjadi elektron. Idealnya satu foton dapat membangkitkan satu elektron. Sensor cahaya sangat luas penggunaannya, salah satu yang paling populer adalah kamera digital. Pada saat ini sudah ada alat yang digunakan untuk mengukur cahaya yang mempunyai satu buah foton saja. Di bawah ini adalah jenis-jenis sensor cahaya, di antaranya: •
Detektor kimiawi, seperti pelat fotografis, dimana molekul silver
halida dibagi menjadi sebuah atom perak metalik dan atom halogen. Pengembang fotografis menyebabkan terbaginya molekul yang berdekatan secara sama. •
Fotoresistor atau Light Dependent Resistor (LDR) yang berubah
resistansinya ketika dikenai cahaya
5
•
Sel fotovoltaik atau sel matahari yang menghasilkan tegangan dan
memberikan arus listrik ketika dikenai cahaya. •
Fotodioda yang dapat beroperasi pada mode fotovoltaik maupun
fotokonduktif •
Tabung
fotomultiplier yang
mengandung
fotokatoda
yang
memancarkan elektron ketika dikenai cahaya, kemudian elektronelektron tersebut akan dikuatkan dengan rantai dynode. •
Tabung cahaya yang mengandung fotokatoda yang memancarkan
elektron ketika dikenai cahaya, dan umumnya bersifat sebagai fotoresistor. •
Fototransistor
menggabungkan
salah
satu
dari
metode
penyensoran. •
Detektor optis yang berlaku seperti termometer, secara murni
tanggap terhadap pengaruh panas dari radiasi yang masuk, seperti detektor piroelektrik , sel Golay, termokopel dan termistor , tapi kedua yang terakhir kurang sensitif. •
Detektor cryogenic cukup tanggap untuk mengukur energi dari
sinar-x tunggal, serta foton cahaya terlihat dan dekat dengan inframerah (Enss 2005).
6
BAB III JENIS-JENIS SENSOR CAHAYA SERTA KARAKTERISTIK DAN PRINSIP KERJANYA
A. LDR (Light Dependent Resistor)
LDR ( Light Dependent Resistor ) merupakan suatu sensor yang apabila terkena cahaya maka tahanannya akan berubah. Tampilan fisik LDR dapat dilihat pada gambar 1. dibawah ini :
Gambar 1. LDR ( Light Dependent Resistor ) 1.
Cara kerja LDR ( Light Dependent Resistance)
Biasanya LDR (atau lebih dikenal dengan fotoresistor) dibuat berdasarkan kenyataan bahwa film kadmium sulfida mempunyai tahanan yang besar jika tidak terkena cahaya dan tahanannya akan menurun jika permukaan film itu terkena sinar. Resistor peka cahaya atau fotoresistor adalah komponen elektronik yang resistansinya akan menurun jika ada penambahan intensitas cahaya yang mengenainya. Fotoresistor dapat merujuk pula pada light dependent resistor (LDR), atau fotokonduktor. Fotoresistor dibuat dari semikonduktor beresistansi tinggi. Jika cahaya yang mengenainya memiliki frekuensi yang cukup tinggi, foton yang diserap oleh semikonduktor akan menyebabkan elektron memiliki energi yang cukup untuk meloncat ke pita konduksi. Elektron bebas
yang
dihasilkan
(dan
pasangan
lubangnya/hole)
akan
mengalirkan listrik, sehingga menurunkan resistansinya.
7
Besarnya tahanan LDR/fotoresistor dalam kegelapan mencapai jutaan ohm dan turun sampai beberapa ratus ohm dalam keadaan terang. LDR dapat digunakan dalam suatu jaringan kerja ( network ) pembagi potensial yang menyebabkan terjadinya perubahan tegangan kalau sinar yang datang berubah. LDR atau Light Dependent Resistor adalah jenis resistor yang memiliki
nilai
resistansi
yang
tidak
tetap.
Artinya
nilai
tahanan/resistansi komponen ini dapat berubah-ubah. Perubahan nilai resistansinya tergantung dari kuat lemahnya cahaya yang dia terima. Resistansi LDR akan berubah seiring dengan perubahan intensitas cahaya yang mengenainya atau yang ada disekitarnya. Dari sifat itulah LDR dapat digunakan sebgai sensor warna. Supaya cahaya yang diterima LDR lebih fokus maka disekeliling LDR diberi cahaya LED, sehingga LDR dapat mengenali warna-warna yang mengenainya, yang diterjemahkan dalam bentuk tegangan (Volt). Dalam keadaan gelap resistansi LDR sekitar 10MΩ dan dalam keadaan terang sebesar 1KΩ atau kurang. LDR terbuat dari bahan semikonduktor seperti kadmium sulfida. Dengan bahan ini energi dari cahaya yang jatuh menyebabkan lebih banyak muatan yang dilepas atau arus listrik meningkat. Artinya resistansi bahan telah mengalami penurunan. Komponen yang dapat menerima ini merupakan komponen yang peka cahaya. Komponen ini akan berjalan apabila berada ditempat akan menjadi pulsa-pulsa sinyal listrik. Pada keadaan gelap tanpa cahaya sama sekali, LDR memiliki nilai resistansi yang besar (sekitar beberapa Mega ohm). Nilai resistansinya ini akan semakin kecil jika cahaya yang jatuh ke permukaannya semakin terang. Pada keadaan terang benderang (siang hari) nilai resistansinya dapat mengecil hingga beberapa ohm saja (hampir seperti konduktor). 2. Karakteristik LDR
Karakteristik LDR terdiri dari dua macam yaitu Laju Recovery dan Respon Spektral.
8
a.
Laju Recovery Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level
kekuatan cahaya tertentu kedalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa kita amati bahwa nilai resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut. Namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga di kegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan suatu ukuaran praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu. Harga ini ditulis dalam K /detik, untuk LDR type arus harganya lebih besar dari 200 K /detik (selama 20 menit pertama mulai dari level cahaya 100 lux), kecepatan tersebut akan lebih tinggi pada arah sebaliknya, yaitu pindah dari tempat gelap ke tempat terang yang memerlukan waktu kurang dari 10 ms untuk mencapai resistansi yang sesuai dengan level cahaya 400 lux. b.
Respon Spektral LDR tidak mempunyai sensitivitas yang sama untuk setiap
panjang gelombang cahaya yang jatuh padanya (yaitu warna). Bahan yang biasa digunakan sebagai penghantar arus listrik yaitu tembaga, alumunium, baja, emas, dan perak. Dari kelima bahan tersebut tembaga merupakan penghantar yang paling banyak digunakan karena mempunyai daya hantar yang baik. B. Fotodioda
Fotodioda adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Fotodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Fotodioda merupakan sebuah dioda dengan sambungan p-n yang dipengaruhi cahaya dalam kerjanya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh fotodioda ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Aplikasi
9
fotodioda mulai dari penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis, pengukur cahaya pada kamera serta beberapa peralatan di bidang medis.
Gambar 2 : Simbol fotodioda (kiri), bentuk fotodioda (kanan) 1.
Prinsip kerja fotodioda
Prinsip kerja dari fotodioda jika sebuah sambungan p-n dibias maju dan diberikan cahaya padanya maka pertambahan arus sangat kecil sedangkan jika sambungan p-n dibias mundur, maka arus akan bertambah cukup besar. Cahaya yang dikenakan pada fotodioda akan mengakibatkan terjadinya pergeseran foton yang akan menghasilkan pasangan elektron-hole dikedua sisi dari sambungan. Ketika elektronelektron yang dihasilkan itu masuk ke pita konduksi maka elektronelektron itu akan mengalir ke arah positif sumber tegangan sedangkan hole yang dihasilkan mengalir ke arah negatif sumber tegangan sehingga arus akan mengalir di dalam rangkaian. Besarnya pasangan elektron ataupun hole yang dihasilkan tergantung dari besarnya intensitas cahaya yang dikenakan pada fotodioda. 2. Karakteristik fotodioda
Ada beberapa karakteristik fotodioda yang perlu diketahui antara lain: a.
Arus linier bergantung pada intensitas cahaya.
b.
Respons frekuensi bergantung pada bahan (Si 900 nm,
GaAs 1500 nm, Ge 2000 nm). c.
Digunakan sebagai sumber arus.
d.
Kapasitansi Junction
turun
menurut
tegangan
bias
mundurnya. e.
Kapasitansi Junction
menentukan respons frekuensi arus
yang diperoleh.
10
3. Mode operasi Fotodioda dapat dioperasikan dalam 2 animal mode yang berbeda: a. Mode photovoltaic: seperti solar sell, penyerapan pada fotodioda menghasilkan
tegangan
yang dapat
diukur.
Bagaimanapun,
tegangan yang dihasilkan dari tenaga cahaya ini sedikit tidak linier, dan range perubahannya sangat kecil. b. Mode fotokonduktivitas: disini fotodioda di aplikasikan sebagai tegangan revers (tegangan balik) dari sebuah dioda (yaitu tegangan pada arah tersebut pada dioda tidak akan menghantarkan tanpa terkena cahaya) dan pengukuran menghasilkan arus foto (hal ini juga bagus untuk mengaplikasikan tegangan mendekati nol). 4. Karakteristik bahan fotodioda a.
Silicon (Si) : arus lemah sangat gelap, kecepatan
tinggi,sensitivitas bagus antara 400 nm sampai 1000 nm (terbaik antara 800 nm sampai 900 nm). b.
Germanium (Ge) : arus tinggi sangat gelap, kecepatan
lambat, sensitivitas baik antara 600 nm sampai 1800 nm (terbaik 1400 nm sampai1500 nm). c.
Indium Gallium Arsennida (InGaAs) : mahal, arus kecil
saat gelap, kecepatan tinggi sensitivitas baik pada jarak 800 nm sampai 1700 nm (terbaik antara 1300 nm sampai 1600 nm). C.
LED Inframerah
Sinar infra merah termasuk dalam gelombang elektromagnetik yang tidak tampak oleh mata telanjang. Sinar ini tidak tampak oleh mata karena mempunyai panjang gelombang berkas cahaya yang terlalu panjang bagi tanggapan mata manusia. Sifat-sifat cahaya infra merah: 1. tidak tampak manusia 2. tidak dapat menembus materi yang tidak tembus pandang LED
inframerah adalah suatu
bahan
semikonduktor
yang
memancarkan cahaya monokromatik (cahaya yang hanya terdiri atas satu
11
warna dan satu panjang gelombang) yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Pengembangan led inframerah dimulai dengan alat inframerah dibuat dengan gallium arsenide. Cahaya infra merah pada dasarnya adalah radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang yang lebih panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasi gelombang radio, dengan kata lain infra merupakan warna dari cahaya tampak dengan gelombang terpanjang, yaitu sekitar 700 nm sampai 1 mm.
Gambar 3. LED Inframerah Cahaya led inframerah timbul sebagai akibat penggabungan elektron dan hole pada persambungan antara dua jenis semikonduktor dimana setiap penggabungan disertai dengan pelepasan energi. Pada penggunaannya led inframerah ini merupakan komponen elektronika yang memancarkan cahaya infra merah dengan konsumsi daya sangat kecil. Led inframerah dapat diaktifkan dengan tegangan dc untuk transmisi atau sensor jarak dekat, dan dengan tegangan ac (30–40 KHz) untuk transmisi atau sensor jarak jauh. 1.
2.
Karakteristik dari LED Inframerah
a.
Dapat dipakai dalam waktu yang sangat lama.
b.
Membutuhkan daya yang kecil.
c.
Tidak mudah panas.
d.
Dapat digunakan dalam jarak yang lebar. Prinsip kerja LDR Inframerah
Prinsip utama dari rangkaian sensor ini seperti layaknya sebuah saklar yang memberikan perubahan tegangan apabila terdapat penghalang diantara transceiver dan receiver. Sensor ini memiliki dua buah piranti yaitu rangkaian pembangkit/pengirim (Led Inframerah)
12
dan rangkaian penerima (Fotodiode). Rangkaian pembangkit/pengirim memancarkan sinar inframerah kemudian pancarannya diterima oleh penerima (fotodioda) sehingga bersifat menghantar akibatnya tegangan akan jatuh sama dengan tegangan ground (0). Dan sebaliknya apabila tidak mendapat pancaran sinar inframerah maka akan menghasilkan tegangan. Led inframerah adalah suatu jenis dioda yang apabila diberi tegangan maju maka arus majunya akan membangkitkan cahaya pada pertemuan PN-nya. Disini cahaya yang dibangkitkan adalah infra merah yang tidak dapat dilihat dengan mata. Dioda-dioda yang digunakan terbuat dari bahan Galium (Ga), Arsen (As), dan Fosfor (P) atau disingkat GaAsP. Tegangan maju antara anoda-katoda berkisar antara 1,5V-2V, sedangkan arus majunya berkisar 5 mA-20 mA. Led inframerah sesuai dengan rancangannya memancarkan cahaya pada spektrum inframerah dengan panjang gelombang λ = 940 nm. Spektrum cahaya inframerah ini mempunyai level panas yang paling tinggi diantara sinar-sinar yang lain walaupun tidak tampak oleh mata dan mempunyai efek fotolistrik yang terkuat. LED adalah dioda yang menghasilkan cahaya saat diberi energi listrik. Dalam bias maju sambungan p-n terdapat rekombinasi antara electron bebas dan lubang (hole). Energi ini tidak seluruhnya diubah ke dalam bentuk energi cahaya atau photon melainkan dalam bentuk panas sebagian. Untuk dioda yang memancarkan cahaya inframerah (infrared emiting dioda = IRED). Sinar inframerah tidak dapat dilihat manusia , dengan menambahkan obat gallium arsenide dengan berbagai bahan dapat dibuat LED dengan output yang dapat dilihat seperti sinar merah, hijau, kuning, atau biru. Dioda yang memancarkan cahaya (LED) digunakan untuk display alphabet dan digital serta sebagai lampu tanda. Sebagian besar LED membutuhkan 1,5 V sampai 2,2 V untuk memberi bias maju dan membutuhkan arus sekitar 20 mA sampai 30
13
mA untuk memancarkan cahaya. Dengan level-level tegangan yang lebih tinggi, LED dapat terbakar apabila tegangan maju yang diberikan melebihi 2 V. untuk mengatasi hal ini LED biasanya dihubungkan secara seri dengan tahanan yang membatasi tegangan dan arus pada nilai yang dikehendaki. Proses pemancaran cahaya akibat adanya energi listrik yang diberikan terhadap suatu bahan disebut dengan sifat elektroluminesensi. Material lain misalnya galiumarsenida pospat (GaP): photon energi cahaya dipancarkan untuk menghasilkan cahaya tampak. Jenis lain dari LED digunakan untuk menghasilkan energi tidak tampak seperti yang dipancarkan oleh pemancar laser atau inframerah.
Gambar 4. Simbol dan rangkaian dasar sebuah LED Pemancar inframerah adalah dioda zat padat yang terbuat dari bahan Galium Arsenida (GaAs) yang mampu memancarkan fluks cahaya ketika dioda ini dibias maju. Bila diberi bias maju electron dari daerah-n akan menutup lubang electron yang ada di daerah-p. selama proses rekombinasi ini, energi dipancarkan dari permukaan p dan n dalam bentuk photon. Photon-photon yang dihsilkan ini ada yang diserap lagi dan ada yang meninggalkan permukaan dalam bentuk radiasi energi. Led inframerah adalah suatu bahan semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik (cahaya yang hanya terdiri atas satu warna dan satu panjang gelombang) yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Pengembangan led inframerah dimulai dengan alat inframerah dibuat dengan galliumarsenide. Cahaya infra merah
14
pada dasarnya adalah radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang yang lebih panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasi gelombang radio. D. Sel Fotovoltaik
Teknologi fotovoltaik merupakan suatu teknologi konversi yang mengubah cahaya (foto) menjadi listrik (volt) secara langsung (direct
conversion ). Peristiwa ini dikenal sebagai efek fotolistrik ( photovoltaic affect ). Didalam proses konversi cahaya-listrik tidak ada bagian yang bergerak, sehingga produk teknologi fotovoltaik memiliki umur teknis yang panjang (>25 tahun). Teknologi fotovoltaik dikenal sebagai teknologi bersih sehingga penerapannya akan mendukung program pembangunan yang berkelanjutan dan berwawasan lingkungan. Beberapa keuntungan dari pemanfaatan teknologi fotovoltaik, antara lain: a.
Biaya operasional dan perawatan yang rendah (tidak
diperlukan pembelian bahan bakar dan keausan dalam proses konversi) b.
Tidak menimbulkan polusi udara karena tidak ada
proses pembakaran sehingga mengurangi pelepasan gas rumah kaca ( greenhouse gas) c.
Tidak menimbulkan kebisingan karena tidak ada
bagian yang bergerak Sel Fotovoltaik. Efek fotolistrik ini terjadi pada suatu sel yang terbuat
dari bahan semikonduktor. Karena sifatnya, sel ini kemudian disebut sebagai sel fotovoltaik ( photovoltaic cell ) atau sering juga disebut sebagai sel surya ( solar cell ). Sel fotovoltaik merupakan komponen terkecil didalam sistem energi surya fotovoltaik (SESF). Sinar matahari yang menimpa permukaan sel diubah secara langsung menjadi listrik sebagai akibat terjadinya pergerakan pasangan electron-hole , sebagaimana digambarkan pada skema dibawah ini. Teknologi sel fotovoltaik yang tersedia dewasa ini masih didominasi oleh jenis sel dengan teknologi kristal, baik mono- maupun poli-kristal, khususnya dari bahan dasar silikon.
15
Bahan yang Digunakan untuk Pembangunan Sel fotovoltaik. Bahan khusus digunakan untuk pembangunan sel surya. Bahan-bahan yang disebut semikonduktor. Bahan semikonduktor yang paling umum digunakan untuk pembangunan sel surya adalah silikon. Beberapa bentuk silikon yang digunakan untuk konstruksi, mereka adalah single-kristal, multi-kristal dan amorf. bahan lain yang digunakan untuk pembangunan sel surya adalah filmfilm tipis polikristalin seperti diselenide tembaga indium, telluride kadmium. Modul Fotovoltaik. Modul fotovoltaik dirakit dari susunan sel surya atau sel fotovoltaik yang dirangkai secara seri dan/atau paralel. Produk akhir dari modul fotovoltaik menyerupai bentuk lembaran kaca dengan ketebalan sekitar 6-8 milimeter. Efisiensi pembangkitan energi listrik yang dihasilkan modul fotovoltaik pada skala komersial saat ini adalah sekitar 14 - 15 %.
Berapa Banyak Sinar matahari yang dibutuhkan? Sebuah sistem fotovoltaik akan memerlukan akses jelas sinar matahari untuk hampir sepanjang hari. sistem Photovoltaic tidak terpengaruh oleh cuaca buruk dan
16
karenanya iklim bukan masalah nyata. Kebanyakan modul PV dipasang di sudut untuk menangkap sinar matahari, oleh karena itu, ada sinar matahari yang cukup untuk membuat sistem energi surya fungsional dan efektif. Kapasitas Modul Fotovoltaik . Besar energi listrik yang dihasilkan oleh modul fotovoltaik tergantung pada intensitas radiasi matahari setempat dan kapasitas modul fotovoltaik itu sendiri. Didalam perdagangan, kapasitas daya modul fotovoltaik dinyatakan pada kapasitas puncaknya, yaitu besarnya daya yang mampu dibangkitkan modul fotovoltaik pada keadaan standar uji (Standard Test Condition - STC) dan dinyatakan dalam satuan: Watt-peak (Wp). Standar uji ini ditetapkan pada intensitas 1000 W/m 2 dan temperatur sel 25 oC. Didalam realita; modul fotovoltaik akan bekerja dengan radiasi yang berfluktuatif dan suhu sel yang lebih tinggi. Di Indonesia, besar energi matahari yang jatuh pada permukaan seluas satu meter persegi selama satu hari antara 3 - 6 kWh (satuan : kWh/m 2.hari). Untuk modul fotovoltaik 100 Wp yang diterapkan pada daerah dengan penyinaran matahari rata-rata 4,5 kWh/m2.hari akan mampu menyediakan energi sekitar 300 Watt-jam/hari. Dimana Sistem Photovoltaic yang Digunakan? Sistem Photovoltaic yang menghasilkan listrik yang bersih di seluruh dunia. Hampir setiap kebutuhan listrik dapat dipenuhi dengan sistem fotovoltaik. Di lokasi terpencil, sistem photovoltaic adalah pilihan termurah untuk memenuhi kebutuhan energi. Photovoltaic sangat ideal untuk pemompaan air di daerah terpencil. Air dapat dipompa ke tangki penyimpanan selama siang hari dan air kemudian dapat didistribusikan oleh gravitasi kapan pun ia butuhkan. Di beberapa bagian dunia berkembang, pasokan air dari seluruh desa yang didukung oleh fotovoltaik. Kegunaan lain fotovoltaik termasuk pemantauan jarak jauh, pendinginan, dan energi untuk usaha komersial kecil. Photovoltaic juga terbukti menjadi sumber daya yang diandalkan dalam peningkatan jumlah aplikasi seperti memberikan penerangan jalan dan
17
pencahayaan untuk area rekreasi, serta menyediakan tenaga untuk tanda-tanda jalan raya dan peringatan. E.
Tabung Cahaya yang Mengandung Fotokatoda dan Detektor Cryogenic
Karakteristik Tabung cahaya yang mengandung fotokatoda yang memancarkan elektron ketika dikenai cahaya, dan umumnya bersifat sebagai fotoresistor. Fotokatoda adalah katoda memancarkan elektron di bawah pengaruh
cahaya. Photocathode dihubungkan ke terminal negatif power supply dan unsur penting dari banyak detektor radiasi yang mengandung tabung vakum. Desain didasarkan pada photocathode di atas lapisan tipis bahan diendapkan pada permukaan dukungan. Lapisan ini dapat buram, dan kemudian emisi elektron terjadi dari sisi yang sama dari yang ringan jatuh. Buram diterapkan dalam fotodiodach vakum, dimana elektroda ini memiliki bentuk silinder atau bola sekitar anoda. Photocathodes ditempatkan di dalam lampu. Beberapa fotokatoda dilakukan di permukaan tembus. Terima kasih emisi elektron adalah sebaliknya permukaan diterangi. photocathodes semitransparan digunakan terutama di fotopowielaczach. Biasanya mereka disemprotkan di bagian dalam gelembung. Akibat rendahnya output usaha photocathodes yang dibuat terutama dari logam alkali (biasanya cesium) dan senyawanya, antara lain, perak , oksigen dan antimon. Tergantung pada photocathode adalah sensitif terhadap rentang yang berbeda spektrum, pada umumnya nilai berkisar dari dekat inframerah ke ultraviolet, kepekaan lebih kecil - puluhan UA/lm. 1.
Karakterisik Detektor Cryogenic
Detektor cryogenic cukup tanggap untuk mengukur energi dari sinar-x tunggal, serta foton cahaya terlihat dan dekat dengan inframerah sedang digunakan dalam berbagai peningkatan aplikasi, karena kepekaan yang luar biasa baik dalam dan kehidupan ilmu fisik dan mulai dari astronomi untuk aplikasi keamanan. Saat ini minat khusus dalam aplikasi
18
dalam deteksi radiasi Terahertz. Untuk mencapai sensitivitas utama perangkat deteksi harus didinginkan pada suhu rendah. F. Detektor Optis
Deteksi optik adalah fungsi dari bagian penerima dalam sistem komunikasi optik. Sebuah detektor optik atau photodetector adalah kebalikan dari apa yang dikerjakan oleh bagian pengirim, yaitu sumber optik. Sumber optik biasanya mengkonversikan sinyal optik input menjadi keluaran berupa arus. Detektor optik biasanya adalah photodiode yang merupakan divais
photoelectric . Rentang nilai dari panjang gelombang yang dideteksi termasuk UV, infra red, cahaya tampak, dll., adalah dari 0.005 s/d 4,000 ìm. Pertama kali yang mesti diperhatikan dalam memilih detektor cahaya yang akan digunakan adalah menspesifikasikan parameter-parameter sistem yang ada, dalam hal ini parameter yang umum digunakan adalah responsivitas, gain, laju bit dan jarak transmisinya. Setelah itu, langkah berikutnya adalah memilih modulasi yang akan digunakan, apakah menggunakan modulasi digital ataukah modulasi analog. Hal ini dibedakan mengingat parameter power budget dalah modulasi digital dan modulasi analog berbeda. Pada modulasi digital yang digunakan adalah nilai BER (Bit Error Rate) sedangkan pada modulasi analog yang digunakan adalah SNR (Signal to Noise Ratio). SNR menunjukkan seberapa kuat sinyal dibandingkan dengan deraunya, sedangkan BER menyatakan rasio dari banyaknya bit error dalam pengkodean terhadap total bit yang diterima. Selanjutnya adalah memilih detektor apa yang akan digunakan, apakah APD atau PIN detektor, hal ini tergantung dari dari perhitungan parameter parameter di awal. Perhitungan parameter sensitivitas merupakan langkah yang harus dikerjakan setelah pemilihan detektor selesai. Besarnya nilai sensitivitas diukur dengan responsivitas R (A/W), yaitu arus keluaran yang dihasilkan per unit daya yang dihasilkan. Sesudah perhitungan sensitivitas selesai, maka hal berikutnya adalah memeriksa apakah sinyal sudah dapat dikirimkan, jika sudah siap maka langkah terakhir adalah seleksi komponen. Apabila sinyal belum siap, maka
19
sesuai dengan diagram alir di atas, kita dapat menganalisis dan memeriksa kembali bagian mana dari perancangan yang belum sesuai dengan sinyal yang dikirim. Untuk kemudian diubah sesuai dengan kebutuhannya. G. Fototransistor
Fototransistor adalah sebuah benda padat pendeteksi cahaya yang memiliki gain internal. Hal ini yang membuat foto transistor memiliki sensitivitas yang lebih tinggi dibandingkan fotodioda, dalam ukuran yang sama. Alat ini (foto transistor) dapat menghasilkan sinyal analog maupun sinyal digital. 1. Karakteristik Fototransistor Foto transistor memiliki karakteristik: a.
Pendeteksi jarak dekat Infra merah.
b.
Bisa dikuatkan sampai 100 sampai 1500.
c.
Respon waktu cukup cepat.
d.
Bisa digunakan dalam jarak lebar.
e.
Bisa dipasangkan dengan (hampir) semua penghasil
cahaya atau cahaya yang dekat dengan inframerah, seperti IRED (infrred led), Neon, Fluorescent, lampu bohlam, cahaya laser dan api. f.
Mempunyai karakteristik seperti transistor, kecuali
bagian basis digantikan oleh besar cahaya yang diterima. Fototransistor merupakan salah satu komponen yang berfungsi sebagai detektor cahaya yang dapat mengubah efek cahaya menjadi sinyal listrik. Karena itu fototransistor termasuk dalam detektor optik. Fototransistor dapat diterapkan sebagai sensor yang baik, karena memiliki kelebihan dibandingkan dengan komponen lain yaitu mampu untuk mendeteksi sekaligus menguatkannya dengan satu komponen tunggal. Fototransistor memiliki sambungan kolektor – basis yang besar dan dengan cahaya karena cahaya dapat membangkitkan pasangan lubang elektron. Dengan diberi prasikap maju, cahaya yang masuk akan menimbulkan arus pada kolektor.
20
Bahan utama dari fototransistor adalah silikon atau germanium sama seperti pada transistor jenis lainnya. Fototransistor juga memiliki dua tipe seperti transistor yaitu tipe NPN dan tipe PNP. Fototransistor sebenarnya tidak berbeda dengan transistor biasa, hanya saja fototransistor ditempatkan
dalam
suatu
material
yang
transparan
sehingga
memungkinkan cahaya (cahaya inframerah) mengenainya (daerah basis), sedangkan transistor biasa ditempatkan pada bahan logam dan tertutup. Simbol dari fototransistor seperti pada terlihat pada gambar simbol fototransistor. Fototransistor
memiliki
beberapa
karakteristik
yang
sering
digunakan dalam perancangan, yaitu: a. Dalam rangkaian jika menerima cahaya akan berfungsi sebagai resistan. b. Dapat menerima penerimaan cahaya yang redup (kecil). c. Semakin tinggi intensitas cahaya yang diterima, maka semakin besar pula resistan yang dihasilkan. d. Memerlukan sumber tegangan yang kecil. e. Menghantarkan arus saat ada cahaya yang mengenainya. f. Penerimaan cahaya dilakukan pada bagian basis. g. Apabila tidak menerima cahaya maka tidak akan menghantarkan arus. Berdasarkan tanggapan spektral, sifat – sifat dan cara kerja dari fototransistor tersebut, maka perubahan cahaya yang kecil dapat dideteksi. Oleh karena itu fototransistor digunakan sebagai detektor cahaya yang peka, terutama terhadap cahaya inframerah.
21
BAB IV PENUTUP
A.
Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari materi tentang Sensor Cahaya ini, yaitu; 1. Sensor adalah alat untuk mendeteksi/mengukur sesuatu, yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. 2.
persyaratan-persyaratan kualitas pada Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan ini harus memenuhi yakni : Linieritas, Tidak tergantung temperatur, Kepekaan, Waktu tanggapan, Batas frekuensi terendah dan tertinggi, Stabilitas waktu, dan Histerisis.
3.
Jenis-jenis sensor cahaya , di antaranya: Detektor kimiawi, Fotoresistor atau Light Dependent Resistor (LDR), Sel fotovoltaik atau sel matahari, Fotodioda, Tabung fotomultiplier , Tabung cahaya yang mengandung fotokatoda, Fototransistor , Detektor optis, Detektor cryogenic
dan
sebagainya. 4. Pada jenis-jenis sensor tersebut, memiliki prinsip kerja dan karakteristik yang berbeda-beda.
B.
Saran
Sensor cahaya memiliki banyak jenis dan aplikasi dalam kehidupan manusia. Dalam makalah kami hanya membahas mengenai beberapa jenis dari sensor cahaya, karakteristik serta prinsip kerja dari sensor cahaya tersebut. Semoga dalam penulisan makalah berikutnya mengenai sensor cahaya dapat lebih baik lagi.
22
DAFTAR PUSTAKA
23
DAFTAR ISI
Bab I Pendahuluan ......................................................................................... A.....................................................................................
Latar
Belakang .................................................................................... . B.....................................................................................
Tujua
n .................................................................................................. C.....................................................................................
Batas
an Masalah .................................................................................. D.................................................................................. ..
Meto
de Penulisan ................................................................................ E.....................................................................................
Siste
matika Penulisan ......................................................................... Bab II Sensor Cahaya .................................................................................... A.....................................................................................
Peng
ertian Sensor .......................................................................... ..... B.....................................................................................
Sens
or Cahaya .................................................................................... Bab III Jenis-jenis Sensor Cahaya serta Karakteristik dan Prinsip Kerjanya .. A.....................................................................................
LDR
( Light Dependent Resistor ) ......................................................... B.....................................................................................
Fotod
ioda ............................................................................................. C.....................................................................................
LED
Inframerah ................................................................................... D.................................................................................. ..
Sel
Fotovoltaik .................................................................................. E............................................................................. .....
Tabung Cahaya yang Mengandung Fotokatoda dan Detektor Cryogenic ..................................................................................................
24
F.....................................................................................
Dete
ktor Optis ................................................................................. ... G.................................................................................. ..
Fotot
ransistor ....................................................................................... Bab IV Penutup ............................................................................................... A.....................................................................................
Kesi
mpulan ........................................................................................ B.....................................................................................
Saran
..................................................................................................... Daftar Pustaka ..................................................................................................
SENSOR CAHAYA JENIS, KARAKTERISTIK DAN PRINSIP KERJA Makalah Teknologi Sensor
25
Disusun oleh Aditia Pradipta
32250718..
Gita Rustiawati
3225071875
M. Fajar Fiqri
32250718..
Rini Puji Astuti
3225071873
Supriyadi
32250718..
PRODI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA 2011
26
