SENSOR CAHAYADi ampu oleh Prof. Dr. Jumadi

 

Tarwin 13708259014Mata Kuliah Fisika

Program Studi Pendidikan Sains

PROGRAM PASCASARJANAUNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA

2014

SENSOR CAHAYAA. 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)

PENGERTIAN SENSOR (LANJUTAN)

Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi mekanik dan sebagainya.

Contoh; mata sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai sensor peraba pada tubuh manusia sedangkan thermistor adalah sensor panas, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, pada sistem otomatis dan lainnya.

HUBUNGAN SENSOR DAN TRANDUSER

Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai peranan penting dalam sebuah sistem pengendali dan pengaturan otomatis.Sensor merupakan bagian yang berfungsi untuk melakukan sensing atau “merasakan dan menangkap” adanya perubahan energi eksternal yang akan masuk ke bagian input dari transducer, kemudian segera dikirim kepada bagian konvertor dari transducer untuk dirubah menjadi energi listrik

TRANDUSER

Tranduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas).

Transducer adalah alat yang berfungsi untuk mengubah suatu bentuk energi tertentu ke dalam bentuk energi lain, dalam hal ini biasanya selalu diubah kedalam bentuk energi listrik

ALAT UKUR

Di dalam mempelajari sensor dan transduser ada sebuah alat lagi yang selalu melengkapi dan mengiringi keberadaan sensor dan transduser dalam sebuah sistem pengukuran, atau sistem manipulasi, maupun sistem pengontrolan yaitu yang disebut alat ukur Alat Ukur adalah sesuatu alat yang berfungsi memberikan batasan nilai atau harga tertentu dari gejala-gejala atau sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi.Contoh: voltmeter, ampermeter untuk sinyal listrik; tachometer, speedometer untuk kecepatan gerak mekanik, lux-meter untuk intensitas cahaya, dan sebagainya

SENSOR CAHAYADalam memilih sensor yang tepat dan sesuai dengan sistem yang akan disensor maka perlu diperhatikan persyaratan-persyaratan kualitas, yakni:1). Linearitas

Konversi harus benar-benar proposional, jadi karakteristik konversi harus linier. Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya.

SENSOR CAHAYA2). SensitivitasSensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan”. Beberapa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan “satu volt per derajat”, yang berarti perubahan satu derajat pada masukan akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya. Sensor panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan “dua volt per derajat”, yang berarti memiliki kepekaan dua kali dari sensor yang pertama.

SENSOR CAHAYA3). Waktu Tanggapan (time response)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. Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan.

4). Batas frekuensi terendah dan tertinggiBatas-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

SENSOR CAHAYA5). Tidak tergantung temperaturKeluaran konverter tidak boleh tergantung pada temperatur di sekelilingnya, kecuali sensor suhu

4). Stabilitas waktuUntuk nilai masukan (input) tertentu sensor harus dapat memberikan keluaran (output) yang tetap nilainya dalam waktu yang lama 5).HisterisisGejala histerisis yang ada pada magnetisasi besi dapat pula dijumpai pada sensor. Misalnya, pada suatu temperatur tertentu sebuah sensor dapat memberikan keluaran yang berlainan (Link, 1993).

SENSOR CAHAYAJenis sensor secara garis besar bisa dibagi menjadi 2 jenis yaitu :1.    Sensor Fisika2.    Sensor Kimia

Sensor fisika adalah sensor yang mendeteksi suatu besaran berdasarkan hokum-hukum fisika. Yang termasuk kedalam jenis sensor fisika yaitu:

-          Sensor cahaya -          Sensor gaya-          Sensor suara - Sensor percepatan-          Sensor suhu

Sensor kimia adalah sensor yang mendeteksi jumlah suatu zat kimia dengan cara mengubah besaran kimia menjadi besaran listrik. Biasanya ini melibatkan beberapa reaksi kimia. Yang termasuk kedalam jenis sensor kimia yaitu :

- Sensor PH - Sensor Ledakan, dll- Sensor Gas- Sensor oksigen

 Sensor biologi, sensor yang mendeteksi kadar substrat pada mahluk hidup

* sensor pengukuran molekul dan biomolekul: toxin, nutrient, pheromone* sensor pengukuran tingkat glukosa, oxigen, dan osmolitas* sensor pengukuran protein dan hormon

SENSOR CAHAYA

Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk merubah besaran cahaya menjadi besaran  listrik. Prinsip kerja dari alat ini adalah mengubah energi dari foton menjadi Elektron. Idealnya satu foton dapat membangkitkan satu elektron.

JENIS-JENIS SENSOR CAHAYA DAN KARAKTERISTIKNYA     komponen yang termasuk sensor cahaya, yaitu:1. LDR (Light Dependent Resistor)

LDR (Light Dependent Resistor) merupakan suatu sensor yang apabila terkena cahaya maka tahanannya akan berubah. resistensi dari LDR akan menurun jika ada penambahan intensitas cahaya yang mengenainya. Besarnya tahanan LDR/fotoresistor dalam kegelapan mencapai jutaan ohm (sekitar 10MΩ) dan turun sampai beberapa ohm dalam keadaan terang benderang. LDR dapat dibuat dari semikonduktor beresistensi tinggi yang karakteristik listriknya berubah-ubah sesuai dengan cahaya yang diterima seperti kadmium sulfida (CdS) dan Kadmium Selenida (CdSe). Dengan bahan ini energi dari cahaya yang jatuh menyebabkan lebih banyak muatan yang dilepas atau arus listrik meningkat .

SENSOR CAHAYAKarakteristik LDR terdiri dari dua macam yaitu Laju Recovery dan Respon Spektral Laju RecoveryBila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu ke dalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa kita amati bahwa nilai resistansi dari LDR tidak akan segera berubah tetapi dapat 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 Respon SpektralLDR 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

SENSOR CAHAYAGrafik penurunan resistansi LDR terhadap variasi illumination

Grafik Perbandingan Antara Resistansi LDR dengan Kadar Cahaya

SENSOR CAHAYATampilan fisik LDR seperti gambar berikut:

SENSOR CAHAYA

Contoh penggunaannya adalah pada alarm pencuri, lampu taman dan lampu jalan yang bisa menyala di malam hari dan padam di siang hari secara otomatis.

SENSOR CAHAYA

Contoh simulasi Rangkaian yang menggunakan LDR

SENSOR CAHAYA2. FotodiodaFotodioda 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. Jika terkena cahaya maka resistansi nya berkurang dan jika tidak terkena cahaya maka resistansi nya meningkat.Cahaya yang dapat dideteksi oleh fotodioda ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. biasanya Photodioda digunakan sebagai penangkap gelombang cahaya yang dipancarkan oleh Infrared. Photodiodes dibuat dari semikonduktor dengan bahan yang populer adalah silicon (Si) atau galium arsenida ( GaAs), dan yang lain meliputi InSb, InAs, PbSe

SENSOR CAHAYADikarenakan sambungan PN sangatlah kecil, dibutuhkan lensa untuk memfokuskan radiasi yang datang agar mendapatkan respon yang baik. Keunggulan device ini adalah nilai waktu responnya sangatlah cepat yaitu mendekati 1 Mikrodetik, bahkan ada yang mendekati 1 nano detik. Aplikasi fotodioda mulai dari sensor api, penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis, alarm otomatis dengan sensor infrared, sensor warna, dapat digunakan untuk membentuk sebuah alat ukur akurat yang dapat mendeteksi intensitas cahaya dibawah 1pW/cm2 sampai intensitas diatas 10mW/cm2. dipergunakan dalam aplikasi pengukuran dengan kecepatan tinggi atau pada komunikasi, pengukur cahaya pada kamera serta beberapa peralatan di bidang medis.Tampilan fisik fotodioda, yaitu:

SENSOR CAHAYA

SENSOR CAHAYAMode operasiFotodioda dapat dioperasikan dalam 2 animal mode yang berbeda:a. Mode photovoltaic: pemasangannya pada kondisi sensor mengubah langsung energi sinar menjadi energi listrik b. Mode fotokonduktivitas: energi yang jatuh pada fotodioda menyebabkan adanya perubahan tahanan sel.

Ada beberapa karakteristik fotodioda 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

SENSOR CAHAYA 3. Fototransistor

Fototransistor merupakan salah satu komponen yang berfungsi sebagai detektor cahaya yang dapat mengubah efek cahaya menjadi sinyal listrik.Transistor foto ini pada dasarnya adalah jenis transistor bipolar yang menggunakan kontak (junction) Base-Collector untuk menerima cahaya. Komponen ini memiliki sensitivitas yang lebih tinggi dibandingkan fotodioda, dalam ukuran yang sama. Hal ini disebabkan karena elektron yang ditimbulkan oleh foton cahaya pada junction ini diinjeksikan di bagian Base dan diperkuat di bagian Collectornya. Namun demikian, waktu respons dari Transistor-foto secara umum akan lebih lambat dari pada Dioda-Foto

SENSOR CAHAYAKarakteristik Fototransistor

Foto transistor memiliki karakteristik:a. Pendeteksi jarak dekat Infra merah.b. Bisa dikuatkan dari 100 kali hingga 1500 kali.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

SENSOR CAHAYABahan 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.

SENSOR CAHAYASimbol dari fototransistor seperti pada terlihat pada gambar simbol fototransistor.

SENSOR CAHAYAAplikasi phototransistor, yaitu Amplifier Lampu taman otomatis (lampu siang

malam) Dikombinasikan dengan photodioda dalam

rangkaian sensor infrared otomatis

SENSOR CAHAYA4. Sel FotovoltaikTeknologi fotovoltaik merupakan suatu teknologi konversi yang mengubah cahaya (foto) menjadi listrik (volt) secara langsung (direct conversion). Peristiwa ini dikenal sebagai efek fotolistrik (photovoltaic affect) dan terjadi pada suatu sel yang terbuat dari bahan semikonduktor (silikon). Karena sifatnya, sel ini kemudian disebut sebagai sel fotovoltaik (photovoltaic cell) atau sering juga disebut sebagai sel surya (solar cell).Didalam proses konversi cahaya-listrik tidak ada bagian yang bergerak, sehingga produk teknologi fotovoltaik memiliki umur teknis yang panjang (>25 tahun).

SENSOR CAHAYAEfek sel photovoltaik terjadi menurut gejala efek fotolistrik yaitu lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsu-runsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron valensinya. Diantara logam-logam diatas Cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya

Tegangan yang dihasilan oleh sensor foto voltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f).

SENSOR CAHAYA

SENSOR CAHAYA

SENSOR CAHAYA

SENSOR CAHAYAProduk 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 %.

SENSOR CAHAYA

SENSOR CAHAYAKapasitas Modul Fotovoltaik. Besar energi listrik yang dihasilkan oleh modul fotovoltaik tergantung pada intensitas radiasi matahari setempat dan kapasitas modul fotovoltaik itu sendiri. Kapasitas daya yang mampu dibangkitkan modul fotovoltaik pada keadaan standar uji yang ditetapkan pada intensitas 1000 W/m2 dan temperatur sel 250C.

Di Indonesia, besar energi matahari yang jatuh pada permukaan seluas satu meter persegi selama satu hari antara 3 - 6 kWh (satuan : kWh/m2.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.

SENSOR CAHAYA5. Tabung Cahaya yang Mengandung Fotokatoda dan Detektor CryogenicFotokatoda 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. Photocathodes yang dibuat terutama dari logam alkali (biasanya cesium) dan senyawanya, antara lain, perak, oksigen dan antimon. Tergantung pada karakteristik objek yang akan disensor, photocathode sensitif terhadap rentang yang berbeda spektrum, pada umumnya nilai berkisar dari dekat inframerah ke ultraviolet, kepekaan lebih kecil (puluhan UA/lm)

SENSOR CAHAYADetektor cryogenic cukup tanggap untuk mengukur energi dari sinar-x tunggal, serta foton cahaya nampak. Selain itu, mampu mendeteksi gelombang yang mendekati inframerah sehingga digunakan dalam berbagai peningkatan aplikasi, karena kepekaan yang luar biasa. Penggunaanya dalam kehidupan ilmu fisik mulai dari astronomi hingga pada aplikasi peralatan keamanan. Saat ini minat khusus yang berkembang adalah aplikasi dalam deteksi radiasi Terahertz

SENSOR CAHAYA

Gambar Vidicon– salah satu dari banyak  jenis tabung cahaya penangkap cahaya. Dipakai sebagai salah satu komponen kamera video

SENSOR CAHAYA

SEKIAN DAN TERIMA KASIH

SENSOR CAHAYASoal-soal1. Syarat sebuah sensor adalah konversi harus

benar-benar proporsional. Syarat tersebut disebut....

a. Histerisis c. Linearitas b. Sensitivitas d. Time response

2. Di bawah ini merupakan sensor cahaya, kecuali… A. Photoresistor C. Photovoltaik B. Photodioda D. Potensiometer

SENSOR CAHAYA3. Pada LDR, hubungan resistansi bahan dan illumination yang diterimanya adalah.... a. Berbanding lurus c. Sebanding kuadrat dua b. Berbanding terbalik d. Sebanding

4. Di bawah ini yang merupakan contoh LDR adalah … A. C.

B. D.

SENSOR CAHAYA5. komponen elektronika berupa semikonduktor dengan sambungan p-n yang mampu mendeteksi cahaya adalah.... a. photoresistor c. photovoltaik b. photodioda d. phototransistor

6. Berikut ini yang bukan merupakan bahan dasar pembuatan photodioda adalah ….

A. Galium arsenida C. Iodium Arsenida

B. silicon D. Plutonium

SENSOR CAHAYA7. Berikut ini ciri dan karakteristik fototransistor (I). Memiliki sambungan PNP dan NPN (II). Mempunyai junction base colector yang dikenai cahaya(III). Tahanan sel ditentukan oleh intensitas cahaya(IV). Besar penguatan hingga 1500 kali

pernyataan yang benar dari fototransistor adalah... a. (I) dan (II) saja c. (I), (II), dan (IV) b. (I), (II) dan (III) d. Semuanya benar

8. Sel fotovoltaik bekerja berdasarkan prinsip efek fotolistrik. Efek fotolistrik adalah.... a. Peristiwa pengikatan elektron akibat radiasi sinar gamma b. Peristiwa pengikatan elektron akibat radiasi sinar matahari c. Peristiwa pembelokan atom elektron akibat radiasi sinar gamma d. Peristiwa pelepasan elektron akibat radiasi sinar matahari

SENSOR CAHAYA9. Salah satu contoh aplikasi tabung cahaya dalam elektronika saat sekarang ini adalah ....A. Alarm otomatis C. Lampu siang

malam

B. Rangkaian sensor kecepatan D. Kamera video

10. Sensor cahaya dibuat dengan bahan utama semikonduktor. Hal ini disebabkan …. A. Lebih murah harganya dan mudah pemasangannyaB. memiliki daya keluaran yang lebih besarC. memiliki perubahan nilai resistansi yang seiring dengan perubahan panasD. Nilai konduktifitas yang cenderung tetap

SENSOR CAHAYA

Kunci Jawaban:1. C 6. D2. D 7. C3. B 8. D4. A 9. D 5. B 10. C