SENSOR CAHAYA

1. Pengertian sensor cahaya

a. LDR

Pengertian 

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 yang tidak dilindungi dari cahaya. 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) akan mengalirkan listrik, sehingga menurunkan resistansinya. Aplikasi yang sering menggunakan sensor ini adalah aplikasi pada lampu taman dan lampu di jalan yang bisa menyala di malam hari dan padam di siang hari secara otomatis. Atau bisa juga kita gunakan di kamar kita sendiri.  

Prinsip kerja LDR

Pada saat gelap atau cahaya redup, bahan dari cakram tersebut menghasilkan elektron bebas dengan jumlah yang relative kecil. Sehingga hanya ada sedikit elektron untuk mengangkut muatan elektrit. Artinya pada saat cahaya redup, LDR menjadi konduktor yang buruk, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang besar pada saat gelap atau cahaya redup.

      Pada saat cahaya terang, ada lebih banyak elektron yang lepas dari atom bahan semikonduktor tersebut. Sehingga akan lebih banyak elektron untuk mengangkut muatan elektrit. Artinya pada saat cahaya terang, LDR menjadi konduktor yang baik, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi kecil pada saat cahaya terang. Penerapan laindari sensor LDR ini ialah alarm Pencuri.

      Misalnya untuk rangkaian system alarm cahaya (menggunakan LDR) yang aktif ketika terdapat cahaya. Ketika kita akan mengatur kepekaan LDR (Light Dependent Resistor) dalam suatu rangkaian maka kita perlu menggunakan potensiometer. Kita atur letaknya agar ketika mendapat cahaya maka buzzer atau bell akan berbunyi dan ketika tidak mendapat cahaya maka buzzer atau bell tidak akan berbunyi. 

b. Photodioda

Pengertian

 

Sensor photodioda merupakan dioda yang peka terhadap cahaya, sensor photodioda akan mengalami perubahan resistansi pada saat menerima intensitas cahaya dan akan mengalirkan arus listrik secara forward sebagaimana dioda pada umumnya. Sensor photodioda adalah salah satu jenis sensor peka cahaya (photodetector). Jenis sensor peka cahaya lain yang sering digunakan adalah phototransistor. Photodioda akan mengalirkan arus yang membentuk fungsi linear terhadap intensitas cahaya yang diterima. 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. 

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.  kurva tanggapan frekuensi sensor Photodioda 

Prinsip Kerja

P-N Junction dan Area penipisan (Depletion Region) adalah bagian terpenting dalam cara kerja dioda photo. Daerah kerja dioda photo dibuat ketika dopan tipe P dengan holenya bertemu dengan dopan tipe N sehingga terisi elektron dari semikonduktor tipe N tersebut. Pertemuan antara hole dan elektron ini menyebabkan aliran arus.

Ketika cahaya masuk ke dioda photo dengan intensitas yang cukup maka cahaya akan diserap untuk membentuk pasangan elektron dan hole. Pasangan inilah yang memungkinkan aliran arus listrik. Semakin tinggi intensitas cahaya yang masuk maka semakin besar arus listrik yang dialirkan, atau jika dilihat dari perlawanan resistansi maka semikin besar intensitas cahaya yang masuk semakin kecil perlawanan resistansinya.

Dioda photo dapat diaplikasikan pada rangkaian elektronika sebagai sensor cahaya. Dioda photo banyak dipakai untuk keperluan sensor seperti pada otomatisasi industri. Dioda photo juga ada yang dikombinasikan dengan led menjadi satu komponen seperti komponen opto coupler yang salah satu fungsinya mengisolasi antara ground hot (nyetrum) dan ground cold (aman) pada rangkaian SMPS.

Dioda photo dapat dikerjakan dengan dua mode, yaitu mode photovoltaik dan photoconductive. Pemilihan mode tergantung pada kebutuhan kecepatan aplikasi, dan jumlah arus gelap yang tersedia. Dalam modus photovoltaik, arus saat gelap adalah minimal. Dioda menunjukkan perubahan yang lebih cepat ketika dioperasikan dalam mode photokonduktif. Untuk lebih jelas, berikut ini penjelasan dari kedua mode tersebut.

Mode Photovoltaik

Mode photovoltaik adalah mengambil tegangan kecil yang dihasilkan oleh photodiode saat terkena cahaya lalu menguatkannya dengan sebuah op-amp agar bisa terbaca. Semakin besar intensitas cahaya maka tegangan yang dihasilkan akan semakin besar dan begitu juga sebaliknya. Mode photovoltaik ini mirip dengan cara kerja solar cell hanya saja tegangan yang dihasilkan sangat kecil. Ciri penggunaan dioda photo dengan mode photovoltaik adalah tidak adanya resistor bias yang menuju dioda.

 

Mode Photoconductive

Mode photoconductive adalah menggunakan perubahan arus yang mengalir pada dioda photo saat terkena cahaya. Kita bisa membuat konversi perubahan arus ini menjadi perubahan tegangan dengan cara memasang sebuah resistor bias sehingga membentuk rangkaian pembagi tegangan.

Aplikasi Photodioda

Sebagai contoh aplikasi photodioda dapat digunakan sebagai sensor api. Penggunaan sensor photodioda sebagai pendeteksi keberadaan api didasarkan pada fakta bahwa pada nyala api juga terpancar cahaya infra merah. Hal ini tidak dapat dibuktikan dengan mata telanjang karena cahaya infra merah merupakan cahaya tidak tampak, namun keberadaan cahaya infra merah dapat dirasakan yaitu ketika ada rasa hangat atau panas dari nyala api yang sampai ke tubuh kita. 

Komponen ini mempunyai sensitivitas yang lebih baik jika dibandingkan dengan diodapeka cahaya. Hal ini disebabkan karena electron yang ditimbulkan oleh foton cahaya padajunction ini diinjeksikan di bagian Base dan diperkuat di bagian kolektornya. Namun demikian,waktu respons dari transistor foto secara umum akan lebih lambat dari pada dioda peka cahaya.

Jika photo dioda tidak terkena cahaya, maka tidak ada arus yang mengalir ke rangkaian pembanding, jika photo dioda terkena cahaya maka photodiode akan bersifat sebagai tegangan, sehingga Vcc dan photo dioda tersusun seri, akibatnya terdapat arus yang mengalir ke rangkaian pembanding.

Pada sensor kebakaran atau sensor api, yang didasarkan pada fakta bahwa pada nyala api juga terpancar cahaya infra merah. Hal ini tidak dapat dibuktikan dengan mata telanjang karena cahaya infra merah merupakan cahaya tidak tampak, namun keberadaan cahaya infra merah dapat dirasakan yaitu ketika ada rasa hangat atau panas dari nyala api.

c. Phototransistor 

Pengertian 

Photo transistor 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. 

Kelebihan Photo Transistor

•       Photo Transistor menghasilkan arus yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan Photo Diode. 

•       Photo Transistor relatif lebih murah, lebih sederhana dan lebih kecil.

•       Photo Transistor memiliki respon yang cepat dan mampu menghasilkan Output yang hampir mendekati instan.

•       Photo Transistor dapat menghasilkan Tegangan, sedangkan Photoresistor tidak bisa. Kelemahan Photo Transistor

•       Photo Transistor yang terbuat dari Silikon tidak dapat menangani tegangan yang melebihi 1000Volt

•       Photo Transistor sangat rentan terhadap lonjakan listrik yang mendadak (electric surge).

•       Photo Transistor tidak memungkin elektron bergerak sebebas perangkat lainnya (contoh:

Tabung Elektron).

Prinsip kerja

Prinsip Kerja Sensor Photo Transistor 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. Arus kolektor dari phototransistor diberikan oleh :

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.

       

2. Karakteristik sensor 

a. LDR

LDR adalah suatu bentuk komponen yang mempunyai perubahan resistansi yang besarnya tergantung pada cahaya. Karakteristik LDR terdiri dari dua macam yaitu Laju Recovery dan Respon Spektral:

1.    Laju Recovery

Bila 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 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 ukuran praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu. arga ini ditulis dalam K/detik, untuk LDR tipe arus harganya lebih besar dari 200K/ 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.

2.    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, aluminium, baja, emas dan perak. Dari kelima bahan tersebut tembaga merupakan penghantar yang paling banyak, digunakan karena mempunyai daya hantaryang baik (TEDC,1998)

b.        Photodioda

-  Photodioda mempunyai respon 100 kali lebih cepat daripada phototransistor

-  Dikemas dengan plastik transparan yang juga berfungsi sebagai lensa. Lensa tsb lebih dikenal sebagai ‘lensa fresnel’ dan ‘optical filter’

-  Penerima infra merah juga dipengaruhi oleh ‘active area’ dan ‘respond time’

c.         Phototransistor

Photo transistor sering digunakan sebagai saklar terkendali cahaya infra merah, yaitu memanfaatkan keadaan jenuh (saturasi) dan mati (cut off) dari photo transistor tersebut. 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.