BAB IV Piranti Optik

Penerapan Konsep Dasar Listrik dan Elektronika untuk Kelas X

BAB IV PIRANTI OPTIKKOMPETENSI DASAR : Mengenal Elektronika Optik.

TUJUAN PEMBELAJARAN : Setelah pembelajaran, peserta diklat diharapkan dapat: Menyebutkan beberapa piranti display Menjelaskan bagaimana display LCD bekerja dan apa keuntungan dan kerugiannya Menjelaskan tentang elektronika dasar untuk kamera dan sensor Menjelaskan bagaimana sebuah remote-kontrol LED bekerja Menjelaskan di dalam rangkaian apa saja piranti optik dipakai Menyebutkan beberapa sistem kontrol yang diaktivasi oleh cahaya dan diterangkan cara memanfaatkan piranti optik yang terkait

A. Penggunaan Sensor Cahaya. Elemen-elemen sensitif cahaya merupakan alat terandalkan untuk mendeteksi energi cahaya. Alat ini melebihi sensitivitas mata manusia terhadap semua spectrum warna dan juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra merah. Energi cahaya bila diolah dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik kompensasi. Penggunaan praktis alat sensitif cahaya ditemukan dalam berbagai pemakaian teknik seperti halnya : Tabung cahaya atau fototabung vakum (vaccum type phototubes), paling menguntungkan digunakan dalam pemakaian yang memerlukan pengamatan pulsa cahaya yang waktunya singkat, atau cahaya yang dimodulasi pada frekuensi yang relative tinggi.

Dadan Juansah, S.Pd. SST.

Halaman 1 dari 21


Tabung cahaya gas (gas type phototubes), digunakan dalam industri gambar hidup sebagai pengindra suara pada film. Tabung cahaya pengali (multiplier phototubes), dengan kemampuan penguatan yang sangat tinggi, sangat banyak digunakan pada pengukuran fotoelektrik dan alat-alat kontrol dan juga sebagai alat cacah kelipan (scientillation counter). Sel-sel fotokonduktif (photoconductive cell), disebut juga tahanan cahaya (photo resistor) atau tahanan yang bergantung cahaya (LDR-light dependent resistor), dipakai luas dalam industri dan penerapan pengontrolan di laboratorium. Sel-sel foto tegangan (photovoltatic cells), adalah alat semikonduktor untuk mengubah energi radiasi daya listrik. Contoh yang sangat baik adalah sel matahari (solar cell) yang digunakan dalam teknik ruang angkasa. B. Divais Elektrooptis Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki spectrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan spektrum optis dan energi dapat dilihat pada formula dan gambar berikut. Energi photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah:Wp = hf = hc

Dimana : Wp = energi photon (eV) h = konstanta Plancks (6,63 x 10-34 J-s) c = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 108 m/s) = panjang gelombang (m) f = frekuensi (Hz) Frekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat elektron berpindah tingkat energinya. Spektrum gelombang optis diperlihatkan pada gambar berikut, spektrum warna cahaya terdiri dari ultra violet dengan panjang gelombang 200 sampai 400 nanometer (nm), visible adalah spektrum warna cahaya yang dapat dilihat oleh mata dengan


Halaman 2 dari 21


panjang gelombang 400 sampai 800 nm yaitu warna violet, hijau dan merah, sedangkan spektrum warna infrared mulai dari 800 sampai 1600 nm adalah warna cahaya dengan frekuensi terpendek.VioletUltraviolet

Green

Visible

Red

Infrared

200

400

800

1600

Wavelength, nm 4 2 Photon energy, eV 1

Gambar 4.1. Spektrum Gelombang EM Densitas daya spektral cahaya adalah:

Relative output

Daylight fluorescent

incandescent Photopic curve

Wavelenght nm Gambar 4.2. Kurva Output Sinyal Optis Sumber-sumber energi photon: Bahan-bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain mata hari adalah antara lain: Incandescent Lamp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu flashlight. Energi Atom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke level energi berikutnya. Fluorescense, yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan fluorescence yang terkena cahaya tajam. Seperti Layar Osciloskop


Halaman 3 dari 21


Sinar LASER adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk sebagai cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya tunggal atau membentuk garis lurus), coherent (cahaya seragam dari sumber sampai ke beban sama), dan divergence (simpangan sangat kecil yaitu 0,001 radians). C. Photo Semikonduktor Divais photo semikonduktor memanfaatkan efek kuantum pada junction, energi yang diterima oleh elektron yang memungkinkan elektron pindah dari ban valensi ke ban konduksi pada kondisi bias mundur. Bahan semikonduktor seperti Germanium (Ge) dan Silikon (Si) mempunyai 4 buah electron valensi, masing-masing electron dalam atom saling terikat sehingga electron valensi genap menjadi 8 untuk setiap atom, itulah sebabnya kristal silicon memiliki konduktivitas listrik yang rendah, karena setiap electron terikan oleh atom-atom yang berada disekelilingnya. Untuk membentuk semikonduktor tipe P pada bahan tersebut disisipkan pengotor dari unsure golongan III, sehingga bahan tersebut menjadi lebih bermuatan positif, karena terjadi kekosongan electron pada struktur kristalnya. Bila semikonduktor jenis N disinari cahaya, maka elektron yang tidak terikat pada struktur kristal akan mudah lepas. Kemudian bila dihubungkan semikonduktor jenis P dan jenis N dan kemudian disinari cahaya, maka akan terjadi beda tegangan diantara kedua bahan tersebut. Beda potensial pada bahan silikon umumnya berkisar antara 0,6 volt sampai 0,8 volt.

(a)

(b)


Halaman 4 dari 21


(c) Gambar 4.3. Konstruksi Dioda Foto (a) junction harus dekat permukaan (b) lensa untuk memfokuskan cahaya (c) rangkaian dioda foto

Ada beberapa karakteristik dioda foto yang perlu diketahui antara lain: Arus bergantung linier pada intensitas cahaya Respons frekuensi bergantung pada bahan (Si 900nm, GaAs 1500nm, Ge 2000nm) Digunakan sebagai sumber arus Junction capacitance turun menurut tegangan bias mundurnya Junction capacitance menentukan respons frekuensi arus yang diperoleh

Light intensity (mW/cm2)

Relative respon (%)

I (A)

Wavelenght (nm)


Halaman 5 dari 21


I (A)

VD, reverse voltage (V)

Co (pF)

VD, reverse voltage (V)

Gambar 4.4. Karakteristik Dioda Foto (a) intensitas cahaya (b) panjang gelombang (c) reverse voltage vs arus dan (d) reverse voltage vs kapasitansi Rangkaian pengubah arus ke tegangan Untuk mendapatkan perubahan arus ke tegangan yang dapat dimanfaatkan maka dapat dibuat gambar rangkaian seperti berikut yaitu dengan memasangkan resistor dan op-amp jenis field effect transistor.

Gambar 4.5. Rangkaian pengubah arus ke tegangan


Halaman 6 dari 21


D. Photo Transistor Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto dengan transistor foto dalam satu rangkaian. Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas foto Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip Transistor sebagai penguat arus Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto

Collector Current (mA)

28 20

Intensity (W/m2) 40

12 8 4

30 20 10

2

4

6 8 10 12 Collector-Emitter Voltage

14

16

Gambar 4.6. Karakteristik transistor foto, (a) sampai (d) rangkaian uji transistor foto


Halaman 7 dari 21


E. Sel Photovoltaik Efek sel photovoltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsurunsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron valensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron valensi logam-logam tersebut juga mudah lepas oleh adanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Diantara logam-logam diatas Cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya, sehingga lazim digunakan sebagai foto detektor. Tegangan yang dihasilan oleh sensor foto voltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f). Semakin kearah warna cahaya biru, makin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas listrik akan berpengaruh terhadap arus listrik. Bila foto voltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan adalah tergantung dari intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor.Katoda dari Selenium Sinar datang Anoda dari Cessium

-

Electron keluar dari permukaan Tegangan keluaran

+Tabung Hampa

Gambar 4.7. Pembangkitan tegangan pada Foto voltaik Berikut karakteristik dari foto voltaik berdasarkan hubungan antara intensitas cahaya dengan arus dan tegangan yang dihasilkan.


Halaman 8 dari 21


Gambar 4.8. (a) & (b) Karakteristik Intensitas vs Arus dan Tegangan dan (c) Rangakain penguat tegangan.

F. Light Emitting Diode (LED) Prinsip kerjanya kebalikan dari dioda foto. Bila semikonduktor jenis N disinari cahaya, maka elektron yang tidak terikat pada struktur kristal akan mudah lepas. Kemudian bila dihubungkan semikonduktor jenis P dan jenis N, akan mengeluarkan cahaya, LED mempunyai karakteristik sebagai berikut : a. b. c. d. Warna (panjang gelombang) ditentukan oleh band-gap Intensitas cahaya hasil berbanding lurus dengan arus Non linieritas tampak pada arus rendah dan tinggi Pemanasan sendiri (self heating) menurunkan efisiensi pada arus tinggi


Halaman 9 dari 21


Gambar 4.9. Karakteristik LED Karakteristik arus/tegangan pada LED adalah : a. b. c. d. e. G. Photosel Photosel adalah salah satu komponen sensor cahaya yang mempunyai konduktansi sebagai fungsi intensitas cahaya masuk. Komponen ini difungsikan pada situasi gelap dan terang. Prinsip kerjanya dengan mengubah nilai resistansi. Resistansi berkisar dari 10MW jika gelap hingga 1 MW jika terang. Photosel mempunyai karakteristik sebagai berikut : a. b. Waktu respons lambat hingga 10ms Sensitivitas dan stabilitas tidak sebaik dioda foto Mirip dengan dioda biasa, yaitu antara 0,6 sampai 0,8 volt Cahaya biru nampak pada tegangan 1,4 2,7 volt Tegangan threshold dan energi foton naik menurut energi band-gap Junction mengalami kerusakan pada tegangan 3 volt Gunakan resistor seri untuk membatasi arus/tegangan


Halaman 10 dari 21


c. d.

Untuk ukuran besar lebih murah dari sel fotovoltaik Digunakan karena biaya murah

Gambar 4.10. Konstruksi dan Karakteristik Fotosel

H. Photomultiplier Prinsip kerja photomultiplier adalah dengan cara memanfaatkan efek fotoelektrik. Efek fotoelektrik dapat menghasilkan foton. Foton tersebut berinteraksi dengan energi lebih tinggi dari workfunction melepaskan elektron dari permukaan katoda. Karakteristik photomultiplier adalah : a. b. c. Elektron dikumpulkan (dipercepat) oleh anoda dengan tegangan (tinggi) Multiplikasi arus (elektron) diperoleh dengan dynode bertingkat Katoda dibuat dari bahan semi transparan Glass envelope

Micro Ammeter


Halaman 11 dari 21


Gambar 4.11. Konstruksi Photomultiplier Karakteristik rangkaian Photomultiplier, seperti terlihat pada gambar 4.12, dapat digambarkan sebagai berikut : a. b. c. d. e. Perbedaan dynode(positif) Beban resistor terhubung pada dynoda Common (ground) dihubungkan dengan terminal tegangan positif catu daya Rangkaian konverter arus-tegangan dapat digunakan Dioda ditempatkan sebagai surge protection (pengaman) tegangan (tinggi) pada tegangan katoda (negatif) dan

Gambar 4.12. Rangkaian Ekivalen dan uji Photomultiplier Keuntungan photomultiplier adalah : a. b. c. Sangat sensitif, dapat digunakan sebagai penghitung pulsa Pada beban resistansi rendah 50-1000 W, lebar pulsa tipikal 5-50 ns Gunakan peak detektor untuk mengukur tingkat energi

Kerugian photomultiplier adalah : a. b. Mudah rusak bila terekspos pada cahaya berlebih (terlalu sensitif) Perlu catu tegangan tinggi


Halaman 12 dari 21


c. I.

Mahal

Lensa Dioda Photo Pada proses kerjanya lensa dimanfaatkan untuk memfokuskan atau menyebarkan cahaya.

Lensa detektor cahaya sebaiknya ditempatkan dalam selongsong dengan filter sehingga hanya menerima cahaya pada satu arah dan panjang gelombang tertentu saja (misal menghindari cahaya lampu TL dan sinar matahari). Gunakan modulasi bila interferensi tinggi dan tidak diperlukan sensitivitas yang tinggi.

Gambar 4.13. Kontruksi dan karakteristik lensa dioda foto J. Pyrometer Optis dan Detektor Radiasi Thermal Pirometer optik dapat digunakan untuk mengukur atau mendeteksi total radiation dan monochromatic radiation. Radiasi dikumpulkan lensa (optis), untuk diserap oleh bahan penyerap radiasi. Energi yang terserap menyebabkan pemanasan pada bahan yang kemudian diukur temperaturnya menggunakan thermistor, termokopel dsb. Salah satu sensor radiasi elektromagnetik adalah flowmeter. Karakteristik pyrometer optis dan detector radiasi thermal adalah : a. sensitivitas dan respons waktu buruk, akurasi baik karena mudah dikalibrasi (dengan pembanding panas standar dari resistor) b. lensa dapat digantikan dengan cermin


Halaman 13 dari 21


Gambar 4.14. Instalasi Pyrolektrik c. detektor sejenis: film pyroelektrik d. dapat menghasilkan tegangan yang ditimbulkan dari pemanasan (dari bahan sejenis piezoelektrik) e. hanya ber-respons pada perubahan, bukan pada tegangan DC K. Isolasi Optis dan Transmiter-Receiver serat optik Isolasi Optis dan Transmiter-Receiver serat optik pada proses kerjanya mengeluarkan cahaya dari LED dan diterima oleh dioda foto. Cahaya tersebut digunakan sebagai pembawa informasi menggantikan arus listrik. Komponen ini mempunyai karakteristik sebagai berikut a. b. c. mempunyai isolasi listrik antara dua rangkaian (tegangan tembus hingga 3kV) dimanfaatkan untuk safety (keamanan) dan pada rangkaian berbeda ground hubungan input-output cukup linier, respons frekuensi hingga di atas 1 MHz

Gambar 4.15. Kontruksi dan karakteristik lensa dioda foto Rangkaian untuk isolasi elektrik, seperti pada gambar 4.16, dapat digambarkan sebagai berikut : a. rangkaian terdiri dari driver, yang berfungsi sebagai converter (pembalik) tegangan ke arus, dan receiver, yang berfungsi sebagai konverter (pembalik) arus ke tegangan b. hanya sinyal positif yang ditransmisikan c. dioda dan resistor digunakan untuk membatasi arus (gambar 4.16a) d. penguatan keseluruhan bergantung temperatur (tidak ada umpan balik) e. Untuk komunikasi dengan serat optik, media antara LED dan dioda foto dihubungan dengan serat optik (gambar 4.16c)


Halaman 14 dari 21


Gambar 4.16. Rangkaian isolasi elektrik menggunakan serat optik L. Display Digital dengan LED Display digital yang paling umum ditemui adalah berupa peraga 7 (seven) segmen dan peraga heksadesimal, masing-masing segmen dibuat dari LED. Hubungan antar segmen tersedia dalam anoda atau katoda bersama (common anode atau common cathode). Di dalam seven segmen ini terdapat resistor yang digunakan sebagai pembatas arus pada daya 100 470 W. Di dalam seven segmen juga tersedia dekoder yang terintegrasi.


Halaman 15 dari 21


Gambar 4.17. Seven segment dan rangkaian uji

Gambar 4.18. LED bar display pengganti VU meter pada amplifier Karakteristik rangkaian peraga arus dan tegangan tinggi pada display digital, dalam hal ini disebut dengan seven segmen adalah sebagai berikut : a. b. c. d. e. f. Peraga 7 (seven) segmen berupa gas discharge, neon atau lampu pijar Cara penggunaan mirip dengan peraga 7 (seven) segmen LED, tetapi tegangan yang digunakan tinggi Untuk neon dan lampu pijar dapat digunakan transistor dan resistor untuk membatasi arusnya Untuk lampu pijar arus kecil diberikan pada saat off, untuk mengurangi daya penyalaan yang tinggi Vacuum fluorecent display (VFD) menggunakan tegangan 15-35 volt di atas tegangan filament Untuk LED dengan arus tinggi dapat digunakan driver open collector yang umunya berupa current sink.Dadan Juansah, S.Pd. SST. Halaman 16 dari 21


Gambar 4.19. Seven segment neon menggunakan tegangan tinggi M. Liquid Crystal Display (LCD) Pada proses kerjanya LCD menggunakan molekul asimetrik dalam cairan organik transparan. Polarizer membatasi cahaya lewat, hanya untuk polarisasi optik tertentu saja, cahaya ini dapat kembali lolos setelah dipantulkan bila polarisasinya tidak berubah. a. b. c. Orientasi molekul diatur dengan medan listrik eksternal Medan listrik pada liquid crystal mengubah polarisasi 90o, sehingga pantulan tidak dapat melewati polarizer (tampak gelap). Tegangan pembentuk medan listrik dibuat intermiten (sebentar ada, sebentar tidak ada), untuk memperpanjang umur pemakaian

Gambar 4.20. Konstruksi Liquid Crystal Display (LCD)


Halaman 17 dari 21


Gambar 4.21. Rangkaian uji Liquid Crystal Display (LCD) Contoh Soal 1. Sebuah sumber gelombang mikro menghasilkan pulsa radiasi 1 GHz dan total energi 1 Joule. Tentukan berapa energi per photon dihasilkan, dan jumlah photon dalam pulsa. Jawab: (a) Energi per photon : Wp = h.f (J) Wp = (6,63 x 10-34 J/s) (109/s) = 6,63 x 10-25 J (b) Jumlah photon : N = WpN = 1J = 1,5 x10 24 photons 6.63 x10 J / photon25

W

2. Apa yang dimaksud dengan spektrum warna yang visible. Jawab: Spektrum warna gelombang EM (cahaya) yang visible adalah spektrum warna cahaya yang dapat dilihat oleh mata biasa, warna ini berada pada daerah panjang gelombang ( ) = 500 nm dengan energi photon 2,48 eV.


Halaman 18 dari 21


VioletUltraviolet

Green

Visible

Red

Infrared

200

400

800

1600

Wavelength, nm 4 2 Photon energy, eV 1

3. Sebutkan beberapa buah contoh sensor cahaya yang anda ketahui Jawab: Sensor cahaya antara lain: Dioda foto, transistor foto, foto cell, photovolatik, photo multiplier, LED, LDR, pirometer optik 4. Bagaimana merubah arus menjadi tegangan pada sensor dioda foto Jawab: Rangkaian untuk merubah arus menjadi tegangan pada dioda foto adalah:

5. Apa kekurangan yang ada pada photomultiplier Jawab: Kerugian Mudah rusak bila terekspos pada cahaya berlebih (terlalu sensitif) Perlu catu tegangan tinggi Mahal


Halaman 19 dari 21


N. Evaluasi Bagian I : Soal Pilihan Ganda 1. Komponen ini disebut juga tahanan cahaya (photo resistor) atau tahanan yang bergantung cahaya (LDR-light dependent resistor), dipakai luas dalam industri dan penerapan pengontrolan di laboratorium, adalah : a. Foto counductive cell b. Foto voltaic cell c. Foto semikonduktor d. Foto transistor e. Foto dioda

2. Alat semikonduktor untuk mengubah energi radiasi daya listrik. Contoh yang sangat baik adalah sel matahari (solar cell) yang digunakan dalam teknik ruang angkasa, disebut : a. Foto counductive cell b. Foto voltaic cell c. Foto semikonduktor d. Foto transistor e. Foto dioda

3. Komponen yang memanfaatkan efek kuantum pada junction, energi yang diterima oleh elektron yang memungkinkan elektron pindah dari ban valensi ke ban konduksi pada kondisi bias mundur, disebut : a. Foto counductive cell b. Foto voltaic cell c. Foto semikonduktor d. Foto transistor e. Foto dioda

4. lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu flashlight, disebut : a. Incadecent lamp b. Energi atom energi berikutnya, disebut : a. Incadecent lamp b. Energi atom c. Fluorecent d. Light Emitting Dioda e. Sinar laser c. Fluorecent d. Light Emitting Dioda e. Sinar laser

5. Suatu energi cahaya yang memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke level

6. Sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan fluorescence yang terkena cahaya tajam. Seperti Layar Osciloskop, disebut : a. Incadecent lamp b. Energi atom c. Fluorecent d. Light Emitting Dioda e. Sinar laser

7. Sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk sebagai cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya tunggal atau membentuk garis


Halaman 20 dari 21


lurus), coherent (cahaya seragam dari sumber sampai ke beban sama), dan divergence (simpangan sangat kecil yaitu 0,001 radians), disebut : a. Incadecent lamp b. Energi atom c. Fluorecent d. Light Emitting Dioda e. Sinar laser

8. Komponen sensor cahaya yang digunakan untuk mengukur atau mendeteksi total radiation dan monochromatic radiation adalah: a. LED b. pyrometer optis a. LED b. pyrometer optis 10. LED singkatan dari kata : a. Ligth Emitting Diode c. Led Emitting Dependent Bagian I : Soal Terurai 1. Apa kelebihan foto transistor dibandingkan foto dioda, jelaskan ! 2. Bagaimana proses perubahan energi cahaya menjadi energi listrik pada photomultiplier, jelaskan ! 3. Apa yang dimaksud dengan pirometer optik ? 4. Apakah fiber optik dapat digunakan sebagai saluran energi photon dari sumber ke beban,jelaskan ! d. Lay out Dependent Resistor b. Ligth Dependent Resistor e. Led Emitting Diode c. NTC d. Lensa dioda photo c. NTC d. Lensa dioda photo e. LCD e. LCD

9. Yang tidak termasuk ke dalam komponen sensor cahaya adalah :


Halaman 21 dari 21

BAB IV Piranti Optik

Documents