Sensor dan Tranduser “Sensor Cahaya” Kurniawan Teguh Martono Sistem Komputer Undip

Kompetensi Setelah mengikuti perkuliahan ini mahasiswa diharapkan : Menjelaskan prinsip kerja sensor cahaya Menjelaskan prinsip kerja rangkaian pengkondisi sinyal pada sensor cahaya

Topik perkuliahan Sensor Cahaya Light Dependent Resistor Solar Cell Photo dioda Rangkaian pengkondisi sinyal pada sensor cahaya Perancangan aplikaksi

Sensor Cahaya Merupakan alat yang digunakan untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Prinsip kerja : Mengubah energi dari foton menjadi elektron Idealnya satu foton dapat membangkitkan 1 elektron

Foton Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik. Biasanya foton dianggap sebagai pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X Foton berbeda dengan partikel elementer lain seperti elektron karena tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya

Jenis Sensor Cahaya Foto resistor atau Light Dependent Resistor (LDR) yang berubah resistansinya ketika dikenai cahaya Sel fotovoltaik atau sel matahari yang menghasilkan tegangan dan memberikan arus listrik ketika dikenai cahaya Fotodioda yang dapat beroperasi pada mode fotovoltaik maupun fotokonduktif Foto transistor  dll

Foto Resistor (Light Dependent Resistor) Resistansi LDR akan berubah seiring dengan perubahan intensitas cahaya yang mengenainya atau yang ada disekitarnya. Dalam keadaan gelap resistansi LDR sekitar 10MΩ dan dalam keadaan terang sebesar 150 Ω atau kurang. LDR terbuat dari bahan semikonduktor seperti kadmium sulfida. Seperti halnya resistor konvensional, pemasangan LDR dalam suatu rangkaian sama persis seperti pemasangan resistor biasa.

Ilustrasi

Rangkaian Elektronika

Aplikasi Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) Sensor pada rangkaian saklar cahaya Sensor pada lampu otomatis Sensor pada alarm brankas Sensor pada tracker cahaya matahari Sensor pada kontrol arah solar cell Sensor pada robot line follower

Solar Cell / Foto Cell Berfungsi untuk mengubah sinar matahari menjadi arus listrik DC. Tegangan yang dihasilkan sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai permukaan solar cell. Semakin kuat sinar matahari tegangan dan arus listrik DC yang dihasilkan semakin besar Bahan pembuat solar cell adalah silicon, cadmium sullphide, gallium arsenide dan selenium

Aplikasi Sensor Solar Cell

Karakteristik Arus-Tegangan Sel Surya IL = Arus konstan yang dihasilkan oleh cahaya datang (A) ISC Arus saturasi atau arus keluaran sel surya ketika rangkaian luarnya terhubung singkat (A) k Konstanta Boltzmann (8,617 x10-5 eV/K) q Muatan listrik (C) V Tegangan keluaran (V)

karakteristik tegangan keluaran (VOC) pada saat I=0 Dimana VOC tengangan rangkaian terbuka (open circuid) dan ISC arus singkat (short circuit) Sehingga daya yang dihasilkan daya keluaran maksimumnya Vmp = Tegangan dari daya keluaran maksimum Imp Arus dari daya keluaran maksimum

Foto Dioda jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya Cahaya yang dideteksi : Infra merah Cahaya tampak Ultra ungu (ultra violet) Sinar X Photo dioda digunakan sebagai komponen pendeteksi ada tidaknya cahaya maupun dapat digunakan untuk membentuk sebuah alat ukur akurat yang dapat mendeteksi intensitas cahaya dibawah 1pW/cm2 sampai intensitas diatas 10mW/cm2.

Aplikasi : line follower Dengan memanfaatkan rangkaian pembagi tegangan

Cara kerja sensor garis Saat sensor pada garis putih, maka sensor akan terkena banyak cahaya sehingga nilai resistansinya akan sangat kecil atau dapat diabaikan. Karena Rsens sangat kecil maka Vout=0. Saat sensor pada garis hitam, maka sensor akan tidak terkena cahaya sehingga nilai resistansinya akan besar atau dapat diasumsikan tak hingga. Karena Rsens sangat besar maka Vout= Vin

OPERATIONAL AMPLIFIER (OP AMP) Penguat membalik Penguat tak membalik Penguat penyangga Penguat menjumlah Rangkaian Penguat Diferensial Dasar Rangkaian Penguat Instrumentasi.

Penguat Membalik (Inverting) Arus pada resistor Ri: Arus ini sama dengan arus yang mengalir pada resistor Rf, oleh karena itu tegangan keluaran Vo:

Penguat Tak Membalik (non-inverting Arus yang mengalir pada resistor Ri sama dengan yang mengalir pada resistor Rf, yaitu: Tegangan keluaran Vo:

Penguat Penyangga / Buffer Vo = Vi

Penguat Menjumlah

Rangkaian Penguat Diferensial Dasar Tegangan keluaran: Mampu menyingkirkan tegangan masukan mode bersama (common mode), yang dinyatakan sebagai CMRR (Common Mode Rejection Ratio). Kelemahan: Impedansi masukannya rendah Impedansi masukan pada kedua terminal masukannya tidak sama Pengubahan penguatan sulit dilakukan.

Rangkaian Penguat Instrumentasi

PANDUAN PERANCANGAN Definisikan tujuan pengukuran Parameter. Apa jenis variabel yang diukur (tekanan, suhu, aliran, level, tegangan, arus, resistansi, dsb) Kisaran. Bagaimanakah kisaran pengukurannya (10 sampai 200 oC, 45 sampai 85 psi, 2 sampai 4 V, dsb) Akurasi. Seberapa besarkah akurasi yang diinginkan (5% FS, 3% dari pembacaan, dsb) Linieritas. Haruskah keluaran pengukurannya linier Noise. Bagaimana level dan spektrum frekuensi noise di lingkungan pengukuran.

PANDUAN PERANCANGAN (2) Pilih sensor yang digunakan (bila dimungkinkan) Parameter. Apa jenis keluaran sensor (resistansi, tegangan, dsb.) Fungsi alih. Bagaimana hubungan antara keluaran sensor dan variabel yang diukur (linier, grafik, persamaan, akurasi, dsb.) Tanggapan waktu. Bagaimana tanggapan waktu sensor (konstanta waktu order- pertama, order-kedua, frekuensi) Kisaran. Bagaimana kisaran keluaran parameter sensor untuk kisaran pengukuran yang diberikan Daya. Bagaimana spesifikasi daya sensor (maksimum disipasi resistif, penarikan arus, dsb).

PANDUAN PERANCANGAN (3) Rancang Pengkondisi Sinyal Analog (P/S) Parameter. Apa jenis keluaran yang diinginkan (tegangan, arus, frekuensi) Kisaran. Bagaimana kisaran parameter keluaran yang diinginkan (0 sampai 5 volt, 4 sampai 20 mA, 5 sampai 10 kHz, dsb.) Impedansi masukan. Berapa impedansi P/S yang harus diberikan kepada sumber sinyal masukan Impedansi keluaran. Berapa impedansi keluaran P/S yang harus ditawarkan kepada rangkaian beban keluaran.

Beberapa catatan yang perlu diperhatikan Bila masukannya berupa suatu perubahan resistansi dan harus digunakan rangkaian jembatan atau pembagi tegangan, maka pertimbangkanlah pengaruh ketidaklinieran tegangan keluaran terhadap resistansi, dan pengaruh arus yang mengaliri sensor resistif Untuk perancangan dengan opamp, pendekatan perancangan yang paling mudah adalah dengan membuat persamaan keluaran-masukan. Dari persamaan ini akan terlihat dengan jelas, jenis rangkaian yang dapat digunakan. Persamaan ini menyatakan fungsi alih statik P/S Perhatikan selalu kemungkinan pembebanan sumber tegangan oleh P/S karena dapat menimbulkan kesalahan.

Contoh Sebuah sensor mengeluarkan tegangan yang berkisar antara –2,4 V sampai -1,1 V. Untuk interface ke ADC, diperlukan untuk mengubah tegangan tersebut menjadi dalam kisaran 0 sampai 2,5 V. Hitunglah persamaan fungsi alihnya .

Penyelesaian Dalam soal ini tidak ada informasi tentang variabel yang diukur, lingkungan pengukuran, ataupun sensornya Permasalahannya hanyalah pengkonversian kisaran tegangan Impedansi sumbernya juga tidak diketahui, maka akan lebih baik kalau dianggap bahwa nilainya tinggi, dan kemudian dirancang sistem yang berimpedansi masukan tinggi.

Rangkaian yang diperlukan dapat diperoleh dari persamaan yang menyatakan hubungan keluaran- masukan sebagai berikut : Vout = mVin + Vo Dari spesifikasi yang diketahui, maka dapat diperoleh : 0 = m (-2,4) + Vo 2,5 = m (-1,1) + Vo Jika kedua persamaan ini kita selesaikan secara serentak, maka akan diperoleh m = 1,923 dan Vo = 4,6152 V, sehingga diperoleh persamaan fungsi alihnya : Vout = 1,923 Vin + 4,6152.

Sekian Terima Kasih