Sensor dan Tranduser “Sensor Cahaya ”

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)

LkT

qV

SC IeII

1

karakteristik tegangan keluaran (VOC) pada saat I=0

1ln

SC

LOC I

I

q

kTV

Sehingga daya yang dihasilkan

SCOCth IVP

Dimana VOC tengangan rangkaian terbuka (open circuid) danISC arus singkat (short circuit)

daya keluaran maksimumnya

mpmpmp IVP 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)

RfRi

+

-

Vi

Vo

ii

fO V

R

RV

• Arus pada resistor Ri:

i

ii R

VI

Arus ini sama dengan arus yang mengalir pada resistor Rf, oleh karena itu tegangan keluaran Vo:

Penguat Tak Membalik (non-invertingRfRi

+

-

Vi

Vo

Arus yang mengalir pada resistor Ri sama dengan yang mengalir pada resistor Rf, yaitu:

ii

fO

i

ifiO

fiO

VR

RV

R

VRRV

IRRV

1

)(

)(i

i

R

VI

Tegangan keluaran Vo:

I

Penguat Penyangga / Buffer

+

-

VoVi

Vo = Vi

Penguat MenjumlahR2R1

R3

+

-

V2

V1

Vo

2

3

21

1

2 VR

RV

R

RVO

Rangkaian Penguat Diferensial DasarR2R1

R1

R2

+

-Vout

V1

V2

121

2 VVR

RVout

• 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

Vout

R3R2

R2

+

-

R1

R1

RG

+

+

-

-

R3

V1

V2

122

3121 VV

R

R

R

RV

Gout

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.

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 (2)

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.

PANDUAN PERANCANGAN (3)

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