BAB IV Piranti Optik

Penerapan Konsep Dasar Listrik dan Elektronika untuk Kelas X

BAB IV

PIRANTI OPTIK

KOMPETENSI 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:

Dimana :

Wp = energi photon (eV)

h = konstanta Planck’s (6,63 x 10-34 J-s)

c = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 108 m/s)

λ = 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



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.

Gambar 4.1. Spektrum Gelombang EM

Densitas daya spektral cahaya adalah:

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


Ultraviolet Visible Infrared

Photon energy, eV

200 400 800 1600

4 2 1

Wavelength, nm

Vio

let

Gre

en

Red

Rel

ativ

e ou

tput

Wavelenght λ nm

Daylightfluorescent

incandescent

Photopic curve


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)



(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


I (μ

A)

Light intensity (mW/cm2)

Wavelenght (nm)

Rel

ativ

e re

spon

(%

)


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


VD, reverse voltage (V) VD, reverse voltage (V)

I (μ

A)

Co (

pF)


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

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


40

30

20

10

Intensity (W/m2)

2 4 6 8 10 12 14 16Collector-Emitter Voltage

28

20

12

8

4

Col

lect

or C

urre

nt (

mA

)


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 unsur-

unsur 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.

Gambar 4.7. Pembangkitan tegangan pada Foto voltaik

Berikut karakteristik dari foto voltaik berdasarkan hubungan antara intensitas cahaya

dengan arus dan tegangan yang dihasilkan.


+-

Katoda dari Selenium

Anoda dari Cessium

Sinar datang

Electron keluar dari permukaan

Tegangan keluaranTabung Hampa


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. Warna (panjang gelombang) ditentukan oleh band-gap

b. Intensitas cahaya hasil berbanding lurus dengan arus

c. Non linieritas tampak pada arus rendah dan tinggi

d. Pemanasan sendiri (self heating) menurunkan efisiensi pada arus tinggi



Gambar 4.9. Karakteristik LED

Karakteristik arus/tegangan pada LED adalah :

a. Mirip dengan dioda biasa, yaitu antara 0,6 sampai 0,8 volt

b. Cahaya biru nampak pada tegangan 1,4 – 2,7 volt

c. Tegangan threshold dan energi foton naik menurut energi band-gap

d. Junction mengalami kerusakan pada tegangan 3 volt

e. Gunakan resistor seri untuk membatasi arus/tegangan

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. Waktu respons lambat hingga 10ms

b. Sensitivitas dan stabilitas tidak sebaik dioda foto



c. Untuk ukuran besar lebih murah dari sel fotovoltaik

d. 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. Elektron dikumpulkan (dipercepat) oleh anoda dengan tegangan (tinggi)

b. Multiplikasi arus (elektron) diperoleh dengan dynode bertingkat

c. Katoda dibuat dari bahan semi transparan


Micro Ammeter

Glass envelope


Gambar 4.11. Konstruksi Photomultiplier

Karakteristik rangkaian Photomultiplier, seperti terlihat pada gambar 4.12, dapat

digambarkan sebagai berikut :

a. Perbedaan tegangan (tinggi) pada tegangan katoda (negatif) dan

dynode(positif)

b. Beban resistor terhubung pada dynoda

c. Common (ground) dihubungkan dengan terminal tegangan positif catu daya

d. Rangkaian konverter arus-tegangan dapat digunakan

e. Dioda ditempatkan sebagai surge protection (pengaman)

Gambar 4.12. Rangkaian Ekivalen dan uji Photomultiplier

Keuntungan photomultiplier adalah :

a. Sangat sensitif, dapat digunakan sebagai penghitung pulsa

b. Pada beban resistansi rendah 50-1000 W, lebar pulsa tipikal 5-50 ns

c. Gunakan peak detektor untuk mengukur tingkat energi

Kerugian photomultiplier adalah :

a. Mudah rusak bila terekspos pada cahaya berlebih (terlalu sensitif)

b. Perlu catu tegangan tinggi



c. Mahal

I. 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



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. mempunyai isolasi listrik antara dua rangkaian (tegangan tembus hingga 3kV)

b. dimanfaatkan untuk safety (keamanan) dan pada rangkaian berbeda ground

c. 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)



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.



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. Peraga 7 (seven) segmen berupa gas discharge, neon atau lampu pijar

b. Cara penggunaan mirip dengan peraga 7 (seven) segmen LED, tetapi tegangan yang

digunakan tinggi

c. Untuk neon dan lampu pijar dapat digunakan transistor dan resistor untuk membatasi

arusnya

d. Untuk lampu pijar arus kecil diberikan pada saat off, untuk mengurangi daya

penyalaan yang tinggi

e. Vacuum fluorecent display (VFD) menggunakan tegangan 15-35 volt di atas

tegangan filament

f. Untuk LED dengan arus tinggi dapat digunakan driver open collector yang umunya

berupa current sink.



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. Orientasi molekul diatur dengan medan listrik eksternal

b. Medan listrik pada liquid crystal mengubah polarisasi 90o, sehingga pantulan

tidak dapat melewati polarizer (tampak gelap).

c. Tegangan pembentuk medan listrik dibuat intermiten (sebentar ada, sebentar

tidak ada), untuk memperpanjang umur pemakaian

Gambar 4.20. Konstruksi Liquid Crystal Display (LCD)



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 :

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.



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


Ultraviolet Visible Infrared

Photon energy, eV

200 400 800 1600

4 2 1

Wavelength, nm

Vio

let

Gre

en

Red


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 c. Foto semikonduktor e. Foto dioda

b. Foto voltaic cell d. Foto transistor

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 :



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 :



4. lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran filament bertekanan tinggi,

misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu flashlight, disebut :

a. Incadecent lamp c. Fluorecent e. Sinar laser

b. Energi atom d. Light Emitting Dioda

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

energi berikutnya, disebut :



6. Sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan fluorescence yang terkena

cahaya tajam. Seperti Layar Osciloskop, disebut :



7. 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), disebut :



8. Komponen sensor cahaya yang digunakan untuk mengukur atau mendeteksi total

radiation dan monochromatic radiation adalah:

a. LED c. NTC e. LCD

b. pyrometer optis d. Lensa dioda photo

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

a. LED c. NTC e. LCD

b. pyrometer optis d. Lensa dioda photo

10. LED singkatan dari kata :

a. Ligth Emitting Diode d. Lay out Dependent Resistor

b. Ligth Dependent Resistor e. Led 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 !


BAB IV Piranti Optik

Documents