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
 qV

kT
I  I SC  e  1  I L


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
VOC

kT  I L

ln 
 1
q  I SC

Sehingga daya yang dihasilkan
Dimana
VOC tengangan rangkaian terbuka (open circuid)
dan
ISC arus singkat (short circuit)
Pth  VOC I SC
daya keluaran maksimumnya
Pmp  Vmp I mp
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)
Vi
Ri
Rf
• Arus pada resistor Ri:
Vo
Vi
Ii 
Ri
Arus ini sama dengan arus yang
mengalir pada resistor Rf, oleh
karena itu tegangan keluaran Vo:
+
VO  
Rf
Ri
Vi
Penguat Tak Membalik (noninverting
I
Ri
Rf
Arus yang mengalir pada
resistor Ri sama dengan
yang mengalir pada resistor
Rf, yaitu:
V
I
i
Vi
Ri
Tegangan keluaran Vo:
Vo
+
VO  ( Ri  R f )  I
VO  ( Ri  R f )
 Rf
VO  1 
Ri

Vi
Ri

Vi

Penguat Penyangga / Buffer
Vo = Vi
-
+
Vi
Vo
Penguat Menjumlah
R1
R2
V1
R3
-
Vo
V2
+
 R2
R2 
VO   V1  V2 
R3 
 R1
Rangkaian Penguat Diferensial Dasar
R1
R2
V1
• Tegangan keluaran:
Vout
-
R2
V2  V1 

R1
Vout
V2
R1
+
R2
• 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
V1
+
-
Vout
R1
 2 R1  R3 
 V2  V1 
 1 
RG  R2 

R2
R3
-
RG
Vout
R2
-
R1
+
R3
+
V2
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 keluaranmasukan 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