53313736-MAKALAH-SENSOR PDF

Preview

Summary

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Kecelakaan di jalan bebas hambatan sudah sering terjadi di Indonesia. Dengan segala resiko kecelakaan lalu lintas di jalan bebas hambatan lebih tinggi dibandingkan berkendaraan di jalan protokol atau bukan di jalan bebas hambatan. Peraturan lalu lintas di ruas jal...

Description

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Kecelakaan di jalan bebas hambatan sudah sering terjadi di Indonesia. Dengan segala resiko kecelakaan lalu lintas di jalan bebas hambatan lebih tinggi dibandingkan berkendaraan di jalan protokol atau bukan di jalan bebas hambatan. Peraturan lalu lintas di ruas jalan bebas hambatan memang lebih ketat hal tersebut mengingat jumlah dan laju kecepatan kendaraan rata-rata melaju dengan kecepatan tinggi. Upaya pihak pengelola jalan bebas hambatan, diantaranya untuk mengurangi

kecelakaan

tersebut

dengan

melakukan

pembatasan

kecepatan. Selain sebagai salah satu bentuk dari pihak manajemen lalu lintas, juga pertimbangannya adalah keselamatan, sebab dengan kecepatan semakin tinggi kemungkinan untuk menjadi korban kecelakaan lebih besar. Akan tetapi dalam kenyataannya, para pengemudi banyak yang mengabaikan pembatasan kecepatan yang telah dipasang dan disampaikan melalui alat peraga atau rambu lalu lintas. Hal tersebut terbukti dari kasus kecelakaan yang terjadi di jalan bebas hambatan, umumnya disebabkan karena kecepatan yang berlebihan. Bahkan tidak tanggung-tanggung, meskipun jalannya satu arah tetapi kecelakaan lalu lintasnya seringkali melibatkan kendaraan bermotor dari arah berlawanan. Kecelakaan ini menunjukkan bahwa kendaraan bermotor tersebut melaju dalam kecepatan melebihi dari yang disarankan. Hal ini juga disebabkan karena pemilik kendaraan memacu kendaraannya dengan kecepatan tinggi. Sehingga tanpa disadari jarak antara kendaraan dengan kendaraan didepan atau dibelakang sudah terlalu dekat. Apalagi pada malam hari, seringkali pengemudi sudah lelah dan mengantuk dan tetap

mengemudi

kendaraannya, sehingga kemungkinan untuk

bertabrakan atau ditabrak dengan kendaraan lain semakin lebih besar.

1

Dengan demikian perlu adanya upaya lain yang merupakan suatu langkah pencegahan atau preventif bagi setiap kendaraan atau pihak lain seperti pengelola jalan bebas hambatan, salah satu cara upaya tersebut adalah dengan membuat suatu peralatan yang dapat berfungsi untuk dapat memperingatkan kendaraan mobil yang mendekat dari arah belakang, sehingga dapat menjaga jarak berkendara di jalan dengan kecepatan tinggi. Penggunaan sinyal lampu yang dapat dipasang pada bagian belakang mobil untuk berkendara di jalan bebas hambatan khususnya pada malam hari. Lampu ini memberi tanda kepada mobil lain yang mendekat dari arah belakang. Apabila jarak mobil dari arah belakang terlalu dekat maka lampu ini akan meberikan sinyal kelap-kelip untuk memberikan peringatan sehingga mobil tersebut dapat menjaga jarak. Lampu ini juga dapat digunakan untuk memberi tanda jika mobil sedang berhenti di sisi jalan bebas hambatan. Proses kerja lampu sinyal ini adalah dengan menggunakan sensor cahaya. Apabila mendapat cahaya dari lampu mobil dari arah belakang semakin dekat maka lampu ini akan kelap-kelip selama waktu 30 detik sampai mobil dari arah belakang tersebut tidak lagi terlalu dekat atau telah mendahului. Lampu ini menggunakan dua Integrated Circuit Penghitung Waktu (IC-NE555), Phototransistor, Transistor, Resistor, Kapasitor, Ligh Emitting Diode (LED) dan Baterai sebagai catu daya. Contoh aplikasi dari sensor cahaya dapat digunakan pada lampu sinyal. Pada makalah ini akan dipelajari mengenai sensor terutama sensor cahaya beserta jenis-jenisnya, karakteristik dan prinsip kerja sensor cahaya. B. Tujuan 1. Mengetahui jenis-jenis sensor cahaya. 2. Mengetahui karakteristik sensor cahaya. 3. Mengetahui prinsip kerja sensor cahaya.

2

C. Batasan Masalah Untuk mempermudah penulisan maka perlu adanya pembatasan masalah mengenai pembahasan sensor cahaya yaitu, penulis hanya membahas mengenai jenis-jenis, karakteristik dan prinsip kerja sensor cahaya. D. Metode Penulisan Dalam menyelesaikan makalah ini, menggunakan metode studi pustaka. Studi pustaka dimaksudkan untuk mendapatkan landasan teori, data-data atau informasi sebagai bahan acuan dalam melakukan penyusunan makalah ini. E. Sistematika Penulisan Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: Bab I

Pendahuluan Bab satu ini berisi tentang latar belakang, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan makalah dan sistematika penulisan makalah.

Bab II Dasar Teori Bab ini menjelaskan tentang dasar teori mengenai pengertian sensor dan sensor cahaya. Bab III Bab ini menjelaskan mengenai jenis-jenis sensor cahaya, karakteristik sensor cahaya dan prinsip kerja sensor cahaya. Bab IV Penutup Bab ini berisi saran-saran dan kesimpulan. Daftar Pustaka Berisi tentang judul serta pengarang dari buku-buku yang digunakan dan alamat website untuk menunjang terselsaikanya makalah ini.

3

BAB II SENSOR CAHAYA

A. Pengertian Sensor Sensor adalah alat untuk mendeteksi/mengukur sesuatu, yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroler sebagai otaknya (Petruzella, 2001). Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara elektronik berfungsi mengubah besaran fisik (misalnya : temperatur, cahaya, gaya, kecepatan putaran) menjadi besaran listrik yang proposional. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan ini harus memenuhi persyaratanpersyaratan kualitas yakni : 1.

Linieritas Konversi harus benar-benar proposional, jadi karakteristik konversi harus linier.

2.

Tidak tergantung temperatur Keluaran konverter tidak boleh tergantung pada temperatur di sekelilingnya, kecuali sensor suhu.

3.

Kepekaan Kepekaan sensor harus dipilih sedemikian, sehingga pada nilai-nilai masukan yang ada dapat diperoleh tegangan listrik keluaran yang cukup besar.

4.

Waktu tanggapan Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan keluaran sensor untuk mencapai nilai akhirnya pada nilai masukan yang berubah secara mendadak. Sensor harus dapat berubah cepat bila nilai masukan pada sistem tempat sensor tersebut berubah.

4

5.

Batas frekuensi terendah dan tertinggi Batas-batas tersebut adalah nilai frekuensi masukan periodik terendah dan tertinggi yang masih dapat dikonversi oleh sensor secara benar. Pada kebanyakan aplikasi disyaratkan bahwa frekuensi terendah adalah 0 Hz.

6.

Stabilitas waktu Untuk nilai masukan (input) tertentu sensor harus dapat memberikan keluaran (output) yang tetap nilainya dalam waktu yang lama.

7.

Histerisis Gejala histerisis yang ada pada magnetisasi besi dapat pula dijumpai pada sensor. Misalnya, pada suatu temperatur tertentu sebuah sensor dapat memberikan keluaran yang berlainan. Empat sifat diantara syarat-syarat dia atas, yaitu linieritas,

ketergantungan

pada

temperatur,

stabilitas

waktu

dan

histerisis

menentukan ketelitian sensor (Link, 1993). B. Sensor Cahaya Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Prinsip kerja dari alat ini adalah mengubah energi dari foton menjadi elektron. Idealnya satu foton dapat membangkitkan satu elektron. Sensor cahaya sangat luas penggunaannya, salah satu yang paling populer adalah kamera digital. Pada saat ini sudah ada alat yang digunakan untuk mengukur cahaya yang mempunyai satu buah foton saja. Di bawah ini adalah jenis-jenis sensor cahaya, di antaranya: •

Detektor kimiawi, seperti pelat fotografis, dimana molekul silver

halida dibagi menjadi sebuah atom perak metalik dan atom halogen. Pengembang fotografis menyebabkan terbaginya molekul yang berdekatan secara sama. •

Fotoresistor atau Light Dependent Resistor (LDR) yang berubah

resistansinya ketika dikenai cahaya

5

•

Sel fotovoltaik atau sel matahari yang menghasilkan tegangan dan

memberikan arus listrik ketika dikenai cahaya. •

Fotodioda yang dapat beroperasi pada mode fotovoltaik maupun

fotokonduktif •

Tabung

fotomultiplier

yang

mengandung

fotokatoda

yang

memancarkan elektron ketika dikenai cahaya, kemudian elektronelektron tersebut akan dikuatkan dengan rantai dynode. •

Tabung cahaya yang mengandung fotokatoda yang memancarkan

elektron ketika dikenai cahaya, dan umumnya bersifat sebagai fotoresistor. •

Fototransistor

menggabungkan

salah

satu

dari

metode

penyensoran. •

Detektor optis yang berlaku seperti termometer, secara murni

tanggap terhadap pengaruh panas dari radiasi yang masuk, seperti detektor piroelektrik, sel Golay, termokopel dan termistor, tapi kedua yang terakhir kurang sensitif. •

Detektor cryogenic cukup tanggap untuk mengukur energi dari

sinar-x tunggal, serta foton cahaya terlihat dan dekat dengan inframerah (Enss 2005).

6

BAB III JENIS-JENIS SENSOR CAHAYA SERTA KARAKTERISTIK DAN PRINSIP KERJANYA

A. LDR (Light Dependent Resistor) LDR (Light Dependent Resistor) merupakan suatu sensor yang apabila terkena cahaya maka tahanannya akan berubah. Tampilan fisik LDR dapat dilihat pada gambar 1. dibawah ini :

Gambar 1. LDR (Light Dependent Resistor) 1. Cara kerja LDR (Light Dependent Resistance)

Biasanya LDR (atau lebih dikenal dengan fotoresistor) dibuat berdasarkan kenyataan bahwa film kadmium sulfida mempunyai tahanan yang besar jika tidak terkena cahaya dan tahanannya akan menurun jika permukaan film itu terkena sinar. Resistor peka cahaya atau fotoresistor adalah komponen elektronik yang resistansinya akan menurun jika ada penambahan intensitas cahaya yang mengenainya. Fotoresistor dapat merujuk pula pada light dependent resistor (LDR), atau fotokonduktor. Fotoresistor dibuat dari semikonduktor beresistansi tinggi. Jika cahaya yang mengenainya memiliki frekuensi yang cukup tinggi, foton yang diserap oleh semikonduktor akan menyebabkan elektron memiliki energi yang cukup untuk meloncat ke pita konduksi. Elektron bebas

yang

dihasilkan

(dan

pasangan

lubangnya/hole)

akan

mengalirkan listrik, sehingga menurunkan resistansinya.

7

Besarnya tahanan LDR/fotoresistor dalam kegelapan mencapai jutaan ohm dan turun sampai beberapa ratus ohm dalam keadaan terang. LDR dapat digunakan dalam suatu jaringan kerja (network) pembagi potensial yang menyebabkan terjadinya perubahan tegangan kalau sinar yang datang berubah. LDR atau Light Dependent Resistor adalah jenis resistor yang memiliki

nilai

resistansi

yang

tidak

tetap.

Artinya

nilai

tahanan/resistansi komponen ini dapat berubah-ubah. Perubahan nilai resistansinya tergantung dari kuat lemahnya cahaya yang dia terima. Resistansi LDR akan berubah seiring dengan perubahan intensitas cahaya yang mengenainya atau yang ada disekitarnya. Dari sifat itulah LDR dapat digunakan sebgai sensor warna. Supaya cahaya yang diterima LDR lebih fokus maka disekeliling LDR diberi cahaya LED, sehingga LDR dapat mengenali warna-warna yang mengenainya, yang diterjemahkan dalam bentuk tegangan (Volt). Dalam keadaan gelap resistansi LDR sekitar 10MΩ dan dalam keadaan terang sebesar 1KΩ atau kurang. LDR terbuat dari bahan semikonduktor seperti kadmium sulfida. Dengan bahan ini energi dari cahaya yang jatuh menyebabkan lebih banyak muatan yang dilepas atau arus listrik meningkat. Artinya resistansi bahan telah mengalami penurunan. Komponen yang dapat menerima ini merupakan komponen yang peka cahaya. Komponen ini akan berjalan apabila berada ditempat akan menjadi pulsa-pulsa sinyal listrik. Pada keadaan gelap tanpa cahaya sama sekali, LDR memiliki nilai resistansi yang besar (sekitar beberapa Mega ohm). Nilai resistansinya ini akan semakin kecil jika cahaya yang jatuh ke permukaannya semakin terang. Pada keadaan terang benderang (siang hari) nilai resistansinya dapat mengecil hingga beberapa ohm saja (hampir seperti konduktor). 2. Karakteristik LDR Karakteristik LDR terdiri dari dua macam yaitu Laju Recovery dan Respon Spektral.

8

a.

Laju Recovery Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level

kekuatan cahaya tertentu kedalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa kita amati bahwa nilai resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut. Namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga di kegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan suatu ukuaran praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu. Harga ini ditulis dalam K /detik, untuk LDR type arus harganya lebih besar dari 200 K /detik (selama 20 menit pertama mulai dari level cahaya 100 lux), kecepatan tersebut akan lebih tinggi pada arah sebaliknya, yaitu pindah dari tempat gelap ke tempat terang yang memerlukan waktu kurang dari 10 ms untuk mencapai resistansi yang sesuai dengan level cahaya 400 lux. b.

Respon Spektral LDR tidak mempunyai sensitivitas yang sama untuk setiap

panjang gelombang cahaya yang jatuh padanya (yaitu warna). Bahan yang biasa digunakan sebagai penghantar arus listrik yaitu tembaga, alumunium, baja, emas, dan perak. Dari kelima bahan tersebut tembaga merupakan penghantar yang paling banyak digunakan karena mempunyai daya hantar yang baik. B. Fotodioda Fotodioda adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Fotodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Fotodioda merupakan sebuah dioda dengan sambungan p-n yang dipengaruhi cahaya dalam kerjanya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh fotodioda ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Aplikasi

9

fotodioda mulai dari penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis, pengukur cahaya pada kamera serta beberapa peralatan di bidang medis.

Gambar 2 : Simbol fotodioda (kiri), bentuk fotodioda (kanan) 1. Prinsip kerja fotodioda

Prinsip kerja dari fotodioda jika sebuah sambungan p-n dibias maju dan diberikan cahaya padanya maka pertambahan arus sangat kecil sedangkan jika sambungan p-n dibias mundur, maka arus akan bertambah cukup besar. Cahaya yang dikenakan pada fotodioda akan mengakibatkan terjadinya pergeseran foton yang akan menghasilkan pasangan elektron-hole dikedua sisi dari sambungan. Ketika elektronelektron yang dihasilkan itu masuk ke pita konduksi maka elektronelektron itu akan mengalir ke arah positif sumber tegangan sedangkan hole yang dihasilkan mengalir ke arah negatif sumber tegangan sehingga arus akan mengalir di dalam rangkaian. Besarnya pasangan elektron ataupun hole yang dihasilkan tergantung dari besarnya intensitas cahaya yang dikenakan pada fotodioda. 2. Karakteristik fotodioda Ada beberapa karakteristik fotodioda yang perlu diketahui antara lain: a.

Arus linier bergantung pada intensitas cahaya.

b.

Respons frekuensi bergantung pada bahan (Si 900 nm,

GaAs 1500 nm, Ge 2000 nm). c.

Digunakan sebagai sumber arus.

d.

Kapasitansi

Junction

turun

menurut

tegangan

bias

mundurnya. e.

Kapasitansi Junction menentukan respons frekuensi arus

yang diperoleh.

10

3. Mode operasi Fotodioda dapat dioperasikan dalam 2 animal mode yang berbeda: a. Mode photovoltaic: seperti solar sell, penyerapan pada fotodioda menghasilkan tegangan yang dapat diukur. Bagaimanapun, tegangan yang dihasilkan dari tenaga cahaya ini sedikit tidak linier, dan range perubahannya sangat kecil. b. Mode fotokonduktivitas: disini fotodioda di aplikasikan sebagai tegangan revers (tegangan balik) dari sebuah dioda (yaitu tegangan pada arah tersebut pada dioda tidak akan menghantarkan tanpa terkena cahaya) dan pengukuran menghasilkan arus foto (hal ini juga bagus untuk mengaplikasikan tegangan mendekati nol). 4. Karakteristik bahan fotodioda a.

Silicon (Si) : arus lemah sangat gelap, kecepatan

tinggi,sensitivitas bagus antara 400 nm sampai 1000 nm (terbaik antara 800 nm sampai 900 nm). b.

Germanium (Ge) : arus tinggi sangat gelap, kecepatan

lambat, sensitivitas baik antara 600 nm sampai 1800 nm (terbaik 1400 nm sampai1500 nm). c.

Indium Gallium Arsennida (InGaAs) : mahal, arus kecil

saat gelap, kecepatan tinggi sensitivitas baik pada jarak 800 nm sampai 1700 nm (terbaik antara 1300 nm sampai 1600 nm). C. LED Inframerah

Sinar infra merah termasuk dalam gelombang elektromagnetik yang tidak tampak oleh mata telanjang. Sinar ini tidak tampak oleh mata karena mempunyai panjang gelombang berkas cahaya yang terlalu panjang bagi tanggapan mata manusia. Sifat-sifat cahaya infra merah: 1. tidak tampak manusia 2. tidak dapat menembus materi yang tidak tembus pandang LED inframerah adalah suatu bahan semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik (cahaya yang hanya terdiri atas satu

11

warna dan satu panjang gelombang) yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Pengembangan led inframerah dimulai dengan alat inframerah dibuat dengan gallium arsenide. Cahaya infra merah pada dasarnya adalah radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang yang lebih panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasi gelombang radio, dengan kata lain infra merupakan warna dari cahaya tampak dengan gelombang terpanjang, yaitu sekitar 700 nm sampai 1 mm.

Gambar 3. LED Inframerah Cahaya led inframerah timbul sebagai akibat penggabungan elektron dan hole pada persambungan antara dua jenis semikonduktor dimana setiap penggabungan disertai dengan pelepasan energi. Pada penggunaannya led inframerah ini merupakan komponen elektronika yang memancarkan cahaya infra merah dengan konsumsi daya sangat kecil. Led inframerah dapat diaktifkan dengan tegangan dc untuk transmisi atau sensor jarak dekat, dan dengan tegangan ac (30–40 KHz) untuk transmisi atau sensor jarak jauh. 1.

2.

Karakteristik dari LED Inframerah a.

Dapat dipakai dalam waktu yang sangat lama.

b.

Membutuhkan daya yang kecil.

c.

Tidak mudah panas.

d.

Dapat digunakan dalam jarak yang lebar. Prinsip kerja LDR Inframerah Prinsip utama dari rangkaian sensor ini seperti layaknya sebuah

saklar yang memberikan perubahan tegangan apabila terdapat penghalang diantara transceiver dan receiver. Sensor ini memiliki dua buah piranti yaitu rangkaian pembangkit/pengirim (Led Inframerah)

12

dan rangkaian penerima (Fotodiode). Rangkaian pembangkit/pengirim memancarkan sinar inframerah kemudian pancarannya diterima oleh penerima (fotodioda) sehingga bersifat menghantar akibatnya tegangan akan jatuh sama dengan tegangan ground (0). Dan sebaliknya apabila tidak mendapat pancaran sinar inframerah maka akan menghasilkan tegangan. Led inframerah adalah suatu jenis dioda yang apabila diberi tegangan maju maka arus majunya akan membangkitkan cahaya pada pertemuan PN-nya. Disini cahaya yang dibangkitkan adalah infra merah yang tidak dapat dilihat dengan mata. Dioda-dioda yang digunakan terbuat dari bahan Galium (Ga), Arsen (As), dan Fosfor (P) atau disingkat GaAsP. Tegangan maju antara anoda-katoda berkisar antara 1,5V-2V, sedangkan arus majunya berkisar 5 mA-20 mA. Led inframerah sesuai dengan rancangannya memancarkan cahaya pada spektrum inframerah dengan panjang gelombang λ = 940 nm. Spektrum cahaya inframerah ini mempunyai level pana...