Sensor dan Tranduser “Sensor Cahaya ”

1. Sensor danTranduser“Sensor Cahaya” KurniawanTeguhMartono SistemKomputerUndip

2. Kompetensi • Setelahmengikutiperkuliahaninimahasiswadiharapkan : • Menjelaskanprinsipkerja sensor cahaya • Menjelaskanprinsipkerjarangkaianpengkondisisinyalpada sensor cahaya

3. Topikperkuliahan • Sensor Cahaya • Light Dependent Resistor • Solar Cell • Photo dioda • Rangkaianpengkondisisinyalpada sensor cahaya • Perancanganaplikaksi

4. Sensor Cahaya • Merupakanalat yang digunakanuntukmengubahbesarancahayamenjadibesaranlistrik. • Prinsipkerja : • Mengubahenergidarifotonmenjadielektron • Idealnyasatufotondapatmembangkitkan 1 elektron

5. Foton • Fotonadalahpartikelelementerdalamfenomenaelektromagnetik. • Biasanyafotondianggapsebagaipembawaradiasielektromagnetik, seperticahaya, gelombang radio, danSinar-X • Fotonberbedadenganpartikelelementer lain sepertielektronkarenatidakbermassadandalamruangvakumfotonselalubergerakdengankecepatancahaya

6. Jenis Sensor Cahaya • Foto resistoratauLight Dependent Resistor (LDR) yang berubahresistansinyaketikadikenaicahaya • Selfotovoltaikatauselmatahari yang menghasilkantegangandanmemberikanaruslistrikketikadikenaicahaya • Fotodioda yang dapatberoperasipada mode fotovoltaikmaupunfotokonduktif • Foto transistor • dll

7. Foto Resistor (Light Dependent Resistor) • Resistansi LDR akanberubahseiringdenganperubahanintensitascahaya yang mengenainyaatau yang adadisekitarnya. • Dalamkeadaangelapresistansi LDR sekitar 10MΩ dandalamkeadaanterangsebesar150 Ω ataukurang. • LDR terbuatdaribahansemikonduktorsepertikadmiumsulfida. • Sepertihalnya resistor konvensional, pemasangan LDR dalamsuaturangkaiansamapersissepertipemasangan resistor biasa.

8. Ilustrasi

9. RangkaianElektronika

11. Aplikasi Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) • Sensor padarangkaiansaklarcahaya • Sensor padalampuotomatis • Sensor pada alarm brankas • Sensor pada tracker cahayamatahari • Sensor padakontrolarah solar cell • Sensor pada robot line follower

12. Solar Cell / Foto Cell • Berfungsiuntukmengubahsinarmataharimenjadiaruslistrik DC. • Teganganyang dihasilkansebandingdenganintensitascahaya yang mengenaipermukaan solar cell. Semakinkuatsinarmataharitegangandanaruslistrik DC yang dihasilkansemakinbesar Bahanpembuat solar cell adalahsilicon, cadmium sullphide, gallium arsenidedanselenium

13. Aplikasi Sensor Solar Cell

14. KarakteristikArus-TeganganSel Surya

15. karakteristiktegangankeluaran (VOC) padasaat I=0 Dimana VOCtenganganrangkaianterbuka (open circuid) dan ISC arussingkat (short circuit) Sehinggadaya yang dihasilkan dayakeluaranmaksimumnya

16. FotoDioda • jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya • Cahaya yang dideteksi : • Infra merah • Cahaya tampak • Ultra ungu (ultra violet) • Sinar X • Photo diodadigunakansebagaikomponenpendeteksiadatidaknyacahayamaupundapatdigunakanuntukmembentuksebuahalatukurakurat yang dapatmendeteksiintensitascahayadibawah 1pW/cm2 sampaiintensitasdiatas 10mW/cm2.

17. Aplikasi : line follower • Denganmemanfaatkanrangkaianpembagitegangan

18. Cara kerja sensor garis • Saat sensor padagarisputih, maka sensor akanterkenabanyakcahayasehingganilairesistansinyaakansangatkecilataudapatdiabaikan. KarenaRsenssangatkecilmakaVout=0. • Saat sensor padagarishitam, maka sensor akantidakterkenacahayasehingganilairesistansinyaakanbesarataudapatdiasumsikantakhingga. KarenaRsenssangatbesarmakaVout= Vin

19. OPERATIONAL AMPLIFIER(OP AMP) • Penguatmembalik • Penguattakmembalik • Penguatpenyangga • Penguatmenjumlah • RangkaianPenguatDiferensialDasar • RangkaianPenguatInstrumentasi.

20. PenguatMembalik (Inverting) • Arus pada resistor Ri: Arus ini sama dengan arus yang mengalir pada resistor Rf, oleh karena itu tegangan keluaran Vo:

21. PenguatTakMembalik (non-inverting I Arus yang mengalir pada resistor Ri sama dengan yang mengalir pada resistor Rf, yaitu: Tegangan keluaran Vo:

22. PenguatPenyangga/ Buffer Vo = Vi

23. Penguat Menjumlah

24. Rangkaian Penguat Diferensial Dasar • Tegangan keluaran: • Mampu menyingkirkantegangan 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.

25. Rangkaian Penguat Instrumentasi

26. 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.

27. 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).

28. 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.

29. 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 dapatmenimbulkan kesalahan.

30. 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. Hitunglahpersamaan fungsi alihnya .

31. 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.

32. 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.

33. SekianTerimaKasih