Artikel ini membahas mengenai sensor cahaya mencakup sensor LDR, Photodiode, dan Phototransistor.

JOBSHEET MAHASISWA
SENSOR CAHAYA
(LDR, PHOTODIODA DAN PHOTOTRANSISTOR)



JOBSHEET
UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH
LAB PTE-04
yang dibina oleh Ibu Siti Sendari



Oleh:
1. Remboko Ainun Nazar      (140534601841)
      2. Risna Dwi Afiandani         (140534600105)      
3. Rochmad Apriansyah        (140534601815)


















UNIVERSITAS NEGERI MALANG
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
PROGRM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO
Desember 2015











SENSOR CAHAYA

A.    TUJUAN
Setelah melakukan praktikum sensor cahaya, mahasiswa diharapkan dapat:
1.     Merancang sensor cahaya LDR, Photodioda dan Phototransistor terhadap besaran fisis.
2.     Menguji sensor cahaya LDR, Photodioda dan Phototransistor terhadap besaran fisis.
3.     Menganalisa karakteristik sensor LDR, Photodioda dan Phototransistor.
B.     DASAR TEORI
Sensor adalah komponen yang dapat digunakan untuk mengkonversi suatu besaran tertentu menjadi satuan analog sehingga dapat dibaca oleh suatu rangkaian elektronik atau sensor merupakan sistem yang melengkapi agar sensor tersebut mempunyai keluaran sesuai kebutuhan dan dapat langsung dibaca pada keluaranya. Salah satu jenis resistor yang peka terhadap perubahan cahaya adalah LDR (Light Deppendent Resistance). Resistansi LDR akan berubah seiring dengan intensitas cahaya yang mengenainya. LDR digunakan untuk mengubah energi  cahaya menjadi energi saklar cahaya otomatis.

Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Sensor cahaya berfungsi untuk mendeteksi cahaya yang ada disekitar, maka LDR dapat digunakan sebagai sensor cahaya. Prinsip inilah yang akan digunakan untuk mengaktifkan transistor untuk menghidupkan LED pada lampu taman otomatis, menggerakkan motor DC pada hand dryer, sensor pada alarm branks, sensor pada tracker cahaya matahari, sensor pada kontrol arah solar cell, sensor pada robot line follower dan menghidupkan buzzer pada alarm otomatis. Macam-macam sensor cahaya adalah sebagai berikut:

1.        LDR (Light Dependent Resistance)
     LDR atau yang biasa disebut photosinresistor pada prinsipnya yaitu sebuah resistor yang nilai resistansinya bergantung pada banyak cahaya yang jatuh pada permukaan sensor LDR. LDR berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi hambatan listrik.
Prinsip kerja LDR adalah nilai resistansinya akan bertambah besar apabila tidak terkena cahaya dan akan berkurang apabila terkena cahaya.
Gambar 1. Fisik dan Simbol LDR

Karakteristik LDR terdiri dari dua macam yaitu:
·         Laju Recovery
·         Respon Spektral

a.    Laju Recovery
Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu kedalam suatu ruangan yang gelap sekali, 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 dikegelapan 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. Sensor ini sebagai pengindera yang merupakan eleman yang pertama – tama menerima energi dari media untuk memberi keluaran berupa perubahan energi.
Sensor terdiri berbagai macam jenis serta media yang digunakan untuk melakukan perubahan. Media yang digunakan misalnya : panas, cahaya, air, angin, tekanan, dan lain sebagainya. Sedangkan pada rangkaian ini menggunakan sensor LDR yang menggunakan intensitas cahaya, selain LDR dioda foto juga menggunakan intensitas cahaya atau yang peka terhadap cahaya (photoconductive cell). Pada rangkaian elektronika, sensor harus dapat mengubah bentuk-bentuk energi cahaya ke energi listrik, sinyal listrik ini harus sebanding dengan besar energi sumbernya. Dibawah ini merupakan karakteristik dari sensor LDR .

Gambar  2. Karakteristik Sensor LDR

Pada karakteristik di atas dapat dilihat bila cahaya mengenai sensor itu maka harga tahanan akan berkurang. Perubahan yang dihasilkan ini tergantung dari bahan yang digunakan serta kekuatan cahaya yang mengenainya.

2.        Photodioda
Sensor photodioda merupakan dioda yang peka terhadap cahaya, sensor photodioda akan mengalami perubahan resistansi pada saat menerima intensitas cahaya dan akan mengalirkan arus listrik secara forward sebagaimana dioda pada umumnya. Sensor photodioda adalah salah satu jenis sensor peka cahaya (photodetector).

Gambar 3. Simbol dan Fisik Photodioda

Jenis sensor peka cahaya lain yang sering digunakan adalah phototransistor. Photodioda akan mengalirkan arus yang membentuk fungsi linear terhadap intensitas cahaya yang diterima. Arus ini umumnya teratur terhadap power density (Dp). Perbandingan antara arus keluaran dengan power density disebut sebagai current responsitivity. Arus yang dimaksud adalah arus bocor ketika photodioda tersebut disinari dan dalam keadaan dipanjar mundur.
Tanggapan frekuensi sensor photodioda tidak luas. Dari rentang tanggapan itu, sensor photodioda memiliki tanggapan paling baik terhadap cahaya infra merah, tepatnya pada cahaya dengan panjang gelombang sekitar 0,9 µm. Kurva tanggapan sensor photodioda ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 4. Kurva Tanggapan Frekuensi Sensor Photodioda

Hubungan antara keluaran sensor fotodioda dengan intensitas cahaya yang diterimanya ketika dipanjar mundur adalah membentuk suatu fungsi yang linier. Hubungan antara keluaran sensor photodioda dengan intensitas cahaya ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 5. Hubungan Keluaran Photodioda Dengan Intensitas Cahaya

Sebagai contoh aplikasi phot dioda dapat digunakan sebagai sensor api. Penggunaan sensor photodioda sebagai pendeteksi keberadaan api didasarkan pada fakta bahwa pada nyala api juga terpancar cahaya infra merah. Hal ini tidak dapat dibuktikan dengan mata telanjang karena cahaya infra merah merupakan cahaya tidak tampak, namun keberadaan cahaya infra merah dapat dirasakan yaitu ketika ada rasa hangat atau panas dari nyala api yang sampai ke tubuh.

3.        Phototransistor
Photo transistor merupakan jenis transistor yang bias basisnya berupa cahaya infra merah. Besarnya arus yang mengalir di antara kolektor dan emitor sebanding dengan intensitas cahaya yang diterima photo transistor tersebut. Simbol dari photo transistor ditunjukan pada gambar berikut.

Gambar 6. Bentuk Dan Simbol Photo Transistor

Phototransistor sering digunakan sebagai saklar terkendali cahaya infra merah, yaitu memanfaatkan keadaan jenuh (saturasi) dan mati (cut off) dari phototransistor tersebut. Prisip kerja phototransistor untuk menjadi saklar yaitu saat pada basis menerima cahaya infra merah maka phototransistor akan berada pada keadaan jenuh (saturasi dan saat tidak menerima cahaya infra merah phototransistor berada dalam kondisi mati (cut off).
Stuktur phototransistor mirip dengan transistor bipolar (bipolar junctoin transistor). Pada daerah basis dapat dimasuki sinar dari luar melalui suatu celah transparan dari luar kamasan taransistor. Celah ini biasanya dilindungi oleh suatu lensa kecil yang memusatkan sinar di tepi sambungangan basis emitor.

Prinsip Kerja Sensor Phototransistor
Sambungan antara basis dan kolektor, dioperasikan dalam catu balik dan berfungsi sebagai fotodioda yang merespon masuknya sinar dari luar. Bila tak ada sinar yang masuk, arus yang melalui sambungan catu balik sama dengan nol. Jika sinar dari energi photon cukup dan mengenai sambungan catu balik, penambahan pasangan hole dan elektron akan terjadi dalam depletion region, menyebabkan sambungan menghantar. Jumlah pasangan hole dan elektron yang dibangkitkan dalam sambungan akan sebanding dengan intensitas sinar yang mengenainya. Sambungan antara basis emitor dapat dicatu maju, menyebabkan piranti ini dapat difungsikan sebagai transistor bipolar konvensional. Arus kolektor dari phototransistor diberikan oleh :
Terminal basis dari photo transistor tidak membutuhkan sambungan (no connect) untuk bekerja. Jika basis tidak disambung dan VCE adalah positif, sambungan basis kolektor akan berlaku sebagai fotodioda yang dicatu balik. Arus kolektor dapat mengalir sebagai tanggapan dari salah satu masukan, dengan arus basis atau masukan intensitas sinar L1.

Gambar 7. Contoh Rangkaian Dasar Sensor Photo Transistor

Komponen ini memiliki sifat yang sama dengan transistor yaitu menghasilkan kondisi cut off dan saturasi. Perbedaannya adalah, bilamana pada transistor kondisi cut off terjadi saat tidak ada arus yang mengalir melalui basis ke emitor dan kondisi saturasi terjadi saat ada arus mengalir melalui basis ke emitor maka pada phototransistor kondisi cut off terjadi saat tidak ada cahaya infrared yang diterima dan kondisi saturasi terjadi saat ada cahaya infrared yang diterima.
Kondisi cut off adalah kondisi di mana transistor berada dalam keadaan OFF sehingga arus dari collector tidak mengalir ke emitor. Pada rangkaian gambar diatas, arus akan mengalir dan membias basis transistor Q2 C9014. Kondisi saturasi adalah kondisi di mana transistor berada dalam keadaan ON sehingga arus dari collector mengalir ke emitor dan menyebabkan transistor Q2 tidak mendapat bias atau OFF. Phototransistor ST8-LR2 memiliki sudut area 15 derajat dan lapisan pelindung biru yang melindungi sensor dari cahaya-cahaya liar. Pada phototransistor yang tidak dilengkapi dengan lapisan pelindung ini, cahaya-cahaya liar dapat menimbulkan indikasi-indikasi palsu yang terkirim ke CPU dan mengacaukan proses yang ada di sana.
Aplikasi komponen ini sebagai sensor peraba adalah digunakan bersama dengan LED Infrared yang dipancarkan ke permukaan tanah. Apabila permukaan tanah atau lantai berwarna terang, maka sinyal infrared akan dikembalikan ke sensor dan diterima oleh ST8-LR2. Namun bila permukaan tanah atau lantai berwarna gelap, maka sinyal infrared akan diserap dan hanya sedikit atau bahkan tidak ada yang kembali.

C.    ALAT DAN BAHAN
1.    Trainer Sensor cahaya
2.    Jobsheet praktikum sensor cahaya
3.    AVO Meter
4.    Power Supply
5.    Jack Banana (Kabel Jumper)

D.    GAMBAR RANGKAIAN
1.      Rangkaian Sensor Cahaya LDR
Gambar 8. Rangkaian Sensor Cahaya LDR

2.      Rangkaian Sensor Cahaya Photodioda
Gambar 9. Rangkaian Sensor Cahaya Photodioda

3.      Rangkaian Sensor Cahaya Phototransistor
Gambar 10. Rangkaian Sensor Cahaya Phototransistor



Gambar 11. Trainer Rangkaian Sensor Cahaya 


E.     LANGKAH KERJA PRAKTIKUM
1.      Kesehatan dan Keselamatan kerja
a)      Pelajari dan pahami petunjuk praktikum pada lembar kegiatan praktikum.
b)      Pastikan tegangan keluaran catu daya sesuai yang dibutuhkan.
c)      Periksalah komponen modul trainer sebelum digunakan.
d)     Sebelum catu daya dihidupkan hubungi dosen pendamping untuk mengecek kebenaran rangkaian.
e)      Kalibrasi alat ukur yang akan digunakan.
f)       Pergunakan alat ukur dengan baik mulai dari batas ukur paling besar apabia perlu, diturunkan.
g)      Yakinkan tempat kerja aman dari sengatan listrik.
h)      Hati-hati dalam penggunaan peralatan praktikum!

2.      Langkah Percobaan
a.       Siapkan alat dan bahan yang telah ditentukan pada bagian “Alat dan Bahan”.
b.      Siapkan catu daya DC dengan AVO meter dan atur menjadi +12V.
c.       Pasang VCC sebesar +12VDC ke port banana VCC (Merah) pada trainer dan pasang Ground pada port banana ground (Hitam) yang terletak di bawah VCC.
d.      Pasang male jack banana pada output sensor LDR dan masukan salah satu sisi male jack banana tersebut ke input buffer.
e.       Pasang male jack banana pada output buffer dan salah satu kabel male jack banana pada input positif diferensial (Merah).
f.       Atur dimmer sehingga lampu menjadi gelap (mati), redup, dan terang.
g.      Tiap stage (gelap-redup-terang) hitung output pada buffer dan differensialnya dengan cara menaruh probe positif (merah) AVO meter pada output yang akan diukur dan probe negatif (hitam) pada ground.
h.      Catat hasil pengukuran pada tabel hasil percobaan.
i.        Lakukan langkah-langkah tersebut pada sensor Photodioda dan Phototransistor selama 3 kali percobaan.

F.     HASIL PERCOBAAN

Tabel 1. Hambatan Sensor LDR, Photodioda dan Phototransistor
Cahaya
LDR
(kOhm)
Photodioda
(kOhm)
Phototransistor
(kOhm)
Gelap



Redup



Terang






Tabel 2. Tegangan Keluaran Sensor dan Differensial Percobaan 1
Cahaya
Tegangan LDR
(V)
Tegangan
Photodioda
(V)
Tegangan Phototransistor
(V)
Sensor
Differensial
Sensor
Differensial
Sensor
Differensial
Gelap






Redup






Terang






Tabel 3. Tegangan Keluaran Sensor dan Differensial Percobaan 2
Cahaya
Tegangan LDR
(V)
Tegangan
Photodioda
(V)
Tegangan Phototransistor
(V)
Sensor
Differensial
Sensor
Differensial
Sensor
Differensial
Gelap






Redup






Terang







Tabel 4. Tegangan Keluaran Sensor dan Differensial Percobaan 3
Cahaya
Tegangan LDR
(V)
Tegangan
Photodioda
(V)
Tegangan Phototransistor
(V)
Sensor
Differensial
Sensor
Differensial
Sensor
Differensial
Gelap






Redup






Terang





  
G.    GRAFIK HASIL PERCOBAAN

1.      Grafik Hambatan Sensor Cahaya 
2.      Grafik Tegangan Keluaran Sensor LDR
3.      Grafik Tegangan Keluaran Sensor Photodioda
4.      Grafik Tegangan Keluaran Sensor Phototransistor
  
H.    ANALISA DATA
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................

I.       KESIMPULAN
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................

J.      DAFTAR RUJUKAN
Elektronika Dasar. 2012. Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor). (Online), (http://elektronika-dasar.web.id/sensor-cahaya-ldr-light-dependent-resistor/) diakses pada 20 November 2015.

Elektronika Dasar. 2012. Sensor Photodioda. (Online), (http://elektronika-dasar.web.id/sensor-photodioda/) diakses pada 20 November 2015.

Elektronika Dasar. 2012. Sensor Photo Transistor. (Online), (http://elektronika-dasar.web.id/sensor-photo-transistor/) diakses pada 20 November 2015.