Sensor Cahaya

Sensor Cahaya adalah perangkat fotolistrik yang mengubah energi cahaya (foton) baik cahaya tampak atau infrared menjadi sinyal listrik (elektron). Sebuah Sensor Cahaya menghasilkan sinyal output yang menunjukkan intensitas cahaya dengan mengukur energi radiasi yang ada dalam rentang yang sangat sempit frekuensi dasarnya disebut “cahaya”, dan yang beralih dalam frekuensi dari “Infrared” kemudian “Terlihat” sampai Spektrum sinar “ultraviolet ”.

Sensor cahaya adalah perangkat pasif yang mengubah “energi cahaya” ini apakah terlihat atau di bagian infrared dari spektrum menjadi output sinyal listrik. Sensor cahaya lebih dikenal sebagai “Perangkat fotolistrik” atau “FotoSensor” karena mengubah energi cahaya (foton) menjadi listrik (elektron).

Perangkat fotolistrik dapat dikelompokkan ke dalam dua kategori utama, yang menghasilkan listrik ketika menyala, seperti Fotovoltaik atau Fotoemisi dll, dan mereka yang mengubah sifat listriknya dengan beberapa cara seperti Photo-resistor atau Photo-konduktor. Ini mengarah ke klasifikasi perangkat berikut.

Photo-emissive Cell – Sel Fotoemisi ini layanan adalah photodevice yang melepaskan elektron bebas dari bahan sensitif cahaya seperti cesium ketika dipukul oleh energi foton yang cukup. Jumlah energi yang dimiliki foton tergantung pada frekuensi cahaya dan semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak energi yang dimiliki foton untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik.
Photo-Conductive Cell – Sel Fotokonduktif layanan adalah photodevice ini memvariasikan hambatan listriknya ketika terkena cahaya. Fotokonduktivitas dihasilkan dari cahaya yang mengenai bahan semikonduktor yang mengontrol aliran arus yang melaluinya. Dengan demikian, lebih banyak cahaya meningkatkan arus untuk tegangan yang diberikan. Bahan fotokonduktif yang paling umum adalah Cadmium Sulphide yang digunakan dalam fotosel LDR.
Fotovoltaik Cell – Sel Fotovoltaik layanan dalam photodevice ini menghasilkan ggl dalam proporsi terhadap energi cahaya radiasi yang diterima dan efeknya mirip dengan fotokonduktivitas. Energi cahaya jatuh ke dalam dua bahan semikonduktor yang diapit bersama sehingga menghasilkan tegangan sekitar 0.5V. Bahan fotovoltaik yang paling umum adalah Selenium yang digunakan dalam sel surya.
Photo-junction Devices – Perangkat Foto-persimpangan layanan photodevice ini adalah perangkat semikonduktor yang benar seperti Photodioda atau Photo transistor yang menggunakan cahaya untuk mengontrol aliran elektron dan hole (lubang) di PN-junction mereka. Perangkat Photo-junction dirancang khusus untuk aplikasi detektor dan penetrasi cahaya dengan respons spektralnya disesuaikan dengan panjang gelombang cahaya insiden.

Photo-Conductive Cell (Sel Fotokonduktif)

Sebuah Fotokonduktif sensor cahaya tidak menghasilkan listrik tetapi hanya mengubah sifat fisik ketika mengalami energi cahaya. Jenis perangkat fotokonduktif yang paling umum adalah Photo-resistor yang mengubah hambatan listriknya sebagai respons terhadap perubahan intensitas cahaya.

Photo-resistor adalah perangkat Semikonduktor yang menggunakan energi cahaya untuk mengontrol aliran elektron, dan karenanya arus mengalir melalui mereka. Sel Fotokonduktif yang umum digunakan disebut Light Dependent Resistor atau LDR.

Light Dependent Resistor (LDR)

Sesuai namanya, sebuah Resistor Tergantung Cahaya atau Light Dependent Resistor (LDR) terbuat dari bahan semikonduktor terbuka seperti cadmium sulphide yang mengubah resistansi listriknya dari beberapa ribu Ohm dalam gelap menjadi hanya beberapa ratus Ohm ketika cahaya jatuh ke atasnya dengan menciptakan pasangan lubang-elektron dalam materi.

Efek bersihnya adalah peningkatan konduktivitasnya dengan penurunan resistansi untuk peningkatan penerangan. Selain itu, sel fotoresistif memiliki waktu respon lama yang membutuhkan beberapa detik untuk merespon perubahan intensitas cahaya.

Bahan yang digunakan sebagai substrat semikonduktor meliputi, timbal sulfida (PbS), timbal selenida (PbSe), indium antimonide (InSb) yang mendeteksi cahaya dalam kisaran infrared dengan yang paling umum digunakan dari semua sensor cahaya photoresistif adalah Cadmium Sulphide ( Cds ).

Cadmium sulfida digunakan dalam pembuatan sel fotokonduktif karena kurva respon spektralnya sangat cocok dengan mata manusia dan bahkan dapat dikontrol menggunakan obor sederhana sebagai sumber cahaya. Biasanya, ia memiliki puncak panjang gelombang sensitivitas ( λp ) sekitar 560nm hingga 600nm dalam rentang spektral yang terlihat.

Cell Light Dependent Resistor (LDR)

Sel Resistor Tergantung Cahaya atau Cell Light Dependent Resistor (LDR) adalah Sensor cahaya photoresistif yang paling umum digunakan adalah sel fotokonduktif Cadmium Sulphide ORP12. Resistor yang bergantung pada cahaya ini memiliki respon spektral sekitar 610nm di wilayah cahaya kuning ke oranye.

Resistansi sel ketika tidak menyala (resistansi gelap) sangat tinggi pada sekitar 10MΩ yang jatuh ke sekitar 100Ω ketika sepenuhnya diterangi (resistansi terang).

Untuk meningkatkan resistansi gelap dan karenanya mengurangi arus gelap, jalur resistif membentuk pola zig-zag melintasi substrat keramik. Photocell CdS adalah perangkat dengan biaya sangat rendah yang sering digunakan dalam peredupan otomatis, deteksi gelap atau senja untuk menyalakan lampu jalan “ON” dan “OFF”, dan untuk aplikasi jenis meteran eksposur fotografi.

Menghubungkan resistor yang tergantung cahaya (LDR) secara seri dengan Resistor standar seperti ini di satu tegangan supply DC memiliki satu keuntungan besar, tegangan yang berbeda akan muncul di persimpangan mereka untuk berbagai tingkat cahaya.

Jumlah drop tegangan seri resistor, R 2 ditentukan oleh nilai resistif dari cahaya resistor tergantung, R_LDR. Kemampuan ini untuk menghasilkan tegangan yang berbeda menghasilkan rangkaian yang sangat berguna yang disebut “Beda Potensial” atau Jaringan Pembagi Tegangan.

Seperti yang kita ketahui, arus melalui rangkaian seri adalah umum dan karena LDR mengubah nilai resistifnya karena intensitas cahaya, tegangan yang ada pada V_OUT akan ditentukan oleh rumus pembagi tegangan.

Resistansi LDR, R_LDR dapat bervariasi dari sekitar 100Ω di bawah sinar matahari, hingga lebih dari 10MΩ dalam kegelapan absolut dengan variasi resistansi ini diubah menjadi variasi tegangan pada V_OUT seperti yang ditunjukkan.

Salah satu penggunaan sederhana dari Light Dependent Resistor (LDR), adalah sebagai sakelar peka cahaya seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Rangkaian sensor cahaya dasar ini adalah sakelar yang diaktifkan untuk mengaktifkan output cahaya. rangkaian pembagi potensial terbentuk antara photo resistor, LDR dan resistor R1.

Ketika tidak ada cahaya yang ada yaitu dalam kegelapan, resistansi LDR sangat tinggi dalam kisaran Megaohm ( MΩ ) sehingga bias bisa nol diterapkan pada transistor TR1 dan relai dinonaktifkan energi atau “OFF”.

Ketika tingkat cahaya meningkatkan resistansi LDR mulai menurun menyebabkan tegangan bias dasar pada V1 meningkat. Pada titik tertentu yang ditentukan oleh jaringan pembagi potensial yang dibentuk dengan resistor R1, tegangan bias dasar cukup tinggi untuk menghidupkan transistor TR1 “ON” dan dengan demikian mengaktifkan relai yang pada gilirannya digunakan untuk mengontrol beberapa rangkaian eksternal.

Ketika tingkat cahaya kembali ke kegelapan lagi, resistansi LDR meningkat yang menyebabkan tegangan base transistor menurun, memutar transistor dan relai “OFF” pada tingkat cahaya tetap yang ditentukan lagi oleh jaringan pembagi potensial.

Dengan mengganti resistor tetap R1 dengan potensiometer VR1, titik di mana relai menyalakan “ON” atau “OFF” dapat diatur sebelumnya ke tingkat cahaya tertentu. Jenis rangkaian sederhana yang ditunjukkan di atas memiliki sensitivitas yang cukup rendah dan titik switching/sakelar mungkin tidak konsisten karena variasi suhu atau tegangan supply.

Rangkaian diaktifkan cahaya presisi yang lebih sensitif dapat dengan mudah dibuat dengan menggabungkan LDR ke dalam pengaturan “Jembatan Wheatstone” dan mengganti Transistor dengan Penguat Operasional (Op-amp) seperti yang ditunjukkan.

Rangkaian Sensor Tingkat Cahaya

Dalam rangkaian sensor atau penginderaan gelap dasar ini, ligh dependent resistor LDR1 dan potensiometer VR1 membentuk satu lengan yang dapat disesuaikan dari jaringan jembatan resistansi sederhana, juga dikenal secara umum sebagai jembatan Wheatstone, sementara dua resistor tetap R1 dan R2 membentuk lengan lainnya.

Kedua sisi jembatan membentuk jaringan pembagi potensial di seluruh tegangan supply yang outputnya V1 dan V2 terhubung ke input tegangan Op-amp non-inverting dan Op-amp inverting masing-masing dari Op-amp (penguat operasional).

Penguat operasional (Op-amp) dikonfigurasikan sebagai Penguat Diferensial yang juga dikenal sebagai pembanding tegangan dengan umpan balik yang kondisi tegangan keluarannya ditentukan oleh perbedaan antara dua sinyal input atau tergangan, V1 dan V2.

Kombinasi resistor R1 dan R2 membentuk referensi tegangan tetap pada input V2, yang ditentukan oleh rasio dari dua resistor. Kombinasi LDR – VR1 memberikan input tegangan variabel V1 sebanding dengan tingkat cahaya yang terdeteksi oleh photo resistor itu.

Baca Juga

Seperti pada rangkaian sebelumnya, output dari Op-amp digunakan untuk mengontrol relai, yang dilindungi oleh dioda freewheeling, D1. Ketika tingkat cahaya yang dirasakan oleh LDR dan tegangan outputnya jatuh di bawah tegangan referensi yang ditetapkan pada V2, output dari Op-amp berubah keadaan mengaktifkan relai dan mengalihkan beban yang terhubung.

Demikian juga ketika tingkat cahaya meningkat output akan beralih kembali dengan mematikan “OFF” relai. Histerisis dari dua titik switching diatur oleh resistor feedback Rf dapat dipilih untuk memberikan gain tegangan yang sesuai dari penguat (amplifier).

Pengoperasian jenis rangkaian sensor cahaya ini juga dapat dibalik untuk mengalihkan relai “ON” ketika level cahaya melebihi level tegangan referensi dan sebaliknya dengan membalik posisi LDR sensor cahaya dan potensiometer VR1.

Potensiometer dapat digunakan untuk “mengatur” titik switching penguat diferensial ke tingkat cahaya tertentu sehingga ideal sebagai rangkaian proyek sensor cahaya sederhana.

Perangkat Photojunction

Perangkat Photojunction pada dasarnya adalah sensor cahaya PN-Junction atau detektor yang terbuat dari silikon PN-junction semikonduktor yang peka terhadap cahaya dan yang dapat mendeteksi tingkat cahaya tampak dan cahaya infrared. Perangkat foto-junction secara khusus dibuat untuk merasakan cahaya dan kelas sensor cahaya fotolistrik ini mencakup Photodioda dan Photo transistor.

Photodioda (Foto-dioda)

Konstruksi sensor cahaya Photodioda mirip dengan dioda PN-junction konvensional kecuali bahwa dioda luar casing transparan atau memiliki lensa yang jelas untuk memfokuskan cahaya ke persimpangan PN-junction untuk meningkatkan sensitivitas. Persimpangan akan merespon cahaya terutama panjang gelombang lebih panjang seperti merah dan infrared daripada cahaya tampak.

Karakteristik ini dapat menjadi masalah untuk Dioda dengan badan manik transparan atau kaca seperti dioda sinyal 1N4148. LED juga dapat digunakan sebagai photodioda karena keduanya dapat memancarkan dan mendeteksi cahaya dari persimpangan mereka.

Semua persimpangan PN-junction sensitif terhadap cahaya dan dapat digunakan dalam mode tegangan konduktif Fotokonduktif dengan persimpangan PN-junction dari photodioda selalu “Reverse-Bias” sehingga hanya kebocoran dioda atau arus gelap yang dapat mengalir.

Karakteristik tegangan arus (Kurva I-V) dari photodioda tanpa cahaya pada persimpangannya (mode gelap) sangat mirip dengan sinyal normal atau dioda penyearah. Ketika dioda forward-bias, ada peningkatan eksponensial dalam arus, sama seperti dioda normal.

Ketika reverse-bias diterapkan, arus saturasi balik kecil muncul yang menyebabkan peningkatan daerah penipisan, yang merupakan bagian sensitif dari persimpangan. Photodioda juga dapat dihubungkan dalam mode arus menggunakan tegangan bias tetap di persimpangan. Mode arus sangat linier dalam rentang yang luas.

Konstruksi dan Karakteristik Photodioda

Ketika digunakan sebagai sensor cahaya, photodioda arus gelap (0 lux) adalah sekitar 10uA untuk geranium dan 1uA untuk dioda jenis silikon. Ketika cahaya jatuh pada persimpangan lebih banyak pasangan lubang/elektron terbentuk dan arus bocor meningkat.

Arus bocor ini bertambah seiring dengan meningkatnya persimpangan. Dengan demikian, arus photodioda berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang jatuh ke persimpangan PN-junction.

Salah satu keuntungan utama dari photodioda ketika digunakan sebagai sensor cahaya adalah respon-nya yang cepat terhadap perubahan tingkat cahaya, tetapi satu kelemahan dari jenis photodevice ini adalah aliran arus yang relatif kecil bahkan ketika sepenuhnya menyala.

Rangkaian berikut ini menunjukkan rangkaian konverter photo-arus-ke-tegangan menggunakan Op-amp sebagai perangkat penguat. Tegangan output (Vout) diberikan sebagai Vout = I_P*Rƒ dan yang sebanding dengan karakteristik intensitas cahaya dari photodioda.

Jenis rangkaian ini juga memanfaatkan karakteristik Op-amp dengan dua terminal input pada tegangan nol untuk mengoperasikan photodioda tanpa bias.

Konfigurasi Op-amp zero-bias ini memberikan pembebanan impedansi tinggi pada photodioda yang menghasilkan lebih sedikit pengaruh oleh arus gelap dan rentang linier yang lebih luas dari arus khas relatif terhadap intensitas cahaya radiasi. Kapasitor C_f digunakan untuk mencegah osilasi atau gain puncak dan untuk mengatur output bandwidth ( 1/2πRC ).

Rangkaian Penguat Amplifier Photodioda

Photodioda adalah sensor cahaya yang sangat serbaguna yang dapat mengubah alirannya arus “ON” dan “OFF” dalam nanodetik dan biasanya digunakan dalam kamera, pengukur cahaya, penggerak CD dan DVD-ROM, kendali jarak jauh TV, pemindai, mesin fax, dan mesin fotokopi, dll.

Kemudian ketika diintegrasikan ke dalam rangkaian penguat operasional (Op-amp) sebagai detektor spektrum infrared untuk komunikasi serat optik, rangkaian pendeteksi gerakan alarm pencuri dan berbagai pencitraan, pemindaian laser dan sistem penentuan posisi dll.

Photo transistor (Foto-transistor)

Perangkat foto-junction alternatif untuk photodioda adalah Photo transistor yang pada dasarnya adalah photodioda dengan penguatan amplifikasi. Sensor cahaya photo transistor memiliki bias PN-junction reverse collector-base yang mengeksposnya ke sumber cahaya radiasi.

Photo Transistor beroperasi sama dengan photodioda kecuali bahwa mereka dapat memberikan arus gain dan jauh lebih sensitif daripada photodioda dengan arus 50 hingga 100 kali lebih besar daripada photodioda standar dan setiap transistor normal dapat dengan mudah diubah menjadi sensor cahaya photo transistor dengan menghubungkan photodioda antara collector dan base.

Photo transistor terutama terdiri dari Transistor NPN bipolar dengan daerah basisnya yang besar tidak tersambung secara listrik, meskipun beberapa photo transistor memungkinkan koneksi base untuk mengontrol sensitivitas, dan yang menggunakan foton cahaya untuk menghasilkan arus base yang pada gilirannya menyebabkan sebuah collector mengeluarkan arus emitor untuk mengalir.

Kebanyakan photo transistor adalah tipe transistor NPN yang casing luarnya transparan atau memiliki lensa yang jernih untuk memfokuskan cahaya ke persimpangan dasar untuk meningkatkan sensitivitas.

Konstruksi dan Karakteristik Photo-transistor

Dalam transistor NPN, collector bias positif terhadap emitor sehingga junction base/collector reverse bias. oleh karena itu, dengan tidak ada lampu di persimpangan kebocoran normal atau aliran arus gelap yang sangat kecil. Ketika cahaya jatuh di base lebih banyak pasangan elektron/lubang terbentuk di wilayah ini dan arus yang dihasilkan oleh tindakan ini diperkuat oleh transistor.

Biasanya sensitivitas photo transistor adalah fungsi dari gain arus DC dari Transistor. Oleh karena itu, sensitivitas keseluruhan adalah fungsi dari arus collector dan dapat dikontrol dengan menghubungkan resistansi antara basis dan emitor tetapi untuk aplikasi jenis optocoupler sensitivitas yang sangat tinggi, photo transistor Darlington umumnya digunakan.

Transistor Photodarlington menggunakan transistor NPN bipolar kedua untuk memberikan penguatan amplifikasi tambahan atau ketika sensitivitas yang lebih tinggi dari sebuah photodetector diperlukan karena tingkat cahaya yang rendah atau sensitivitas selektif, tetapi responsnya lebih lambat daripada photo transistor NPN biasa.

Perangkat Photo-Darlington terdiri dari photo transistor normal yang output emitornya digabungkan ke base transistor NPN bipolar yang lebih besar. Karena konfigurasi transistor darlington memberikan gain arus yang sama dengan hasil dari gain arus dari dua transistor individu, perangkat photodarlington menghasilkan detektor yang sangat sensitif.

Aplikasi khas sensor cahaya Photo transistor adalah di optocoupler, slotted opto switch, sensor sinar, serat optik dan remote control tipe TV, dll. Filter infrared kadang diperlukan saat mendeteksi cahaya tampak.

Tipe lain dari sensor cahaya semikonduktor photojunction yang layak disebutkan adalah Photo-thyristor. Ini adalah Jenis Thyristor yang diaktifkan cahaya atau Silicon Controlled Rectifier, SCR yang dapat digunakan sebagai sakelar yang diaktifkan cahaya dalam aplikasi AC.

Namun sensitivitas mereka biasanya sangat rendah dibandingkan dengan photodioda atau photo transistor yang setara. Untuk membantu meningkatkan sensitivitas mereka terhadap cahaya, photo-thyristor dibuat lebih tipis di sekitar persimpangan gerbang (gate junction).

Kelemahan dari proses ini adalah bahwa ia membatasi jumlah arus anoda yang dapat mereka alihkan. Kemudian untuk aplikasi arus AC yang lebih tinggi mereka digunakan sebagai perangkat pilot di optocoupler untuk mengganti thyristor yang lebih besar dan lebih konvensional.

Sel Fotovoltaik (Photovoltaic Cell)

Jenis sensor cahaya fotovoltaik yang paling umum adalah Sel Surya. Sel surya mengubah energi cahaya langsung menjadi energi listrik DC dalam bentuk tegangan atau arus menjadi daya beban resistif seperti cahaya, baterai atau motor. Kemudian sel fotovoltaik serupa dalam banyak hal dengan baterai karena mereka men-supply daya DC.

Namun, tidak seperti perangkat foto lain yang telah kita lihat di atas yang menggunakan intensitas cahaya bahkan dari lampu untuk beroperasi, sel surya fotovoltaik bekerja paling baik menggunakan energi radiasi matahari.

Sel surya digunakan dalam berbagai jenis aplikasi untuk menawarkan sumber daya alternatif dari baterai konvensional, seperti dalam kalkulator, satelit dan sekarang di rumah-rumah yang menawarkan bentuk daya terbarukan.

Sel fotovoltaik dibuat dari silikon kristal tunggal PN-junction, sama seperti photodioda dengan daerah sensitif cahaya yang sangat besar tetapi digunakan tanpa reverse-bias. Mereka memiliki karakteristik yang sama dengan photodioda yang sangat besar ketika dalam kegelapan.

Ketika diterangi energi cahaya menyebabkan elektron mengalir melalui persimpangan PN-junction dan sel surya individu dapat menghasilkan tegangan rangkaian terbuka sekitar 0,58v (580mV). Sel surya memiliki sisi “Positif” dan “Negatif” seperti baterai.

Sel surya individu dapat dihubungkan bersama secara seri untuk membentuk panel surya yang meningkatkan tegangan output atau dihubungkan bersama secara paralel untuk meningkatkan arus yang tersedia.

Panel surya yang tersedia secara komersial diberi peringkat dalam Watt, yang merupakan produk dari tegangan dan arus output (Volt kali Amp) ketika menyala penuh.

Karakteristik Sel Surya Fotovoltaik yang Khas

Jumlah arus yang tersedia dari sel surya tergantung pada intensitas cahaya, ukuran sel dan efisiensinya yang umumnya sangat rendah sekitar 15 hingga 20%.

Untuk meningkatkan efisiensi keseluruhan sel sel surya yang tersedia secara komersial menggunakan polycrystalline silicon atau silikon amorf, yang tidak memiliki struktur kristal, dan dapat menghasilkan arus antara 20 sampai 40mA per cm 2.

Bahan lain yang digunakan dalam pembangunan sel fotovoltaik termasuk Gallium Arsenide, Copper Indium Diselenide dan Cadmium Telluride. Bahan-bahan yang berbeda ini masing-masing memiliki respons pita spektrum yang berbeda, sehingga dapat “disetel” untuk menghasilkan tegangan output pada panjang gelombang cahaya yang berbeda.

Dalam tutorial ini tentang Sensor Cahaya, kita telah melihat beberapa contoh perangkat yang digolongkan sebagai Sensor Cahaya. Ini termasuk yang dengan dan yang tanpa persimpangan PN-junction yang dapat digunakan untuk mengukur intensitas cahaya.

Dalam tutorial berikutnya kita akan melihat Perangkat Output yang disebut Aktuator. Aktuator mengubah sinyal listrik menjadi kuantitas fisik yang sesuai seperti gerakan, gaya, atau suara. Salah satu perangkat output yang umum digunakan adalah Relay Elektromagnetik.