Transcript k-4 Tranduser dan Sensor
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 10M Ω 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
I
I SC qV e kT
1
I L
k q V I L I SC = Arus konstan yang dihasilkan oleh cahaya datang (A)
=
Arus saturasi atau arus keluaran sel surya ketika rangkaian luarnya terhubung singkat (A)
= =
Konstanta Boltzmann (8,617 x10 Muatan listrik (C) = Tegangan keluaran (V) -5 eV/K)
karakteristik tegangan keluaran (V
OC
) pada saat I=0
V OC
kT q
ln
I L I SC
1 Sehingga daya yang dihasilkan Dimana V OC tengangan rangkaian terbuka (open circuid) dan I SC arus singkat (short circuit)
P th
V OC I SC
daya keluaran maksimumnya
P mp
V mp I mp
V mp = Tegangan dari daya keluaran maksimum I mp = 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)
Rangkaian Penguat Diferensial Dasar
Rangkaian Penguat Instrumentasi.
Vi
Penguat Membalik (Inverting)
Ri Rf • Arus pada resistor Ri: Vo
I i
V i R i
+ Arus ini sama dengan arus yang mengalir pada resistor Rf, oleh karena itu tegangan keluaran Vo:
V O
R f R i V i
Penguat Tak Membalik (non inverting
I
Ri Rf Arus yang mengalir pada resistor Ri sama dengan yang mengalir pada resistor Rf, yaitu:
I
V i
Vi
R i
Tegangan keluaran Vo: +
V O
(
R i
R f
)
I V O V O
(
R i
R f
)
V i R i
1
R f R i
V i
Vo
Penguat Penyangga / Buffer
Vo = Vi
+ Vo Vi
Penguat Menjumlah
R2 R1 V1 R3 V2 Vo +
V O
R
2
R
1
V
1
R
2
R
3
V
2
Rangkaian Penguat Diferensial Dasar
R2 R1 •
Tegangan keluaran:
V1 -
V out
R
2
V
2
V
1
R
1 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 +
V out
1 2
R
1
R G
R R
2 3
V
2
V
1 R2 R3 R1 RG R1 R2 + Vout V2 + R3
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 o C, 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 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.