BAB XII OPTOELEKTRONIKA

Transkripsi

1 Bab XII, Optoelektronika Hal: 207 BAB XII OPTOELEKTRONIKA Pada awal perkembangan semikonduktor telah diketahui bahwa dioda dan transistor peka terhadap cahaya dan juga beberapa devais semikonduktor dapat mengeluarkan cahaya, karena proses rekombinasi. Dari gejala tsb dapat dikembangkan devais-devais sensitif cahaya baik sebagai detektor ataupun pemancar. Pada optoelektronika berkaitan dengan cahaya tampak maupun tak tampak (IR maupun UV). Spektrum gelombang cahaya tsb merupakan bagian dari spektrum gelombang elektromagnet, seperti ditunjukka pada Gambar 1 berikut. 1 nm ultra violet violet biru hijau kuning jingga merah infra merah dalam nm 1 mm Gambar 1, Spektrum cahaya Besaran-besaran yang biasanya digunakan dalam bidang fotometri dan radiometri adalah : Besaran Simbul Definisi Satuan Fluks radian P total daya radiasi yang dipancarkan oleh sumber cahaya. watt Intensitas radian I o fluks radian yang melewati satu unit sudut ruang (sr) W/sr Irradiansi H=I o /r 2 jumlah fluks radian yang diterima oleh satu unit permukaan luas W/m 2 Fluks F total cahaya dari sumber yang diterima lumen

2 Bab XII, Optoelektronika Hal: 208 cahaya oleh sensor yang mirip mata manusia Intensitas cahaya I v fluks cahaya yang keluar pada satu unit sudut ruang candela (Cd) Iluminansi jumlah fluks cahaya yang diterima oleh satu unit permukaan luas. lumem/m 2 Ada banyak sumber cahaya buatan seperti lampu pijar, lampu fuorescent, lampu gas discharge (Xenon, Merkuri, dll), namun konsentrasi kita pada sumber cahaya yang dihasilkan dari bahan semikonduktor, seperti LED. Tujuan dari peraga elektronik adalah untuk mengimplemen informasi visual dari peralatan menggunakan devais yang memancarkan cahaya maupun termodulasi oleh cahaya, termasuk pada lampu pijar, lampu gas discharge (tabung Nixie), LCD dan LED. Masing-masing peraga tadi berbeda dalam hal kemampuannya dan kebutuhannya, seperti warna dan kecerahannya, disipasi daya, ukuran, tegangan dan arus yang diperlukan dan pengaruhnya terhadap lingkungan (seperti suhu, getaran, dll). Dominasi elektronika digital menyebabkan alat peraga juga bergeser ke alat-alat peraga kompatibel digital, seperti pada LED, peraga 7-segmen, peraga 4x7-segmen dan peraga 5x7-segmen, termasuk LCD. LED LED = light emitting diode adalah sebuah dioda yang dapat memancarkan cahaya jika mendapat bias maju. Karakteristik LED mirip dengan dioda p-n. LED ini sibuat dengan berbagai macam panjang gelombang sehingga dapat dibedakan dari warnanya, umumnya adalah warna merah (~ 650 nm), hijau (~550 nm) dan kuning (~600 nm). Disamping ada LED yang memancarkan cahaya infra merah (~950 nm) yang biasanya dipakai sebagai sumber cahaya pada sistem sensor, sedangkan LED cahaya tampak dipakai untuk indikator, peraga dalam instrumen digital, dll.

3 Bab XII, Optoelektronika Hal: 209 Proses pembentukan pasangan elektron-hole bersifat reversibel, energi cahaya dipancarkan pada saat terjadi rekombinasi elektron-hole. Pada Si dan Ge umumnya rekombinasi terjadi pada cacat kristal, namun kadangkadang dapat juga sebuah elektron langsung terjatuh ke hole sambil memancarkan energi cahaya, keadaan ini lebih banyak terjadi pada GaAs. Pada kondisi khusus cahaya yang dipancarkan bersifat koheren, dan devais ini dikenal sebagai laser semikonduktor. Ada beberapa keunggulan penggunaan LED dibandingkan dengan lampu pijar untuk sistem elektronika, seperti: 1. LED beroperasi pada tegangan rendah dan kompatibel dengan level tegangan logika TTL 5 volt, disamping juga butuh konsumsi daya yang rendah sekitar ~ mw. 2. berumur panjang, MTBF ~ jam 3. konstruksi semikonduktor lebih andal dibandingkan dengan konstruksi filamen yang mudah pecah. 4. ukurannya kecil. 5. murah 6. emisi LED hampir monokromatis dan tersedia dalam beberapa warna. 7. dapat diberi pulsa pada frekuensi tinggi Untuk pemasangan LED perlu dibatasi arus maju yang lewat pada LED tsb, umumnya hambatan pembatas sekitar 200 Ω. Untuk menghitung hambatan pembatas perlu diketahui karakteristik I-V dari LED yang dipakai. Sebagai contoh LED warna merah dari GaAsP, arus maju minimum agar cahaya dari LED tsb tampak pada ruangan normal (diterangi dengan lampu) sekitar ~ 20 ma, tegangan jatuh pada LED pada saat I F = 20 ma adalah V F = 1,6 volt (perlu di-check dari data sheet LED ybs). Maka hambatan pembatasnya adalah: (dengan tegangan supply = 5 volt)

4 Bab XII, Optoelektronika Hal: 210 R lim = V s V I F F = ( 5 16, ) V 20mA = 170Ω Selanjutnya untuk mengemudikan LED dari rangkaian logika perlu juga diberi hambatan pembatas, hal ini karena pada gerbang TTL standar dapat menerima (sink) arus hingga 16 ma (yaitu I OL ), sedangkan TTL standar hanya dapat menyalurkan (source) arus hingga 1 ma. Kondisi ini tidak cukup terang untuk sebagian besr aplikasi LED. Kesulitan ini dapat diatasi dengan gerbang yang dapat di-pull-up dengan sebuah hambatan, seperti gerbang 7410, seperti ditunjukkan pada rangkaian berikut ini. 5 V I F R lim Gambar 2, LED dikendalikan oleh gerbang NAND Peraga numerik biasanya menggunakan sistem 7-segmen, seperti ditunjukkan pada Gambar 3, sedangkan untuk peraga alfanumerik biasanya menggunakan matrik titik 5 x 7 atau LCD. Gambar 3, Peraga 7-segmen dengan anoda bersama Peraga 7-segmen merpakan peraga yang paling umum dijumpai untuk peraga numerik karena menggunakan IC standar dan cukup sederhana untuk mengendalikannya, misalnya untuk menampilkan angka 2 perlu memberikan bias maju pada segmen a, b, g, e, d. Untuk memperagakan pada peraga 7-segmen perlu decoder, umumnya yang tersedia adalah decoder BCD ke 7-segmen, sehingga format data input berupa format BCD. Disamping decoder perlu driver untuk memberikan arus ke

5 Bab XII, Optoelektronika Hal: 211 peraga minimum ~ 10 ma agar dapat menyalakan 7-segmen. Decoder dan driver tersedia dalam satu chip IC, seperti IC 7447 digunakan untuk peraga dengan tipe anoda bersama. Rangkaiannya ditunjukkan pada Gambar 4. 5 V 5 V Input BCD D C B A g f e d g f e d RB1 c c 1 RB0 b b LT a a 7447 semua hambatan 200 Ω Gambar 4, Rangkaian peraga 7-segmen Untuk memperagakan bilangan besar misalnya ada 4 atau lebih digit biasanya dipergunakan teknik multiplek. Dengan teknik ini hanya menggunakan satu buah decoder/driver yang dipakai untuk men-decode nilai BCD ke peraga 7-segmen dengan menyalakan masing-masing peraga secara bergantian. Jika pergantian peraga tsb terjadi > 100 Hz, mata kita tidak akan merasakan berkedipnya peraga tsb. Keuntungan dari rangkaian ini adalah koneksi pengkawatan kawat jauh lebih sedikit disamping jumlah komponennya juga lebih sedikit, septi ditunjukkan pada gambar berikut.

6 Bab XII, Optoelektronika Hal: 212 MSD LSD MSD LSD MUX MUX A 0 A 1 A 2 A 3 a b c 7447 d e f g MSD LSD MUX 5V 5V 5V 5V MSD LSD MUX dari Clock Counter A 0 A ke digit ke-2 dan 3 Gambar 5, Rangkaian peraga BCD 4-digit Dekoder tidak mampu men-drive peraga 7-segmen sehingga diperlukan driver dari transistor, sedangkan data input ke dekoder 7447 setiap saat di-perbarui sesuai dengan frekuensi clock. Dari gambar tsb tiap peraga menyala ¼ perioda scan. Sensor Cahaya Devais ini bekerja berdasarkan perubahan karakteristik listrik pada saat energi cahaya mengenai devais tsb sehingga kondutivitas devais berubah. Ada beberap devais sensor cahaya diantaranya: fotoresistor, fotodioda, fototransistor, fotodarlington, fototiristor. Fotoresistor Fotoresistor atau LDR (light dependent resistor) umumnya terbuat dari CdS (Cadmium Sulfida) yang memiliki hambatan besar (~ 10 MΩ) bila tak terkena cahaya, sebaliknya jika ada cahaya yang mengenai CdS hambatannya akan berkurang (~ Ω). Pada saat bahan itu tidak terkena cahaya, konsentrasi pembawa muatan bebas redah, sehingga hambatannya tinggi, sebaliknya jika ada cahaya mengenai bahan tsb maka akan terbentuk pembawa muatan bebas (efek fotoresistivitas) dan konsentrasinya bertambah sehingga hambatannya berkurang sesuai

7 Bab XII, Optoelektronika Hal: 213 dengan intensitas cahaya. Sensitivitas cahaya bergantung pada panjang gelombang, sensitivitas maksimum sekitar 680 nm (cahaya merah). Rentang panjang gelombang yang dapat mengubah hambatan fotoresistor sekitar 400 nm hingga 800 nm. Di luar rentang ini fotoresitor(ldr) tak dapat berfungsi. Umumnya fotoresistor dihubungkan seri dengan hambatan sehingga membentuk rangkaian pembagi tegangan, seperti ditunjukkan pada gambar berikut. 6 V R k R3 2 k R R 4 Q 2 Q 1 λ CL905HL D 1 lampu 2Ω Gambar 6, Ilustrasi penggunaan fotocel CdS Fotodioda Fotodioda bekerja mirip dengan dioda Zener yaitu pada bias mundur. Pada saat cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai mengenai fotodioda, maka akan ada arus yang mengalir. Sehingga energi cahaya dipergunakan untuk menghasilkan pacsangan elektron-hole didekat hubungan. Arus tsb kira-kira sebanding dengan intensitas total cahaya datang. Perbandingan arus pada saat dikenai cahaya dengan pada saat tidak ada cahaya ternyata cukup besar. Karakteristik ini diperlukan sebagai transducer cahaya. Umumnya fotodioda terbuat dari silikon dengan waktu reaksi ~ 1ns. Selanjutnya fotodioda juga dipergunakan untuk mengkonversi energi solar menjadi energi listrik. Karakteristik utama dari fotodioda adalah:

8 Bab XII, Optoelektronika Hal: 214 Tanggapan spektral, (inyatakan dalam A/lumen atau dalam %), untuk fotodioda Silikon tanggapan maksimum pada panjang gelombang sekitar 800 nm. Arus gelap adalah arus mundur fotodioda pada saat tak ada cahaya. Arus gelap ini bergantung pada suhu, biasanya arus gelap ini cukup besar dibandingkan dengan dioda hubungan (arus mundur) dalam orde na atau μa tergantung pada luas permukaan devais. Effisiensi kuantum yaitu perbandingan jumlah pasangan holeelektron yang terjadi secara optis dengan jumlah foton datang. Effisiensi ini lebih besar dari 90 % pada panjang gelombang puncak. Tanggapan fotodioda lebih cepat dibandingkan dengan fotoresistor. Fotodioda dapat mengikuti pulsa cahaya dengan frekuensi tinggi dalam orde MHz, sehingga cocok untuk applikasi transmisi data dengan serat optis. Fototransistor Secara fisik fototransistor mirip dengan transistor konvensional, hanya permukaan atas dapat dikenai cahaya yang dilengkapi dengan lensa, disamping itu ada beberapa tipe fototransistor kaki basisnya tidak ada (sehingga hanya ada 2 kaki), sedang ada beberapa tipe mirip seperti BJT. Cara kerja fototransistor mirip dengan transistor BJT, hanya fotodioda yang ada diantara basis-kolektor dipergunakan sebagai sumber arus. Hal ini berarti bahwa arus yang timbul pada basis-kolektor diperkuat sebesar h fe termasuk arus bocornya. Hal ini dapat dikurangi dengan cara memberikan bias seperti ditunjukkan pada Gambar 7.

9 Bab XII, Optoelektronika Hal: 215 V CC R 2 R R 1 alat ukur Gambar 7, Contoh rangkaian dengan fototransistor untuk mendeteksi cahaya lemah. Sedangkan fotodarlington juga mirip dengan fototransistor, hanya peguatan arusnya besar sekali mirip rangkaian Darlington. Sebaliknya fototiristor juga mirip dengan tiristor pnpn hanya pada kolektornya diperluas sehingga memungkinkan terpicu oleh intensitas cahaya datang Disamping sensor-sensor cahaya di atas, ada komponen optoelektronik lain yang dikemas jadi satu antara pemancar dan penerima cahaya, misalnya optokopler. Optokopler berfungsi mengisolasi listrik dari dua rangkaian listrik yang berbeda. Optokopler Optokopler seringkali dikenal sebagai optically coupled isolator (OCI) terdiri atas sebuah devais pemancar cahaya (biasanya IRED) dan sebuah fotodetektor (biasanya fototransistor, light-sensitive SCR (LASCR), atau sel fotokonduktif). Antara pemancar dan penerima tidak ada hubungan listrik dan keduanya diisolasi dengan bahan transparan. Relay elektromekanis dapat juga dipergunakan untuk mengisolasi tegangan DC namun tanggapannya lambat, sedangkan pada optokopler dapat dikurangi hingga waktu switchingnya kurang dari 10 μs. Trafo juga dapat mengisolasi tegangan DC namun jauh lebih berat dan lebih besar disamping itu ada pengaruh beban dengan sumber (dikenal sebagai pembebanan pantulan /reflected loading). Sedangkan pada

10 Bab XII, Optoelektronika Hal: 216 optokopler pada sisi beban sangat terisolasi dengan sumber. Karena keunggulan-keunggulan tsb dipergunakan pada: 1. Penerima data bersifat optis, terutama jika transducer jauh dari rangkaian sehingga ada beda potensial antar kedua terminal ground. 2. Aplikasi medis, seperti pada ECG 3. Relay terisolasi secara optis