Pemanfaatan LED (Ligth Emiting Dioda) sebagai Pendeteksi

PEMANFAATAN LED (LIGTH EMITING DIODA) SEBAGAI
PENDETEKSI KECERAHAN CAHAYA MATAHARI
José Da Costa1,2, Made Rai Suci Santi1,2, Suryasatriya Trihandaru1,2
1
Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika
2
Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Matematika
Universitas Kristen Satya Wacana
Jl. Diponegoro 52-60, Salatiga 50711, Indonesia
Email : [email protected]
ABSTRAK
Transmisi radiasi matahari yang merambat ke bumi akan mengalami hambatan yang disebabkan oleh media
penyerap yang ada di atmosfer. Atmosfer adalah selimut udara yang mengelilingi bumi. Selimut udara tetap
berada di tempatnya karena gaya tarik bumi yang cukup besar. Udara terdiri atas campuran gas-gas seperti
Nitrogen, Oksigen, dan Karbon Dioksida. Ketiga campuran ini memegang peranan penting dalam
memelihara kehidupan di bumi dalam menyerap panas matahari yang dipancarkan kembali oleh permukaan
bumi. Untuk dapat mengetahui besarnya kecerahan cahaya matahari yang sampai di bumi, maka dilakukan
suatu percobaandengan memanfaatkan lampu LED. Sebelum menetapkan LED hijau sebagai pendeteksi
kecerahan cahaya matahari, pada awalnya dilakukan pengidentifikasian nilai tegangan dan kuat arus pada
berbagai warna LED yaitu LED hijau, kuning, merah, dan putih, masing-masing warna sebanyak 10 buah.
Dari hasil pengukuran menunjukan bahwa ternyata LED hijau menhasilkan tegangan dan kuat arus yang
lebih besar dibanding dengan warna LED lainnya.Dalam percobaan berikutnya lampu LED hijau di
rangkaikan secara seri, parallel, dan gabungan seri-parallel. Pada ketiga rangkaian tersebut digunakan jumlah
LED yang sama. Namun dari hasil pengukuran diketahui bahwa nilai tegangan yang dihasilkan oleh LED
pada ketiga rangkaiantersebut adalah berbeda-beda. Dari berbagai variasi jumlah LED pada rangkaian seri
hanya jumlah 18 yang menhasilkan tegangan lebih besar yaitu 20V, dan untuk rangkaian parallel hanya
jumlah 35 yang menhasilkan tegangan sebesar 1.99V. Dengan nilai tegangan yang berbeda-beda ini, maka
untuk mengukur kecerahan cahaya matahari ke permukaan bumi cukup mengunakan 18 buah LED yang
dirangkai seri dan 35 buah pada rangkaian parallel.
Kata Kunci : Energi cahaya matahari, LED, Rangkain Seri, Parallel, Daya
LED adalah salah satu jenis komponen
semikonduktor. Selama ini LED hanya
digunakan sebagai alat untuk memancarkan
cahaya. Sebagai bahan semikonduktor, LED
juga terbentuk dari pertemuan bahan
semikonduktor tipe-P dan tipe-N (P-N
junction). Oleh karena itu LED juga bisa
digunakan sebagai bahan yang bersifat
photovoltaic.LED yang akan digunakan sebagai
komponen photovoltaic di susun dalam bentuk
susunan secara seri, parallel, dan gabungan seri
parallel[2].
A. PENDAHULUAN
Cahaya matahari menyebar ke seluruh
galaksi, termasuk merambat ke planet bumi.
Radiasi matahari yang merambat menuju ke
bumi melalui atmosfer akan mengalami
hambatan sepanjang lintasan optik yang
disebabkan oleh adanya benda atau media
penyerap seperti uap air, CO2, ozon dan unsur
pencemar atmosfer sesuai dengan karakteritik
dan panjang gelombang yang dimilikinya[1].
Penelitian ini berkonsentrasi pada
perangkaian LED untuk meneliti kecerahan
radiasi matahari dengan cara melakukan
pemantauan dan pengukuran tegangan output
dari cahaya matahari yang jatuh pada LED
dalam ragkaian.
1
yang dihasilkan bergantung pada bahan
semikonduktor yang dipakai, dan bisa juga
ultraviolet dekat atau inframerah dekat.
Semikonduktor merupakan material
yang dapat menghantarkan arus listrik,
meskipun
tidak
sebaik
konduktor
listrik.Semikonduktor umumnya dibuat dari
konduktor lemah yang diberi ‘pengotor’ (Atom
doping) berupa material lain. Dalam LED
digunakan konduktor dengan gabungan unsur
logam aluminium-gallium-arsenit (AlGaAs).
1.
Semikonduktor
Bahan
semikonduktor
merupakan
bahan yang dipakai dalam pembuatan
komponen elektronika seperti Light Emitting
Diode (LED) dan lain sebagainya. Silikon dan
Germanium adalah bahan semikonduktor yang
paling banyak digunakan dalam pembuatan
komponen elektronika.
Bahan semikonduktor memiliki celah
energi yang lebih kecil di antara bagian atas
pita tertinggi yang terisi (pita valensi) dan
bagian bawah pita kosong persis di atas celah
(pita konduksi). Jadi, tidak diragukan lagi
bahwa silikon (Eg = 1.1 eV) merupakan
semikonduktor dan intan (Eg = 5.5 eV)
merupakan isolator. Di dalam silikon terdapat
kemungkinan nyata bahwa agitasi termal pada
suhu ruang akan menyebabkan elektronelektron melompati celah dari pita valensi ke
pita konduksi.
Pada Gambar 1. Di bawah menunjukan
bahwa untuk pola konduktor memiliki pita
berisi jumlah yang sangat besar dari tingkat
energi yang berjarak sangat dekat, untuk pola
semikonduktor, agitasi termal menyebabkan
sedikit elektron melompati celah dari pita
valensi ke pita konduksi, meninggalkan banyak
lubang (hole) yang sama di dalam pita valensi,
sedangkan pada isolator memiliki celah energi
Eglebih besar.Karena agitasi termal, elektronelektron memiliki beberapa kemungkinan yang
masuk akal untuk dapat melompati celah[3].
Konduktor AlGaAs murni tidak
memiliki pasangan elektron bebas sehingga
tidak dapat mengalirkan arus listrik. Oleh
karena itu dilakukan proses doping dengan
menambahkan
elektron
bebas
untuk
mengganggu keseimbangan konduktor tersebut,
sehingga material yang ada menjadi semakin
konduktif.
LED merupakan dioda, sehingga
memiliki kutub polar. Arah arus konvensional
hanya dapat mengalir dari anoda ke katoda.
Perhatikan bahwa 2 kawat kaki pada LED
memiliki panjang yang berbeda. Jika kita
melihat kedalam lampu LED itu sendiri, kita
dapat membedakan ke dua kutub tersebut.
Perhatikan gambar berikut:
Gambar2.Bentuk kaki pada LED (Encyclopedia
Britannica, ho.)
3.
Cahaya
Sumber cahaya memancarkan energi
dalam bentuk gelombang yang merupakan
bagian
dari
kelompok
gelombang
elektromagnetik.
Gambar
3
dibawa
menunjukkan sumber cahaya alam dari
matahari yang terdiri dari cahaya tidak tampak
dan cahaya tampak. Radiasi Ultraviolet dan
infra merah. Cahaya terbentuk dari hasil
Gambar1. Pola pita celah untuk semikonduktor.
2.
LED (Light Emitting Diode)
LED (light Emitting Diode)ialah suatu
bahan semikonduktor yang memancarkan
cahaya monokromatik yang tidak koheren
ketika diberi tegangan maju.
Gejala
ini
termasuk bentuk electroluminescence. Warna
2
pergerakan elektron pada sebuah atom. Dimana
pada sebuah atom, elektron bergerak pada suatu
orbit yang mengelilingi sebuah inti atom.
Elektron pada orbit yang berbeda memiliki
jumlah energi yang berbeda. Elektron yang
berpindah dari orbit dengan tingkat energi lebih
tinggi ke orbit dengan tingkat energi lebih
rendah perlu melepas energi yang dimilikinya.
Energi yang dilepaskan ini merupakan bentuk
dari
foton
sehingga
menghasilkan
cahaya.Semakin besar energi yang dilepaskan,
semakin besar energi yang terkandung dalam
foton.
Biru
420-495
Jingga
589-627
Merah
627-780
I
F

(2)
Dimana :
I = Intensitas cahaya (cd)
F = fluks cahaya (lumen)
Θ = sudut ruang (strd)
Fluks cahaya yang dipancarkan oleh
sumber cahaya ialah seluruh jumlah cahaya
yang dipancarkan dalam satuan detik. Jika
sebuah lampu pijar di tempatkan pada reflektor,
maka cahaya akan di arahkan, tetapi jumlah
atau fluksnya tetap. Dan jika lampu pijar ini di
tempatkan di titik tengah bola dengan jari-jari 1
m, memancarkan cahaya dengan I = 1 cd ke
segala arah, maka fluks cahaya dalam 1 strd
akan sama dengan 1 lumen. Intensitas
peneranggan di permukaan bola yang dibatasi
oleh sudut ruang 1 strd akan sama dengan 1 lux.
Sumber cahaya yang ditempatkan di titik
Panjang gelombang tampak berukuran
antara 380nm sampai dengan 780nm seperti
pada Tabel 1 berikut ini :
Warna
Panjang Gelombang (nm)
380-420
566-589
Intensitas Cahaya
Gelombang elektromagnetik yang
terlihat oleh panca indera manusia adalah
cahaya dengan panjang gelombang berkisar
pada 300–700 nm (nanometer). Gelombang
dengan panjang gelombang di atas 700 nm
berada pada daerah inframerah dan di bawah
300nm merupakan daerah ultraviolet. Cahaya
merupakan kumpulan foton yang mempunyai
energi yang bisa dimanfaatkan dan sebagian
lagi menjadi cahaya tampak[5].
Jumlah energi radiasi yang dipancarkan
sebagai cahaya ke suatu arah tertentu di sebut
intensitas cahaya (I) dengan satuan candela
(cd). Jika intensitas cahaya suatu sumber
sebesar 1 cd melalui sudut ruang sebesar 1
steradian maka akan mengalir fluks cahaya
sebesar 1 lumen [6].Hal ini dinyatakan dengan :
(1)
Ungu
Kuning
4.
Energi pancaran matahari dapat di
rubah
menjadi
arus
searah
dengan
mempergunakan lapisan-lapisan tipis dari
silikon atau bahan-bahan semikonduktor
lainnya. Sebuah kristal silindris Silikon (Si)
yang praktis (hampir) murni diperoleh dengan
mencairkan Silikon dalam tungku suhu tinggi
dengan tekanan atmosfir yang diatur [4].
Kecepatan
rambatgelombang
elektromagnetik di ruang bebas = v. Jika
frekuensi energinya = f dan panjang
gelombangny = λ (lambda), maka berlaku
persamaan sebagai berikut :
v
f
495-566
Tabel 1.Panjang gelombangtampak
Gambar3. Kelompok Gelombang Elektromagnetik

Hijau
3
tengah bola tersebut di lingkupi oleh 4πI lumen,
maka θ = 4π lumen [7].
Intensitas penerangan di suatu bidang
ialah fluks cahaya yang jatuh pada 1 m2 dari
bidang tersebut, dengan satuan lux. Jika suatu
bidang di terangi F lumen seluas A m2, maka:
I avg 
F
A
Analisis terhadap ke empat warna LED
dilakukan untuk mengetahui warna LED mana
yang lebih untuk digunakan sebagai
pendeteksikecerahan cahaya matahari.
Tahapan implementasi metode yang
dilakukan adalahmengidentifikasi tegangan
outputLED pada beberapa buah lampu LED
seperti Gambr 5.Sistem kerja lampu LEDdalam
menghasilkan tegangan adalah LED akan
merubah energi dari cahaya matahari menjadi
energi
listrik
(tegangan).Teganganyang
dihasilkan oleh LED akan di manfaatkan untuk
mendeteksi cerahnya cahaya matahari yang
menjalar kebumi.
Pada penelitian ini, peralatan yang
digunakan
yaitu:LED
Hijau,Multimeter
digital,Protoboard,
dan
Kabel
yang
secukupnya.LED disusun sedemikian rupa
sehingga bisa menghasilkan tegangan output
yang besar jika terkena sinar matahari.
(3)
Dimana :
= Intensitas penerangan rata-rata
avg
I
= Luas bidang yang diterangi (m2)
A
5.
Daya Listrik
Daya merupakan kecepatan perubahan
energi, maka persamaannya yaitu sebagai
berikut:
p
QV
t
Muatan yang mengalir per detik
(4)
Q t 
merupakan muatan listrik I, dengan demikian
persamaan daya[8] adalah
p  IV
(5)
Dimana:
P = daya (Watt)
I = Kuat Arus (A)
V = Tegangan (Volt)
Gambar5. Pengukuran tegangan output Led.
Langkah-langkah
yang
dilakukan
dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Menentukan warna LED mana yang
lebih cocok untuk digunakan dalam
mendeteksi kecerahan cahaya matahari.
b. Membuat
rangkaian
percobaan
pendahuluan yang terdiri atas 10 buah
LED kemudian di arahkan kesinar
matahari dan di ukur tegangan output
dengan multimeter digital.
B. METODOLOGI
Metode yang digunakan dalam
pelaksanaan penelitian ini yaitu diawali dengan
identifikasi dan karaterisasi lampu LED, yang
kemudian dilanjutkan dengan serangkaian
analisis untuk mencari besar tegangan yang
dihasilkan oleh LED.Warna LED yang
diidentifikasi yaitu:
Gambar4. Jenis-jenis warna pada lampu LED.
4
Gambar 7.Cara pengukuran tegangan outputLED
pada rangkaian seri
Dari rangkaian seri diatas, maka nilai
tegangan outputnya adalah seperti pada tabel 2
dibawa ini.
No Warna LED Jumlah LED Tegangan
1
Hijau
10 buah
22.7 V
2
Merah
10 buah
0.41 V
3
Bening
10 buah
0.06 V
4
Kuning
10 buah
1.6 V
Gambar6. Skema pengukuran tegangan.
c. Pada langkah a (Gambar 6) berlaku
untuk semua rangakaian baik seri dan
parallel.
d. Membuat rangkaian LED pada
Protoboard. Protoboard sebagai panel,
ketika melakukan pengukuran yang
harus diperhatikan adalah ke dua kaki
LED yang di pasang pada Protoboard,
dimana kaki LED yang panjang
bertidak sebagai tegangan imput dan
kaki LED pendek bertindak sebagai
output.
e. Mencatat hasil pengamatan tabel yang
berisi
besarnya
tegangan
yang
dihasilkan oleh masing-masing LED
pada rangkaian.
Tabel 2.Nilai tegangan output untuk 10 buah LED
pada rangkaian seri.
2. Rangkaian parallel untukmengukur
tegangan output dari 10 buah LED.
Gambar 8.Cara pengukuran tegangan LED pada
rangkaian Parallel.
Nilai tegangan output untuk rangkaian
parallel diatas, ditunjukan pada Tabel 4 berikut:
No Warna LED Jumlah LED Tegangan
1
Hijau
10 buah
1.9 V
2
Merah
10 buah
1.6V
3
Bening
10 buah
0.14 V
4
Kuning
10 buah
0.4 V
C. HASIL DAN PEMBAHASAN
Jika di lihat dari panjang gelombang
masing-masing warnaseperti pada Tabel 1 di
atas, di ketahui bahwa LED hijau mempunyai
panjang yang lebih rendah dari warna LED
yang lainnya. Namun dalam hasil percobaan
tentang pengukuran tegangan, kuat arus, dan
daya ternyata LED hijau mempunyai nilai
tegangan, kuat arus, dan daya yang lebih tingi
dari warna LED lainnya seperti pada Tabel 2
sampai Tabel 5 di bawah, baik LED tersebut
dirangkai secara seri maupun parallel.
Tabel 3.Nilai tegangan output untuk 10 buah LED
pada rangkaian parallel.
3. Rangkaian seri untuk mengukur kuat
arus dan daya dari 10 buah LED yaitu sebagai
berikut:
Hasil pengukuran kuat arus, tegangan,
dan daya dari 10 buah LED yang beda warna
yaitu seperti berikut:
1. Rangkain seri untukmengukur tegangan
output dari 10 buah LED.
Gambar 9.Cara pengukuran kuat arus LED pada
rangkaian seri
Untuk
tabel
4
dibawah
menunjukanbahwa hasil pengukuran darinilai
5
kuat arus dan daya yang dihitung dari 10 buah
LED pada rangkaian seri.
I
P=VxI
No Warna LED
-5
1
Hijau
2.3 x 10 A 5 x10-4W
2
Merah
0
0
3
Bening
0
0
4
Kuning
4.5 x 10-5A 8.5x10-5W
a. Rangkaian Seri
Untuk rangkaian seripada gambar 7
yaitu pengukuran tegangan output dimulai dari
2 buah LED sampai 88 buah LED, maka
tegangan output yang dihasilkan adalah dari
4.3V sampai 20Vseperti di tunjukkan pada
Grafik 1 di bawah.
Tabel 4.Nilai kuat arus dandaya untuk 10 buah LED
pada rangkaian seri.
Tegangan Output (V)
Hasil pengukuran dari kuat arus dan
daya diketahui bahwa ternyata LED hijau
menhasilkan nilai kuat arus dan daya yang lebih
maksimal dibandingkan dengan warna LED
yang lainnya.
4. Rangkaian parallel untukmengukur
kuat arus dan dayadari 10 buah LED.
1
2
3
4
Hijau
Merah
Bening
Kuning
I
P=VxI
-4
1.9x10 A
4x10-A
4x10-A
0
15
10
5
0
2 18 19 34 36 64 88
Banyaknya LED yang digunakan
Dari hasil grafik 1 di atas ditunjukan
bahwa ternyata pada jumlah LED 18
didapatkan nilai tegangan maksimum yaitu
sebesar 20Volt. Artinya dengan menambahkan
jumlah LED tidak berarti menghasilkan teganga
yang lebih dari 20Volt.
Untuk tabel 5 dibawah menunjukan
hasil pengukuran darinilai kuat arus dan daya
yang dihitung dari 10 buah LEDpada rangkaian
parallel.
Warna LED
20
Grafik 1. Nilai tegangan output terhadap banyaknya
LED.
Gambar 10.Cara pengukuran tegangan LED pada
rangkaian Parallel.
No
25
3.7x10-4W
6.5x10-6W
5.6x10-7W
0
b. Rangkaian Parallel
Untuk rangkaian parallelpada Gambar
8, banyaknya LED yang digunakan adalah 1-88
(1parallel x 88 ) buah LED. Maka nilai tegangan
output terhadap banyaknya LED yang di
gunakan adalah Seperti tampak pada Grafik 2
berikut.
Tabel 5.Nilai kuat arus dandaya untuk 10 buah LED
pada rangkaian parallel.
Tegangan Output (V)
Hasil identifiksi dari ke empat warna
LEDpadarangkaian seri maupun parallel,
ternyata LED warna hijau mempunyainilai kuat
arus, tegangan, dan daya yang lebih besar
daripadake tiga warna LED lainnya.Jadi LED
warna hijau lebih cocok untuk digunakan
sebagai pendeteksi kecerahan cahaya matahari.
Keterangan:
Pengukuran dilakukan pada pagi hari
jam 09:00-10:00 dan selama 4 hari untuk ke
empat warna LED dengan jam yang sama.
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
2
18
19
34
36
64
88
Banyaknya LED yang digunakan
Grafik 2. Nilai tegangan terhadap banyaknya LED.
Dalam pemanfaaan LED untuk
mendeteksi kecerahan cahaya matahari,
makaLED hijau dirangkai secara tiga tahap
yaitu:
6
Pada grafik 2 di tunjukan bahwa
ternyata pada jumlah LED 36 didapatkan nilai
tegangan maksimum sebesar 1.99Volt.
E. DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
c. Rangkaian Gabungan Seri Parallel
Untuk rangkaian gabungan seri parallel
(2serix44parallel), dengan rangkaian sebagai
berikut:
[3]
[4]
Gambar 9.Cara pengukuran tegangan LED
pada rangkaian gabungan seri Parallel.
[5]
Pada rangkaian gabungan seri parallel
di atas, maka hasil pengukuran nilai tegangan
output adalah sebesar 1.66V.
Keterangan:
Pengukuran dilakukan pada pagi hari
jam 09:00-11:00 bahkan lebih.
[6]
[7]
[8]
D. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisis dari tegangan
output diperoleh, maka dapat disimpulkan
bahwa:Lampu LED juga dapat digunakan untuk
mengetahui nilai tegangan output apabila
disinyari cahaya matahari.
Dari hasil grafik 1 dan 2 di atas, maka
diketahui bahwa untuk 18 buah LED yang
dirangkaisecara seri mempunyai tegangan yang
lebih tingi dari jumlah LED yang lain,
sedangkan untuk 36 buah LED pada rangkaian
parallel juga mempunyai tegangan yang lebih
tingi dari jumlah LED yang lainnya.
Jika dilihat dari panjang gelombang
yang dimiliki oleh setiap warnayaitu
mempunyai panjang gelombang yang berbedabeda, danjika dibandingkan pada ke empat
warna pada LED maka, warna LED hijau
mempunyai panjang gelombang yang lebih
rendah daripada warna LED lainnya. Namun
dari hasil pengukuran kuat arus, tegangan, daya
daya ternyata warna LED hijau mempunyai
kuat arus,tegangan, dan daya yang lebih besar
dari warna LED liannya. Oleh karena itu, LED
hijau lebih cocok digunakan untuk mendeteksi
kecerahan cahaya matahari.
7
Nevers, Noel de. Air Pollution Control
Engineering. Mc Graw-Hill,Inc. 1995.
Malvino, Albert Paul. 1992. ‘PrinsipPrinsip Elektronik’. Erlangga. Jakarta.
Haliday, Resnick, Walker. ‘Dasar-Dasar
fisika versi di perluas Jilid 2’. Binapura
Aksara Publisher.
Kadir, Abdul., 1982, “energi, sumber
daya, inovasi, tenaga listrik, potensial
ekonomi”, PT. Universitas Indonisia,
Jakarta
Beisser, Arthur, 1968, “Konsep Fisika
Modern”, ErlanggaJilid I, Edisi II,
Jakarta.
Hecht, Eugene, 1994, “Optics”, Addison
Wesley, Edisi II, Massachusetts.
Waldman, Gerry, 1990, “Introduction to
light”, Prentice Hall, Inc., New Jersey.
C. Douglas, Giancoli, 2001, “Fisika”
Edisi kelima, Jilid II, PT. Erlangga,
Jakarta.
8