Perancangan dan Pengujian Sistem Pengukuran Sinar UV Dari

Perancangan dan Pengujian Sistem Pengukuran
Sinar UV Dari Intensitas Matahari.
Yulia Imelda Piyoh[1], Made Rai Suci Shanti[1,2], Andreas Setiawan[1,2]
[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, Jawa Tengah, Indonesia
Abstrak
Sinar ultra-violet merupakan bagian dari spektrum sinar tidak tampak.
Sumber UV terbesar berasal dari radiasi matahari yang menembus
atmosfer dan statosfer sampai ke permukaan bumi. Sinar UV dibagi
menjadi 3 (tiga), yaitu 1)UV-A; 2)UV-B; dan 3)UV-C. Para ahli kesehatan
mengungkapkan bahwa manusia yang terpapar sinar UV dengan
intensitas yang tinggi dapat terkena penyakit kanker kulit, katarak mata,
hingga penurunan sisitem kekebalan tubuh. Berdasarkan hal tersebut
dirancang sistem sederhana untuk mengukur intensitas sinar UV dari
cahaya matahari dengan menggunakan photodioda sebagai sensornya,
photodioda yang pertama dibiarkan terbuka dan yang kedua ditutupi
dengan filter uv. Intensitas UV didapat dengan menghitung selisih antara
sensor 1 dan sensor 2. Intensitas sinar UV yang diperoleh pada
pengukuran pertama antara 10,246 -132,27 lux (0,011-0,142 volt).
Dalam pengukuran yang dilakukan pada hari yang berbeda, sinar uv
yang terdeteksi juga tidak jauh berbeda pada pengukuran pertama yaitu
13,97– 148,108 lux (0,015-0,159 volt).
Kata kunci : sinar ultravilolet (UV), filter Uv, Photodioda.
1.
Pendahuluan
Dalam pancaran matahari terdapat berbagai jenis sinar dari gelombang
elektromagnetik. Sinar ultraviolet merupakan bagian dari spektrum sinar tidak
tampak. Sumber UV terbesar berasal dari radiasi sinar matahari yang menembus
atmosfer dan statosfer sampai ke permukaan bumi[1]. Selain matahari, sinar UV juga
muncul dari sumber buatan, yaitu pengelasan, lampu pijar halogen, dll
Sinar UV dibagi menjadi 3 (tiga), yaitu 1)UV-A; 2)UV-B; dan 3)UV-C. Sinar UV-A,
UV-B dan UV-C merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang
yang pendek, yakni antara 200 - 280 nm (nanometer) untuk UV-C; 280 - 320 nm
untuk UV-B dan 315-400 nm untuk UV-A [2]. Menurut Setiadarma (1986)
sebenarnya sinar UV hanya merupakan sebagian kecil dari spektrum matahari,
namun sinar ini paling berbahaya untuk kulit, bahkan bahaya tersebut bisa
meningkat dengan semakin banyaknya sinar yang terpapar di kulit [3]. Paparan sinar
UV memiliki efek positif dan efek negatif, tergantung dari tingkat paparan
intensitas uv yang diterima. Para ahli kesehatan mengungkapkan bahwa manusia
yang terpapar sinar UV dengan intensitas yang tinggi dapat terkena penyakit
kanker kulit, katarak mata, hingga penurunan sisitem kekebalan tubuh.
Melihat bahaya sinar uv terhadap kesehatan manusia, sangat bermanfaat jika
ada sistem yang dapat mendeteksi paparan intensitas sinar UV. Oleh karena itu
1
dirancang sebuah sistem yang sederhana untuk mengukur intensitas sinar UV dari
sinar matahari dengan menggunakan photodioda sebagai sensor cahaya. Tujuan
dari penelitian ini adalah mengukur intensitas sinar UV dari radiasi sinar matahari
dalam 1 hari. Adapun batasan masalah dalam penelitian ini adalah 1) linearitas
photodioda dan lux dianggap sama, 2) filter UV dianggap 100% menyerap sinar uv,
3) spektral photodioda cukup sensitif didaerah panjang gelombang UV, 4) lokasi
pengambilan data dilakukan di salatiga. Penelitian yang dilakukan merupakan hal
yang baru sehingga masih bisa dikembangkan lagi untuk mengukur bahaya sinar uv
tehadap kulit.
2.
Dasar teori
2.1 Photodioda
Photodioda adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Cahaya yang
dapat dideteksi oleh fotodioda ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak,
ultra ungu sampai dengan sinar-X. Photodioda dibuat dari semikonduktor dengan
bahan yang populer adalah silicon (Si) atau galium arsenida ( GaAs), dan yang lain
meliputi InSb, InAs, PbSe. Bahan tersebut merupakan semikonduktor dimana kedua
bahan tersebut mengalami perubahan tegangan akibat perubahan intensitas
cahaya yang mengenai permukaan photodioda. Semakin besar intensitas sumber
cahaya semakin besar tegangan keluaran dari photodioda, sebaliknya semakin kecil
intensitas sumber cahaya semakin kecil tegangan keluaran photodioda (Bhudianto,
1983).
Prinsip kerja dari fotodioda ketika sebuah sambungan-pn dibias maju dan
diberikan cahaya padanya maka pertambahan arus sangat kecil sedangkan jika
sambungan pn dibias mundur arus akan bertambah cukup besar. Cahaya yang
dikenakan pada fotodioda akan mengakibatkan terjadinya pergeseran foton yang
akan menghasilkan pasangan electron-hole dikedua sisi dari sambungan. di mana
suatu hole adalah bagian dari kisi-kisi semikonduktor yang kehilangan elektron.
Ketika elektron-elektron yang dihasilkan itu masuk ke pita konduksi maka elektronelektron itu akan mengalir ke arah positif sumber tegangan sedangkan hole yang
dihasilkan mengalir ke arah negatif sumber tegangan sehingga arus akan mengalir
di dalam rangkaian. Besarnya pasangan elektron ataupun hole yang dihasilkan
tergantung dari besarnya intensitas cahaya yang dikenakan pada fotodioda.[4]
Gambar 1. Rangkaian fotodioda
2
Gambar 2. Spektral dari photodioda yang digunakan dalam
pengukuran cukup sensitif untuk panjang gelombang 100-1300
[5]
nm .
2.2 Filter UV
Filter uv yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis Hoya 62 mm. filter
uv merupakan lensa yang dapat menyaring sinar uv dari matahari. Biasanya filter
uv digunakan pada kamera untuk menyerap sinar uv sehingga hasil foto yang
diperoleh lebih baik.
Gambar 3. filter uv yang digunakan adalah jenis Hoya 62 mm.
Spektral dari filter yang digunakan ditunjukkan Gambar 3. Spektral filter yang
digunakan sensitif terhadap panjang gelombang 300-700 nm. Jadi sinar UV yang diblokir
oleh filter adalah UV-A.
3
Gambar 4. Spektral filter UV yang digunakan dalam pengukuran cukup
[6]
sensitif untuk panjang gelombang 300-700 nm .
3.
Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan 2 photodioda, yang pertama dibiarkan terbuka
dan yang satunya lagi ditutupi dengan filter UV. Photodioda yang ditutupi dengan
filter UV tegangannya akan lebih kecil dibandingkan dengan yang tidak ditutupi
dengan filter UV, karena filter uv menyerap intensitas sinar uv.
Rangkaian photodioda yang dirancang adalah seperti Gambar 3 dibawah ini:
Gambar 5. (a) Rangkaian fotodioda, (b) skema sensor 1 dan sensor 2
menghasilkan sinar UV.
IC (integral Circuit) penguat operasional (Op-amp) yang digunakan untuk
perancangan rangkaian photodioda dan penguat yaitu TL 074, dimana satu IC TL
074 terdapat empat buah op-amp. Ketika fotodioda terkena cahaya maka akan
muncul arus listrik. Arus yang masuk dari fotodioda akan memilih naik ke atas
melewati Rf1 daripada melewati op-amp karena impedansinya sangat besar. Opamp membuat tegangan antara ujung ujungnya sama(ΔV=0), ujung op-amp pada
titik 2 merupakan ground sehingga pada titik 1 seolah-olah menjadi ground. Ini
4
dinamakan ground semu. Tegangan yang keluar dari rangkaian sangat kecil
sehingga ditambah dengan penguat dan tegangan yang keluar menjadi:
=
(1)+
Besarnya hambatan yang diberikan adalah Rf1= 10 K, Rf2= 10 K, dan Rf3= 300 K.
Tegangan yang keluar dari sensor 1 dan sensor 2 diukur dengan menggunakan
multimeter digital. Sensor 1 dan sensor 2 sebelum dipasang filter uv tegangan yang
keluar harus sama. karena dari alat yang dibuat terjadi perbedaan tegangan maka
pada sensor 2 dilakukan pengukuran dua kali. Pengukuran pertama dilakukan
sebelum filter uv di pasang dan pengukuran kedua setelah filter uv dipasang. Hal
ini dilakukan dalam waktu yang cepat untuk menghindari perbedaan intensitas
matahari.
Gambar 6. Alat yang telah dibuat.
4.
Hasil dan Analisa
Hasil kalibrasi
Waktu pengambilan data dilakukan selama 7 jam. Cara pengambilan data
dalam penelitian ini adalah dengan mencatat tegangan pada kedua photodioda
dalam selang waktu 10 menit. Besarnya intensitas radiasi matahari yang diperoleh
sangat dipengaruhi oleh cuaca. Pengambilan data dilakukan pada hari yang sangat
cerah.
Tegangan Sensor 1 dan sensor 2 sebelum dipasang filter uv berbeda. Tegangan
sensor 1 lebih besar daripada sensor 2. Gambar 7 menunjukkan perbedaan
tegangan antara sensor 1 dan sensor 2 sebelum dipasang filter uv pada sensor 2.
5
1,8
sensor 1
1,6
tegangan (volt)
1,4
sensor 2(tanpa
filter uv)
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
07:12
09:36
12:00
waktu (jam)
14:24
16:48
Gambar 7. Perbedaan tegangan sensor 1 dan sensor 2 sebelum dipasang
filter uv. Waktu pengambilan data dilakukan dari jam 08-15.00
Karena hasil yang didapat berbeda maka sensor 1 dan sensor 2 harus dibuat
sama terlebih dahulu dengan menjumlahkan antara sensor 2 dan selisih antara
sensor 1 dan sensor 2 (sebelum filter uv dipasang). Gambar 8 menunjukkan sensor
1 dan sensor 2 sudah tidak ada perbedaan tegangan sehingga ketika pada sensor 2
dipasang filter UV, selisih antara sensor 1 dan sensor 2 menjadi intensitas sinar UV
yang terdeteksi.
1,8
sensor 1
1,6
sensor 2
tegangan (volt)
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu (jam)
Gambar 8. Tegangan sensor 1 dan sensor 2ketika sudah sama sebelum
sensor 2 menggunakan filter uv. waktu pengambilan data dari jam
08.00-15.00
Setelah sensor 1 dan sensor 2 sudah sama maka intensitas sinar uv yang
terdeteksi dapat diketahui dengan melihat selisih antara sensor 1 dan sensor 2(
menggunakan filter uv).
6
intensitas (lux)
Hasil yang diperoleh dari data pengukuran dalam satuan volt, kemudian
diubah dalam satuan lux dengan membuat perbandingan antara volt dan lux yang
diperoleh dengan mengukur intensitas cahaya yang ada dalam ruangan dengan
menggunakan lux meter dan tegangan yang keluar dari sensor. Hasilnya digrafikkan
antara tegangan(volt) dan intensitas (lux) sehingga diperoleh persamaan y= 931,5x200,9. Persamaan tesebut dimasukkan kedalam data hasil pengukuran pada sensor
1 dan sensor 2.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
intensitas(y)= 931.5x - 200.9
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
tegangan (volt)
Gambar 9. Grafik kalibrasi antara tegangan (volt) dan intensitas (lux).
Dimana perbandingan antara tegangan dan intensitas linear, sehingga
hasil kalibrasi bisa digunakan.
Analisa data
Pengukuran pertama yang dilakukan langsung dibawah sinar matahari, hasil
yang diperoleh ditunjukkan seperti Gambar 10.
4000
sensor 1
sensor 2
intensitas (lux)
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu (jam)
Gambar 10. Grafik pengukuran ketika alat yang dirancang terkena
cahaya matahari langsung dan mengalami saturasi pada jam 10.20 –
12.40. pengukuran yang dilakukan dari jam 08.00-15.00
7
Selisih antara sensor 1 dan sensor 2 tidak terlalu kelihatan perbedaannya.
Selisih keduanya yang merupakan intensitas sinar uv sangat kecil dan semakin
mendekati posisi puncak selisih antara sensor 1 dan sensor 2 mendekati nol.
Puncak sensor 1 dan dan sensor 2 terlihat sama dan tidak terjadi kenaikkan lagi,
yaitu pada jam 10.20-12.40.
200
intensitas (lux)
uv
150
100
50
0
07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu (jam)
Gambar 11. Grafik iIntensitas sinar uv yang dideteksi dari pengukuran
yang telah mengalami saturasi. Pengambilan data dilakukan dari jam
08.00-15.00
Sensor 1 dan sensor 2 tidak bisa mengalami kenaikkan tegangan lagi karena
Vin yang diberikan hanya 9 Volt, sehingga alat yang dibuat tidak memungkinkan
untuk intensitas matahari yang terlalu tinggi. Karena sudah mengalami saturasi,
besarnya intensitas sinar uv antara jam 11.50-13.50 sangat kecil sekali bahkan pada
jam 11.50-12.10 dan jam 12.30 tidak ada intensitas sinar uv yang terdeteksi, karena
kedua sensor telah mencapai puncak yang sama sehingga selisih tegangan antara
sensor 1 dan sensor 2 yang merupakan tegangan untuk intensitas sinar UV lebih
besar pada jam 08-11.40 siang dan jam 14.00-15.00 daripada jam 11.50-13.50
ketika matahari berada sekitar 900.
Pada pengukuran selanjutnya, alat yang telah dibuat ditutupi dengan kertas
untuk mengurangi intensitas cahaya yang mengenai sensor sehingga tegangan yang
diperoleh tidak saturasi. Pada Gambar 12, dapat dilihat grafik sensor 1 lebih tinggi
dari sensor 2 karena sensor 1 menyerap semua cahaya yang diterima sedangkan
sensor 2 tidak menyerap intensitas sinar UV karena dihalangi oleh filetr uv.
intensitas tertinggi yang dihasilkan pada sensor 1 adalah 1340,73 lux (=1,655 volt),
sensor 2 adalah 1208,46 lux (=1,513 volt) yaitu pada jam 12.00 siang. Dari Gambar
12, dapat diamati bahwa terjadi kenaikkan intensitas pada sensor 1 dan 2 sampai
jam 12.00 siang. Setelah itu terjadi penurunan intensitas pada sensor 1 dan 2
sampai jam 15.00 sore.
8
1600
sensor 1
intensitas (lux)
1400
1200
sensor 2
1000
800
600
400
200
0
07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu(jam)
Gambar 12. Grafik hasil pengukuran ketika alat yang dirancang tidak
mengalami saturasi. Terjadi kenaikkan intensitas dari jam 08.00-12.00.
Setelah itu terjadi penurunan intensitas sampai jam 15.00. Pengambilan
data dilakukan dari jam 08.00- 15.00
intensitas (lux)
Grafik diatas yang menunjukkan selisih antara sensor 1 dan sensor 2 yang
merupakan intensitas sinar uv yang dapat dideteksi dari alat yang telah dibuat.
Intensitas sinar uv tertinggi yang dihasilkan adalah 132,27lux (=0,142 volt).
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
07:12
uv
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu (jam)
Gambar 13. Grafik intensitas sinar uv pada pengukuran pertama dimana
intensitas sinar UV mengalami kenaikkan intensitas dari jam 08.00-12.00
setelah itu terjadi penurunan intensitas sampai jam 15.00. intensitas tertinggi
dari sinar UV yang dideteksi adalah 132,27 lux. Pengambilan data dilakukan
dari jam 08.00-15.00
Dari data yang diolah intensitas sinar UV dalam 1 hari antara 10,246 -132,27
lux (0,011-0,142 volt). Intensitas matahari yang diperoleh tidak selalu konstan. Dari
Gambar 12, intensitas matahari turun sangat drastis pada jam 11.50 sehingga
intensitas sinar UV juga turun drastis pada jam tersebut, ini dikarenakan matahari
tertutup oleh awan/ mendung.
9
intensitas (lux)
Pengukuran yang dilakukan tidak hanya 1 hari saja, tetapi dalam hari yang
berbeda untuk melihat perbedaan antara hari pertama dan kedua. Hasil yang
diperoleh dari pengukuran kedua menunjukkan hasil pengukuran pertama dan
pengukuran kedua tidak jauh berbeda. Gambar 14 merupakan grafik yang diambil
dalam hari yang berbeda.
1600
sensor 1
1400
sensor 2
1200
1000
800
600
400
200
0
07:12
09:36
12:00
14:24
waktu (jam)
Gambar 14. Grafik pengukuran yang dilakukan pada hari yang berbeda.
Dimana hasil yang didapat tidak jauh berbeda pada pengukuran
pertama. Pengukuran dilakukan dari jam 08.00-13.30
Pengukuran yang dilakukan pada hari kedua tidak dilakukan sampai jam 15.00
tetapi sampai jam 13.30 dikarenakan cuaca yang sangat mendung. Puncak tertinggi
sensor 1 pada grafik kedua adalah 1379,85lux (1,697 volt) dan 1231,74 lux (1,538
volt) untuk sensor 2.
intensitas (lux)
160
uv
140
120
100
80
60
40
20
0
07:12
09:36
12:00
14:24
waktu(jam)
Gambar 15. Grafik intensitas sinar uv pada pengukuran kedua.
Intensitas tertinggi sinar UV pengukuran kedua adalah 148,10.
Pengukuran dilakukan dari jam 08.00-13.30.
10
Pada pengukuran kedua intensitas UV tertinggi yang diperoleh adalah 148,108
lux(0,159 volt). Intensitas sinar UV yang terdeteksi pada pengukuran kedua adalah
13,97 – 148,108 lux (0,015-0,159 volt).
Pada pengukuran yang pertama dan kedua intensitas sinar UV yang dideteksi
tidak jauh berbeda. Pada pengukuran pertama cuaca relatif cerah sehingga tidak
turun drastis seperti pengukuran kedua. Puncak tertinggi antara pengukuran
pertama dan kedua lebih besar pada pengukuran kedua karena cuaca lebih cerah
pada pengukuran kedua, tetapi pada pengukuran kedua cuaca tiba-tiba gelap
sehingga tintensitas turun drastis dan tidak dilakukan pengambilan data sampai jam
15.00.
5.
Kesimpulan
Dengan rangkaian yang sederhana yaitu menggabungkan photodioda dan fiter
uv, paparan intensitas sinar UV dari radiasi matahari dapat diketahui. Alat yang
telah dibuat tidak dapat mengukur sinar matahari yang sangat cerah sehingga harus
diberi penghalang yaitu ditutupi dengan kertas supaya data yang dihasilkan tidak
saturasi, Dalam 1 hari yang cukup cerah intensitas sinar UV pada berkisar antara
10,246-132,27 lux (0,011-0,142 volt) yang dapat dideteksi dari alat yang sudah
dibuat. Dalam pengukuran yang dilakukan pada hari yang berbeda, sinar UV yang
terdeteksi juga tidak jauh berbeda pada pengukuran pertama yaitu 13,97 – 148,108
lux (0,015-0,159 volt).
6.
Saran
1) Vin yang digunakan harus lebih besar dari 9 V, sehigga ketika matahari
berada sekitar sudut 900 tegangan yang dihasilkan dari alat tersebut tidak saturasi
meskipun langsung diletakkan dibawah sinar matahari tanpa diberi penghalang. 2)
Penelitian ini masih bisa dilanjutkan sampai dengan mengukur batasan bahaya dari
intensitas sinar uv untuk kulit dengan mengukur indeks dari intensitas sinar uv
sehingga dapat mengatasipasi kerusakan kulit dan mata sejak dini.
7.
Referensi
[1] Setijo Bismo, DEA. Teknologi Radiasi Sinar Ultra-Ungu (UV) dalam Rancang
Bangun Proses Oksidasi Lanjut untuk Pencegahan Pencemaran Air dan Fasa
Gas, Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Agustus
2006
[2] Dresbatch, Sereana H., 2008. Wanda Brown. Ultravioler Radiation. Ohio State
University.
[3] Setiadarma, H dan Suyoto. 1986. Kesehatan kulit dan Kosmetika. Andi Offset.
Yogyakarta.
[4] Susilo, Bagus, Perancangan alat ukur kandungan klorofil in Vivo terkontrol
komputer. 2007
[5] Datasheet PD204-6C/L3 - 3mm Silicon PIN Photodiode T-1 - Everlight
Electronics Co., Ltd
11
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/229834/EVERLIGHT/PD20 6C/L3.html
[6] Atkins, Bob. April, 2003. Filter- UV or Not UV?. photo.net
12