bab xii optoelektronika

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.
ultra violet
violet
biru
hijau
kuning
jingga
infra merah
merah
1 nm
1 mm
350
400
450
500
550
600
650
700
dalam nm
Gambar 1, Spektrum cahaya
Besaran-besaran yang biasanya digunakan dalam bidang fotometri dan
radiometri adalah :
Besaran
Simbul Definisi
Fluks
radian
P
total daya radiasi yang dipancarkan oleh watt
sumber cahaya.
Intensitas
radian
Io
fluks radian yang melewati satu unit W/sr
sudut ruang (sr)
Irradiansi
H=Io/r2 jumlah fluks radian yang diterima oleh W/m2
satu unit permukaan luas
Fluks
F
Sastra Kusuma Wijaya
Satuan
total cahaya dari sumber yang diterima lumen
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
Bab XII, Optoelektronika
cahaya
Intensitas
cahaya
Hal: 208
oleh sensor yang mirip mata manusia
Iv
Iluminansi
fluks cahaya yang keluar pada satu unit candela
sudut ruang
(Cd)
jumlah fluks cahaya yang diterima oleh lumem/m2
satu unit permukaan luas.
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.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
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 ~ 20 - 30 mW.
2.
berumur panjang, MTBF ~ 100.000 jam
3.
konstruksi semikonduktor lebih andal
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
dibandingkan
dengan
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 IF = 20 mA adalah VF = 1,6 volt (perlu di-check dari data
sheet LED ybs). Maka hambatan pembatasnya adalah: (dengan tegangan
supply = 5 volt)
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
Bab XII, Optoelektronika
Hal: 210
Rlim =
Vs − VF (5 − 1,6)V
=
= 170Ω
20mA
IF
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 IOL), 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.
5V
IF
1
2
3
7410
Rlim
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
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
Bab XII, Optoelektronika
Hal: 211
peraga minimum ~ 10 mA agar dapat menyalakan 7-segmen. Decoder
dan driver tersedia dalam satu chip IC, seperti 7447. IC 7447 digunakan
untuk peraga dengan tipe anoda bersama. Rangkaiannya ditunjukkan
pada Gambar 4.
Input BCD
5V
1
5V
D
g
g
C
B
f
e
f
e
A
RB1
d
c
d
c
RB0
LT
b
a
b
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.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
Bab XII, Optoelektronika
Hal: 212
MSD
MUX
A0
LSD
a
b
c
7447 d
e
A2
f
g
A3
A1
MSD
MUX
LSD
MSD
MUX
LSD
5V
5V
5V
5V
MSD
MUX
LSD
dari
Clock
A0
Counter
A1
74156
ke digit
ke-2
dan 3
Gambar 5, Rangkaian peraga BCD 4-digit
Dekoder 74156 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 (~30 - 300 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
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
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.
6V
R2
330 k
R3
2k
330
R4
R1
Q2
Q1
λ
lampu
D1
CL905HL
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:
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
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 hfe termasuk arus bocornya. Hal ini dapat dikurangi
dengan cara memberikan bias seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
Bab XII, Optoelektronika
Hal: 215
VCC
R2
R
R1
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
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I
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
Sastra Kusuma Wijaya
FISIKA FMIPA UI
Diktat Elektronika I