Apakah definisi sensor cahaya? Sensor merujuk pada alat yang dapat mendeteksi dan mengukur suatu objek atau fenomena. Sensor cahaya, sebagai contoh, adalah jenis sensor yang sering ditemukan dalam perangkat elektronik. Ia berfungsi untuk mendeteksi cahaya dan mengubahnya menjadi sinyal listrik.
Cara kerja sensor cahaya biasanya didasarkan pada prinsip hambatan listrik dan arus. Ketika sensor menerima cahaya, hambatannya akan menurun atau meningkat sesuai dengan posisinya, sehingga arus yang mengalir dapat diatur. Sensor cahaya digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti sensor kendaraan, lampu jalan otomatis, robot line follower, dan lain-lain.
Sensor cahaya berperan dalam mengubah energi cahaya (baik cahaya tampak maupun inframerah) menjadi energi listrik. Sensor ini berperan dalam mendeteksi keberadaan cahaya dan kemudian mengubahnya menjadi sinyal listrik yang dapat dimanfaatkan dalam suatu rangkaian yang menggunakan cahaya sebagai pemacu.
Prinsip kerja sensor cahaya adalah mengubah energi cahaya (foton) menjadi energi listrik (elektron). Proses konversi ini tergantung pada intensitas cahaya yang diterima oleh sensor. Biasanya, satu foton sudah cukup untuk menghasilkan sinyal elektron dalam rangkaian. Umumnya, sensor cahaya dipakai pada benda-benda yang memancarkan atau memantulkan cahaya, lalu diubah menjadi sinyal listrik yang berbeda-beda.
Pada dasarnya, tugas sensor cahaya adalah untuk mendeteksi sinar matahari yang masuk dan mengubahnya menjadi sinyal listrik yang dapat dipakai pada berbagai macam komponen elektronik. Setiap jenis sensor cahaya mempunyai tugas yang khusus, bergantung pada jenisnya. Informasi lebih lengkap dapat ditemukan pada bagian sub-topik yang membahas jenis-jenis sensor cahaya.
Sensor cahaya umumnya terdiri dari tiga jenis kategori, yaitu:
Fotovoltaik adalah tipe sensor cahaya yang menghasilkan perubahan pada outputnya. Sensor tersebut beroperasi dengan mengubah energi dari cahaya langsung menjadi energi listrik. Teknologi fotovoltaik mengubah sinar matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan sel surya. Beberapa sel fotovoltaik bahkan dapat mengubah cahaya buatan menjadi energi listrik. Cahaya matahari terdiri dari partikel energi yang dikenal dengan sebutan foton. Foton memiliki energi yang berbeda-beda sesuai dengan panjang gelombang dari spektrum matahari.
Sel fotovoltaik terbuat dari bahan semikonduktor. Ketika foton mengenai sel PV, mereka dapat dipantulkan, dilewati, atau diserap oleh bahan semikonduktor. Foton yang diserap memberikan energi yang diperlukan untuk menghasilkan energi listrik. Apabila bahan semikonduktor menyerap cahaya matahari yang mencukupi, elektron akan melepaskan diri dari atom bahan tersebut. Permukaan depan sel diolah sedemikian rupa agar lebih mudah menerima elektron yang dilepaskan, sehingga elektron secara alami bermigrasi ke permukaan sel. Penyinaran cahaya mampu memicu gerak elektron dan menghasilkan beda potensial.Contoh dari sensor cahaya tipe fotovoltaik adalah sel surya atau solar cell.
Sel Surya / Solar Cell
Solar Cell merupakan perangkat pendeteksi cahaya yang mengubah energi matahari menjadi listrik secara langsung. Cara kerja solar cell adalah pada sambungan silikon PN dengan lapisan P yang transparan sehingga cahaya dapat masuk. Jika terdapat sinar yang memasuki area sensor, elektron akan berpindah dari bagian P ke N dan menghasilkan tegangan searah (DC) dengan kekuatan sekitar 0,5 Volt per sel ketika paparan sinar matahari penuh.
Sensor ini umumnya digunakan pada rangkaian pengisian baterai otomatis yang hanya bergantung pada sinar matahari dan juga pada penerangan jalan umum yang tidak tersuplai dari PLN.
Modul Fotovoltaik, Panel Surya, dan Susunan PV
Modul PV merupakan komponen dasar dari sistem PV. Modul PV tersusun dari beberapa sel PV, yang dapat bervariasi dari ukuran setengah inci hingga sekitar 4 inci. Namun, tiap sel hanya mampu menghasilkan daya sebesar 1 atau 2 watt, yang cukup untuk keperluan kecil seperti menghidupkan kalkulator atau jam tangan.
Modul PV dihubungkan secara elektrik dalam panel surya yang dirancang tahan cuaca (kadang disebut juga modul). Ukuran dan kapasitas listrik yang dihasilkan oleh panel surya dapat bervariasi. Kapasitas listrik panel surya dapat ditingkatkan dengan menambah jumlah sel pada panel atau dengan memperluas luas permukaan panel. Panel surya dapat dihubungkan secara bersama-sama membentuk susunan PV. Susunan PV dapat terdiri dari dua hingga ratusan panel surya. Jumlah panel surya yang terhubung pada susunan PV menentukan kapasitas listrik yang dapat dihasilkan oleh susunan tersebut.
Sel fotovoltaik menghasilkan listrik arus searah (DC). Listrik DC ini dapat digunakan untuk mengisi baterai yang menggerakkan perangkat yang menggunakan listrik arus searah. Meskipun hampir semua listrik disuplai dalam bentuk arus bolak-balik (AC) pada sistem transmisi dan distribusi listrik, perangkat yang disebut inverter dapat digunakan pada panel PV atau dalam susunan PV untuk mengubah listrik DC menjadi listrik AC.
Sel dan panel PV akan menghasilkan daya paling banyak saat terkena sinar matahari secara langsung. Panel dan susunan PV dapat menggunakan sistem pelacakan yang membuat panel selalu menghadap matahari, namun sistem ini cukup mahal. Sebagian besar sistem PV memiliki panel dalam posisi tetap yang biasanya menghadap ke selatan di belahan bumi utara dan ke utara di belahan bumi selatan pada sudut yang mengoptimalkan kinerja fisik dan ekonomi dari sistem tersebut.
Keefisienan Sistem Fotovoltaik
Keefisienan di mana sel surya mengubah cahaya matahari menjadi listrik berbeda-beda tergantung pada jenis bahan semikonduktor dan teknologi sel surya. Rata-rata keefisienan panel surya yang tersedia secara komersial pada pertengahan tahun 1980-an kurang dari 10%, namun meningkat menjadi sekitar 15% pada tahun 2015 dan kini mendekati 25% untuk modul maju. Sel surya eksperimental dan sel surya untuk bidang pasar tertentu, seperti satelit luar angkasa, telah mencapai keefisienan hampir mencapai 50%.
Sensor fotokonduktif merupakan sensor yang berfungsi mengubah intensitas cahaya menjadi perubahan resistansi pada kaki terminal outputnya berdasarkan kuat lemah cahaya yang diterima sensor. Sensor jenis ini akan memberi perubahan resistansi pada sel-selnya. Cara kerja sensor jenis ini adalah semakin besar intensitas cahaya yang diterima oleh sensor, maka nilai resistansinya akan semakin menurun. Sensor ini memiliki beberapa jenis komponen, seperti yang dijelaskan di bawah ini:
- Light Dependent Resistor (LDR)
Sebuah resistor yang memiliki nilai hambatan dapat dipengaruhi oleh perubahan intensitas cahaya yang diterima oleh sensor. Fungsi sensor tersebut adalah untuk mengubah intensitas cahaya menjadi resistansi listrik. Prinsip kerja LDR didasarkan pada fakta bahwa semakin kuat intensitas cahaya yang diterima, maka nilai hambatannya akan semakin kecil, dan sebaliknya. Hal ini terjadi karena elektroda LDR terbuat dari Cadmium Sulfide, yang akan melepaskan banyak elektron saat terkena cahaya, menyebabkan resistansi menjadi kecil. Namun, ketika cahaya redup, hanya sedikit elektron yang dilepaskan, sehingga nilai resistansinya akan meningkat.
Terdapat dua jenis Resistor yang bergantung pada Cahaya
1. Resistor Foto Intrinsik
Resistor ini terdiri dari bahan semikonduktor murni, yaitu germanium atau silikon. Ketika cahaya mengenai LDR, elektron akan distimulasi dari pita valensi ke konduksi band sehingga jumlah tagihan pembawa meningkat.
2. Resistor Foto Ekstrinsik
Resistor ini memiliki kotoran tambahan yang menghasilkan pita energi baru di atas pita valensi. Pita ini mengandung elektron sehingga celah pita berkurang dan energi yang lebih sedikit diperlukan untuk menggerakkannya. Resistor ini banyak digunakan untuk aplikasi dengan panjang gelombang panjang. Jenis klasifikasi lainnya didasarkan pada linearitas. Karena kinerja linier dan metode operasinya, LDR tipe liner sering disebut sebagai fotoresistor dan bukan fotodioda. Polaritas yang digunakan pada LDR non-linier tidak mempengaruhi perilakunya dan sering kali digunakan.
- Tingkat sensitivitas yang tinggi
- Perangkat yang simpel dan kecil
- Mudah digunakan
- Harga terjangkau
- Tidak ada kemungkinan serikat pekerja
- Rasio resistensi antara kondisi terang dan gelap tinggi
- Koneksi yang mudah
- Respon spektral terbatas
- Bahan terbaik memiliki stabilitas suhu yang terbatas karena efek histeresis
- Reaksi kimia dalam bahan yang stabil
- Sensor LDR hanya digunakan dalam situasi di mana sinyal cahaya berfluktuasi secara drastis
- Kurang responsif
- Memberikan hasil yang salah ketika suhu pengoperasian berubah secara signifikan
- Fototransistor
Fototransistor berfungsi mengubah intensitas cahaya menjadi konduktivitas transistor. Komponen ini termasuk jenis transistor yang memiliki resistansi antara terminal kolektor dan emitor yang dihubungkan ke rangkaian, sedangkan pada terminal basis terdapat lensa pemfokus untuk menangkap cahaya. Nilai resistansi akan berubah sesuai dengan intensitas cahaya yang diterima.
Cara kerja fototransistor adalah semakin kecil kekuatan cahaya yang diterima, maka hambatan antara terminal emitor dan kolektor akan semakin besar. Hal ini terjadi karena bahan utama dari komponen ini adalah silikon atau semikonduktor yang sangat peka terhadap cahaya. Transistor biasa terdiri dari terminal emitor, basis, dan kolektor. Terminal kolektor diberi muatan positif terhadap terminal emitor & persimpangan BE diberi muatan mundur.
Fototransistor menjadi aktif setelah cahaya mengenai terminal basis & cahaya memicu fototransistor dengan memungkinkan konfigurasi pasangan lubang-elektron serta aliran arus melintasi emitor atau kolektor. Ketika arus meningkat, maka itu terkonsentrasi dan berubah menjadi tegangan. Umumnya, phototransistor tidak memiliki koneksi basis. Terminal basis terputus karena cahaya digunakan untuk memungkinkan aliran arus memasok seluruh phototransistor.
Fototransistor dikelompokkan menjadi dua jenis, yakni BJT dan FET.
- Fototransistor BJT
Dalam kondisi minim cahaya, fototransistor BJT dapat mengalami kebocoran antara kolektor dan emitter sebesar 100 nA jika tidak rendah. Setelah terkena sinar, fototransistor ini dapat bekerja hingga 50mA. Hal ini membedakannya dari fotodioda yang tidak mampu mengalirkan arus yang besar.
- Fototransistor FET
Fototransistor jenis ini memiliki dua terminal yang saling terhubung di dalamnya melalui kolektor dan emitter. Sedangkan sumber dan drain terdapat pada FET. Terminal basis transistor merespons cahaya dan mengontrol aliran arus antara terminal.
Fototransistor mempunyai beberapa kelebihan penting yang membedakannya dari sensor optik lainnya, beberapa di antaranya disebutkan di bawah ini:
1. Fototransistor menghasilkan arus yang lebih tinggi daripada fotodioda.
2. Fototransistor relatif murah, sederhana, dan cukup kecil untuk dimuat beberapa di antaranya ke dalam satu chip komputer terintegrasi.
3. Fototransistor sangat cepat dan mampu memberikan output yang hampir seketika.
4. Fototransistor menghasilkan tegangan, yang tidak dapat dilakukan oleh foto-resistor.
Meskipun memiliki banyak keuntungan, fototransistor juga mempunyai beberapa kekurangan, di antaranya:
1. Fototransistor yang terbuat dari silikon tidak mampu menangani tegangan lebih dari 1.000 Volt.
2. Fototransistor juga lebih rentan terhadap lonjakan dan lonjakan listrik serta energi elektromagnetik.
3. Fototransistor juga tidak memperbolehkan elektron bergerak dengan bebas seperti perangkat lain, seperti tabung elektron.
- Photodioda
Photodioda merupakan elemen yang berperan dalam mengubah kekuatan cahaya menjadi konduktivitas dalam dioda. Dioda akan mengalami perubahan resistansi ketika cahaya mengenainya, dimana nilai resistansinya akan menurun seiring dengan peningkatan kekuatan cahaya yang diterima. Komponen fotodioda memiliki hambatan rendah serta arus listrik yang hanya dapat mengalir searah, yakni dari anoda ke katoda.
Fotodioda adalah perangkat yang merespon foton dalam bentuk cahaya yang mempengaruhi pembentukan pasangan elektron-lubang. Jika energi foton yang jatuh (hv) lebih besar dari celah energi (Eg) bahan semikonduktor, pasangan elektron-lubang akan terbentuk di dekat daerah penipisan dioda. Pasangan lubang-elektron yang terbentuk akan dipisahkan satu sama lain sebelum bergabung kembali karena adanya medan listrik dari persimpangan. Arah medan listrik di dioda mengarahkan elektron untuk bergerak ke arah sisi-n dan lubang untuk bergerak ke arah sisi-p. Dengan peningkatan jumlah elektron di sisi-n dan lubang di sisi-p, gaya gerak listrik meningkat. Ketika beban eksternal dihubungkan ke sistem, aliran arus diamati melalui fotodioda.
Semakin besar gaya gerak listrik yang tercipta, semakin besar arus yang mengalir. Besarnya gaya gerak listrik sangat tergantung pada intensitas cahaya yang diterima. Efek perubahan arus foto secara proporsional dengan perubahan intensitas cahaya dapat dengan mudah diamati dengan menerapkan bias balik.Fotodioda dapat digunakan sebagai foto detektor untuk mendeteksi sinyal optik karena menghasilkan aliran arus yang tergantung pada intensitas cahaya yang diterima. Lensa dan filter optik dapat digunakan untuk meningkatkan daya dan produktivitas fotodioda.
Teknologi fotolistrik bekerja dengan cara mendeteksi pantulan cahaya yang dihasilkan oleh perubahan posisi atau jarak antara sumber sinar atau target dengan pemantulnya. Teknologi ini terdiri dari dua komponen utama, yaitu sensor dan sumber cahaya.
- Sensor Inframerah
Sensor inframerah adalah sensor cahaya yang menghasilkan respons terhadap perubahan cahaya jenis inframerah saja. Cara operasi sensor inframerah adalah apabila sensor mendapat pancaran cahaya inframerah, maka akan terjadi perubahan resistansi di antara terminal output. LED infra merah merupakan salah satu contoh sensor ini.
Terdapat dua tipe sensor infra merah, yaitu aktif dan pasif. Sensor inframerah aktif menghasilkan dan mengindera radiasi inframerah. Sensor IR aktif terdiri dari dua komponen, yaitu LED dan penerima. Ketika suatu objek mendekati sensor, cahaya infra merah dari LED akan dipantulkan oleh objek dan terdeteksi oleh penerima. Sensor IR aktif berfungsi sebagai sensor jarak dan umumnya diterapkan pada sistem deteksi hambatan seperti pada robot.
- Sensor Ultraviolet
Sensor UV atau sensor sinar ultraviolet adalah jenis sensor cahaya yang dapat mendeteksi perubahan intensitas sinar ultraviolet yang diterimanya. Jenis sensor ini amatlah peka terhadap keberadaan api, bahkan sekecil apapun seperti pada api rokok. Pada dasarnya, sinar ultraviolet dapat dipancarkan oleh api sekecil apapun. Apabila sensor UV menerima radiasi ultraviolet, maka akan terjadi perubahan nilai listrik pada terminal outputnya.
Tersebut banyak variasi sensor ultraviolet. Beberapa diantaranya yaitu:
- Tabung foto ultraviolet
- Sensor cahaya
- Sensor spektrum UV
Tabung foto ultraviolet yaitu sensor yang sensitif terhadap radiasi dan digunakan untuk memantau perawatan udara ultraviolet, perawatan air ultraviolet, dan radiasi matahari. Sensor cahaya merupakan perangkat umum yang digunakan untuk mengukur intensitas cahaya yang diterima. Sensor spektrum UV adalah charge-coupled device (CCD) yang umumnya digunakan dalam fotografi ilmiah. Sensor ultraviolet ini juga digunakan untuk mengukur jumlah spektrum ultraviolet yang membakar kulit manusia akibat sinar matahari. Detektor sinar ultraviolet, detektor kuman ultraviolet, dan sensor fotostabilitas juga tersedia secara luas.
Sensor yang umumnya digunakan pada perangkat elektronik dapat dikelompokkan menjadi dua jenis, yaitu:
1. Sensor Aktif dan Sensor Pasif
Berikut adalah penjelasan mengenai sensor aktif dan sensor pasif.
- Sensor Aktif (Sensor Pembangkit Otomatis)
Sensor aktif merupakan jenis sensor yang memerlukan sumber daya eksternal untuk beroperasi. Sifat fisik dari sensor aktif bervariasi tergantung pada efek eksternal yang diberikannya. Sensor aktif juga sering disebut sebagai sensor pembangkit otomatis (self-generating sensors).
- Sensor Pasif
Sensor pasif adalah sensor yang bisa mengeluarkan sinyal output tanpa memerlukan pasokan listrik dari luar. Sebagai contoh, termokopel (thermocouple) dapat memunculkan nilai tegangan sesuai dengan suhu atau panas yang diterimanya.
2. Sensor Analog dan Sensor Digital
Di bawah ini dijelaskan mengenai jenis sensor berdasarkan karakteristik analog dan digital.
- Sensor Analog
Sensor analog mengeluarkan sinyal output yang terus-menerus atau berkesinambungan. Sinyal keluaran kontinu dari sensor analog sebanding dengan pengukuran yang dilakukan.
Beberapa parameter analog meliputi suhu, tegangan, pergerakan, tekanan, dan lainnya. Beberapa contoh sensor analog mencakup akselerometer, sensor tekanan, sensor kecepatan, sensor cahaya, dan sensor temperatur.
- Sensor Digital
Sensor digital menghasilkan sinyal keluaran diskrit. Sinyal diskrit tidak kontinu dalam waktu dan dapat direpresentasikan dalam bentuk "bit". Umumnya, sensor digital terdiri dari perangkat sensor, kabel, dan pengirim. Sinyal yang diukur akan direpresentasikan dalam format digital. Output digital dapat berupa logika 1 atau logika 0 (ON atau OFF). Sinyal fisik yang diterima akan diubah menjadi sinyal digital di dalam sensor itu sendiri tanpa perangkat tambahan.
Berikut ini adalah beberapa contoh pemanfaatan sensor cahaya yang dapat dijumpai dalam kehidupan sehari-hari:
1. Lampu Jalan Otomatis
Lampu jalan otomatis umumnya menggunakan sensor LDR untuk mengoperasikannya. Lampu ini akan secara otomatis menyala saat malam hari dan mati pada siang hari. Lampu dapat menyala pada malam hari karena sensor mendeteksi intensitas cahaya yang rendah sehingga lampu otomatis akan menyala.
2. Remote Televisi
Televisi jarak jauh umumnya memanfaatkan sensor inframerah di dalamnya. Inframerah umumnya terintegrasi dalam bentuk chip IC kecil yang diberi daya, saat sinyal infra merah dari remote diterima oleh rangkaian chip IC, maka tegangannya akan berubah dan data digital dari remote TV akan diterima untuk kemudian diproses sesuai dengan instruksi.
3. Parkir Kendaraan
Saat ini, banyak tempat parkir telah dilengkapi dengan perangkat sensor yang dapat mengidentifikasi area parkir yang masih kosong dan dapat digunakan. Untuk memudahkan proses parkir kendaraan, sensor cahaya LDR digunakan untuk mendeteksi kendaraan di tempat parkir umum yang ramai.
4. Energi Listrik Alternatif (Sel Surya)
Teknologi sensor cahaya juga dapat digunakan sebagai sumber energi listrik alternatif dengan menerapkan prinsip kerja sel surya. Sel surya mampu menghasilkan listrik saat terkena sinar matahari secara langsung, sehingga listrik yang dihasilkannya dapat dimanfaatkan oleh masyarakat secara luas.
5. Robot Line Follower
Robot pengikut garis adalah contoh penggunaan sensor fotodioda. Sensor ini menerima sinyal berupa perubahan warna dari garis yang dipantulkan oleh sinar LED. Kemudian sensor memproses informasi tersebut untuk menggerakkan robot dengan akurasi dan kecepatan yang tepat.
6. Robot Pemadam Kebakaran
Biasanya, robot yang digunakan untuk memadamkan kebakaran dilengkapi dengan sensor sinar ultraviolet (UV). Salah satu jenis detektor sinar UV yang sering digunakan adalah UVTron yang memiliki tampilan yang serupa dengan tabung transistor dan terdiri dari dua terminal, yakni terminal anoda dan terminal katoda.
Dalam kesimpulannya, sensor cahaya adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk mendeteksi cahaya dan mengubahnya menjadi sinyal listrik yang dapat diolah oleh sistem elektronik. Sensor cahaya biasanya digunakan pada perangkat elektronik seperti kamera digital, pengukur cahaya, dan sistem otomatisasi rumah tangga.
Terdapat beberapa jenis sensor cahaya yang umum digunakan, seperti fotodioda, fototransistor, dan LDR (Light Dependent Resistor). Setiap jenis sensor cahaya memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, tergantung pada aplikasi yang digunakan. Sensor cahaya juga dapat diatur sensitivitasnya dengan menggunakan rangkaian elektronik tertentu, seperti op-amp atau komparator. Hal ini memungkinkan sensor cahaya untuk digunakan dalam berbagai aplikasi yang memerlukan deteksi cahaya yang presisi. Dalam perkembangannya, sensor cahaya terus mengalami peningkatan performa dan efisiensi. Misalnya, sensor cahaya terbaru dapat bekerja dengan konsumsi daya yang lebih rendah, memiliki presisi yang lebih baik, serta dapat diintegrasikan dengan sistem elektronik yang lebih kompleks.
Terakhir, sensor cahaya memiliki peran yang sangat penting dalam teknologi dan aplikasi elektronik. Dengan keberadaannya, kita dapat melakukan berbagai hal yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan, seperti pengukuran cahaya yang presisi, deteksi gerakan, dan pengambilan gambar yang berkualitas tinggi.
Kesempatan lowongan magang terbaru di tahun 2024
Baca Selengkapnya..