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.
350 400 450 500 550 600 650 700
ultra violet violet biru hijau kuning jingga merah infra merah
1 mm 1 nm
dalam nm
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
Io fluks radian yang melewati satu unit
sudut ruang (sr)
W/sr
Irradiansi H=Io/r
2
jumlah fluks radian yang diterima oleh satu unit permukaan luas
W/m2
cahaya oleh sensor yang mirip mata manusia Intensitas
cahaya
Iv fluks cahaya yang keluar pada satu unit
sudut ruang
candela (Cd)
Iluminansi jumlah fluks cahaya yang diterima oleh
satu unit permukaan luas.
lumem/m2
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
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 kadang-kadang 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 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 IF = 20 mA adalah VF = 1,6 volt (perlu di-check dari data
R V V I V mA s F F lim ( , ) = − = 5 1 6− = 20 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 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. 7410 Rlim 5 V 1 2 3 IF
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 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. a b c d e f g a b c d e f g A B C D RB1 RB0 LT 1 Input BCD 5 V 7447 5 V semua hambatan 200 Ω
Gambar 4, Rangkaian peraga 7-segmen
MUX MSD LSD MUX MSD LSD MUX MSD LSD MUX MSD LSD 7447 5V 5V 5V 5V Counter 74156 ke digit ke-2 dan 3 A0 A1 dari Clock A0 A1 A2 A3 a b c d e f g
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
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.
λ 2Ω lampu Q2 6 V 330 2 k 330 k R1 CL905HL D1 Q1 R2 R3 R4
Gambar 6, Ilustrasi penggunaan fotocel CdS
Fotodioda
• 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 hole-elektron 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
alat ukur R1 R2 R VCC
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
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
