Sensor InfraRed

Infra merah adalah cahaya yang mempunyai radiasi dibawah batas penglihatan manusia, sehingga cahaya tersebut tidak tampak oleh mata, seperti frekwensi suara tidak terlihat tapi dapat didengarkan. Memang cahaya tersebut tidak terlihat atau bisa didengarkan tetapi kulit manusia dapat merasakannya. Salah satu contohnya adalah, ketika tangan kita mendekati sesuatu benda mengandung panas seperti tubuh manusia, tubuh hewan, kita dapat merasakannya, tetapi panas tersebut tidak terlihat oleh mata. Sebenarnya api juga memancarkan cahaya infra merah tetapi mengapa bisa terlihat oleh mata, karena api juga memancarkan radiasi cahaya yang lain.

Jika dilihat dengan dengan spektroskop cahaya maka radiasi cahaya infra merah akan nampak pada spektrum elektromagnet dengan panjang gelombang di atas panjang gelombang cahaya merah.

Gambar 1. Spektrum Cahaya dan Respon Mata Manusia

Teori
LED (Light Emiting Diode)

LED merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya, LED adalah produk temuan lain setelah dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi cahaya. LED dibuat agar lebih efisien jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang pakai adalah galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula.

Gambar 2. Simbol LED

Photodiode

Photodiode merupakan sambungan substrat tipe N dan substrat tipe P yang dirancang untuk beroperasi bila dibiaskan dalam arah terbalik. Dengan pemberian tegangan mundur ini akan memperluas daerah pengosongan. Perubahan pada daerah pengosongan ini merupakan prinsip kerja dari photodiode.

Gambar 3a Bentuk fisik

Gambar 3b Simbol Led IR

Ketika energi cahaya (photon) yang jatuh pada daerah pengosongan photodiode lebih besar dari tegangan barrier silikon yaitu 1,12 eV dan menembus daerah katoda, energi cahaya ini dapat menyebabkan elektron keluar dari pita valensi (valence band) dan masuk ke pita konduksi (conduction band) kemudian meninggalkan hole pada pita konduksi. Dengan kata lain elektron dan hole menempati daerah masing-masing (photovoltaic effect).

Dengan kondisi diatas maka energi cahaya yang jatuh pada daerah pengosongan akan meniadakan sambungan. Daerah pengosongan yang semula menyekat arus ini akan berubah menghasilkan aliran arus elektron-hole.

Gambar 4 Struktur dari Photodiode

Komparator (Comparator)

Pada gambar 5, jika tegangan masukan V1 lebih besar dari tegangan referensi VR, tegangan keluaran Vo akan berharga positif. Karena harga penguatan sangat besar, maka perbedaan tegangan yang relatif kecil akan membawa penguat pada “daerah jenuh”. Karakteristik transfer menunjukkan bahwa sedikit penurunan pada Vi (milivolt) akan membawa op-amp dari jenuh positif ke jenuh negatif (Gambar 6). Jika VR = 0 volt, ini akan menjadi zero-crossing comparator. Komparator jenis ini dapat digunakan untuk mengubah isyarat AC menjadi gelombang kotak dengan operasi pemotongan (clipper) seperti terlihat pada gambar 7.

Gambar 5. Comparator

Gambar 6. Karakteristik Output

Gambar 7 Operasi Pemotongan (Clipper) dengan Opamp

Prinsip Kerja Rangkaian

Gambar 8. Rangkaian Sensor IR

Prinsip kerja rangkaian ini adalah ketika LED memancarkan cahaya (infra merah) maka cahaya yang diserap oleh photodiode dan akan membuat depletion region pada photodiode akan semakin menyempit sehingga arus akan lebih mudah mengalir dari katoda ke anoda.

Gambar 9. Photodioda Aktif

Berdasarkan gambar 8 maka tegangan V1 = 0V, vi = -V2 maka output = 0. Jika LED tidak memancarkan cahaya, maka akan membuat depletion region pada photodiode akan semakin meluas sehingga arus akan sulit untuk mengalir dari katoda ke anoda.

Gambar 10 Photodioda Non Aktif

Maka berdasarkan gambar 8 tegangan V1 = 5V, vi = V1-V2 maka output = 1 jika vi hasilnya positif.

Referensi

[1] http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/LM339-D.PDF

[2] Jon S. Wilson, Sensor Technology Handbook, Elsevier Inc., 2005