sistem pengukuran besaran fisika - cahaya dan optik p3.4 2013
Post on 05-Dec-2014
42 Views
Preview:
TRANSCRIPT
OPTICAL TRANSDUCERS
• PHOTOEMISSIVE CELL
• PHOTOCONDUCTIVE CELL
• PHOTOVOLTAIC CELL
• PHOTODIODE
• PHOTOTRANSISTOR
LIGHT
• ELECTROMAGNETIC RADIATION
– Radio waves, infrared rays (heat waves)
– Ultraviolet rays, X-rays
• Visible light
– Wavelength 400 – 700 nm
– Frequency (3.75 - 7.5) x 1014 Hz
– Broadcast band : AM (106 Hz), FM (108 Hz)
s/m10x3cf
c 8
Spectra of various types of light sources
Spectral response of several types of E-O sensor
PHOTOEMISSIVE CELLS
Hipotesis Einstein (1905)
Cahaya bertindak seolah-olah energinya terkonsentrasi pada suatu berkas diskrit yang disebut light quanta
Cahaya tidak hanya sebagai gelombang tetapi juga sebagai partikel
Light quanta disebut foton
fhE
0m
Energi foton :
Kecepatan foton v = c
Energi diam = 0
h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s
Konstanta Plank :
chchfhE ch = 1240 eV/nm
EM Waves Wavelength Frequency Energy
Gamma ray 50 fm 6 x 1021 25 MeV
X ray 50 pm 6 x 1018 25 keV
Ultraviolet 100 nm 3 x 1015 12 eV
Visible 550 nm 5 x 1014 2 eV
Infrared 10 m 3 x 1013 120 meV
Microwave 1 cm 3 x 1010 120 eV
Radio wave 1 km 3 x 105 1,2 neV
PHOTON ENERGY
EFEK FOTOELEKTRIK
Cahaya dengan frekuensi f
dijatuhkan pada pelat logam P
Terjadi tumbukan antara foton dan
elektron-elektron pada pelat logam P
Elektron-elektron terlepas dari
atomnya menjadi elektron bebas
Terdapat perbedaan potensial Vext
antara pelat P dan cawan kolektor C
Elektron akan mengalir (bergerak)
menghasilkan arus i yang melewati
pengukur arus A
Beda potensial Vext dapat diubah-
ubah dari positip ke negatip
Pengamatan I : Stopping Potential Vo
Cahaya a dan b mempunyai
intensitas berbeda (b > a)
Vo adalah beda potensial yang
diperlukan agar tidak terjadi arus
Energi potensial eVo sama dengan
energi kinetik maksimum Km yang
diperoleh elektron akibat tumbukan
dengan foton
Ternyata Vo sama untuk cahaya a
dan cahaya b
Energi kinetik maksimum dari
elektron tidak tergantung pada
intensitas cahaya
Pengamatan II : Frekuensi cutoff fo
Pada frekuensi fo stopping potential Vo = 0
Untuk f < fo, tidak terjadi efek fotoelektrik
Analisis I : Stopping Potential Vo
Dalam teori gelombang, intensitas lebih tinggi akan memperbesar amplituda medan listrik E
Gaya eE yang diterimanya akan memperbesar percepatan Energi kinetik lebih besar
Ternyata energi kinetik maksimumnya sama
Telah dicoba dengan intensitas sampai 107 kali
Stopping potential yang selalu sama pada efek fotoelektrik tidak dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah gelombang
Cahaya = Gelombang
Analisis I : Stopping Potential Vo
Cahaya dengan intensitas lebih tinggi akan mempunyai jumlah foton yang lebih banyak
Tidak memperbesar energi kinetik setiap foton
Energi kinetik yang diperoleh elektron dari tumbukan dengan foton tidak berubah E = h f
Stopping potential yang selalu sama pada efek fotoelektrik dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah partikel
Cahaya = partikel (foton)
Analisis II : Frekuensi cutoff fo
Menurut teori gelombang, efek fotoelektrik seharusnya tetap akan terjadi untuk setiap frekuensi asalkan intensitasnya cukup tinggi
Ternyata untuk f < fo, efek fotoelektrik tidak pernah terjadi berapapun intensitasnya
Adanya frekuensi cutoff pada efek fotoelektrik tidak dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah gelombang
Cahaya = Gelombang
Analisis II : Frekuensi cutoff fo
Elektron-elektron terikat pada atom-atomnya
Diperlukan energi minimum agar elektron terlepas dari atomnya yang disebut sebagai Work Function
Bila energi foton yang menumbuknya hf > , efek fotoelektrik akan terjadi
Bila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi foton hf < , efek fotoelektrik tidak mungkin terjadi
Adanya frekuensi cutoff dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah partikel
Cahaya = partikel (foton)
PHOTOEMISSIVE TUBE
fh
mv2
1K 2
Metal
(eV)
Cs 1,9
K 2,2
Na 2,3
Li 2,5
Ca 3,2
Cu 4,7
Ag 4,7
Pt 6,4
EM Waves Wavelength Frequency Energy
Gamma ray 50 fm 6 x 1021 25 MeV
X ray 50 pm 6 x 1018 25 keV
Ultraviolet 100 nm 3 x 1015 12 eV
Visible 550 nm 5 x 1014 2 eV
Infrared 10 m 3 x 1013 120 meV
Microwave 1 cm 3 x 1010 120 eV
Radio wave 1 km 3 x 105 1,2 neV
PHOTON ENERGY
TWO GENERAL CONSTRUCTIONS
High-vacuum tube
- Linear
- Response time 1 ns
Gas-filled tube
- Not Linear
- Response time 1 ms
Circuit for using photoemissive tube
PHOTOMULTIPLIER TUBE
Sensitivity curves for several forms of PM tubes
Spectral Designator
(S-Number)
Wavelength for
peak response (nm)
Half-Points
(nm)
S1 800 620, 950
S3 420 350, 640
S4 400 320, 540
S5 340 230, 510
S8 370 320, 540
S10 450 350, 590
S11 440 350, 560
S12 500 Narrow Band
S13 440 260, 560
S14 1500 760, 1730
S20 420 325, 595
S21 450 260, 560
Housing and PM tube form the entire sensor
• Copper Oxide
• Prior to World War I
• Bruno Lange
• Westinghouse
• Photox cell
PHOTOVOLTAIC CELLS
• Selenium
• 1930
• Weston Instruments
• Photronic cell
• (0,2 – 0,6) V dc
under 2000 fc
• (20 – 90) mW
• (300 – 700 ) nm,
peak 560 nm
SELENIUM PHOTOCELL
• pn junction
• 1958
• Bell Telephone
Laboratories
• (0,27 – 0,6) V dc
under 2000 fc
P-N JUNCTION SILICON PHOTOCELL
Photocell using noninverting amplifier
LIGHT DEPENDENT RESISTOR (LDR)
Bila dikenai cahaya, tahanannya berubah
Photoresistor, photoconductor
Cadmium-based materials (CdS, CdSe, CdTe)
• Cahaya tampak ( 400 nm – 700 nm)
• Infra merah dekat, NIR (700 nm – 1400 nm)
Lead-based materials (PbS, PbSe, PbTe)
• Infra merah medium (1,4 m – 3 m)
Indium-based materials (InSb, InAs)
• Infra merah jauh, FIR (3 m – 14 m )
KONDUKTIVITAS LISTRIK
Bahan isolator :
• Sebagian besar elektron berada pada pita valensi (valence band) tahanan listrik besar
Bahan konduktor :
• Sebagian besar elektron berada pada pita konduksi (conduction band) tahanan listrik kecil
Bahan semikonduktor :
• Elektron-elektron berada pada pita valensi dan pita konduksi
Konduktivitas listrik suatu bahan tergantung pada jumlah elektron di dalam pita konduksi
• Konduktivitas listrik bertambah (tahanan listrik berkurang) bila terdapat elektron-elektron yang pindah dari pita valensi ke pita konduksi
INTERNAL PHOTOELECTRIC EFFECT
Work function :
• Energi minimum yang diperlukan oleh elektron agar dapat lepas dari ikatan atomnya (menjadi elektron bebas)
• External photoelectric effect (PM tube)
Band gap :
• Energi minimum yang diperlukan oleh elektron agar dapat pindah dari pita valensi ke pita konduksi
Tambahan energi pada elektron dapat diperoleh dari :
• Panas, tegangan listrik
• Radiasi optik
Bila elektron mendapat energi yang lebih kecil dari work function tetapi lebih besar dari band gap :
• Tahanan listriknya berkurang
BAND GAP DARI BERBAGAI BAHAN
SEMIKONDUKTOR
Material Band Gap (eV) Maximal wavelength (m)
ZnS 3.60 0.35
CdS 2.40 0.52
CdSe 1.80 0.69
CdTe 1.50 0.83
Si 1.12 1.10
Ge 0.67 1.85
PbS 0.37 3.35
InAs 0.35 3.54
Te 0.33 3.75
PbTe 0.30 4.13
PbSe 0.27 4.58
InSb 0.18 6.90
Struktur dari photoconductive cell
Kurva respon dari
beberapa tipe
photoconductive cell
- Tidak linier
- Jutaan ratusan ohm
- Sensitif/peka
- Dark/light ratio besar
Photoconductive cell (PC) circuits
VPCR
PCV
11
1o
- Efek beban besar
- Output tidak bisa nol
)V(R
PCV ref
1
1o
- Efek beban kecil
- Outputnya tidak bisa nol
VRR
R
RR
RV
42
4
31
3o
- Efek beban besar
- Outputnya bisa nol
DIODA Lambang dioda :
p
n
ANODA
KATODA
Karakteristik dioda :
VS
VD
R
REVERSE
REGION
FORWARD
REGIONBREAKDOWN
LEAKAGE
CURRENT
KNEE
I
V10-7 A
PHOTODIODE
PHOTOTRANSISTOR
1Lo RIV
Zero control
L
1
23o I1
R
RRV
L31 IRV
14
dB3CR2
1F
Phototransistor
Modulated light
PHOTOCOLORIMETRY
• Penyerapan cahaya oleh medium pada panjang gelombang yang berbeda
• Cahaya yang diemisikan oleh medium bila dibakar mempunyai panjang gelombang yang berbeda
• Oksigen di dalam darah
• Karbondioksida di udara
• Uap air di dalam gas
• Elektrolit (Na, K) di dalam darah
Contoh Soal 3.1
Sebuah photoconductor dengan time constant 72 ms mempunyai
tahanan sebesar 100 k pada saat gelap dan 30 k pada saat
terang. Rancang sebuah sistem yang dapat memicu suatu
komparator dengan tegangan acuan 3 V setelah 10 ms sejak cahaya
terputus.
Jawab :
t
ifi e1)RR(R)t(R
k077,39e1)30100(30Rms10t 72
10
ref
1
2 VR
RV
V
R1 R2 Vref
V3Vk077,39R2
k133
077,39
V
RRV1V 2
1ref
R2 = Photoconductor
Contoh Soal 3.2
Sebuah photocovoltaic cell akan digunakan untuk mengukur
intensitas radiasi dari 5 sampai 12 mW/cm2. Dari hasil pengukuran
diperoleh informasi bahwa bila tanpa beban tegangannya adalah
0,22 – 0,42 V (open voltage) sedangkan bila dibebani 100 akan
menghasilkan arus sebesar 0,5 – 1,7 mA.
a). Tentukan daerah arus hubung singkatnya (short-circuit current)
b). Rancang suatu pengkondisi sinyal yang dapat menghasilkan
tegangan yang linier dari 0,5 ke 1,2 V bila intensitas radiasi
berubah dari 5 ke 12 mW/cm2.
Jawab :
a). Tanpa beban (open circuit)
V42,0Vcm/mW12I
V22,0Vcm/mW5I
c
2
R
c
2
R
Dengan beban 100 :
100 IL
100R
VI
c
cL
L
Lcc
I
I100VR
34010x5,0
)10x5,0(10022,0R
mA5,0IV22,0Vcm/mW5I
3
3
c
Lc
2
R
Dengan beban 100 :
100 IL
100R
VI
c
cL
L
Lcc
I
I100VR
14710x7,1
)10x7,1(10042,0R
mA7,1IV42,0Vcm/mW12I
3
3
c
Lc
2
R
Hubung singkat (short circuit) :
Isac
c
csc
R
VI
mA86,2147
42,0Icm/mW12I
mA65,0340
22,0Icm/mW5I
sc
2
R
sc
2
R
b). Hubungan linier antara tegangan output dan intensitas :
V2,1Vcm/mW12I
V5,0Vcm/mW5I
o
2
R
o
2
R
V2,1VmA86,2I
V5,0VmA65,0I
osc
osc
mA86,2Icm/mW12I
mA65,0Icm/mW5I
sc
2
R
sc
2
R
bImV sco
bm68,22,1
bm65,05,0
294,0b7,316m
294,0I7,316V sco
sc1 I100V
)VV(167,3V 21o
Current-to-voltage converter :
Differntial amplifier :
V1
V2 3,167 k
3,167 k
sc1 I100V )VI100(167,3V 2sco
V1
V2 3,167 k
3,167 k
2sco V167,3I7,316V 294,0I7,316V sco
V0928,0V2
Contoh Soal 3.3
Sebuah photodiode digunakan pada rangkaian di bawah ini. Berapa
tegangan outputnya bila intensitas cahaya yang mengenainya
berubah dari 100 ke 400 W/m2.
Jawab :
Membuat garis beban : Karakteristik photodiode
mA33,1k15
V20I0V
V20V0I
R
R
Karakteristik photodiode
V2,0)A200)(k1(V
A200Im/W100I
o
2
R
V8,0)A800)(k1(V
A800Im/W400I
o
2
R
V075,0)A75)(k1(V
A75currentDark
o
Contoh Soal 4.3
Sebuah phototransistor digunakan pada rangkaian di bawah ini.
Berapa tegangan outputnya bila intensitas cahaya yang
mengenainya berubah dari 10 ke 40 W/m2.
Jawab :
Membuat garis beban : + 14 V
500
mA28500
V14I0V
V14V0I
cce
cec
V12Vm/W10I ce
2
R
V8,6Vm/W40I ce
2
R
top related