PEMANFAATAN LED (LIGTH EMITING DIODA) SEBAGAI PENDETEKSI KECERAHAN CAHAYA MATAHARI José Da Costa1,2, Made Rai Suci Santi1,2, Suryasatriya Trihandaru1,2 1
Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika 2 Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Matematika Universitas Kristen Satya Wacana Jl. Diponegoro 52-60, Salatiga 50711, Indonesia Email :
[email protected]
ABSTRAK Transmisi radiasi matahari yang merambat ke bumi akan mengalami hambatan yang disebabkan oleh media penyerap yang ada di atmosfer. Atmosfer adalah selimut udara yang mengelilingi bumi. Selimut udara tetap berada di tempatnya karena gaya tarik bumi yang cukup besar. Udara terdiri atas campuran gas-gas seperti Nitrogen, Oksigen, dan Karbon Dioksida. Ketiga campuran ini memegang peranan penting dalam memelihara kehidupan di bumi dalam menyerap panas matahari yang dipancarkan kembali oleh permukaan bumi. Untuk dapat mengetahui besarnya kecerahan cahaya matahari yang sampai di bumi, maka dilakukan suatu percobaandengan memanfaatkan lampu LED. Sebelum menetapkan LED hijau sebagai pendeteksi kecerahan cahaya matahari, pada awalnya dilakukan pengidentifikasian nilai tegangan dan kuat arus pada berbagai warna LED yaitu LED hijau, kuning, merah, dan putih, masing-masing warna sebanyak 10 buah. Dari hasil pengukuran menunjukan bahwa ternyata LED hijau menhasilkan tegangan dan kuat arus yang lebih besar dibanding dengan warna LED lainnya.Dalam percobaan berikutnya lampu LED hijau di rangkaikan secara seri, parallel, dan gabungan seri-parallel. Pada ketiga rangkaian tersebut digunakan jumlah LED yang sama. Namun dari hasil pengukuran diketahui bahwa nilai tegangan yang dihasilkan oleh LED pada ketiga rangkaiantersebut adalah berbeda-beda. Dari berbagai variasi jumlah LED pada rangkaian seri hanya jumlah 18 yang menhasilkan tegangan lebih besar yaitu 20V, dan untuk rangkaian parallel hanya jumlah 35 yang menhasilkan tegangan sebesar 1.99V. Dengan nilai tegangan yang berbeda-beda ini, maka untuk mengukur kecerahan cahaya matahari ke permukaan bumi cukup mengunakan 18 buah LED yang dirangkai seri dan 35 buah pada rangkaian parallel. Kata Kunci : Energi cahaya matahari, LED, Rangkain Seri, Parallel, Daya
LED adalah salah satu jenis komponen semikonduktor. Selama ini LED hanya digunakan sebagai alat untuk memancarkan cahaya. Sebagai bahan semikonduktor, LED juga terbentuk dari pertemuan bahan semikonduktor tipe-P dan tipe-N (P-N junction). Oleh karena itu LED juga bisa digunakan sebagai bahan yang bersifat photovoltaic.LED yang akan digunakan sebagai komponen photovoltaic di susun dalam bentuk susunan secara seri, parallel, dan gabungan seri parallel[2].
A. PENDAHULUAN Cahaya matahari menyebar ke seluruh galaksi, termasuk merambat ke planet bumi. Radiasi matahari yang merambat menuju ke bumi melalui atmosfer akan mengalami hambatan sepanjang lintasan optik yang disebabkan oleh adanya benda atau media penyerap seperti uap air, CO2, ozon dan unsur pencemar atmosfer sesuai dengan karakteritik dan panjang gelombang yang dimilikinya[1]. Penelitian ini berkonsentrasi pada perangkaian LED untuk meneliti kecerahan radiasi matahari dengan cara melakukan pemantauan dan pengukuran tegangan output dari cahaya matahari yang jatuh pada LED dalam ragkaian. 1
yang dihasilkan bergantung pada bahan semikonduktor yang dipakai, dan bisa juga ultraviolet dekat atau inframerah dekat. Semikonduktor merupakan material yang dapat menghantarkan arus listrik, meskipun tidak sebaik konduktor listrik.Semikonduktor umumnya dibuat dari konduktor lemah yang diberi ‘pengotor’ (Atom doping) berupa material lain. Dalam LED digunakan konduktor dengan gabungan unsur logam aluminium-gallium-arsenit (AlGaAs).
1.
Semikonduktor Bahan semikonduktor merupakan bahan yang dipakai dalam pembuatan komponen elektronika seperti Light Emitting Diode (LED) dan lain sebagainya. Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika. Bahan semikonduktor memiliki celah energi yang lebih kecil di antara bagian atas pita tertinggi yang terisi (pita valensi) dan bagian bawah pita kosong persis di atas celah (pita konduksi). Jadi, tidak diragukan lagi bahwa silikon (Eg = 1.1 eV) merupakan semikonduktor dan intan (Eg = 5.5 eV) merupakan isolator. Di dalam silikon terdapat kemungkinan nyata bahwa agitasi termal pada suhu ruang akan menyebabkan elektronelektron melompati celah dari pita valensi ke pita konduksi. Pada Gambar 1. Di bawah menunjukan bahwa untuk pola konduktor memiliki pita berisi jumlah yang sangat besar dari tingkat energi yang berjarak sangat dekat, untuk pola semikonduktor, agitasi termal menyebabkan sedikit elektron melompati celah dari pita valensi ke pita konduksi, meninggalkan banyak lubang (hole) yang sama di dalam pita valensi, sedangkan pada isolator memiliki celah energi Eglebih besar.Karena agitasi termal, elektronelektron memiliki beberapa kemungkinan yang masuk akal untuk dapat melompati celah[3].
Konduktor AlGaAs murni tidak memiliki pasangan elektron bebas sehingga tidak dapat mengalirkan arus listrik. Oleh karena itu dilakukan proses doping dengan menambahkan elektron bebas untuk mengganggu keseimbangan konduktor tersebut, sehingga material yang ada menjadi semakin konduktif. LED merupakan dioda, sehingga memiliki kutub polar. Arah arus konvensional hanya dapat mengalir dari anoda ke katoda. Perhatikan bahwa 2 kawat kaki pada LED memiliki panjang yang berbeda. Jika kita melihat kedalam lampu LED itu sendiri, kita dapat membedakan ke dua kutub tersebut. Perhatikan gambar berikut:
Gambar2.Bentuk kaki pada LED (Encyclopedia Britannica, ho.)
3.
Cahaya Sumber cahaya memancarkan energi dalam bentuk gelombang yang merupakan bagian dari kelompok gelombang elektromagnetik. Gambar 3 dibawa menunjukkan sumber cahaya alam dari matahari yang terdiri dari cahaya tidak tampak dan cahaya tampak. Radiasi Ultraviolet dan infra merah. Cahaya terbentuk dari hasil
Gambar1. Pola pita celah untuk semikonduktor.
2.
LED (Light Emitting Diode) LED (light Emitting Diode)ialah suatu bahan semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Gejala ini termasuk bentuk electroluminescence. Warna 2
pergerakan elektron pada sebuah atom. Dimana pada sebuah atom, elektron bergerak pada suatu orbit yang mengelilingi sebuah inti atom. Elektron pada orbit yang berbeda memiliki jumlah energi yang berbeda. Elektron yang berpindah dari orbit dengan tingkat energi lebih tinggi ke orbit dengan tingkat energi lebih rendah perlu melepas energi yang dimilikinya. Energi yang dilepaskan ini merupakan bentuk dari foton sehingga menghasilkan cahaya.Semakin besar energi yang dilepaskan, semakin besar energi yang terkandung dalam foton.
Biru
420-495
Jingga
589-627
Merah
627-780
I
F
(2)
Dimana : I = Intensitas cahaya (cd) F = fluks cahaya (lumen) Θ = sudut ruang (strd) Fluks cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya ialah seluruh jumlah cahaya yang dipancarkan dalam satuan detik. Jika sebuah lampu pijar di tempatkan pada reflektor, maka cahaya akan di arahkan, tetapi jumlah atau fluksnya tetap. Dan jika lampu pijar ini di tempatkan di titik tengah bola dengan jari-jari 1 m, memancarkan cahaya dengan I = 1 cd ke segala arah, maka fluks cahaya dalam 1 strd akan sama dengan 1 lumen. Intensitas peneranggan di permukaan bola yang dibatasi oleh sudut ruang 1 strd akan sama dengan 1 lux. Sumber cahaya yang ditempatkan di titik
Panjang gelombang tampak berukuran antara 380nm sampai dengan 780nm seperti pada Tabel 1 berikut ini : Warna Panjang Gelombang (nm) 380-420
566-589
Intensitas Cahaya Gelombang elektromagnetik yang terlihat oleh panca indera manusia adalah cahaya dengan panjang gelombang berkisar pada 300–700 nm (nanometer). Gelombang dengan panjang gelombang di atas 700 nm berada pada daerah inframerah dan di bawah 300nm merupakan daerah ultraviolet. Cahaya merupakan kumpulan foton yang mempunyai energi yang bisa dimanfaatkan dan sebagian lagi menjadi cahaya tampak[5]. Jumlah energi radiasi yang dipancarkan sebagai cahaya ke suatu arah tertentu di sebut intensitas cahaya (I) dengan satuan candela (cd). Jika intensitas cahaya suatu sumber sebesar 1 cd melalui sudut ruang sebesar 1 steradian maka akan mengalir fluks cahaya sebesar 1 lumen [6].Hal ini dinyatakan dengan :
(1)
Ungu
Kuning
4.
Energi pancaran matahari dapat di rubah menjadi arus searah dengan mempergunakan lapisan-lapisan tipis dari silikon atau bahan-bahan semikonduktor lainnya. Sebuah kristal silindris Silikon (Si) yang praktis (hampir) murni diperoleh dengan mencairkan Silikon dalam tungku suhu tinggi dengan tekanan atmosfir yang diatur [4]. Kecepatan rambatgelombang elektromagnetik di ruang bebas = v. Jika frekuensi energinya = f dan panjang gelombangny = λ (lambda), maka berlaku persamaan sebagai berikut :
v f
495-566
Tabel 1.Panjang gelombangtampak
Gambar3. Kelompok Gelombang Elektromagnetik
Hijau
3
tengah bola tersebut di lingkupi oleh 4πI lumen, maka θ = 4π lumen [7]. Intensitas penerangan di suatu bidang ialah fluks cahaya yang jatuh pada 1 m2 dari bidang tersebut, dengan satuan lux. Jika suatu bidang di terangi F lumen seluas A m2, maka:
I avg
F A
Analisis terhadap ke empat warna LED dilakukan untuk mengetahui warna LED mana yang lebih untuk digunakan sebagai pendeteksikecerahan cahaya matahari. Tahapan implementasi metode yang dilakukan adalahmengidentifikasi tegangan outputLED pada beberapa buah lampu LED seperti Gambr 5.Sistem kerja lampu LEDdalam menghasilkan tegangan adalah LED akan merubah energi dari cahaya matahari menjadi energi listrik (tegangan).Teganganyang dihasilkan oleh LED akan di manfaatkan untuk mendeteksi cerahnya cahaya matahari yang menjalar kebumi. Pada penelitian ini, peralatan yang digunakan yaitu:LED Hijau,Multimeter digital,Protoboard, dan Kabel yang secukupnya.LED disusun sedemikian rupa sehingga bisa menghasilkan tegangan output yang besar jika terkena sinar matahari.
(3)
Dimana : = Intensitas penerangan rata-rata avg
I
= Luas bidang yang diterangi (m2)
A 5.
Daya Listrik Daya merupakan kecepatan perubahan energi, maka persamaannya yaitu sebagai berikut:
p
QV t Muatan yang mengalir per detik
(4)
Q t
merupakan muatan listrik I, dengan demikian persamaan daya[8] adalah
p IV
(5)
Dimana: P = daya (Watt) I = Kuat Arus (A) V = Tegangan (Volt)
Gambar5. Pengukuran tegangan output Led.
Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Menentukan warna LED mana yang lebih cocok untuk digunakan dalam mendeteksi kecerahan cahaya matahari. b. Membuat rangkaian percobaan pendahuluan yang terdiri atas 10 buah LED kemudian di arahkan kesinar matahari dan di ukur tegangan output dengan multimeter digital.
B. METODOLOGI Metode yang digunakan dalam pelaksanaan penelitian ini yaitu diawali dengan identifikasi dan karaterisasi lampu LED, yang kemudian dilanjutkan dengan serangkaian analisis untuk mencari besar tegangan yang dihasilkan oleh LED.Warna LED yang diidentifikasi yaitu:
Gambar4. Jenis-jenis warna pada lampu LED.
4
Gambar 7.Cara pengukuran tegangan outputLED pada rangkaian seri
Dari rangkaian seri diatas, maka nilai tegangan outputnya adalah seperti pada tabel 2 dibawa ini. No Warna LED Jumlah LED Tegangan 1 Hijau 10 buah 22.7 V 2 Merah 10 buah 0.41 V 3 Bening 10 buah 0.06 V 4 Kuning 10 buah 1.6 V
Gambar6. Skema pengukuran tegangan.
c. Pada langkah a (Gambar 6) berlaku untuk semua rangakaian baik seri dan parallel. d. Membuat rangkaian LED pada Protoboard. Protoboard sebagai panel, ketika melakukan pengukuran yang harus diperhatikan adalah ke dua kaki LED yang di pasang pada Protoboard, dimana kaki LED yang panjang bertidak sebagai tegangan imput dan kaki LED pendek bertindak sebagai output. e. Mencatat hasil pengamatan tabel yang berisi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh masing-masing LED pada rangkaian.
Tabel 2.Nilai tegangan output untuk 10 buah LED pada rangkaian seri.
2. Rangkaian parallel untukmengukur tegangan output dari 10 buah LED.
Gambar 8.Cara pengukuran tegangan LED pada rangkaian Parallel.
Nilai tegangan output untuk rangkaian parallel diatas, ditunjukan pada Tabel 4 berikut: No Warna LED Jumlah LED Tegangan 1 Hijau 10 buah 1.9 V 2 Merah 10 buah 1.6V 3 Bening 10 buah 0.14 V 4 Kuning 10 buah 0.4 V
C. HASIL DAN PEMBAHASAN Jika di lihat dari panjang gelombang masing-masing warnaseperti pada Tabel 1 di atas, di ketahui bahwa LED hijau mempunyai panjang yang lebih rendah dari warna LED yang lainnya. Namun dalam hasil percobaan tentang pengukuran tegangan, kuat arus, dan daya ternyata LED hijau mempunyai nilai tegangan, kuat arus, dan daya yang lebih tingi dari warna LED lainnya seperti pada Tabel 2 sampai Tabel 5 di bawah, baik LED tersebut dirangkai secara seri maupun parallel.
Tabel 3.Nilai tegangan output untuk 10 buah LED pada rangkaian parallel.
3. Rangkaian seri untuk mengukur kuat arus dan daya dari 10 buah LED yaitu sebagai berikut:
Hasil pengukuran kuat arus, tegangan, dan daya dari 10 buah LED yang beda warna yaitu seperti berikut: 1. Rangkain seri untukmengukur tegangan output dari 10 buah LED.
Gambar 9.Cara pengukuran kuat arus LED pada rangkaian seri
Untuk tabel 4 dibawah menunjukanbahwa hasil pengukuran darinilai 5
kuat arus dan daya yang dihitung dari 10 buah LED pada rangkaian seri. I P=VxI No Warna LED -5 1 Hijau 2.3 x 10 A 5 x10-4W 2 Merah 0 0 3 Bening 0 0 4 Kuning 4.5 x 10-5A 8.5x10-5W
a. Rangkaian Seri Untuk rangkaian seripada gambar 7 yaitu pengukuran tegangan output dimulai dari 2 buah LED sampai 88 buah LED, maka tegangan output yang dihasilkan adalah dari 4.3V sampai 20Vseperti di tunjukkan pada Grafik 1 di bawah.
Tabel 4.Nilai kuat arus dandaya untuk 10 buah LED pada rangkaian seri.
Tegangan Output (V)
Hasil pengukuran dari kuat arus dan daya diketahui bahwa ternyata LED hijau menhasilkan nilai kuat arus dan daya yang lebih maksimal dibandingkan dengan warna LED yang lainnya. 4. Rangkaian parallel untukmengukur kuat arus dan dayadari 10 buah LED.
1 2 3 4
Hijau Merah Bening Kuning
I
P=VxI -4
1.9x10 A 4x10-A 4x10-A 0
15 10 5 0 2 18 19 34 36 64 88 Banyaknya LED yang digunakan
Dari hasil grafik 1 di atas ditunjukan bahwa ternyata pada jumlah LED 18 didapatkan nilai tegangan maksimum yaitu sebesar 20Volt. Artinya dengan menambahkan jumlah LED tidak berarti menghasilkan teganga yang lebih dari 20Volt.
Untuk tabel 5 dibawah menunjukan hasil pengukuran darinilai kuat arus dan daya yang dihitung dari 10 buah LEDpada rangkaian parallel. Warna LED
20
Grafik 1. Nilai tegangan output terhadap banyaknya LED.
Gambar 10.Cara pengukuran tegangan LED pada rangkaian Parallel.
No
25
3.7x10-4W 6.5x10-6W 5.6x10-7W 0
b. Rangkaian Parallel Untuk rangkaian parallelpada Gambar 8, banyaknya LED yang digunakan adalah 1-88 (1parallel x 88 ) buah LED. Maka nilai tegangan output terhadap banyaknya LED yang di gunakan adalah Seperti tampak pada Grafik 2 berikut.
Tabel 5.Nilai kuat arus dandaya untuk 10 buah LED pada rangkaian parallel.
Tegangan Output (V)
Hasil identifiksi dari ke empat warna LEDpadarangkaian seri maupun parallel, ternyata LED warna hijau mempunyainilai kuat arus, tegangan, dan daya yang lebih besar daripadake tiga warna LED lainnya.Jadi LED warna hijau lebih cocok untuk digunakan sebagai pendeteksi kecerahan cahaya matahari. Keterangan: Pengukuran dilakukan pada pagi hari jam 09:00-10:00 dan selama 4 hari untuk ke empat warna LED dengan jam yang sama.
2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 2
18
19
34
36
64
88
Banyaknya LED yang digunakan Grafik 2. Nilai tegangan terhadap banyaknya LED.
Dalam pemanfaaan LED untuk mendeteksi kecerahan cahaya matahari, makaLED hijau dirangkai secara tiga tahap yaitu: 6
Pada grafik 2 di tunjukan bahwa ternyata pada jumlah LED 36 didapatkan nilai tegangan maksimum sebesar 1.99Volt.
E. DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
c. Rangkaian Gabungan Seri Parallel Untuk rangkaian gabungan seri parallel (2serix44parallel), dengan rangkaian sebagai berikut:
[3]
[4] Gambar 9.Cara pengukuran tegangan LED pada rangkaian gabungan seri Parallel.
[5]
Pada rangkaian gabungan seri parallel di atas, maka hasil pengukuran nilai tegangan output adalah sebesar 1.66V. Keterangan: Pengukuran dilakukan pada pagi hari jam 09:00-11:00 bahkan lebih.
[6] [7] [8]
D. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis dari tegangan output diperoleh, maka dapat disimpulkan bahwa:Lampu LED juga dapat digunakan untuk mengetahui nilai tegangan output apabila disinyari cahaya matahari. Dari hasil grafik 1 dan 2 di atas, maka diketahui bahwa untuk 18 buah LED yang dirangkaisecara seri mempunyai tegangan yang lebih tingi dari jumlah LED yang lain, sedangkan untuk 36 buah LED pada rangkaian parallel juga mempunyai tegangan yang lebih tingi dari jumlah LED yang lainnya. Jika dilihat dari panjang gelombang yang dimiliki oleh setiap warnayaitu mempunyai panjang gelombang yang berbedabeda, danjika dibandingkan pada ke empat warna pada LED maka, warna LED hijau mempunyai panjang gelombang yang lebih rendah daripada warna LED lainnya. Namun dari hasil pengukuran kuat arus, tegangan, daya daya ternyata warna LED hijau mempunyai kuat arus,tegangan, dan daya yang lebih besar dari warna LED liannya. Oleh karena itu, LED hijau lebih cocok digunakan untuk mendeteksi kecerahan cahaya matahari.
7
Nevers, Noel de. Air Pollution Control Engineering. Mc Graw-Hill,Inc. 1995. Malvino, Albert Paul. 1992. ‘PrinsipPrinsip Elektronik’. Erlangga. Jakarta. Haliday, Resnick, Walker. ‘Dasar-Dasar fisika versi di perluas Jilid 2’. Binapura Aksara Publisher. Kadir, Abdul., 1982, “energi, sumber daya, inovasi, tenaga listrik, potensial ekonomi”, PT. Universitas Indonisia, Jakarta Beisser, Arthur, 1968, “Konsep Fisika Modern”, ErlanggaJilid I, Edisi II, Jakarta. Hecht, Eugene, 1994, “Optics”, Addison Wesley, Edisi II, Massachusetts. Waldman, Gerry, 1990, “Introduction to light”, Prentice Hall, Inc., New Jersey. C. Douglas, Giancoli, 2001, “Fisika” Edisi kelima, Jilid II, PT. Erlangga, Jakarta.
8
