Perancangan dan Pengujian Sistem Pengukuran Sinar UV Dari Intensitas Matahari. Yulia Imelda Piyoh[1], Made Rai Suci Shanti[1,2], Andreas Setiawan[1,2] [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, Jawa Tengah, Indonesia Abstrak
Sinar ultra-violet merupakan bagian dari spektrum sinar tidak tampak. Sumber UV terbesar berasal dari radiasi matahari yang menembus atmosfer dan statosfer sampai ke permukaan bumi. Sinar UV dibagi menjadi 3 (tiga), yaitu 1)UV-A; 2)UV-B; dan 3)UV-C. Para ahli kesehatan mengungkapkan bahwa manusia yang terpapar sinar UV dengan intensitas yang tinggi dapat terkena penyakit kanker kulit, katarak mata, hingga penurunan sisitem kekebalan tubuh. Berdasarkan hal tersebut dirancang sistem sederhana untuk mengukur intensitas sinar UV dari cahaya matahari dengan menggunakan photodioda sebagai sensornya, photodioda yang pertama dibiarkan terbuka dan yang kedua ditutupi dengan filter uv. Intensitas UV didapat dengan menghitung selisih antara sensor 1 dan sensor 2. Intensitas sinar UV yang diperoleh pada pengukuran pertama antara 10,246 -132,27 lux (0,011-0,142 volt). Dalam pengukuran yang dilakukan pada hari yang berbeda, sinar uv yang terdeteksi juga tidak jauh berbeda pada pengukuran pertama yaitu 13,97– 148,108 lux (0,015-0,159 volt). Kata kunci : sinar ultravilolet (UV), filter Uv, Photodioda.
1.
Pendahuluan Dalam pancaran matahari terdapat berbagai jenis sinar dari gelombang elektromagnetik. Sinar ultraviolet merupakan bagian dari spektrum sinar tidak tampak. Sumber UV terbesar berasal dari radiasi sinar matahari yang menembus atmosfer dan statosfer sampai ke permukaan bumi[1]. Selain matahari, sinar UV juga muncul dari sumber buatan, yaitu pengelasan, lampu pijar halogen, dll Sinar UV dibagi menjadi 3 (tiga), yaitu 1)UV-A; 2)UV-B; dan 3)UV-C. Sinar UV-A, UV-B dan UV-C merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek, yakni antara 200 - 280 nm (nanometer) untuk UV-C; 280 - 320 nm untuk UV-B dan 315-400 nm untuk UV-A [2]. Menurut Setiadarma (1986) sebenarnya sinar UV hanya merupakan sebagian kecil dari spektrum matahari, namun sinar ini paling berbahaya untuk kulit, bahkan bahaya tersebut bisa meningkat dengan semakin banyaknya sinar yang terpapar di kulit [3]. Paparan sinar UV memiliki efek positif dan efek negatif, tergantung dari tingkat paparan intensitas uv yang diterima. Para ahli kesehatan mengungkapkan bahwa manusia yang terpapar sinar UV dengan intensitas yang tinggi dapat terkena penyakit kanker kulit, katarak mata, hingga penurunan sisitem kekebalan tubuh. Melihat bahaya sinar uv terhadap kesehatan manusia, sangat bermanfaat jika ada sistem yang dapat mendeteksi paparan intensitas sinar UV. Oleh karena itu 1
dirancang sebuah sistem yang sederhana untuk mengukur intensitas sinar UV dari sinar matahari dengan menggunakan photodioda sebagai sensor cahaya. Tujuan dari penelitian ini adalah mengukur intensitas sinar UV dari radiasi sinar matahari dalam 1 hari. Adapun batasan masalah dalam penelitian ini adalah 1) linearitas photodioda dan lux dianggap sama, 2) filter UV dianggap 100% menyerap sinar uv, 3) spektral photodioda cukup sensitif didaerah panjang gelombang UV, 4) lokasi pengambilan data dilakukan di salatiga. Penelitian yang dilakukan merupakan hal yang baru sehingga masih bisa dikembangkan lagi untuk mengukur bahaya sinar uv tehadap kulit. 2.
Dasar teori 2.1 Photodioda Photodioda adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh fotodioda ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Photodioda dibuat dari semikonduktor dengan bahan yang populer adalah silicon (Si) atau galium arsenida ( GaAs), dan yang lain meliputi InSb, InAs, PbSe. Bahan tersebut merupakan semikonduktor dimana kedua bahan tersebut mengalami perubahan tegangan akibat perubahan intensitas cahaya yang mengenai permukaan photodioda. Semakin besar intensitas sumber cahaya semakin besar tegangan keluaran dari photodioda, sebaliknya semakin kecil intensitas sumber cahaya semakin kecil tegangan keluaran photodioda (Bhudianto, 1983). Prinsip kerja dari fotodioda ketika sebuah sambungan-pn dibias maju dan diberikan cahaya padanya maka pertambahan arus sangat kecil sedangkan jika sambungan pn dibias mundur arus akan bertambah cukup besar. Cahaya yang dikenakan pada fotodioda akan mengakibatkan terjadinya pergeseran foton yang akan menghasilkan pasangan electron-hole dikedua sisi dari sambungan. di mana suatu hole adalah bagian dari kisi-kisi semikonduktor yang kehilangan elektron. Ketika elektron-elektron yang dihasilkan itu masuk ke pita konduksi maka elektronelektron itu akan mengalir ke arah positif sumber tegangan sedangkan hole yang dihasilkan mengalir ke arah negatif sumber tegangan sehingga arus akan mengalir di dalam rangkaian. Besarnya pasangan elektron ataupun hole yang dihasilkan tergantung dari besarnya intensitas cahaya yang dikenakan pada fotodioda.[4]
Gambar 1. Rangkaian fotodioda
2
Gambar 2. Spektral dari photodioda yang digunakan dalam pengukuran cukup sensitif untuk panjang gelombang 100-1300 [5] nm .
2.2 Filter UV Filter uv yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis Hoya 62 mm. filter uv merupakan lensa yang dapat menyaring sinar uv dari matahari. Biasanya filter uv digunakan pada kamera untuk menyerap sinar uv sehingga hasil foto yang diperoleh lebih baik.
Gambar 3. filter uv yang digunakan adalah jenis Hoya 62 mm. Spektral dari filter yang digunakan ditunjukkan Gambar 3. Spektral filter yang digunakan sensitif terhadap panjang gelombang 300-700 nm. Jadi sinar UV yang diblokir oleh filter adalah UV-A.
3
Gambar 4. Spektral filter UV yang digunakan dalam pengukuran cukup [6] sensitif untuk panjang gelombang 300-700 nm .
3.
Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan 2 photodioda, yang pertama dibiarkan terbuka dan yang satunya lagi ditutupi dengan filter UV. Photodioda yang ditutupi dengan filter UV tegangannya akan lebih kecil dibandingkan dengan yang tidak ditutupi dengan filter UV, karena filter uv menyerap intensitas sinar uv. Rangkaian photodioda yang dirancang adalah seperti Gambar 3 dibawah ini:
Gambar 5. (a) Rangkaian fotodioda, (b) skema sensor 1 dan sensor 2 menghasilkan sinar UV.
IC (integral Circuit) penguat operasional (Op-amp) yang digunakan untuk perancangan rangkaian photodioda dan penguat yaitu TL 074, dimana satu IC TL 074 terdapat empat buah op-amp. Ketika fotodioda terkena cahaya maka akan muncul arus listrik. Arus yang masuk dari fotodioda akan memilih naik ke atas melewati Rf1 daripada melewati op-amp karena impedansinya sangat besar. Opamp membuat tegangan antara ujung ujungnya sama(ΔV=0), ujung op-amp pada titik 2 merupakan ground sehingga pada titik 1 seolah-olah menjadi ground. Ini
4
dinamakan ground semu. Tegangan yang keluar dari rangkaian sangat kecil sehingga ditambah dengan penguat dan tegangan yang keluar menjadi: =
(1)+
Besarnya hambatan yang diberikan adalah Rf1= 10 K, Rf2= 10 K, dan Rf3= 300 K. Tegangan yang keluar dari sensor 1 dan sensor 2 diukur dengan menggunakan multimeter digital. Sensor 1 dan sensor 2 sebelum dipasang filter uv tegangan yang keluar harus sama. karena dari alat yang dibuat terjadi perbedaan tegangan maka pada sensor 2 dilakukan pengukuran dua kali. Pengukuran pertama dilakukan sebelum filter uv di pasang dan pengukuran kedua setelah filter uv dipasang. Hal ini dilakukan dalam waktu yang cepat untuk menghindari perbedaan intensitas matahari.
Gambar 6. Alat yang telah dibuat.
4.
Hasil dan Analisa Hasil kalibrasi Waktu pengambilan data dilakukan selama 7 jam. Cara pengambilan data dalam penelitian ini adalah dengan mencatat tegangan pada kedua photodioda dalam selang waktu 10 menit. Besarnya intensitas radiasi matahari yang diperoleh sangat dipengaruhi oleh cuaca. Pengambilan data dilakukan pada hari yang sangat cerah. Tegangan Sensor 1 dan sensor 2 sebelum dipasang filter uv berbeda. Tegangan sensor 1 lebih besar daripada sensor 2. Gambar 7 menunjukkan perbedaan tegangan antara sensor 1 dan sensor 2 sebelum dipasang filter uv pada sensor 2.
5
1,8
sensor 1
1,6 tegangan (volt)
1,4 sensor 2(tanpa filter uv)
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 07:12
09:36
12:00 waktu (jam)
14:24
16:48
Gambar 7. Perbedaan tegangan sensor 1 dan sensor 2 sebelum dipasang filter uv. Waktu pengambilan data dilakukan dari jam 08-15.00
Karena hasil yang didapat berbeda maka sensor 1 dan sensor 2 harus dibuat sama terlebih dahulu dengan menjumlahkan antara sensor 2 dan selisih antara sensor 1 dan sensor 2 (sebelum filter uv dipasang). Gambar 8 menunjukkan sensor 1 dan sensor 2 sudah tidak ada perbedaan tegangan sehingga ketika pada sensor 2 dipasang filter UV, selisih antara sensor 1 dan sensor 2 menjadi intensitas sinar UV yang terdeteksi.
1,8
sensor 1
1,6
sensor 2
tegangan (volt)
1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu (jam) Gambar 8. Tegangan sensor 1 dan sensor 2ketika sudah sama sebelum sensor 2 menggunakan filter uv. waktu pengambilan data dari jam 08.00-15.00
Setelah sensor 1 dan sensor 2 sudah sama maka intensitas sinar uv yang terdeteksi dapat diketahui dengan melihat selisih antara sensor 1 dan sensor 2( menggunakan filter uv).
6
intensitas (lux)
Hasil yang diperoleh dari data pengukuran dalam satuan volt, kemudian diubah dalam satuan lux dengan membuat perbandingan antara volt dan lux yang diperoleh dengan mengukur intensitas cahaya yang ada dalam ruangan dengan menggunakan lux meter dan tegangan yang keluar dari sensor. Hasilnya digrafikkan antara tegangan(volt) dan intensitas (lux) sehingga diperoleh persamaan y= 931,5x200,9. Persamaan tesebut dimasukkan kedalam data hasil pengukuran pada sensor 1 dan sensor 2. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
intensitas(y)= 931.5x - 200.9
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
tegangan (volt) Gambar 9. Grafik kalibrasi antara tegangan (volt) dan intensitas (lux). Dimana perbandingan antara tegangan dan intensitas linear, sehingga hasil kalibrasi bisa digunakan.
Analisa data Pengukuran pertama yang dilakukan langsung dibawah sinar matahari, hasil yang diperoleh ditunjukkan seperti Gambar 10. 4000
sensor 1 sensor 2
intensitas (lux)
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu (jam) Gambar 10. Grafik pengukuran ketika alat yang dirancang terkena cahaya matahari langsung dan mengalami saturasi pada jam 10.20 – 12.40. pengukuran yang dilakukan dari jam 08.00-15.00
7
Selisih antara sensor 1 dan sensor 2 tidak terlalu kelihatan perbedaannya. Selisih keduanya yang merupakan intensitas sinar uv sangat kecil dan semakin mendekati posisi puncak selisih antara sensor 1 dan sensor 2 mendekati nol. Puncak sensor 1 dan dan sensor 2 terlihat sama dan tidak terjadi kenaikkan lagi, yaitu pada jam 10.20-12.40. 200 intensitas (lux)
uv 150 100 50 0 07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu (jam) Gambar 11. Grafik iIntensitas sinar uv yang dideteksi dari pengukuran yang telah mengalami saturasi. Pengambilan data dilakukan dari jam 08.00-15.00
Sensor 1 dan sensor 2 tidak bisa mengalami kenaikkan tegangan lagi karena Vin yang diberikan hanya 9 Volt, sehingga alat yang dibuat tidak memungkinkan untuk intensitas matahari yang terlalu tinggi. Karena sudah mengalami saturasi, besarnya intensitas sinar uv antara jam 11.50-13.50 sangat kecil sekali bahkan pada jam 11.50-12.10 dan jam 12.30 tidak ada intensitas sinar uv yang terdeteksi, karena kedua sensor telah mencapai puncak yang sama sehingga selisih tegangan antara sensor 1 dan sensor 2 yang merupakan tegangan untuk intensitas sinar UV lebih besar pada jam 08-11.40 siang dan jam 14.00-15.00 daripada jam 11.50-13.50 ketika matahari berada sekitar 900. Pada pengukuran selanjutnya, alat yang telah dibuat ditutupi dengan kertas untuk mengurangi intensitas cahaya yang mengenai sensor sehingga tegangan yang diperoleh tidak saturasi. Pada Gambar 12, dapat dilihat grafik sensor 1 lebih tinggi dari sensor 2 karena sensor 1 menyerap semua cahaya yang diterima sedangkan sensor 2 tidak menyerap intensitas sinar UV karena dihalangi oleh filetr uv. intensitas tertinggi yang dihasilkan pada sensor 1 adalah 1340,73 lux (=1,655 volt), sensor 2 adalah 1208,46 lux (=1,513 volt) yaitu pada jam 12.00 siang. Dari Gambar 12, dapat diamati bahwa terjadi kenaikkan intensitas pada sensor 1 dan 2 sampai jam 12.00 siang. Setelah itu terjadi penurunan intensitas pada sensor 1 dan 2 sampai jam 15.00 sore.
8
1600
sensor 1
intensitas (lux)
1400 1200
sensor 2
1000 800 600 400 200 0 07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu(jam) Gambar 12. Grafik hasil pengukuran ketika alat yang dirancang tidak mengalami saturasi. Terjadi kenaikkan intensitas dari jam 08.00-12.00. Setelah itu terjadi penurunan intensitas sampai jam 15.00. Pengambilan data dilakukan dari jam 08.00- 15.00
intensitas (lux)
Grafik diatas yang menunjukkan selisih antara sensor 1 dan sensor 2 yang merupakan intensitas sinar uv yang dapat dideteksi dari alat yang telah dibuat. Intensitas sinar uv tertinggi yang dihasilkan adalah 132,27lux (=0,142 volt). 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 07:12
uv
09:36
12:00
14:24
16:48
waktu (jam) Gambar 13. Grafik intensitas sinar uv pada pengukuran pertama dimana intensitas sinar UV mengalami kenaikkan intensitas dari jam 08.00-12.00 setelah itu terjadi penurunan intensitas sampai jam 15.00. intensitas tertinggi dari sinar UV yang dideteksi adalah 132,27 lux. Pengambilan data dilakukan dari jam 08.00-15.00
Dari data yang diolah intensitas sinar UV dalam 1 hari antara 10,246 -132,27 lux (0,011-0,142 volt). Intensitas matahari yang diperoleh tidak selalu konstan. Dari Gambar 12, intensitas matahari turun sangat drastis pada jam 11.50 sehingga intensitas sinar UV juga turun drastis pada jam tersebut, ini dikarenakan matahari tertutup oleh awan/ mendung.
9
intensitas (lux)
Pengukuran yang dilakukan tidak hanya 1 hari saja, tetapi dalam hari yang berbeda untuk melihat perbedaan antara hari pertama dan kedua. Hasil yang diperoleh dari pengukuran kedua menunjukkan hasil pengukuran pertama dan pengukuran kedua tidak jauh berbeda. Gambar 14 merupakan grafik yang diambil dalam hari yang berbeda. 1600
sensor 1
1400
sensor 2
1200 1000 800 600 400 200 0 07:12
09:36
12:00
14:24
waktu (jam) Gambar 14. Grafik pengukuran yang dilakukan pada hari yang berbeda. Dimana hasil yang didapat tidak jauh berbeda pada pengukuran pertama. Pengukuran dilakukan dari jam 08.00-13.30
Pengukuran yang dilakukan pada hari kedua tidak dilakukan sampai jam 15.00 tetapi sampai jam 13.30 dikarenakan cuaca yang sangat mendung. Puncak tertinggi sensor 1 pada grafik kedua adalah 1379,85lux (1,697 volt) dan 1231,74 lux (1,538 volt) untuk sensor 2.
intensitas (lux)
160
uv
140 120 100 80 60 40 20 0 07:12
09:36
12:00
14:24
waktu(jam) Gambar 15. Grafik intensitas sinar uv pada pengukuran kedua. Intensitas tertinggi sinar UV pengukuran kedua adalah 148,10. Pengukuran dilakukan dari jam 08.00-13.30.
10
Pada pengukuran kedua intensitas UV tertinggi yang diperoleh adalah 148,108 lux(0,159 volt). Intensitas sinar UV yang terdeteksi pada pengukuran kedua adalah 13,97 – 148,108 lux (0,015-0,159 volt). Pada pengukuran yang pertama dan kedua intensitas sinar UV yang dideteksi tidak jauh berbeda. Pada pengukuran pertama cuaca relatif cerah sehingga tidak turun drastis seperti pengukuran kedua. Puncak tertinggi antara pengukuran pertama dan kedua lebih besar pada pengukuran kedua karena cuaca lebih cerah pada pengukuran kedua, tetapi pada pengukuran kedua cuaca tiba-tiba gelap sehingga tintensitas turun drastis dan tidak dilakukan pengambilan data sampai jam 15.00. 5.
Kesimpulan Dengan rangkaian yang sederhana yaitu menggabungkan photodioda dan fiter uv, paparan intensitas sinar UV dari radiasi matahari dapat diketahui. Alat yang telah dibuat tidak dapat mengukur sinar matahari yang sangat cerah sehingga harus diberi penghalang yaitu ditutupi dengan kertas supaya data yang dihasilkan tidak saturasi, Dalam 1 hari yang cukup cerah intensitas sinar UV pada berkisar antara 10,246-132,27 lux (0,011-0,142 volt) yang dapat dideteksi dari alat yang sudah dibuat. Dalam pengukuran yang dilakukan pada hari yang berbeda, sinar UV yang terdeteksi juga tidak jauh berbeda pada pengukuran pertama yaitu 13,97 – 148,108 lux (0,015-0,159 volt).
6.
Saran 1) Vin yang digunakan harus lebih besar dari 9 V, sehigga ketika matahari berada sekitar sudut 900 tegangan yang dihasilkan dari alat tersebut tidak saturasi meskipun langsung diletakkan dibawah sinar matahari tanpa diberi penghalang. 2) Penelitian ini masih bisa dilanjutkan sampai dengan mengukur batasan bahaya dari intensitas sinar uv untuk kulit dengan mengukur indeks dari intensitas sinar uv sehingga dapat mengatasipasi kerusakan kulit dan mata sejak dini.
7.
Referensi [1] Setijo Bismo, DEA. Teknologi Radiasi Sinar Ultra-Ungu (UV) dalam Rancang Bangun Proses Oksidasi Lanjut untuk Pencegahan Pencemaran Air dan Fasa Gas, Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Agustus 2006 [2] Dresbatch, Sereana H., 2008. Wanda Brown. Ultravioler Radiation. Ohio State University. [3] Setiadarma, H dan Suyoto. 1986. Kesehatan kulit dan Kosmetika. Andi Offset. Yogyakarta. [4] Susilo, Bagus, Perancangan alat ukur kandungan klorofil in Vivo terkontrol komputer. 2007 [5] Datasheet PD204-6C/L3 - 3mm Silicon PIN Photodiode T-1 - Everlight Electronics Co., Ltd
11
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/229834/EVERLIGHT/PD20 6C/L3.html
[6] Atkins, Bob. April, 2003. Filter- UV or Not UV?. photo.net
12
