RANCANG BANGUN PENGATUR ARUS UNTUK TIGA PANJANG GELOMBANG LASER DIODA YANG BERBEDA Ramma Hayu Fitra1. Minarni2.Rahmondia Ananda Setiadi3 1
Mahasiswa Program S1Fisika 2 Dosen Jurusan Fisika 3 Dosen Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Binawidya Pekanbaru. 28293. Indonesia.
[email protected] ABSTRACT A compact and low cost of Optical Tweezers usually uses diode lasers. Diode lasers are widely used because of their small size, broad wavelength variations and low cost. Howover, they have some disadvantages such as laser elliptical beam shape and vulnerable to electrical current fluctuations. In this research, a current regulator circuit system was designed and made which composed of a power supply circuit,three current regulators, and a current-limiting circuit. This system was used to regulate the electric currents injected into three laser diodes i.e type HL6312G with wavelegth 635 nm, type L780P01 with wavelegth 780 nm, and type WSLP-785-030m-4-PD with wavelegth 785 nm. From the results, variations of voltage and current versus time were obtained, electric current and power stability of the laser diodes versus time were observed for 60 minutes. Fluctuations obtained for all three circuits regulating electric current was about ± 0.001 mA. Variation of electric current for the laser diode to the three power laser diodes successfully obtained with current and power ranges were 12,2 mA to 76,6 mA and power from 0 mW to 4,55 mW for laser type HL6312G, current range 5,7 mA40,0 mA and power from 0 mW to12,54 mW for laser type L780P010, current range 17,9 mA-129,9 mA and power from 0 mW to19,24 mW for laser type WSLP-785030m-4-PD, respectively. Keyword : Optical tweezers, laser diode, current regulator circuit
ABSTRAK Optical Tweezer yang kompak dengan harga rendah biasanya mengunakan laser dioda. Laser dioda banyak digunakan karena ukurannya yang kecil , panjanng gelombang bervariasi dan harganya relatif murah, akan tetapi laser dioda mempunyai kelemahan seperti berkas keluaran eleptical, dan rentan terhadap fluktuasi arus. Pada penelitian ini, sebuah sistem rangkaian pengatur arus didesain dari sebuah rangkaian power supply, tiga buah pengatur arus dan rangkaian pembatas arus. Sistem ini digunakan untuk mengatur arus yang di injeksikan ke tiga buah dioda laser tipe HL6312G dengan
1
panjang gelombang 635 nm, laser tipe L780P010 dengan panjang gelombang 780 nm, dan laser dioda tipe WSLP-785-030m-4-PD dengan panjang gelombang 785 nm. Dari hasil penelitian, variasi tegangan dan arus terhadap daya diperoleh, kestabilan arus dan daya terhadap waktu di amati selama 60 menit. Fluktuasi yang diperoleh untuk ketiga rangkaian pengatur arus sebesar ± 0.001 mA. Variasi arus terhadap daya untuk ketiga laser dioda berhasil diperoleh yaitu rentang arus 12,2 mA sampai dengan 76,9 mA dan rentang daya 0 mW sampai dengan 4,55 mw untuk tipe laser HL6312G, rentang arus 5,7 mA sampai dengan 40,0 mA dan rentang daya 0 mW sampai dengan 12.54 mW untuk tipe laser P780L010, rentang arus 17,9 mA sampai dengan129,9 mA dan rentang daya 0 mW sampai dengan 19,24 mW untuk tipe WSLP-785-030-4-PD. Kata Kunci: Penjepit optik, laser dioda, rangkaian pengatur arus.
PENDAHULUAN Sejak laser ditemukan pada tahun 1960, laser merupakan suatu alat yang menghasilkan radiasi elektromagnetik melalui pancaran yang terstimulasi dan merupakan sumber cahaya yang monokromatik yang digunakan untuk penelitian di berbagai bidang. Pada bidang komunikasi, laser berfungsi untuk memperkuat cahaya sehingga dapat menyalurkan suara dan sinyal gambar melalui serat optik. Pada bidang kedokteran, laser digunakan antara lain untuk mendiagnosis penyakit, pengobatan penyakit, dan perbaikan suatu cacat serta pembedahan. Pada bidang industri, sinar laser bermanfaat untuk pengelasan, pemontongan lempeng baja, serta untuk pengeboran. Pada bidang sains, sinar laser digunakan untuk mengukur pergerakan benda yang jauh, misalnya bulan, mengukur laju aliran gas dan zat cair, pemetaan, penentuan jarak yang tepat dan banyak aplikasi yang lainya. Salah satu pengunaan laser pada bidang sains adalah pada Optical Tweezer yang merupakan sebuah sistem optik yang menggunakan sinar laser untuk menghasilkan gaya berukuran Piconewton mampu memperangkap materi mikroskopis, mengambil dan memindahkan sel tunggal tanpa menyentuhnya. Penggunaan Optical Tweezer di dalam penelitian sel biologi, motor molekul, dan koloid fisika telah berkembang sangat pesat. (Williams,2002) Laser yang tersedia dipasaran ada beberapa jenis, seperti laser Nd-YAG, laser semikonduktor (dioda), laser HeNe, laser CO2. Sifat-sifat sinar laser antara lain sangat terarah, monokromatik, kecerahan tinggi, dan koherensi tinggi. Laser dioda paling banyak digunakan dalam penelitian dikarenakan harganya yang murah dan dipasaran disediakan dengan berbagai panjang gelombang. Laser dioda juga digunakan sebagai sumber cahaya optical tweezer. Walaupun dalam pancaran tunggal laser dioda memilik daya yang lemah tapi cocok untuk sebagai tweezer (Robert dan Brian, 1991). Laser dioda sangat berperan pada Optical Tweezer dikarenakan dapat membuat Optical Tweezer dengan harga murah, compact, dan tersedia untuk penelitian skala kecil serta yang terpenting Optical Tweezer membutuhkan tiga laser dioda dengan panjang gelombang yang berbeda. Salah satu kelemahan laser dioda yaitu rentan terhadap fluktuasi arus yang besar, dengan menggunakan rangkaian pengatur arus, ketika menghidupkan atau mematikan
2
laser dioda maka arus dinaikkan atau diturunkan secara bertahap. Rangkaian ini juga dapat menstabilkan fluktuasi arus menggunakan Ic penstabil arus dan tegangan pada rangkaian tersebut. Pada penelitian, untuk mengatasi fluktuasi arus yang diinjeksikan ke Laser dioda diperlukan power supply atau current controller yang dapat mensupply arus yang stabil kemudian untuk membuat Optical Tweezer yang kompak perlu tiga buah laser dioda dengan panjang gelombang yang berbeda, Sehingga tiga rangkaian pengatur arus yang sama dengan satu power supply di rancang dan di buat. METODE PENELITIAN Metode Penelitian yang digunakan adalah metode eksperimen yaitu mendesain sistem sebuah sistem rangkaian pengatur arus didesain dari sebuah rangkaian power supply, tiga buah pengatur arus dan rangkaian pembatas arus. Sistem ini digunakan untuk mengatur arus yang di injeksikan ke tiga buah dioda laser tipe HL6312G dengan panjang gelombang 635 nm, laser tipe L780P010 dengan panjang gelombang 780 nm, dan laser dioda tipe WSLP-785-030m-4-PD dengan panjang gelombang 785 nm, Kemudian mengukur variasi tegangan dan arus terhadap daya, mengukur kestabilan arus ketiga rangkaian pengatur arus dan daya laser dioda selama 60 menit, mengamati hubungan variasi arus terhada daya ketiga laser dioda, dan menghitung fluktuasi yang dihasilkan untuk ketiga laser dioda.
Gambar 1. Skema sistem power supply dan tiga rangkaian pengatur arus serta rangkaian pembatas arus. a. Prosedur pengambilan data Power supply dirancang kemudian dikarakteristik untuk mengetahui berapa tegangan output yang dihasilkan, kemudian nilai tegangang output yang dihasilkan oleh power supply sebesar +11,23V dan –8,64V diparalelkan dicatukan ke masing-masing rangkaian pengatur arus, kemudian rangkaian pengatur arus dikarakteristik berapa tegangan output dan arus output yang dihasilkan oleh masing-masing rangkaian pengatur arus, tegangan yang dihasilkan 1,23 volt sampai dengan 10,70 volt dengan arus output dapat mencapai 800mA. Dengan melihat tegangan dan arus yang dihasilkan oleh masing-masing rangkaian pengatur arus belum dapat digunakan sebagai supply tegangan atau arus untuk laser dioda yang membutuhkan tegangan atau arus yang kecil
3
sehingga dibutuhkan rangkaian tambahan berupa rangkaian pembatas arus yang terdiri dari resistor yang akan dihubungkan pada kaki katoda LED atau Laser dioda, nilai resistansi resistor yang digunakan disesuaikan kebutuhan. Setelah nilai resitansi resistor diketahui yakni 100 0hm (type laser dioda HL6312G, 220 Ohm (type laser L780P010) dan 68 Ohm (type laser WLSP-785-030m-4-PD), kemudian langkah selajutnya adalah melakukan uji coba menggunakan LED agar mengetahui arus maksimal yang dihasilkan pada setiap step switch rotary yang dipasang pada masing-masing pengatur arus, nilai resistansi resistor yang dipasang pada rotary switch 10 buah resistor 200Ώ dan 1 buah resistor 80kΏ. Setelah uji coba menggunakan LED selesai maka LED dapat diganti dengan laser dioda, hal yang perlu dipersiapkan berupa kabel penghubung yang memiliki tipe yang berbeda dan harus disesuaikan dengan kaki-kaki laser dioda dan lensa pemfokus sinar laser.
Gambar 2. Skema pengukuran kestabilan arus dan daya laser Gambar 4 merupakan set up pengambilan data kestabilan arus dan daya laser dioda yang terdiri dari multimeter, Power meter, dan power supply serta pengatur arus untuk laser dengan tiga panjang gelombang yang berbeda. Semua peralatan untuk pengambilan data disusun berdasarkan dengan gambar 4.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pada penelitian ini diperoleh hubungan variasi arus dan tegangan terhadap daya yang dihasilkan, kestabilan arus dan daya terhadap waktu selama 60 menit untuk ketiga rangkaian pengatur arus dan ketiga buah laser dioda, Fluktuasi arus yang dihasilkan rangkaian pengatur arus.
4
Tabel 1. Karakteristik rangkaian pengatur arus
Step rotary NO switch 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
10 Kohm 9,8 Kohm 9,6 Kohm 9,4 Kohm 9,2 Kohm 9,0 Kohm 8,8 Kohm 8,6 Kohm 8,4 Kohm 8,2 Kohm 8.0 Kohm 0 Kohm
Rangkaian nyala satu persatu Tegangan V (volt) Rangkaian
Ketiga rangkaian nyala bersamaan
Tegangan V (volt) Rangkaian A
Tegangan V (volt) Rangkaian B
Tegangan V (volt) Rangkaian C
1,24V 2,15V 3,07V 4,02V 4,96V 5,88V 6,71V 7,62V 8,53V 9,55V 10,25V 10,70V
1,24V 2,15V 3,07V 4,02V 4,96V 5,88V 6,81V 7,74V 8,66V 8,78V 8,80V 8,80V
1,24V 2,15V 3,07V 4,02V 4,96V 5,79V 6,81V 7,74V 8,66V 8,81V 8,82V 8,82V
1,24V 2,15V 3,07V 4,02V 4,96V 5,86V 6,81V 7,74V 8,66V 8,82V 8,84V 8,84V
Tabel 2. Variasi tegangan terhadap besaran keluaran untuk laser dioda tipe HL6312G (Hitachi) dengan hambatan pembatas arus 100 Ohm Resistor Variabel step
Tegangan keluaran V (volt)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
10 Kohm 9,8 Kohm 9,6 Kohm 9,4 Kohm 9,2 Kohm 9,0 Kohm 8,8 Kohm 8,6 Kohm 8,4 Kohm 8,2 Kohm 8,0 Kohm 0 Kohm
1.24V 1.86V 1.95V 2.02V 2.07V 2.12V 2.16V 2.20V 2.20V 2.20V 2.20V 2.20V
Arus keluaran I (mA)
Daya sinar laser P (mW)
12.2mA 21.4mA 30.5mA 39.7mA 49.0mA 58.1mA 67.2mA 76.9mA 76.9mA 76.9mA 76.9mA 76.9mA
0.000mW 0.004mW 0.010mW 0.014mW 0.021mW 0.045mW 2.03mW 4.55mW 4.55mW 4.55mW 4.55mW 4.55mW
5
5
Daya (mW)
4 3 2 1 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Arus (mA)
Gambar 1. Grafik hubungan daya terhadap arus untuk tipe laser HL6312G Tabel 3. Variasi tegangan terhadap besaran keluaran untuk laser dioda tipe L780P010 (sanyo) dengan hambatan pembatas arus 220Kohm. Resistor Variabel step 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
10 Kohm 9,8 Kohm 9,6 Kohm 9,4 Kohm 9,2 Kohm 9,0 Kohm 8,8 Kohm 8,6 Kohm 8,4 Kohm 8,2 Kohm 8,0 Kohm 0 Kohm
Tegangan keluaran V (volt) 1.24V 1.56V 1.65V 1.71V 1.75V 1.79V 1.83V 1.86V 1.89V 1.89V 1.89V 1.89V
Arus Out Put I (mA)
Daya sinar laser P (mW)
5.7mA 10.0mA 14.2mA 18.5mA 22.9mA 27.2mA 31.3mA 35.8mA 40.0mA 40.0mA 40.0mA 40.0mA
0.00mW 0.00mW 0.00mW 0.07mW 2.16mW 4.75mW 6.95mW 8.99mW 10.50mW 10.50mW 10.50mW 10.50mW
6
12 10 Daya (mW)
8 6 4 2 0 0
10
20
30
40
50
Arus (mA)
Gambar 2. Grafik hubungan Daya terhadap Arus untuk laser tipe L780P010 Tabel 4. Variasi tegangan terhadap besaran keluaran untuk laser dioda tipe WLSP-785030-4-PD. Dengan hambatan pembatas arus 68 Kohm. Resistor Variabel step 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tegangan Keluaran V (volt) 1.24V 1.59V 1.66V 1.75V 1.78V 1.83V 1.88V 1.93V 1.98V 1.98V 1.98V 1.98V
10 Kohm 9,8 Kohm 9,6 Kohm 9,4 Kohm 9,2 Kohm 9,0 Kohm 8,8 Kohm 8,6 Kohm 8,4 Kohm 8,2 Kohm 8,0 Kohm 0 Kohm
Arus Keluaran I (mA)
Daya Sinar Laser P (mW)
17.9mA 31.5mA 45.1mA 59.1mA 73.1mA 87.0mA 100.9mA 115.0mA 129.9mA 129.9mA 129.9mA 129.9mA
0.00mW 0.00mW 0.00mW 0.27mW 3.92mW 7.64mW 11.53mW 15.25mW 19.24mW 19.24mW 19.24mW 19.24mW
25
Daya (mW)
20 15 10 5 0 0
20
40
60 80 Arus (mA)
7
100
120
140
Arus (mA)
Gambar 3. Garfik hubungan daya terhadap Arus untuk WLSP-785-030-4-PD 140 120 100 80 60 40 20 0
tipe HL6312G tipe L780P010 WSLP-780-030m-4-PD 0
10
20
30
40
50
60
Waktu (menit)
Gambar 4. Perubahan arus tipikal terhadap waktu
Daya (mW)
20 15
tipe HL6312G
10
tipe L780P010
5
tipe WSLP-785030m-4-PD
0 0
10
20
30 40 Waktu (menit)
50
60
Gambar 5. Perubahan daya tipikal terhadap waktu
KESIMPULAN DAN SARAN Dari penelitian yang dihasilkan yaitu pembuatan yaitu sebuah rangkaian power supply dan tiga buah rangkaian pengatur arus untuk laser dioda, dapat disimpulkan diantaranya adalah: 1. Rangkaian power supply yang dibuat dapat beroperasi dengan baik dan dapat digunakan untuk mensupply tegangan untuk ketiga pengatur arus akan digunakan sebagai sumber tegangan dan arus yang stabil untuk ketiga jenis laser dioda. 2. Ketiga rangkaian pengatur arus yang dibuat dapat beroperasi dengan baik dan dapat digunakan untuk mesuplai arus yang stabil untuk laser dioda pada jangkauan arus yang sesuai dengan spesifikasinya, walaupun nilai tegangan dan arus yang dihasilkan lebih besar dari nilai tegangan dan arus kerja yang dibutuhkan laser dioda. Namun, hal ini dapat diatasi dengan penambahan
8
rangkaian pembatas arus yang terdiri dari sebuah resistor yang nilai resitansinya dapat disesuaikan berdasarkan nilai tegangan dan arus kerja yang dibutuhkan oleh laser dioda. 3. Kestabilan arus yang dihasilkan dari ketiga rangkaian pengatur arus ini telah ditujukkan dari hasil pengamatan dalam selang waktu 60 menit dengan lonjakan arus ± 0,001 mA untuk ketiga rangkaian pengatur arus tersebut. 4. Kestabilan daya rata-rata yang dihasilkan oleh laser dioda sangat bergantung pada kestabilan arus yang diinjeksikan oleh rangkaian pengatur arus ini, selain itu daya laser juga dipengaruhi oleh temperatur ruangan, sehingga akan berpengaruh pada penurunan daya laser. Dalam pembuatan rangkaian pengatur arus yang menggunakan laser dioda, beberapa hal perlu di perhatikan yaitu pada saat mendesain rangkaian pengatur arus, nilai tegangan dan arus yang dihasilkan pada keluaran tidak melebihi nilai tegangan kerja laser sehingga tidak menyebabkan kerusakan pada dioda laser tersebut. Mengukur daya laser dioda, berkas laser dioda yang menyebar harus di sejajarkan dulu mengunakan lensa agar berkas yang dihasilkan berbentuk bulat dan lebih terfokus sehingga daya pengukuran bisa lebih optimal.
DAFTAR PUSTAKA Tipler, P. (2002).“Fisika Untuk Sains Dan Teknik (terjemahan)”. Penerbit Erlangga, jakartaTipler, P. (2002). Young,Freedman.(2002).Fisika Universitas edisi ke 10 jilid 1 (terjemahan). Penerbit Erlangga, Jakarta. Krane, Kenneth S. (2006). Fisika Modren (terjemahan). Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta. Yogasari, Dwiyana. (2012).” Rancang Bangun Penjepit Optik Untuk Pemerangkap Partikel Polystyrene” FMIPA, Universitas Riau. Pikatan, Sugata. (1991).”Laser” Seminar Intern FT. Ubaya Optical Tweezers An introduction. Melalui Http://www.stanfird.edu/group/blocklab/Optical%20Tweezers%20Introduction. htm Mercubuana.(2003). Teori Aplikasi Op-Amp. Journal.Mercubuana.ac.id/data/2Op-Amp.Pdf. LEOT Laser Tutorial-Course 4: Laser elektronik-Modul 6: dioda laser power Supply. Melalui http://jvr33.free.fr/pdf_laser/LEOT%20laser%20Tutorial%20%20Course%204_% 20Laser%20Electronics%20%Module%206_%20Diode%20Laser%20Po.pdf Surjono, D. H., (2007), Elektronika: Teori Dan Terapan, Cerdas Ulet Dan Kreatif Publisher, Jember. Muhammad, H.Z., (2005), Cara Mudah Merangkai Elektronik Dasar, Absolut, Yogyakarta. Sam’s Laser FAQ.(2012). Diode Laser Power Supplies. www.repairfaq.org/sam/laserdps.htm.
9
