Photodioda adalah dioda yang bekerja berdasarkan intensitas cahaya,  jika photodioda

terkena cahaya maka photodioda bekerja seperti dioda pada umumnya, tetapi jika tidak mendapat

cahaya maka photodioda akan berperan seperti resistor dengan nilai tahanan yang besar sehingga

arus listrik tidak dapat mengalir.  Photodioda merupakan sebuah dioda dengan sambungan p-n

yang dipengaruhi cahaya dalam kerjanya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh photodioda ini mulai

dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X.

Photodiodes dibuat dari semikonduktor dengan bahan yang populer adalah silicon ( Si)

atau galium arsenida ( GaAs), dan yang lain meliputi InSb, InAs, PbSe. Material ini menyerap

cahaya dengan karakteristik panjang gelombang mencakup: 2500 Å - 11000 Å untuk silicon,

8000 Å – 20,000 Å untuk GaAs. Ketika sebuah photon (satu satuan energi dalam cahaya) dari

sumber cahaya diserap, hal tersebut membangkitkan suatu elektron dan menghasilkan sepasang

pembawa muatan tunggal, sebuah elektron dan sebuah hole, di mana suatu hole adalah bagian

dari kisi-kisi semikonduktor yang kehilangan elektron. Arah Arus yang melalui sebuah

semikonduktor adalah kebalikan dengan gerak muatan pembawa. cara tersebut didalam sebuah

photodiode digunakan untuk mengumpulkan photon - menyebabkan pembawa muatan (seperti

arus atau tegangan) mengalir/terbentuk di bagian-bagian elektroda.

Photodioda digunakan sebagai komponen pendeteksi ada tidaknya cahaya maupun dapat

digunakan untuk membentuk sebuah alat ukur akurat yang dapat mendeteksi intensitas cahaya

dibawah 1pW/cm2 sampai intensitas diatas 10mW/ cm2 . Photo diode mempunyai resistansi yang

rendah pada kondisi forward bias, kita dapat memanfaatkan photo diode ini pada kondisi reverse

bias dimana resistansi dari photodiode akan turun seiring dengan intensitas cahaya yang masuk.

Sifat dari Photodioda adalah :

1.          Jika terkena cahaya maka resistansi nya berkurang

2.         Jika tidak terkena cahaya maka resistansi nya meningkat.

1. Hubungan Nilai Resistansi dengan Nilai Tegangan Dan Arus yang Dipengaruhi Intensitas Cahaya

Gambar rangkaian

Disusun secara seri

Pada gambar rangkaian skematik disamping ini Photodiode dirangkai

secara seri dengan sebuah resistor. Rangkaian ini merupakan rangkaian

pembagi tegangan. Sehingga nilai tegangan akan berubah terhadap

perubahan nilai resistansi. Karena rangkaian ini menggunakan prinsip

rangkaian thevenin. Dimana mungkin mengganti semuanya (terkecuali

tahanan beban) dengan sebuah rangkaian ekivalen yang mengandung hanya

sebuah sumber tegangan bebas yang seri dengan sebuah tahanan; respons

yang diukur pada tahanan beban tidak akan berubah. Dengan kata lain nilai

resistor tersebut tidak diganti (nilainya tetap). Jadi hanya nilai resistansi dari photodiode lah yang

mengalami perubahan.

Data Hasil Perhitungan

Pada rangkaian ini tahanan beban yang digunakan sebesar 10KΩ yang konstan, sedang

kan nilai resistansi pada photodiode lah yang akan berubah. Pada perhitungan ini diasumsikan

bahwa nilai perubahan resistansi photodiode adalah kelipatan perkalian 5. Karena rangkaian ini

memiliki prinsip seperti rangkaian thevenin, maka rangkaian ini memiliki nilai I yang tidak

berubah karena disusun secara seri. Karena nilai dari I yang konstan maka ketika nilai R

membesar , maka nilai V akan membesar pula. Namun pada nilai V tidak akan selalu naik ,

namun berdasarkan karakteristiknya nilai V keluarannya akan sampai pada nilai saturasi

sehingga nilainya akan konstan pada nilai tertentu meskipun nilai resistansi bertambah.

Berikut ini adalah gambar grafik hubungan antara tegangan keluaran dengan resistansi yang

dihasilkan oleh photodiode.

Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa hubungan antara resistansi dengan tegangan

adalah eksponensial positif. Saat nilai resistansi membesar , maka nilai tegangan akan membesar

pula, namun nilai tegangan tersebut akan stabil pada nilai tertentu yang merupakan kaakteristik

photodiode tersebut. Nilai resistansi bertambah jika tidak terkena cahaya, sedangkan saat terkena

cahaya nilai resistansinya akan berkurang. Pada rangkaian ini memiliki persamaan yaitu , :

Vout= RR+Rd

.Vin

Sebetulnya ada nilai Vin yang terdapat pada rumus tersebut, namun karena kita hanya

menggunakan perbandingan saja, maka nilai dari Vin dapat diabaikan karena nilai Vin adalah

sama.

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

Grafik Resistansi Photodiode vs Tegangan Output

Resistansi Photodiode (Ohm)

Tega

ngan

Out

put (

V)

Disusun Secara Paralel

Data Hasil Perhitungan

Pada perhitungan ini diasumsikan bahwa nilai perubahan resistansi photodiode adalah

kelipatan perkalian 5. Karena rangkaian ini memiliki prinsip seperti rangkaian norton, maka

rangkaian ini memiliki nilai I yang berubah karena disusun secara paralel. Dengan teorema

Norton kita dapatkan sebuah ekivalen yang terdiri dari sebuah sumber arus bebas yang pararel

dengan sebuah tahanan.Berikut ini adalah gambar grafik hubungan antara tegangan keluaran

dengan resistansi yang dihasilkan oleh photodiode.

Dimana nilai tegangan dan arus keluaranya adalah

Vout=R x RdR+Rd

Vin

I = VoutRd

Dari perhitungan diatas maka didapatkan nilai pada sumbu y nya adalah berupa grafik

linier yang apabila nilai resistansi kecil maka nilai arus nya akan besar. Gambar dibawah ini

adalah grafik hubungan antara tegangan dan nilai resistansi dari photodiode.

Terlihat bahwa nilai resistansi semakin besar maka nilai arusnya akan naik pula, namun

pada nilai tertentu akan mencapai nilai saturasi yang mana nilai nya tidak akan bertambah lagi

meski nilai resistansi nya bertambah. Nilai arus dan tegangan memiliki perbandingan yang sama

jika dilihat dari data perhitungan.

2. Struktur dari Sensor LM35

A. Definisi

Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah

besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki keakuratan tinggi

dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga

mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan

mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan

lanjutan.

LM35 adalah komponen sensor suhu berukuran kecil seperti transistor (TO-92).

Komponen yang sangat mudah digunakan ini mampu mengukur suhu hingga 100 derajad

Celcius. Dengan tegangan keluaran yang terskala linear dengan suhu terukur, yakni 10 milivolt

per 1 derajat Celcius. Aplikasi-aplikasi seperti termometer ruang digital, mesin pasteurisasi,

atau termometer badan digital.

LM35 dapat disuplai dengan tegangan mulai 4V-30V DC dengan arus pengurasan 60

mikroampere. Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk

mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor Suhu LM35

merupakan komponen elektronika berbentuk integrated circuit (IC) dengan 3 pin yang

diproduksi oleh National Semiconductor. Sensor suhu LM35 memiliki keakuratan tinggi dan

kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, sensor suhu LM35

juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat

dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan

penyetelan lanjutan.

          Meskipun tegangan sensor suhu LM35 ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang

diberikan ke sensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal

dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 μA, hal ini berarti LM35

mempunyai kemampuan menghasilkan panas (self-heating) dari sensor yang dapat menyebabkan

kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC.

B. Struktur Sensor Lm35

Struktur Bagian Luar LM35.

Pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai

tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai dengan 1,5 Volt dengan

tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan antar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran

sensor ini akan naik sebesar 10 mV setiap derajat celcius sehingga diperoleh persamaan sebagai

berikut :

VLM35 = Suhu x 10 mV

  Macam-macam struktur dan bentuk sensor suhu LM35 ditunjukan seperti pada gambar berikut

ini.

Sedangkan bentuk nyata dari sensor suhu LM35 yang telah diproduksi dan beredar dipasaran

ditunjukan seperti gambar di bawah ini

LM35-DZ berbentuk setengah silinder

LM35-DH berbentuk bulat

LM35-DM berbentuk persegi empat

LM35-DP berbentuk kotak

Sensor suhu LM35 yang mempunyai 3 pin seperti LM35-DZ, LM35-DH dan LM35-DP

setiap pin mempunyai fungsi masing-masing diantaranya, pin 1 berfungsi sebagai sumber

tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau kaki tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau

Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi

sensor LM35 yang dapat digunakan antara 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensor ini akan naik

sebesar 10 mV setiap derajadcelcius sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut :

VLM35 = 10 mV/ °C

Sedangkan pin 3 dihubungkan ke body/masa atau ground. 

          Gambar 6 di bawah ini adalah gambar skematik rangkaian dasar sensor suhu LM35-DZ.

Rangkaian ini sangat sederhana dan praktis. Vout adalah tegangan keluaran sensor yang terskala

linear terhadap suhu terukur, yakni 10 milivolt per 1 derajad celcius. Jadi jika Vout = 530mV,

maka suhu terukur adalah 53 °C. Dan jika Vout = 320mV, maka suhu terukur adalah 32 °C.

Tegangan keluaran ini bisa langsung diumpankan sebagai masukan ke rangkaian pengkondisi

sinyal seperti rangkaian penguat operasional (opamp) dan rangkaian filter, atau rangkaian lain

seperti rangkaian pembanding tegangan dan rangkaian Analog-to-Digital Converter.

C. Prinsip Kerja

Dalam prakteknya proses antarmuka sensor LM35 dapat dikatakan sangat mudah. Pada

IC sensor LM35 ini terdapat tiga buah pin kaki yakni Vs, Vout dan pin ground. Dalam

pengoperasiannya pin Vs dihubungkan dengan tegangan sumber sebesar antara 4 – 20 volt

sementara pin Ground dihubungkan dengan ground dan pin Vout merupakan keluaran yang akan

mengalirkan tegangan yang besarnya akan sesuai dengan suhu yang diterimanya dari sekitar.

Gambar 2. Rangkaian Dasar LM35

Prinsip kerja alat pengukur suhu ini, adalah sensor suhu difungsikan untuk mengubah

besaran suhu menjadi tegangan, dengan kata lain panas yang ditangkap oleh LM35 sebagai

sensor suhu akan diubah menjadi tegangan. Sedangkan proses berubahnya panas menjadi

tegangan dikarenakan di dalam LM35 ini terdapat termistor berjenis PTC (Positive Temperature

Coefisient), yang mana termistor inilah yang menangkap adanya perubahan panas. Prinsip kerja

dari PTC ini adalah nilai resistansinya akan meningkat seiring dengan meningkatnya temperature

suhu. Resistansi yang semakin besar tersebut akan menyebabkan tegangan output yang

dihasilkan semakin besar.

D. Material Bahan Penyusunnya

Termistor atau thermal resistor adalah suatu jenis resistor yang sensitive terhadap

perubahan suhu. Prinsipnya adalah memberikan perubahan resistansi yang sebanding dengan

perubahan suhu. Perubahan resistansi yang besar terhadap perubahan suhu yang relatif kecil

menjadikan termistor banyak dipakai sebagai sensor suhu yang memiliki ketelitian dan ketepatan

yang tinggi.

Termistor yang dibentuk dari bahan oksida logam campuran (sintering mixture),

kromium, kobalt, tembaga, besi, atau nikel, berpengaruh terhadap karakteristik termistor,

sehingga Pemilihan bahan oksida tersebut harus dengan perbandingan tertentu.

Termistor dibedakan dalam 2 jenis, yaitu termistor yang mempunyai koefisien negatif,

yang disebut NTC (Negative Temperature Coefisient), temistor yang mempunyai koefisien

positif yang disebut PTC (Positive Temperature Coefisient). kedua jenis termistor ini mempunyai

fungsinya masing masing, tetapi di pasaran, yang lebih banyak digunakan adalah termistor NTC.

Karena termistor NTC material penyusunnya yaitu metal oksida, dimana harganya lebih murah

dari material penyusun PTC yaitu Kristal tunggal.

PTC merupakan termistor dengan koefisien yang positif. Termistor PTC memiliki perbedaan

dengan NTC antara lain:

1. Koefisien temperatur dari thermistor PTC bernilai positif hanya dalam interfal temperatur

tertentu, sehingga diluar interval tersebut akan bernilai nol atau negatif

2. Harga mutlak dan koefisien temperatur dari termistor PTC jauh lebih besar dari pada

termistor NTC

Jenis – jenis PTC

Jenis pertama terdiri dari thermally sensitif silicon resistors, kadang-kadang disebut sebagai

"Silistors". Device ini menunjukkan nilai koefisien suhu positif yang cukup seragam (sekitar

0,77% /°C) kebanyakan dari silistor melalui berbagai wilayah/rentang operasional, tetapi dapat

juga menujukkan koefisien suhu negatif di wilayah temperatur yang melebihi 150° C. Device

ini paling sering digunakan untuk kompensasi terhadap device semiconducting silicon dalam

kisaran temperature antara -60° C ke 150°.

Jenis kedua merupakan polycrystalline bahan keramik yang biasanya resistivitasnya tinggi tetapi

terbuat dari semiconduktor dengan penambahan dopants. Umumnya dibuat dari campuran

barium, timah dan strontium titanates dengan tambahan seperti yttrium, manganese, tantalum dan

silika. Device ini memiliki daya tahan-suhu karakteristik negatif yang sangat kecil. Koefisien

suhu device ini hingga mencapai suhu yang kritis, yang disebut sebagai "Curie", perubahan atau

transisi suhu. Suhu kritis ini merupakan pendekatan, device ini mulai menunjukkan peningkatan,

resistansi suhu coefficient positif seperti peningkatan resistansi yang besar.

Termistor PTC jenis pertama

Untuk termistor PTC jenis pertama sama dengan profil untuk Semikonduktor intrinsik. Hal ini

berhubungan dengan bahan pembentuk termistor PTC yaitu kristal tunggal silikon, dimana tidak

ada doping yang ditambahkan pada kristal tersebut. Sehingga memiliki konsentrasi hole dan

elektron yang sama.

Termistor NTC dan PTC jenis kedua

Untuk termistor NTC dan PTC jenis kedua, sama dengan profil untuk Semikonduktor ekstrinsik.

Hal ini berhubungan dengan bahan pembentuk dari termistor NTC Yaitu dibuat dari oksida

logam yang terdapat dari golongan transisi, seperti ZrO2 - Y2P3 NiAI2O3 Mg(Al, Cr,Fe) yang

dapat dirubah menjadi semikonduktor jika didoping dengan unsur lain yang memiliki valensi

yang berbeda. Termistor PTC jenis kedua termasuk semikonduktor ekstrinsik hal ini dikarenakan

PTC dibuat dari bahan polycrystalline bahan keramik yang biasanya resistivitasnya tinggi tetapi

terbuat dari semiconduktor dengan penambahan dopants. Sehingga memiliki konsentarsi hole

dan electron yang berbeda. Maka diperoleh profil pita energy seperti gambar 3.4 dibawah ini:

Untuk semikonduktor tipe P Untuk semikonduktor tipe n

= Eakseptor = Edonor

Energi fermi

Pita Konduksi

Pita valensi

Energi fermi

Pita Konduksi

Pita valensi

konduksi model

Termistor NTC banyak yang dibuat dari disk atau chip semikonduktor seperti sintered

metal oksida. yang bertujuan untuk meningkatkan suhu semikonduktor sehingga meningkatkan

jumlah elektron yang dapat bergerak dan loncat ke pita konduksi. Semakin banyak electron yang

loncat, semakin besar arus yang dihasilkan. Hal ini dijelaskan dalam rumus:

I = arus listrik (Ampere)

n = rapat muatan (count / m³)

A = luas penampang lintang (m²)

v = kecepatan pembawa muatan (m / s)

e = muatan elektron ( e = 1.602 x 10-19 coulomb)

Jika terjadi perubahan suhu yang besar, maka diperlukan kalibrasi. Tapi jika perubahan

suhunya kecil, maka resistivitas bahan linear sebanding dengan suhu. Ada berbagai termistor

semiconduktor dengan berbagai rentang dari sekitar 0,01 kelvin ke 2000 kelvins (-273,14 ° C to

1700 ° C).

Kebanyakan termistor PTC, resistansi tiba-tiba meningkat pada suhu kritis tertentu.

Perangkat yang dibuat dari doped keramik polycrystalline yang mengandung barium titanate

(BaTiO3) dan lainnya. Konstanta dielektrik merupakan bahan ferroelektrik yang bervariasi

terhadap suhu. Di bawah titik suhu Curie, tingginya konstanta dielectric mencegah pembentukan

potensi hambatan antara butir kristal, sehingga resistensi rendah. Pada saat ini perangkat

memiliki koefisien suhu negatif yang kecil. Pada titik suhu Curie, konstanta dielectric relatif

menurun yang memungkinkan pembentukan potensi hambatan di batas butiran, dan resistivitas

meningkat tajam. Pada suhu lebih tinggi, sifatnya seperti sifat NTC.