Sel Surya, Sel Foto, dan Optoisolator: Cara Cahaya Menghasilkan dan Mengontrol Listrik

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 03: Listrik Arus (artikel 4 dari 7)

Cahaya bisa melakukan tiga hal yang berbeda pada bahan tertentu: menghasilkan tegangan sendiri, mengubah besar hambatan, atau memindahkan sinyal tanpa kabel. Yang pertama adalah sel fotovoltaik, yaitu sel surya. Yang kedua adalah sel fotokonduktif seperti LDR kadmium sulfida. Yang ketiga adalah optoisolator, komponen yang hampir pasti ada di dalam setiap papan kendali inverter di bengkel. Ketiganya masuk satu keluarga yang disebut perangkat fotolistrik.

Tidak ada bagian yang bergerak dan tidak ada bahan yang habis. Yang masuk cahaya, yang keluar tegangan.

Sel Fotovoltaik: Cahaya Menjadi Tegangan

Ini jenis yang paling dikenal orang, karena inilah sel surya.

Susunannya berlapis. Ada lapisan dasar dari bahan semikonduktor, biasanya silikon, lalu lapisan penghalang yang sangat tipis di atasnya, lalu elektrode tembus pandang di permukaan paling atas supaya cahaya bisa menembus masuk.

Cara kerjanya begini. Cahaya yang masuk membawa energi, dan energi itu melepaskan elektron dari ikatannya di dalam bahan. Lapisan penghalang membuat elektron yang terlepas hanya bisa bergerak ke satu arah, tidak bisa kembali. Akibatnya elektron menumpuk di satu sisi, dan penumpukan itulah yang terbaca sebagai tegangan.

Dua sifat yang membedakannya dari baterai. Tidak ada bahan yang habis, karena yang dikonsumsi adalah cahaya, bukan isi selnya. Dan tegangannya muncul hanya selama cahaya ada, langsung hilang begitu gelap.

Modul menyebut dua pemakaian: mengisi baterai kecil dan menggerakkan alat ukur cahaya pada kamera. Sekarang pemakaiannya jauh lebih luas, dan sisi sistemnya sudah dibahas terpisah di artikel pembangkit listrik tenaga surya serta artikel energi surya untuk menekan tagihan.

Sel Fotokonduktif: Cahaya Mengubah Hambatan

Jenis kedua tidak menghasilkan tegangan sama sekali. Ia butuh sumber tegangan dari luar, dan yang berubah karena cahaya adalah hambatannya.

Bahan yang paling umum dipakai adalah kadmium sulfida. Dalam gelap, hambatannya sangat tinggi, bisa mencapai jutaan ohm. Begitu terkena cahaya, hambatannya turun drastis, tinggal beberapa ratus ohm saja pada cahaya terang.

Komponen ini biasa disebut LDR, singkatan dari light dependent resistor, atau resistor yang nilainya bergantung cahaya.

Pemakaiannya mudah ditebak dari sifat itu. LDR dipasang seri dengan kumparan relay dan sumber tegangan. Saat gelap, hambatannya terlalu tinggi sehingga arus terlalu kecil untuk menarik relay. Saat terang, hambatannya turun, arus naik, dan relay bekerja.

Dari susunan sesederhana itu lahir lampu jalan yang menyala sendiri saat senja, penghitung barang di ban berjalan, dan pengaman mesin yang berhenti kalau berkas cahayanya terputus.

Optoisolator: Cahaya Memindahkan Sinyal

Jenis ketiga ini yang paling dekat dengan pekerjaan bengkel motor listrik, dan paling jarang dipahami.

Di dalam satu bungkus kecil ada dua benda yang tidak bersentuhan sama sekali. Di sisi masuk ada LED yang menyala bila diberi arus. Di sisi keluar ada penerima cahaya, bisa berupa fototransistor atau triac, yang menghantar bila terkena cahaya dari LED itu.

Di antara keduanya cuma ada celah tembus pandang. Tidak ada kawat, tidak ada jalur tembaga, tidak ada sambungan listrik apa pun.

Di situlah seluruh gunanya. Sinyal berpindah dari sisi masuk ke sisi keluar, tetapi kedua sisi itu tetap terpisah secara listrik dan bisa berada pada tegangan yang sangat berbeda.

Contoh nyatanya di bengkel. Papan kendali inverter bekerja pada 5 volt atau 24 volt searah, sementara sisi dayanya bekerja pada ratusan volt. Kalau kedua sisi itu dihubungkan langsung dengan kawat, satu gangguan di sisi daya akan langsung menghancurkan papan kendalinya, dan bisa merambat sampai ke PLC di panel sebelah. Optoisolator memutus jalur itu sambil tetap meneruskan perintahnya.

Membandingkan Ketiganya

Jenis	Yang dilakukan cahaya	Perlu catu daya luar?	Contoh komponen	Pemakaian khas
Fotovoltaik	Menghasilkan tegangan	Tidak	Sel surya silikon	Mengisi baterai, panel surya, alat ukur cahaya
Fotokonduktif	Menurunkan hambatan	Ya	LDR kadmium sulfida	Sakelar senja, penghitung barang, pengaman berkas cahaya
Optoisolator	Memindahkan sinyal tanpa kawat	Ya, di kedua sisi	LED dengan fototransistor atau triac	Memisahkan kendali tegangan rendah dari daya tegangan tinggi

Ketiganya, bersama perangkat fotoemisi, masuk satu kelompok yang disebut perangkat fotolistrik.

Celah di tengah itu yang jadi intinya. Sinyalnya menyeberang, listriknya tidak.

Sudut Pandang Workshop

Dari tiga jenis di atas, yang paling sering saya temui rusak adalah optoisolator, dan gejalanya selalu membingungkan di awal.

Polanya begini. Inverter tidak mau start, lampu indikatornya normal, tegangan masuk normal, dan belitan motornya sehat. Semua yang besar-besar terlihat baik, tetapi perintahnya tidak sampai.

Yang sering terjadi adalah optoisolator di jalur sinyal start sudah tidak meneruskan apa-apa. LED di dalamnya melemah seiring umur, atau sisi penerimanya rusak karena pernah kena lonjakan dari sisi daya.

Yang membuatnya susah dideteksi adalah komponen ini tidak menunjukkan apa-apa dari luar. Badannya hitam, tidak gosong, tidak menggembung, dan tidak berbau. Mengukurnya dengan multimeter biasa juga tidak banyak menolong, karena yang perlu diperiksa adalah apakah sisi keluarnya ikut menghantar saat sisi masuknya diberi arus, bukan sekadar nilai hambatannya.

Saya pernah menghabiskan hampir setengah hari pada satu inverter seperti itu, memeriksa kabel kendali dari ujung ke ujung dan mengganti sakelar start yang ternyata tidak salah apa-apa. Yang akhirnya ketahuan cuma satu komponen seharga tidak sampai lima ribu rupiah di papan kendalinya.

Pelajarannya bukan soal optoisolatornya. Pelajarannya adalah urutan memeriksa: kalau tegangan masuk ada, tegangan keluar tidak ada, dan tidak ada yang gosong, periksa titik tempat sinyal menyeberang antar-sisi, karena di situlah pemisahnya berada dan di situ pula ia paling sering putus.

Soal LDR, komponen ini jarang ada di motor tetapi sering ada di sekitarnya, misalnya pada lampu penerangan area yang menyala sendiri. Gejala rusaknya khas: lampu menyala siang hari atau berkedip-kedip saat senja. Sebelum mengganti panel kendalinya, periksa dulu apakah permukaan sensornya cuma tertutup debu, karena itu penyebab yang paling sering dan paling murah.

Cek Pemahaman

1. Perangkat fotovoltaik, fotokonduktif, dan fotoemisi adalah jenis apa?
   Jawaban: perangkat fotolistrik.
2. Apa yang dihasilkan sel fotovoltaik saat terkena cahaya?
   Jawaban: tegangan, tanpa perlu catu daya dari luar.
3. Apa yang berubah pada sel fotokonduktif saat terkena cahaya?
   Jawaban: hambatannya turun.
4. Apa yang ada di antara sisi masuk dan sisi keluar optoisolator?
   Jawaban: celah tembus pandang, tanpa sambungan listrik apa pun.
5. Kenapa optoisolator dipakai pada papan kendali inverter?
   Jawaban: untuk memisahkan sisi kendali tegangan rendah dari sisi daya tegangan tinggi sambil tetap meneruskan sinyalnya.

Baca Juga

• Mengenal Pembangkit Listrik Tenaga Surya
• Energi Surya dan Cara Menekan Tagihan Listrik
• Kenapa Tembaga Jadi Konduktor dan Gas Mulia Tidak?
• 6 Cara Menghasilkan Listrik

Ringkasan

• Cahaya bisa menghasilkan tegangan, mengubah hambatan, atau memindahkan sinyal.
• Sel fotovoltaik menghasilkan tegangan sendiri tanpa catu daya dari luar.
• Lapisan penghalang pada sel surya membuat elektron yang terlepas hanya bergerak satu arah.
• Tegangan sel surya hilang begitu cahayanya hilang, dan tidak ada bahan yang habis.
• Sel fotokonduktif butuh catu daya luar, dan yang berubah adalah hambatannya.
• LDR kadmium sulfida berhambatan jutaan ohm saat gelap dan ratusan ohm saat terang.
• Optoisolator berisi LED dan penerima cahaya yang dipisahkan celah tembus pandang.
• Sinyal menyeberang celah itu sebagai cahaya, sehingga kedua sisi tetap terpisah secara listrik.
• Pada inverter, optoisolator memisahkan kendali tegangan rendah dari daya tegangan tinggi.
• Ketiganya bersama perangkat fotoemisi termasuk kelompok perangkat fotolistrik.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Bagaimana sel surya menghasilkan listrik?

Cahaya yang masuk ke dalam bahan semikonduktor membawa energi yang melepaskan elektron dari ikatannya, lalu lapisan penghalang yang sangat tipis di dalam sel membuat elektron yang terlepas itu hanya bisa bergerak ke satu arah dan tidak bisa kembali. Elektron pun menumpuk di satu sisi sel, dan penumpukan itulah yang terbaca sebagai tegangan, tanpa ada bahan yang habis karena yang dikonsumsi adalah cahayanya.

Apa itu LDR?

LDR adalah singkatan dari light dependent resistor, yaitu resistor yang nilai hambatannya berubah mengikuti cahaya yang mengenainya, dan bahan yang paling umum dipakai adalah kadmium sulfida. Dalam gelap hambatannya bisa mencapai jutaan ohm, sedangkan pada cahaya terang hambatannya turun sampai tinggal beberapa ratus ohm saja, dan perubahan sebesar itu cukup untuk menghidupkan atau mematikan relay.

Apa fungsi optoisolator?

Optoisolator memindahkan sinyal dari satu sisi rangkaian ke sisi lainnya tanpa ada sambungan listrik di antara keduanya, karena sinyal itu menyeberang sebagai cahaya melalui celah tembus pandang. Di dalamnya ada LED pada sisi masuk dan penerima cahaya berupa fototransistor atau triac pada sisi keluar, sehingga kedua sisi bisa berada pada tegangan yang sangat berbeda tanpa saling mengganggu.

Apa beda sel fotovoltaik dan fotokonduktif?

Sel fotovoltaik menghasilkan tegangan sendiri saat terkena cahaya sehingga tidak membutuhkan catu daya dari luar, dan contohnya adalah sel surya silikon. Sel fotokonduktif tidak menghasilkan tegangan sama sekali dan justru membutuhkan sumber tegangan luar, karena yang berubah karena cahaya hanyalah besar hambatannya, dan contohnya adalah LDR kadmium sulfida.

Kenapa optoisolator dipakai pada papan kendali?

Karena papan kendali inverter bekerja pada tegangan rendah seperti 5 volt atau 24 volt searah sementara sisi dayanya bekerja pada ratusan volt, dan menghubungkan keduanya dengan kawat berarti satu gangguan di sisi daya bisa langsung menghancurkan papan kendalinya. Optoisolator memutus jalur listrik di antara kedua sisi itu sambil tetap meneruskan perintahnya sebagai cahaya, sehingga kerusakan tidak merambat ke sisi kendali maupun ke PLC yang tersambung padanya.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 3, bagian Other Sources of Electricity, subbagian Electricity from Light (modul internal Motor Academy).
• Kunci kuis modul nomor 9: fotovoltaik, fotokonduktif, dan fotoemisi adalah perangkat fotolistrik.
• Nilai hambatan LDR kadmium sulfida pada keadaan gelap dan terang mengikuti rentang umum yang dicantumkan lembar data komponen.