[TUTORIAL] Optocoupler - Teori dan Penerapan

Pendahuluan

Optocoupler, atau dikenal juga sebagai opto-isolator maupun photocoupler, adalah komponen elektronika yang mentransfer sinyal listrik antara dua bagian (bagian sumber dan bagian penerima) melalui cahaya. Bagian sumber adalah LED (light emitting diode) dan bagian penerima bisa berupa photo-transistor, photo-darlington, photo-SCR, maupun photo-TRIAC. Bagian sumber dan bagian penerima tidak kontak atau terhubung secara fisik, namun sepenuhnya terpisah. Optocoupler melindungi bagian sinyal kuat (tegangan tinggi) untuk memengaruhi sistem di bagian yang menggunakan sinyal rendah (tegangan rendah). Sebagai contoh, ketika kita ingin menyalakan pompa air menggunakan mikrokontroler, kita ingin agar bagian mikrokontroler dan komponen-komponennya tidak dipengaruhi oleh beban (pompa) tersebut. Selain itu, terdapat berbagai penggunaan optocoupler, diantaranya microprocessor input/output switching, PC communications, DC-AC power control, signal isolation, dan sebagainya.

Salah satu optocoupler yang paling umum digunakan adalah gabungan antara LED dan phototransistor, seperti yang terlihat pada Gambar 1. Seperti yang telah kita ketahui bersama, arus kolektor dapat mengalir menuju emiter hanya jika terdapat arus basis. Cahaya pada LED akan jatuh pada area basis sehingga arus basis dapat dibangkitkan. Salah satu parameter yang penting pada optocoupler adalah CTR (Current Transfer Ratio). CTR ini mirip denga HFE atau ß pada transitor. HFE pada transitor umumnya diatas 100, namun CTR sering bernilai kurang dari 1, dan ditulis dalam persen. Misal, CTR 40%, berarti jika input arus adalah 10mA, maka outputnya hanya 4mA. Besarnya nilai CTR tergantung dari penguatan transistor, tegangan suplai ke transistor, serta suhu lingkungan.

[[{"fid":"817","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"optocoupler arduino","field_file_image_title_text[und][0][value]":"optocoupler arduino"},"type":"media","link_text":null,"field_deltas":{"1":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"optocoupler arduino","field_file_image_title_text[und][0][value]":"optocoupler arduino"}},"attributes":{"alt":"optocoupler arduino","title":"optocoupler arduino","height":"237","width":"432","style":"width: 300px; height: 165px;","class":"media-element file-default","data-delta":"1"}}]]

Gambar 1. Konfigurasi optocoupler

Dalam penerapannya, sebuah optocoupler dapat diperoleh dari sebuah IC (integrated circuit), misalnya IC seri CNY17-X, PC817, seri PS2501-X, seri MOCD20X, seri MOCD21X, seri 4N2X, seri 4N3X, seri H11AX, dan sebagainya. Tentunya, kita harus perhatikan spesifikasi tiap-tiap IC melalui datasheet yang telah disediakan oleh pabrikan. Amatilah contoh konfigurasi IC 4N35 berikut:

[[{"fid":"818","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"optocoupler arduino","field_file_image_title_text[und][0][value]":"optocoupler arduino"},"type":"media","link_text":null,"field_deltas":{"2":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"optocoupler arduino","field_file_image_title_text[und][0][value]":"optocoupler arduino"}},"attributes":{"alt":"optocoupler arduino","title":"optocoupler arduino","height":"297","width":"842","style":"width: 500px; height: 176px;","class":"media-element file-default","data-delta":"2"}}]]

Gambar 2. Konfigurasi optocoupler 4N35

Penerapan Optocoupler 

Ada dua fungsi utama transistor, yaitu sebagai saklar (switch) dan sebagai penguat (amplifier). Saklar identik dengan mode digital, sedangkan penguat identik dengan mode analog. Konsepnya sederhana. Jika menginginkan transistor sebagai saklar, maka buatlah transistor tersebut pada posisi saturasi atau cutoff secara bergantian. Sedangkan sebagai penguat, buatlah berada dikedua daerah tersebut. Namun demikian, pada tutorial kali ini, kita tidak akan membahas mengenai teori transistor.

Optocoupler pada Mode Digital

[[{"fid":"819","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"optocoupler arduino","field_file_image_title_text[und][0][value]":"optocoupler arduino"},"type":"media","link_text":null,"field_deltas":{"3":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"optocoupler arduino","field_file_image_title_text[und][0][value]":"optocoupler arduino"}},"attributes":{"alt":"optocoupler arduino","title":"optocoupler arduino","height":"213","width":"329","class":"media-element file-default","data-delta":"3"}}]]

Gambar 3. Optocoupler sebagai saklar

Jika diterapkan sebagai saklar (mode digital), sinyal output akan bernilai HIGH (~VCC), maupun LOW (level ground). 

Asumsi kita menggunakan IC 4N35. Berdasarkan spesifikasi, jika input 10mA (sesuai dengan test condition pada datasheet), maka minimum CTR adalah 40. Dengan demikian, outputnya adalah 40% x 10mA = 4mA. Asumsi suplai transistor (VCC) bekerja dengan level tegangan 12V. Dengan demikian, resistor pull-up (R2 pada Gambar 3) yang digunakan harus minimal 12V/4mA = 3kOhm, agar memungkinkan transistor berada pada posisi LOW. Nilai 3kOhm adalah nilai kalkulasi. Nilai aktual (sebenarnya) yang dipakai umumnya adalah 2 x Rkalkulasi = 6 kOhm. Tegangan jatuh pada LED adalah sebesar 1,7 V. Jika input sebesar 5V dan suplai arus sebesar 10mA (dari Arduino misalnya), maka nilai maksimum R1 = (5V-1.7V)/10mA ≈ 330 Ohm. Pada datasheet, diperoleh keterangan bahwa maksimum arus yang diizinkan adalah 50mA. kondisi ini masih aman, sebab maksimum arus yang mampu dikeluarkan oleh pin Arduino adalah 40mA, dan direkomendasikan sebesar 20mA.

Optocoupler pada Mode Analog

Pada mode analog, transistor akan memberikan output dengan nilai tertentu (tidak hanya HIGH dan LOW). Amatilah contoh konfigurasinya seperti pada Gambar 4.

[[{"fid":"822","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"optocoupler arduino","field_file_image_title_text[und][0][value]":"optocoupler arduino"},"type":"media","link_text":null,"field_deltas":{"4":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"optocoupler arduino","field_file_image_title_text[und][0][value]":"optocoupler arduino"}},"attributes":{"alt":"optocoupler arduino","title":"optocoupler arduino","height":"400","width":"570","style":"width: 400px; height: 281px;","class":"media-element file-default","data-delta":"4"}}]]

Gambar 3. Optocoupler mode analog

Yang perlu diperhatikan pada mode ini adalah nilai RL. RL harus memenuhi aturan, yaitu:

[[{"fid":"823","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":false,"field_file_image_title_text[und][0][value]":false},"type":"media","link_text":null,"field_deltas":{"5":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":false,"field_file_image_title_text[und][0][value]":false}},"attributes":{"height":"76","width":"357","style":"width: 250px; height: 64px;","class":"media-element file-default","data-delta":"5"}}]]

Merujuk kasus sebeumnya, asumsi bahwa nilai Ie sama dengan Ic, yaitu 4mA (input 10mA dan CTR 40%) dan input VCC adalah 12Volt. Maka RL makimum adalah (12V - 0.7V)/4mA ≈ 2.8kOhm. Biasanya nilai RL kita jaga kecil, umumnya sekitar 470 Ohm atau lebih kecil.

Demikian tutorial kali ini, semoga bermanfaat :)

Referensi

Design Guidelines for Transistor Output Optocouplers. https://www.ecnmag.com/article/2010/12/design-guidelines-transistor-output-optocouplers. Diakses 17 Juli 2016

Opto Isolated Arduino Input. http://electronics.stackexchange.com/questions/36517/opto-isolated-arduino-input. Diakses 17 Juli 2016

Optocoupler Tutorial. http://www.electronics-tutorials.ws/blog/optocoupler.html.Diakses 17 Juli 2016

Opto-isolator. https://en.wikipedia.org/wiki/Opto-isolator. Diakses 17 Juli 2016