## Pengembangan Model Pengukuran Intensitas Cahaya dalam Fotometri
1, W. Hartati & 2 Suprijadi
1 Program Magister Pengajaran Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, ITB
Jl. Ganesha no. 10 Bandung 40132
2 MTsN Pasir Bungur
Jl. Leuwidmar Km. 12 Cimarga Lebak
wetty_itb@yahoo.co.id
Received date : 4 Oktober 2010 Accepted date : 18 Oktober 2010

## Abstrak
Cahaya  merupakan  salah  satu  besaran  fisis  yang  harus  dipahami  fenomenanya  sejak  dini. Pemahaman  fenomena  fisis  di  tingkat  sekolah  menengah  pada  umumnya  berbasis  pada  teori, dikarenakan kurangnya peralatan eksperimen cahaya yang berharga cukup mahal. Pada penelitian ini dikembangkan model  eksperimen pengukuran intensitas cahaya yang menggunakan alat ukur yang dikembangkan  secara  mandiri.  Dengan  menggunakan  kombinasi  Fotosel  dan  mikrokontroler  telah dibangun  sistem  pengukuran  intensitas  cahaya  dengan  kesalahan  relatif  3,5%  pada  rentang pengukuran 100 lux sampai dengan 5000 lux.
Kata kunci: intensitas cahaya, fotometri, fotosel, mikrokontroler

## Abstract
Light  is  one  of  physical  quantities  which  its  phenomena  must  be  introduced  from  an  early  age.  A theoretical based approach is generally used to teach about lighting phenomena at the junior and high school level, but lack of experiments because  of the equipments are quite expensive. This research has  developed  a  light  intensity  measurement  model  using  the  instruments  which  assembled independently.  Light  intensity  measurement  system  is  built  by  combination  of  photocell  and microcontroller, and has 3.5% relative error at range 100 – 50000 lux.
Keywords: light intensity, photometry, photocell, microcontroller

## 1 Pendahuluan
Cahaya  mempunyai  peranan  yang  sangat  penting  dalam  kehidupan  sehari-hari  misalnya cahaya lampu, dimana  iluminansi cahaya  bergantung pada jarak terhadap  sumber cahaya tersebut.  Metode  eksperimen  merupakan  salah  satu  faktor  yang  sangat  penting  dalam pembelajaran di ASISTM (Australia School Inovation in Science, Technology & Mathematics). Dalam  Percobaan  intensitas  cahaya  yang  menyelidiki  hubungan  iluminansi  cahaya  dan jarak  dari  sumber  cahaya  dengan  menggunakan  luxmeter [1] .  Selain  itu,  Pencahayaan merupakan  salah  satu  faktor  penting  dalam  desain  dan  operasionalisasi  sarana pendidikan.  Ruang  kelas  adalah  salah  satu  sarana  dengan  aktivitas  utama  baca -tulis, sehingga iluminansi cahaya minimum yang diharapkan adalah 250 lux. Sedangkan standar di negara kita tentang iluminansi cahaya untuk kelas yaitu 200 - 300 lux [2].
Besarnya  iluminansi  cahaya  perlu  untuk  diketahui  karena  pada  dasarnya  manusia memerlukan pencahayaan yang cukup. Iluminansi cahaya adalah suatu besaran fisika yang sangat mempengaruhi kondisi suatu tempat misalnya  kelembaban, suhu dan lain-lain. Alat untuk mengukur iluminansi cahaya adalah luxmeter atau light meter. Akan tetapi, alat ukur ini  agak  sulit  diperoleh  dan  harga  alat  tersebut  terlalu  mahal  sehingga  hanya  dapat ditemukan di laboratorium sekolah tertentu atau perguruan tinggi.
Pemahaman  fenomena  fisis  mengenai  cahaya  di  tingkat  SMA/MA  dan  SMP/MTs  pada umumnya  berbasis  pada  teori,  dikarenakan  kurangnya  peralatan  eksperimen  cahaya  yang berharga  cukup  mahal.  Oleh  karena  itu,  dalam  penelitian  ini  dibuat  alat  ukur  iluminansi cahaya.
Implementasi  dari  alat  ukur  ini  dapat  digunakan  untuk  kegiatan  proses  pembelajaran  di sekolah  berbasis  penelitian  dan  kontekstual  dengan  tujuan  siswa  dapat  belajar banyak tentang manfaat dari alat ukur iluminansi cahaya dalam kehidupan sehari-hari. Oleh karena itu,  dalam  penelitian  ini  juga  dibuat  desain  alat  praktikum  untuk  menentukan  intensitas cahaya

## 2 Teori Dasar
Fotometri  adalah  ilmu  yang  mempelajari  tentang  pengukuran  kuantitas  cahaya.  Cahaya yang dimaksud adalah cahaya tampak, dimana cahaya tampak merupakan salah satu jenis gelombang elektromagnetik.

## 2.1 Intensitas Cahaya (I) dan Fluks Cahaya (Φ)
Luminous  intensity  atau  intensitas  cahaya  I  didefinisikan  sebagai  banyaknya  fluks  cahaya yang memancar Φ per sudut ruang ω :
   I (1)
Total  sudut  ruang  adalah  ω  =  4π  (Steradian).  Fluks  cahaya  adalah  besarnya  intensitas cahaya yang memancar pada sudut ruang tertentu [3].

## 2.2 Iluminansi Cahaya
Iluminansi  cahaya  adalah  sinar  yang  jatuh  (datang)  pada  sebuah  permukaan  atau  fluks cahaya yang menerangi bidang tiap satu satuan luas, sehingga dapat ditulis persamaan
A E   (2)
Karena  fluks  cahaya  yang  memancarkan  dari  titik  seluruh  ruang  adalah  Φ  =  4πI  dan  luas permukaan  bola  adalah  A  =  4πR 2 ,  suatu  sumber  intensitas  cahaya  I  menghasilkan iluminansi total adalah
2 R I E  (3)
Ini  menunjukkan  bahwa  iluminansi  pada  jarak  R  berbanding  lurus  terhadap  intensitas cahaya sumber dan berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak  [4].

## 3 Desain Alat dan Pengukuran
Dalam  perancangan  sistem  alat  ukur  intensitas  cahaya,  dibuat  diagram  blok  yang ditunjukan pada gambar di bawah ini:
Gambar 1 Diagram blok rancangan alat
Sesuai dengan diagram blok di ata s, maka sistem ini terdiri atas:
1. Sensor cahaya yang digunakan adalah fotosel.
2. Pengolah  isyarat  terdiri  dari  operational  amplifier  (op  amp)  yaitu  IC  LM358  dan rangkaian filter yaitu filter aktif sallen-key butterworth.
3. Mikrokontroler dalam penelitian ini adalah mikrokontroler AVR tipe Atmega8.
4. Seven-segmen  berfungsi  untuk  menampilkan  angka-angka  yang  diterima  dari mikrokontroler

## 3.1 Sensor Cahaya
Sensor  cahaya  yang  digunakan  adalah  fotosel  atau  fotovoltaik  sel.  Fotovoltaik  sel  diberi nama  demikian  sesuai  dengan  apa  yang  dilakukannya:  yaitu  mengkonversi  cahaya  ("foto") menjadi  listrik  ("voltaic").  Sel  ini  terbuat  dari  bahan  semikonduktor.  Elektron  dalam  atom semikonduktor tidak bebas untuk bergerak kecuali mendapatkan  sejumlah energi. Elektron ini dapat memperoleh energi dari cahaya yang mengenai semikonduktor pada fotosel.
Gambar 2 Diagram penampang fotosel
Ketika menyinari fotosel, cahaya memiliki sekumpulan energi yang disebut foton, sehingga semakin  besar  frekuensi  cahaya,  semakin  besar  pula  energi  foton  tersebut.  Jika  energi foton cukup besar, ini dapat memberikan energi pada elektron dan membebaskannya dari ikatan kovalen. Dengan demikian terjadi penyeberangan elektron pada sisi-p di p-n junction ke semikonduktor tipe-n, elektron akan bebas bergerak dan menghasilkan arus listrik. Jika fotosel  tersebut  dihubungkan  ke  rangkaian  listrik,  elektron  akan  mengalir  dari semikonduktor  tipe-n  melalui  rangkaian  menuju  semikonduktor  tipe -p,  seperti  halnya elektron bergerak da ri terminal negatif pada sebuah baterai ke terminal positif. Energi yang diperoleh dari cahaya sama seperti energi yang diperoleh elektron dari baterai [5].
Fotosel  yang  digunakan  mempunyai  keluaran  maksimum  sebesar  200  mV.  Keluaran  ini perlu diperkuat sehingga  dapat mencapai masukan maksimum untuk ADC yang  digunakan yaitu 2,56 V. Oleh karena itu dibuatlah opamp non inverting.

## 3.2 Pengolah Isyarat
Pengolah  isyarat  terdiri  dari  penguat  isyarat  jenis  noninverting  dengan  penguatan  11  kali dan rangkaian filter. Rangkaian filter yang digunakan yaitu filter aktif sallen-key butterworth dengan  frekuensi  pole  sebesar  7,2  Hz.  Dengan  nilai  frekuensi  tersebut,  maka  frekuensi noise diatas 7,2 Hz diblok oleh filter ini.

## 3.3 Mikrokontroller
Pada  penelitian  ini  menggunakan  mikrokontroler  AVR  dengan  tipe  Atmega8  yang  banyak digunakan untuk sistem relatif sederhana dan berukuran kecil.

## 3.3.1 Konverter Analog ke Digital (ADC)
Mikrokontroler  ATmega8  memiliki  fasilitas  konverter  analog  ke  digital  yang  sudah  built -in dalam  chip.  Fitur  ADC  internal  inilah  yang  menjadi  salah  satu  kelebihan  mikrokontroler ATmega8  bila  dibandingkan  dengan  beberapa  jenis  mikrokontroler  yang  lain.  Dengan adanya  ADC  internal  tidak  direpotkan  lagi  dengan  kompleksitas  hardware  saat membutuhkan  proses  pengubahan  sinyal  dari  analog  ke  digital  seperti  yang  harus dilakukan  jika  memakai komponen  IC  ADC  internal.  Sinyal  input  ADC  tidak  boleh  melebihi tegangan referensi.
ATmega8 memiliki resolusi ADC 10-bit, sinyal input dari pin adc akan dipilih oleh multiplexer (register ADMUX) untuk diproses oleh ADC. Karena converter ADC  dalam IC hanya satu buah dan  saluran  inputnya  ada  delapan  maka  dibutuhkan  multiplexer  untuk  memilih  input  pin adc  secara  bergantian.  ADC  mempunyai  catu  daya  yan g  terpisah  yaitu  pin  AVCC-AGND.
AVCC tidak boleh berbeda ± 0,3 V dari Vcc.
Operasi  adc  membutuhkan  tegangan  referensi  Vref  dan  clock  fade  (register  ADCSRA). Tegangan  referensi eksternal  pada pin Aref tidak boleh melebihi AVCC.  Tegangan referensi eksternal dapat di decouple pada pin  Aref  dengan kapasitor untuk mengurangi  noise atau dapat menggunakan  tegangan  referensi internal sebesar 2,56 V (pin AREF diberi kapasitor secara eksternal untuk menstabilkan tegangan referensi internal). GN D (0 volt)  adalah nilai minimum  yang  mewakilimai  ADC  dan  nilai  maximum  ADC  diwakili  oleh  tegangan  pada  pin AREF. Hasil konversi ADC disimpan dalam  register pasangan ADCH:ADCL [6].

## 3.4 Pencacahan Sinyal
Gambar 3 Flowchart program alat ukur iluminansi cahaya
Program dimulai setelah beberapa saat catu daya dinyalakan, pada awal program dilakukan inisialisasi fungsi keadaan awal  port, variabel  global  yang digunakan, konfigurasi  referensi, multiplekser untuk ADC dan timer/counter 1 dan 2. Setelah semua diinisialisasi, maka ADC mulai  mengambil  data,  data  yang  diambil  dari  ADC  kemudian  dimasukkan  ke  dalam persamaan.  Hasilnya  kemudian  disimpan  ke  dalam   memori.  Tahap  berikutnya  adalah menampilkan data hasil dari persamaan ke display.
Setelah  data  ditampilkan,  dilakukan  penundaan  untuk  pengam bilan  data  berikutnya. Penundaan  ini  diperlukan  agar  pembacaan  ADC  tidak  terlalu  cepat.  Sehingga  perubahan pada display juga tidak terlalu cepat. Ini diperlukan untuk menyesuaikan perubahan display dengan kecepatan pembacaan mata. Lamanya penundaan adalah  sekitar 250 ms, artinya ada perubahan display setiap 1 detik.
Setelah  melalui  penundaan,  program  kembali  ke  pengambilan  data  oleh  ADC,  dan  data kembali ditampilkan pada display.

## 4 Hasil dan Pembahasan

## 4.1 Kalibrasi Alat Ukur Iluminansi Cahaya
Dalam  pembuatan  alat  ukur,  sebelum  alat  ukur  tersebut  dapat  digunakan  terlebih  dahulu dilakukan  proses  kalibrasi.  Kalibrasi  merupakan  suatu  proses  yang  penting  dimana dilakukan  perbandingan  alat  ukur  dengan  instrument  standar  yang  memiliki  keakuratan yang  tinggi  untuk  mendapatkan,  menyesuaikan,  mengoreksi  dan  membuktikan  kebenaran keakuratan alat yang dibandingkan [7].
Untuk mengkalibrasi sensor cahaya yang dibuat, perlu diketahui hubungan antara tegangan yang dihasilkan sensor cahaya dengan iluminansi cahaya yang diterima sensor. Oleh karena
itu diperlukan beberapa data tegangan keluaran dari rangkaian analog sensor cahaya dan besar iluminansi cahaya yang diterima sensor [7].
Kalibrasi  alat  ukur  iluminansi  cahaya  dilakukan  dengan  mengubah  jarak  antara  sumber cahaya  ke  sensor  yaitu  11-100  cm  seperti  pada  Gambar  4.  Sebagai  alat  ukur  referensi digunakan Luxmeter Lutron LX-101. Untuk mendapatkan sumber cahaya digunakan sebuah bola  lampu  pijar  Philips  220V/100  watt.  Kalibrasi  dilakukan  di  dalam   sebuah  ruangan gelap.

## Gambar 4 Kalibrasi alat ukur
Setelah  dilakukan  pengambilan  data  untuk  kalibrasi  sensor  maka  dibuat  kurva  hubungan antara  tegangan  sensor  dan  iluminansi  cahaya.  Dari  Gambar  5  tampak  bahwa  kurva hubungan iluminansi cahaya dan tegangan sensor berbentuk exponensial. Oleh k arena itu kurva  tersebut  dapat  didekati  dengan  fungsi  eksponensial  agar  menghasilkan  kesalahan yang kecil. Dari kurva di atas diperoleh persamaan aproksimasi yaitu:
x e x y 005 0 2 10 53 2 . .   (4)
Dengan  menggunakan  persamaan  ini  diperoleh  tingkat  kesalahan  yang  cukup  kecil  jika dibandingkan dengan model  yang lainnya, hal itu  ditandai dengan  nilai R 2 yang mendekati 1. Jika persamaan ini diaplikasikan pada tegangan keluaran sensor maka diharapkan hasil yang  mendekati  nilai  iluminansi  cahaya  yang  diberikan.  Setelah  persamaan  dimasukkan, dilakukan  pengujian  hasil  proses  kalibrasi  yang  dilakukan  dengan  membandingkan  hasil data 7-segmen dari sensor dan data dari luxmeter.
Untuk  variasi  iluminansi  cahaya,  sama  seperti  sebelumnya  dimana  data  diambil  dengan mengubah  jarak  sumber  cahaya  dan  sensor  cahaya.  Kurva  perbandingan  hasil  kalibrasi sensor dan nilai iluminansi cahaya dari luxmeter dapat dilihat pada Gambar 6 .
Gambar 5 Kurva hubungan iluminansi cahaya dan tegangan keluaran sensor
Gambar 6 Perbandingan antara E 7-segmen dan E lux
Gambar 7  menunjukkan gambar kurva kesalahan relatif hasil kalibrasi sensor.
Gambar 7 Kurva kesalahan relatif hasil kalibrasi sensor
Berdasarkan  kurva  di  atas  diperoleh  bahwa  kesalahan  relatif  hasil  kalibrasi  sensor  yaitu maksimum terjadi pada E lux 4000 lux sebesar -3,53% dan minimum  terjadi pada  E lux 1500 lux dan 100 lux sebesar -0,07%. Oleh karena itu, kesalahan maksimum yang dapat diterima sebesar ±3,5%, maka range alat ukur dimulai dari 100 lux sampai 5000 lux.

## 4.2 Implementasi Alat Ukur Iluminansi Cahaya
Tujuan dari pembuatan alat ukur ini adalah untuk mengukur intensitas cahaya dengan cara mengukur  iluminansi cahaya dari berbagai variasi lampu.  Dalam penelitian ini pengukuran intensitas  dilakukan  dengan  cara  memvariasikan  jarak  antara  sum ber  cahaya  dengan sensor  cahaya  untuk  masing-masing  lampu.  Interval  jarak  yang  digunakan  yaitu  5  cm dimulai dari 15 cm sampai 100 cm.  Variasi lampu  yang digunakan  yaitu lampu 100 W, 75 W,  60  W,  dan  40  W.  Adapun  penggunaan  variasi  lampu  yaitu  untuk  mencari  perbedaan intensitas lampu tersebut.
Gambar 8 Rancangan alat percobaan untuk mengukur intensitas cahaya
Secara teori perubahan iluminansi cahaya berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya, ini sesuai  dengan  persamaan  (3).  Sehingga  dengan  membuat  grafik   E  terhadap  1/R 2 dan kemudian  didekati  dengan  persamaan  linier  akan  diperoleh  besar  intensitas  melalui gradien kurva. Misalkan diperoleh persamaan linier.
b R a E   2
(5)
maka intensitas  yang diperoleh adalah a, satuannya adalah lm/sr.  Sedangkan E dalam lux (lm/m 2 ) dan R dalam meter.
Grafik  E  dan  1/  R 2 dibuat  untuk  masing-masing  lampu,  sehingga  untuk  masing-masing lampu  tersebut  diperoleh  satu  persamaan.  Dengan  demikian,  dari  persamaan  ini  akan diperoleh  intensitas  dari  lampu  yang  diuji.  Hasil  pengukuran  untuk  variasi  lampu  grafik dapat dilihat pada Gambar 9.
Untuk  no.1  merupakan  lampu  100  W,  diperoleh  kurva  cukup  linier  dengan  R 2 =  0,9982. Dari Gambar 9 diperoleh
9 154 23 128 2 . .   R E (6)
Menurut  persamaan  (3)  gradien  persamaan  linier  dari  grafik  E  terhadap  1/  R 2 merupakan intensitas  dari  cahaya,  maka  untuk  lampu  100  W  diperoleh  intensitas  cahaya  sebesar 128,23 candela. No. 2 yaitu untuk lampu 60 W diperoleh persamaan linier:
34 113 31 96 2 . .   R E (7)
dengan  demikian  dapat  diketahui  intensitas  cahaya  untuk  lampu  60  W,  yaitu  sebesar 96,31 candela. Untuk No. 3 yaitu lampu 40 W, dari gambar 9 diperoleh persamaan:
77 55 17 58 2 . .   R E (8)
dengan  demikian  didapatkan  besar  intensitas  cahaya  untuk  lampu  40  W  yaitu  sebesar 58,17 candela.
Gambar 9 Kurva jarak dan iluminansi cahaya untuk variasi lampu yang berbeda
Dari  hasil  ini  dapat  dilihat  bahwa  untuk  lampu  dengan  watt  lebih  kecil  memiliki  intensitas cahaya  yang  lebih  kecil  dari  pada  lampu  dengan  watt  lebih  besar.  Ini  sesuai  dengan  daya listrik  yang  dikonsumsi  oleh  lampu  tersebut,  semakin  besar  daya  listrik  yang  dikonsumsi maka  semakin  besar  pula  intensitas  cahaya  yang  dipancarkan.  Dengan  demikian  pola  ini
akan  dipenuhi  untuk  lampu  yang  lain.  Dimana  semakin  kecil  dayanya  semakin  kecil  juga intensitas cahayanya.

## 5 Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan yaitu sebagai berikut:
1. Telah  dikembangkan  model  pengukuran  intensitas  cahaya  dalam  fotometri  dengan mempelajari hubungan jarak terhadap iluminasi cahaya.
2. Alat  yang  dibuat  memiliki  kesalahan  relatif  maksimum  pada  Elux  4000  lux  sebesar  - 3,53%  dan  minimum  pada  Elux  1500  lux  dan  100  lux  sebesar  -0,07%,  sehingga kesalahan relatif yang dapat diterima sebesar ±3,5% dengan range pengukuran antara 100 lux sampai 5000 lux.
3. Dengan mengubah jarak sensor ke sumbar cahaya dapat ditentukan intensitas cahaya.

## 6 Referensi
[1] http://com/experiments/physics/34-Inverse-square- SV.pdf - 2008-10-23.
[2] Darmasetiawan,  C.  and  Puspakesuma,  L.  1991,  Teknik  Pencahayaan  dan  Tata  Letak Lampu, Gramedia, Jakarta.
[3] Frederick  Bueche,  David  L.  Wallach.,  1994, Technical  Physics  4th  Ed ,  John  Wiley  & Sons, Inc.
[4] Sears,  Francis  Weston.,  1948, Principles  of  Physics  III  Optics ,  Addison-Wesley  Press, Inc.
[5] John  C.  C.  Fan,  “Solar  Cells:  Plugging  into  the  Sun,” Tech.  Rev. ,  80  (7),  14  (Aug/Sep 1978).
[6] Winoto,  Ardi.,  2008,  Mikrokontroler  AVR  ATmega8/32/16/8535  dan  Pemrograman dengan Bahasa C  pada WinAVR, Penerbit Informatika, Bandung.
[7] Cable,  Mike.,  2005, Calibration:  A  Technician's  Guide ,  The  International  Society  of Automation.

## 7 Ucapan Terima Kasih
1. Departemen  Agama  RI  yang  telah  memberikan  beasiswa  dan  FMIPA  ITB  dalam kerangka kerjasama Program  Magister Pengajaran Fisika tahun 2007-2009.
2. MTsN  Pasir  Bungur  Cimarga  yang  telah  memberikan  kesempatan  untuk  mengikuti Program Magister Pengajaran Fisika ITB.
3. Staf Pengajar Program Magister Pengajaran Fisika ITB