SENSOR SUHU

[menuju akhir]

SENSOR SUHU LM35

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

• 1. Pendahuluan
• 2. Mekanisme Perpindahan Elektron
• 3. Rangkaian Internal dan Pemodelan Elektrik
• 4. Responsivitas dan Sensitivitas: Parameter Kunci
• 5. Analisis Rangkaian Transimpedansi sebagai Alternatif
• 6. Karakteristik Dinamis dan Pertimbangan Praktis
• 7. Penutup dan Rekomendasi Akhir

1. Pendahuluan [Kembali]

LM35 adalah sensor suhu berbasis semikonduktor yang diproduksi oleh Texas Instruments (sebelumnya National Semiconductor), yang telah menjadi komponen standar dalam dunia elektronika selama lebih dari empat dekade. Popularitasnya tidak muncul tanpa alasan: LM35 menawarkan kemudahan penggunaan yang luar biasa dengan kemasan tiga-pin (TO-92 atau SOT-23), tegangan output yang terkalibrasi secara linear sebesar 10 mV/°C, akurasi ±0.5°C pada suhu ruang, dan rentang pengukuran yang lebar dari -55°C hingga +150°C. Tidak seperti termistor yang memerlukan linearisasi eksternal atau termokopel yang membutuhkan kompensasi cold-junction, LM35 siap digunakan tanpa kalibrasi tambahan.

Keunggulan lain yang membuat LM35 tetap relevan di era sensor digital adalah konsumsi daya yang sangat rendah (kurang dari 60 µA), impedansi output yang kecil (< 0.1 Ω), dan tegangan operasi yang fleksibel (4–30 V DC). Namun, untuk memanfaatkan sensor ini secara optimal dalam sistem pengukuran presisi, penting untuk memahami bukan hanya cara menggunakannya, tetapi juga prinsip fisika di balik operasinya — yaitu bagaimana perubahan suhu mempengaruhi perilaku elektron dalam sambungan PN silikon, dan bagaimana rangkaian internal mengubah efek tersebut menjadi tegangan output yang stabil dan linear. Artikel ini akan membahas secara berurutan: mekanisme perpindahan elektron yang mendasari sensitivitas suhu pada dioda, arsitektur rangkaian internal LM35, pemodelan elektrik dan parameter responsivitas, alternatif rangkaian pengkondisian sinyal, serta karakteristik dinamis dan pertimbangan praktis dalam aplikasi nyata.

2. Mekanisme Perpindahan Elektron [Kembali]

2.1 Fenomena Dasar pada Sambungan PN

Pada inti dari setiap sensor suhu berbasis semikonduktor terdapat sambungan PN (dioda atau transistor bipolar). Ketika sebuah dioda diberi bias maju (forward bias), elektron dari daerah tipe-N akan melintasi sambungan menuju daerah tipe-P, sementara hole bergerak ke arah sebaliknya, menghasilkan arus difusi. Arus ini sangat bergantung pada suhu melalui dua mekanisme utama:

Pertama, energi kinetik rata-rata elektron meningkat seiring suhu (sesuai distribusi Maxwell-Boltzmann), sehingga lebih banyak elektron yang memiliki energi cukup untuk melintasi potensial barrier sambungan. Ini menyebabkan arus difusi meningkat secara eksponensial terhadap suhu.

Kedua, celah pita energi (band gap) silikon, yaitu energi minimum yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi, menurun dengan meningkatnya suhu. Penurunan ini mengikuti persamaan empiris Varshni:

dengan E_g(0) ≈ 1.17 eV untuk silikon, α ≈ 4.73 × 10⁻⁴ eV/K, dan β ≈ 636 K. Akibatnya, pada suhu yang lebih tinggi, lebih banyak elektron yang dapat tereksitasi ke pita konduksi, meningkatkan konsentrasi pembawa muatan intrinsik n_i:

di mana N_c dan N_v adalah kerapatan keadaan efektif di pita konduksi dan valensi, k adalah konstanta Boltzmann, dan T adalah suhu absolut.

2.2 Perilaku Tegangan Maju Dioda terhadap Suhu

Pada kondisi bias maju, tegangan dioda V_F (atau V_BE pada transistor) dinyatakan oleh persamaan Shockley:

Untuk V_D ≫ kT/q (sekitar 25 mV pada suhu ruang), persamaan ini dapat disederhanakan menjadi:

Faktor penting dalam persamaan ini adalah I_S, arus saturasi balik, yang memiliki ketergantungan eksponensial terhadap suhu:

dengan γ ≈ 3 untuk silikon. Karena E_g ≫ kT (sekitar 1.1 eV vs 0.026 eV pada suhu ruang), variasi I_S terhadap suhu mendominasi perilaku V_D. Ketika suhu naik, I_S meningkat secara eksponensial, yang menyebabkan V_D turun meskipun arus I_D dijaga konstan. Koefisien suhu tegangan dioda pada arus konstan adalah:

Nilai negatif ini adalah dasar dari efek termometer pada dioda — tegangan maju menurun secara hampir linear terhadap kenaikan suhu, dengan slope sekitar -2 mV/°C.

2.3 Dari Efek Dioda Menuju Sensor Linear: Peran ΔV_BE

Meskipun V_BE dari satu transistor dapat digunakan sebagai indikator suhu, ia memiliki dua kelemahan fundamental: (1) ketergantungannya terhadap arus bias, dan (2) variasi antar perangkat karena toleransi proses manufaktur. LM35 mengatasi masalah ini dengan menggunakan prinsip band-gap reference, yang memanfaatkan selisih tegangan base-emitter (ΔV_BE) dari dua transistor yang dioperasikan pada kerapatan arus yang berbeda.

Jika dua transistor identik dioperasikan pada arus kolektor I_C1 dan I_C2, dengan I_C1 ≠ I_C2, maka selisih tegangan base-emitter adalah:

Karena rasio arus I_C1/I_C2 dijaga konstan oleh rangkaian internal, maka ΔV_BE berbanding lurus dengan suhu absolut T (PTAT — Proportional To Absolute Temperature). Nilainya sekitar 0.08–0.2 mV/°C tergantung pada rasio arus yang dipilih.

Poin penting mekanisme perpindahan elektron:

• Kenaikan suhu meningkatkan energi kinetik elektron dan menurunkan celah pita energi silikon, sehingga lebih banyak elektron tereksitasi ke pita konduksi.
• Tegangan maju dioda V_BE menurun sekitar -2 mV/°C karena arus saturasi balik I_S meningkat eksponensial terhadap suhu (efek CTAT).
• V_BE saja memiliki ketergantungan pada arus dan variasi proses manufaktur, sehingga tidak ideal sebagai sensor presisi.
• Selisih tegangan ΔV_BE dari dua transistor dengan kerapatan arus berbeda bersifat PTAT dan menjadi fondasi referensi band-gap.

3. Rangkaian Internal dan Pemodelan Elektrik [Kembali]

3.1 Arsitektur Band-Gap Reference pada LM35

LM35 menggunakan topologi band-gap reference yang menggabungkan dua sinyal dengan koefisien suhu berlawanan:

1. Sinyal CTAT (V_BE): menurun sekitar -2 mV/°C.
2. Sinyal PTAT (ΔV_BE): meningkat sebanding dengan suhu absolut, dengan slope sekitar +0.2 mV/°C.

Rangkaian internal mengalikan sinyal PTAT dengan faktor K (sekitar 10) dan menjumlahkannya dengan V_BE:

Pemilihan K dilakukan sedemikian rupa sehingga turunan total terhadap suhu menjadi nol:

Dengan nilai tipikal dV_BE/dT ≈ -2 mV/°C dan d(ΔV_BE)/dT ≈ +0.2 mV/°C, maka K ≈ 10. Hasilnya adalah tegangan referensi V_BG yang stabil terhadap suhu, mendekati tegangan band-gap silikon sekitar 1.2 V. Tegangan referensi yang stabil ini kemudian diproses lebih lanjut untuk menghasilkan output 10 mV/°C dengan offset 0V pada 0°C.

3.2 Diagram Blok Fungsional

Secara blok, rangkaian internal LM35 terdiri dari:

1. Core Sensor Band-Gap: menghasilkan tegangan proporsional terhadap suhu absolut.
2. Penguat dan Linearizer: mengatur skala dan offset agar output tepat 0V pada 0°C dan 10 mV/°C.
3. Buffer Output (Op-Amp): menyediakan impedansi output rendah (< 0.1 Ω) dan kemampuan menggerakkan beban hingga 10 mA.
4. Proteksi Internal: melindungi dari hubung singkat dan polaritas terbalik.

3.3 Model Elektrik Ekivalen

Dari sisi pengguna, LM35 dapat dimodelkan sebagai sumber tegangan terprogram, di mana tegangan output merupakan fungsi linear dari suhu:

Namun, untuk analisis rangkaian yang lebih akurat, perlu mempertimbangkan impedansi output dan arus beban. Model ekivalen sederhana adalah sumber tegangan ideal V_OUT yang terhubung seri dengan resistor output R_OUT (≈ 0.1 Ω). Ketika sensor mengalirkan arus beban I_L, tegangan yang terukur pada beban adalah:

Untuk arus beban 10 mA, penurunan tegangan hanya sekitar 1 mV (setara dengan 0.1°C), yang masih dapat diterima. Namun, jika arus beban melebihi 10 mA, op-amp internal tidak lagi mampu mempertahankan linearitas, dan output akan mengalami distorsi.

Selain itu, terdapat efek pemanasan sendiri yang muncul akibat disipasi daya internal. Daya yang didisipasi oleh sensor adalah:

dengan I_Q ≈ 60 µA adalah arus kerja sensor, dan R_L adalah resistansi beban. Kenaikan suhu pada sambungan (junction) akibat disipasi daya ini adalah:

di mana θ_JA adalah resistansi termal antara sambungan dan udara sekitar — sekitar 200–300°C/W untuk kemasan TO-92 di udara diam. Pada tegangan suplai 5V dan tanpa beban, P_D ≈ 0.3 mW, sehingga ΔT_J ≈ 0.075°C — nilai yang dapat diabaikan.

Poin penting rangkaian internal dan pemodelan:

• LM35 menggabungkan sinyal CTAT (V_BE) dan PTAT (ΔV_BE) untuk menghasilkan referensi band-gap yang stabil terhadap suhu.
• Output merupakan fungsi linear V_OUT = 10 mV/°C × T(°C).
• Model ekivalen sederhana: sumber tegangan ideal dengan R_OUT ≈ 0.1 Ω.
• Arus beban maksimum 10 mA — di atas itu terjadi distorsi.
• Efek pemanasan sendiri < 0.1°C pada kondisi tipikal (5V, udara diam).

4. Responsivitas dan Sensitivitas: Parameter Kunci [Kembali]

4.1 Skala dan Sensitivitas

Sensitivitas S dari LM35 didefinisikan sebagai perubahan tegangan output per perubahan suhu:

Nilai ini konstan di seluruh rentang pengukuran -55°C hingga +150°C, menjadikan LM35 sebagai sensor dengan linearitas yang sangat baik. Sensitivitas ini juga dapat dinyatakan dalam bentuk relatif terhadap tegangan output (jika diperlukan untuk analisis variasi fractional):

yang menunjukkan bahwa kesalahan relatif lebih besar pada suhu rendah karena tegangan output kecil.

4.2 Responsivitas dalam Konteks Rangkaian

Dalam sistem akuisisi data, responsivitas sistem keseluruhan ditentukan oleh gabungan antara sensor dan ADC. Resolusi suhu yang dapat dicapai dengan ADC N-bit dan tegangan referensi V_REF adalah:

Sebagai contoh, dengan ADC 10-bit dan V_REF = 5V, resolusi adalah:

Untuk meningkatkan resolusi, dapat digunakan:

• ADC dengan resolusi lebih tinggi (12-bit → 0.122°C, 16-bit → 0.0076°C).
• Tegangan referensi yang lebih rendah (misal 1.1V internal Arduino → 0.107°C dengan ADC 10-bit).
• Teknik oversampling dan averaging untuk meningkatkan resolusi efektif.

4.3 Akurasi dan Faktor-Faktor yang Mempengaruhinya

Datasheet LM35 menyatakan akurasi tipikal ±0.5°C pada 25°C, dengan akurasi maksimum ±1.5°C di seluruh rentang suhu. Namun, akurasi ini mengacu pada kondisi ideal:

1. Tegangan suplai stabil dalam rentang 4–30V.
2. Arus beban sangat kecil (< 1 mA).
3. Sensor tidak mengalami pemanasan sendiri yang signifikan.
4. Kondisi termal stabil (tidak ada gradien suhu yang besar antara sensor dan objek yang diukur).

Untuk aplikasi yang memerlukan akurasi lebih tinggi, dapat dilakukan kalibrasi dua titik:

di mana V_offset dan S_kalibrasi ditentukan dar pengukuran pada dua suhu referensi yang diketahui. Kalibrasi ini akan mengkompensasi kesalahan offset dan gain yang mungkin timbul dari variasi proses manufaktur.

Poin penting responsivitas dan sensitivitas:

• Sensitivitas sensor adalah 10 mV/°C, konstan dan linear.
• Resolusi sistem tergantung pada ADC: 10-bit → ±0.49°C, 12-bit → ±0.12°C.
• Akurasi tipikal ±0.5°C pada 25°C; kalibrasi dua titik dapat meningkatkan akurasi.
• Faktor-faktor seperti tegangan suplai, arus beban, dan pemanasan sendiri mempengaruhi akurasi.

5. Analisis Rangkaian Transimpedansi sebagai Alternatif [Kembali]

5.1 Keterbatasan Pembacaan Langsung dengan ADC

Meskipun LM35 dapat langsung dihubungkan ke ADC mikrokontroler, ada beberapa situasi di mana konfigurasi ini kurang ideal:

• Jika tegangan suplai tidak stabil, output akan terpengaruh oleh power supply rejection ratio (PSRR) LM35 sekitar 0.01 V/V — perubahan 0.1V pada suplai menyebabkan error sekitar 0.01V pada output (setara 1°C).
• Jika kabel sensor panjang, resistansi kabel ground dapat menyebabkan error offset karena ground loop.
• Untuk aplikasi dengan rentang pengukuran kecil (misal 0–50°C), hanya 0–0.5V dari rentang ADC 0–5V yang terpakai, membuang sebagian besar resolusi ADC.

5.2 Rangkaian Penguat Non-Inverting

Rangkaian penguat non-inverting dapat digunakan untuk memperbesar sinyal LM35 agar memanfaatkan rentang ADC secara penuh:

Dengan memilih gain yang tepat, kita dapat memetakan rentang suhu yang diinginkan ke rentang tegangan penuh ADC. Misalnya, untuk rentang 0–50°C (output LM35 0–0.5V) dan ADC 5V, pilih gain 10 sehingga output menjadi 0–5V.

5.3 Penggunaan Komparator untuk Deteksi Ambang

Untuk aplikasi deteksi ambang suhu (misal alarm overheating), LM35 dapat dihubungkan ke komparator seperti LM393:

Tegangan referensi V_REF dapat diatur menggunakan resistor trimpot sebagai pembagi tegangan dari suplai stabil (misal menggunakan TL431 sebagai referensi). Untuk suhu set point T_set, V_REF diatur sebesar:

Untuk menghindari osilasi pada titik transisi, tambahkan histeresis dengan resistor feedback positif:

di mana V_OH dan V_OL adalah tegangan output HIGH dan LOW komparator.

Poin penting rangkaian transimpedansi:

• LM35 sudah menghasilkan tegangan — rangkaian tambahan berfungsi untuk penguatan, level shifting, atau deteksi ambang.
• Penguat non-inverting dapat memetakan rentang suhu yang sempit ke rentang ADC penuh.
• Komparator dengan histeresis mencegah osilasi pada deteksi ambang suhu.
• Untuk transmisi jarak jauh, konversi ke arus (4–20 mA) dapat dilakukan dengan op-amp dan transistor.

6. Karakteristik Dinamis dan Pertimbangan Praktis [Kembali]

6.1 Respons Termal dan Waktu Tanggap

LM35 memiliki waktu tanggap termal yang bergantung pada kemasan dan medium perpindahan panas. Untuk kemasan TO-92 di udara diam:

• Konstanta waktu termal (τ_th): sekitar 10–15 detik (untuk perubahan suhu 63%).
• Waktu tanggap 90%: sekitar 3–4 konstanta waktu, atau sekitar 30–60 detik.

Waktu tanggap ini ditentukan oleh massa termal sensor dan koefisien perpindahan panas ke lingkungan. Untuk aplikasi yang memerlukan respons lebih cepat, dapat dilakukan:

• Menggunakan kemasan SOT-23 (massa termal lebih kecil).
• Menambahkan heatsink kecil atau menempelkan sensor pada permukaan logam.
• Menggunakan thermal grease untuk meningkatkan kopling termal.
• Mengalirkan udara dengan kecepatan tinggi (forced convection).

Secara matematis, respons suhu sensor terhadap perubahan suhu lingkungan yang tiba-tiba (step input) mengikuti persamaan:

6.2 Efek Self-Heating pada Dinamika Pengukuran

Seperti telah dibahas, pemanasan sendiri menyebabkan kesalahan statis. Namun, dalam konteks dinamik, disipasi daya juga berarti sensor selalu sedikit lebih hangat dari lingkungannya. Untuk pengukuran yang sangat presisi, gunakan tegangan suplai serendah mungkin (4V) dan matikan sensor di antara pembacaan (pulsed power mode). Jika sensor dinyalakan hanya selama 1 ms untuk setiap pembacaan (dengan arus 60 µA), disipasi daya rata-rata menjadi:

yang menghasilkan pemanasan sendiri dapat diabaikan.

6.3 Noise dan Teknik Averaging

LM35 menghasilkan noise keluaran sekitar 50–100 µV peak-to-peak pada bandwidth 1 Hz. Jika dikonversi ke suhu, noise ini setara dengan 5–10 m°C. Dalam praktik, noise dari sensor diperkuat oleh noise ADC dan interferensi dari lingkungan. Beberapa teknik untuk mengurangi noise:

1. Filter low-pass RC pada output: f_cutoff = 1/(2πRC).
2. Moving average di firmware: rata-rata dari N sampel terakhir.
3. Oversampling dan decimation: sampel 2^M kali lebih cepat, rata-ratakan, dan ambil bit LSB.
4. Shielding pada kabel sensor, terutama jika kabelnya panjang.

6.4 Mounting dan Isolasi Termal

Penempatan sensor secara fisik sangat menentukan akurasi pengukuran:

• Untuk mengukur suhu udara: posisikan sensor di tempat yang terlindung dari radiasi matahari langsung dan sumber panas, dengan sirkulasi udara yang baik.
• Untuk mengukur suhu permukaan: tempelkan sensor pada permukaan dengan thermal grease dan beri isolasi termal di sisi lain untuk mencegah pengaruh suhu ambient.
• Untuk pengukuran cairan: gunakan kemasan tahan air atau probe khusus.

6.5 Pengaruh Umur dan Stabilitas Jangka Panjang

LM35 memiliki stabilitas jangka panjang yang sangat baik, dengan drift output kurang dari 0.1°C per 1000 jam operasi pada kondisi normal. Namun, paparan terhadap suhu ekstrem (di atas 100°C) dalam jangka panjang dapat mengakibatkan perubahan kecil pada karakteristik transistor internal. Untuk aplikasi kritis, lakukan kalibrasi ulang secara periodik (misal setiap 6 bulan).

Poin penting karakteristik dinamis dan praktis:

• Konstanta waktu termal TO-92 ≈ 10–15 detik; SOT-23 lebih cepat.
• Self-heating dapat dikurangi dengan suplai tegangan rendah dan mode pulsed power.
• Noise sensor ≈ 50–100 µV, dapat diredam dengan filter RC dan averaging.
• Mounting dan isolasi termal yang tepat sangat mempengaruhi akurasi.
• Stabilitas jangka panjang sangat baik, tetapi kalibrasi ulang berkala diperlukan untuk aplikasi presisi.

[Kembali ke Atas]