Dioda zener

Jika kita menghubungkan dioda dan resistor secara seri dengan sumber tegangan DC sehingga bias maju, tegangan yang jatuh pada dioda akan tetap konstan dengan berbagai tegangan listrik. Seperti gambar dibawah ini (a).

Pada gambar rangkaian yang ditunjukkan dibawah ini (a), arus dioda dibatasi oleh tegangan pada power supply, resistor, dan tegangan jatuh atau drop tegangan pada dioda. Dimana drop tegangan yang kita tahu tidak jauh dari 0,7 volt. Jika tegangan listrik power supply ditingkatkan, tegangan yang jatuh pada resistor juga akan meningkat dengan jumlah yang hampir sama, namun tegangan yang jatuh pada dioda tidak berbeda jauh (konstan). Begitu juga sebaliknya, jika tegangan listrik diturunkan, akan mengakibatkan turunnya tegangan jatuh pada resistor, namun tegangan jatuh pada dioda tetap stabil. Dengan kata lain tegangan jatuh dioda pada bias maju akan tetap 0,7 volt dan tidak berubah.

Hal itu tentu akan bekerja dengan benar dalam rangkaian bentuk apapun jika tegangan listrik lebih dari 0,7 volt. Kita juga dapat meningkatkan atau mengatur titik tegangan dengan menghubungkan dioda secara seri, sehingga penambahan tegangan jatuh dioda yang masing-masing 0,7 volt akan membuat total tegangan jatuh yang lebih besar. Misalkan kita mempunyai rangkaian dengan sepuluh dioda yang dirangkai secara seri, maka tegangan diatur menjadi sepuluh dikali 0,7 volt atau sama dengan 7 volt. Seperti gambar (b) dibawah ini.

Rangkaian dioda Si forward bias: (a)single dioda, (b) dioda dalam seri

Selama tegangan tidak merosot jatuh dibawah 7 volt, akan selalu ada 7 volt tegangan jatuh pada sepuluh dioda seri tersebut.

Jika dibutuhkan lebih besar tegangan yang diatur konstan, maka kita bisa menambahkan dioda dalam jumlah lebih banyak untuk dirangkai seri (ini termasuk pilihan janggal menurut saya), atau kita bisa mencoba pendekatan yang berbeda secara fundamental. Dimana kita tahu tegangan maju dioda cukup konstan dengan berbagai kondisi, dan begitu juga dengan tegangan balik pemecahnya atau tegangan tembusnya ( Reverse Breakdown Voltage). Dan tegangan balik tembusnya itu biasanya jauh, jauh lebih besar dari tegangan maju. Jika kita membalik polaritas dioda dalam rangkaian dan meningkatkan tegangan catu daya (power supply) ke titik dimana tegangan tembus dioda, dioda akan mengatur tegangan yang sama dan stabil pada titik breakdown tersebut. Seperti gambar (a) dibawah ini.

(a)reverse bias dioda breakdown dengan tegangan sekitar 100V. (b)simbol dioda zener

Namun sayangnya ketika dioda rectifier  breakdown atau memecah, hal itu akan merusak dioda. Karena hal seperti inilah diciptakan tipe khusus dioda yang dapat menangani breakdown pada reverse bias, dan jenis dioda tersebut adalah dioda zener. Dan simbol dioda zener ditunjukkan pada gambar (b) diatas.

Pada bias maju, dioda zener sama dengan standar dioda rectifier, yaitu dengan drop tegangan maju 0,7 volt. Dan pada bias mundur (reverse bias), dioda zener tidak akan mengalirkan arus sampai tegangan yang diberikan sama atau lebih besar dengan tegangan tembus balik tersebut. Dan tegangan itu disebut tegangan zener, dimana titik dioda mampu menghantarkan arus yang besar. Dengan demikian akan membatasi tegangan jatuh diatasnya untuk titik tegangan zener. Selama daya yang dihamburkan oleh arus balik ini tidak melebihi batas termal dioda, dioda tidak akan dirugikan.

Dioda zener diciptakan atau diproduksi dengan tegangan zener yang berkisar dari beberapa volt sampai beberapa ratus volt. Tegangan zener ini bisa berubah sedikit karena suhu, dan seperti biasa nilai resistor komposisi karbon, mungkin dimana saja dari 5 persen menjadi 10 persen dikarenakan kesalahan dari spesifikasi pabrik. Namun stabilitas dan akurasi dioda zener umumnya cukup baik bila digunakan sebagai device pengatur tegangan pada rangkaian power supply pada umumnya. Seperti gambar dibawah ini.

Rangkaian regulator dioda zener dengan tegangan zener 12,6V

Coba perhatikan polaritas dioda pada gambar rangkaian diatas. Dioda dalam polaritas bias mundur (reverse bias) dan memang sengaja dibuat begitu. Jika kita balik polaritas dioda zener pada rangkaian diatas sehingga menjadi bias maju (forward bias), itu hanya akan menjatuhkan tegangan sebesar 0,7 volt seperti dioda rectifier yang biasanya. Jika kita ingin mengeksploitasi sifat terbalik breakdown dioda zener ini, dioda harus beroperasi dalam mode reverse bias. Selama tegangan listrik tetap diatas tegangan zener (12,6 volt, dalam contoh ini), tegangan jatuh pada dioda zener akan tetap 12,6 volt.

Dioda zener sensitif terhadap suhu. Suhu yang berlebihan akan merusak dioda zener, karena turunnya tegangan dan mengalirkan arus, maka dioda akan menghasilkan panas sendiri, sesuai dengan hukum joule (P = I.E). Oleh karena itu kita harus berhati-hati dalam merancang rangkaian regulator yang sedemikian rupa sehingga rating disipasi daya dioda tidak terlampaui.

Sekarang kita coba periksa atau menghitung rangkaian dioda zener secara matematis, dengan menentukan semua tegangan, arus, dan disipasi listrik. Dengan rangkaian yang sama dengan yang ditunjukkan sebelumnya, kita akan melakukan perhitungan dengan asumsi tegangan zener sebesar 12,6 volt, suatu tegangan listrik 45 volt, dan nilai resistor 1000Ω. Perhatikan gambar (a) dibawah ini.

Jika tegangan zener 12,6 volt dan tegangan power supply 45 volt, itu berarti ada 32,4 volt tegangan yang dijatuhkan pada resistor(45 volt – 12,6 volt = 32,4 volt). Tegangan 32,4 volt dijatuhkan pada resistansi 1000 Ω, memberikan arus pada rangkaian sebesar 32,4 mA. Gambar (b) dibawah ini.

 

(a) Regulator tegangan zener dengan resistor 1000 ohm. (b) menghitung tegangan drop dan arus rangkaian

Dan sekarang kita dapat menghitung daya dengan mengalikan arus dengan tegangan (P = I.E). Sehingga kita dapat menghitung disipasi daya dari resistor dan dioda dengan cukup mudah :

Dengan melihat hasil diatas, dioda zener dengan rating daya 0,5 watt akan cukup memadai, dan rating resistor 1,5 watt atau 2 watt.

Jika disipasi daya yang besar atau berlebihan merugikan, lalu mengapa tidak merancang sebuah rangkaian dengan disipasi yang sekecil mungkin?, mengapa tidak memberikan nilai tahanan resistor yang besar sehingga mampu membatasi arus dan menjaga agar disipasi daya menjadi sangat rendah? Sebagai contoh kita ambil gambar rangkaian yang sama dengan yang diatas namun nilai resistor yang tadinya 1 kΩ sekarang diganti dengan 100 kΩ. Perhatikan gambar dibawah ini.

Regulator zener dengan resistor 100 kΩ

Dengan mengganti 1 kΩ menjadi 100 kΩ, maka arus rangkaian yang sebelumnya 32,4 mA kini menjadi lebih kecil 324 µA. Dan disipasi daya resistor dan dioda pun juga lebih kecil:

Nampak sangat ideal, bukan? Mengurangi disipasi daya berarti suhu dioda dan resistor saat beroperasi juga akan lebih rendah dan tentu saja hal ini juga mengurangi pemborosan daya atau energi pada sistem. Tapi sayangnya hal ini akan menimbulkan masalah baru. Ingatlah bahwa tujuan membuat rangkaian regulator tegangan adalah untuk memberikan tegangan yang stabil untuk rangkaian yang lain. Katakanlah kita kali ini menghubungkan beban 500Ω yang dihubungkan secara pararel dengan dioda zener, jika kita menggunakan rangkaian regulator yang pertama (resistor 1 kΩ), maka hasilnya adalah tegangan yang jatuh pada beban atau tegangan yang diberikan ke beban akan stabil 12,6 volt. Perhatikan gambar dibawah ini.

Regulator zener dengan resistor 1000 ohm dan beban 500 ohm

Tegangan 12,6 volt tersebut akan tetap stabil atau dipertahankan pada beban 500 Ω tersebut. Karena resistor 1000 Ω tersebut seri, maka tegangan yang jatuh pada resistor adalah sebesar 32,4 volt (tegangan catu daya 45 volt dikurangi dengan tegangan yang jatuh pada dioda zener 12,6 volt). Arus pada rangkaian masih tetap 32,4 mA dan arus pada dioda zener sebesar 7,2 mA.

Sekarang kita bandingkan dengan rangkaian yang tadi kelihatannya lebih ideal, yaitu rangkaian yang menggunakan resistor 100 kΩ. Dengan beban yang sama 500Ω, apa bisa rangkaian ini memberikan tegangan yang stabil yaitu 12,6 volt seperti rangkaian regulator yang pertama?. Dan hasilnya dapat kita lihat seperti pada gambar dibawah ini, rangkaian ini tidak dapat memberikan tegangan yang diharapkan.

Bukan rangkaian regulator atau rangkaian regulator yang salah dengan resistor 100 Kohm

Karena nilai tegangan yang jatuh pada resistor begitu besar, tegangan yang jatuh pada beban 500Ω hanya sekitar 224 mV, sangat jauh lebih kecil dengan tegangan yang diharapkan yaitu 12,6 volt. Mengapa bisa seperti ini? kondisi seperti ini akan lebih mudah dipahami dengan menghilangkan sementara dioda zener dari rangkaian, lalu menganalisis 2 resistor seri yang ada pada rangkaian. Seperti pada gambar dibawah ini.

Menganalisis kesalahan rangkaian dengan menghilangkan dioda zener

Nilai hambatan resistor yang 100 kΩ dan hambatan pada beban yang 500 Ω akan menghasilkan nilai hambatan total pada rangkaian, yaitu sebesar 100,5 kΩ. Dengan tegangan total rangkaian 45 volt dan hambatan total 100,5 kΩ, memberi tahu kita bahwa arus pada rangkaian adalah 447,76 µA (ingat hukum ohm I=E/R). Dan tegangan jatuh pada resistor 100 kΩ sebesar 44,776 V, dan tegangan pada beban 500 Ω sebesar 224 mV (E=I.R). Dan sekarang kita bisa memasang dioda zener itu kembali. Dioda zener yang terhubung secara pararel dengan beban hanya melihat tegangan 224 mV yang jatuh diatasnya. Dioda zener melihat tegangan 224 mV ini jauh lebih kecil dengan tegangan zenernya. Sehingga dioda tidak akan memecah (breakdown) dan tidak akan mengalirkan arus. Bahkan, meskipun dengan bias maju tegangan serendah ini tidak akan membuat dioda mengalirkan arus. Pada rangkaian ini setidaknya dibutuhkan tegangan 12,6 volt agar dioda zener dapat aktif dan mengalirkan arus dalam bias mundur (reverse bias).

Sampai disini dulu artikel dioda zenernya, untuk lebih memahami artikel dioda zener ini, sebaiknya anda memahami dulu artikel-artikel saya sebelumnya tentang dioda, seperti : "Pengenalan Dasar Dioda , Mengetahui Kondisi Dioda , dan Rangkaian Dioada Penyearah"

 #Semoga bermanfaat#

Tweet

Subscribe to receive free email updates: