2.11 Dioda Zener ~ PERKULIAHAN

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

1. Pendahuluan (kembali)

Dari berbagai komponen elektronika listrik yang ada, komponen dioda zener termasuk yang penting untuk dipelajari. Dinamakan demikian, karena ditemukan oleh fisikawan asal Amerika bernama Clarence Melvin Zener pada tahun 1934.

Dioda Zener adalah perangkat semikonduktor silikon yang memungkinkan arus mengalir baik ke arah maju maupun sebaliknya. Dioda terdiri dari sambungan p-n khusus, dirancang untuk melakukan arah sebaliknya bila voltase tertentu tercapai. Dioda Zener memiliki breakdown voltage terbalik yang terdefinisi dengan baik, di mana ia mulai menghantarkan arus, dan beroperasi terus menerus dalam mode bias balik tanpa mengalami kerusakan. Selain itu, penurunan voltase dioda tetap konstan pada berbagai voltase, fitur yang membuat dioda Zener cocok untuk digunakan dalam regulasi voltase.

Dioda Zener beroperasi seperti dioda normal saat berada dalam mode bias maju, dan memiliki voltase turn-on antara 0,3 dan 0,7 V. Namun, bila terhubung dalam mode terbalik, yang biasa dilakukan pada sebagian besar aplikasinya, sebuah Arus kebocoran kecil bisa mengalir. Seiring meningkatnya tegangan balik ke tegangan pemecah yang telah ditentukan sebelumnya (Vz), arus mulai mengalir melalui dioda. Arus meningkat sampai maksimum, yang ditentukan oleh resistor seri, setelah itu stabil dan tetap konstan pada rentang tegangan terapan yang luas.

Dioda Zener digunakan dalam mode “reverse bias” atau reverse breakdown, yaitu anoda dioda terhubung ke suplai negatif. Dari kurva karakteristik di atas, kita dapat melihat bahwa dioda zener memiliki suatu daerah dalam karakteristik bias terbaliknya hampir dengan tegangan negatif konstan, terlepas dari nilai arus yang mengalir melalui dioda dan tetap hampir konstan meski dengan perubahan besar pada arus yang melewati. Selama arus dioda zener tetap berada di antara arus pemecah I_{Z (min)} dan nilai arus maksimum I_Z _(maks).

2. Tujuan (kembali)

Untuk memahami karakteristik dioda zener
Bisa merangkai rangkaian sederhana zener regulator
Dapat menentukan tegangan pada dioda zener pada rangkaian sederhana zener regulator

3. Alat dan Bahan (kembali)

1. Batrai

Baterai adalah perangkat penyimpan energi yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik saat diperlukan. Spesifikasi baterai mencakup kapasitas (mAh atau Ah), tegangan, dan siklus hidup. Ada beberapa jenis baterai yang umum digunakan, termasuk baterai alkaline, lithium-ion, nickel-cadmium, dan lead-acid. Baterai alkaline umumnya terjangkau dan cocok untuk perangkat sehari-hari, sedangkan baterai lithium-ion lebih ringan, memiliki kapasitas tinggi, dan umum digunakan dalam perangkat mobile. Baterai nickel-cadmium memiliki siklus hidup yang baik dan tahan terhadap suhu ekstrem, sementara baterai lead-acid sering digunakan dalam kendaraan bermotor. Pemilihan jenis baterai tergantung pada kebutuhan aplikasi dan karakteristik kinerja yang diinginkan.

Batetai

Gambar batrai di proteus

2. Resistor

Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm

Resistor

Resistor di proteus

Spesifikasi dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. dimana nilai resistansi nya ditentukan oleh warna cincin nya

Dengan aturan:

abc × 10^d ± e

Dimana :

a = Warna gelang pertama

b = warna gelang kedua
c = warna gelang ketiga(tidak ada jika 3 warna)
d = warna gelang ke empat/ketiga jika 3 warna
e = warna gelang terakhir
Tabel nilai warna resistor

3. Dioda zener

Dioda Zener adalah perangkat semikonduktor yang dirancang untuk mempertahankan tegangan tetap di seluruh terminalnya saat mengalirkan arus dalam arah terbalik, melebihi tegangan breakdown tertentu. Spesifikasi utama dioda Zener mencakup tegangan breakdown, yang merupakan tegangan Zener yang diinginkan, umumnya diukur dalam volt. Resistansi dinamis juga merupakan faktor penting dalam menentukan kinerja dioda Zener, menggambarkan perubahan tegangan dengan perubahan arus.
Jenis-jenis dioda Zener melibatkan variasi desain untuk berbagai aplikasi. Diantaranya adalah dioda Zener standar yang umum digunakan untuk stabilitas tegangan umum, dioda Zener Schottky yang menggabungkan keunggulan dioda Schottky dengan karakteristik tegangan Zener, dan dioda Zener dengan regulator tegangan terintegrasi yang menyederhanakan desain sirkuit. Pemilihan jenis dioda Zener bergantung pada persyaratan spesifik sirkuit elektronik, memungkinkan fleksibilitas dalam mencapai stabilitas tegangan yang diperlukan.

Dioda zener

Dioda zener di proteus

4. Rheostat

Rheostat adalah jenis resistor variabel yang digunakan untuk mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian. Komponen ini memiliki resistansi yang dapat diubah secara manual, memungkinkan pengguna untuk mengontrol seberapa besar arus yang mengalir melalui sirkuit. Dengan menggeser kursor atau menyesuaikan nilai resistansinya, rheostat dapat meningkatkan atau mengurangi intensitas arus, menjadikannya komponen yang berguna dalam mengatur kecerahan lampu atau suhu dalam beberapa aplikasi elektronik.

Rheostat di proteus

Gambar rheostat

5. Dioda

Dioda adalah semikonduktor dua kutub yang memungkinkan aliran arus listrik hanya ke satu arah. Terdiri dari anoda dan katoda, dioda memiliki sifat non-linear dalam hubungan antara tegangan dan arusnya. Ketika tegangan diterapkan searah dengan polaritas yang benar, dioda mengizinkan arus untuk mengalir dengan sedikit hambatan, sedangkan pada polaritas sebaliknya, dioda memberikan hambatan tinggi, mencegah aliran arus. Dioda digunakan dalam berbagai aplikasi elektronik, seperti penyearah arus, detektor sinyal, dan dioda semikonduktor juga esensial dalam membentuk berbagai jenis sirkuit elektronik.

Dioda di proteus

6. Ground

Ground, atau tanah dalam konteks elektronika, adalah referensi tegangan nol yang digunakan sebagai titik acuan dalam suatu rangkaian listrik. Biasanya dihubungkan dengan bumi fisik atau titik referensi tertentu, ground berperan penting dalam memastikan stabilitas dan keselamatan sirkuit. Dalam desain sirkuit, ground digunakan untuk menentukan nilai nol volt dan menjadi referensi bagi semua tegangan dalam sistem. Ground juga dapat digunakan untuk menyinkronkan level tegangan antara berbagai perangkat elektronik dalam suatu sistem, mencegah potensial perbedaan tegangan yang dapat merusak perangkat atau menyebabkan masalah lainnya.

Ground pada proteus

4. Dasar Teori (kembali)

Dioda zener memiliki banyak fungsi salah satunya sebagai pengatir tegangan. Zener Dioda dapat digunakan untuk menghasilkan output tegangan stabil dengan fluktuasi rendah pada kondisi arus beban yang bervariasi. Dengan melewatkan arus kecil melalui dioda dari sumber tegangan, melalui resistor pembatas arus yang sesuai, dioda zener akan mengalirkan arus yang cukup untuk mempertahankan penurunan voltase Vout
Utuk lebih mudah memahami nya mari kita lihat rangkaian ini

Pada kondisi tegangan positif dan kurang dari 20 V dioda zener tidak akan aktif dan akan di anggap open sirkuit sehingga arus akan seluruhnya menuju ke sistem

Ketika tegangan masuk mencapai 20 V dioda zener akan aktif dan akan mengunci tegangan nya pada 20 V yg juga merupakan tegangan yg melewati sistem. Peningkatan tegangan lebih lanjut akan meningkatkan tegangan pada seri resistor dengan tegangan pada sistem dan dioda forward bias tetap pada 20 V dan 0,7 Volt. Seperti gambar di bawah ini

Ketika menerima tegangan negatif silicon diode akan bersifat reversed bias yang akan menyebabkan berhenti nya arus sehingga di anggap open circuit hal ini akan menyebabkan arus tidak melalui sistem sehingga tegangan pada sistem adalah nol. Seperti gambar di bawah ini

Penggunaan dioda zener sebagai regulator cukup umum sehingga penting untuk mengetahui ukuran tegangan untuk dioda zener, oleh karena itu terdapat 3 analisis untuk mengetahuinya. Analisis ini memberikan kesempatan yang sangat baik untuk lebih mengenal respons dioda Zener terhadap kondisi operasi yang berbeda.

1. Vi dan R fixed

Untuk lebih jelasnya untuk keadaan dimana Vi dan R telah di tetapkan maka pertama-tama mari kita lihat rangkaian ini

1. Pertama kita akan membuat rangkaian konfigurasi dimana dioda zener kita anggap sebagai tegangan yg akan masuk kedalam dioda zenernya

Lalu kita hitung tegangan yang masuk ke dioda zener dengan persamaan :

Jika V > Vz maka dioda zener akan berada dalam keadaan "on" Sehingga rangkaian konfigurasi V bisa di masukkan menggantikan dioda zener
Jika V < Vz maka dioda zener akan dalam keadaan "of" Sehingga dioda zener akan di anggap open circuit dan arus akan seluruhnya melalui RL

2. Ketika sudah menentukan keadaan dioda selanjutnya kita hitung dengan persamaan-persmaan pada dioda

Jika dioda dalam keadaan on maka tegangan pada VL akan sama dengan tegangan pada dioda hal ini karena dioda zener dan RL berhubung pararel.

Sehingga dapat kita masukkan nilai Vz kedalam rangkaian konfigurasi

Dengan aturan kirchoff pada persimpangan di atas Vz dapat kita tentukan

Dimana

Dan untuk saya pada dioda zener dapat digunakan rumus umum

2. Fixed Vi, variable RL

Berdasarkan pemahaman kita sebelum nya dapat kita ketahui bahwa ada syarat batas minimal untuk hambatan pada RL agar dioda zener dapat kondisi "on", dimana jika nilai RL terlalu kecil maka tegangan pada VR akan lebih kecil daripada tetapan tegangan dioda atau Vz, sehingga akan menyebabkan dioda dalam keadaan " Off"

Untuk menentukan nilai hambatan minimum dapat kita gunakan persamaan sebelum nya yaitu :

Sehingga untuk persamaan RL kita peroleh

Jika RL minimum tercapai maka dioda zener akan masuk keadaan "on"
Persamaan di atas menjelaskan RL min, karena arus dan hambatan berbanding terbalik maka nilai RL min akan menjelaskan nilai IL max yang dapat kita hitung dengan

Berdasarkan Kirchhoff dapat kita ketahui

Dari persamaan tersebut dapat kota simpulkan nilai Iz akan maksimum jika nilai IL minimum, begitu pula sebaliknya nilai Iz akan minimum jika nilai IL maksimum sehingga dapat kota peroleh

Dan juga kita dapat :

3. Variable Vi, Fixed RL

Dengan menggunakan persamaan sebelum nya yaitu
Sehingga kita peroleh persamaan untuk RL min adalah

Karena maksimum Vi di tentukan oleh besar maksimum arus pada dioda zener(IZm) . Dan IZm adalah IR - IL maka :

Karena IL telah di tetapkan(fixed) dan IZm adalah maksimum dari IZ maka Vi dapat di ekspresikan sebagai :