Dioda Zener

Dioda zener adalah dioda silikon yang khusus dibuat untuk beroperasi di daerah breakdown (bias mundur) dari suatu dioda. Dioda zener merupakan tulang punggung rangkaian pengatur tegangan, rangkaian yang mampu mempertahankan tegangan tetap konstan pada suatu nilai walaupun ada perubahan pada tegangan input maupun resistor beban.

Grafik I – V

Gambar 1,a menunjukkan simbol suatu dioda zener. Garis yang membentuk huruf “z” sebagai tanda bahwa itu adalah dioda zener. Dioda zener dapat beroperasi pada daerah bias maju, bocor, dan breakdown. Gambar 1.c menunjukkan grafik I-V dari suatu dioda zener. Dalam daerah maju, dioda zener mulai menghantar pada tegangan 0,7 V, seperti dioda biasa. Dalam daerah bocor (leakage), yaitu daerah antara nol dan breakdown, hanya mempunyai arus balik yang kecil. Dalam daerah breakdown, dioda zener mempunyai “lutut” yang tajam, yang diikuti oleh pertambahan arus yang hampir vertikal. Pada titik tersebut, tegangan breakdown akan konstan pada nilai Vz. Pada gambar 1.c juga terlihat adanya arus mundur I_ZT dan arus mundur maksimum I_ZM. Sepanjang arus mundur belum mencapai I_ZM maka dioda zener aman beroperasi.

Gambar 1. Simbol dan grafik I – V dioda zener

Regulator Zener

Dioda zener terkadang disebut sebagai dioda regulator tegangan karena mampu mempertahankan tegangan output tetap pada sustu nilai walaupun ada perubahan arus yang melaluinya. Dalam gambar 2.a terlihat gambar operasi normal dari suatu dioda zener, dimana dioda zener harus diberi bias mundur untuk dapat beroperasi. Untuk mencapai operasi pada daerah breakdown, sumber tegangan V_s harus lebih besar dari tegangan breakdown dioda zener V_Z. Sebuah resistor R_s dipasang seri untuk membatasi arus zener kurang dari batas arus maksimum yang diperbolehkan.

Gambar 2. (a) rangkaian dasar (b) rangkaian alternatif (c) power supply dengan regulator zener

Dalam gambar 2.b. tegangan pada resistor Rs adalah sebanding dengan perbedaan tegangan antara Vs dan Vz . Sehingga arus yang mengalir pada Rs adalah :

Setelah mendapatkan nilai Is maka kita juga akan mengetahui arus yang mengalir pada dioda zener yang nilainya sama dengan I_s, nilai I_s harus lebih kecil dari pada nilai I_ZM.

Dioda Zener Ideal

Untuk troubleshooting dan analisa awal kita bisa melakukan pendekatan pada daerah breakdown adalah vertikal. Artinya tegangan zener akan konstan walaupun ada perubahan arus, yang artinya kita mengabaiakan adanya resistor bulk. Gambar 3. Menunjukkan pendekatan ideal dari zener, tampak zener dianggap sebagai sumber tegangan dengan nilai Vz jika beroperasi didaerah breakdown.

Gambar 2. Pendekatan ideal zener

Contoh soal 1

Diasumsikan zener pada gambar berikut mempunyai tegangan breakdown 10 V. Tentukan nilai arus zener minimum dan maksimumnya?

Jawab :

Tegangan input Vs berubah antara 20 V sampai 40 V, sedangkan jika menggunakan pendekatan ideal maka tegangan zener akan bernilai 10 V sehingga tegangan output tetap 10 V untuk tegangan input antara 20 sampai 40 V.

Untuk mencari arus minimum maka digunakan tegangan input minimum yaitu 20 V. Sehingga tegangan pada resistor adalah 20 V – 10 V = 10 V. Dengan menggunakan hukum ohm maka didapat :

Is = 10 / 820 = 12,2 mA

Untuk mencari arus maksimum maka digunakan tegangan input maksimum yatu 40 V. Sehingga tegangan resistor adalah 40 – 10 V = 30 V. Dan arus yang mengalir pada resistor adalah :

Is = 30 / 820 = 36,6 mA

Penerapan regulator zener

Gambar 4 menunjukan rangkaian penerapan regulator zener. Zener beroperasi pada daerah breakdown dan akan mempertahankan tegangan beban. Walaupun tegangan sumber berubah dan atau resistor beban beruabah, tegangan beban akan tetap sebesar tegangan zener.

Gambar 4. Pembebanan pada reguletor tegangan zener

Dengan melihat rangkaian pada gambar 4, terlihat antar Vs, Rs dan R_L akan membentuk rangkaian pembagi tegangan. Dengan menerapkan rumus pembagi tegangan maka didapatkan :

Ini adalah tegangan jika zener dicopot dari rangkaian. Tegangan ini harus lebih besar dari tegangan zener untuk memastikan terjadinya zener berada pada daerah breakdown.
Arus yang mengalir pada resistor dinyatakan : (1)

Secara ideal tegangan beban akan sama dengan tegangan zener, V_L = V_Z (2), karena resistor beban paralel dengan zener. Dengan hukum ohm, arus yang mengalir pada beban I_L = V_L / R_L. (3)

Arus Zener

Menggunakan hukum arus kirchof : I_s = I_z + I_L. Zener dipasang paralel dengan resistor beban. Jumlah arus zener dan resistor beban akan sama dengan arus total, yang akan sama dengan arus yang mengalir melalui resistor seri. Dengan mengatur persamaan diatas maka didapatkan arus zener sebagai berikut ; I_z = I_s – I_L (4). Ada langkah-langkah untuk menganalisa rangkaian pembebanan regulator zener, semuanya ditunjukkan dalam tabel berikut :

Langkah	Proses	Komemntar
1	Hitung arus seri Is, pers. (1)	Gunakan hukum ohm pada Rs
2	Hitung tegangan beban, Pers.(2)	Tegangan beban = tegangan zener
3	Hitung arus beban, pers. (3)	Terapkan hukum ohm pada RL
4	Hitung arus zenner , pers (4)	Terapkan hukum arus kirchof pada zener

Contoh soal 2

Cek apakah zener pada rangkaian berikut berada pada daerah breakdown?

Jawab:

Dari rumus pembagi tegangan :

Karena tegangan V_TH lebih besar dari tegangan zener, maka zener beroperasi pada daerah brekdown.

Contoh soal 3

Hitung nilai arus zener pada gambar rangkaian (b) diatas.

Jawab :

Tegangan yang melalui resistor seri adalah 18 v – 10 V = 8 V

Sehingga arus seri Is = 8 V / 270 Ω = 29,6 mA

Karena tegangan zener = 10 V maka tegangan beban V_L = 10 V sehingga arus beban :

I_L = V_L / R_L = 10 V / 1k Ω = 10 mA

Arus zener adalah I_Z = I_s – I_L = 29,6 mA – 10 mA = 19,6 mA

Contoh soal 4

Apa yang terjadi pada rangkaian berikut :

Jawab :
Ini adalah contoh rangkaian pre regulator zener, dimana zener pertama akan mengarahkan zener kedua. Pertama harus dilihat bahwa pre regulator akan mengahsilkan tegangan output sebesar 20 V dan akan menjadi tegangan input untuk zener kedua. Tegangan keluaran akan sama dengan tegangan zener kedua yaitu 10 V.

Contoh soal ke 5
Apa yang terjadi pada gambar berikut :

Jawab :

Zener dapat digunakan pada rangkaian pembentuk gelombang seperti pada gambar di atas. Pada hubungan back-to-back dari dua zener. Pada setengah siklus positif, zener atas beroperasi dan zener bawah breakdown. Sehingga output terpotong seperti gambar. Level terpotong sama dengan teganag zener (doioda breakdown) ditambah 0,7 V (bias maju dioda).

Pada setengah siklus negatif, aksi akan terbalik. Zener bawah beroperasi dan zener atas breakdown, sehingga keluaran akan mirip gelombang kotak.

Pendekatan ke-2 dioda zener

Gambar 5 menunjukan pendekatan ke-2 dari zener. Sebuah resistansi zener dipasang seri dengan ideal baterai. Tegangan yang mengalir pada zener akan sama dengan tegangan breakdown ditambah tegangan yang mengalir pada resistansi zener. Karena nilai RZ sangat kecil akan mengakibatkan efek yang kecil pada tegangan yang mengalir pada zener.

Bagaiamana cara menghitung efek dari resistansi zener pada tegangan beban? Gambar 5 b akan memeperlihatkan bahwa idealnya tegangan beban akan sama dengan tegangan zener tetapi dengan pendekatan ke-2 zener seprti gambar 5.c maka ada penambahan drop tegangan pada resistansi zener.

Karena arus zener mengalir melalui resistansi zener maka tegangan beban kan bernilai :

V_L= V_Z + I_ZR_Z

Gambar 5. pendekatan ke-2 zener

Efek pada ripple

Seperti pada gambar 6 terlihat bahwa yang mempengaruhi ripple adalah ketiga resistor yang ada. Karena dalam desain R_Z sangat kecil dibanding dengan R_L maka hanya ada dua komponen yang signifikan berakibat pada ripple yaitu tahan seri dan tahanan zener (seperti gambar 6.b). Suhingga menggunakan rumus pembagi tegangan kita dapat menulis rumus tegangan output riple sebagai :

dan karena R_Z << R_S maka

Gambar 6. efek riplle zener

Contoh soal

Zener pada gambar berikut mempunyai tegangan break down 10 V dan resistansi zener 8,5 Ω. Gunakan pendekatan zener ke-2 untuk menghitung tegangan beban jika arus zener 20 mA.