Dioda Zener
Dioda Semikonduktor memblokir arus dalam arah sebaliknya, tetapi akan mengalami breakdown premature atau damage jika tegangan balik yang diterapkan melintasi terlalu tinggi.
Namun, Dioda Zener atau "Diode Breakdown", pada dasarnya sama dengan dioda PN-junction standar tetapi mereka dirancang khusus untuk memiliki Reverse Breakdown Voltage rendah dan spesifik yang memanfaatkan setiap tegangan balik yang diterapkan padanya.
Dioda Zener berperilaku seperti dioda umumnya terdiri dari persimpangan PN junction silikon dan ketika bias ke arah depan, yaitu Anoda positif terhadap Katoda, ia berperilaku seperti dioda sinyal biasa melewati nilai arus.
Namun, tidak seperti dioda konvensional yang menghalangi aliran arus apa pun melalui dirinya sendiri ketika reverse bias, yaitu katoda menjadi lebih positif daripada anoda, segera setelah tegangan balik mencapai nilai yang ditentukan sebelumnya, dioda zener mulai berjalan di arah sebaliknya.
Ini karena ketika reverse tegangan yang diterapkan melintasi dioda zener melebihi tegangan pengenal perangkat, proses yang disebut Dioda Avalanche Breakdown terjadi pada lapisan penipisan semikonduktor dan arus mulai mengalir melalui dioda untuk membatasi kenaikan tegangan ini.
Arus yang sekarang mengalir melalui dioda zener meningkat secara dramatis ke nilai rangkaian maksimum (yang biasanya dibatasi oleh resistor seri) dan begitu tercapai, arus jenuh terbalik ini tetap cukup konstan pada berbagai reverse tegangan.
Titik tegangan di mana tegangan melintasi dioda zener menjadi stabil disebut "tegangan zener", ( Vz ) dan untuk dioda zener tegangan ini dapat berkisar dari kurang dari satu volt hingga beberapa ratus volt.
Titik di mana tegangan zener memicu arus untuk mengalir melalui dioda dapat dikontrol dengan sangat akurat (hingga kurang dari 1% toleransi) pada tahap doping dari konstruksi dioda semikonduktor tertentu yang menghasilkan dioda tegangan zener breakdown, ( Vz ) untuk contoh, 4.3V atau 7.5V. Tegangan breakdown zener atau zener breakdown voltage ini pada kurva I-V hampir merupakan garis lurus vertikal.
Dioda zener digunakan dalam “reverse bias” atau membalikkan modus pemecahan, yaitu dioda anoda terhubung ke catu negatif. Dari kurva karakteristik I-V di atas, kita dapat melihat bahwa dioda zener memiliki daerah dalam karakteristik reverse bias hampir tegangan negatif konstan terlepas dari nilai arus yang mengalir melalui dioda dan tetap hampir konstan bahkan dengan perubahan besar dalam arus sebagai selama arus dioda zener tetap antara arus breakdown IZ(min) dan tingkat arus maksimum IZ(max).
Kemampuan untuk mengontrol itu sendiri dapat digunakan untuk efek besar untuk mengatur atau menstabilkan sumber tegangan terhadap variasi supply atau beban. Fakta bahwa tegangan melintasi dioda di daerah breakdown hampir konstan ternyata menjadi karakteristik penting dari dioda zener karena dapat digunakan dalam jenis aplikasi pengatur tegangan paling sederhana.
Fungsi regulator adalah untuk memberikan tegangan output konstan ke beban yang terhubung secara paralel dengan itu terlepas dari riak dalam tegangan supply atau variasi dalam arus beban dan dioda zener akan terus mengatur tegangan hingga arus dioda turun di bawah nilai IZ(min) minimum di wilayah reverse breakdown.
Kita ingat dari tutorial sebelumnya bahwa tegangan output DC dari Dioda penyearah setengah gelombang atau Dioda penyearah gelombang penuh mengandung riak yang ditumpangkan ke tegangan DC dan bahwa ketika nilai beban berubah demikian juga dengan tegangan output rata-rata.
Dengan menghubungkan rangkaian stabilizer zener sederhana seperti yang ditunjukkan di bawah ini di output penyearah, tegangan output yang lebih stabil dapat dihasilkan.
Resistor yang dihubungkan secara seri, RS dengan dioda zener untuk membatasi aliran arus melalui dioda dengan sumber tegangan, VS yang terhubung di kombinasi. Tegangan output stabil Vout diambil dari seberang dioda zener.
Dioda zener dihubungkan dengan terminal katoda yang terhubung ke rel positif dari supply DC sehingga reverse bias dan akan beroperasi dalam kondisi rusak. Resistor RS dipilih untuk membatasi arus maksimum yang mengalir dalam rangkaian.
Dengan tidak ada beban yang terhubung ke rangkaian, arus beban akan menjadi nol, ( IL = 0 ), dan semua arus rangkaian melewati dioda zener yang pada gilirannya akan menghilangkan daya maksimumnya.
Juga nilai kecil dari resistor seri RS akan menghasilkan arus dioda lebih besar ketika beban resistansi RL terhubung dan besar karena ini akan meningkatkan kebutuhan disipasi daya dari dioda sehingga perawatan harus dilakukan ketika memilih nilai yang sesuai dari seri resistansi sehingga tingkat daya maksimum zener tidak terlampaui dalam kondisi tanpa beban atau impedansi tinggi ini.
Beban terhubung secara paralel dengan dioda zener, sehingga tegangan di RL selalu sama dengan tegangan zener, ( VR = VZ ). Ada arus zener minimum yang stabilisasi tegangannya efektif dan arus zener harus tetap di atas nilai ini yang beroperasi di bawah beban dalam wilayah breakdown setiap saat. Batas atas arus tentu saja tergantung pada tingkat daya perangkat. Tegangan supply VS harus lebih besar dari VZ.
Satu masalah kecil dengan rangkaian stabilizer dioda zener adalah bahwa dioda kadang-kadang dapat menghasilkan suara listrik di atas supply DC ketika mencoba menstabilkan tegangan. Biasanya ini bukan masalah untuk sebagian besar aplikasi tetapi penambahan kapasitor decoupling nilai besar di output zener mungkin diperlukan untuk memberikan penghalus tambahan.
Kemudian untuk meringkas sedikit. Dioda zener selalu dioperasikan dalam kondisi reverse bias. rangkaian pengatur tegangan dapat dirancang menggunakan dioda zener untuk mempertahankan tegangan output DC konstan pada beban terlepas dari variasi tegangan input atau perubahan arus beban.
Tegangan zener regulator terdiri dari resistor yang membatasi arus RS dihubungkan secara seri dengan tegangan input VS dengan dioda zener terhubung secara paralel dengan beban RL dalam kondisi reverse bias ini. Tegangan output stabil selalu dipilih untuk menjadi sama dengan tegangan breakdown VZ dari dioda.
IZ = IS - IL = 400mA - 5mA = 395mA
Namun, Dioda Zener atau "Diode Breakdown", pada dasarnya sama dengan dioda PN-junction standar tetapi mereka dirancang khusus untuk memiliki Reverse Breakdown Voltage rendah dan spesifik yang memanfaatkan setiap tegangan balik yang diterapkan padanya.
Dioda Zener berperilaku seperti dioda umumnya terdiri dari persimpangan PN junction silikon dan ketika bias ke arah depan, yaitu Anoda positif terhadap Katoda, ia berperilaku seperti dioda sinyal biasa melewati nilai arus.
Namun, tidak seperti dioda konvensional yang menghalangi aliran arus apa pun melalui dirinya sendiri ketika reverse bias, yaitu katoda menjadi lebih positif daripada anoda, segera setelah tegangan balik mencapai nilai yang ditentukan sebelumnya, dioda zener mulai berjalan di arah sebaliknya.
Ini karena ketika reverse tegangan yang diterapkan melintasi dioda zener melebihi tegangan pengenal perangkat, proses yang disebut Dioda Avalanche Breakdown terjadi pada lapisan penipisan semikonduktor dan arus mulai mengalir melalui dioda untuk membatasi kenaikan tegangan ini.
Arus yang sekarang mengalir melalui dioda zener meningkat secara dramatis ke nilai rangkaian maksimum (yang biasanya dibatasi oleh resistor seri) dan begitu tercapai, arus jenuh terbalik ini tetap cukup konstan pada berbagai reverse tegangan.
Titik tegangan di mana tegangan melintasi dioda zener menjadi stabil disebut "tegangan zener", ( Vz ) dan untuk dioda zener tegangan ini dapat berkisar dari kurang dari satu volt hingga beberapa ratus volt.
Titik di mana tegangan zener memicu arus untuk mengalir melalui dioda dapat dikontrol dengan sangat akurat (hingga kurang dari 1% toleransi) pada tahap doping dari konstruksi dioda semikonduktor tertentu yang menghasilkan dioda tegangan zener breakdown, ( Vz ) untuk contoh, 4.3V atau 7.5V. Tegangan breakdown zener atau zener breakdown voltage ini pada kurva I-V hampir merupakan garis lurus vertikal.
Karakteristik Dioda Zener I-V
Dioda zener digunakan dalam “reverse bias” atau membalikkan modus pemecahan, yaitu dioda anoda terhubung ke catu negatif. Dari kurva karakteristik I-V di atas, kita dapat melihat bahwa dioda zener memiliki daerah dalam karakteristik reverse bias hampir tegangan negatif konstan terlepas dari nilai arus yang mengalir melalui dioda dan tetap hampir konstan bahkan dengan perubahan besar dalam arus sebagai selama arus dioda zener tetap antara arus breakdown IZ(min) dan tingkat arus maksimum IZ(max).
Kemampuan untuk mengontrol itu sendiri dapat digunakan untuk efek besar untuk mengatur atau menstabilkan sumber tegangan terhadap variasi supply atau beban. Fakta bahwa tegangan melintasi dioda di daerah breakdown hampir konstan ternyata menjadi karakteristik penting dari dioda zener karena dapat digunakan dalam jenis aplikasi pengatur tegangan paling sederhana.
Fungsi regulator adalah untuk memberikan tegangan output konstan ke beban yang terhubung secara paralel dengan itu terlepas dari riak dalam tegangan supply atau variasi dalam arus beban dan dioda zener akan terus mengatur tegangan hingga arus dioda turun di bawah nilai IZ(min) minimum di wilayah reverse breakdown.
Regulator Dioda Zener
Dioda Zener dapat digunakan untuk menghasilkan output tegangan yang stabil dengan riak rendah di bawah berbagai kondisi arus beban. Dengan melewatkan arus kecil melalui dioda dari sumber tegangan, melalui resistor pembatas arus yang sesuai ( RS ), dioda zener akan mengalirkan arus yang cukup untuk mempertahankan penurunan tegangan Vout.Kita ingat dari tutorial sebelumnya bahwa tegangan output DC dari Dioda penyearah setengah gelombang atau Dioda penyearah gelombang penuh mengandung riak yang ditumpangkan ke tegangan DC dan bahwa ketika nilai beban berubah demikian juga dengan tegangan output rata-rata.
Dengan menghubungkan rangkaian stabilizer zener sederhana seperti yang ditunjukkan di bawah ini di output penyearah, tegangan output yang lebih stabil dapat dihasilkan.
Rangkaian Regulator Dioda Zener
Resistor yang dihubungkan secara seri, RS dengan dioda zener untuk membatasi aliran arus melalui dioda dengan sumber tegangan, VS yang terhubung di kombinasi. Tegangan output stabil Vout diambil dari seberang dioda zener.
Dioda zener dihubungkan dengan terminal katoda yang terhubung ke rel positif dari supply DC sehingga reverse bias dan akan beroperasi dalam kondisi rusak. Resistor RS dipilih untuk membatasi arus maksimum yang mengalir dalam rangkaian.
Dengan tidak ada beban yang terhubung ke rangkaian, arus beban akan menjadi nol, ( IL = 0 ), dan semua arus rangkaian melewati dioda zener yang pada gilirannya akan menghilangkan daya maksimumnya.
Juga nilai kecil dari resistor seri RS akan menghasilkan arus dioda lebih besar ketika beban resistansi RL terhubung dan besar karena ini akan meningkatkan kebutuhan disipasi daya dari dioda sehingga perawatan harus dilakukan ketika memilih nilai yang sesuai dari seri resistansi sehingga tingkat daya maksimum zener tidak terlampaui dalam kondisi tanpa beban atau impedansi tinggi ini.
Beban terhubung secara paralel dengan dioda zener, sehingga tegangan di RL selalu sama dengan tegangan zener, ( VR = VZ ). Ada arus zener minimum yang stabilisasi tegangannya efektif dan arus zener harus tetap di atas nilai ini yang beroperasi di bawah beban dalam wilayah breakdown setiap saat. Batas atas arus tentu saja tergantung pada tingkat daya perangkat. Tegangan supply VS harus lebih besar dari VZ.
Satu masalah kecil dengan rangkaian stabilizer dioda zener adalah bahwa dioda kadang-kadang dapat menghasilkan suara listrik di atas supply DC ketika mencoba menstabilkan tegangan. Biasanya ini bukan masalah untuk sebagian besar aplikasi tetapi penambahan kapasitor decoupling nilai besar di output zener mungkin diperlukan untuk memberikan penghalus tambahan.
Kemudian untuk meringkas sedikit. Dioda zener selalu dioperasikan dalam kondisi reverse bias. rangkaian pengatur tegangan dapat dirancang menggunakan dioda zener untuk mempertahankan tegangan output DC konstan pada beban terlepas dari variasi tegangan input atau perubahan arus beban.
Tegangan zener regulator terdiri dari resistor yang membatasi arus RS dihubungkan secara seri dengan tegangan input VS dengan dioda zener terhubung secara paralel dengan beban RL dalam kondisi reverse bias ini. Tegangan output stabil selalu dipilih untuk menjadi sama dengan tegangan breakdown VZ dari dioda.
Contoh Dioda Zener No.1
Catu daya atau power supply stabil 5.0V diperlukan untuk dihasilkan dari sumber input catu daya 12V DC. Tingkat daya maksimum PZ dari dioda zener adalah 2W. Menggunakan rangkaian zener regulator di atas, hitung:
a). Arus maksimum mengalir melalui dioda zener.
b). Nilai minimum resistor seri, RS
c). Arus beban IL jika resistor beban 1kΩ terhubung melintasi dioda zener.
d). Arus zener IZ pada beban penuh.
IZ = IS - IL = 400mA - 5mA = 395mA
Tegangan Dioda Zener
Selain menghasilkan output tegangan stabil tunggal, dioda zener juga dapat dihubungkan bersama secara seri bersama dengan dioda sinyal silikon normal untuk menghasilkan berbagai nilai output tegangan referensi yang berbeda seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Rangkaian Dioda Zener dalam Seri
Nilai-nilai Dioda Zener individu dapat dipilih sesuai dengan aplikasi sementara dioda silikon akan selalu turun sekitar 0.6 - 0.7V dalam kondisi forward bias. Tegangan supply, Vin tentu saja harus lebih tinggi dari tegangan referensi output terbesar dan dalam contoh kita di atas ini adalah 19v.
Tipikal dioda zener untuk rangkaian elektronik umum adalah seri 500mW, BZX55 atau yang lebih besar, seri BZX85 1.3W ketika tegangan zener diberikan, misalnya, C7V5 untuk dioda 7.5V yang memberikan nomor referensi dioda BZX55C7V5.
Dioda zener seri 500mW tersedia dari sekitar 2.4 hingga sekitar 100 volt dan biasanya memiliki urutan nilai yang sama seperti yang digunakan untuk seri resistor 5% (E24) dengan tingkat tegangan individu untuk dioda kecil namun sangat berguna ini diberikan dalam tabel di bawah ini.
Tabel Standar Tegangan Dioda Zener
Dioda Zener BZX55 Tingkat Daya 500mW
| |||||||
2.4V
|
2.7V
|
3.0V
|
3.3V
|
3.6V
|
3.9V
|
4.3V
|
4.7V
|
5.1V
|
5.6V
|
6.2V
|
6.8V
|
7.5V
|
8.2V
|
9.1V
|
10V
|
11V
|
12V
|
13V
|
15V
|
16V
|
18V
|
20V
|
22V
|
24V
|
27V
|
30V
|
33V
|
36V
|
39V
|
43V
|
47V
|
Dioda Zener BZX85 Tingkat Daya 1.3W
| |||||||
3.3V
|
3.6V
|
3.9V
|
4.3V
|
4.7V
|
5.1V
|
5.6
|
6.2V
|
6.8V
|
7.5V
|
8.2V
|
9.1V
|
10V
|
11V
|
12V
|
13V
|
15V
|
16V
|
18V
|
20V
|
22V
|
24V
|
27V
|
30V
|
33V
|
36V
|
39V
|
43V
|
47V
|
51V
|
56V
|
62V
|
Rangkaian Kliping Dioda Zener
Sejauh ini kita telah melihat bagaimana dioda zener dapat digunakan untuk mengatur sumber DC konstan tetapi bagaimana jika sinyal input bukan kondisi stabil DC tetapi bentuk gelombang AC bolak-balik bagaimana dioda zener bereaksi terhadap sinyal yang terus berubah.
Rangkaian clipping dan clamping dioda adalah rangkaian yang digunakan untuk membentuk atau memodifikasi bentuk gelombang AC input (atau sinusoid apa pun) yang menghasilkan bentuk gelombang bentuk output yang berbeda tergantung pada pengaturan rangkaian.
Rangkaian clipper dioda juga disebut pembatas karena membatasi atau memotong bagian positif (atau negatif) dari sinyal AC input. Karena rangkaian clipper zener membatasi atau memotong bagian dari gelombang di atasnya, mereka terutama digunakan untuk perlindungan rangkaian atau di rangkaian pembentukan gelombang.
Sebagai contoh, jika kita ingin memotong bentuk gelombang output pada +7.5V, kita akan menggunakan dioda zener 7.5V. Jika bentuk gelombang output mencoba melebihi batas 7.5V, dioda zener akan “memotong” tegangan berlebih dari input yang menghasilkan bentuk gelombang dengan bagian atas yang rata tetap menjaga output konstan pada +7.5V.
Perhatikan bahwa dalam kondisi forward bias, dioda zener masih berupa dioda dan ketika output bentuk gelombang AC negatif di bawah -0.7V, dioda zener berubah "ON" seperti dioda silikon normal mana saja dan klip output di -0.7V seperti yang ditunjukkan di bawah.
Sinyal Gelombang Persegi Dioda Zener
Dioda zener yang terhubung back to back dapat digunakan sebagai regulator AC yang menghasilkan apa yang secara biasa disebut sebagai "generator gelombang persegi kurang mampu".
Dengan menggunakan pengaturan ini kita dapat memotong bentuk gelombang antara nilai positif + 8.2V dan nilai negatif -8.2V untuk dioda zener 7.5V.
Jadi misalnya, jika kita ingin memotong bentuk gelombang output antara dua nilai minimum dan maksimum berbeda, +8V dan -6V, kita hanya akan menggunakan dua dioda zener dengan nilai yang berbeda.
Perhatikan bahwa output sebenarnya akan memotong bentuk gelombang AC antara +8.7V dan -6.7V karena penambahan tegangan dioda forward bias.
Dengan kata lain tegangan puncak-ke-puncak 15.4 volt, bukan 14 volt yang diharapkan, karena volt forward bias melintasi dioda menambah 0.7 volt di setiap arah.
Jenis konfigurasi clipper ini cukup umum untuk melindungi rangkaian elektronik dari tegangan berlebih. Kedua zener umumnya ditempatkan di terminal input catu daya dan selama operasi normal, salah satu dioda zener adalah "OFF" dan dioda memiliki sedikit atau tidak ada pengaruh. Namun, jika bentuk gelombang tegangan input melebihi batasnya, maka giliran zener "ON" dan klip input untuk melindungi rangkaian.
Dalam tutorial berikutnya tentang Dioda, kita akan melihat penggunaan Dioda PN-junction forward bias dari sebuah dioda untuk menghasilkan cahaya.
Kita tahu dari tutorial sebelumnya bahwa ketika pembawa muatan bergerak melintasi persimpangan/junction, elektron bergabung dengan lubang dan energi hilang dalam bentuk panas, tetapi juga sebagian dari energi ini dihamburkan sebagai foton tetapi kita tidak dapat melihatnya.
Jika kita menempatkan lensa transparan di persimpangan, cahaya tampak akan terlihat dan dioda menjadi sumber cahaya. Efek ini menghasilkan jenis dioda lain yang umumnya dikenal sebagai Light Emitting Diode (LED) yang memanfaatkan karakteristik penghasil cahaya ini untuk memancarkan cahaya (foton) dalam berbagai warna dan panjang gelombang.