Journey to The Art of Electronic : Dioda Zener

 Keluaran dari Artikel

Artikel ini tidak membahas kontruksi dari dioda zener dan hal-hal berkaitan dengan fisikanya, melainkan tujuan dari artikel ini adalah:

• Pembaca mampu memahami karakteristik dari dioda zener.
• Pembaca mampu mengaplikasikan dioda zener.

1. Dioda Zener

Dioda zener merupakan salah satu jenis dari small-signal resistance yakni suatu devais yang memiliki kurva I-V yang non-linear tetapi dapat dilinearisasi apabila ditinjau perubahan arus dan tegangan secara lokal (dV/dI). Sama seperti dioda pada umumnya, dioda zener termasuk devais konduktansi asimetris yaitu hanya mengalirkan listrik ke satu arah, akan mengalirkan listrik apabila dalam keadaan forward bias dan tidak akan mengalirkan listrik apabila dalam keadaan reverse bias, yang membedakan dioda zener dengan dioda biasa adalah ketika dalam keadaan reverse bias, pada breakdown voltage dioda zener dapat mengalirkan arus listrik tanpa merusak devais selama arus yang mengalir tidak melebihi arus maksimum zener. Karakteristik inilah yang umumnya dimanfaatkan apabila menggunakan dioda zener. 

Kurva I-V dioda zener

dapat dilihat pada kurva dioda zener diatas menandakan bahwa pada keadaan breakdown voltage, tegangan pada dioda zener akan hanya mengalami sedikit perubahan dengan perubahan arus yang tinggi. Misal pada tegangan zener 10 V dan arus 20 mA didapati small-signal resistance sebesar 20 ohm. Apabila terjadi perubahan arus sebesar 20% didapati perubahan tegangannya adalah:  

 

atau

dapat dilihat bahwa perubahan tegangan relatif pada tegangan awal hanya 0.8%. Hal inilah yang menjadi alasan mengapa dioda zener sering dipakai sebagai shunt regulator atau voltage regulator.

1.1 Aproksimasi pertama

Menggunakan pendekatan pertama yaitu dengan mengabaikan resistansi yang terdapat pada dioda zener. Dioda zener dapat dianggap sebagai sumber tegangan.

Aproksimasi pertama

Menggunakan aproksimasi pertama, dioda zener pada rangkaian dapat digantikan dengan sumber tegangan dimana nilai tegangan yang dihasilkan sma dengan nilai voltage breakdown dari dioda zener sehingga memudahkan dalam melakukan analisa perhitungan. contoh:

setelah dirubah menjadi sumber tegangan, kalian dapat melakukan analisa perhitungan seperti biasanya.

1.2 Aproksimasi kedua

Berbeda dengan aproksimasi pertama, pada aproksimasi kedua diperhitungkan small-signal resistance yang terdapat dalam dioda zener.

Aproksimasi kedua

Serupa seperti aproksimasi, sumber tegangan pada aproksimasi dioda zener senilai dengan voltage breakdown-nya. Sehingga rangkiannya adalah seperti berikut:

2. Aplikasi dioda zener

Pada pengaplikasian ini, digunakan dioda zener tipe EDZV 10B yang memiliki spesifikasi sebagai berikut:

Datasheet dioda zener

2.1 Voltage Shunt

Dioda Zener dapat digunakan sebagai voltage shunt agar tegangan keluaran tetap konstan. Rangkaiannya dari voltage adalah seperti berikut:

Rangkaian voltage shunt

Hal yang perlu diperhatikan untuk membuat zener dioda bekerja sebagai penstabil tegangan adalah pemilihan nilai resistansi dari resistor. Untuk melihat ini, gambar diatas dapat diturunkan ke persamaan berikut: 

Dapat dilihat bahwa pemilihan resistansi resistor mempengaruhi besar perubahan tegangan. Karena di datasheet yang tertera diatas hanyalah small-signal resistance/dynamic resistance untuk arus tes 5 A, maka R yang dibutuhkan adalah: 

Dengan menggunakan rumus diatas yang sudah dipaparkan kalian dapat mengetahui seberapa besar maksimal perubahan tegangan yang akan dihasilkan. Perlu diingat juga bahwa untuk dapat bekerja sebagai shun regulator minimal tegangan yang masuk pada dioda zener harus melebihi voltage breakdown/zener breakdown. Menggunakan LTspice, Inilah tegangan keluaran dan arus pada rangkaian diatas untuk tegangan masukan dari 8 V sampai 20V.

Tegangan (biru) dan Arus (hijau)

Sebenarnya kalian dapat memilih resistor dengan cara Brute Force dengan ketentuan, nilai resistor tidak membuat turun tegangan sehingga dioda zener tidak sampai pada keadaan voltage breakdown dan resistor harus mampu membatasi arus yang masuk ke dioda zener agar tidak sampai melebihi arus maksimum yang dapat menyebabkan dioda zener rusak kebakar.

2.2 Voltage Clipper

Dengan konfigurasi yang tepat, dioda zener dapat digunakan sebagai voltage clipper yang fungsinya memotong tegangan gelombang. Hal ini dimungkin terjadi karena seperti yang telah kita bahas diatas bahwa dioda zener dapat menstabilkan atau membuat konstan tegangan apabila masuk ke dalam voltage breakdown. Rangkaian dari voltage clipper adalah sebagai berikut:

Rangkaian voltage clipper

Sehingga apabila dimasukkan gelombang sinusiodal seperti ini:

akan menghasilkan keluaran seperti ini:

clipper juga dapat dilakukan untuk satu arah saja, caranya tinggal memasang satu dioda zener sesuai arah yang hendak dipotong.

2.3 Voltage Shifter

Selain itu dengan memanfaatkan prinsip bahwa arus pada dioda zener dapat mengalir apabila mencapai dalam keadaan breakdown voltage.  Dioda zener dapat digunakan sebagai voltage shifter yakni semacam rangkaian yang mengubah nilai voltase ke voltase lainnya yang lebih rendah. Berikut rangkaiannya.

rangkaian voltage shifter

dari rangkaian dengan tegangan sumber diatur dari 1 v sampai 20 v dihasilkan:

Tegangan sebelum di-shift (hijau) dan tegangan sesudah di-shift (biru)

dapat dilihat dari grafik diatas bahwa dioda zener dapat menurunkan tegangan, karena pada rangkaian tadi digunakan dida zener tipe  EDZV 10B, maka tegangan turun sebesar 10 V. Dapat dilihat pula bahwa pada saat dioda zener belum sampai pada keadaan voltage breakdown, tidak ada arus yang mengalir pada dioda zener sehingga membuat tegangan keluaran bernilai nol.

Latihan

Dibawah ini merupakan rangkaian overvoltage protection, bisakah kalian membayangkan bagaimana cara kerjanya?