Fungsi dioda zener secara umum adalah untuk membatasi tegangan yang konstan pada nilai tertentu, sehingga tegangan yang disupply tetap stabil pada nilai tertentu yang dikehendaki sesuai dengan tegangan breakdown dari dioda zener. Tegangan breakdown dioda zener bermacam-macam, misalnya dioda zener 5V untuk menyetabilkan supply tegangan 5V, dioda zener 9 volt untuk tegangan supply 9volt dst.
Tabel konten
Fungsi dioda zener dan cara kerjanya
Mengenal dioda zener
Dioda Zener adalah sebuah jenis dioda semikonduktor yang dirancang untuk bekerja pada tegangan yang lebih tinggi dari dioda biasa. Dioda Zener memiliki sifat yang unik karena dapat menstabilkan tegangan pada suatu nilai tertentu ketika diberi arus listrik dalam arah maju.
Dalam operasi normal dioda, jika diberikan tegangan searah melebihi tegangan breakdown atau tegangan breakdown terbalik, maka arus yang mengalir melalui dioda akan sangat tinggi dan dapat menyebabkan kerusakan pada dioda. Namun, dioda Zener didesain untuk mengalami tegangan breakdown terbalik dengan aman, sehingga dapat digunakan untuk menstabilkan tegangan.
Dalam aplikasi elektronik, dioda Zener sering digunakan untuk menghasilkan referensi tegangan stabil untuk sirkuit elektronik seperti regulator tegangan dan rangkaian pemotong tegangan. Selain itu, dioda Zener juga dapat digunakan untuk melindungi sirkuit dari tegangan berlebih yang tidak diinginkan atau untuk mengurangi noise dalam sirkuit.
Baca juga : Fungsi Dioda Bridge Dan Pengertiannya Yang Harus Tahu
Konstruksi Dioda Zener
Dioda Zener merupakan jenis dioda semikonduktor yang dirancang khusus untuk dapat beroperasi pada tegangan reverse (terbalik) dan memiliki karakteristik breakdown zener yang terkendali. Konstruksi dioda Zener serupa dengan konstruksi dioda biasa, namun dioda Zener memiliki doping yang berbeda di daerah junction-nya.
Dalam konstruksi dioda Zener, material semikonduktor tipe P dan N dicampurkan untuk membentuk daerah junction seperti pada dioda biasa. Namun, dioda Zener memiliki doping yang lebih tinggi pada daerah junction-nya, sehingga daerah depletion (wilayah bebas muatan) lebih sempit dibandingkan dengan dioda biasa.
Doping yang tinggi pada dioda Zener mengakibatkan terbentuknya lapisan junction yang tipis, sehingga elektron dapat menembus daerah depletion dengan mudah pada saat tegangan reverse diterapkan. Ketika tegangan reverse mencapai tegangan breakdown zener, maka elektron-elektron akan terionisasi dan terbentuk arus yang besar, tetapi arus ini akan tetap stabil karena karakteristik breakdown zener yang terkendali.
Untuk melindungi dioda Zener dari kerusakan akibat suhu yang tinggi, dioda Zener biasanya dilengkapi dengan heatsink atau tabung keramik. Heatsink berfungsi untuk menyerap panas yang dihasilkan saat dioda Zener beroperasi, sedangkan tabung keramik berfungsi untuk melindungi dioda Zener dari kerusakan fisik atau cedera pada saat pemasangan atau penggunaan.
Dalam prakteknya, dioda Zener tersedia dalam berbagai macam paket, seperti paket DO-35, DO-41, SOD-123, dan lain sebagainya, yang memudahkan penggunaan dan pemasangan dioda Zener pada rangkaian elektronik.
Fungsi Dioda Zener
Dengan sifat-sifat dioda zener, maka komponen ini memiliki beberapa fungsi utama dalam aplikasi yaitu:
- Menghasilkan referensi tegangan stabil: Dioda Zener dapat digunakan untuk menghasilkan tegangan stabil pada nilai yang telah ditentukan. Dalam aplikasi regulator tegangan, dioda Zener digunakan bersama dengan resistor untuk menghasilkan tegangan referensi stabil.
- Melindungi sirkuit dari tegangan berlebih: Dioda Zener dapat digunakan untuk melindungi sirkuit dari tegangan berlebih yang dapat merusak komponen sirkuit lainnya. Dalam aplikasi proteksi tegangan, dioda Zener dihubungkan secara paralel dengan sirkuit untuk membatasi tegangan di atas nilai yang diinginkan.
- Mengurangi noise dalam sirkuit: Dioda Zener dapat digunakan untuk mengurangi noise dalam sirkuit elektronik. Dalam aplikasi pengurangan noise, dioda Zener dihubungkan dalam konfigurasi shunt untuk mengalirkan noise ke ground.
- Mengatur kecepatan motor DC: Dioda Zener dapat digunakan dalam pengaturan kecepatan motor DC dengan mengatur arus pada motor DC.
- Deteksi level sinyal: Dioda Zener dapat digunakan sebagai detektor level sinyal dalam aplikasi audio atau pengukuran sinyal.
- Sumber tegangan variabel: Dioda Zener dapat digunakan sebagai sumber tegangan variabel pada aplikasi elektronik yang memerlukan tegangan yang dapat diatur.
Cara Kerja Dioda Zener
Dioda Zener bekerja berdasarkan efek breakdown zener, yaitu fenomena yang terjadi pada material semikonduktor ketika tegangan yang diberikan melampaui tegangan breakdown tertentu pada arah terbalik. Pada dioda Zener, tegangan breakdown ini disebut tegangan zener.
Ketika dioda Zener diberi tegangan yang melebihi tegangan zener, maka dioda Zener akan mulai mengalirkan arus yang cukup besar pada arah terbalik. Arus ini disebut arus zener, dan arus zener ini relatif stabil pada setiap nilai tegangan zener yang diberikan.
Dalam aplikasi regulator tegangan, dioda Zener dihubungkan bersama dengan resistor sebagai pembagi tegangan. Resistor akan membagi tegangan masukan dan menghasilkan tegangan referensi stabil pada dioda Zener. Sehingga, ketika tegangan masukan berubah, tegangan pada dioda Zener tetap stabil pada nilai yang ditentukan.
Dalam aplikasi proteksi tegangan, dioda Zener dihubungkan secara paralel dengan sirkuit yang akan dilindungi. Ketika tegangan melebihi nilai tegangan zener dioda Zener, dioda Zener akan mengalirkan arus yang cukup besar untuk membatasi tegangan di atas nilai zener, sehingga sirkuit yang dilindungi tidak akan rusak.
Dalam pengaturan kecepatan motor DC, dioda Zener dihubungkan dengan motor DC sehingga arus pada motor DC dapat diatur sesuai dengan nilai arus zener pada dioda Zener.
Dalam deteksi level sinyal, dioda Zener dihubungkan dengan sinyal masukan sehingga saat sinyal melebihi nilai tegangan zener, dioda Zener akan mengalirkan arus yang dapat dideteksi sebagai level sinyal yang melebihi nilai tegangan zener.
Dalam sumber tegangan variabel, dioda Zener dihubungkan dengan potensiometer sehingga dapat menghasilkan tegangan variabel yang dapat diatur.
Penyebab kerusakan dioda zener
Ada beberapa penyebab kerusakan dioda Zener, di antaranya:
- Tegangan melebihi tegangan maksimum: Jika tegangan yang diberikan pada dioda Zener melebihi nilai tegangan maksimum, maka arus yang mengalir pada dioda Zener akan sangat besar dan dapat menyebabkan kerusakan pada dioda.
- Arus melebihi batas maksimum: Jika arus yang mengalir pada dioda Zener melebihi batas maksimum yang diizinkan, maka dioda Zener dapat rusak karena panas yang dihasilkan.
- Tegangan melebihi tegangan breakdown terbalik: Jika dioda Zener diberikan tegangan searah yang melebihi tegangan breakdown terbalik, maka dioda Zener akan rusak karena terjadi breakdown pada arah maju.
- Suhu berlebih: Jika suhu dioda Zener terlalu tinggi, maka dapat menyebabkan kerusakan pada struktur dioda Zener dan memperpendek umur pakainya.
- Kondisi penyolderan yang buruk: Jika dioda Zener disolder dengan kondisi penyolderan yang buruk, maka dapat menyebabkan kerusakan pada struktur dioda Zener dan memperpendek umur pakainya.
- Arus impuls: Jika dioda Zener diberikan arus impuls yang tinggi dan cepat, maka dioda Zener dapat rusak karena tidak mampu menangani arus impuls tersebut.
Oleh karena itu, untuk memperpanjang umur pakai dioda Zener, penting untuk memperhatikan nilai tegangan dan arus yang diizinkan pada datasheet.
Contoh rangkaian penyetabil tegangan sederhana dengan dioda zener
1.) Shunt regulator dioda zener dan resistor
Pada rangkaian di atas, dioda Zener digunakan untuk mengatur tegangan keluaran Vout. Resistor R1 digunakan untuk membentuk pembagi tegangan. Ketika tegangan masukan Vin naik, maka tegangan di ujung resistor R1 juga naik. Tegangan pada ujung Vout akan tetap stabil pada nilai tegangan Zener dioda D1.
Untuk memilih dioda Zener yang tepat, pertama-tama harus diketahui tegangan masukan (Vin) dan tegangan keluaran yang diinginkan (Vout). Selanjutnya, dapat dicari nilai resistor R1 yang sesuai dengan dioda Zener yang tersedia.
Contohnya, jika ingin membuat shunt regulator dengan tegangan keluaran 5V dari tegangan masukan 12V dan menggunakan dioda Zener dengan tegangan breakdown 5,1V, maka dapat menggunakan resistor R1 sebesar 1 k5. Dengan begitu, ketika Vin naik hingga 12V, maka Vout akan tetap stabil pada 5,1V.
2.) Shunt regulator dengan dioda zener, transistor, dan resistor
Pada rangkaian di atas, dioda Zener dan transistor Q1 digunakan untuk mengatur tegangan keluaran Vout. Resistor R1 dan R2 digunakan untuk membentuk pembagi tegangan, sementara resistor R3 digunakan untuk membatasi arus yang mengalir pada transistor Q1.
Ketika tegangan masukan Vin naik, maka tegangan di ujung resistor R1 juga naik. Ketika tegangan di ujung R2 mencapai nilai tegangan Zener dioda D1, maka dioda akan mulai mengalirkan arus. Arus ini akan mengalir melalui basis transistor Q1, sehingga transistor akan mengalirkan arus dari kolektor ke emitor. Tegangan keluaran Vout akan tetap stabil pada nilai tegangan Zener dioda D1 dikurangi dengan tegangan jebakan basis-emitor (Vbe) transistor Q1.
Untuk memilih komponen yang tepat, pertama-tama harus diketahui tegangan masukan (Vin) dan tegangan keluaran yang diinginkan (Vout). Selanjutnya, dapat dicari nilai resistor R1, R2, dan R3 yang sesuai dengan dioda Zener dan transistor yang tersedia.
Contohnya, jika ingin membuat shunt regulator dengan tegangan keluaran 5V dari tegangan masukan 12V dan menggunakan dioda Zener dengan tegangan breakdown 5,1V dan transistor NPN dengan Vbe sebesar 0,7V, maka dapat menggunakan resistor R1 sebesar 3,3 kΩ, resistor R2 sebesar 1 kΩ, resistor R3 sebesar 1 kΩ, dioda Zener dengan tegangan breakdown 5,1V, dan transistor NPN seperti 2N3904 atau BC547. Dengan begitu, ketika Vin naik hingga 12V, maka Vout akan tetap stabil pada 4,4V (5,1V – 0,7V).
Penemu Dioda Zener
Dioda Zener ditemukan oleh seorang insinyur elektronik Amerika Serikat bernama Clarence Melvin Zener pada tahun 1934. Saat itu, Zener bekerja sebagai asisten profesor di Universitas Carnegie Mellon di Pittsburgh, Pennsylvania.
Clarence Zener menemukan karakteristik breakdown zener saat sedang melakukan penelitian pada material semikonduktor pada tahun 1932. Temuannya ini dianggap sebagai terobosan penting dalam pengembangan dioda Zener yang digunakan sebagai regulator tegangan dalam rangkaian elektronik.
Penemuan karakteristik breakdown zener oleh Zener kemudian diikuti oleh penemuan lainnya oleh ilmuwan lainnya, seperti William Shockley, yang kemudian mengembangkan dioda semikonduktor yang lebih canggih, seperti dioda schottky dan dioda varactor.
Namun, dioda Zener tetap menjadi salah satu komponen penting dalam rangkaian elektronik modern karena kemampuannya dalam menghasilkan tegangan stabil dan terkendali pada saat tegangan reverse diterapkan.
Demikian tentang fungsi dioda zener, cara kerja, dan contoh rangkaian regulator penyetabil tegangan sederhana dengan menggunakan dioda zener. Semoga informasi ini bermanfaat!
