Pengertian Dioda Zener, Fungsi dan Simbol

Pengertian Dioda Zener, Fungsi, Simbol Dan Rangkaiannya - Dioda zener adalah  dioda silikon yang dapat bekerja dengan baik pada daerah breakdown. Nama zener berasal dari Ilmuan amerika Clarence Melvin Zene yang menemukan efek zener.

Gambar 1. Ilustrasi Bentuk Fisik Dioda Zener

Secara umum, dioda zener memiliki ciri-ciri fisik bening seperti kaca dengan isian dalam berwarna jingga-merah. Namun ada juga dioda sinyal (bukan zener) yang juga mirip dengan bentuk fisik zener seperti 1N4148.

Selain dengan bentuk fisik bening, ada juga bentuk fisiknya mirip seperti dioda penyearah 1n4007, namun warna fisiknya adalah abu-abu. 

Setiap perusahaan zener memiliki fisik yang berbeda. 

Untuk melihat lebih jauh ttg fisik dioda seilahkan menuju penyedia penjualan komponen seperti DigiKey, Mouser, LCSC, Arrow, Future Electronics, Avnet, TTI Inc, dan lainnya.

Gambar 2. Simbol Dioda Zener

Sebelum pembahasan lebih jauh, kita kembali mengenal karakteristrik atau sifat-sifat dioda, yang mana dengan ini kita dapat memahami cara kerja Dioda Zener.

Pada dioda penyearah kita mengenal istilah Forwared Bias, Reverse Bias, Knee Voltage, dan Breakdown Voltage. 

Begitu juga pada Dioda Zener, istilah ini juga di pakai.

Apa maksudnya?

Forward Bias adalah kondisi dimana kaki Anoda dari Dioda dihubungkan ke tegangan positif sumber dan kaki katoda dihubungkan ke ground, sehingga arus dapat mengalir melalui dioda.

Reverse Bias adalah kondisi dimana kaki katoda dari Dioda dihubungkan ke tegangan positif sumber dan kaki anoda dihubungkan ke ground, sehingga arus ridak dapat mengalir melalui dioda. 

Knee Voltage atau Tegangan Lutut adalah tegangan dimana pada tegangan ini arus mengalir sangat dengan sangat cepat. 

Tegangan Knee Voltage ini sama dengan tegangan potensial barrier, dimana dioda silikon memiliki tegangan barrier 0.7V sedangkan germanium adalah 0.3V.

Selain tegangan lutut, istilah lain juga digunakan adalahngan offset.

Jika anda belum memahami apa arti dari Knee Voltage ini, saya beri contoh nyata begini:

Ada sebuah pipa yang mana air didalam pipa tersebut tidak dapat mengalir, karena ditengah pipa ada sebuah Kran air tertutup.

Untuk memutar kran air itu, dibutuhkan tenaga, katakanlah tenaganya adalah 0.7. 

Jika tenaga yang digunakan untuk memutar kran air itu dibawah 0.7, maka kran air tidak berputar sehingga menyebabkan air tidak dapat mengalir.

Jika tenaga yang digunakan untuk ememutar kran air itu 0.7, maka kran air akan berputar sedikit dan mengalirkan arus air yang sedikit. 

Semakin tinggi tenaga untuk memutar kran air itu, semakin terbuka lebar kran air semakin banyak air yang mengalir.

nah, sama seperti dioda, kekuatan awal untuk mendorong katup dioda silikon adalah 0.7V, sehingga akan ada arus yang mengalir.

Semakin tinggi tengangan lututnya, semakin banyak arus yang bisa mengalir.

Tegangan Breakdown adalah batas tegangan kerja darii sebuah dioda. yang dapat merusak sebuah dioda. 

A. Kapan tegangan breakdown dioda terjadi?

tegangan breakdown terjadi ketika dioda dihubungkan secara reverse bias dan tegangan yang diberikan pada dioda sangat besar. 

Jika dioda silikon penyearah biasa, bekerja pada daerah breakdown akan menyebabkan dioda tersebut  rusak.

Namun disinilah keunggulan dari dioda zener, dioda zener akan bekerja sangat baik pada tegangan breakdown.

Jika dioda zener dihubungkan secara Forward Bias, maka dioda zener bekerja layaknya dioda penyearah.

Namun, jika dioda zener dihubungkan secara reverse bias, maka tidak ada arus yang mengalir, sama seperti dioda penyearah.

Kecuali saat mencapai tegangan breakdown.  

Gambar 3. Rangkaian Dasar Dioda Zener

B. Bagaimana Dioda Zener dapat Mempertahankan Tegangan?

Contohnya nyatanya seperti ini, ada sebuah rangkaian dioda zener yang terhubung ke sumber tegangan.

Sumber tersebut adalah tegangan  8V, sedangkan tegangan breakdown pada zener adalah 10V.

Ketika sumber tegangan tersebut dihubungkan dengan zener pada posisi reverse bias, maka tidak ada perubahan apa-apa dari tegangan output dioda zener tetap 8V.

Pada saat tegangan dinaikkan menjadi 12V, maka dioda zener akan menurunkan tegangan dari 12V  menjadi 10V.

Bagaimana itu bisa terjadi?

tegangan breakdown atau selanjutnya kita katakan tegangan zener itu persis cara kerjanya seperti tegangan lutut, hanya saja tegangan lutut bekerja pada forward bias, sedangkan tegangan zener bekerja pada reverse bias.

Misalnya pada dioda silikon penyearah tegangan lututnya adalah 0.7V. Dengan tegangan tersebut, dioda ini baru bisa mengalirkan arus.

Dioda zener dengan spesifikasi tegangan zenernya adalah 10V, baru bisa mengalirkan arus ketika diberikan tegangan diatas 10V dalam daerah reverse bias.

Artinya ini ketika 10V lebih tegangan pada zener, maka zener akan "membuang arus" ke ground sebanding dengan tingginya tegangan.

Semakin tinggi tegangan, semakin banyak arus yang dibuang.

Dari efek inilah dioda zener dapat mempertahankan tegangan.

Dioda zener memiliki tegangan zener yang berbeda-beda. Setiap nilai tegangan zener biasanya ditulis pada fisik dioda zener.

Tegangan zener bervariasi. Saat artikel ini ditulis, tegangan zener tersedia mulai dari 1V hingga 240V.

Untuk daya zener (power dissipation) juga bervariasi, diantaranya 1.5mW hingga 1.5 kW.

Untuk lebih lengkap tegangan dan daya dari sebuah dioda zener, anda dapat mengunjungi website distributor komponen elektronik seperti Digikey. Mouser, AVnet, TTI Component, Future, LCSC dan sebagainya.

Jadi, jika kita membeli dioda biasa di toko elektronik komponen, biasanya kita akan ditanya berapa ampere diodanya?

namun Jika kita membeli dioda zener, biasanya yang ditanya adalah  Berapa tegangannya? dan berapa dayanya?

C. Fungsi Dioda Zener

Dioda zener banyak digunakan pada rangkaian elektronik kerena kelebihannya yang mampu mempertahankan tegangan. Diantara fungsi dioda zener adalah:

1. Dioda Zener dapat befungsi sebagai penstabil tegangan. 
2. Sebagai referensi tegangan.
3. shunt voltage regulator.
4. Dapat berfungsi juga sebagai pengaman tegangan berlebih. 
   
   
   Misalnya kita membuat sebuah voltmeter. Batas maksimal pembacaan voltmeter  buatan kita itu ktakanlah 12V.
   
   
   Jika diberikan pada voltmeter sebesar 50V, maka rangkaian dalam pada voltmeter bisa rusak.
   
   
   Dari itu, kita letakkan sebuah dioda zener dengan tegangan zener 12V pada input dari voltmeter.
   
   
   Jika voltmeter dihubungkan ke sumber tegangan 50V, maka voltmeter akan membaca tegangan tetap 12V, sehingga rangkaian voltmeter tetap aman.

Dengan tegangan input yang berubah-ubah, dioda zener ini dapat menyesuaikan dirinya dan memberikan tegangan keluaran yang tetap. 

Misalnya, dioda zener memiliki spesifikasi 5V, maka berapapun tegangan yang masuk, tegangan output yang keluar tetap 5V dengan sedikit toleransi tegangan.

D. Bagaimana cara menggunakan Dioda Zener?

Untuk dapat menggunakan dioda zener ada beberapa hal yang harus kita pahami yaitu, Dioda zener harus dipasang reverse bias (Gambar 3).

Misalnya, kita punya dioda zener dengan spesifikasi tegangan zener 5V dan kemampuan daya 10W.

Tegangan sumber (Vs) adalah 12V.

Arus untuk beban adalah 3A.

 

Bagaimana cara menentukan Tahanan Shunt (Rs) untuk menjamin kestabilan Zener?

Jawab:

Cari aris zener dari spesifikasi yang diketahui.

Iz-max  = Pz / Vz = 10W / 5V = 2A.

Iz-min = 0A

 

Kemudian cari Arus Yang melewati resistor Shunt, katakanlah Arus Shunt (Is).

Is-min = Ibeban - (Iz-max) = 3A - 2A = 1A

Is-max = Ibeban - (Iz-min) = 3A - 0A = 3A

 

Jika dilihat dari rangkaiannya, tegangan sumber (Vs) adalah jumlah tegangan shunt (Vrs) ditambah tegangan zener (Vz)

Vs = Vrs + Vz = (Is . Rs) + Vz

Rs = (Vs - Vz ) / I s

 

Karena Is ada dua minimum dan maksimum, maka nanti nilai Rs juga ada dua, Rs minimum dan maksimum.

Rs-min = (Vs - Vz) / Is-min = (12V - 5V) / 1A = 7V / 1A = 7 Ohm

Rs-max = (Vs - Vz) / Is-max = (12V - 5V) / 3A = 7V / 3A = 2.33 Ohm

 

Jadi nilai Rs untuk menjamin kestabilan zener adalah antara 2.33 Ohm hingga 7 Ohm

Untuk rangakaia sederhana dengan tegangan kecil, dioda zener dapat bermanfaat. Akan tetapi dioda zener sangat berpengaruh dengan arus yang bsear dan suhu.

Jadi penggunaanya tidak terlalu efisien. Untuk lebih efisien kita dapat menggunakan voltage regulator.

Sekian dan semoga artikel ini bermanfaat.