DIODE ZENER TUGAS DASAR ELEKTRONIKA
Oleh :
PUTU RUSDI ARIAWAN 0804405050
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN 2010
1.1. Pengertian Tentang Diode Diode merupakan alat yang hanya bisa mengalirkan arus DC dalam satu arah saja, sedangkan pada arah lain yang berlawanan ia tidak akan bisa untuk menghantarkan arus tersebut. Diode memiliki bentuk fisik yang kecil dan ia memiliki dua buah kutub (kaki) di masing-masing ujungnya seperti halnya tahanan (resistor). Dimana salah satu ujungnya adalah positif sedangkan ujung kaki yang lainnya adalah negatif. Kaki-kaki dari diode ini disebut dengan katode dan anode. Diode juga dapat digunakan untuk mengubah arus AC (arus bolak-balik) menjadi arus DC (arus searah) dan lain sebagainya tergantung dari jenis diodenya. Diode memiliki bermacam-macam bentuk, ada yang silinder, bundar pipih, berbentuk peluru dan lain sebagainya. Sifat dari diode di dalam suatu rangkaian ditentukan oleh kedudukannya atau letak elektroda-elektrodanya.
1.2. Lambang dan Bentuk dari Komponen Diode Di dalam suatu skema rangkaian, diode dilambangkan seperti pada gambar dibawah ini:
Gambar 1. Lambang dari Diode Dari lambang ini sudah dapat dilihat bahwa arah dari arus mempengaruhi sifat dari diode. Satu sisi dari diode disebut anode, dan yang lainnya disebut katode. Katode ada pada ujung depan dari segitiga. Apabila anode dihubungkan ke kutub yang positif sedangkan anode dihubungkan ke kutub yang negatif maka arus listrik akan mengalir dari anode menuju ke katode. Namun apabila hubungan tersebut dibalikan maka tidak akan ada arus listrik yang mengalir melalui diode. Jadi diode hanya dapat dialiri oleh arus listrik pada saat anode memiliki potensial lebih tinggi dari pada katode. Komponen dari diode sering berbentuk silinder kecil dan biasanya diberi lingkaran pada katode untuk menunjukan posisi dari garis di dalam lambang diode tersebut.
PUTU RUSDI ARIAWAN
1.3. Sifat dari Diode Sebagai pendekatan pertama dapat dikatakan bahwa diode mengijinkan arus untuk dapat mengalir ke satu arah saja. Ketika anode mendapatkan voltase yang lebih positif daripada katode, maka arus bisa saja mengalir dengan bebas. Di dalam situasi seperti ini dapat dikatakan dioda dibias maju. Kalau voltase dibalikan, berarti katode yang positif terhadap anode, maka arus tidak akan dapat mengalir kecuali suatu arus yang sangat kecil. Dalam situasi ini dikatakan diode dibias balik atau dibias mundur. Arus yang mengalir ketika diode dibias balik disebut dengan arus balik atau arus bocor dari diode dan arus itu begitu kecil sehingga di dalam kebanyakan rangkaian dapat diabaikan. Arus bisa mengalir kearah segitiga dalam lambang skema rangkaian. Kalau voltase lebih kecil daripada batas-batas tersebut maka sebenarnya terdapat pula arus namun jumlahnya sangat kecil. Hubungan antara arus dan voltase bisa digambarkan seperti gambar dibawah ini
Gambar.2.Pendekatan untuk sifat dari suatu diode Namun perlu diperhatikan bahwa sifat ini hanya merupakan suatu pendekatan, walaupun pendekatan ini cukup baik untuk dipakai di dalam banyak situasi, yang berarti sifat dari sebagian besar rangkaian dapat dimengerti oleh pendekatan ini.
Kalau memakai
pendekatan ini, sifat dari diode dapat dimengerti juga dengan memakai satu rangkaian pengganti, yaitu satu sakelar yang terbuka ketika diode dibias balik dan tertutup ketika diode dibias maju.
Gambar.3. Rangkaian Pengganti yang Mendekati Sifat Diode
PUTU RUSDI ARIAWAN
Untuk mendapatkan voltase yang dibutuhkan supaya arus dapat mengalir, maka sakelar tersebut dirangkai secara seri dengan satu sumber voltase sehingga terdapat rangkaian pengganti.
Jadi sifat dari diode berbeda jika arah voltase pada sambungannya berbeda. Sifat yang mengijinkan arus mengalir hanya ke satu arah saja dapat digunakan sebagai suatu pengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Salah satu contoh rangkaian sederhana yang menghasilkan sifat ini diperlihatkan pada gambar dibawah ini :
Gambar.4.Contoh Rangkaian Sederhana
Kalau sifat dari diode yang dibias terus maju diteliti lebih rinci dengan arus yang tidak terlalu besar, maka terdapat sifat yang hamper persis yang sesuai dengan rumus: I = Ib (T).(exp (
V ) -1) mVr
Dimana: Ib = Arus diode pada arah bias balik, berarti arus bocor T = Suhu diode Vt = Konstanta fisik : Vt =
KT e0
1 V (pada suhu 40
200 C)
M = Satu konstanta antara 1 dan 2
1.4. Diode Zener Diode zener merupakan salah satu dari beberapa jenis diode khusus yang juga dapat untuk mengalirkan arus ke arah sebaliknya. Diode ini merupakan sambungan dari
PUTU RUSDI ARIAWAN
silicon yang sering digunakan sebagai pengatur ataupun penstabil dari tegangan. Meskipun arus dari AC yang dirubah ke dalam bentuk arus searah (DC) berubah-ubah, namun tidak akan berpengaruh pada diode zener ini.Bentuk dari diode zener biasanya sama dengan diode biasa, sedangkan lambang dan contoh dari diode zener dapat kita lihat pada gambar dibawah ini:
A
K
Gambar.5. Lambang Diode Zener
Gambar .6 Contoh Diode Zener
Sifat dari diode zener hampir sama dengan diode biasa, hanya saja diode zener dirancang untuk memiliki voltase break thought pada voltase tertentu. Berikut ini adalah beberapa sifat daripada diode zener diantaranya: Tegangan maksimum yang bisa dicapai oleh diode zener kurang lebih sebesar 0,7 sampai dengan 12 Volt. Hanya dapat tahan terhadap arus kecil saja (dengan batas maksimum antara 1 sampai dengan 50 miliampere). Hampir tidak ada tegangan yang hilang jika melewati diode zener ini. Memiliki bentuk fisik yang kecil.
Voltase break through pada diode zener biasanya disebut dengan Voltase Zener. Diode zener biasanya dipakai pada arah balik sehingga voltase pada diode ini konstan yaitu sebesar voltase zenernya. Diode zener juga memiliki beberapa keistimewaan diantaranya:
PUTU RUSDI ARIAWAN
a. Tegangannya dapat ditentukan, misalnya sebesar 4V, 8V,atau 10V b. Besar dari pada tegangannya tidak tergantung pada tegangan inputnya sendiri.
Diode zener juga memiliki beberapa fungsi diantaranya: a.
Stabilisator tegangan
b.
Sebagai Clipper pada sirkit pulsa.
Berikut ini adalah contoh dari catu daya yang menggunakan regulator diode zener yang dapat kita lihat pada gambar dibawah ini:
Gambar .7 Catu Daya dengan Menggunakan Regulator Diode Zener
Bila tegangan yang melalui diode pada arah yang berlawanan yang melebihi tingkat tertentu, diode juga akan menjadi suatu penghantar. Tingkat tegangan ini dikenal sebagai tegangan zener, dan di dalam diode biasa nilainya biasanya sangat tinggi (100 V untuk tipe 1N4148 ) sehingga arus yang ditimbulkannya dapat saja merusak diode. Meskipun demikian, dapat dibuat diode dengan tegangan zener tertentu pada tingkat tegangan yang sangat rendah. Hasilnya adalah suatu diode yang nantinya dapat menjadi sumber tegangan yang sangat stabil, yang sering kita sebut dengan Diode Zener.
1.4.1. Resistansi Zener Bila dioda zener sedang beroperasi di daerah dadal, kenaikan arus menghasilkan sedikit kenaikan tegangan. Ini berarti bahwa dioda zener mempunyai resistansi ac yang kecil. Lembaran data menentukan resistansi zener ( sering disebut impedansi zener) pada arus pengujian IZT yang sama dengan yang digunakan untuk mengukur VZ. Resistansi zener pada arus pengujuian ini ditandai dengan RZT ( atau ZZT). Misalnya, lembaran data 1N3020 mencantumkan data-data sebagai berikut: VZT = 10 V, IZT = 25 mA, dan ZZT =
PUTU RUSDI ARIAWAN
7
. Ini memberi informasi kepada kita bahwa dioda zener mempunyai tegangan 10 V
dan resistansi zener 7
bila arus 25 mA.
1.4.2. Regulator Zener Diode zener sering disebut juga voltage-regulator diode (dioda pengatur tegangan) karena mempertahankan tegangan output tetap konstan meskipun arus yang melaluinya berubah.Pada operasi normal,kita harus memberikan bias mundur (reverse bias) pada diode zener.Lebih lanjut untuk memperoleh opersi breakdown,tegangan Vs harus lebih besar daripada tegangan breakdown zener Vz.Resistor se Rs selalu digunakan untuk membatasi arus zener agar lebih kecil daripada tingkatan arus maksimumnya.Jika tidak,diode zener terbakar. Regulator (pengatur) tegangan dengan diode zener terlihat pada gambar berikut:
Gambar Pengatur Tegangan pada Diode Zener
Tegangan Vs adalah tegangan searah yang tak teratur yang dapat bersal dari penyearah gelombang penuh yang bertapis.Tegangan sumber Vs dan resistor R dipilih sedemikian sehingga diode bekerja didaerah dadal (break down) yaitu di Vz dan Iz. Diode kemudian mengatur tegangan beban terhadap perubahan arus beban dan tegangan sumber.Didaerah dadal perubahan yang besar arus diode hanya mengakibatkan perubahan yang kecil pada tegangan diode zener.Pengaturan ini terjadi selama arus diode lebih besar daripada Izk.
PUTU RUSDI ARIAWAN
Contoh: Diode zener digunakan untuk mempertahankan tegangan 12V untuk arus diode berubah dari 5 hingga 20mA. Tegangan sumber Vs = 18 volt A) Hitunglah R yang memungkinkan penaturan tegangan pada arus beban I0 = 0 hingga I1 maksimum.Berapakah besar I1 maksimum? B) Bila R bernilai seperti (a) dan I1 ditetapkan 10 mA,berpakah batas Vs boleh berubah tanpa kegagalan pengaturan tegangan? Solusi a) I
V
Vz , Iz = I-I1 R
Bila RL berubah maka IL =
Vz juga berubah,tetapi I konstan.Sehingga dengan RL
bertambah nya IL,Iz akan turun.Iz maksimum terjadi pada saat IL minimum (IL =0) Jadi R =
18 12 = 300Ω 20
Iz minimum = Izk = 20- 5 = 15 mA C) Pada saat arus diode minimum,I = 5+ 10 =15mA Vs =Vz + IR = 12+15x o,3 = 16,5volt Pada saat arus dode maksimum, I = 20 +10 = 30 ma Vs = 12+30x0,3 = 21volt
1.4.3 Diode Zener Ideal Untuk perbaikkan dan perancangan mula, kita dapat menganggap daerah dadal sebagai garis yang vertikal. Artinya, tegangannya tetap meskipun arusnya berubah, yang artinya sama dengan mengabaikan resistansi zener. Gambar 1.3 (a) menunjukkan pendekatan ideal dioda zener. Ini berarti bahwa dioda zener yang sedang beroperasi di daerah dadal berlaku seperti sebuah batere. Artinya dalam suatu rangkaian, dalam bayangan dioda zener dapat diganti dengan sumber tegangan V z, asalkan dioda zener sedang beroperasi di daerah dadal.
PUTU RUSDI ARIAWAN
1.5. Regulator Zener dengan Beban Diode zener ini beroperasi pada daerah breakdown dan menjaga agar tegangan beban tetap konstan. Meskipun sumber tegangan berubah atau resistansi beban berubahubah, namun tegangan akan selalu tetap dan sama dengan tegangan zener.
1.5.1. Operasi Breakdown Bagaimana anda dapat mengatakan apakah diode zener dioperasikan pada diode zener atau tidak?. Tegangan Thevenin pada diode adalah sebagai berikut :
RL
VTH
RS
RL
VS
Ini merupakan tegangan yang ada ketika diode zener diputuskan dari rangkaian, dimana tegangan theveninnya haruslah lebih besar dari pada tegangan zener karena jika terjadi hal yang sebaliknya maka kondisi dari operasi breakdown tidak akan memenuhi ketentuan.
1.5.2. Arus Seri Misalkan dioda zener sedang beroperasi di daerah dadal, kita teruskan sebagai berikut. Arus yang mengalir ,melalui tahanan seri diberikan oleh : Iz =
Vs Vz Rs
Ini adalah Hukum Ohm yang diterapkan pada tahanan pembatas arus.
1.5.3. Arus Beban Karena resistansi zener biasanya hanya menimbulkan pengaruh yang sangat kecil, kita dapat mendekati tegangan beban dengan VL (Lambang
Vz
berarti “hampir sama daripada”). Ini memungkinkan kita untuk
menggunakan hukum Ohm untuk menghitung arus beban :
PUTU RUSDI ARIAWAN
IL =
Vl Rl
1.5.4. Arus Zener Karena rangkaian dua simpal maka arus seri terbelah pada persambungan dioda zener dan tahanan beban. Dari hukum Kirchhoff diperoleh : IS = IZ + IL Kita dapat mengatur kembali persamaan ini untuk mendapatkan hubungan arsu zener. IZ = IS – IL
1.6. Pengujian Diode Zener Untuk melakukan pengujian terhadap diode zener maka langkah pertama yang harus kita kerjakan adalah menghubungkan diode zener pada arah maju, dengan katode menuju ke arah negatif. Diode akan menghantar seperti biasa apabila tegangan ambangnya kira-kira sebesar 0,7 V, dan bila tegangan catunya ditingkatkan oleh potensiometer. Langkah berikutnya adalah membalikan diode zener. Biasanya diode tidak akan dapat menghantar arus bila tegangan belum mencapai tingkat tegangan sebesar 2,7 Volt. Tingkat tegangan ini akan tetap stabil, berapapun tegangan potensiometer, namun diode akan berhenti menghantarkan arus apabila tegangan pada potensiometer jatuh dibawah tegangan zener 2,7 Volt.
Diode zener tersedia dalam beberapa nilai tegangan zener, diode ini sering digunakan di dalam stabilisasi catu daya atau untuk melindungi komponen laindari tegangan yang sifatnya berlebihan. Peristiwa yang terjadi pada diode pada tegangan zener ini adalah sesuatu yang menarik. Dimana di dalam peristiwa ini akan terjadi pertemuan antara kutub positif dengan kutub negatif yang sama-sama memiliki ketebalan kira-kira sebesar 1 μm = 0,000 001 m. Dengan menganggap ketebalan antara pertemuan antara P-n sebesar 0,3 μm dan diterapkan tegangan mundur 6 volt, maka perbandingan antara tegangan dengan panjang jalur 9biasanya lebih dikenal dengan kekuatan medan listrik atau E) adalah :
PUTU RUSDI ARIAWAN
E
6V 0,3 m
20
MV (megavolt per meter) m
Sehingga apabila konduktor-konduktor dari sebuah sIstem tegangan tinggi sama dengan 380 kV dan terpisah sejauh 19mm, maka kekuatan medan akan sama dengan yang terdapat di dalam diode.
PUTU RUSDI ARIAWAN
BIODATA PENULIS
Nama
: Putu Rusdi Ariawan
TTL
: Denpasar. 19 April 1990
Agama
: Hindu
Mahasiswa Teknik Elektro Unv. Udayana Email :
[email protected] www.facebook.com/turusdi
PUTU RUSDI ARIAWAN
