Dioda Zener: Cara Kerja, Karakteristik, dan Aplikasinya

Dioda Zener adalah perangkat semikonduktor silikon yang memungkinkan arus mengalir baik ke arah maju maupun sebaliknya. Dioda terdiri dari sambungan p-n khusus, dirancang untuk melakukan arah sebaliknya bila voltase tertentu tercapai. Dioda Zener memiliki breakdown voltage terbalik yang terdefinisi dengan baik, di mana ia mulai menghantarkan arus, dan beroperasi terus menerus dalam mode bias balik tanpa mengalami kerusakan. Selain itu, penurunan voltase dioda tetap konstan pada berbagai voltase, fitur yang membuat dioda Zener cocok untuk digunakan dalam regulasi voltase.

Gambar 1 Simbol dioda Zener

1.  Cara Kerja Dioda Zener

Dioda Zener beroperasi seperti dioda normal saat berada dalam mode bias maju, dan memiliki voltase turn-on antara 0,3 dan 0,7 V. Namun, bila terhubung dalam mode terbalik, yang biasa dilakukan pada sebagian besar aplikasinya, sebuah Arus kebocoran kecil bisa mengalir. Seiring meningkatnya tegangan balik ke tegangan pemecah yang telah ditentukan sebelumnya (Vz), arus mulai mengalir melalui dioda. Arus meningkat sampai maksimum, yang ditentukan oleh resistor seri, setelah itu stabil dan tetap konstan pada rentang tegangan terapan yang luas.

Gambar 2 Karakteristik I-V Dioda Zener

Dioda Zener digunakan dalam mode “reverse bias” atau reverse breakdown, yaitu anoda dioda terhubung ke suplai negatif. Dari kurva karakteristik I-V di atas, kita dapat melihat bahwa dioda zener memiliki suatu daerah dalam karakteristik bias terbaliknya hampir dengan tegangan negatif konstan, terlepas dari nilai arus yang mengalir melalui dioda dan tetap hampir konstan meski dengan perubahan besar pada arus yang melewati. Selama arus dioda zener tetap berada di antara arus pemecah I_{Z (min)} dan nilai arus maksimum I_{Z (maks)}.

Kemampuan mengendalikan diri ini dapat digunakan untuk mengatur atau menstabilkan sumber tegangan terhadap variasi pasokan atau beban. Kenyataan bahwa tegangan yang melewati dioda di “breakdown region” hampir konstan menjadi karakteristik penting dioda zener karena dapat digunakan pada jenis aplikasi pengatur voltase yang paling sederhana.

2.  Dioda Zener Regulator

Zener Dioda dapat digunakan untuk menghasilkan output tegangan stabil dengan fluktuasi rendah pada kondisi arus beban yang bervariasi. 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 voltase V_out.

Gambar 3 Dioda Zener regulator

Resistor (R_S) dihubungkan secara seri dengan dioda zener untuk membatasi aliran arus melalui dioda dengan sumber tegangan (V_S). Tegangan yang distabilkan (V_out) diambil dari seluruh dioda zener. Dioda zener dihubungkan dengan terminal katoda yang terhubung ke positif suplai DC sehingga bias balik dan akan beroperasi dalam kondisi breakdown-nya. Nilai resistor (R_S) ditentukan sehingga membatasi arus maksimal yang mengalir di sirkuit.

Dengan tidak adanya beban yang terhubung ke sirkuit, arus beban akan menjadi nol, (I_L = 0), dan semua arus sirkuit melewati dioda zener yang pada gilirannya akan menghilangkan daya maksimumnya. Juga, nilai resistor seri (R_S)  yang kecil akan menghasilkan arus dioda yang lebih besar saat resistansi beban R_L terhubung.

Beban dihubungkan secara paralel dengan dioda zener, sehingga tegangan pada R_L selalu sama dengan tegangan zener, (V_R = V_Z). Ada arus zener minimum yang stabilisasi voltasenya efektif dan arus zener harus tetap berada di atas nilai ini, yang beroperasi di bawah beban breakdown regionnya setiap saat. Batas atas arus tentu saja tergantung pada daya perangkat. Tegangan suplai (V_S) harus lebih besar dari (V_Z).

3.  Dioda Zener Tegangan

Disamping mampu menghasilkan output tegangan stabil tunggal, dioda zener juga dapat dihubungkan bersamaan secara seri bersama dengan dioda sinyal silikon normal untuk menghasilkan berbagai nilai tegangan referensi yang berbeda seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Gambar 4 Dioda zener tegangan

Nilai dari masing-masing dioda Zener dapat dipilih agar sesuai dengan aplikasi, sedangkan dioda silikon akan selalu turun sekitar 0,6 – 0,7 V dalam kondisi bias maju. Tegangan suplai  (V_in) tentu saja harus lebih tinggi daripada tegangan referensi output terbesar dan pada contoh kita di atas ini adalah 19V.

4.  Dioda Zener  Clipping

Sejauh ini kita telah melihat bagaimana sebuah dioda zener dapat digunakan untuk mengatur sumber DC konstan tapi bagaimana jika sinyal inputnya tidak DC tapi bentuk gelombang AC, bagaimana dioda zener bereaksi terhadap sinyal yang terus berubah?

Dioda clipping dan clamping circuits adalah sirkuit yang digunakan untuk membentuk atau memodifikasi bentuk gelombang AC (sinusoid) yang menghasilkan bentuk gelombang bentuk berbeda, tergantung pada pengaturan rangkaian. Dioda clipper sirkuit juga disebut pembatas karena mereka membatasi atau klip-off positif (atau negatif) bagian dari sinyal AC masukan. Sebagai rangkaian clipping atau cut-off, zener digunakan untuk pengaman sirkuit.

Misalnya, jika kita ingin meng cut-off bentuk gelombang keluaran di 7.5V, kita akan menggunakan dioda zener 7.5V. Jika bentuk gelombang keluaran mencoba melebihi batas 7.5V, dioda zener akan melakukan fungsi “cut-off” kelebihan tegangan dan menjaga output pada 7.5V. Perhatikan bahwa dalam kondisi bias maju, dioda zener masih dioda biasa dan ketika keluaran gelombang AC turun negatif di bawah -0,7V, dioda zener berubah “ON” seperti dioda silikon biasa dan memotong output pada -0.7V seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Gambar 5 Dioda zener clipping circuit

Baca Juga:

• Dioda: Cara Kerja, Karakteristik, dan Aplikasinya
• Photo Dioda: Karakteristik, Cara Kerja dan Aplikasinya
• Light Emitting Diode (LED)
• Transistor: Jenis, Cara Kerja, dan Aplikasinya
• Integrated Circuit (IC)
• Thermistor: Karakteristik, Cara Kerja, dan Aplikasinya
• Thermokopel: Karakteristik, Cara Kerja, dan Aplikasinya
• Variable Reluctance Sensors
• Hall Effect Sensor
• MAP Sensor

Referensi:
Setiyo, M. (2017) Listrik & Elektronika Dasar Otomotif (Basic Automotive Electricity and Electronics). Edited by A. Burhanudin. Magelang: UNIMMA Press.