Apa Itu Dioda Zener?

Apa itu Dioda Zener?

Dioda Zener adalah jenis khusus dari dioda penyearah yang dapat menangani kerusakan akibat tegangan tembus terbalik tanpa gagal sepenuhnya. Disini kita akan membahas konsep penggunaan dioda untuk mengatur jatuh tegangan dan cara kerja dioda zener dalam mode reverse-bias untuk mengatur tegangan pada suatu rangkaian.

Bagaimana Dioda Mengatur Penurunan Tegangan

Jika kita menghubungkan dioda dan resistor secara seri dengan sumber tegangan DC sehingga dioda bias maju, penurunan tegangan di dioda akan tetap cukup konstan pada berbagai tegangan catu daya seperti pada gambar (a) di bawah ini.

Arus melalui sambungan PN yang dibias maju sebanding dengan e dinaikkan ke kekuatan drop tegangan maju. Karena ini adalah fungsi eksponensial, arus naik cukup cepat untuk sedikit peningkatan penurunan tegangan.

Cara lain untuk mempertimbangkan hal ini adalah dengan mengatakan bahwa tegangan yang dijatuhkan pada dioda bias maju sedikit berubah untuk variasi besar dalam arus dioda. Pada rangkaian yang ditunjukkan pada gambar (a) di bawah ini, arus dioda dibatasi oleh tegangan catu daya, resistor seri, dan penurunan tegangan dioda, yang seperti kita ketahui tidak berbeda jauh dari 0,7 volt.

Referensi Si bias maju:(a) dioda tunggal, 0,7V, (b) 10-dioda dalam seri 7.0V.

Jika tegangan catu daya dinaikkan, penurunan tegangan resistor akan meningkat dalam jumlah yang hampir sama, dan tegangan dioda akan turun sedikit. Sebaliknya, penurunan tegangan catu daya akan menghasilkan penurunan tegangan resistor yang hampir sama, hanya dengan sedikit penurunan penurunan tegangan dioda.

Singkatnya, kita dapat meringkas perilaku ini dengan mengatakan bahwa dioda mengatur penurunan tegangan sekitar 0,7 volt.

Penggunaan Pengaturan Tegangan

Regulasi tegangan adalah properti dioda yang berguna untuk dieksploitasi. Misalkan kita sedang membangun semacam sirkuit yang tidak dapat mentolerir variasi tegangan catu daya, tetapi perlu ditenagai oleh baterai kimia, yang tegangannya berubah selama masa pakainya. Kita dapat membentuk rangkaian seperti yang ditunjukkan di atas dan menghubungkan rangkaian yang membutuhkan tegangan stabil melintasi dioda, di mana ia akan menerima 0,7 volt yang tidak berubah.

Ini pasti akan berhasil, tetapi sebagian besar rangkaian praktis apa pun membutuhkan tegangan catu daya lebih dari 0,7 volt agar berfungsi dengan baik. Salah satu cara kami dapat meningkatkan titik pengaturan tegangan adalah dengan menghubungkan beberapa dioda secara seri sehingga masing-masing turun tegangan maju masing-masing sebesar 0,7 volt untuk menghasilkan total yang lebih besar.

Misalnya, dalam contoh kita di atas [gambar(b)], jika kita memiliki sepuluh dioda secara seri, tegangan yang diatur akan menjadi sepuluh kali 0,7, atau 7 volt.

Selama tegangan baterai tidak pernah turun di bawah 7 volt, akan selalu ada sekitar 7 volt yang turun di "tumpukan" sepuluh dioda.

Bagaimana Dioda Zener Mengatur Tegangan

Jika tegangan teregulasi yang lebih besar diperlukan, kita dapat menggunakan lebih banyak dioda secara seri (pilihan yang tidak elegan, menurut saya) atau mencoba pendekatan yang berbeda secara fundamental.

Kita tahu bahwa tegangan maju dioda adalah angka yang cukup konstan dalam berbagai kondisi, tetapi begitu juga tegangan tembus terbalik. Tegangan rusak biasanya jauh, jauh lebih besar daripada tegangan maju.

Jika kita membalikkan polaritas dioda dalam rangkaian regulator dioda tunggal dan meningkatkan tegangan catu daya ke titik di mana dioda “rusak” (yaitu, tidak dapat lagi menahan tegangan bias balik yang melewatinya), dioda juga akan mengatur tegangan pada titik kerusakan itu, tidak membiarkannya meningkat lebih jauh. Ini ditunjukkan pada gambar (a) di bawah ini.

(a) Dioda sinyal kecil Si dengan bias terbalik rusak pada sekitar 100V. (b) Simbol untuk dioda Zener.

Sayangnya, ketika dioda penyearah normal "rusak", mereka biasanya melakukannya secara destruktif. Namun, dimungkinkan untuk membangun jenis dioda khusus yang dapat menangani kerusakan tanpa gagal sepenuhnya. Jenis dioda ini disebut Dioda Zener , dan simbolnya ditunjukkan pada gambar (b) di atas .

Ketika dibias maju, dioda Zener berperilaku hampir sama dengan dioda penyearah standar:mereka memiliki penurunan tegangan maju yang mengikuti "persamaan dioda" dan sekitar 0,7 volt. Dalam mode bias terbalik, mereka tidak melakukan sampai tegangan yang diberikan mencapai atau melebihi apa yang disebut tegangan Zener , pada titik mana dioda dapat menghantarkan arus yang besar, dan dengan demikian akan mencoba membatasi tegangan yang turun ke titik tegangan Zener tersebut.

Selama daya yang dihamburkan oleh arus balik ini tidak melebihi batas termal dioda, dioda tidak akan rusak. Untuk alasan ini, dioda Zener kadang-kadang disebut sebagai “dioda kerusakan”.

Sirkuit Dioda Zener

Dioda Zener diproduksi dengan tegangan Zener mulai dari beberapa volt hingga ratusan volt. Tegangan Zener ini sedikit berubah dengan suhu, dan seperti nilai resistor komposisi karbon pada umumnya, mungkin ada kesalahan dari 5 persen hingga 10 persen dari spesifikasi pabrikan. Namun, stabilitas dan akurasi ini secara umum cukup baik untuk dioda Zener untuk digunakan sebagai perangkat pengatur tegangan pada rangkaian catu daya umum pada gambar di bawah.

Rangkaian regulator dioda zener, tegangan zener =12.6V).

Pengoperasian Dioda Zener Perhatikan orientasi dioda Zener pada rangkaian di atas:dioda bias mundur , dan sengaja begitu. Jika kita mengarahkan dioda dengan cara "normal", sehingga bias maju, hanya akan turun 0,7 volt, seperti dioda penyearah biasa. Jika kita ingin memanfaatkan sifat reverse breakdown dioda ini, kita harus mengoperasikannya dalam mode reverse-bias. Selama tegangan catu daya tetap di atas tegangan Zener (12,6 volt, dalam contoh ini), tegangan yang dijatuhkan pada dioda Zener akan tetap sekitar 12,6 volt.

Seperti perangkat semikonduktor lainnya, dioda zener sensitif terhadap suhu. Suhu yang berlebihan akan merusak dioda zener, dan karena keduanya menjatuhkan tegangan dan menghantarkan arus, ia menghasilkan panasnya sendiri sesuai dengan Hukum Joule (P=IE). Oleh karena itu, kita harus berhati-hati untuk merancang rangkaian regulator sedemikian rupa sehingga peringkat disipasi daya dioda tidak terlampaui. Cukup menarik, ketika dioda Zener gagal karena disipasi daya yang berlebihan, mereka biasanya gagal korsleting bukannya terbuka. Dioda yang gagal dengan cara ini mudah dideteksi:tegangannya turun hampir nol saat dibias, seperti seutas kabel.

Analisis Matematika Rangkaian Pengatur Dioda Zener

Mari kita periksa rangkaian pengatur dioda Zener secara matematis, menentukan semua tegangan, arus, dan disipasi daya. Mengambil bentuk yang sama dari rangkaian yang ditunjukkan sebelumnya, kita akan melakukan perhitungan dengan asumsi tegangan Zener 12,6 volt, tegangan catu daya 45 volt, dan nilai resistor seri 1000 (kita akan menganggap tegangan Zener tepatnya 12,6 volt untuk menghindari keharusan mengkualifikasikan semua angka sebagai “perkiraan” pada Gambar (a) di bawah

Jika tegangan dioda Zener adalah 12,6 volt dan tegangan catu daya adalah 45 volt, akan ada 32,4 volt yang dijatuhkan pada resistor (45 volt - 12,6 volt =32,4 volt). 32,4 volt dijatuhkan pada 1000 memberikan arus 32,4 mA di sirkuit. (Gambar di bawah (b))

(a) Pengatur Tegangan Zener dengan resistor 1000 . (b) Perhitungan penurunan tegangan dan arus.

Daya dihitung dengan mengalikan arus dengan tegangan (P=IE), sehingga kita dapat menghitung disipasi daya untuk resistor dan dioda Zener dengan cukup mudah:

Dioda Zener dengan rating daya 0,5 watt sudah cukup, seperti resistor dengan disipasi 1,5 atau 2 watt.

Sirkuit Dioda Zener dengan Resistansi Lebih Tinggi

Jika disipasi daya yang berlebihan merugikan, lalu mengapa tidak merancang rangkaian dengan disipasi sesedikit mungkin? Mengapa tidak mengukur resistor untuk nilai resistansi yang sangat tinggi, sehingga sangat membatasi arus dan menjaga angka disipasi daya sangat rendah? Ambil rangkaian ini, misalnya, dengan resistor 100 kΩ alih-alih resistor 1 kΩ. Perhatikan bahwa tegangan catu daya dan tegangan Zener dioda pada gambar di bawah ini identik dengan contoh terakhir:

Regulator Zener dengan resistor 100 kΩ.

Dengan hanya 1/100 dari arus yang kita miliki sebelumnya (324 A, bukan 32,4 mA), kedua angka disipasi daya harus 100 kali lebih kecil:

Pertimbangan dengan Resistensi Beban

Tampaknya ideal, bukan? Disipasi daya yang lebih sedikit berarti suhu operasi yang lebih rendah untuk dioda dan resistor, dan juga lebih sedikit energi yang terbuang dalam sistem, bukan? Nilai resistansi yang lebih tinggi tidak mengurangi tingkat disipasi daya di sirkuit, tetapi sayangnya menimbulkan masalah lain. Ingatlah bahwa tujuan rangkaian regulator adalah untuk memberikan tegangan yang stabil untuk rangkaian lain . Dengan kata lain, kita pada akhirnya akan memberi daya pada sesuatu dengan 12,6 volt, dan sesuatu ini akan memiliki arusnya sendiri.

Pertimbangan Penurunan Nilai Resistor yang Lebih Rendah

Pertimbangkan rangkaian regulator pertama kami, kali ini dengan beban 500 yang terhubung secara paralel dengan dioda Zener pada gambar di bawah.

Regulator Zener dengan resistor seri 1000 dan beban 500 .

Jika 12,6 volt dipertahankan pada beban 500 , beban akan menarik arus 25,2 mA. Agar resistor "jatuh" seri 1 kΩ turun 32,4 volt (mengurangi tegangan catu daya dari 45 volt menjadi 12,6 di seluruh Zener), ia masih harus mengalirkan arus 32,4 mA. Ini meninggalkan 7,2 mA arus melalui dioda Zener.

Pertimbangan Resistor menjatuhkan nilai yang lebih tinggi

Sekarang pertimbangkan rangkaian regulator "hemat daya" kami dengan resistor jatuh 100 kΩ, yang memberikan daya ke beban 500 yang sama. Apa yang seharusnya dilakukan adalah mempertahankan 12,6 volt melintasi beban, seperti rangkaian terakhir. Namun, seperti yang akan kita lihat, itu tidak bisa menyelesaikan tugas ini. (Gambar di bawah)

Zener non-regulator dengan resistor seri 100 KΩ dengan beban 500 .>

Dengan nilai resistor jatuh yang lebih besar, hanya akan ada tegangan sekitar 224 mV pada beban 500 , jauh lebih kecil dari nilai yang diharapkan yaitu 12,6 volt! Kenapa ini? Jika kita benar-benar memiliki 12,6 volt melintasi beban, itu akan menarik arus 25,2 mA, seperti sebelumnya. Arus beban ini harus melalui resistor penjatuhan seri seperti sebelumnya, tetapi dengan resistor penjatuhan baru (jauh lebih besar!), tegangan yang turun melintasi resistor itu dengan arus 25,2 mA yang melewatinya akan menjadi 2.520 volt! Karena kita jelas tidak memiliki banyak tegangan yang disuplai oleh baterai, hal ini tidak dapat terjadi.

Analisis Resistansi Jatuh Lebih Tinggi Tanpa Dioda Zener

Situasi ini lebih mudah dipahami jika kita melepas sementara dioda Zener dari rangkaian dan menganalisis perilaku kedua resistor saja pada gambar di bawah.

Non-regulator dengan Zener dihapus.

Baik resistor jatuh 100 kΩ dan resistansi beban 500 disusun seri satu sama lain, memberikan resistansi rangkaian total 100,5 kΩ. Dengan tegangan total 45 volt dan hambatan total 100,5 kΩ, Hukum Ohm (I=E/R) memberi tahu kita bahwa arusnya adalah 447,76 A. Menghitung tegangan turun di kedua resistor (E =IR), kami tiba di 44,776 volt dan 224 mV, masing-masing.

Jika kita memasang ulang dioda Zener pada titik ini, ia juga akan "melihat" 224 mV melintasinya, paralel dengan resistansi beban. Ini jauh di bawah tegangan tembus Zener dioda sehingga tidak akan "rusak" dan mengalirkan arus. Dalam hal ini, pada tegangan rendah ini dioda tidak akan berjalan bahkan jika dibias maju! Dengan demikian, dioda berhenti mengatur tegangan. Setidaknya 12,6 volt harus dijatuhkan untuk "mengaktifkannya".

Teknik analitik melepas dioda Zener dari rangkaian dan melihat apakah tegangan yang ada cukup atau tidak untuk membuatnya berjalan adalah teknik yang baik. Hanya karena dioda Zener kebetulan terhubung dalam suatu rangkaian tidak menjamin bahwa tegangan Zener penuh akan selalu dijatuhkan di atasnya! Ingat bahwa dioda Zener bekerja dengan membatasi tegangan ke beberapa tingkat maksimum; mereka tidak bisa make up karena kekurangan tegangan.

Aturan dalam Operasi Regulasi Dioda Zener

Singkatnya, setiap rangkaian pengatur dioda Zener akan berfungsi selama resistansi beban sama atau lebih besar dari beberapa nilai minimum. Jika resistansi beban terlalu rendah, itu akan menarik terlalu banyak arus, menjatuhkan terlalu banyak tegangan melintasi resistor yang menjatuhkan seri, meninggalkan tegangan yang tidak mencukupi melintasi dioda Zener untuk membuatnya berjalan. Ketika dioda Zener berhenti menghantarkan arus, ia tidak dapat lagi mengatur tegangan, dan tegangan beban akan turun di bawah titik pengaturan.

Menghitung Resistansi Beban untuk Resistor Jatuh Tertentu

Sirkuit regulator kami dengan resistor jatuh 100 kΩ harus bagus untuk beberapa nilai resistansi beban. Untuk menemukan nilai resistansi beban yang dapat diterima ini, kita dapat menggunakan tabel untuk menghitung resistansi dalam rangkaian seri dua resistor (tanpa dioda), memasukkan nilai tegangan total yang diketahui dan resistansi resistor drop, dan menghitung tegangan beban yang diharapkan sebesar 12,6 volt :

Dengan tegangan total 45 volt dan beban 12,6 volt, kita seharusnya memiliki tegangan 32,4 volt pada R_jatuh :

Dengan 32,4 volt melintasi resistor yang jatuh, dan resistansi senilai 100 kΩ di dalamnya, arus yang melaluinya akan menjadi 324 A:

Menjadi rangkaian seri, arus sama melalui semua komponen pada waktu tertentu:

Menghitung resistansi beban sekarang menjadi masalah sederhana dari Hukum Ohm (R =E/I), memberi kita 38,889 kΩ:

Jadi, jika resistansi beban tepat 38,889 kΩ, akan ada 12,6 volt melintasinya, dioda atau tanpa dioda. Setiap hambatan beban yang lebih kecil dari 38,889 kΩ akan menghasilkan tegangan beban kurang dari 12,6 volt, dioda atau tanpa dioda. Dengan dioda terpasang, tegangan beban akan diatur hingga maksimum 12,6 volt untuk setiap hambatan beban lebih besar dari 38.889 kΩ.

Dengan nilai asli 1 kΩ untuk resistor jatuh, rangkaian regulator kami mampu mengatur tegangan secara memadai bahkan untuk resistansi beban serendah 500 . Apa yang kita lihat adalah tradeoff antara disipasi daya dan resistansi beban yang dapat diterima. Resistor penurunan nilai yang lebih tinggi memberi kami disipasi daya yang lebih sedikit, dengan mengorbankan peningkatan nilai resistansi beban minimum yang dapat diterima. Jika kita ingin mengatur tegangan untuk resistansi beban bernilai rendah, rangkaian harus disiapkan untuk menangani disipasi daya yang lebih tinggi.

Bagaimana Dioda Zener melakukan Pengaturan Tegangan

Dioda zener mengatur tegangan dengan bertindak sebagai beban pelengkap, menarik lebih banyak atau lebih sedikit arus seperlunya untuk memastikan penurunan tegangan konstan di seluruh beban. Ini analog dengan mengatur kecepatan mobil dengan mengerem daripada dengan memvariasikan posisi throttle:tidak hanya boros, tetapi rem harus dibuat untuk menangani semua tenaga mesin saat kondisi mengemudi tidak menuntutnya.

Terlepas dari ketidakefisienan desain yang mendasar ini, rangkaian regulator dioda Zener banyak digunakan karena kesederhanaannya. Dalam aplikasi daya tinggi di mana inefisiensi tidak dapat diterima, teknik pengaturan tegangan lainnya diterapkan. Namun meskipun demikian, rangkaian kecil berbasis Zener sering digunakan untuk memberikan tegangan "referensi" untuk menggerakkan rangkaian penguat yang lebih efisien yang mengendalikan daya utama.

Tegangan Dioda Zener Umum

Dioda zener diproduksi dalam peringkat tegangan standar yang tercantum dalam Tabel di bawah ini. Tabel “Tegangan dioda Zener Umum” mencantumkan tegangan umum untuk suku cadang 0,3W dan 1,3W. Watt sesuai dengan die dan ukuran paket dan merupakan daya yang dapat dihamburkan dioda tanpa kerusakan.

Tegangan dioda Zener umum

0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V

Pemotong dioda zener: Sirkuit kliping yang memotong puncak bentuk gelombang pada kira-kira tegangan Zener dioda. Rangkaian Gambar di bawah ini memiliki dua seri Zener yang terhubung berlawanan untuk memotong secara simetris bentuk gelombang pada hampir tegangan Zener. Resistor membatasi arus yang ditarik oleh Zener ke nilai yang aman.

*SPICE 03445.eps D1 4 0 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

Pemotong dioda zener:

Tegangan tembus Zener untuk dioda diatur pada 10 V dengan parameter model dioda “bv=10” dalam daftar jaring bumbu pada Gambar di atas. Hal ini menyebabkan Zener klip pada sekitar 10 V. Dioda back-to-back klip kedua puncak. Untuk setengah siklus positif, Zener atas dibias mundur, mogok pada tegangan Zener 10 V. Zener bawah turun sekitar 0,7 V karena dibias maju. Dengan demikian, tingkat kliping yang lebih akurat adalah 10+0,7=10,7V. Clipping setengah siklus negatif serupa terjadi -10,7 V. (Gambar di bawah) menunjukkan tingkat clipping sedikit di atas ±10 V.

Pemotong dioda zener:input v(1) dipotong pada bentuk gelombang v(2).

TINJAUAN:

• Dioda Zener dirancang untuk dioperasikan dalam mode bias terbalik, memberikan kerusakan yang relatif rendah dan stabil, atau Zener tegangan di mana mereka mulai melakukan arus balik yang substansial.
• Dioda Zener dapat berfungsi sebagai pengatur tegangan dengan bertindak sebagai beban tambahan, menarik lebih banyak arus dari sumber jika tegangan terlalu tinggi, dan berkurang jika terlalu rendah.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Dioda Zener
• Proyek Desain:Lembar Kerja Regulator Tegangan DC