Diode Zener Dan Regulasi Tegangan

Diode zener

Diode zener adalah device pn junction silicon yang beroperasi pada daerah reverse yang biasa digunakan untuk regulator tegangan pada DC power supplies. Pada gambar 1 ditunjukkan kurva karakteristik diode zener. Dari kurva tersebut terlihat bahwa, ketika diode mencapai tegangan breakdown, maka tegangannya hampir dapat dikatakan konstan, meskipun terjadi perubahan arus yang besar.

Gambar 1. Karakteristik kurva V-I dari diode zener yang umum 

Diode zener di desain untuk ber-operasi pada reverse breakdown. Kemampuan untuk menjaga tegangan konstan pada terminalnya adalah kunci utama dari diode zener. Nilai minimum arus reverse (I_ZK) pada dioda zener dijaga supaya diode tetap pada daerah breakdownnya untuk dapat menghasilkan regulasi tegangan. Begitu juga arus maksimumnya (I_ZM) harus dijaga agar tidak melebihi power dissipasinya, yang dapat merusakkan diode. 

Rangkaian Equivalen Diode Zener

Pada gambar 2(a) memperlihatkan model ideal dari dioda zener pada reverse breakdown dimana tegangan konstan yang diberikan oleh dioda sama dengan tegangan nominalnya. Pada gambar 2(b) ditunjukan praktikal model (model dalam praktek) dari dioda zener, dimana terdapat resistansi zener (R_Z). Karena kurva tegangan tidak benar-benar vertikal, maka perubahan arus zener menghasilkan perubahan kecil pada tegangan zener, seperti diilustrasikan pada gambar 2(c). Perbandingan antara tegangan dan arus zener adalah resistansi zener. 

R_Z = ∆V_Z / ∆I_Z

                     (a) Ideal                (b) Practical                               (c) Characteristic curve

Gambar 2. Rangkaian equivalen dioda zener

Diode zener beroperasi pada nilai daya tertentu. Besarnya daya maksimum yang diperbolehkan, dispesifikasikan dengan power dissipasi dc [P_D(max)]. Contohnya pada dioda zener dengan seri 1N3305A nilai P_D(max) = 50 W dan pada seri W1N746 nilai P_D(max) = 500 mW . Power dissipasi DC ditentukan dengan persamaan: 

PD =V_Z × I_Z

Masing-masing diode zener mempunyai tegangan nominal V_Z. Contohnya dioda zener pada seri 1N4738 nilai tegangan nominalnya yaitu V_Z = 8,2 Volt, dengan toleransi 10 %, sehingga nilai tegangannya 7,38-9,02 Volt. Arus DC maksimum pada diode zener (I_ZM) dapat diperoleh menggunakan persamaan: 

I_ZM = P_D(max) / V_Z

Regulasi Zener Dengan Tegangan Input Bervariasi

Gambar 3 dapat diketahui bahwa diode zener dapat digunakan untuk regulasi tegangan DC dengan nilai yang bervariasi. Diode zener menjaga tegangan output pada terminalnya mendekati konstan meskipun tegangan input bervariasi (dengan batasan tertentu).

(a) As the input voltage increase, the output voltage remains constant (I_ZK < I_Z < I_ZM).

(b) As the input voltage decrease, the output voltage remains constant (I_ZK < I_Z < I_ZM).

Gambar 3. Regulasi zener dengan variasi tegangan input

Contohnya diode zener pada seri 1N4740 dengan spesifikasi: V_Z = 10 Volt, I_ZK = 0,25 mA, dan P_D(max) = 1 W. 

Arus DC maksimum dapat dicari dengan menggunakan data tersebut dengan cara berikut

I_ZM = P_D(max) / V_Z = 1 / 10 = 100 mA

Jika arus minimum (I_ZK) diketahui, maka tegangan minimum pada R = 220 Ω dapat dicari dengan cara berikut   

V_R = I_ZK ×R 
     = (0,25 mA)(220 Ω) 
     = 55 mV

Karena V_R = V_IN – V_Z, maka 

V_IN = V_R + V_Z 
       = 55 mV + 10 V 
       = 10,055 V

Untuk arus maksimum (I_ZM), maka tegangan maksimum pada R = 220 Ω adalah

V_R = I_ZM ×R 
     = (100 mA)(220 Ω) 
     = 22V

Oleh karena itu, 

V_IN = V_R + V_Z 
       = 22 V + 10 V 
       = 32 V

Contoh tersebut memperlihatkan bahwa diode zener dapat meregulasi tegangan input yang bervariasi mulai dari 10,055 V sampai dengan 32 V menjadi tegangan output yang mendekati 10 V.

Regulasi Zener Dengan Beban yang Bervariasi

Gambar 4 memperlihatkan regulator tegangan zener dengan beban resistor yang bervariasi. Berdasarkan rangkaian tersebut, diode zener akan menjaga nilai tegangan output pada R_L mendekati nilai konstan, jika arus zener > I_ZK dan <I_ZM. 

Gambar 4. Regulasi zener dengan variasi beban

Ketika terminal output pada regulator zener adalah open (R_L = ∝), maka arus bebannya adalah nol, sehingga semua arus melalui zener. Keadaan seperti ini disebut dengan tanpa beban (no load).  Apabila terminal output pada regulator zener terhubung dengan R_L, maka arus akan melewati dioda zener dan juga melewati beban R_L. Apabila nilai R_L ditambah, maka arus beban I_L akan berkurang dan arus zener I_Z akan bertambah, begitu pula sebaliknya jika nilai R_L dikurangi maka arus zener I_Z akan berkurang. Apabila nilai I_Z minimum, atau sama dengan I_ZK maka arus beban menjadi maksimum atau bisa disebut dengan beban maksimum (full load). 

Prosentase Regulasi

Prosentase regulasi (figure of merit) digunakan untuk men-spesifik kinerja dari regulator tegangan. Untuk regulasi zener dengan tegangan input bervariasi, maka prosentase regulasi didefinisikan:  

Prosentase regulasi = (∆Vout / ∆Vin) x 100%

Sedangkan untuk regulasi zener dengan beban bervariasi, maka prosentase regulasi didefinisikan :

Prosentase regulasi =   ((N _{No load} – V _{Full Load}) / V _{Full Load}) × 100%

Share this post