Dioda zener

pengantar

Dioda secara umum dikenal sebagai alat yang memungkinkan aliran arus dalam satu arah (forward bias) dan menawarkan hambatan aliran arus bila digunakan dalam bias balik. Zener Diode (Dinamai setelah ilmuwan Amerika C.Zener yang pertama kali menjelaskan prinsip-prinsip operasionalnya) di sisi lain, tidak hanya memungkinkan aliran arus saat digunakan dalam bias maju, tetapi juga memungkinkan aliran arus saat digunakan dalam bias terbalik sejauh ini tegangan yang diberikan berada di atas tegangan rusaknya yang dikenal sebagai Tegangan Hancur Zener. Atau dengan kata lain Tegangan rusak adalah tegangan, di mana Dioda Zener mulai berjalan dalam arah sebaliknya.

Prinsip Operasional Dioda Zener:

Pada dioda normal, tegangan tembus sangat tinggi dan dioda rusak total jika tegangan di atas dioda rusak diterapkan, tetapi di dioda Zener tegangan tembus tidak setinggi dan tidak menyebabkan kerusakan permanen dioda zener jika tegangan diterapkan.

Ketika tegangan balik yang diterapkan ke dioda Zener meningkat menuju Tegangan Breakdown yang ditentukan (Vz), arus mulai mengalir melalui dioda dan arus ini dikenal sebagai Arus Zener dan proses ini dikenal sebagai Kerusakan Avalanche . Arus meningkat hingga maksimum dan menjadi stabil. Arus ini tetap konstan selama rentang yang lebih luas dari tegangan yang diberikan dan memungkinkan dioda Zener untuk bertahan dengan tegangan yang lebih tinggi tanpa mengalami kerusakan. Arus ini ditentukan oleh resistor seri.

Pertimbangkan Gambar di bawah ini dari dioda normal yang sedang beraksi.

Untuk menunjukkan operasi dioda zener, pertimbangkan dua percobaan (A dan B) di bawah ini.

Pada percobaan A, dioda zener 12V dihubungkan dalam bias terbalik seperti yang ditunjukkan pada gambar dan dapat dilihat bahwa dioda zener memblokir tegangan secara efektif karena kurang / sama dengan tegangan tembus dioda zener tertentu dan lampu sehingga menjauh.

Pada Percobaan B, Dioda 6v Zener yang digunakan sedang melakukan konduksi (bohlam menyala) dalam bias terbalik karena tegangan yang diberikan lebih besar dari tegangan tembusnya dan dengan demikian menunjukkan bahwa daerah gangguan adalah daerah operasi dioda zener.

The arus-tegangan kurva karakteristik dari dioda Zener ditampilkan di bawah.

Dari grafik tersebut, dapat disimpulkan bahwa dioda zener yang dioperasikan dalam mode bias balik akan memiliki tegangan yang cukup konstan terlepas dari jumlah arus yang disuplai.

Aplikasi Zener Diode:

Dioda zener digunakan dalam tiga aplikasi utama di sirkuit elektronik;

1. Pengaturan Tegangan

2. Clipper Bentuk Gelombang

3. Pengubah Tegangan

1. Zener Diode sebagai Pengatur Tegangan

Ini bisa dibilang aplikasi paling umum dari dioda zener.

Penerapan dioda zener ini sangat bergantung pada kemampuan dioda zener untuk mempertahankan tegangan konstan terlepas dari variasi suplai atau arus beban. Fungsi umum dari perangkat pengatur tegangan adalah untuk memberikan tegangan keluaran yang konstan ke beban yang terhubung secara paralel terlepas dari variasi energi yang ditarik oleh beban (Arus beban) atau variasi dan ketidakstabilan dalam tegangan suplai.

Dioda Zener akan memberikan tegangan konstan asalkan arus tetap dalam kisaran arus balik maksimum dan minimum.

Diagram rangkaian yang menunjukkan dioda Zener yang digunakan sebagai pengatur tegangan ditunjukkan di bawah ini.

Sebuah resistor, R1 dihubungkan secara seri dengan dioda zener untuk membatasi jumlah arus yang mengalir melalui dioda dan tegangan input Vin (Yang harus lebih besar dari tegangan zener) dihubungkan seperti yang ditunjukkan pada gambar dan tegangan keluaran Vout, diambil melintasi dioda zener dengan Vout = Vz (Zener Voltage). Karena karakteristik bias balik dioda zener adalah apa yang diperlukan untuk mengatur tegangan, ia dihubungkan dalam mode bias terbalik, dengan katoda dihubungkan ke rel positif dari rangkaian.

Kehati-hatian harus dilakukan saat memilih nilai resistor R1, karena resistor bernilai kecil akan menghasilkan arus dioda yang besar ketika beban dihubungkan dan ini akan meningkatkan persyaratan disipasi daya dioda yang bisa menjadi lebih tinggi dari nilai daya maksimum zener dan dapat merusaknya.

Nilai resistor yang akan digunakan dapat ditentukan menggunakan rumus di bawah ini.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Dimana; R1 adalah nilai resistansi seri. Vin adalah tegangan input. Vz yang sama dengan Vout adalah tegangan Zener dan Iz adalah arus zener.

Dengan menggunakan rumus ini, menjadi mudah untuk memastikan bahwa nilai resistor yang dipilih tidak menyebabkan aliran arus lebih tinggi dari yang dapat ditangani oleh zener.

Satu masalah kecil yang dialami dengan rangkaian regulator berbasis dioda zener adalah bahwa Zener terkadang menimbulkan gangguan listrik pada rel suplai saat mencoba mengatur tegangan input. Meskipun ini mungkin bukan masalah untuk sebagian besar aplikasi, masalah ini dapat diselesaikan dengan penambahan kapasitor decoupling bernilai besar di seluruh dioda. Ini membantu menstabilkan keluaran zener.

2. Zener Diode sebagai Waveform Clipper

Salah satu kegunaan dioda normal adalah dalam aplikasi rangkaian kliping dan penjepit yang merupakan rangkaian yang digunakan untuk membentuk atau memodifikasi bentuk gelombang atau sinyal masukan AC, menghasilkan sinyal keluaran yang berbeda bentuknya tergantung spesifikasi clipper atau penjepit.

Rangkaian gunting secara umum adalah rangkaian yang digunakan untuk mencegah sinyal keluaran dari suatu rangkaian agar tidak melampaui nilai tegangan yang telah ditentukan tanpa mengubah bagian lain dari sinyal masukan atau bentuk gelombang.

Sirkuit ini bersama dengan penjepit banyak digunakan di televisi Analog dan pemancar radio FM untuk menghilangkan gangguan (sirkuit penjepit) dan membatasi puncak kebisingan dengan kliping puncak tinggi.

Karena dioda Zener secara umum berperilaku seperti dioda normal ketika tegangan yang diberikan tidak sama dengan tegangan rusak, mereka juga digunakan dalam rangkaian kliping.

Sirkuit kliping dapat dirancang untuk memotong sinyal baik di wilayah positif, negatif, atau kedua wilayah. Meskipun dioda secara alami akan memotong wilayah lain pada 0.7V terlepas dari apakah itu dirancang sebagai pemangkas positif atau negatif.

Misalnya, perhatikan rangkaian di bawah ini.

Sirkuit clipper dirancang untuk memotong sinyal keluaran pada 6.2v, sehingga digunakan dioda zener 6.2v. Dioda zener mencegah sinyal keluaran melampaui tegangan zener terlepas dari bentuk gelombang masukan. Untuk contoh khusus ini, tegangan masukan 20v digunakan dan tegangan keluaran pada ayunan positif adalah 6.2v yang konsisten dengan tegangan dioda zener. Selama ayunan negatif tegangan AC, dioda zener berperilaku seperti dioda normal dan menjepit tegangan keluaran pada 0.7V, Konsisten dengan dioda silikon normal.

Untuk menerapkan rangkaian kliping untuk ayunan negatif rangkaian AC serta ayunan positif sedemikian rupa sehingga tegangan dipotong pada level yang berbeda pada ayunan positif dan negatif, rangkaian kliping zener ganda digunakan. Diagram rangkaian untuk rangkaian kliping zener ganda ditunjukkan di bawah ini.

Pada rangkaian kliping di atas, tegangan Vz2 mewakili tegangan pada ayunan negatif sumber AC di mana sinyal keluaran diinginkan untuk dipotong, sedangkan tegangan Vz1 mewakili tegangan pada ayunan positif sumber AC di mana tegangan keluaran diinginkan untuk dipotong.

3. Dioda Zener sebagai Pengatur Tegangan

Pengalih tegangan adalah salah satu aplikasi yang paling sederhana namun menarik dari dioda zener. Jika Anda memiliki pengalaman terutama dengan menghubungkan sensor 3.3v ke MCU 5V, dan telah melihat secara langsung kesalahan dalam pembacaan, dll, yang dapat menyebabkannya, Anda akan menghargai pentingnya pemindah tegangan. Pemindah tegangan membantu mengubah sinyal dari satu tegangan ke tegangan lainnya dan dengan kemampuan dioda zener untuk mempertahankan tegangan keluaran yang stabil di wilayah kerusakan, ini menjadikannya komponen yang ideal untuk operasi.

Dalam pemindah tegangan berbasis dioda zener, rangkaian, menurunkan tegangan keluaran, dengan nilai yang sama dengan tegangan tembus dioda zener tertentu yang digunakan. Diagram rangkaian untuk pemindah tegangan diilustrasikan di bawah ini.

Pertimbangkan percobaan di bawah ini,

Rangkaian ini menjelaskan pemindah tegangan berbasis dioda 3.3v zener. Tegangan keluaran (3.72V) dari rangkaian diberikan dengan mengurangi tegangan rusaknya (3.3V) dioda zener dari tegangan masukan (7V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3,3 = 3,7v

Pengalih tegangan seperti yang dijelaskan sebelumnya memiliki beberapa aplikasi dalam desain sirkuit elektronik modern karena insinyur desain mungkin harus bekerja dengan hingga tiga level tegangan yang berbeda pada waktu selama proses desain.

Jenis Dioda Zener:

Dioda zener dikategorikan menjadi beberapa tipe berdasarkan beberapa parameter yang meliputi;

Tegangan Nominal
Pembuangan Daya
Maju drive saat ini
Tegangan maju
Jenis kemasan
Arus Balik Maksimum

Tegangan Nominal

Tegangan Operasi nominal dioda zener juga dikenal sebagai tegangan rusaknya dioda zener, tergantung pada aplikasi yang akan digunakan dioda, ini sering menjadi kriteria terpenting untuk pemilihan dioda Zener.

Disipasi daya

Ini menunjukkan jumlah daya maksimum yang dapat dihamburkan arus zener. Melebihi peringkat daya ini menyebabkan peningkatan suhu dioda zener yang berlebihan yang dapat merusaknya dan menyebabkan kegagalan hal-hal yang terhubung dengannya dalam suatu rangkaian. Jadi faktor ini harus dipertimbangkan saat memilih dioda dengan mempertimbangkan kegunaannya.

Arus Zener Maksimum

Ini adalah arus maksimum yang dapat dilewatkan melalui dioda zener pada tegangan zener tanpa merusak perangkat.

Arus Zener Minimum

Ini mengacu pada arus minimum yang diperlukan agar dioda zener mulai beroperasi di wilayah kerusakan.

Parameter lain yang berfungsi sebagai spesifikasi untuk dioda semuanya perlu dipertimbangkan sepenuhnya sebelum keputusan dibuat tentang jenis dioda zener yang diperlukan untuk desain khusus itu.

Kesimpulan:

Berikut adalah 5 poin yang tidak boleh Anda lupakan tentang dioda zener.

Dioda zener seperti dioda biasa hanya saja ia telah didoping untuk memiliki tegangan tembus yang tajam.
Dioda Zener mempertahankan tegangan keluaran yang stabil terlepas dari tegangan masukan asalkan arus zener maksimum tidak terlampaui.
Saat terhubung dalam bias maju, dioda zener berperilaku persis seperti dioda silikon normal. Ini berjalan dengan penurunan tegangan 0.7v yang sama yang menyertai penggunaan dioda normal.
Keadaan operasional default dioda zener berada di wilayah kerusakan (bias terbalik). Ini berarti itu benar-benar mulai bekerja ketika tegangan yang diberikan lebih tinggi dari Tegangan Zener dalam bias terbalik.
Dioda zener banyak digunakan dalam aplikasi yang melibatkan, pengaturan tegangan, sirkuit kliping dan pemindah tegangan.