Analisa Rangkaian Dioda Zener

Analisa rangkaian dioda zener hampir mirip dengan analisa rangkaian dioda biasa. Pertama kita harus menentukan kondisi dari dioda zener tersebut. Dioda zener dalam kondisi on apabila tegangan pada dioda zener tersebut lebih tinggi dari spesifikasi tegangan zenernya (V_Z) dan polaritas tegangannya harus seperti ditunjukkan pada gambar 1a (dioda dalam kondisi bias terbalik). Dioda zener yang mengalami on, diganti dengan sumber tegangan yang nilainya sesuai dengan rating tegangan zenernya. Dioda zener berada dalam kondisi off, apabila tegangan pada dioda zener kurang dari tegangan zener dan lebih dari 0 V. Dioda zener yang berada dalam kondisi off diganti dengan open circuit seperti ditunjukkan pada gambar 1b.

Gambar 1 (a) Rangkaian ekivalen dioda zener pada saat on. (b) rangkaian ekivalem dioda zener pada saat off

Dioda zener pada umumnya digunakan sebagai regulator tegangan seperti ditunjukkan pada gambar 2 yang terdiri dari sumber tegangan dan resistor beban. Pada dasarnya analisa dibagi kedalam dua tahap.

Gambar 2 Rangkaian regulator tegangan sederhana dengan dioda zener

Tahap pertama tentukan kondisi dari dioda zener, apakah dalam kondisi on atau off. Hilangkan dioda zener dari rangkaian tersebut sehingga menjadi open circuit, lalu hitunglah tegangan pada terminal yang open circuit tersebut. Kita terapkan langkah pertama ini pada rangkaian gambar 2. Kita ganti dioda zener dengan open circuit seperti ditunjukkan pada gambar 3, lalu kita hitung tegangan pada terminal open circuit tersebut.

Gambar 3 Menentukan kondisi dioda zener, on atau off persamaan 1

Apabila nilai V ≥ V_Z, maka dioda zener berada dalam kondisi on, dan dioda zener tersebut diganti dengan sumber tegangan sebesar V_Z. Apabila V < V_Z, maka dioda zener menjadi off, dan dioda zener tersebut diganti dengan open circuit.

Langkah kedua, setelah kondisi dioda zener telah ditentukan, dimana dioda zener yang on diganti sumber tegangan sebesar V_Z dan dioda zener yang off diganti dengan open circuit. Selanjutnya kita analisa rangkaiannya dengan analisa rangkaian seperti biasa. Kita bisa menghitung nilai-nilai arus dan tegangan dalam rangkaian yang ingin kita ketahui.

Apabila dioda zener pada gambar 2 berada dalam kondisi on, maka rangkaian ekivalennya ditunjukkan pada gambar 4. Kita lihat, dioda zener diganti dengan sumber tegangan sebesar V_Z. Karena sumber tegangan V_Z dirangkai paralel dengan resistor beban, maka dperoleh persamaan

V_L = V_Z

Gambar 4 Dioda zener yang on (mengalami breakdown) diganti dengan sumber tegangan

Kita gunakan hukum× Kirchoff arus (KCL) pada titik sambungan antara dioda zener dengan resistor beban, menghasilkan persamaan arus

I_R = I_Z + I_L

I_Z = I_R – I_L

dimana I_L = V_L/R_L   dan  I_R = V_R/R = (V_i – V_L)/R

Daya yang diserap oleh dioda zener dapat dihitung dengan persamaan

P_Z = V_Z I_Z

dimana daya P_Z ini harus lebih rendah dari spesifikasi dissipasi daya maksimum dari dioda zener tersebut, kalau tidak, maka dioda zener tersebut bisa terbakar. Disini yang perlu diingat adalah pada saat dioda zener telah on, begitu tegangan sumber dinaikkan, maka tegangan zener tidak akan ikut naik. Dioda zener akan mempertahankan tegangan pada level tegangan zenernya. Karena sifatnya ini, dioda zener banyak dipakai sebagai rangkaian regulator tegangan atau sebagai tegangan referensi dalam rangkaian.

CONTOH SOAL 1

(a) Hitunglah nilai V_L, V_R, I_Z, dan P_Z pada rangkaian dioda zener gambar 5

(b) Ulangi soal (a) apabila beban resistor RL dirubah menjadi 3 kΩ

Gambar 5 Rangkaian regulator tegangan dengan dioda zener

SOLUSI

(a) Pertama kita harus menentukan kondisi dioda zener terlebih dahulu, apakah dioda itu on atau off. Kita ganti dioda zener dengan open circuit seperti ditunjukkan pada gambar 6 dan kita hitung tegangannya

Gambar 6 Menghitung tegangan V untuk menentukan kondisi dioda zener on atau off

arena tegangan pada dioda zener hanya sebesar V = 8.73 V dan tegangan tersebut kurang dari tegangan zenernya yang memiliki nilai sebesar V_Z = 10 V, maka dioda zener tersebut dalam kondisi off seperti ditunjukkan pada kurva karakteristik arus tegangan dioda zener pada gambar 7.

Gambar 7 Titik operasional dioda zener pada rangkaian gambar 5. Dioda zener tersebut belum bisa menghantarkan arus listrik

V_L = V = 8.73 V

V_R = V_i – V_L = 16 V – 8.73 V = 7.27 V

I_Z = 0 A

P_Z = V_ZI_Z = VZ (0 A) = 0 W

(b) Sekarang dengan cara yang sama, kita analisa contoh rangkaian dioda zener tersebut, namun sekarang resistor bebannya diganti menjadi 3 kΩ. Untuk menentukan kondisi zener, kita hitung tegangannya

Karena tegangannya V = 12 V lebih besar dari tegangan zener V_Z = 10 V, maka dioda dalam kondisi on dan dioda zener tersebut diganti dengan sumber tegangan sebesar 10 V seperti ditunjukkan pada gambar 8. Maka kita bisa menghitung arus dan tegangan dalam rangkaian tersebut

Gambar 8 Rangkaian ekivalen dari gambar 5 pada saat dioda zener on

V_L = V_Z = 10 V

V_R = V_i – V_L = 16 V – 10 V = 6 V

I_L = V_L/R_L = 10V/3kΩ = 3.33 mA

I_R = V_R/R = 6V/1kΩ = 6 mA

I_Z = I_R – I_L = 6 mA – 3.33 mA = 2.67 mA

Daya yang terserap oleh dioda zener sebesar

P_Z = V_ZI_Z = (10 V) (2.67 mA) = 26.7 mW

dimana dissipasi daya pada dioda zener ini masih di bawah rating dissipasi daya maksimumnya yaitu sebesar P_ZM = 30 mW

KESIMPULAN

Dari kedua contoh soal ini : pada rangkaian (a), beban resistor yang terhubung ke regulator tersebut memiliki nilai yang terlalu kecil sehingga dioda zener tidak cukup menjadi on. Pada rangkaian (b), resistor bebannya diperbesar menjadi 3 kΩ sehingga dioda zener bisa “on”. Jadi, kemampuan dioda zener dalam meregulasi  tegangan dibatasi oleh nilai beban yang ingin diregulasi tegangannya (tidak bisa terlalu kecil).

DAFTAR PUSTAKA

Dewi, Andriana Kusuma.2015. Analisa Dioda Zener S1 Pendidikan Teknik Elektro. Malang.Universitas Negeri Malang.