Dioda zener merupakan salah satu dari jenis dioda yang berfungsi untuk membatasi tegangan listrik yang mengalir pada suatu rangkaian. Penggunaan komponen semikonduktor ini sering diaplikasikan pada sirkuit pengatur tegangan dan perlindungan sirkuit terhadap lonjakan tegangan yang tiba tiba.
Prinsip kerja dari dioda zener adalah menggunakan konsep tegangan breakdown. Dimana lapisan deplesi yang ada pada semikonduktor penyusun dioda hanya bisa ditembus jika diterapkan tegangan listrik tertentu saja.
Di artikel ini kita akan membahas secara tuntas cara kerja dan fungsi dioda zener pada rangkaian elektronika. Silahkan simak penjelasannya berikut ini :
Prinsip kerja dioda zener
Persimpangan PN pada dioda normal biasanya dibuat dengan menyesuaikan semikonduktor tipe-P dan tipe-N pada kristal semikonduktor tunggal, misalnya silikon. Karakteristik persimpangan dioda pada umumnya adalah melewatkan arus listrik yang diterapkan pada bias maju. Menerapkan sejumlah besar bias maju menyebabkan arus maju yang lebih besar dengan nilai tegangan maju yang kecil.
Saat dioda diterapkan bias balik, tidak akan menyebabkan konduksi arus sampai nilai tegangan balik yang tinggi tercapai (nilai breakdown dioda). Jika tegangan balik cukup besar, kerusakan terjadi dan arus balik mulai mengalir. PN junction pada dioda biasa umumnya akan rusak ketika kerusakan ini terjadi.
Prilaku dioda terhadap bias tegangan balik ini menjadi konsep dasar terbantuknya dioda zener yang memiliki karakteristik khusus.
Dioda zener dibentuk dengan proses khusus sehingga memungkinkan tidak akan rusak ketika tegangan breakdown telah dilewati. Meskipun tegangan tembus dapat dilewati namun arus yang masuk ke dioda dibatasi sehingga panas yang berlebihan dapat dicegah.
Dioda Zener diciptakan oleh Clarence Melvin Zener dari Bell Laboratories, yang menemukan jenis properti listrik ini. Dioda ini merupakan jenis dioda yang unik dengan konsentrasi doping berat pada saat proses pembuatannya. Karena doping yang berat, sejumlah besar elektron bebas dan lubang elektron dibuat untuk mampu menghantarkan arus listrik dalam bias terbalik.
Dioda ini didesain memiliki karakteristik avalanche yang sangat curam. Dioda zener adalah dioda silikon yang didoping berat, tidak seperti dioda normal yang menunjukkan kerusakan terbalik impulsif pada tegangan yang relatif rendah.
Dioda zener memungkinkan arus mengalir ke arah maju dengan cara yang sama seperti dioda ideal, dan juga memungkinkan arus mengalir ke arah sebaliknya ketika tegangan di atas nilai tertentu yang dikenal sebagai tegangan tembus. Tegangan ini juga dapat disebut sebagai tegangan breakdown zener.
Jika tegangan melintasi dioda meningkat, suhu meningkat dan ion kristal bergetar dengan amplitudo yang lebih besar dan semua ini mengarah pada kerusakan lapisan deplesi. Ketika kerusakan terjadi, akan ada peningkatan tajam dalam arus balik. Sejumlah besar arus balik yang bervariasi dapat melewati dioda tanpa merusaknya.
Jadi dioda zener dimaksudkan untuk berfungsi di daerah breakdown terbalik dengan tegangan tembus balik (Vz) pada kisaran 2,4 V hingga 200 V. Nilai Vz tergantung pada konsentrasi doping. Ketika tegangan zener tercapai, dioda zener menghantarkan arus dari terminal katodanya ke terminal anodanya.
Tegangan tembus atau tegangan zener melintasi dioda zener cukup konstan. Jumlah maksimum arus balik dibatasi oleh peringkat daya dioda.
Karakteristik
Dioda zener mempunyai karakteristik khusus, seperti disipasi daya, tegangan kerja nominal, arus maju, tegangan maju, jenis kemasan dan arus balik maksimum. Nilai umum tegangan breakdown zener adalah 5,1 V, 6,2 V, 15 V dan seterusnya. Fitur dan karakteristik dioda khusu ini dapat dilihat pada datasheet dioda yang dikeuarkan oleh produsen pembuatnya.
Arus maju dapat memiliki kisaran dari 200uA hingga 200A dengan arus maju yang paling umum adalah 10mA atau 200mA.
Dioda zener ditemukan penggunaannya dalam beberapa aplikasi. Komponen banyak digunakan sebagai dioda referensi tegangan di sirkuit elektronik yang memungkinkan rangkaian regulator tegangan referensi sederhana dan stabil untuk disiapkan, serta murah dan mudah dibuat.
Zener dapat digunakan sebagai penekan lonjakan untuk perlindungan perangkat, di sirkuit kliping untuk memotong bentuk gelombang yang tidak diperlukan Dalam operasi switching yang berbeda, sebagai elemen referensi komponen dapat digunakan untuk menghilangkan spikes yang dapat merusak sirkuit atau menyebabkannya kelebihan beban.
Tegangan balik yang tidak berubah dari dioda zener menjadikannya sebagai komponen yang sangat berguna dalam mengendalikan tegangan output terhadap variasi resistansi beban atau variasi tegangan input yang diberikan dari sumber tegangan yang tidak stabil seperti bank baterai dari sistem energi terbarukan yang akan berfluktuasi tergantung pada keadaan biaya bank. Arus melalui dioda Zener akan berubah untuk menjaga tegangan dalam batas ambang yang dapat disesuaikan dari tindakan zener.
Produsen menilai zener sesuai dengan nilai Vz dan disipasi daya maksimum pada suhu kamar yaitu, 25ºC. Ini merupakan indikasi arus balik maksimum bahwa dioda zener dapat dengan aman menghantarkan arus listrik. Setiap nilai tegangan lutut zener umumnya ditentukan pada arus zener terendah. Akibatnya nilai disipasi daya digunakan untuk menunjukkan kisaran operasi yang aman. Nilai tipikal peringkat disipasi daya adalah dari 150mW hingga 50W.
Dioda zener dapat diidentifikasi dengan terminal yaitu dengan mengamati cincin warna hitam pada terminal katoda. Jika dioda adalah komponen SMD, maka pita warna akan tersedia untuk terminal katoda. Dengan mengenali kode dioda zener yang ditandai di atas perangkat, kita dapat menentukan nilainya.
Kurva karakteristik
Pada kondisi bias maju, dioda zener berperilaku seperti dioda biasa dalam batas arus dan daya yang ditentukan. Tetapi berbeda ketika diberikan bias mundur, dimana dioda zener memiliki karakteristik longsoran yang sangat curam pada tegangan tembus.
Zener beroperasi terutama dalam mode bias terbalik dengan menghubungkan anoda ke terminal negatif catu daya. Kerja zener dikendalikan oleh tegangan di mana komponen akan menyala atau mulai melakukan arus bias balik.
Daya maksimum yang dimiliki oleh dioda zener ditentukan sebagai P z = V z I z max dan itu adalah fungsi dari rencana dan struktur dioda. Lutut kurva umumnya didekati sebagai 10% dari I z max , yaitu, I z min =0.1I z max .
Umumnya dioda zener ini digunakan untuk mengendalilkan tegangan. Pada kondisi reverse bias setelah break down dioda zener memberikan tegangan output yang konstan walaupun kita menaikkan tegangan input.
Secara khusus ada dua mekanisme terpisah yang dapat menyebabkan kerusakan pada dioda zener:
Kerusakan breakdown
Ini dominan di atas sekitar 5,5 volt. Mekanisme ini juga disebut sebagai impact ionization atau avalanche multiplication. Untuk konduksi terbalik perlu untuk memvisualisasikan fenomena runtuhnya longsoran salju. Proses ini dimulai ketika bias negatif besar diterapkan pada sambungan PN, energi yang cukup diberikan ke pembawa muatan minoritas yang dihasilkan secara termal dalam semikonduktor.
Akibatnya pembawa bebas memperoleh energi kinetik yang diperlukan untuk memutuskan ikatan kovalen dan menciptakan medan listrik melalui tumbukan dengan partikel kristal. Pembawa muatan yang tercipta dalam tumbukan berkontribusi pada arus balik, jauh melampaui arus saturasi balik normal dan mungkin juga memiliki energi yang cukup untuk berpartisipasi melalui tumbukan, menciptakan medan listrik tambahan dan efek longsoran oleh ionisasi tumbukan, setelah bias balik yang cukup tinggi tercapai. asalkan proses konduksi ini terjadi seperti longsoran salju: satu elektron dapat mengionisasi beberapa elektron lainnya.
Kerusakan zener
Ini dominan di bawah sekitar 5,5 volt. Mekanisme ini juga disebut sebagai mekanisme emisi medan tinggi. Fenomena zener breakdown terkait dengan konsep avalanche breakdown. Kerusakan zener dicapai oleh daerah yang didoping berat di sekitar kontak ohmik.
Ini adalah metode kedua untuk mengganggu ikatan kovalen atom kristal dan meningkatkan arus dioda zener bias balik, untuk dipertahankan pada tegangan spesifik yang jauh lebih rendah daripada dioda normal. Tegangan bias balik dikenal sebagai tegangan zener, di mana mekanisme ini terjadi ditentukan oleh konsentrasi doping dioda dan terjadi ketika lebar medan lapisan penipisan cukup untuk mengganggu ikatan kovalen dan menyebabkan jumlah pembawa muatan bebas karena pembangkitan medan listrik. membengkak.
Efek Zener yang sebenarnya dalam semikonduktor dapat dijelaskan dalam dua pita energi atas yang menarik. Dua pita energi atas adalah pita konduksi dan pita valensi.
Salah satu dari efek ini atau kombinasi dari dua mekanisme secara signifikan meningkatkan arus di daerah bias mundur sementara memiliki efek yang dapat diabaikan pada penurunan tegangan melintasi persimpangan. Ketika tegangan bias balik yang diterapkan lebih besar dari tegangan yang telah ditentukan, kerusakan zener terjadi.
Tegangan tembus zener dibuat tajam dan berbeda dengan mengontrol konsentrasi doping dan ketika ketidaksempurnaan permukaan dihindari. Tegangan melintasi dioda zener di daerah rusak hampir konstan yang ternyata menjadi konsep penting dalam mengatur tegangan.
Zener sebagai pengatur tegangan
Karakteristik IV dioda zener membuatnya cocok untuk aplikasi seperti pengatur tegangan. Stabilizer tegangan adalah kombinasi elemen yang dirancang untuk memastikan tegangan output dari suplai cukup konstan. Proteksi tegangan berlebih dilakukan dengan menggunakan dioda zener karena akan terjadi arus balik karena pembawa muatan minoritas mulai mengalir melalui dioda setelah tegangan bias balik melebihi nilai tertentu.
Menjaga komponen ini secara paralel dengan resistansi beban variabel R L , memastikan tegangan keluaran konstan meskipun arus beban dan tegangan suplai bervariasi. Dalam rangkaian praktis, bentuk paling sederhana dari sumber arus adalah resistor. Kunci dalam menggunakan dioda zener sebagai pengatur tegangan adalah selama dioda zener dibias mundur, aliran arus yang lebih besar dari beberapa mikro ampere harus disertai dengan tegangan yang lebih besar dari tegangan zener.
Jenis pengaturan sirkuit ini memberikan keamanan untuk peralatan yang terhubung ke terminal. Susunan rangkaian pengatur ini disebut sebagai pengatur shunt dimana elemen pengatur ditempatkan secara paralel dengan beban. Tegangan input ke sistem adalah beberapa volt dan selama lebih dari tegangan output yang diinginkan, tegangan yang stabil akan dihasilkan di dioda ini.
Biasanya arus balik tidak boleh melebihi nilai normal tetapi, jika karena kesalahan dalam konstruksi rangkaian arus melebihi batas maksimum yang diizinkan, sistem akan rusak secara permanen. Namun untuk menghindari kinerja yang tidak seimbang, dioda zener digunakan untuk referensi tegangan di banyak alat ukur.
Ketika tegangan input meningkat, arus yang melalui dioda zener meningkat, tetapi penurunan tegangan tetap konstan yang merupakan fitur yang diperlukan untuk dioda zener. Oleh karena itu, arus balik dalam rangkaian telah meningkat, penurunan tegangan pada resistor meningkat dengan jumlah yang sama dengan perbedaan antara tegangan input yang diterapkan dan tegangan lutut zener dioda zener.
Tegangan keluaran dari sistem pengatur ditetapkan sebagai tegangan lutut zener dari dioda zener dan dapat digunakan pada perangkat daya yang membutuhkan tegangan tetap dengan nilai perusahaan. Dioda zener akan terus mengatur tegangan sampai arus dioda zener turun di bawah nilai minimum I z min di daerah breakdown terbalik.
