Struktur Dioda zener tidaklah jauh berbeda dengan dioda biasa, hanya tingkat dopingnya saja yang sangat berbeda. Kurva karakteristik dioda zener juga sama seperti dioda biasa, namun perlu dipertegas adanya daerah breakdown dimana pada saat bias mundur mencapai tegangan breakdown maka arus dioda naik dengan cepat (gambar 1.19). Daerah breakdown inilah titik fokus penerapan dari dioda zener. Sedangkan pada dioda biasa tidak diperbolehkan pemberian tegangan mundur sampai pada daerah breakdown, karena bisa merusak dioda.
ID (mA)
daerah bias maju
Vz
Titik breakdown dari suatu dioda zener dapat dikontrol dengan memvariasi tingkat dopingnya. Tingkat doping yang tinggi, akan meningkatkan jumlah pengotoran sehingga tegangan zenernya (Vz) akan kecil. Demikian juga sebaliknya, dengan tingkat doping yang rendah diperoleh Vz yang tinggi. Pada umumnya dioda zener dipasaran tersedia mulai dari Vz 1,8 V sampai 200 V, dengan kemampuan daya dari ¼ hingga 50 W. Karena temperatur dan kemapuan arusnya yang tinggi, maka jenis silikon sering dipakai pada dioda zener.
Penerapan dioda zener yang paling penting adalah sebagai penyetabil tegangan (voltage regulator). Rangkaian dasar penyetabil tegangan adalah pada gambar 1.20. Agar rangkaian ini dapat berfungsi sebagai penyetabil tegangan, maka dioda zener harus bekerja pada daerah breakdown. Dengan kata lain, apabila dilihat pada gambar 1.20, maka tegangan sumber (Vi) yang diberikan pada rangkaian harus lebih besar dari Vz atau arus pada dioda zener harus lebih besar dari Iz minimum.
I Zmax daerah
breakdown
V=0,7
Gambar 1.19. Kurva Karakteristik Dioda Zener I Zmin simbol dioda zener A K + Rs Iz IL IR
Oleh karena itu persyaratan yang harus dipenuhi agar rangkaian berfungsi sebagai penyetabil tegangan adalah berkenaan dengan nilai RL dan Vi. Pertama, RL harus lebih besar dari RL minimum. RL ini berhubungan dengan Iz, karena bila RL minimum, maka IL menjadi maksimum, sehingga Iz menjadi minimum. Kedua, Vi harus lebih besar dari Vi minimum. Vi minimum ini akan menjamin bahwa dioda mendapatkan tegangan breakdown.
Kasus pertama: Resistansi beban RL harus lebih besar dari RL minmum. Apabila RL kecil sekali sehingga kurang dari RLmin, maka turun tegangan pada RL (juga pada zener) akan kecil sehingga kurang dari Vz. Oleh karena itu zener tidak berfungsi, karena tidak bekerja pada daerah breakdown. Untuk menghitung harga RLmin dari gambar 2.10 adalah menghitung harga RL saat diperoleh VL = Uz, yaitu:
RL.Vi UL = Vz = RL + Rs sehingga diperoleh: Rs.Vz RLmin = Vi - Vz
Harga RLmin ini akan menjamin bahwa dioda zener bekerja. Dengan RLmin maka diperoleh ILmax, yaitu:
Bila zener sudah bekerja, berarti VL = Vz = konstan, dan dengan menganggap Vi tetap maka turun tegangan pada RS (VR) juga tetap, yaitu: VR = Vi - Vz
dan arus yang mengalir pada Rs juga tetap, yaitu sebesar (IR):
Arus zener dapat dihitung dengan,
Karena IR tetap, maka Iz akan maksimum bila IL minimum dan sebaliknya. Agar Iz tidak melebihi harga Izm yang sudah titentukan oleh pabrik, maka IL harus tidak boleh kurang dari IL minimum. Jika Izm terlampaui, zener akan panas dan bisa rusak. ILmin ini adalah:
Dengan diperoleh IL minimum, maka RL akan maksimum, yaitu:
VR IR = Rs Vz RLmax = ILmin VL Vz ILmax = = RL RLmin Iz = IR - IL ILmin = IR - Izm
Contoh Soal 1:
Rangkaian penyetabil tegangan seperti gambar 1.20 mempunyai data sbb: Vi = 50 Volt, Rs = 1 K, Vz = 10 Volt, dan Izm = 32 mA. Tentukan variasi harga RL (min dan max) agar tegangan output masih stabil 10 Volt. Dan hitung daya pada zener maksimum.
Penyelesaian: Rs.Uz (1K).(10) 10K RLmin = = = = 250 Ui - Uz 50 - 10 40 UR = Vi - Vz = 50 -10 = 40 Volt IR = VR / Rs = 40 / 1K = 40 mA
ILmin = IR - Izm = 40mA - 32mA = 8 mA RLmax = Vz / ILmin = 10 / 8mA = 1,25 K Daya maksimum pada dioda zener:
Pzmax = Vz. Izm = 10 . 32mA = 320mW
Kasus kedua: Agar dioda zener dapat berfungsi sebagai penyetabil tegangan, maka turun tegangan pada RL harus lebih besar dari Vz. Dengan kata lain Vi harus lebih besar dari Vimin. Namun bila Vi terlalu besar sehingga arus pada zener melebihi Izm, maka zener bisa rusak. Oleh karena itu Vi harus lebih kecil dari Vimax.
Dengan menganggap harga RL tetap, maka tegangan sumber minimum (Vimin) adalah:
Sedangkan harga maksimum tegangan sumber (Vimax) adalah: (RL+Rs).Vz
Vi min = RL
dimana harga IRmax adalah arus maksimum yang mengalir melalui Rs, yaitu IRmax = Izm + IL.
Contoh soal 2:
Rangkaian penyetabil tegangan seperti gambar 1.20 mempunyai data sbb: RL = 1,2 K, Rs = 220 , Vz = 20 Volt, dan Izm = 60 mA. Tentukan variasi harga Vi (min dan max) agar tegangan output masih stabil sebesar 20 Volt. Dan hitung daya pada zener maksimum.
Penyelesaian:
(RL+Rs).Vz (1200+220).(20) Vimin = = = 23,67 Volt
RL 1200 IL = UL / RL = 20V / 1,2K = 16,67 mA
IRmax = Izm + IL = 60mA + 16,67mA = 76,67 mA Uimax = IRmax.Rs + Vz
= (76,67mA)(0,22K) + 20V = 36,87 Volt
Perencanaan suatu rangkaian penyetabil tegangan dimulai dari spesifikasi yang diharapkan dari rangkaian terbut, kemudian dihitung harga-harga komponen yang diperlukan. Dalam praktek spesifikasi yang diinginkan adalah arus beban (IL) dan tegangan sumber (Vi) serta tegangan keluaran (Vz). Sedangkan komponen yang harus direncanakan adalah Rs dan Dioda zener.
Karena dalam perencanaan harga IL, Vi dan Vz sudah diketahui (sesuai dengan permintaan perencana), agar rangkaian bisa berfungsi dengan benar, maka pada dua kondisi ekstrem dapat diperoleh Rs:
Vimin – Vz Vi max - Vz
Rs = RS =
Izmin + ILmax Iz max + IL min
Dari dua persamaan tersebut yang belum diketahui adalah harga Izmin dan Izmax (dan tentu saja Rs). Dalam praktek berlaku Izmin = 0,1 Izmax. Sehingga dengan menggabungkan persamaan 2.11 dan 2.12, diperoleh:
Contoh soal 3:
Rencanakan suatu rangkaian penyetabil tegangan sebesar 10 Volt apabila arus beban bervariasi dari 100mA hingga 200mA dan tegangan sumber bervariasi dari 14 Volt sampai 20 Volt.
Penyelesaian:
Arus pada dioda zener maksimum adalah: Vi - Vz
Rs = Iz + IL
ILmin(Vz - Vimin) + ILmax(Vimax - Vz) Izmax =
ILmin(Vz - Vimin) + ILmax(Vimax - Vz) Izmax = Vimin - 0,9Vz - 0,1Vimax 0,1(10 - 14) + 0,2(20 - 10) 1,6 = = --- = 0,533 A 14 - 0,9(10) - 0,1(20) 3 Disipasi daya maksimum pada dioda zener adalah:
Pz = Vz.Izmax = (10).(0.533) = 5,3 Watt
Rs dihitung dengan persamaan 2.12 (atau 2.11 dengan hasil yang sama): Vimax – Vz 20 - 10
Rs = = --- = 15,8 Ohm
Izmax + ILmin 0,533 + 0,1 Disipasi daya maksimum pada resistor ini adalah:
PR = IRmax(Vimax - Vz)
= (Izmax + ILmin)(Vimax - Vz) = (0,633 A)(10 V) = 6,33 Watt
6. Transistor
Rangkaian regulator seri menggunakan transistor bipolar seperti pada gambar 4.1 arus beban lewat melalui transistor dari kolektor ke emitor. Rangkaian ini memberikan kerja yang lebih efisien dan arus beban yang
lebih besar. Q1
C E IL
RS B
US IZ URL
Gambar 4.1 Rangkaian regulator seri
Rs dan zener dalam rangkaian ini adalah bentuk yang sederhana dari regulator zener yang mempertahankan tegangan konstan pada basis transsistor Q1.
Resistor Rs memberikan arus basis (IB) Q1 dan arus ke dioda zener (!Z). Transistor tersebut akan berpungsi sebagai pengatur tegangan (voltage regulator).
Besarnya tegangan output didapat dari persamaan: UCE = Uin - Uo
U0 = UZ + UBE
Karena besarnya UBE relatif kecil, maka U0 = UZ dan selalu konstan.
Perinsip kerja rangkaian adalah sebagai berikut: Jika tahanan beban dari rangkaian turun , tegangan output akan jatuh , menjadi kurang positip. Ini artinya tegangan Emitor ( VE) dari transistor dikurangi, kemudian U Be naik .
Arus beban melalui R CE , kemudian akan terjadi drop tegangan pada transistor , dan tegangan output kembali keharga semula . Bila arus beban naik ,tegangan output akan naik terhadap tegangan awal. Hal ini akan mengurangi U BE dan UCE akan naik sehingga tegangan output kembali normal. Jadi jika tegangan input naik , tegangan output akan naikn juga., dengan adanya zener dioda maka tegangan out put dapat dipr\ertahankan stabil.
Rangkaian lainnya adalah transistor sebagai regulator arus seperti pada gambar rangkaian 4.2
Gambar 4.2 Regulator Arus
Rangkaian ini dirancang untuk mempertahankan harga arus yang melewati beban ketika terjadi perubahan beban pada tegangan tetap.
Dari rangkaian didapat persamaan: Uz IE = R1 IL = IC = IE - IB IE = IC + IB Keterangan: a. IE = arus emitor b. IC= arus kolektor c. IB =arus basis d. IL = arus beban
Penurunan arus beban IL = IC akan mengakibatkan penurunan arus emitor dan akan mengurangi drop tegangan pada R1 (UR1 = IE x R1).
Efek terhadap bias Q1 adalah : UBE = UZ – UR1
Karena harga UZ selalu konstan, maka penurunan pada UR1 akan mengakibatkan kenaikan pada UBE transistor dan sekaligus menaikkan konduktifitas dari transsistor sehingga arus beban IL dapat dipertahankan pada harga yang tetap.
Regulasi arus dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: INL - IFL
Regulasi arus = --- x 100% IFL
Dimana:
INL = arus tanpa beban.
IFL = arus beban penuh.
7. IC. (Integrated Circuit)
Regulator tegangan dengan menggunakan komponen utama IC (integrated circuit) mempunyai keuntungan karena lebih kompak (praktis) dan umumnya menghasilkan penyetabilan tegangan yang lebih baik. Fungsi-fungsi seperti pengontrol, sampling, komparator, referensi, dan proteksi yang tadinya dikerjakan oleh komponen diskrit, sekarang semuanya dirangkai dan dikemas dalam IC. Ada beberapa jenis IC yang menghasilkan tegangan keluaran tetap baik positip maupun negatip, ada pula yang menghasilkan tegangan keluaran yang bisa diatur. IC regulator tegangan tipe LM78xx (series) menghasilkan tegangan tetap positip, sedangkan tipe LM79xx (series) menghasilkan tegangan tetap negatip.
Gambar 7.2 bentuk IC regulator dan simbol rangakain
Pada gambar 7.1 terlihat bahwa IC regulator tipe LM7812 akan menghasilkan tegangan keluaran tetap sebesar positip 8 Volt. IC jenis ini mempunyai 3 buah terminal, yakni masukan (input), keluaran (output), dan ground (GND). Spesifikasi tegangan pada beberapa IC regulator seri LM78xx dan 79xx series terlihat pada tabel berikut.
Tabel 1. Spesifikasi Tegangan IC Regulator Lm78xx dan Lm79xx
LM 78xx/79xx
(series) TeganganOutput
(Volt) Tegangan Input Minimal (Volt) LM7805 LM7905 + 5 - 5 + 7.3 - 7.3 LM7806 LM7906 + 6 - 6 + 8.3 - 8.3 LM7808 LM7908 + 8 - 8 + 10.5 - 10.5 LM7810 LM7910 + 10 - 10 + 12.5 - 12.5 LM7812 LM7912 + 12 - 12 + 14.6 - 14.6 LM7815 LM7915 + 15 - 15 + 17.7 - 17.7 LM7818 LM7918 + 18 - 18 + 21 - 21 LM7824 LM7924 + 24 - 24 + 27.1 - 27.1 (Sumber: Boylestad, 1992)
Keuntungannya adalah:
1. Membutuhkan penambahan komponen luar yang sangat sedikit, ukuran kecil
2. Mempunyai proteksi terhadap arus hubung singkat. 3. Mempunyai automatic thermal shutdown.
4. Mempunyai tegangan output yang sangat konstan 5. Mempunyai arus rendah
6. Mempunyai ripple output yang sangat kecil. 7. Pembiyaan rendah
Seri LM 78XX adalah regulator dengan tiga terminal, dapat diperoleh dengan berbagai tegangan tetap
Beberapa IC regulator mempunyai kode yang dibuat oleh pabrik pembuat komponen, sebagai contoh: IC LM.7805 AC Z yang artinya sebagai berikut: LM Linear Monolithic
78L Bagian nomor dasar yang menyatakan tegangan positip
5 Tegangan output
AC Standart ketepatan
Z Tipe pembungkus , ZTO-92 Plastic
Seri LM 78XXC dapat diperoleh dalam kemasan TO-3 alamunium, arus keluaran (output) 1A ,boleh lebih asalkan IC regulator dilengkapi dengan pendingin (heat- sink). Regulator LM 78XXC mudah dipakai dan tambahan komponen-komponen ektern tidak banyak.
Sifat-sifat IC regulator LM 78XX adalah sebagai berikut: 1. Arus keluaran melebihi 1A
2. Pengamanan pembebanan lebih termik 3. Tidak diperlukan komponen tambahan
4. Ada pengamanan untuk transistor keluaran ( output ) 5. Dapat diperoleh dalam kemasan TO-3 aluminium
Contoh rangkaian lengkap catu daya menggunakan regulator tiga terminal IC 7805 untuk tegangan output 5 volt konstan ditunjukkan pada gambar 5.2
Gambar 5.2 rangkaian catu daya dengan IC regulator
Arus maksimum regulator IC yang dikirim ke beban tergantung pada tiga faktor, yaitu:
1. Temperatur.
2. Perbedaan antara tegangan input dan output atau disebut diferensial input output.
3. Arus beban.
Uraian lengkap mengenai parameter IC regulator dapat dilihat dari data sheet yang dibuat oleh pabrikpembuat komponen. Contoh IC 7805 C mempunyai output nominal 5 volt. Dari data sheet Motorolla didapat temperatur juntion 250 C (Tj + 250 C) ,tegangan output antara low 4,8 volt atau high 5,2 volt; arus output > 100 mA.
1. Adaptor/catu daya adalah sumber tegangan DC yang digunakan untuk memberikan tegangan akan daya kepada berbagai rangkaian
elektronika yang membutuhkan tegangan DC agar dapat beroperasi. 2. Dioda mempunyai dua elektroda yang berkutup positif (anoda) dan yang
berkutup negatif (katoda)
3. Rangkaian penyearah ada 2 (dua) yaitu penyearah ½ gelombang (halfware) dan penyearah gelombang penuh (fullware)
4. Filter digunakan untuk lebih meratakan ripple sinyal keluaran dari penyearah
5. IC type 78xx akan menghasilkan tegangan + sedang IC dengan type 79xx akan menghasilkan tegangan
-Test Formatif 1
1. Jelaskan pengertian catu daya!
2. Apa yang dimaksud dengan faktor ripel?
3. Apa kegunaan filter dalam rangkaian penyearah?
4. Dari rangkaian penyearah gelombang penuh seperti terlihat pada gambar dibawah 0 V Us 40 V 8,5 D1 D2 RL D3 D4 18 Ω Hitung:
a. Tegangan rata-rata keluaran (output) b. Arus melalui beban
c. Tegangan balik puncak dioda (PIV)
+12 v
Rs 330
RL
Vz = 8,2 v I k
0
gambar 3.3 Rangkaian zener Hitung berapa besarnya:
a. tegangan pada beban RL
b. tegangan pada resistor seri Rs
c. arus maksimum d. arus dioda zener
e. disipasi daya pada Rs; Zd dan RL
