Dioda Zener

Jenis dioda semikonduktor yang khusus dioperasikan pada bias mundur yang pada titik break-down-nya sering disebut dengan dioda Zener. Zener ini merupakan inti dari rangkaian penyetabil tegangan.  Disamping itu juga dibahas beberapa macam rangkaian pelipat tegangan. 

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).  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.

gambar 1 kurva karakteristik dioda zener

  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 2.  Agar rangkaian ini dapat berfungsi sebagai penyetabil tegangan, maka dioda zener harus bekerja pada daerah breakdown.  Dengan kata lain, apabila dilihat pada gambar 2.11, maka tegangan sumber (Vi) yang diberikan pada rangkaian harus lebih besar dari Vz atau arus pada dioda zener harus lebih besar dari Iz minimum.
 

gambar 2 rangkaian dasar penyetabil tegangan

  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 = Vz, yaitu:

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:

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:

 Sumber Pustaka

Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood
         Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing Co.

Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore: McGraw-Hill, Inc.

Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems.
        Tokyo: McGraw-Hill, Inc.

Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering Approach.
        Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.

Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs, NJ: Pren-
        tice-Hall, Inc.

Rangkaian Clipper dan Clamper

Rangkaian pemotong dan penggeser merupakan penerapan lain yang juga banyak digunakan dalam teknik pulsa.
Rangkaian Clipper (pemotong)  

Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan yang berada di bawah atau di atas level tertentu.  Contoh sederhana dari rangkaian clipper adalah penyearah setengah gelombang.  Rangkaian ini memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan di atas atau di bawah level nol.  Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi dua, yaitu: seri dan paralel.

 Rangkaian clipper seri berarti diodanya berhubungan secara seri dengan beban, sedangkan clipper paralel berarti diodanya dipasang paralel dengan beban.  Sedangkan untuk masing-masing jenis tersebut dibagi menjadi clipper negatip (pemotong bagian negatip) dan clipper positip (pemotong bagian positip). Dalam analisa ini diodanya dianggap ideal.

Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper seri adalah sebagai berikut: 

1.  Perhatikan arah dioda bila arah dioda ke kanan, maka bagian positip dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian negatip akan dipotong (berarti clipper negatip)  - bila arah dioda ke kiri, maka bagian negatip dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian positip akan dipotong (berarti clipper positip) 
2. Peratikan polaritas baterai (bila ada) 
3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai (yang sudah ditentukan pada langkah 2 di atas) 
4. Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula (sesuai dengan sinyal input) Rangkaian clipper seri positip adalah seperti gambar 1. dan rangkaian clipper seri negatip adalah gambar 2. 

gambar 1 rangkaian clipper seri positif

gambar 2 rangkaian clipper seri negatip

  Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper paralel adalah sebagai berikut:

1.Perhatikan arah dioda.

- bila arah dioda ke bawah, maka bagian positip dari sinyal input akan dipotong (berarti clipper positip)

- bila arah dioda ke atas, maka bagian negatip dari sinyal input akan dipotong (berarti clipper negatip)
2. Perhatikan polaritas baterai (bila ada). 

3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input. 

4. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai. Rangkaian clipper paralel positip adalah seperti gambar 3 dan rangkaian clipper paralel negatip adalah gambar 4

gambar 3 rangkaian clipper paralel positif

gambar 4 rangkaian clipper paralel negatif

Rangkaian Clamper (Penggeser)

Rangkaian Clamper (penggeser) digunakan untuk menggeser suatu sinyal ke level dc yang lain.  Rangkain Clamper paling tidak harus mempunyai sebuah kapasitor, dioda, dan resistor, disamping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai.  Harga R dan C harus dipilih sedemikian rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar tidak terjadi pengosongan muatan yang cukup berarti saat dioda tidak menghantar.  Dalam analisa ini dianggap didodanya adalah ideal.

Sebuah rangkaian clamper sederhana (tanpa baterai) terdiri atas sebuah R, D, dan C terlihat pada gambar 5.
 

gambar 5 rangkaian clamper sederhana

   Gambar 5 (a) adalah gelombang kotak yang menjadi sinyal input rangkaian clamper (b).  Pada saat 0 - T/2 sinyal input adalah positip sebesar +V, sehingga Dioda menghantar (ON).  Kapasitor mengisi muatan dengan cepat melalui tahanan dioda yang rendah (seperti hubung singkat, karena dioda ideal).  Pada saat ini sinyal output pada R adalah nol (gambar d).    Kemudian saat T/2 - T sinyal input berubah ke negatip, sehingga dioda tidak menghantar (OFF) (gambar e).

Kapasitor membuang muatan sangat lambat, karena RC dibuat cukup lama. Sehingga pengosongan tegangan ini tidak berarti dibanding dengan sinyal output. Sinyal output merupakan penjumlahan tegangan input -V dan tegangan pada kapasitor -V, yaitu sebesar -2V (gambar c).   Terlihat pada gambar 5 c bahwa sinyal output merupakan bentuk gelombang kontak (seperti gelombang input) yang level dc nya sudah bergeser kearah negatip sebesar -V.  Besarnya penggeseran ini bisa divariasi dengan menambahkan sebuah baterai secara seri dengan dioda.  Disamping itu arah penggeseran juga bisa dinuat kearah positip dengan cara  membalik arah dioda.  Beberapa rangkaian clamper negatip dan positip dapat dilihat pada gambar 6.

gambar 6 Rangkaian clamper negatip dan positip

 Sumber Pustaka

Boylestad and Nashelsky. (1992). Electronic Devices and Circuit Theory, 5th ed. Engelwood
         Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.

Floyd, T. (1991). Electric Circuits Fundamentals. New York: Merrill Publishing Co.

Malvino, A.P. (1993). Electronic Principles 5th Edition. Singapore: McGraw-Hill, Inc.

Milman & Halkias. (1972). Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems.
        Tokyo: McGraw-Hill, Inc.

Savant, Roden, and Carpenter. (1987). Electronic Circuit Design: An Engineering Approach.
        Menlo Park, CA: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.

Stephen, F. (1990). Integrated devices: discrete and integrated. Englewood Cliffs, NJ: Pren-
        tice-Hall, Inc.