Jurnal Pembelajaran Fisika

DIODA ZENER

I.     TUJUAN

1.      Dapat mengobservasi dan pengukuran karakteristik dioda zener.

2.      Dapat mengaplikasikan dioda zener sebagai regulator tegangan sederhana.

II.   DASAR TEORI

Dioda zener merupakan satu jenis dioda khusus yang juga bisa mengalirkan arus ke arah sebaliknya. Lambang dioda zener dilambangkan dalam gambar. Bentuknya sama dengan dioda biasa

Sifat dari dioda zener sama dengan sifat dioda biasa,hanya dioda zener dirangcang untuk memiliki voltare break through pada voltase tertentu. Voltare break through pada dioda zener biasa disebut sebagai voltare zener. Dioda zener biasanya dipakai pada arah balik sehingga voltare pada dioda ini konstan sebesar voltare zenernya (Blocher, 2004).

 

Gambar : lambang dioda zener

Dioda zener mempunyai karakteristik normal yaitu dilalui oleh arus seperti dioda biasa, yangmana bila dibias dalam arah maju. Jika dibias secara reverse, ia akan bekerja dengan cara yang sama, tetapi turun secara derastis pada saat tegangan dioda zener itu sendiri tercapai. Penerapan utama yang fungsinya mempunyai dapat mempertahankan tegangan Dc dari pada harga yang kurang/lebih pada suatu batas ukuran yang telah ditetapkan (Yani, 2011 : 228).

The characteristic drop in an almost vertical manner at a reverse-bias potentian denoted V_Z. The fact that the curve drops down and away form the horizontal axis rather than up and away for the positive V_D region reveal that the current in the zener region has a direction opposite to that of a forward-biased diode.

Figure : reviewing the zener region

This region of unique characteristic is employed in the design of zener diodes. Which have the graphic symbol appearing in fig. Both the semiconductor diode and zener diode are presented side by side in fig to unsure that the direction of conduction is opposite to that of the arrow in the symbol. Note also that the polarty of V_D and V_Z are same as would be obtained ifeach were a resistive element (Boylestad, 1999 : 36).

Bila dioda silicon dialiri arus yang polaritasnya berlawanan, maka tegangan terminal dari dioda tidak akan berubah, bila suatu harga yang konstan telah dicapainya, meskipun arus yang menglalirinya bertambah besar, dioda silikon yang dibuat untuk kepentingan tersebut dinamakan dioda zener. Biasanya arus yang digunakan untuknya adalha 10 mA. Tegangan yang tetap bisa didapat disekitar 5 sampai 40 V.

Pada gambar diperhatikan cara pemakaiannya yang paling sederhana. R adalah tahanan untuk mengatur arus I, sehingga arus kerjanya tercapai. Jadi setiap saat bila arus yang melaluinya berubah, maka harga R harus pula diatur kembali. Koefisien temperatur dari tegangan terminal itu sendiri seperti diperlihatkan pada gambar. Stabilitas dari tegangan terminal adalah kira-kira 0,005% per tahun. Dioda zener yang secara mekanis adalah kuat, memungkinkan diambilnya arus dalam batas-batas yang tertentu, sering dipergunakan sebagai pengganti dari sel standar. Akan tetapi harga tegangan terminalnya dari dioda zener harus ditentukan dengan mempersamakannya denga sel standar (Sapie, 1974 :125).

Beberapa parameter dioda zener yang penting adalah :

1.         Tegangan dadal.

2.         Koefisien suhu (perubahan tegangan zener terhadap suhu)

3.         Kemampuan daya (isapan daya maksimum)

4.        Hambatan isyarat kecil r₂, yaitu hambatan zener terhadap perubahan tegangan kecil, atau untuk syarat Ac kecil.

Dioda zener dengan tegangan zener diatas 6V mempunyai koefisien suhu negatif. Koefisien suhu minimum terjadi pada zener 6V untuk arus 40 mA. Begitu pula hambatan syarat keci r₂ yang menyatakan kebalikan kemiringan lengkung ciri dioda zener pada keadaan dadal juga berubah dengan tegangan zener. Kedua hal ini dilukiskan pada gambar:

Nilai hamabatan keluaran R₀ dapat ditentukan dengan mengukur V₀ sebagai fungsi arus beban I_L. Hal ini dapat dilihat pada lengkung pembebanan dalam gambar. Kemiringan grafik lengkung pembebanan tak lain adalah hambatan keluaran R₀ (Sutrisno, 1986 : 111-115).

III.   ALAT DAN KOMPONEN

1.         Modul praktikum, bread board dan komonennya

2.         Mikro dan mili-Ammeter dc

3.         Voltmeter dc

4.         Dc power suppley

IV.   PROSEDUR PERCOBAAN

1.        Dibuat rangkaian seperti pada gambar yang bersesuaian dengan modul praktikum atau dengan menggunakan breadboard.

 

2.        Pada percobaan kurva karakteristik zener, beban RL dilepas dan tegangan dari dc power supply di set pada 0V. Diukur V_Z  dan T_Z molai dari 0V, kemudian dinaikkan secara perlahan dengan step 1V sampai mencapai kurang lebih 15V, kemudian ditulis datanya pada tabel. Diusahakan arus zener I_z jangan sampai melebihi 50mA.

3.        Dari data pada tabel 1, gambarkan kurva karakteristik zener untuk kondisi bias reserve.

4.        Dari gambar hasil langkah ke 3, dicari tegangan Knee dan resistansi zener Rz dan dicari hasilnya pada tabel 2.

5.        Pada percobaan regulasi tegangan, dipasangkan kembali beban R_L (untuk beban penuh) kemudian diukur arus source I_T, arus zener I_Z, arus beban I_L dan tegangan output beban penuh V₀ (F_L) kemudian dituliskan hasilnya pada tabel 3.

6.        Dengan memperhitungkan tegangan zener dan resistensi zener hasil dari langkah 4, dihitung arus source I_T, zener I_Z, arus beban I_L dan tegangan output beban penuh V₀ (F_L) kemudian dituliskan hasilnya pada tabel 3 dan dibandingkan kedua hasil tersebut.

V.  DATA HASIL

A.       Data pengukuran karakteristik zener

Tegangan Input, Vin (volt)	Tegangan Zener (volt)	Arus Zener, IZ (µA dan mA)
0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 12 V 13 V 14 V	0 V 1 V 1,8 V 2,8 V 3,8 V 5,2 V 6,2 V 6,8 V 6,6 V 6,6 V 6,6 V 6,6 V 6,6 V 6,6 V 6,6 V	0 mA 4 mA 5,2 mA 5,2 mA 4,6 mA 3,6 mA 2,4 mA 1,6 mA 0,4 mA 3,6 mA 4,4 mA 6 mA 7 mA 10 mA 10 mA

B.       Tegangan Knee dan Resistansi Zener

Tegangan Knee Zener	6,6 volt
Resistensi Zener (RZ)	70 Ω

C.       Data Zener Regulator Penuh Beban

Parameter	Pengukuran	Perhitungan	Error (%)
IT IZ IL V0 (FL)	16,5 mA 1,5 mA 6,8 mA 3,2 V	6,67 mA 4,67 mA 2 mA 0,78 V	± 100 % ±200 % ±250 % ±300 %

            Untuk V_in = 15 volt

D.       Data Zener tanpa beban

Parameter	Pengukuran	Perhitungan	Error (%)
Ir IZ V0 (NL) V0 (FL)	9,6 mA 37,68 mA 6,8 mA 7 mA	6,6 mA 4,667 mA 0,32 V 0,6 V	± 45 % ±80 % ±2000 % ±1000 %

            Untuk V_in = 15 volt

VI.   PEMBAHASAN

     Pada praktikum kali ini membahas tentang “Dioda Zener”. Dimana dioda zener adalah dioda khusus yang berbeda dengan dioda biasa, yang mana dioda biasa hanya bisa mengalirkan arus satu arah saja sedangkan dioda zener juga bisa mengalirkan arus pada arah sebaliknya. Hal ini disebabkan karena dioda zener memiliki voltase break through pada voltase tertentu. Voltase brek through disebut sebagai voltase zener. Dioda zener biasa dipakai arah balik sehingga voltase diodanya konstan sebesar voltase zener. Dioda zener berfungsi sebagai penstabil tegangan (regulator).

Pada saat breakdown zener mempunyai tegangan knee, tegangan knee ini menunjukkan terjadinya penurnan arus yang sangat besar pada tegangan. Tegangan knee adalah tegangan saat arus mulai naik secara cepat pada saat dioda dan beban yang terdapat pada rangkaian yang menghasilkan tegangan knee ini, yaitu tegangan yang mencapai titik maksimum dan turun saat minimum.

Pada praktikum “Dioda Zener” ini dilakukan empat jenis percobaan yaitu pengukuran karakteristik zener, tegangan knee dan resistansi zener, zener regulator penuh beban dan zener regulator tanpa beban. Praktikum kali ini bertujuan untuk mengobservasi dan pengukuran karakteristik dioda zener serta dapat mengaplikasikan diode zener sebagai regulator tegangan sederhana. Alat dan komponen yang digunakan pada praktikum kali ini adalah papan breadboard, dioda zener, multimeter, power supplay dan osiloskop.

Pada percobaan pertama yaitu pengukuran karakteristik dioda zener. Sebelah dilakukan percobaan, hasil yang diperoleh tidak sesuai dengan literatur. Berdasarkan teori, bentuk kurva karakteristik dioda zener yaitu sebagai berikut :

Sedangkan pada hasil percobaan yang dilakukan tidak didapat kurva dengan bentuk yang demikian. Artinya pada praktikum telah tejadi kesalah. Kesalahan mungkin saja disebabkan oleh praktikan yang salah atau kurang teliti pada pembacaan osiloskop maupun kesalahan dalam penggunaan alatnya.

     Percobaan kedua adalah mengenai tegangan knee dan resistensi zener. Dari percobaan yang dilakukan diperoleh tegangan knee 6,6 volt dan resistensi sebesar 70Ω.

     Pada percobaan ketiga yaitu mengenai zener regulator penuh beban, beban yang digunakan adalah 390 Ω. Sedangkan rangkaian yang digunakan pada percobaan zener regulator penuh beban (RL) yaitu seperti gambar berikut :

     Dengan menggunakan hukum kirchoff 1 diperoleh nilai I_total (arus total) sebesar 6,667 mA, sedangkan arus zener (I_Z) adalah sebesar 4,667 mA. Sedangkan I_r (arus yang melalui resistor) dapat diperoleh dari nilai I₁ dan I₂. Arus yang mengalir dari sumber tegangan terbagi pada dioda dan beban yang bersusun paralel maka :

     I_T = I_Z + I_r

       I_r = I_T + I_Z

               = 6,667 mA – 4,667 mA= 2 mA.

Dari hasil perhitungan yang diperoleh secara teori ini berbeda nilainya dangan secara praktikum. Tingkat kesalahn (error) ini dapat dihitung dalam persen (%) dengan persamaan berikut :

Tingkat error yaitu terjadi pada praktikum ini sangat besar sampai mencapai 200%. Artinya percobaan ini memiliki kesalahn yang sangat besar hingga melebihi 100%.

       Untuk mencari V₀ (RL) digunakan hukum ohm dimana

       V₀ = I_L . R_L

            = 780 mA atau 0,78V

Artinya besar V₀ (RL) secara teori adalah 780 mA atau 0,78 V.

  Percobaan terakhir yaitu mengenai zener regulator tanpa beban. Rangkaian yang digunakan pada percobaan zener regulator tanpa beban adalah :

   Berdasarkan hukum kirchoff II diperoleh nilai I_{T =} 6,667 mA, I_Z = 4,667 mA, maka V₀ (NL) adalah 0,32 V yang diperoleh dengan mengalihkan I_R =R sehingga diperoleh nilainya sebesar 0,6 V.

   Pada percobaan ini juga terjadi kesalahan dengan persen yang cukup besar yang bahkan mencapai 2000 %. Karena data yang digunakan merupakan data yang diambil dari praktikum lain maka tidaklah dapat diketahui penyebab kesalahan dengan persen yang besar ini. Kemungkinan kesalahan ini terjadi akibat praktikum itu sendiri yang salah membuat rangkaian ataupun dalam pembacaan skala.

VII. KESIMPULAN

1.    Dioda zener memiliki sifat atau karakteristik mengalir arus listrik kearah yang berlawanan. Jika tegangan yang diberikan melampaui batas “tegangan tembus” atau “tegangan zener”. Ini berlainan dengan dioda biasa yang hanya mengalirkan listrik kesatu arah saja.

2.    Penerapan dida zener adalah sebagai regulator atau stabilisator tegangan (voltage regulator). Agar rangkaian pada regulator berfungsi dengan baik, maka dioda zener harus bekarja pada daerah breakdown yaitu dengan memberikan tegangan sumber (V_i) yang lebih besar dari tegangan di oda zene (V_Z).

VIII.  DAFTAR PUSTAKA

Blocher, Richard. 2004. Dasar Elektronika. Yogyakarta : Andi

Boylestad, Robert. 2009. Electronic Devices ans Circuit Theory. Colmbus     :                                   Prentice Hall

Sapise, Soedjana. 1974. Pengukuran dan Alat-Alat Ukur Listrik. Jakarta : Prednya                            Paramita

Sutrino. 1986. Elektronika Teori dan Penerapannya : Bandung : ITB

Yani, Ahmad. 2011. Rangkaian Multivibrator Sebagai Saklar Sentuh. Jurnal SANTIKOM. Vol 10 no. 03