Retour au menu » La diode 1 – La diode : un dipôle non linéaire 1.1 – Diode idéale C’est un dipôle électrique unidirectionnel dont les bornes sont l’anode (A) et la c a thode (K). En polarisation directe c’est - à - dire si U A > U K la résistance de la diode est nulle. El le se comporte alors comme un interrupteur fermé. En polarisation inverse (U A < U K ), on a : R = ∞ ∞ . La diode est équ i valente à un inte r rupteur ouvert. Une diode idéale ne dissipe donc aucune pui s sance. 1.2 – Diode réelle à semi - conducteur L’anode est la zone P d’une jonction P - N. La zone de type N est la cathode. En polarisation inverse, le courant inverse est très faible mais il croît rapidement avec la température de la jonction. En polarisation directe, au - delà de la tension de seuil (V S ≈ 0,6 V pour le silicium), la diode est conductrice. On peut définir en chaque point P de la caractéristique une résistance statique (trait bleu) : R S = V/I et une résistance dynamique (trait vert) : r D = dV/dI. Au - delà de la tension de seui l, la résistance dynamique est se n s i blement constante. 1.3 – Association de diodes r r – En série : la caractéristique du dipôle équivalent s’obtient graphiquement en considérant que la tension aux bornes de l’ensemble est la s omme des tensions aux bornes des deux di o des. (Fig. 3) On peut aussi utiliser cette construction pour étudier l’association d’une diode avec un a u tre d i pôle passif comme par exemple une résistance pure. U I D1 D2 Deq D D Fig. 3 r r – En parallèle : on peut utiliser une construction analogue en considérant cette fois qu’il y a additivité des courants dans les deux dipôles. L’association en parallèle des deux diodes ne présente aucun intérêt pratique car tout le courant traverse la diode dont la tension d e seuil est la plus faible. 1.4 – Point de fonctionn e ment d’une diode On utilise la droite de charge du générateur. L’intersection de cette droite avec la caract é ristique de la diode donne le point de fonctionnement. U U Cathode Anode I I Fig. 1 U U seuil P I mA nA Fig. 2 U Vo Pf I Vo V S R 4-b : Circuit équivalent Vo U D I R Fig. 4 R D V 0 – R.I = V AK = U 1.5 – Modélisation des diodes réelles Vs Vs 1/Rd I I I Fig. 5 Plusieurs modèles sont utilisables pour les diodes à jon c tion P - N. Dans tous ces modèles on suppose la résistance dyn a mique de la diode constante et égale à R D . On peut prendre R D = 0 et V S ≠ 0, R D ≠ 0 et V S = 0, R D ≠ 0 et V S ≠ 0. (Voir fig. 4 - b) 2 – Redressement du courant alternatif 2.1 – Redressement simple alternance La diode, présentant une résistance pratiquement infinie lor s qu’elle est polarisée en inverse, peut être utilisée pour obtenir un courant unidirectionnel à partir d’un courant alternatif tel que le courant sin u so ï dal. U V moyen t e = Vsin t D U ω Ru R Fig. 6 V S Dans le circuit de la figure 6, la diode est pa ssante quand le potentiel de son anode est s u périeur de 0,6 V à celui de sa cathode. Si on néglige les effets dus à la tension de seuil, la charge Ru est tr a versée par du courant uniquement pendant les alte r nances positives. On pose : R T = R diode + R géné e = V.sin ω t = R T .I + U Or : e = (R T + R U ).I Si e > 0 R diode ≈ 0 donc U = e.R U /(R U + R T ) Si e < 0 R diode ≈ ∞ donc U = 0 Pour une tension sinus o ï dale dont une seule alternance est redressée, la valeur moyenne de la te n sion est égale à : π = π = ω ⌡ ⌠ ω − = ω = V T 2 T V 2 t cos T V dt . t sin . V T 1 U 2 / T 0 2 / T 0 2.2 – Redressement double alternance r r – Avec 2 diodes Pour procéder au redressement des deux alternan ces, il faut utiliser un tran s formateur ayant deux e n roulements secondaires identiques reliés en série et qui dél i vre deux tensions opp o sées : e 1 = V.sin ω t et e 2 = – e 1 . Le point commun aux deux enroulements sert de référence de potentiel. e1 I D1 D2 U Ru e2 U V moyen t Fig. 7 Si e 1 > 0 alors e 2 < 0 : la diode D 1 conduit et la diode D 2 est bloquée. Lors de la demi - alternance suivante, la situation est inversée. Le courant dans la charge Ru est unidirectionnel. Dans ce montage, la tension inverse maximum supportée p ar chaque diode est 2V. (la tension inverse su p portée par la diode bloquée est e 1 + e 2 ) En régime sinuso ï dal on a : Eff V 2 2 V 2 U π = π = Cliquez ici pour voir une animation du fonctionnement du circuit . r r – Avec 4 diodes La méthode précédente ne nécessite que deux diodes mais impose l’utilisation d’un tran s form a teur spécial à point milieu. L’utilisation de 4 diodes permet l’emploi d’un transform a teur conventio n nel. Ce montage constitue le pont de Graëtz. Il est commercialisé sous la forme d’un dispositif co m pact muni de 4 bornes. Pen dant chaque alternance 2 diodes sont conductrices : la chute de tension dans le pont vaut 2 fois la tension seuil. Mais dans ce cas, chaque diode n’est soumise en i n verse qu’à la te n sion V. Il n’est pas indispensable d’utiliser un transformateur mais alor s il n’y a plus d’isolation galvanique entre le secteur et le reste du montage. Sur la figure, le trait en grisé indique le parcours du courant pendant les alternances positives. Les flèches en pointillés correspondent aux alte r na n ces négat i ves. Cliquez ici pour voir une animation du fonctionnement du circuit . 2.3 – Filt rage La tension obtenue après redressement est unidirectionnelle mais elle n’est pas continue. Le s i gnal obtenu est périodique ; il contient une composante continue (la valeur moyenne du signal) et des harmoniques que l’on désire annuler : on fait suivre l a cellule de redressement par un filtre qui su p prime les hautes fréquences. Le filtrage le plus simple fait appel à un seul condensateur placé en parallèle sur la charge et qui se comporte comme un réservoir d’énergie. Période de charge du condensateur : Dès que V A > V K la diode est passante : le condensateur se charge rapidement car la r é sistance de la diode est très inférieure à celle de la charge. On peut définir la con s ta nte de temps de charge τ c = C.R diode . La tension crête atteinte aux bornes du condensateur est égale à V – V AK : on admet que la + Ru – Fig. 8 U e = Vsin t D fig 9 U ω Ru R C résistance de la char ge est assez grande pour pouvoir négliger le courant de décharge dans R U d e vant le courant de charge. Cliquez ici pour voir une animation du fonctionnement du circuit . Décharge du condensateur : Dès que V A < V K , le générateur est isolé de la charge par la diode qui est bloquée. Le conde n sateur se décharge dans R U avec u ne constante de temps R U .C. La qualité du filtrage est d’autant meilleure que le courant de décharge est faible : il faut utiliser des condensateurs de capacité élevée pour obtenir une constante de temps de décharge aussi élevée que possible. Cliquez ici pour étudier une simulation de ce circuit . Ondulation ré siduelle : Le calcul rigoureux de l’amplitude des variations de la tension de sortie est souvent impo s sible. Puisque I(t) = C.dV(t)/dt, on a, en supposant I(t) constant : dV = (I / C).dt Comme valeur de dt, on peut prendre la période du phénomène. Cette esti mation est pessimiste car la charge du condensateur débute avant la fin de la période. L’ordre de grandeur de la tension d’ondulation est donc V I C f Ond = . pour un redressement simple alternance d’une tension de fr é quence f. L’ondulation est nulle si la charge est infinie car le condensateur reste alors chargé à la te n sion crête. Il est possible d’améliorer le « lissage » de la tension de sortie en utilisant un redressement double alternance et en utilisant un filtre plus complexe (cellules en PI, en T, en L comportant égal e ment des résistances ou des inductances) ou en faisant suivre les cellules de redressement et de fi l trage par une cellule active nommée « régulateur de tension ». 2.4 – Doubleurs de tension Il existe différents dispositifs u tilisant des diodes et qui permettent d’obtenir une tension redressée d’amplitude supérieure à la valeur maximum de la tension d’alimentation sinuso ï dale. Comme exe m ple, décrivons le doubleur Latour. Le condens ateur supérieur se charge pendant les alternances positives et le condensateur inférieur pendant les alternances négatives. En sortie, la tension est de l’ordre de deux fois la te n sion d’alimentation. En prenant, comme potentiel de référence, le point comm un aux deux condensateurs, on dispose d’une aliment a tion sym é tr i que ± U Fig. 10 3 – Autres applications des diodes La liste suivante qui n’est pas limitative donne un aperçu des nombreuses applications des diodes dans les montages él ectroniques. r Détection (Fig. 11a) La diode transmet en sortie les tensions positives supérieures à sa tension de seuil. A cause de cet e f fet de seuil, les diodes sont rarement utilisées seules dans les circuits détecteurs. On peut ajo u ter au signal étudié une composante continue qui placera la zone de travail de la diode au - delà du seuil. U t U U a b c d +12 V E E Accu 3,6 V S C h a r g e Alim. 5 V Fig. 11 r Porte logique (Fig. 11b) En cas de coupure de l’alimentation principale, un accumulateur de sauvegarde prend a u tomat i quement le relais et alimente la charge. r Ecrêt eur (Fig. 11c) La charge du montage figure le circuit d’entrée d’un amplificateur dont la te n sion d’entrée doit impérativement rester inférieure à 1 V. Tant que la tension d’entrée reste inférieure à la tension de seuil, les diodes présentent une impédance infinie. Si la tension de seuil est dépa s sée une des deux diodes entre en conduction et protège ainsi des surcharges l’entrée de l’amplificateur. r Protection de contact (Fig. 11d) L’ouverture d’un circuit inductif pose le problème du courant de rupture qui dégrade les contacts à cause de la création d’un arc entre ceux - ci. La diode montée en parallèle sur la b o bine permet la dissipation de l’énergie emmagasinée dans celle - ci et pr o tège ainsi les contacts. 4 – Diodes spéciales 4.1 – Diodes à faible capacité La jonction P - N polarisée en inverse se comporte comme une capacité. Cette capacité p a rasite de la diode perturbe son fonctionnement en haute fréquence. Pour réduire la capacité on diminue la su r face de la jonction (diodes à pointe d’or ou à microjonction) . La capacité ainsi obtenue est une fra c tion de picofarad. 4.2 – Diodes de commutation Pour une diode polarisée, il y a concentration des porteurs minoritaires de part et d’autre de la jon c tion. Les concentrations sont différentes pour une polarisation en direct ou en i n verse. Lors d’une transition, les porteurs en excès doivent retr a verser la jonction (temps de déstockage). Puis le pa s sage d’un état à l’autre néce s site le temps que les nouveaux minorita i res mettent à diffuser à tr a vers la jonction (temps d e transition). La durée totale de l’inversion (temps de recouvrement t R ) peut attei n dre 1 μs pour les diodes de puissance. Pour les diodes de commutation rapide (t R ≈ 1 ns), on utilise de l’or comme dopant afin de diminuer la durée des temps de recombina i s on des porteurs de cha r ges. 4.3 – Diodes Schottky Les fils de connexion avec la jonction de la diode doivent former des liaisons non dire c tionnelles (ohmiques). Ceci est réalisé en créant une zone très dopée (N + ou P + ) au voisinage du conducteur métalliqu e. Dans les diodes Schottky, la jon c tion P - N est remplacée par la jonction d’un métal avec un semi - conducteur peu d o pé (de type N car les porteurs sont plus mobiles). Si le métal (anode) est positif par rapport à la zone N (cathode) la jonction est conduct rice. Cette diode qui ne fait intervenir qu’un seul type de po r teurs, pr é sente une cap a cité beaucoup plus faible que les diodes class i ques. Ces diodes ont une fa i ble tension de seuil ( ≈ 0,25V) et e l les ont des temps de recouvr e ment très brefs (il n’y a pas de minorita i res dans un métal). On peut donner à la jon c tion une surface importante ce qui a u torise le pa s sage de courants inte n ses. 4.4 – Diodes varicaps La zone vide de porteurs d’une jonction polarisée en inverse voit son épaisseur augmenter si on augm ente la tension inverse. Cette zone joue le rôle du diélectrique d’un condensateur. Si l’épaisseur de cette zone augmente la capacité diminue car C = ε .S/e. On obtient un condensateur dont la capacité est fonction de la tension inverse appliquée selon une loi du type : C C C V inv = + + 0 1 1 2 Si on insère une telle diode dans un circuit oscillant, on peut régler la fréquence de résonance du circuit en agissant sur la tension de commande de la diode au lieu d’agir mécaniquement sur un condensateur variable. 4.5 – Diodes Zener r r – Caractéristiques Si l’épaisseur de la jonction est faible et si le taux de d o page est important, on obtient des diodes qui présentent un courant inverse intense au - delà d’une valeur V Z de la tension in verse qui est la te n sion de coude ou de Zener. Le claquage inverse de la jonction résulte soit d’un cl a quage par avalanche par i o nisations dans la zone de d é pl é tion par les porteurs, soit d’un claquage par effet Zener qui correspond au passage des électro ns de la bande de v a lence à la bande de conduction sous l’effet du champ électr i que. Si la construction de la diode permet la dissipation de la puissance dégagée, le claquage est réversible. On obtient alors une diode Zener. Sa caractéristique directe est identique à celle d’une diode classique. Pour les diodes Zener avec V Z ≈ 6 V, la résistance dynamique est voisine de quelques ohms et le coude très brutal. (claquage par avalanche). Pour V Z < 6 V le coude est arrondi car il y a claquage par effet Zener. Si V Z est très supérieur à 6 V la résistance dynamique augmente. Selon le courant débité, la tension aux bornes de la diode sera d’autant plus stable que la résistance dynamique de celle - ci sera faible. Les diodes tunnels sont des diodes Zener dont le dopage est si grand que la tension inverse est nulle. Leur caractéristique présentant une zone de pente négative ces diodes sont utilisées dans des circuits oscillateurs. r r – Stabilisation de tension Il est possible de réaliser un stabilisateur de tension en utilisant une diode Zener. On suppose que le courant inverse I Z dans la diode est tel que le point de fonctio n nement est situé dans la partie linéaire de la caractéristique. Il est alors possible de m odéliser la diode par l’association d’une source de tension V Z en série avec une résistance R Z (résistance dynamique inverse de la diode). E Iz Iu Dz U Ru R Fig. 13 E Iz Rz Iu Vz U Ru R Fig. 14 Fig. 12 Remplaçons le générateur (tension E et résistance R) et la résistance de charge par leur équ i valent Thév e nin : E E Ru R Ru R R Ru R Ru T T = + = + ; . . Le point de fonctionnement de la diode est obtenu en che r chant l’intersection de sa caractéri s tique U = V Z + R Z .I Z avec la droite de charge d’équation U = E T – R T .I Z . On retrouve graphiquement le fait que le système ne fon c tionne que si E T > V Z . Fig 15 Cliquez ici pour étudier ce circuit . Rz = 0. Si la charge varie, (stabilisation amont) les courants dans la charge et dans la diode varient mais U reste constant car la pente de la droite de charge varie. De même si la tension du générateur varie (stabilisation aval) U reste également con s tant car la droite de charge se déplace parallèlement à elle - même. Rz ≠ ≠ 0. U varie avec les paramètres extérieurs. Pour la stabilisation aval (variation ∆ E = e de E), on peut déterminer u = ∆ U en recherchant les intersections de la caractéristique avec les droites de charge qui corre spondent aux valeurs extrêmes de E. Il est plus efficace d’étudier le schéma équivalent au montage en régime de petits signaux. Le générateur est remplacé par un générateur de f.e.m. ∆ E = e, la diode par sa résistance R Z puisque V Z est constant. e Rz u Ru R u = ∆ U = r.i avec r = Ru.R Z /(Ru + R Z ) et i = e/(R + r) Comme R Z est petit, r ≈ R Z . On en déduit : u = e.R Z /(R + R Z ) La stabilisation est d’auta nt meilleure que R Z est petite. Fig 16 R EMARQUES : La puissance (P Z = U Z .I Z ) dissipée dans la diode doit toujours rester inférieure à la pui s sance maximale autorisée. V Z varie avec la température et pour certaines applications, il est nécessaire d’en teni r compte. Il est possible d’obtenir une stabilisation beaucoup plus efficace en utilisant des montages à tra n sistors ou des régulateurs tripodes intégrés. Retour au menu » U E V P I Z Z F T R > 0 Z R = 0
Posted on: Fri, 21 Jun 2013 19:09:10 +0000
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