les diodes


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Nous y voici enfin à l'électronique.
Au fait connaissez-vous la différence qu'il y a entre électricité et électronique ?
L'électricité traite d'énergie, l'électronique d'information.
Dans tous les chapitres qui suivront, nous nous attacherons à décrire le fonctionnement des composants sous un aspect pratique, technologique. Pour ce qui est de la théorie purement électronique, au sens physique du terme, reportez-vous aux ouvrages spécifiques.

caractéristique tension courant d'une résistance On trouve fondamentalement deux types matériaux constituant les semi-conducteurs, le Germanium et le Silicium. Dans les premiers temps on ne trouvait que du Germanium, depuis de nombreuses années le Silicium domine. Dans ce qui suivra, il sera question quasi exclusivement du Silicium sauf remarque spécifique.
usqu'à présent nous n'avons traité que de composants linéaires. Une résistance est un composant linéaire et si nous traçons sa caractéristique nous  obtenons une droite. Le fait de passer avec des tensions négatives ne change pas la constante qui est la résistance. Avec les semi-conducteurs que nous allons étudier, il n'en sera pas de même.

La diode, symbole :

Symbole de la diode

La diode est constituée d'un barreau de matériau type P accolé à un barreau de matériau de type N.
On remarque immédiatement l'anode et la cathode qui seront les électrodes de notre composant.
Montage de test et caractéristique :

Voici le montage.
Remarquez que nous avons connecté le + de l'alimentation à l'anode de la diode et le - par l'intermédiaire de la résistance à la cathode. Ce branchement provoquera la circulation du courant, on dira que la diode est polarisée pour le sens passant.
Si nous avions adopté l'autre sens (le + sur la cathode) nous aurions polarisé notre diode en inverse et aucun courant n'aurait circulé, notre diode aurait été bloquée et polarisée pour le sens non passant.

Diode dans le sens passant

Pour notre expérience, nous allons faire varier la tension du générateur de 0 à + Vcc (nouveau terme indiquant la tension maximum d'alimentation continue) en relevant à chaque fois le courant qui circule dans le circuit et la tension aux bornes de la diode. Une fois ceci effectué, nous inverserons les pôles du générateur et pratiquerons de même. Ces relevés nous permettrons d'établir graphiquement la caractéristique tension-courant de la diode.

Caratéristique de la diode

Bon mon dessin n'est pas génial mais nous allons essayer de voir ce qu'il nous enseigne.
Restons dans la région directe et observons. Quand la tension aux bornes de la diode est inférieure à 0,7 V, aucun courant ne circule dans le circuit, c'est comme si nous avions un interrupteur ouvert. A 0,7 V, brutalement le courant apparaît. Si nous augmentons la valeur de la tension fournie par le générateur, la tension aux bornes de la diode reste sensiblement constante et égale à 0,7 V. D'ailleurs on appellera cette tension, la tension de seuil, c'est explicite. Cette tension de seuil est de 0,7 V pour le silicium et 0,2-,03 V pour le germanium.

Passons dans la région inverse. Nous constatons que la diode, polarisée en inverse ne conduit pas et donc qu'aucun courant ne circule dans le circuit hormis un léger courant de fuite de quelques µA que l'on pourra négliger.
Brutalement, la diode, toujours polarisée en inverse se met à conduire et le courant circule. La tension à partir de laquelle une diode polarisée en inverse conduit s'appelle la tension de claquage. Sur une diode non prévue pour cela, c'est destructif, sachez toutefois que cet effet est exploité dans les diodes Zener, nous y reviendrons.
Ce qu'il faut retenir :

La diode au silicium, polarisée pour le sens passant conduit dès que la tension à ses bornes est supérieure ou égale à 0,7V La diode polarisée en inverse ne conduit pas et se comporte comme un interrupteur ouvert (jusqu'à la tension de claquage)
Modélisons simplement une diode :

Il est souvent commode de modéliser un composant. Pour la diode plusieurs modèles sont disponibles, toutefois celui-ci me paraît convenir pour la compréhension.
Une diode peut être comparée à une source de tension en série avec une diode idéale. Remarquez que la source de tension de la diode sera toujours opposée à la polarisation dans le sens direct

La diode modélisée

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Et appliquons ceci à un exemple.
Regardez le schéma ci-contre. Quel est le courant qui circule dans ce circuit ?
Appliquons la loi d'Ohm pour la résistance, il vient :
       U             10 - 0,7
I =  ___    I= _________  = 0.093 A
       R               100

Nous l'avons déjà dit, la diode n'est pas un élément linéaire aussi définit-on sa résistance statique. Celle-ci sera égale au quotient U/I. Si l'on regarde la caractéristique plus haut, il apparaît clairement que si l'on se déplace sur la courbe et que l'on choisisse un autre point le quotient U/I donnera une autre valeur. La résistance statique est donc dépendante du point de fonctionnement de la diode.
On définit par ailleurs une résistance dynamique qui prend en compte l'excursion sur la caractéristique de la diode. Pour calculer cette résistance dynamique, on choisit deux points et l'on calcule le quotient qui sera de la forme :
      
       D U
Rd = _____ 
.
        
D  I
Introduction à la notion de point de fonctionnement et de droite de charge :

Cette notion nous sera utile avec l'étude des transistors, prenons un peu de temps pour l'appréhender.
Reprenons notre montage de tout à l'heure, mais avec des valeurs différentes. Sans faire de calcul, nous pouvons graphiquement arriver au même point en traçant le droite de charge de notre diode.
Si nous désirons connaître le courant qui circule dans ce circuit, posons l'équation du courant.
     Vcc -Vd
I= _________
          R

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Vcc = 3
Vd = tension  de la diode

Maintenant appliquons cela à notre circuit. Pour tracer la droite de charge, nous prendrons 2 hypothèses, la 1ère est que la tension Vd de seuil de la diode =0 ce qui nous donnera
       3 - 0
I =  _______ = 0.03A.  Ce point  se caractérisera par U=0 et I= 0.03A
         100

et la 2ème que la tension Vd égale la tension d'alimentation de 3V, ce qui donnera
        3 - 3
I =  ________  =  0. Ce point se caractérisera par U=3V et I=0
          100
Nous avons deux points, c'est suffisant pour tracer la droite de charge sur la caractéristique de la diode. Le point de croisement des deux courbes nous dira la valeur du courant, et nous permettra de visualiser ou se trouve le point P de fonctionnement de la diode qui a pour caractéristiques U=0.75 et I = 23mA.

Droite de charge et point de fonctionnement

Les caractéristiques essentielles :

Les diodes ont, comme on peut s'en douter, une flopée de caractéristiques. Tout ceci n'est pas toujours simple à lire ou à retenir. Sachons toutefois voir l'essentiel dans les données constructeurs Tout ce qui est indicé "f" (forward) signifie direct, donc sens passant

Tout ce qui est indicé "r" (reverse) signifie inverse, donc sens non passant.

VF : tension directe continue
VFM : tension directe de crête
VR : tension inverse continue
VRM : tension inverse de crête
IF :courant direct continu
IFM :courant direct de crête

Soyez vigilant, plus particulièrement pour les alimentations haute tension aux paramètres inverses. Les diodes comme tout composant ont des limites qu'il convient de respecter sous peine d'explosions dans la station !

Sur le plan pratique :

Si vous avez un doute sur une diode, vous pouvez savoir rapidement si elle est HS ou pas. Prenez votre contrôleur universel (C'est le premier instrument que vous devez acquérir), mettez-le en position ohmmètre, sélectionnez le calibre dédié aux mesures de semi-conducteurs et appliquez les pointes de touche sur les bornes de votre diode. Relevez l'indication et inversez les pointes de touche.
Si la diode est bonne, une mesure a du vous indiquer une valeur (en général autour du k
W) et l'autre mesure l'infini.

Les autres diodes :

On trouve sur la marché une multitude de diodes ayant chacune des application spécifiques, passons en revue les plus célèbres.
La diode Zener : C'est une diode que l'on fait fonctionner à sa tension de claquage, cette diode est spécifiquement prévue pour cet usage. Elle servira de référence de tension.
La diode Schottky Fréquemment utilisée en HF comme mélangeuse entre autres, cette diode à un seuil de tension très bas (0.25V) et commute très rapidement les signaux. Les Schottky de puissance sont également utilisées dans les alimentations.
La diode électroluminescente
(LED ou DEL)
Vous la connaissez bien, on en voit partout. Retenez qu'une DEL ou LED in English fonctionne avec un courant d'une dizaine de mA.
Les LED on une tension de seuil variable en fonction de la couleur (ben oui...)

Rouge  ~ 1,6 V
Jaune  ~ 2 V
Vert  ~ 2V
Bleue  ~ 4V
La diode Varicap Comme son nom l'indique, cette diode présente une capacité variable en fonction de la tension qui est appliquée à ses bornes. On l'utilise dans les oscillateurs commandés en tension (VCO) ou dans les circuits accordés. Vous la retrouverez souvent en HF.
Les diodes Gunn Utilisée en hyperfréquence, leurs caractéristiques leur permet de se comporter en oscillateur-mélangeur. Elle ne sont plus guère employées pour cette application. On en retrouve dans les chaînes multiplicatrices hyperfréquence.
Petit exercice simple et distrayant :

Nous possédons une LED verte dans laquelle nous souhaitons faire circuler un courant de 10 mA, la tension d'alimentation est fournie par une pile de 9 V. Quelle est la valeur de la résistance à mettre en série ?
Voici le schéma. Nous savons que la tension de seuil d'une LED verte avoisinne les 2V et que le courant circulant dans ce circuit doit être de 10 mA. D'autre part la loi d'Ohm nous dit que R= U/I, il suffit d'appliquer le texte sacré pour obtenir :
R = U/I
R = 9 - 2/ 0,01
R =  700
W
Quels usages pour les diodes ?

Au fait, que peut-on en faire ? Voici quelques exemples, c'est loin d'être exhaustif ::

Redresser une tension

Nous verrons cela dans un autre chapitre tant le sujet est important, le but à atteindre est de transformer du courant alternatif en courant continu car nos appareils si chers ( au propre comme au figuré) ne fonctionnent qu'en continu.

Si nous appliquons cette tension sinusoïdale à notre diode
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Voilà ce que nous obtenons en sortie

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Protéger un appareil d'une inversion de polarité


Protection d'un équipement électroniqueLa cause de mortalité précoce des transceivers est l'inversion de polarité. Un instant de distraction et hop, vos économies partent en fumée. La PREVENTION INTELLIGENTE consiste à mettre une diode  en série dans l'alimentation comme ceci:
La diode sera solidaire de l'appareil à protéger naturellement. L'inconvénient est la chute de tension de 0,7V, sur une alimentation régulée, il suffira d'augmenter la tension, sur une batterie, ce sera plus gênant.
Utilisation en limiteur


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Vous avez des créneaux de tension de 10 V que vous voulez réduire à une  amplitude  proche de 5V. Voici une méthode simple :
Vous aurez en sortie des créneaux allant de 5.7 à 10 V d'amplitude soit une excursion de 4,3V

La diode comme commutateur


diode13.gif (1517 octets)Vous avez réalisé un oscillateur HF et vous souhaitez, de manière simple, pouvoir ajouter à ce circuit une capacité de façon à changer sa fréquence d'oscillation.

Il suffit d'appliquer une tension  positive au point A, la diode conduira, la capacité retrouvera la masse par la diode et viendra s'ajouter à la capacité totale du circuit

La diode comme stabilisateur de tension

diode14.gif (1665 octets)Nous ferons appel à une diode spéciale appelée diode Zener. 
Remarquez que cette diode se polarise en inverse pour exploiter la tension de claquage. Les zener standards ne fournissent qu'une puissance très faible 1 à 2W. Toutes ces notions seront abordées ultérieurement.

La diode en écrêteur 


Ces deux diodes, montées "têtes-bêches" ou "anti-parallèles" seront placées en amont d'un dispositif à protéger comme par exemple l'entrée d'un transistor amplificateur. Dès que la tension d'entrée dépassera la tension de seuil des diodes, celles-ci conduiront et dériveront à la masse l'excédent de tension. L'entrée du transistor verra au maximum la tension de seuil, soit 0,7 pour du silicium.
La diode en protection

Voici un transistor commandant une bobine de relais. Supposons la diode absente, le montage fonctionne tout aussi bien. Quand la base du transitor est commandée par une tension adéquate, le transistor se sature, un courant Ic circule dans la bobine et le relais colle. Inversement quand la tension de commande disparaît, la bobine va restituer une tension inverse au transistor (loi de Lenz) qui peut avoir des effets destructifs. La diode est chargée de court-circuiter cette tension inverse.
Arrêtons-nous là, car nous pourrions trouver des centaines d'applications. La diode à semi-conducteur est un élément très employé dans nos circuits et nous la retrouverons au gré d'autres chapitres.

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Révision 01 du 23/10/2001