[PDF] Cours sur les Diodes.pdf Exemple d'utilisation des 3

View - Download Cours sur les Diodes.pdf

Previous PDF

Next PDF

2 -- LLDD version 1

Ce document peut être librement lu, stocké, reproduit, diffusé, traduit et cité par tous moyens et

sur tous supports aux conditions suivantes: tout lecteur ou utilisateur de ce document reconnaît avoir pris connaissance de ce qu'aucune

garantie n'est donnée quant à son contenu, à tout point de vue, notamment véracité, précision

et adéquation pour toute utilisation; il n'est procédé à aucune modification autre que cosmétique, changement de format de représentation, traduction, correction d'une erreur de syntaxe évidente, ou en accord avec les clauses ci-dessous;

des commentaires ou additions peuvent êtres insérés à condition d'apparaître clairement

comme tels; les traductions ou fragments doivent faire clairement référence à une copie originale complète, si possible à une copie facilement accessible.

les traductions et les commentaires ou ajouts insérés doivent être datés et leur(s) auteur(s)

doi(ven)t être identifiable(s) (éventuellement au travers d'un alias); cette licence est préservée et s'applique à l'ensemble du document et des modifications et ajouts éventuels (sauf en cas de citation courte), quelqu'en soit le format de représentation; quel que soit le mode de stockage, reproduction ou diffusion, toute personne ayant accès à une version numérisée ce document doit pouvoir en faire une copie numérisée dans un format directement utilisable et si possible éditable, suivant les standards publics, et publiquement documentés, en usage. la transmission de ce document à un tiers se fait avec transmission de cette licence, sans modification, et en particulier sans addition de clause ou contrainte nouvelle, explicite ou

implicite, liée ou non à cette transmission. En particulier, en cas d'inclusion dans une base de

données ou une collection, le propriétaire ou l'exploitant de la base ou de la collection s'interdit

tout droit de regard lié à ce stockage et concernant l'utilisation qui pourrait être faite du

document après extraction de la base ou de la collection, seul ou en relation avec d'autres documents.

Toute incompatibilité des clauses ci-dessus avec des dispositions ou contraintes légales, contractuelles

ou judiciaires implique une limitation correspondante du droit de lecture, utilisation ou redistribution

verbatim ou modifiée du document. 1

Table des matières

Table des matières................................................................................................................................................. 1

Introduction........................................................................................................................................................... 3

Principe de fonctionnement.................................................................................................................................. 5

La jonction PN.................................................................................................................................................... 5

Équilibre sans générateur................................................................................................................................ 6

Avec un générateur en sens direct................................................................................................................... 7

Avec un générateur en sens inverse ................................................................................................................ 8

Caractéristiques électriques................................................................................................................................. 9

Caractéristique électrique................................................................................................................................ 9

Caractéristique directe (Vd > 0)...................................................................................................................... 9

Autour de zéro :............................................................................................................................................. 11

Équation :...................................................................................................................................................... 11

Effet de la température :................................................................................................................................ 12

Schéma équivalent............................................................................................................................................... 13

Modélisation n°1 : la diode " idéale »............................................................................................................... 13

Modélisation n°2 : diode avec seuil.................................................................................................................. 14

Modélisation n°3 : diode avec seuil et résistance.............................................................................................. 15

Exemple d'utilisation des 3 modèles de la diode.............................................................................................. 16

Premier cas : E = 200 V et R = 1000 ......................................................................................................... 17

Deuxième cas : E = 2 V et R = 1000 ......................................................................................................... 18

Troisième cas : E = 2 V et R = 2 ............................................................................................................... 20

Utilisation.......................................................................................................................................................... 22

Paramètres essentiels des diodes....................................................................................................................... 22

Diodes de redressement..................................................................................................................................... 23

Caractéristiques physiques............................................................................................................................ 23

Redressement simple alternance ................................................................................................................... 24

Redressement double alternance................................................................................................................... 25

Avec transfo double enroulement ou transformateur à point milieu......................................................... 25

Avec pont de Graëtz...................................................................................................................................... 26

Filtrage.......................................................................................................................................................... 27

Redressement simple alternance ............................................................................................................... 27

Redressement double alternance............................................................................................................... 29

Fonctionnement des diodes et transformateurs...................................................................................

31

Alimentations doubles symétriques .............................................................................................................. 31

Doubleur de tension.......................................................................................................................................... 32

Diodes Zener........................................................................................................................................................ 33

Caractéristique .............................................................................................................................................. 33

Schéma équivalent :...................................................................................................................................... 34

Modèle hydraulique de la diode Zener.......................................................................................................... 35

Régulation de tension........................................................................................................................................ 36

Diodes à avalanche contrôlée............................................................................................................................ 39

Caractéristiques physiques............................................................................................................................ 39

Protection contre les surtensions................................................................................................................... 39

Mise en série de diodes................................................................................................................................. 39

Diodes de redressement rapides........................................................................................................................ 40

Notions de charge recouvrée......................................................................................................................... 40

Utilisation...................................................................................................................................................... 40

Diodes de signal................................................................................................................................................ 41

Caractéristiques physiques............................................................................................................................ 41

Détecteur de crête.......................................................................................................................................... 41

Détection AM.................................................................................................................................................... 42

Écrêtage des surtensions ................................................................................................................................... 43

Diodes électroluminescentes............................................................................................................................. 43

2 Caractéristique .............................................................................................................................................. 43

Utilisation...................................................................................................................................................... 43

Autres diodes................................................................................................................................................. 44

Les symboles des différentes diodes................................................................................................................... 45

Exercices.............................................................................................................................................................. 46

Solutions............................................................................................................................................................... 57

3

Introduction

La diode est le composant électronique de base : on ne peut pas combiner du silicium dopé plus simplement. Son fonctionnement macroscopique est celui d'un interrupteur commandé par une tension (V d qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens.

Figure 1

Analogie hydraulique de la diode

Cette propriété lui ouvre un champ d'applications assez vaste en électronique dont les plus courantes

sont : Le redressement du courant alternatif issu du secteur ; la régulation de tension à l'aide de diodes Zener, qui ont un comportement de source de tension quasi idéale.

La fonction diode a existé bien avant l'arrivée du silicium : on utilisait alors des diodes à vide (les

lampes ou tubes, voir Figure 2) dont le fonctionnement était basé sur l'effet thermoélectronique. Le

silicium a apporté une amélioration de la fiabilité du composant, une réduction de son encombrement,

une plus grande simplicité d'utilisation et une réduction de prix.

Figure 2

Diode " tube »

4 La jonction PN est un élément fondamental de l'électronique. En modifiant certains paramètres

(concentration en impureté, géométrie de la jonction, etc.) on obtient des composants diversifiés

utilisables dans de nombreux domaines dont le classement succinct est le suivant : Diodes de redressement et de l'électronique de puissance o Diodes de redressement classique, o Diodes à avalanche contrôlée, o Diodes rapides de commutation et de récupération, o Diodes haute tension, etc.

Diodes de signal dans le domaine général

o Diodes rapides 1 o Diodes à faible courant de fuite, etc.

Diodes utilisées en avalanche inverse

o Diodes stabilisatrices de tension (diodes " Zener »), o Diodes de référence, o Diodes de protection, etc.

Diodes de l'électronique rapide

o Diodes tunnel et backward, o Diodes Schottky, o Dioses varicap, o Diodes PIN, o Diodes gunn, o Dioses Impatt, etc.

Diodes de l'optoélectronique

o Diodes électroluminescentes LED, o Diodes laser, o Photodiodes, o Photopiles, o Cellules photovoltaïques, etc.

Autres dispositifs

o Thermistance, o Varistances, o Cellules photorésistantes, o Cellules de Hall, etc. Dans les pages qui suivent, nous nous intéresserons seulement aux diodes de redressement et aux diodes Zener. 1

Les diodes rapides de signal peuvent travailler à des fréquences élevées aussi bien en régime de

petits signaux qu'en régime de commutation. 5

Principe de fonctionnement

La jonction PN

Figure 3

Jonction PN

Un matériau semi conducteur est composé d'atomes qui possèdent 4 électrons sur la couche

extérieure (atome quadrivalent). Le matériau semi conducteur le plus employé à l'heure actuelle est le

silicium.

Considérons un petit morceau de silicium. Si on en dope une partie avec des atomes à 5 électrons

périphériques, le semi conducteur devient de type N, c'est-à-dire que les des porteurs majoritairement

présents dans la maille cristalline sont des électrons. Si l'on dope l'autre partie avec des atomes à 3

électrons périphériques, le silicium devient de type P, c'est-à-dire que les charges mobiles majoritaires

sont des trous (positifs) dans cette région du silicium. On a crée une jonction PN, qui est la limite de

séparation entre les deux parties.

Nous avons fabriqué une diode à jonction.

6

Équilibre sans générateur

Figure 4

Équilibre au niveau de la jonction PN sans champ électrique extérieur.

Au voisinage de la jonction, les trous de la zone P vont neutraliser les électrons libres de la zone N

(il y a diffusion des charges). Ce phénomène va s'arrêter quand le champ électrique E int créé par les

atomes donneurs ou accepteurs (qui vont devenir respectivement des charges + et -) va être suffisant

pour contrarier le mouvement des charges mobiles. Ceci constitue une barrière de potentiel pour les

porteurs majoritaires. Par contre, cette barrière de potentiel va favoriser le passage des porteurs

minoritaires (conduction électrique).

Les deux courants antagonistes (diffusion des majoritaires et conduction des minoritaires) s'équilibrent

et leur somme est nulle en régime permanent et en l'absence de champ électrique extérieur. 7

Avec un générateur en sens direct

Figure 5

Jonction PN soumise à un champ électrique extérieur : passage du courant

La barrière de potentiel interne empêche donc toute circulation de courant. Si on applique un champ

externe à l'aide d'un générateur en branchant le pôle + sur la zone P et le pôle - sur la zone N, on peut

annuler les effets du champ interne et permettre au courant de circuler : le phénomène d'attraction

des électrons libres de la partie N par les trous de la partie P (diffusion) n'est plus contrarié, et le

générateur va pouvoir injecter des électrons dans la zone N et les repomper par la zone P.

Le courant de conduction constitué par les porteurs minoritaires prend une valeur If indépendante du

champ extérieur.

Le courant total est la somme des deux courants, soit pratiquement le courant direct dû aux porteurs

majoritaires dès que la tension atteint la centaine de mV.

La diode est alors polarisée dans le sens direct, et un courant relativement intense peut circuler : de

quelques dizaines de milliampères pour des diodes de signal à quelques ampères pour des diodes de

redressement standard, voire à des centaines d'ampères pour des diodes industrielles de très forte

puissance. 8

Avec un générateur en sens inverse

Figure 6

Jonction PN soumise à un champ extérieur : blocage

Si on branche le générateur dans le sens inverse du cas précédent, on renforce le champ électrique

interne, et on empêche le passage des porteurs majoritaires : les électrons libres sont repoussés dans

la zone N et les trous dans la zone P ; on accentue la séparation des charges (zone de déplétion).

Par contre, les porteurs minoritaires (trous pour la zone N et électrons libres pour la zone P) peuvent

traverser la jonction et reboucler par le générateur : ils forment le courant inverse I f qui dépend essentiellement de la température. Le champ extérieur repousse les charges qui vont se trouver à une distance sensiblement

proportionnelle à |V|, créant ainsi une capacité proportionnelle à cette distance, donc à |V|.

Cette capacité est inhérente à toute jonction de semi conducteurs, et va constituer la principale

limitation (en régime linéaire tout du moins) au fonctionnement à haute fréquence des composants

électroniques (diodes, transistors et circuits intégrés les employant). 9

Caractéristiques électriques

Caractéristique électrique

C'est la caractéristique globale courant/tension. On a vu précédemment que le courant était

négligeable pour une tension Vd = Vp-Vn négative (ceci est vrai jusqu'à une tension Vc dite tension de

claquage). Au dessus d'un certain seuil Vo de tension Vd positive, le courant direct croit très rapidement avec Vd.

Le seuil Vo (barrière de potentiel) dépend du semi conducteur intrinsèque de base utilisé. Il est

d'environ 0,2V pour le germanium et 0,6V pour le silicium.

La caractéristique a la forme suivante :

Figure 7

Caractéristique complète

Caractéristique directe (Vd > 0)

Figure 8

Caractéristique directe d'une diode.

Sur ce type de diode au silicium, le courant croit assez rapidement au delà de 0,7V. C'est une diode

de redressement supportant 1 A en direct et 600 V en tension inverse. V AK = V d I AK tension de claquage courant de fuite

10 La caractéristique d'une diode semi-conductrice est illustrée par les courbes de la Figure 9. Afin de

bien mettre en évidence la dépendance du courant par rapport à la tension appliquée, des échelles

différentes ont été utilisées. On notera en particulier (Figure 9 c et d) que l'allure de la caractéristique

est pratiquement la même pour des courants faibles ou élevés ; seule la tension a changé en passant

d'environ 0.6 V pour I D = 1mA à environ 0.8 V pour I D = 100 mA. a b c d

Figure 9

Caractéristiques d'une diode

a) en polarisation inverse, b) pour de faibles tensions c) pour de faibles courants, d) pour de forts courants

La connaissance de cette caractéristique non linéaire, fondamentale pour décrire le comportement

des diodes, ne nous permet malheureusement pas de résoudre analytiquement un circuit constitué

simplement d'un générateur, une résistance et une diode. Les équations décrivant ce circuit sont en

effet non linéaires et ne peuvent pas être résolues simplement : ln gDD D DT S URIU I UnV I

Seule la donnée de modèles linéaires approchant aussi bien que possible la caractéristique de la

diode permet de calculer le courant circulant dans le circuit. 11

Autour de zéro :

La caractéristique passe par l'origine. Pour V

d négatif, le courant tend rapidement vers la limite -I f (courant de fuite), car le courant de diffusion dû aux porteurs majoritaires va s'annuler.

Caractéristique inverse (V

d < 0), phénomène de claquage :

Quand la tension appliquée dépasse la valeur spécifiée par le fabricant, le courant décroît (attention :

il est déjà négatif !) très rapidement. S'il n'est pas limité par des éléments externes, il y a destruction

rapide de la diode due à deux phénomènes : phénomène d'avalanche : quand le champ électrique au niveau de la jonction devient trop

intense, les électrons accélérés peuvent ioniser les atomes par chocs, ce qui libère d'autres

électrons qui sont à leur tour accélérés Il y a divergence du phénomène, et le courant devient

très important en un temps extrêmement court. phénomène Zener : les électrons sont arrachés aux atomes directement par le champ électrique dans la zone de transition et créent un courant qui devient vite intense quand la tension V d atteint une valeur Vz dite tension Zener.

Si on construit la diode pour que le phénomène Zener l'emporte sur le phénomène d'avalanche (en

s'arrangeant pour que la zone de transition soit étroite), on obtient une diode Zener.

On utilise alors cette diode en polarisation inverse. L'effet Zener n'est pas destructif dans ce cas. Ces

diodes sont très utilisées pour la régulation de tension.

Équation :

Figure 10

Linéarité de Log (I) fonction de V.

La courbe de la Figure 7 (à l'exception de la zone de claquage) répond assez bien à la formule

suivante, expliquée par la thermodynamique statistique : 1 d qV kTdf IIe [1] où : - I f est le courant de fuite ; - q la charge de l'électron = 1,6E-19C ; - k constante de Boltzman = 1,38E-23 J/K; - T température absolue (en degré Kelvin).

12 La loi logarithmique [1] est bien illustrée par : la Figure 8, la Figure 9, et la Figure 10. La courbe

expérimentale s'éloigne toutefois de la théorie lorsque le courant anode cathode devient important car

le modèle ne tient pas compte d'autres phénomènes dont les chutes de tension ohmiques dans le

semi conducteur.

A noter que sur la Figure 10, le courant maximum représenté est égal au 1/10ème admissible par

cette diode.

Effet de la température :

Pour V

d

positif, la diode a un coefficient de température négatif égal à -2mV/K. Cette dérive en

température est suffisamment stable pour qu'on puisse utiliser des diodes comme thermomètres.

Pour V

d négatif, le courant de fuite I f varie très rapidement avec la température. Il est plus important

pour le germanium que pour le silicium, et croît plus vite, ce qui devient rapidement gênant. Dans le

silicium, ce courant double tous les 6°C.

Résistance différentielle (ou dynamique).

Figure 11

Résistance dynamique.

La résistance dynamique étant l'inverse de la pente de la caractéristique en un point donné, on peut la

déduire par dérivation de la formule [1] : d d kTrqI [2] C'est la résistance dynamique au point de fonctionnement (V d , I d ). Elle est fonction du courant de polarisation I d au point étudié.

La Figure 11 donne la valeur de r

d en fonction de la tension de la diode : les variations sont très importantes. 13

Schéma équivalent

La représentation de la diode par sa loi logarithmique est un peu complexe pour l'emploi de tous les

jours. Plusieurs schémas équivalents simplifiés peuvent être employés en lieu et place avec profit.

Pour établir ces schémas, on " linéarise » plus ou moins grossièrement la caractéristique électrique

de la diode, puis on cherche quels composants permettent d'obtenir ces caractéristiques linéaires.

Modélisation n°1 : la diode " idéale »

La modélisation d'un composant consiste à remplacer la caractéristique électrique réelle i = f(u) par

des segments de droites. A chaque segment de droite correspond un schéma électrique équivalent.

Dans ce cas, on néglige la tension de seuil (force du ressort qui maintient le clapet sur son siège) et la

résistance interne de la diode (le petit étranglement du au siège du clapet qui rétrécit le tuyau

augmentant ainsi sa " résistance »). La caractéristique est alors celle de la Figure 12.

Figure 12

Caractéristique idéale.

Cette modélisation consiste à effectuer une linéarisation " à la serpe » de la caractéristique électrique

de la diode. Ainsi modélisée, la diode est un interrupteur commandé par la tension anode-cathode V

AK (V d ). Si V AK > 0, l'interrupteur est fermé et le courant anode-cathode passe. Si V AK < 0, alors

l'interrupteur est fermé et le courant anode-cathode est nul (quelques pico ampères en réalité).

Ce schéma est utilisé pour expliquer le principe de fonctionnement des montages ainsi que dans le,

domaine du redressement ou de la commutation. Si les diodes sont employées dans des circuits où

les tensions sont élevées (plus de 10 V) : la tension de coude (0,7 V pour les diodes au S i ) est alors négligeable. V AK = V d I AK A K K A 14

Modélisation n°2 : diode avec seuil

On peut continuer à négliger la résistance interne, mais tenir compte du seuil de la diode. La

caractéristique devient :

Figure 13

Caractéristique avec seuil.

Du point de vue de l'analogie hydraulique de la diode, la force contre électromotrice du schéma

équivalent correspond à la " contre pression » exercée par le ressort qui maintient le clapet sur son

siège.

Cette f.c.é.m. est de 0,7 V (environ, elle est comprise entre 0,6 et 0,7 V) pour les diodes au silicium.

Les diodes au germanium, qui sont rares, ont une f.c.é.m. de 0,3 V. Les diodes électroluminescentes

ont des f.c.é.m. variables, avec la longueur d'onde émise, entre 1,3 et 3,8 V.

Ce schéma est le plus utilisé pour les calculs où l'on recherche une certaine précision. Il est donc à

utiliser si la source délivre une tension inférieure à une dizaine de volts ou dans le domaine de

l'électronique du signal lorsque le courant reste faible devant le courant maximum. V AK = V d I AK 0,7 V

0,7 V A

A K K K A 15 Modélisation n°3 : diode avec seuil et résistance

Ici, on prend en compte la résistance de la diode. Ceci peut être utile si on utilise la diode en petits

signaux alternatifs et qu'on a besoin de sa résistance dynamique.

Figure 14

Caractéristique avec seuil et résistance.

La linéarisation de la caractéristique électrique est plus fine, les morceaux de droite épousent mieux la

courbe. Du point de vue de l'analogie hydraulique de la diode, en plus de prendre en compte la force contre

électromotrice V

0 = 0,7 V (" contre pression » exercée par le ressort qui maintient le clapet sur son

siège), on prend en compte la résistance dynamique de la diode. Cette résistance dynamique peut

être interprétée comme la résistance au passage du fluide introduite par le rétrécissement du tuyau du

au siège du clapet. Comme l'analogie hydraulique le laisse supposer, cette résistance est petite, au alentour de 20 .

On parle de résistance " dynamique » car elle varie avec l'intensité qui traverse la diode. La pente de

la caractéristique électrique n'est pas constante comme dans le cas d'une résistance " ohmique ». La

résistance dynamique est la dérivée de la caractéristique électrique en un point : d du fiuRdi i

Attention : Dans le cas de la diode, on considère souvent que la résistance dynamique est constante.

Cela n'est vrai que si la variation du signal alternatif est très petite autour du point de polarisation en

continu.

Cette caractéristique est utilisée dans le domaine du redressement, lorsqu'on travaille avec de faibles

tensions de source et des forts courants. V AK = V d I AK 0,7 V 0,7 V R d A A A K K K 16 Exemple d'utilisation des 3 modèles de la diode

Un générateur de tension

sinet E talimente un circuit constitué d'une diode 1N4006 et d'une

résistance. La fréquence de fonctionnement correspond à celle du réseau industriel (50 Hz).

Figure 15

La diode 1N4006 a pour caractéristiques :

quotesdbs_dbs22.pdfusesText_28

[PDF] Architecture des ordinateurs - Université Bordeaux I

[PDF] ARCHITECTURE DES SYSTÈMES INFORMATIQUES 1 - Lirmm

[PDF] GPRS : Principes et Architecture - Efort

[PDF] Architecture des Réseaux

[PDF] Qualification d architectures fonctionnelles - Verimag

[PDF] Définition d 'une architecture fonctionnelle pour le système d

[PDF] L architecture des premières maisons européennes d Alger, 1830

[PDF] L Art de l Islam: XIVème exposition itinérante de - unesdoc - Unesco

[PDF] Architecture Logicielle - Deptinfo

[PDF] Architecture logicielle - mbf i3s

[PDF] Architecture logicielle - mbf i3s

[PDF] Architecture logicielle MVC - LIG Membres

[PDF] 1 Architecture traditionnelle et réhabilitation au Maroc - RehabiMed

[PDF] Le matériel : architecture des ordinateurs - Limuniv-mrsfr

[PDF] Architecture matériel et logiciel 2