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    la diode la diode la diode

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    la diode la diode la diode

    مُساهمة من طرف GODOF في الثلاثاء 15 يونيو - 17:08

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    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 cathode (K).
    En polarisation directe c’est-à-dire si UA > UK la résistance de la
    diode est nulle. Elle se comporte alors comme un interrupteur fermé.
    En polarisation inverse (UA < UK), on a:R = ¥. La diode est
    équivalente à un interrupteur ouvert.
    Une diode idéale ne dissipe donc aucune puissance.
    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 (VS » 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) :
    RS = V/I et une résistance dynamique (trait vert) : rD = dV/dI.
    Au-delà de la tension de seuil, la résistance dynamique est sensiblement constante.
    1.3 – Association de diodes
    r – En série : la caractéristique du dipôle équivalent s’obtient graphiquement en considérant que la
    tension aux bornes de l’ensemble est la somme des tensions aux bornes des deux diodes. (Fig. 3)
    On peut aussi utiliser cette construction pour étudier l’association d’une diode avec un autre
    dipôle passif comme par exemple une résistance pure.
    U
    I
    D1
    D2
    Deq
    D
    Fig. 3
    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 de seuil est la plus faible.
    1.4 – Point de fonctionnement d’une diode
    On utilise la droite de charge du générateur. L’intersection de cette droite avec la caractéristique
    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
    VS
    R
    4-b : Circuit équivalent
    Vo U
    D
    R I
    Fig. 4
    R D
    V0 – R.I = VAK = U
    1.5 – Modélisation des diodes réelles
    Vs Vs
    1/Rd
    I I I
    Fig. 5
    Plusieurs modèles sont utilisables pour les diodes à jonction
    P-N. Dans tous ces modèles on suppose la résistance
    dynamique de la diode constante et égale à RD.
    On peut prendre RD = 0 et VS ¹ 0, RD ¹ 0 et VS = 0, RD ¹ 0
    et VS ¹ 0. (Voir fig. 4-b)
    2 – Redressement du courant alternatif
    2.1 – Redressement simple alternance
    La diode, présentant une résistance pratiquement infinie lorsqu’elle est polarisée en inverse, peut être
    utilisée pour obtenir un courant unidirectionnel à partir d’un courant alternatif tel que le courant
    sinusoï dal.
    U
    V moyen
    t e = Vsin t
    D
    w U
    Ru
    R
    Fig. 6
    VS
    Dans le circuit de la figure 6, la diode est passante quand le potentiel de son anode est supérieur
    de 0,6 V à celui de sa cathode. Si on néglige les effets dus à la tension de seuil, la charge Ru est
    traversée par du courant uniquement pendant les alternances positives.
    On pose : RT = Rdiode + Rgéné
    e = V.sinwt = RT.I + U
    Or : e = (RT + RU).I
    Si e > 0 Rdiode » 0 donc U = e.RU /(RU + RT)
    Si e < 0 Rdiode » ¥ donc U = 0
    Pour une tension sinusoï dale dont une seule alternance est redressée, la valeur moyenne de la
    tension est égale à :
    p
    =
    p
    = úû
    ù
    êë
    é w ôõ
    ó
    w
    = w = - V
    T
    2
    T
    2V
    cos t
    T
    V
    V.sin t.dt
    T
    1
    U
    T / 2
    0
    T / 2
    0
    2.2 – Redressement double alternance
    r – Avec 2 diodes
    Pour procéder au redressement des deux alternances, il faut utiliser un transformateur ayant deux
    enroulements secondaires identiques reliés en série et qui délivre deux tensions opposées : e1 = V.sin
    wt et e2 = – e1. 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 e1 > 0 alors e2 < 0 : la diode D1 conduit et la diode D2 est bloquée. Lors de la demialternance
    suivante, la situation est inversée. Le courant dans la charge Ru est unidirectionnel. Dans
    ce montage, la tension inverse maximum supportée par chaque diode est 2V. (la tension inverse
    supportée par la diode bloquée est e1 + e2)
    En régime sinusoï dal on a : Eff V
    2
    2
    2V
    U
    p
    =
    p
    =
    Cliquez ici pour voir une animation du fonctionnement du circuit.
    r – Avec 4 diodes
    La méthode précédente ne nécessite que deux diodes mais impose l’utilisation d’un
    transformateur spécial à point milieu. L’utilisation de 4 diodes permet l’emploi d’un transformateur
    conventionnel. Ce montage constitue le pont de Graëtz. Il est commercialisé sous la forme d’un
    dispositif compact muni de 4 bornes. Pendant 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 inverse
    qu’à la tension V.
    Il n’est pas indispensable d’utiliser un transformateur mais
    alors 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 alternances négatives.
    Cliquez ici pour voir une animation du fonctionnement du circuit.
    2.3 – Filtrage
    La tension obtenue après redressement est unidirectionnelle mais elle n’est pas continue. Le
    signal obtenu est périodique ; il contient une composante continue (la valeur moyenne du signal) et
    des harmoniques que l’on désire annuler : on fait suivre la cellule de redressement par un filtre qui
    supprime 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 VA > VK la diode est passante : le
    condensateur se charge rapidement car la résistance
    de la diode est très inférieure à celle de la charge. On
    peut définir la constante de temps de charge t
    c = C.Rdiode. La tension crête atteinte aux bornes du
    condensateur est égale à V– VAK : on admet que la
    +
    Ru

    Fig. 8
    U
    e = Vsin t
    D
    fig 9
    U
    w
    R Ru
    C
    résistance de la charge est assez grande pour pouvoir négliger le courant de décharge dans RU
    devant le courant de charge.
    Cliquez ici pour voir une animation du fonctionnement du circuit.
    Décharge du condensateur :
    Dès que VA < VK , le générateur est isolé de la charge par la
    diode qui est bloquée. Le condensateur se décharge dans RU
    avec une constante de temps RU.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 résiduelle :
    Le calcul rigoureux de l’amplitude des variations de la tension de sortie est souvent impossible.
    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 estimation 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
    fréquence f. L’ondulation est nulle si la charge est infinie car le condensateur reste alors chargé à la
    tension 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 également des résistances ou des inductances) ou en faisant suivre les cellules de
    redressement et de filtrage par une cellule active nommée « régulateur de tension ».
    2.4 – Doubleurs de tension
    Il existe différents dispositifs utilisant des diodes et qui permettent d’obtenir une tension redressée
    d’amplitude supérieure à la valeur maximum de la tension d’alimentation sinusoï dale. Comme
    exemple, décrivons le doubleur Latour.
    Le condensateur 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 tension
    d’alimentation. En prenant, comme potentiel de référence, le point
    commun aux deux condensateurs, on dispose d’une alimentation
    symétrique ± 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 électroniques.
    r Détection (Fig. 11a)
    La diode transmet en sortie les tensions positives supérieures à sa tension de seuil. A cause de cet
    effet de seuil, les diodes sont rarement utilisées seules dans les circuits détecteurs. On peut ajouter 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
    Charge
    Alim.
    5 V
    Fig. 11
    r Porte logique (Fig. 11b)
    En cas de coupure de l’alimentation principale, un accumulateur de sauvegarde prend
    automatiquement le relais et alimente la charge.
    r Ecrêteur (Fig. 11c)
    La charge du montage figure le circuit d’entrée d’un amplificateur dont la tension 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 dépassée 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 bobine permet la
    dissipation de l’énergie emmagasinée dans celle-ci et protège 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 parasite de
    la diode perturbe son fonctionnement en haute fréquence. Pour réduire la capacité on diminue la
    surface de la jonction (diodes à pointe d’or ou à microjonction). La capacité ainsi obtenue est une
    fraction 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
    jonction. Les concentrations sont différentes pour une polarisation en direct ou en inverse. Lors
    d’une transition, les porteurs en excès doivent retraverser la jonction (temps de déstockage). Puis le
    passage d’un état à l’autre nécessite le temps que les nouveaux minoritaires mettent à diffuser à
    travers la jonction (temps de transition). La durée totale de l’inversion (temps de recouvrement tR)
    peut atteindre 1 μs pour les diodes de puissance. Pour les diodes de commutation rapide (tR » 1 ns),
    on utilise de l’or comme dopant afin de diminuer la durée des temps de recombinaison des porteurs
    de charges.
    4.3 – Diodes Schottky
    Les fils de connexion avec la jonction de la diode doivent former des liaisons non directionnelles
    (ohmiques). Ceci est réalisé en créant une zone très dopée (N+ ou P+) au voisinage du conducteur
    métallique. Dans les diodes Schottky, la jonction P-N est remplacée par la
    jonction d’un métal avec un semi-conducteur peu dopé (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 conductrice. Cette diode qui ne fait intervenir qu’un
    seul type de porteurs, présente une capacité beaucoup plus faible que les diodes classiques. Ces
    diodes ont une faible tension de seuil (» 0,25V) et elles ont des temps de recouvrement très brefs (il
    n’y a pas de minoritaires dans un métal). On peut donner à la jonction une surface importante ce qui
    autorise le passage de courants intenses.
    4.4 – Diodes varicaps
    La zone vide de porteurs d’une jonction polarisée en inverse voit son épaisseur augmenter si on
    augmente 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= e.S/e. On obtient un condensateur dont la
    capacité est fonction de la tension inverse appliquée selon une loi du type : C C
    C
    Vinv
    = +
    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 – Caractéristiques
    Si l’épaisseur de la jonction est faible et si le taux de dopage est important, on obtient des diodes
    qui présentent un courant inverse intense au-delà d’une valeur VZ de la tension inverse qui est la
    tension de coude ou de Zener.
    Le claquage inverse de la jonction résulte soit d’un claquage
    par avalanche par ionisations dans la zone de déplétion par les
    porteurs, soit d’un claquage par effet Zener qui correspond au
    passage des électrons de la bande de valence à la bande de
    conduction sous l’effet du champ électrique.
    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 VZ » 6 V, la résistance
    dynamique est voisine de quelques ohms et le coude très
    brutal. (claquage par avalanche). Pour VZ < 6 V le coude est
    arrondi car il y a claquage par effet Zener. Si VZ 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 – Stabilisation de tension
    Il est possible de réaliser un stabilisateur de tension en utilisant une diode Zener. On suppose que le
    courant inverse IZ dans la diode est tel que le point de fonctionnement est situé dans la partie linéaire
    de la caractéristique. Il est alors possible de modéliser la diode par l’association d’une source de
    tension VZ en série avec une résistance RZ (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 équivalent
    Thévenin : E E
    Ru
    R Ru
    R
    R Ru
    R Ru T = T
    +
    =
    +
    ;
    .
    .
    Le point de fonctionnement de la diode est obtenu en cherchant
    l’intersection de sa caractéristique U = VZ + RZ.IZ avec la droite de
    charge d’équation U = ET – RT.IZ.
    On retrouve graphiquement le fait que le système ne fonctionne que
    si ET > VZ.
    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 constant car la droite de charge se déplace parallèlement à
    elle-même.
    Rz ¹ 0. U varie avec les paramètres extérieurs. Pour la stabilisation aval (variation DE = e de E), on
    peut déterminer u= DU en recherchant les intersections de la caractéristique avec les droites de
    charge qui correspondent 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. DE = e, la diode par sa résistance RZ puisque VZ est constant.
    e
    Rz
    u
    Ru
    R
    u = DU = r.i
    avec r = Ru.RZ /(Ru + RZ) et i = e/(R + r)
    Comme RZ est petit, r » RZ. On en déduit :
    u = e.RZ /(R + RZ)
    La stabilisation est d’autant meilleure que RZ est petite.
    Fig 16
    REMARQUES :
    La puissance (PZ = UZ.IZ) dissipée dans la diode doit toujours rester inférieure à la puissance
    maximale autorisée. VZ varie avec la température et pour certaines applications, il est nécessaire
    d’en tenir compte.
    Il est possible d’obtenir une stabilisation beaucoup plus efficace en utilisant des montages à
    transistors ou des régulateurs tripodes intégrés.

      الوقت/التاريخ الآن هو الأحد 26 مارس - 18:44