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 M06 : Les Diodes

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Asl
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MessageSujet: M06 : Les Diodes   Ven 21 Mar 2008 - 9:09

LES DIODES


Citation :
SOMMAIRE (accès direct)
Généralités (c'est ici)
Montages pratiques (exercices)

Applications
Calage de niveau
Circuit bootstrap
Doubleur de tension

Il existe une grand nombre de types de diodes :
  • Diode signal
  • Diode de redressement
  • Diode zener
  • Diode electro luminescente ou L.E.D.

  • Diode Schottky
  • Diode varicap
  • Diode infrarouge
  • Diode tunnel
  • Diode laser
  • ... et encore beaucoup d'autres


Nous ne traiterons ici que des 4 premières.

Pour les autres...Le Net regorge de pages à ce sujet pour votre information !


LA DIODE
    • Une diode ne laisse passer le courant que dans un seul sens.
    • De l'anode vers la cathode
    • Dans l'autre sens la diode se bloque. Le courant ne pouvant pas passer, la diode est alors équivalente à un fil coupé.




CARACTERISTIQUES GENERALES
    En plus de sa caractéristique "passante/bloquée", la diode possède des caractéristiques bien particulières qu'il est obligatoire de bien maitriser (d'avoir en permanence à l'esprit) :
    Citation :
    Sa tension de seuil

    Son courant (sens passant) maximal

    Sa tension inverse max

    Tension de seuil
      Lorsque la diode est polarisée dans le sens passant (anode plus positive que la cathode) quelle tension avons-nous à ses bornes ?
      Citation :
      Lorsqu'une diode conduit, la tension à ses bornes est TOUJOURS de 0,6v
      (pour une diode au silicium)
        Il existe deux types (technologie de diodes :
          Les diodes au silicium : les plus courantes, celles que nous employons toujours - tension de seuil : 0,6v.
          Les diodes au germanium : ce sont les premières diodes qui ont été fabriquées. Ne sont plus utilisées que pour leur tension de seuil qui est de 0,2v.


    Courant maximal
      La diode n'est en aucun cas un élément résistif. Rien ne peut limiter le courant qui la traverse.
      Or, pour chaque type de diode, il existe un courant maximal à ne jamais dépasser sous peine de détruire la diode.
      C'est pour cela que
      Citation :
      LA DIODE DOIT TOUJOURS ETRE CONNECTEE
      AVEC UNE RESISTANCE DE LIMITATION D'INTENSITE EN SERIE


    Tension inverse maximale
      On appelle "tension inverse" la tension présente à ses bornes lorsqu'elle est bloquée (anode plus négative que la cathode), donc polarisée en inverse.
      Ce paramètre est fourni par le constructeur dans le data-sheet (comme tous les autres paramètres d'ailleurs).


    Autres paramètres
      Le courant de fuite: lorsque la diode est bloquée, il y a tout de même un courant très très faible qui circule de la cathode vers l'anode. Sa valeur max est de l'ordre de quelques dizaines de µA pour une diode normale, et peut parfois atteindre quelques mA pour des diodes haute tension et fort courant.

      Le temps de recouvrement : Temps que met la diode pour passer de l'état bloqué/passant, et vice versa. Causé essentiellement par sa capacité "parasite" (que tout composant électronique possède malheureusement). De l'ordre de quelques nano secondes, donc pas toujours à négliger quand même.

DIODE DITE "DE SIGNAL"
    Petite diode, pas uniquement que par la taille.
    Utilisée dans un contexte faible tension et faible courant (ex : 1N4148).

DIODE DE REDRESSEMENT
    Utilisée principalement dans les alimentations pour le redressement et dans tous les cas où des tensions et courants importants sont mis en jeu.

    A noter qu'hormis les caractéristiques propres à chacune (tension/courant), il n'y a aucune autre différence entre la diode signal et de redressement.

DIODE ZENER
    La diode zener, comme toute diode, est désignée par son anode et par sa cathode :



    Nous avons vu que dans une diode "classique" il y a la tension inverse max à ne pas jamais dépasser sous peine de destruction de la diode.
    Dès que nous franchissons ce seuil de tension, il se passe à l'intérieur de la diode ce que l'on nomme "l'effet zener",
    qui fait conduire la diode dans le sens inverse et avec le courant maximal... qui détruit la diode.


    Les fabricants ont utilisé ce phénomène (en dopant la jonction de la diode) pour que la diode ne se détruise plus mais qu'au contraire reste dans sa zone de claquage.
    Nous obtenons donc la diode zener.

    C'est une diode normale. Mais oui, dans le sens passant, elle agit comme une autre diode c'est-à-dire qu'elle a aussi son seuil de 0,6v.

    Et dans le sens bloqué, la zener ne conduit pas... jusqu'à ce que sa tension inverse atteigne le seuil pour lequel elle a été fabriquée : que nous appelons sa tension zener.

    Il est donc évident que nous branchons toujours la zener en inverse, c'est-à-dire la cathode vers le +.

    Par exemple :


      Quelque soit la tension U appliquée, la zener présentera toujours à ses bornes sa tension de référence.
      Quelque soit la tension U.. tant que U > réf zener. Sinon, la zener se bloque et nous retrouvons en sortie U.


    Caractéristiques de la zener
      Il y a bien sûr celles concernant la zener dans le sens passant, mais comme son utilisation "normale" est justement de la connecter dans le sens inverse, nous sautons ce point.

      Dans la pratique, il n'y a réellement que deux caractéristiques à retenir pour la zener :

      1. Sa tension zener (normalement marquée sur le boitier)

      2. Le courant max qui la traverse lorsqu'elle conduit (en inverse).
        Et les zeners ne sont pas commercialisée avec l'indication du courant max mais de sa puissance maximum.

          Exemple : zener de 5,6v / 0,5W
          Pour déterminer le courant max à ne pas franchir (et donc pour calculer la valeur de la résistance de limitation de courant), on utilisera bêtement la loi d'ohm : I = P /U.

DIODE ELECTRO-LUMINESCENTE (LED)
    Notre chère LED qui illumine tous nos montages !

    Aucun marquage sur le boitier (normal). L'anode est toujours repérée par la broche la plus longue.

    Sa tension de seuil est comprise entre 2 et 3v environ, paramètre qui dépend de sa fabrication.

    Nous avons les LEDs classiques, peu chères (souvent fabriquées en chine) mais ne pas être exigeant sur les caractéristiques
    Et puis les LEDs "normalisées" (de HEWLETT PACKARD par exemple), qui elles ont des caractéristiques très précises... mais beaucoup plus chères !

    Le courant de fonctionnement d'une LED (classique) se situe entre 10mA à 20 mA.



Dernière édition par Asl le Mar 15 Avr 2008 - 16:33, édité 5 fois
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Asl
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MessageSujet: Re: M06 : Les Diodes   Ven 21 Mar 2008 - 9:09

MONTAGES PRATIQUES (mais c'est vous qui allez travailler !)



Bon, puisque j'ai tout compris, je peux maintenant commencer à monter ma diode sur ma plaquette d'essais...

Tout d'abord :

    Dans ce montage, est-ce que la diode D1 conduit ?

    Spoiler:
     

    Et quelle est la tension à ses bornes ?

    Spoiler:
     


Un autre montage :

    Est-ce la diode D2 conduit ?
    Spoiler:
     
    Et quelle est la tension aux bornes de D2 ?
    Spoiler:
     


Lorsque vous voyez un montage tel que celui-ci :

    Pensez-vous que D3 puisse conduire ?
    Spoiler:
     


Un peu de calcul maintenant :

    Quel courant circule dans D4 ? (on suppose Vout connecté à aucune charge).
    Spoiler:
     

Un petit montage que l'on rencontre fréquemment :

    Quel signal recueillons-nous en Out ?
    Réfléchissez bien et prenez votre temps avant de répondre...
    Spoiler:
     

Et avec une diode zener (pour les pros des diodes !) :

    Nous avons parlé du courant max d'une diode zener mais il nous faut aussi prendre en compte le courant min.
    C'est le courant de maintien nécessaire à la diode zener
    afin qu'elle reste toujours dans sa plage de fonctionnement.

    Il est d'usage de prendre comme courant de maintien pour une zener
    entre 10 et 20% de son Imax.


    Calculer R6 afin que ce montage puisse fonctionner correctement ? (R6 = valeur et puissance).
    Spoiler:
     


Un peu de lumière pour le dernier montage....

    Le seuil de la LED D7 est de 2,5v.
    Calculez R7 pour qu'un courant de 20mA traverse D7 ?
    Spoiler:
     


Dernière édition par Asl le Lun 24 Mar 2008 - 13:25, édité 1 fois
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Asl
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MessageSujet: Re: M06 : Les Diodes   Lun 24 Mar 2008 - 13:24

APPLICATION

CALAGE DE NIVEAU


    Lorsque, dans un montage, nous utilisons un condensateur de liaison (pour supprimer la composante continue du circuit précédent), que se passe-t-il exactement ?

    Hé bien, le signal, de l'autre côté du condensateur, va "s'aligner" autour de sa valeur moyenne au niveau du 0v (masse).

    Que ce soit un signal symétrique (sinusoïde, créneaux) ou non symétrique (signal composite vidéo par exemple).

    Or, ceci est en général très gênant.

    Car si nous avons la résistance du circuit RC connectée à la masse par exemple, le signal va donc s'aligner autour du 0v.

    De ce fait, nous aurons une partie du signal (la moitié) qui sera négatif.

    Si notre montage est mono-tension, nous aurons quelques problèmes pour pouvoir traiter ce signal.

    Pour remédier à cela, nous utilisons un calage de niveau ("clamping" en anglais) :

      Un ajout d'une simple diode et le point le plus négatif du signal va s'aligner à 0v (masse).

Voyons comment cela peut fonctionner dans le détail :

      Trace du haut : le signal à l'entrée, une sinusoïde de 5v d'amplitude crête-crête (niveau peu important, puisque C1 va filtrer la composante continue).
      Et trace du bas, la sortie Out.


    Lorsque nous n'avons pas de signal, Out est à 0v par R1 qui amène la masse.

    Le signal arrive.
    • Partie {A}, la demie-alternance positive :
      Etant de l'alternatif, le signal passe C1 et nous le retrouvons de l'autre côté.
      Anode de D1 à 0v et la cathode à 2,5v (max) => D1 est bloquée et le signal est disponible en Out.

    • Partie {B} quart d'alternance négative du signal (en bleu) :
      Le signal passe toujours C1 mais débutant à 0v, il va se retrouver en tension négative.
      Anode de D1 à 0v et la cathode à -2,5v (min) => D1 conduit et met donc le signal à la masse. Nous avons 0v en Out.

    • Partie {C} début de la remontée du signal (à partir du point le plus négatif - 2ème trait vertical vert) :
      Le signal passe mais démarre à 0v.
      Ce qui fait que D1 se bloque (anode à 0v te cathode à l'amplitude positive du signal) => nous retrouvons la sinusoïde de 5v crête-crête en Out.

      Et à partir de maintenant, la phase {C} se reproduit en permanence. Nous avons calé le point le plus faible du signal à 0v.


A zéro volt ?
    Et bien non, pas tout à fait exactement.

    Car (il y a toujours un "car" !), si nous étudions le fonctionnement en détail, nous avons omis de prendre en compte le seuil de 0,6v de D1.
    C'est la partie en bleu sur le schéma.

    Si bien qu'en réalité, nous calons le signal à -0,6v.

    Et je vous laisse mettre en pratique ce que vous avez appris précédemment pour en détailler le pourquoi.

    Bon ok ! Mais ce n'est totalement satisfaisant tout ça.

    Car -0,6v cela ne m'arrange pas, même 0v d'ailleurs.

    Il faut pouvoir remonter à ma convenance le niveau de sortie du signal.

LES DEUX SOLUTIONS
    Caler le niveau moyen
      En remplaçant la tension 0v (masse) par une autre, positive.

      Cette tension, cette référence en quelque sorte, est générée par un pont diviseur et un condensateur (d'assez forte valeur tout de même) - mais pas de diode.
      Ce montage (pont et condensateur) est un générateur de tension continue. C2 absorbe toutes les éventuelles variations de tension et applique donc à R1 la tension de référence du pont diviseur.

      Par exemple, si votre pont délivre 2 volts, votre signal sera calé à 2 volts.

      MAIS... comme dans le premier exemple, le signal se calera toujours autour de cette tension (2volts).

      Si bien que si l'amplitude du signal d'entrée varie fortement (dépasse les 2 volts crête-crête) on se retrouve dans la même situation à savoir, une partie du signal qui "disparait" (la partie négative qui dépasse 2 volts, et donc qui ne sera pas être traité par l'étage suivant).

    Caler le niveau au point le plus bas du signal
      Nous gardons notre "générateur de tension" mais nous ajoutons une diode (D1) :

        C'est en réalité ce montage qui est toujours adopté dans la pratique, le 1er n'étant presque jamais employé.


      La diode permet de mettre à la masse, la première alternance négative, et ensuite nous récupérons notre signal calé à...

      tension de référence - 0,6v (hé oui, toujours le seuil de la diode !).

    Très souvent, c'est en effet un pont diviseur qui génère la tension de référence.

    Mais tout autre élément peut-être employé, une zener par exemple qui apporte plus de précision et de stabilité.


Dernière édition par Asl le Dim 8 Juil 2012 - 17:04, édité 2 fois
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Asl
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MessageSujet: Re: M06 : Les Diodes   Ven 28 Mar 2008 - 18:40

APPLICATIONS



CIRCUIT BOOTSTRAP

Ou circuit pompe de charge (en français).

    Il arrive que parfois, il nous est nécessaire d'augmenter l'amplitude d'un signal de commande, par exemple dans un pont en H.

    Ce sujet a déjà été traité dans L'électronique... mais c'est très simple / DRAIN CONNECTE A L'ALIM : NPN ou PNP ?

    Nous ne reprenons donc ici que l'explication du fonctionnement.

    Supposons que nous avons +Vcc = 12v et que nous devons donc piloter les deux mosfets situés en haut du pont en H avec des signaux d'une amplitude de : (+Vcc + 12v).
    Pour cela il nous générer une tension "alim" de cette amplitude. Ce +Vbootstrap (appelons-la comme ça) alimentera les circuits drivers des mosfets afin que l'amplitude des signaux en sortie soit à cette tension (+Vcc + 12v) et puisse commander correctement les mosfets en question.

    Le schéma :

      Nous pilotons le circuit par un train de créneau (généré par un 555 par exemple) d'amplitude +12v

    Pour bien comprendre le fonctionnement il est (encore) nécessaire de décomposer en "phases" le créneau.

    1. Absence de signal :
      Quelle tension avons-nous au point commun des diodes?
      Quelle tension à +Vbootstrap ?

      Votre avis...
      Spoiler:
       


    2. Front montant :
      C'est de l'alternatif donc le front passe C1 qui a au point commun des diodes une tension continue de 11,4v. Nous nous retrouvons avec une tension de 11,4v + 12v (front du créneau) = 23,4v.
      On considère que C1 n'apporte aucune diminution d'amplitude.

      Mais maintenant D2 conduit (23,4v sur son anode et 10,8v sur sa cathode).
      Nous récupérons donc à +Vbootstrap le même front mais d'une amplitude = 23,4v - 0,6v (seuil de D2) = 22,8v.


    3. Palier haut :
      Rien ne change, D1 et D2 sont bloquées et 23,4v au point commun des diodes et 22,8v à +Vbootstrap.


    4. Front descendant :
      Ce front "négatif" de 12v est retransmit par C1 et nous retrouvons de nouveau 23,4v - 12v (amplitude du front) = 11,4v au point commun des diodes.
      +Vbootstrap est toujours égal à 22,8v. C'est notre tension continue de sortie.


    Et ainsi de suite...

    Donc en réalité nous ne pouvons pas recueillir les 24v théorique, uniquement 22,8v maximum. Ceci, bien sûr, à cause du seuil des deux diodes.
    Mais ceci est amplement suffisant pour ce que nous voulons faire.

    Jusqu'à maintenant, nous avons étudié le fonctionnement presque en statique, c'est-à-dire qu'aucune charge n'est connectée, et donc C2 ne se décharge pas.

    Mais en réalité, il y aura une consommation et C2 va se décharger.

    Que va-t-il se passer alors ?

    A vous de réfléchir...
    Spoiler:
     

    Et les valeurs des composants (C1 / C2) ainsi que la fréquence va jouer bien évidemment un grand rôle en fonction de la consommation du montage.
    • C1 fonction de la fréquence
    • C2 fonction du courant (afin que +Vbootstrap reste le plus continu possible), mais toujours de forte valeur, normal il fait office de réservoir (220µF / 470µF ou même 1000µF).
    • La fréquence aussi en fonction du courant (recharge à chaque créneau).


    Dernière précision : si C1 est un électro-chimique, pensez à connecter le "+" au point commun des diodes.


Dernière édition par Asl le Mer 9 Avr 2008 - 15:37, édité 1 fois
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Asl
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MessageSujet: Re: M06 : Les Diodes   Mer 9 Avr 2008 - 15:35

APPLICATIONS



DOUBLEUR DE TENSION

    Pas d'excitation prématurée... ce circuit ne génère pas de tension supplémentaire. Il ne fait que restituer l'amplitude max du signal en tension continue.

    Supposons que nous ayons un transfo 220v/12v.

    Au secondaire nous avons donc une tension sinusoïdale de 12v.

    12 volts ?

    Bien sûr, mais mesurée à l'oscillo, quelle sera la tension affichée ?

      Et comme vous avez superbement bien intégré les différents chapitres, je vous laisse le soin de répondre :

      Spoiler:
       

    Dans une alimentation (redressement/filtrage), nous recueillons une tension continue égale à l'amplitude (vraie) de la demi alternance de la sinusoïde (nous verrons cela plus en détail dans le prochain module).

    Le doubleur de tension nous permet de recueillir une tension continue égale à l'amplitude crête-crête de la sinusoïde, soit le double de tension par rapport à l'alim classique.

FONCTIONNEMENT
    Tout d'abord, le schéma :

    Plusieurs d'entre vous vont y reconnaitre leurs petits car cela ressemble beaucoup au circuit "calage de niveau".

    Et en effet, s'en est un.

    Appliquons maintenant une sinusoïde de 12v efficace (secondaire du transfo) :

    Afin de rentrer directement dans le "vif" de l'explication, nous commençons notre sinusoïde par l'alternance négative (je vous laisse le soin d'imaginer le fonctionnement en commençant par l'alternance positive).

    1. Pas de signal : UD1=0v et UC2=0v.

    2. Phase [A] : demi alternance négative. Passe à travers C1.
      D1 conduit (-06v sur sa cathode)
      D2 est bloquée

    3. Phase [B] : remontée du signal égale à la tension crête-crête (34v).
      D1 est bloquée
      D2 conduit
      C2 se charge donc à 34v (24 * 1,414)

    4. Phase [C] : descente du signal.
      • La tension aux bornes de C2 ne change pas (pas de décharge), rien ne bouge :
        Les 2 diodes sont bloquées et nous avons aux bornes de D1 la sinusoïde de 34v crête-crête calée à 0v (-0,6v pour être précis).
      • La tension aux bornes de C2 baisse, décharge dans le circuit connecté en aval :
        D2 conduira dès que la tension sur son anode sera supérieure à la tension de C2 (au seuil près) et rechargera C2.

En réalité, la tension disponible sera égale à la tension vraie crête-crête du signal moins la tension de seuil des deux diodes D1 et D2.

Circuit très pratique mais qui, malheureusement, apporte une contrainte très importante : il ne peut pas fournir un courant trop important.
En effet, C2 se décharge dans le circuit d'utilisation et ne peut se recharger que toutes les 20ms environ (dans notre cas avec une alimentation secteur).

Temps très, trop long...

Plus le courant demandé sera important, plus C2 se déchargera et le signal de sortie ressemblera plus à un signal dent de scie qu'à une tension continue.
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