TP 1: Les Diodes

1 TP 1: Les Diodes
1.1 Mesure de la caractéristique d'une diode
Soit le montage de la figure 1, dans lequel VS représente une alimentation continue réglable de 0 à 30V
montée en série avec une diode 1N4001 et une résistance de charge RL.
D
V
+
R
-
S
L
Figure 1 Montage pour la mesure de la caractéristique
1.1.1
Choix de RL
Afin de mesurer la caractéristique sur différentes gammes de courant (20mA maximum), comment faut-il
choisir RL? Comment peut-on définir le rôle de RL?
1.1.2
Caractéristique courant - tension
Constater expérimentalement le comportement de la diode en polarisation inverse? Que peut-on dire?
Relever sur papier semi-log la caractéristique directe I D  f VD  sur 3 ordres de grandeur en courant,
sans dépasser les 20mA. Reporter également les résultats sur papier millimétré.
Déduire de la caractéristique tracée sur papier millimétré la tension seuil V de la diode.
De la caractéristique tracée sur papier semi-log, décrire la tendance observée. Que peut-on déduire de la
loi (comportement mathématique) reliant le courant ID en fonction de la tension VD?
D'après le modèle de la diode (paragraphe 1.1.3 ci-dessous), le comportement de la diode est entièrement
décrit par 2 paramètres : IS et .
On se propose de déterminer ces deux paramètres de notre expérience. Exprimer pour cela le logarithme
en base 10 du courant ID de l'équation (I). Note: on négligera
 qV 
1  exp  D 
 kT  .
   
L'équation obtenue, log 10 I D  f VD , est celle d'une droite. Montrer que la pente de la droite permet
d'en déduire , ainsi que l'ordonnée à l'origine IS . Déduire graphiquement ces 2 paramètres.
1.1.3
Paramètres de la caractéristique (hors TP, salle info)
Analyser par Regressi la caractéristique à l'aide du modèle:
Is courant de saturation
  qV  
I D  I s exp  D   1
  kT  
q charge de l' électron 1.602 10 16 C
T Kelvin
k constante de Bolzmann 1.380 10 23 J / K
 facteur d' efficacité
Note: kT q  25.9mV à température ambiante. Pour l'ajustement des données, poser a  q kT . Is et a
sont donc les paramètres à ajuster!
Identifier la zone où la relation décrit au mieux la caractéristique, puis en déduire Is et .
Discutez les éventuelles différences entre la caractéristique mesurée et la relation théorique.
1.1.4
Droite de charge
Choisir VS=2V, RL=220. Reporter la droite de charge sur papier millimétré conjointement avec la
caractéristique. Comment déduit-on le point de fonctionnement? Le déterminer graphiquement, et
comparer le résultat à la mesure.
1.1.5
Résistance dynamique
Appliquer v~S  VS  vS  5  1sin 2t / T V dans le circuit ci-dessous ( v~S est donc la superposition d'une
tension continue et d'une tension sinusoïdale), avec une période T=1ms (utiliser pour cela le générateur
base fréquence avec une tension continue d'offset).
VS
Obtenu à l'aide
du Géné B.F.!
vS(t)
+
-
RL=1k
+
-
Figure 2 Etude de rD
Mesurer le courant de repos ID (valeur moyenne), et déterminer théoriquement la valeur de la résistance
25.9
dynamique rD  
.
ID
Mesurer les amplitudes crête à crête des tensions aux bornes de la diode et de la résistance. En déduire rD
en l'exprimant comme suit: rD  VD I D . Justifier cette expression.
1.2
1.2.1
Etude du redressement
Signal sinusoïdal
Mesurer et analyser les signaux issus du boîtier à transformateur (3 sorties).
Figure 3 Boîtier transformateur
Identifier:
 v tension instantanée (celle mesurée à l’oscilloscope par exemple)
 Vc tension de crête instantanée, ou amplitude maximale (c pour crête)
 Vcc tension crête à crête égale à 2Vc
 Veff tension efficace mesurée au voltmètre égale à Vc/2 pour un signal sinusoïdal
Sorties
transformateur
+/PM
VC
VCC
-/PM
+/Tableau 1 Caractéristiques du transformateur
Veff
1.2.2
Redressement mono-alternance
Prévoir le signal de sortie du circuit de la 4, puis monter ce circuit à l'aide d'une diode
électroluminescente (DEL), afin de suivre le cheminement du courant. Une LED allumée indique qu'elle
est traversée par un courant. Lorsqu'elle est éteinte, elle est bloquée. Note : appliquer dans ce cas un
signal sinusoïdal de 1Hz à l'aide du générateur B.F..
Pour les mesures, utiliser une diode 1n4001 et le transformateur. Compléter le Tableau 2.
N.B. : Dans ce montage, on n’utilise pas le point milieu du transformateur.
Figure 4 Redressement mono-alternance
Mesurer Veff disponible aux bornes de sortie du secondaire du transformateur.
Observer à l’oscilloscope la tension redressée aux bornes de la résistance de charge. En déduire la
tension de sortie redressée de crête Vo, ainsi que sa fréquence d’ondulation.
Mesurer la tension continue de sortie ou de charge VCC aux bornes de la résistance de charge. Cette
valeur s’obtient à l’aide d’un voltmètre en mode DC, pourquoi?
Type de redressement
Nombre de diode
Mono-alternance
Bi-alternance
Pont
1
2
4
Veff sortie transformateur
Vo tension de sortie redressée
fo fréquence d’ondulation
VCC tension continue de sortie
VCC
Vo
Vo
Vo
VCC
Veff
Veff
Veff
Tableau 2 Comparaison des Redresseurs (VCC est exprimé en fraction de Vo, Veff)
1.2.3
Redresseur à deux alternances ou pleine onde
Prévoir le signal de sortie du circuit de la 5, puis monter le redresseur à prise médiane avec les diodes
1n4001, et reprendre les mesures du paragraphe 1.2.2.
N.B. : Dans ce montage, le point milieu du transformateur est utilisé.
Figure 5 Redresseur bi-alternance
1.2.4
Redresseur en pont
Prévoir le signal de sortie du circuit du redresseur en pont de Graëtz de la 6, le concevoir avec des LED et
le générateur B.F. délivrant une tension sinusoïdale de 1Hz, et observer le clignotement des LED qui
indique le passage d'un courant.
Puis reprendre les mesures du paragraphe 1.2.2 avec les diodes 1n4001.
N.B. : Dans ce montage, on n’utilise pas le point milieu du transformateur.
Figure 6 Pont de Graëtz
1.2.5
Synthèse
Comparer l’efficacité de ces redresseurs (tension moyenne de sortie récupérée). Commentaires.
Conclusions (efficacité, coût de conception, applications potentielles…).
1.3 Redresseur et filtres à condensateur en tête
Concevoir le circuit de la 7 en prenant RL=1000 et successivement C=4.7, 47 et 470F, où l’on a
simplement mis en parallèle une capacité avec la résistance de charge.
Figure 7 Redressement et filtrage
Observer à l’oscilloscope les bornes de la charge RL, d’abord sans la capacité, puis avec les 3 différentes
capacités. Expliquer ce résultat en fonction du produit RLC
Vond
RC
Vo
Tond
fond
VCC
Expérimentale
Théorique
Tableau 3 Pont de Graëtz et filtrage
Pour les trois groupes de valeur de RL et C du tableau 3, mesurer et calculer:
 la tension de sortie redressée de crête Vo (à l’oscilloscope)
 l’amplitude d’ondulation Vond, ainsi que la période d’ondulation Tond et sa fréquence fond=1/Tond (à
l’oscilloscope)
 la tension continue de charge VCC (voltmètre en mode DC)
 l’amplitude théorique d’ondulation :
Vond 
1.4
1.4.1
Vo
fRL C
Limiteur
Limiteur polarisé et combinaison de limiteurs
Le limiteur polarisé permet de choisir le niveau d’écrêtage d'un signal. Réaliser le circuit de la figure 8, et
comparer à l’oscilloscope les signaux d’entrée et de sortie. Faire varier les tensions continues V1 et V2.
Quelle en est l'influence sur les niveaux d'écrêtages?
V1
V2
Figure 8 Combinaison de limiteurs polarisés
1.5
1.5.1
Multiplicateur de tension
Doubleur de tension demi-onde
Soit le circuit de la Figure 9, où l’on reconnaît l’association de deux redresseurs à une alternance
(ou demi-onde).
Figure 9 Doubleur mono alternance suivant les deux alternances
Déterminer pour chacune des alternances du signal d'entrée, l'état des diodes et l'état de charge des
capacités (compléter les schémas ci-dessus par des annotations, polarités et valeurs des potentiels,
:diode bloquée, : diode passante, sens du courant…).
Réaliser le montage en choisissant C1=C2=100F et RL=4.7k. On utilisera pour alimentation un
transformateur.
Observer les signaux suivants à l’oscilloscope: signal d’entrée, bornes de D1, bornes de RL. Expliquer le
fonctionnement du circuit, en observant éventuellement d'autres signaux (attention aux risques de
rebouclage de mase via l'oscilloscope!)
1.6
1.6.1
Diode Zener
Caractéristique I-V
Etudier la caractéristique I-V de différentes diodes Zener à l’aide du testeur de composant de
l’oscilloscope. Identifier les diodes Zener par leur tension de claquage.
1.6.2
Régulation de tension - Régulateur Zener
A l’aide d’une source de tension continue VC (0, 30V), d’une résistance chutrice RS=10k, une résistance
de charge RL=100k, et de différentes diodes Zener, réaliser le simple régulateur en tension de la Figure
10.
Figure 10 Régulateur Zener
Mesurer à l'oscilloscope les tensions continues VS et VL, en faisant varier VS de 0 à 30V. Expliquer le
résultat observé.
Un tel régulateur Zener peut être associé, par exemple, à un redresseur à filtre à condensateur en tête
(Figure 11):
Ajout par rapport au
montage pont de Graëtz
précédent.
Figure 11 Application du régulateur Zener
Reprendre le redresseur en pont de Graëtz avec filtre à condensateur en tête du paragraphe 1.2.4, avec le
régulateur Zener intercalé avant la charge RL comme ci-dessus.
Etudier l'évolution de l'ondulation de sortie en fonction de la tension Zener choisie. Expliquer le principe
et l'intérêt de ce montage.
VZener
Sans
Tension continue de charge
Tableau 4 Application du régulateur Zener
Ondulation