CIRCUITS A DIODES :

Université Mohammed Khider – Biskra
Sciences et Techniques
Electronique fondamental
Bekhouche Khaled
khaled.bekhouche.com
A.U. : 2010/2011
CIRCUITS A DIODES :
1- Ecrêteurs et limiteurs :
La fonction d’écrêtage est utile pour la mise en forme des signaux, la protection des circuits, et les communications.
1-1- Ecrêteur pour la protection d’un circuit fragile :
Dans ce type de limiteurs, les diodes sont normalement non-conductrices ; elles ne conduisent que si quelque chose est
anormal (un signal trop fort par exemple).
RS
i
ve
vs
v1
D2
D1
v2
Circuit
fragile
RL
Pour déterminer la tension de sortie vs de ce circuit, on commence par supposer bloquée les deux diodes D1 et D2. Cela
implique que le courant total i qui parcourt RS est nul (i=0).
RL

v1 = R + R v e

L
S
i =0⇒
v = − RL v
e
 2
RL + RS
R + RS
RL
Vd
ve ≤ Vd ⇒ ve ≤ L
RL
RL + RS
R + RS
RL
Vd
ve ≤ Vd ⇒ ve ≥ − L
v 2 ≤ Vd ⇒ D2 est bloquée ⇒ v 2 = −
RL
RL + RS
v1 ≤ Vd ⇒ D1 est bloquée ⇒ v1 =
On constate qu’il ya trois régions différentes de fonctionnement, comme il est montré sur la figure ci-dessous.
D1 bloquée
D2 passante
D1 bloquée
Vd
-Vd
D2 bloquée
ve
D2 bloquée
Région de
fonctionnement
normal
Protection du circuit fragile
contre les surtensions
négatives
•
D1 passante
Protection du circuit fragile
contre les surtensions
positives
première région : D1 bloquée et D2 passante
RS
ve
i
rd
vs
RL
Vd
En appliquant le théorème de Millman, on obtient :
0
ve Vd
−
+
R
rd RL
vs = S
1
1
1
+ +
RS rd RL
1
Dans le cas où rd=0 :
•
v s = −Vd
deuxième région : D1 bloquée et D2 bloquée
vs =
RL
ve
RL + RS
Dans le cas où RS<<RL :
•
v s = ve
troisième région : D1 passante et D2 bloquée
RS
i
ve
vs
rd
RL
Vd
En appliquant le théorème de Millman, on obtient :
ve Vd
0
+
+
R
rd RL
vs = S
1
1
1
+ +
RS rd RL
Dans le cas où rd=0 : v s = +Vd
La figure ci-dessous présente les tensions d’entrée et de sortie d’un circuit limiteur ou diode clamp.
Circuit limiteur ou diode clamp
4
ve
3
vs
2
tension (V)
1
0
-1
-2
-3
-4
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
temps (s)
0.03
0.035
0.04
La figure ci-dessous montre la caractéristique de transfert du circuit limiteur ou diode clamp.
Caractéristique de transfert de la diode clamp
4
3
2
v s (V)
1
0
-1
-2
-3
-4
-4
Données :
-3
-2
-1
0
ve (V)
1
2
3
4
T=20 ms; Vp=4 V; Vd=0.6 V; rd=1 Ω; RS=100 Ω; RL=1 k Ω;
v e = VP sin(
2π
t) .
T
2
1-1- Ecrêteur polarisé à deux diodes :
Dans ce type d’écrêteurs, les diodes conduisent uniquement si la tension dépasse certains niveaux définis par des sources de
tension.
RS
i
v1
ve
vs
D2
D1
E1
v2
RL
E2
Pour déterminer la tension de sortie vs de ce circuit, on suppose que les deux diodes D1 et D2 sont bloquées. On peut
facilement, par l’utilisation de théorème de Thevenin, montrer que :
RL

v1 = R + R ve − E1

L
S

v = − RL v − E
e
2
 2
RL + RS
RL
R + RS
ve − E1 ≤ Vd ⇒ ve ≤ L
(E1 + Vd )
RL + RS
RL
RL
R + RS
v e − E 2 ≤ Vd ⇒ ve ≥ − L
v 2 ≤ Vd ⇒ D2 est bloquée ⇒ v 2 = −
(E 2 + Vd )
RL + RS
RL
v1 ≤ Vd ⇒ D1 est bloquée ⇒ v1 =
On constate qu’il ya trois régions différentes de fonctionnement, comme il est montré sur la figure ci-dessous.
D1 bloquée
D1 bloquée
D1 passante
-(E2+Vd)
D2 passante
•
+(E1+Vd)
D2 bloquée
ve
D2 bloquée
première région : D1 bloquée et D2 passante
RS
i
ve
rd
vs
Vd RL
E1
E2
En appliquant le théorème de Millman, on obtient :
0
ve E 2 + Vd
+
−
R
rd
RL
vs = S
1
1
1
+ +
RS rd RL
Dans le cas où rd=0 :
•
v s = −( E 2 + Vd )
deuxième région : D1 bloquée et D2 bloquée
vs =
RL
ve
RL + RS
Dans le cas où RS<<RL :
v s = ve
3
•
troisième région : D1 passante et D2 bloquée
RS
i
ve
vs
rd
RL
Vd
E1
E2
En appliquant le théorème de Millman, on obtient :
ve E1 + Vd
0
+
+
R
rd
RL
vs = S
1
1
1
+ +
RS rd RL
Dans le cas où rd=0 : v s = + ( E1 + Vd )
La figure ci-dessous présente les tensions d’entrée et de sortie du circuit écrêteur polarisé à deux diodes.
Circuit écrêteur polarisé
6
ve
vs
4
tension (V)
2
0
-2
-4
-6
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
temps (s)
0.03
0.035
0.04
La figure ci-dessous montre la caractéristique de transfert d’écrêteur polarisé à deux diodes.
Caractéristique de transfert du circuit éctrêteur polarisé
6
4
v s (V)
2
0
-2
-4
-6
-6
Données :
-4
-2
0
ve (V)
2
4
6
T=20 ms; Vp=6 V; Vd=0.6 V; rd=1 Ω; RS=100 Ω; RL=10 k Ω; E1=2 V ; E2=4 V ;
v e = VP sin(
2π
t) .
T
4
2- Diode Zener :
La diode Zener est une diode que le constructeur a optimée pour opérer dans la zone de claquage. La diode Zener au
claquage présente un coude de tension inverse très net, suivi d’une croissance verticale du courant. La tension est presque
constante, c’est la tension Zener VZ. Les fiches techniques donnent la tension VZ pour un courant de test IZT.
i
rd
-VZ
IZT
Vd
v
rZ
La diode Zener en deuxième approximation est présentée par le modèle ci-dessous.
•
v<-VZ
•
-VZ≤v≤Vd
rZ
VZ
v
rd
•
Vd
v>Vd
2-1- Diode Zener comme régulatrice de tension :
RS
VS
E
DZ
RL
Dans le cas où la diode Zener est bloquée, le circuit devient comme suit.
RS
VS
RL
E
V
V =−
RL
E
RL + RS
On distingue trois cas :
1.
V =−
RL
R + RS
E < −VZ ⇒ E > L
VZ ⇒ la diode Zener est au claquage et peut être remplacée
RL + RS
RL
par une source de tension VZ et une résistance rZ. En appliquant Millman :
E VZ
+
RS rZ
VS =
1
1
1
+ +
RS rZ RL
5
RS
VS
rZ
E
RL
VZ
V S = VZ
R + RS
RL
R + RS
Vd ≤ E ≤ L
E ≤ Vd ⇒ − L
VZ ⇒ la diode est bloquée
2. − VZ ≤ V = −
RL
RL + RS
RL
RL
E
⇒ VS =
RL + RS
RL
R + RS
E > Vd ⇒ E < − L
Vd ⇒ la diode conduit ⇒ on remplace la diode Zener par
3. V = −
RL + RS
RL
Dans le cas où rZ=0 :
une source de tension Vd et une résistance rd comme le montre le schéma ci-dessous.
RS
VS
rd
E
RL
Vd
En appliquant Millman :
E Vd
−
RS rd
VS =
1
1
1
+ +
RS rd RL
Dans le cas où rd=0 : VS = −Vd .
Pour que la diode Zener fonctionne comme régulatrice de tension, la tension d’entrée E doit être nettement supérieure à
la tension Zener VZ. Dans ce cas VS≈VZ quelque soit la valeur de la tension d’entrée E.
Détermination de la résistance RS dans le cas où
E>
RL + RS
VZ :
RL
On considère les deux cas limites suivants (on néglige la résistance rZ):
E max − VZ
(1)
I Z max + I L min
E min − VZ
(2)
• E=Emin, IZ=IZmin, IL=ILmax: RS =
I Z min + I L max
Généralement on prend: I Z min = a ⋅ I Z max , avec: 0.1 ≤ a ≤ 0.3 .
(E max − VZ )I L max + (E min − VZ )I L min
(1) et (2) ⇒ I Z max =
(Emin − VZ ) − a (E max − VZ )
•
E=Emax, IZ=IZmax, IL=ILmin:
RS =
(3)
En remplaçant (3) dans (1) ou (2), on peut déterminer RS.
6
2-2- Diode Zener utilisé pour la mise en forme de signaux :
RS
v1
vs
DZ1
RL
ve
v2
DZ2
Supposons que les deux diodes sont bloquées :
− VZ 1 ≤ v1 ≤ Vd 1
⇒ − VZ 1 − Vd 2 ≤ v1 − v 2 ≤ VZ 2 + Vd 1

− VZ 2 ≤ v 2 ≤ Vd 2 ⇒ −Vd 2 ≤ −v 2 ≤ VZ 2
(1)
RL
.ve
(2)
RL + RS
R + RS
RL
.ve ≤ VZ 2 + Vd 1 => − L
(VZ 1 + Vd 2 ) ≤ ve ≤ RL + RS (VZ 2 + Vd1 )
(2)à(1) : − VZ 1 − Vd 2 ≤
RL
RL + RS
RL
On a :
v1 − v2 =
On distingue trois cas différents :
RL + RS
(VZ 1 + Vd 2 ) ≤ ve ≤ RL + RS (VZ 2 + Vd1 ) : les deux diodes sont bloquées
RL
RL
RL
⇒ vs =
ve
RL + RS
Dans le cas où RS<<RL : v s = v e
R + RS
•
ve > L
(VZ 2 + Vd1 ) : la diode DZ1 conduit et la diode DZ2 est au claquage
RL
•
−
RS
rd1
Vd1
rZ2
VZ2
ve
•
vs
RL
ve VZ 2 + Vd 1
+
RS rZ 2 + rd 1
⇒ vS =
1
1
1
+
+
RS rZ 2 + rd 1 RL
Dans le cas où rZ 2 = rd 1 = 0 : v s = VZ 2 + Vd 1
R + RS
(VZ 1 + Vd 2 ) : la diode DZ2 conduit et la diode DZ1 est au claquage
ve < − L
RL
RS
ve
rZ1
VZ1
rd2
Vd2
vs
RL
7
v e VZ 1 + Vd 2
−
RS rZ 1 + rd 2
⇒ vS =
1
1
1
+
+
RS rZ 1 + rd 2 RL
Dans le cas où rZ 1 = rd 2 = 0 : v s = −VZ 1 − Vd 2
La figure ci-dessous présente les tensions d’entrée et de sortie d’un circuit limiteur utilisant deux diodes Zener.
Circuit limiteur à diodes Zener
15
ve
vs
10
tension (V)
5
0
-5
-10
-15
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
temps (s)
0.03
0.035
0.04
La figure ci-dessous montre la caractéristique de transfert d’un limiteur à diodes Zener.
Caractéristique de transfert
10
v s (V)
5
0
-5
-10
-15
Données :
-10
-5
0
ve (V)
5
10
15
T=20 ms; Vp=12 V; Vd1=Vd2=0.7 V; rd1=rd2=1 Ω; rz1=rz2=1 Ω; RS=100 Ω; RL=10 k Ω; VZ1=5 V ; VZ2=7 V ;
2π
v e = VP sin( t ) .
T
3- Composants optoélectroniques :
3-1- La diode électroluminescente (LED) :
Dans une LED polarisée en direct, il ya émission de radiations lumineuses. Les constructeurs réalisent des LED qui émettent
du rouge, du vert, du jaune, du bleu, de l’orange ou de l’infrarouge (invisible). Celles qui émettent dans le visible sont
utilisées comme indicateurs ou afficheurs. Celles qui rayonnent dans l’invisible sont employées dans les alarmes sonores,
les lecteurs CD, …etc.
Exemple : Indicateur de polarité utilisant deux LED
Pour E>Vd : la LED vert s’allume parce qu’elle est polarisée en direct.
Pour E<-Vd : la LED rouge s’allume parce qu’elle est polarisée en direct.
Le courant traversant chaque LED, lorsqu’elle est en conduction, est donnée par : i =
E m Vd
RS
8
RS
E : Tension DC
Rouge
Vert
3-2- La photodiode :
La photodiode convertie un signal optique (lumière) en un courant électrique. Le courant total qui parcourt une photodiode
 VV

est la somme du courant due à la polarisation ( I s  e T − 1 ) et le photo-courant due à la lumière ( I ph ) :




 VV

i = I ph + I s  e T − 1




La photodiode est polarisée en inverse pour réduire l’effet du courant due à la polarisation :
 VV

I s  e T − 1 ≈ 0 , lorsque V<0.




hv
I ph
VS = RI ph
E
R
3-3- L’optocoupleur ou l’optoisolateur :
Un optocoupleur associe une LED (émettrice de la lumière) et une photodiode (capteur de la lumière) dans un même boitier.
L’avantage essentiel d’un optocoupleur est l’isolation électrique entre l’entrée et la sortie.
I ph
RS
VE
hv
R
VS
Optocoupleur
E
9