diodes - ESPCI - Catalogue des Cours

ÉLECTRONIQUE
DES CIRCUITS INTÉGRÉS
DIODES
DOCUMENT DE SYNTHÈSE
Ressources pédagogiques:
http://cours.espci.fr/site.php?id=37
Forum aux questions :
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I. PROPRIÉTÉS
1) Caractéristique courant-tension
Définitions des régimes de fonctionnement
Polarisation directe : potentiel de la zone p > potentiel de la zone n.
Polarisation inverse : potentiel de la zone p < potentiel de la zone n.
Propriétés
Polarisation directe : le courant varie exponentiellement en fonction de la tension.
Polarisation inverse : le courant est très petit (≈ nA − µA), et varie peu avec la
tension appliquée, tant que la valeur absolue de la tension appliquée est inférieure à
celle de la tension de rupture inverse.
Figure 1
2) Modèle de la diode pour les nuls
Régimes de fonctionnement
Diode passante : parcourue par un courant positif, tension à ses bornes égale à 0,6
Volt indépendamment du courant.
Diode bloquée : courant nul, tension à ses bornes inférieure à 0,6 Volts.
Figure 2
2
3) Modèle réaliste de la diode en polarisation directe
⎛
qV ⎞
Caractéristique courant-tension (à connaître par cœur) : I = I S ⎜ exp
− 1⎟
kT
⎝
⎠
q charge de l’électron 1,6 10-19 Coulomb, k constante de Boltzmann (1,4 10-23 J K-1),
T température absolue.
IS dépend de la géométrie et du dopage de la diode considérée.
Ordre de grandeur à connaître par cœur
kT/q ≈ 25 mV à la température ambiante (300 K).
Justification du modèle de la diode pour les nuls : pour IS = 0,5 pA
I
V
1 mA
0,53 Volt
10 mA
0,59 Volt
100 mA
0,65 Volt
1000 mA 0,71 Volt
Mise en œuvre du modèle réaliste de la diode :
Figure 3
4) Grandeurs caractéristiques d’une diode
§ Tension de rupture inverse
§ Courant direct en fonction de la tension
§ Courant inverse
§ Capacité différentielle
§ Temps de « recouvrement inverse »
Voir Figure 4.
3
Figure 4
II. APPLICATIONS
1) Redressement
a/
Redressement simple alternance
Nécessite une seule diode (Figure 5).
Propriétés
Une alternance sur deux est supprimée.
50% de l’énergie fournie par le générateur est perdue.
Seuls des signaux d’amplitude supérieure à 0,6 Volts peuvent être redressés.
4
Figure 5
b/
Redressement double alternance
Nécessite au moins deux diodes. On utilise fréquemment un « pont de diodes »
constitué de 4 diodes (Figure 6).
Propriétés
Une alternance sur deux est redressée.
Seuls des signaux d’amplitude supérieure à 1,2 Volts peuvent être redressés.
Animation :
http://www.stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/ipes/red_mono/red_mono.htm
2) Redressement et filtrage
Objectif
Engendrer une tension continue à partir d’une tension alternative.
Utilisation la plus fréquente : engendrer une tension continue pour l’alimentation de
composants actifs à partir de la tension alternative du secteur (« alimentation
stabilisée »).
5
Figure 6
Méthode
Redresser la tension alternative à l’aide d’un pont redresseur et appliquer la tension
de sortie à un condensateur « de filtrage ».
Lorsque les diodes du pont redresseur sont bloquées, le condensateur (de capacité C)
se décharge dans la résistance de charge RC. Si la constante de temps RCC est grande
devant la période du signal redressé, la tension aux bornes du condensateur est à peu
près constante, à une « ondulation résiduelle » près (Figure 7).
Inconvénients :
§ l’ondulation résiduelle dépend de la résistance de charge, donc de l’intensité
délivrée par l’alimentation,
§ le procédé nécessite un condensateur de filtrage de capacité importante, donc
volumineux.
Pour remédier à ces inconvénients, on met en œuvre des régulateurs, utilisant
notamment des diodes Zener (voir section suivante).
Informations complémentaires et animation :
http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/redfilt2.html
http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/redress.pdf
6
Figure 7
Figure 8
3) Diode Zener (régulation)
Définition
Une diode Zener est une diode qui est conçue pour être utilisée au voisinage de sa
tension de rupture inverse, appelée « tension de Zener ».
Contrairement aux diodes « de redressement » considérées dans la section
précédente, les diodes Zener ne sont pas utilisées pour redresser des signaux.
Propriété
Une diode Zener peut être modélisée, au voisinage de son point de fonctionnement,
comme une source de tension dont la valeur nominale est sa tension de Zener, et dont
la résistance interne rZ est très faible (quelques ohms).
7
Application
L’application principale des diodes Zener est la régulation de tensions préalablement
redressées et filtrées.
Figure 9
Compléments théoriques et animation :
http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/zener.html
III. Autres diodes usuelles
§
§
§
Diodes électroluminescentes
Photodiodes
Diodes Schottky