Cours d’electricite et electronique debutant
Cours d’électricité et électronique débutant
I. INTRODUCTION.
La diode est le semi-conducteur de base : on ne peut pas combiner du silicium dopé plus simplement.
Son fonctionnement macroscopique est assimilable à celui d'un interrupteur commandé qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens.
Cette propriété lui ouvre un champ d'applications assez vaste en électronique. C'est la diode qui va permettre de redresser le courant alternatif issu du secteur et autoriser la fabrication d'alimentations stabilisées qui sont obligatoires dans la plupart des montages électroniques. On conçoit donc que si ce composant est basique , ainsi que son fonctionnement, il n'en n'est pas moins fondamental !
Dans la catégorie des diodes, on trouve aussi des diodes de régulation, dites diodes zéner, qui ont un comportement de source de tension. Cette propriété va permettre d'élaborer autour de ce composant simple toute une série de montages délivrant une ou plusieurs tensions continues.
La fonction diode a existé bien avant l'arrivée du silicium : on utilisait alors des diodes à vide (les lampes ) dont le fonctionnement était basé sur l'effet thermoélectronique. Le silicium a apporté les avantages suivants : coût, fiabilité, encombrement, simplicité d'utilisation
- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT.
- LA JONCTION
Si on dope une partie d'un semi conducteur intrinsèque avec des atomes à 5 électrons périphériques (le semi conducteur devient extrinsèque de type N) et l'autre avec des atomes à 3 électrons périphériques (extrinsèque de type P), on crée une jonction, qui est la limite de séparation entre les deux parties.
Nous avons fabriqué une diode à jonction.
- Équilibre sans générateur
Fig. 1. Équilibre au niveau de la jonction.
Au voisinage de la jonction , les trous de la zone P vont neutraliser les électrons libres de la zone N (il y a diffusion des charges). Ce phénomène va s'arrêter quand le champ électrique Eint créé par les atomes donneurs ou accepteurs (qui vont devenir respectivement des charges + et -) va être suffisant pour contrarier le mouvement des charges mobiles. Ceci constitue une barrière de potentiel pour les porteurs majoritaires. Par contre, cette barrière de potentiel va favoriser le passage des porteurs minoritaires (conduction électrique).
Les deux courants antagonistes (diffusion des majoritaires et conduction des minoritaires) s'équilibrent et leur somme est nulle en régime permanent et en l'absence de champ électrique extérieur.
- Avec un générateur en sens direct
La barrière de potentiel interne empêche donc toute circulation de courant. Si on applique un champ externe à l'aide d'un générateur en branchant le pôle + sur la zone P et le pôle - sur la zone N, on peut annuler les effets du champ interne et permettre au courant de circuler : le phénomène d'attraction des électrons libres de la partie N par les trous de la partie P (diffusion) n'est plus contrarié, et le générateur va pouvoir injecter des électrons dans la zone N et les repomper par la zone P.
Le courant de conduction constitué par les porteurs minoritaires prend une valeur If indépendante du champ extérieur.
Le courant total est la somme des deux courants, soit pratiquement le courant direct dû aux porteurs majoritaires dès que la tension atteint la centaine de mV.
La diode est alors polarisée dans le sens direct, et un courant relativement intense peut circuler : de quelques dizaines de milliampères pour des diodes de signal à quelques ampères pour des diodes de redressement standard, voire à des centaines d'ampères pour des diodes industrielles de très forte puissance.
- Avec un générateur en sens inverse
Si on branche le générateur dans le sens inverse du cas précédent, on renforce le champ électrique interne, et on empêche le passage des porteurs majoritaires : les électrons libres sont repoussés dans la zone N et les trous dans la zone P ; on accentue la séparation des charges (zone de déplétion).
Par contre, les porteurs minoritaires (trous pour la zone N et électrons libres pour la zone P) peuvent traverser la jonction et reboucler par le générateur : ils forment le courant inverse If qui dépend essentiellement de la température.
Le champ extérieur repousse les charges qui vont se trouver à une distance sensiblement proportionnelle à |V|, créant ainsi une capacité proportionnelle à cette distance, donc à |V|.
Cette capacité est inhérente à toute jonction de semi conducteurs, et va constituer la principale limitation (en régime linéaire tout du moins) au fonctionnement à haute fréquence des composants électroniques (diodes, transistors et circuits intégrés les employant).
- CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES.
- Caractéristique courant/tension.
- Caractéristique globale.
On a vu précédemment que le courant était négligeable pour une tension Vd = Vp-Vn négative (ceci est vrai jusqu'à une tension Vc dite tension de claquage). Au dessus d'un certain seuil Vo de tension Vd positive, le courant direct croit très rapidement avec Vd.
Le seuil Vo (barrière de potentiel) dépend du semi conducteur intrinsèque de base utilisé. Il est d'environ 0,2V pour le germanium et 0,6V pour le silicium.
La caractéristique a la forme suivante :
Fig. 2. Caractéristique complète.
- Caractéristique directe (Vd> 0)
Fig. 3 . Caractéristique directe d'une diode.
Sur ce type de diode au silicium, le courant croit assez rapidement au delà de 0,7V. C'est une diode de redressement supportant 1A en direct et 600V en tension inverse.
- Autour de zéro.
La caractéristique passe par l'origine. Pour Vd négatif, le courant tend rapidement vers la limite -If (courant de fuite) , car le courant de diffusion dû aux porteurs majoritaires va s'annuler.
- Caractéristique inverse (Vd
Quand la tension appliquée dépasse la valeur spécifiée par le fabricant, le courant décroît (attention : il est déjà négatif !) très rapidement. S'il n'est pas limité par des éléments externes, il y a destruction rapide de la diode. Deux phénomènes sont à l'origine de ce résultat :
phénomène d'avalanche : quand le champ électrique au niveau de la jonction devient trop intense, les électrons accélérés peuvent ioniser les atomes par chocs, ce qui libère d'autres électrons qui sont à leur tour accélérés Il y a divergence du phénomène, et le courant devient important.
phénomène Zener : les électrons sont arrachés aux atomes directement par le champ électrique dans la zone de transition et créent un courant qui devient vite intense quand la tension Vd atteint une valeur Vz dite tension Zéner.
Si on construit la diode pour que le phénomène Zéner l'emporte sur le phénomène d'avalanche (en s'arrangeant pour que la zone de transition soit étroite), on obtient une diode Zéner.
On utilise alors cette diode en polarisation inverse. L'effet zéner n'est pas destructif dans ce cas. Ces diodes sont très utilisées pour la régulation de tension.
- Équation.
Fig. 4. Linéarité de Log (I) fonction de V.
la courbe Fig. 2. (à l'exception de la zone de claquage) répond assez bien à la formule suivante, expliquée par la thermodynamique statistique :
où :
If est le courant de fuite
q la charge de l'électron = 1,6E-19C
k constante de Boltzman = 1,38E-23 J/K
T température absolue
La loi logarithmique [1] est bien illustrée par les figures 3 et 4. La courbe expérimentale s'éloigne toutefois de la théorie aux forts courants, où le modèle n'a pas tenu compte d'autres phénomènes dont les chutes de tension ohmiques dans le semi conducteur.
A noter que sur la figure 4, le courant maxi représenté est égal au 1/10ème admissible par cette diode.
- Effet de la température.
Pour Vd positif, la diode a un coefficient de température négatif égal à -2mV/K. Cette dérive en température est suffisament stable pour qu'on puisse utiliser des diodes comme thermomètres.
Pour Vd négatif, le courant de fuite If varie très rapidement avec la température. Il est plus important pour le germanium que pour le silicium, et croît plus vite, ce qui devient rapidement gênant. Dans le silicium, ce courant double tous les 6°C.
- Résistance différentielle (ou dynamique).
Fig. 5. Résistance dynamique.
La résistance dynamique étant l'inverse de la pente de la caractéristique en un point donné, on peut la déduire par dérivation de la formule [1] :
C'est la résistance dynamique au point de fonctionnement (Vd , Id). Elle est fonction du courant de polarisation Id au point étudié.
La figure 5 donne la valeur de rd en fonction de la tension de la diode : les variations sont très importantes.
- Schéma équivalent.
La représentation de la diode par sa loi logarithmique est un peu complexe pour l'emploi de tous les jours. Plusieurs schémas équivalents simplifiés sont proposés :
- Diode idéale.
Dans ce cas, on néglige la tension de seuil et la résistance interne de la diode. La caractéristique est alors celle de la figure 6.
Ce schéma est utile pour des pré calculs, surtout si les diodes sont employées dans des circuits où les tensions sont élevées (plusieurs dizaines de volts) : la tension de coude est alors négligeable.
Fig. 6. Caractéristique idéale.
- Diode avec seuil.
On peut continuer à négliger la résistance interne, mais tenir compte du seuil de la diode. La caractéristique devient :
Fig. 7. Caractéristique avec seuil.
Ce schéma est le plus utilisé pour les calculs.
- Diode avec seuil et résistance.
Ici, on prend en compte la résistance de la diode. Ceci peut être utile si on utilise la diode en petits signaux alternatifs et qu'on a besoin de sa résistance dynamique.
Fig. 8. Caractéristique avec seuil et résistance.
Attention : dans ce cas, on considère que la résistance dynamique est constante, ce qui n'est vrai que si la variation du signal alternatif est très petite autour du point de polarisation en continu.
- UTILISATION.
Il existe divers types de diodes correspondant à des technologies différentes. Chaque technologie présente le meilleur compromis pour une utilisation donnée.
Nous allons balayer les applications des diodes en les classifiant par groupe technologique.
- Paramètres essentiels des diodes.
En fonction de l'application considérée, on s'intéressera à certains paramètres des diodes plutôt qu'à d'autres. Certains paramètres ne sont pas spécifiés pour tous les types de diodes, sauf les suivants qui sont incontournables :
VF : tension de coude de la diode spécifiée à un courant direct donné.
IF : courant direct permanent admissible par la diode à la température maxi de fonctionnement.
IFSM : courant temporaire de surcharge (régime impulsionnel). En général, pour un courant de surcharge donné, le constructeur spécifie l'amplitude des impulsions, leur durée, le rapport cyclique, et dans certains cas, le nombre maxi d'impulsions qu'on peut appliquer.
VR : c'est la tension inverse maxi admissible par la diode (avant l'avalanche).
IR : c'est le courant inverse de la diode. Il est spécifié à une tension inverse donnée, et pour plusieurs températures (généralement 25°C et Tmax). Ce courant n'est pas seulement celui dû aux porteurs minoritaires. Il provient aussi des courants parasites à la surface de la puce (le silicium est passivé par oxydation, et il peut subsister des impuretés qui vont permettre le passage de faibles courants). Le boitier d'encapsulation de la puce de silicium est aussi source de fuites.
Ces symboles sont ceux généralement employés par les différents constructeurs, mais il peut y avoir des variantes, et il est toujours sage de se reporter à la documentation du constructeur pour savoir comment sont spécifiés les paramètres, et à quoi ils correspondent exactement.
- DIODES DE REDRESSEMENT.
Une des principales applications de la diode est le redressement de la tension alternative du secteur pour faire des générateurs de tension continue destinés à alimenter les montages électroniques (entre autres).
Il y a deux types principaux de diodes de redressement : les diodes standard pour le redressement secteur classique, et les diodes rapides pour les alimentations à découpage. Nous étudierons ces dernières ultérieurement.
- Caractéristiques physiques.
Les diodes de redressement standard sont les moins sophistiquées, et ne font l'objet d'aucun traitement particulier, les conditions d'utilisations étant peu contraignantes.
Elles ont des tensions VR comprises entre 50 et 1000V environ, et les courants IF vont de 1A à plusieurs centaines d'ampères.
Avant le système de redressement, on a presque toujours un transformateur qui sert à abaisser la tension secteur (les montages électroniques fonctionnent souvent sous des tensions de polarisation allant de quelques volts à quelques dizaines de volts), et qui sert aussi à isoler les montages du secteur (220V, ça peut faire très mal !).
- Redressement simple alternance.
C'est le redressement le plus simple qui soit : quand la tension aux bornes du transformateur Vt dépasse la tension de seuil de la diode, celle-ci conduit, laissant passer le courant direct dans la charge. La tension aux bornes de la charge Vr est alors égale à la tension aux bornes du transformateur moins la tension directe VF de la diode.
Fig. 9. Redressement avec une diode.
Quand la tension aux bornes du transformateur devient inférieure à la tension de seuil, la diode est bloquée ; il ne subsiste que le courant de fuite, qui est négligeable en comparaison du courant direct.
La tension aux bornes de la diode est alors égale à celle aux bornes du transformateur : il faudra choisir une diode avec une tension VR au minimum égale à la tension crête du secondaire du transformateur.
- Redressement double alternance.
- Avec transfo double enroulement.
Fig. 10. Redressement avec transfo double sortie.
Le montage précédent présente l'inconvénient de ne laisser passer que la moitié du courant que peut délivrer le transformateur. Pour remédier à celà, on utilise un transformateur avec deux enroulements secondaires que l'on câble de manière à ce qu'ils délivrent des tensions en opposition de phase sur les diodes.
On notera la chute de tension dans les diodes : elle devient non négligeable quand les tensions alternatives sont faibles (4V crête dans l'exemple ci-dessus).
Dans ce cas, tout se passe comme si on avait deux montages identiques à celui de la Fig. 9 qui fonctionnent l'un pour l'alternance positive, l'autre pour l'alternance négative. On vérifie bien (Fig. 11 et 12) que le courant dans la charge est toujours orienté dans le même sens.
Fig. 11. Alternance positive.
Fig. 12. Alternance négative.
Les diodes sont plus sollicitées que pour le montage simple alternance : en effet, la diode qui ne conduit pas devra supporter en plus de la tension aux bornes de son secondaire de transformateur, la tension aux bornes de la résistance. Au total, elle devra supporter une tension VR double de celle requise dans le montage à simple alternance, soit deux fois la tension crête présente sur chacun des secondaires.
- Avec pont de Grætz.
Fig.13. Redressement avec pont de diodes.
Il existe une autre manière de faire du redressement double alternance, ne nécessitant pas un transformateur à double enroulement : on utilise 4 diodes montées en pont. Des ponts tous faits sont disponibles dans le commerce, permettant de réduire le nombre de composants du montage.
Lorsque la tension aux bornes du transformateur est positive, D1 et D4 conduisent, et quand elle est négative, D2 et D3 conduisent (Fig. 14 et 15).
Fig. 14. Alternance positive.
Fig.15. Alternance négative.
Chaque diode n'a à supporter qu'une fois la tension crête du secondaire du transformateur (contre deux fois pour le montage précédent), mais en revanche, on a deux tensions directes de diode en série. La puissance totale dissipée dans les diodes est double par rapport à la solution précédente.
- Quelle solution choisir ?
Quand on en aura la possibilité, on préfèrera la solution à transfo à point milieu, pour plusieurs raisons :
le transfo n'est pas plus cher que celui à secondaire simple.
Avec un transfo à un seul secondaire, on ne peut pas faire d'alimentation double symétrique en redressement double alternance. Ce type de transfo est moins universel .
Le fait que les diodes aient à tenir une tension double n'est pas un problème dans la plupart des cas, car les tensions redressées sont très souvent bien inférieures aux tensions VR minimum des diodes disponibles dans le commerce.
Dans le montage en pont, la charge est flottante par rapport au transformateur, ce qui peut être gênant dans certains cas.
- Filtrage.
Les montages précédents délivrent des tensions redressées mais non continues.
Pour obtenir une tension (quasi) continue, il suffit de mettre un gros condensateur en parallèle avec la charge.
- Redressement simple alternance.
Ici, la charge est absolument quelconque, et peut être un montage électronique complexe ayant une consommation en courant aléatoire.
Fig. 16. Redressement simple alternance et filtrage.
Sur le graphique du bas de la Fig. 16, on voit en pointillé la tension redressée telle qu'elle serait sans condensateur. En traits pleins épais, on voit la tension filtrée.
Sur ce graphe, le courant de décharge du condensateur est linéaire : il correspond à l'hypothèse de décharge à courant constant.
Le fonctionnement est simple : quand la tension aux bornes du transformateur est supérieure à la tension aux bornes du condensateur additionnée de la tension directe de la diode, la diode conduit. Le transformateur doit alors fournir le courant qui va alimenter la charge et le courant de recharge du condensateur.
Quand la tension du transformateur devient inférieure à celle du condensateur plus la tension de coude de la diode, la diode se bloque. L'ensemble condensateur / charge forme alors une boucle isolée du transformateur.
Le condensateur se comporte comme un générateur de tension, et il restitue l'énergie accumulée dans la phase précédente.
A noter que la tension aux bornes du condensateur étant en permanence voisine de la tension crête positive du transformateur, lorsque celui-ci fournit la tension de crête négative, la diode doit supporter deux fois la tension crête délivrée par le transformateur : on perd le seul avantage (hormis la simplicité) du montage à redressement simple alternance.
Calcul du condensateur : dans la littérature, on trouve classiquement le calcul du condensateur pour une charge résistive. La décharge est alors exponentielle et le calcul inutilement compliqué.
Ce calcul est assez éloigné des besoins réels : en général, on ne fait pas des alimentations continues pour les faire débiter dans des résistances !
Très souvent, ces alimentations redressées et filtrées sont suivies d'un régulateur de tension. La charge est fréquemment un montage complexe ayant une consommation variable au cours du temps.
Pour faire le calcul du condensateur, on prendra donc une décharge à courant constant, le courant servant au calcul étant le maximum (moyenné sur une période du secteur) consommé par la charge.
Le critère de choix ne sera pas un taux d'ondulation qui n'a souvent aucune utilité pratique, mais une chute de tension maxi autorisée sur le condensateur pour que le montage connecté en aval fonctionne correctement.
Avec ces hypothèses, le calcul du condensateur devient très simple : On considère que le condensateur C se décharge à courant Imax constant pendant un temps D T et que la chute de sa tension est inférieure à DV.
On a alors la relation :
Le temps DT choisi va être approximé à la période du secteur. En pratique, le condensateur va se décharger moins longtemps (Fig. 16), on va donc le surdimensionner légèrement.
L'erreur commise est en fait très faible comparée à la dispersion que l'on aura sur le résultat de par les tolérances des composants, et notamment des condensateurs de filtrage : on utilise des condensateurs chimiques qui ont des tolérances très larges (-20% / +80% en général) et qui n'existent souvent que dans la série E6 (1 ; 1,5 ; 2,2 ; 3,3 ; 4,7 ; 6,8). Les transformateurs sont eux aussi assez dispersés, ce qui fait qu'au final, mieux vaut prévoir large pour éviter les mauvaises surprises !
Pour un redressement simple alternance, on aura un DT de 20ms, qui correspond à l'inverse de la fréquence secteur 50Hz. La valeur du condensateur est alors :
Il faudra veiller à choisir un condensateur supportant au moins la tension crête du transformateur à vide (la tension sera plus faible en charge du fait des chutes de tensions diverses (résistance du transfo, diode ).
- Redressement double alternance.
Les hypothèses seront les mêmes que précédemment. La seule différence viendra du temps T ; vu qu'on a un redressement double alternance, la fréquence du courant redressé est double de celle du secteur. La formule de calcul du condensateur devient donc :
Comme dans la formule [4], F est la fréquence secteur (50Hz en France).
A chute de tension égale, le condensateur sera donc deux fois plus petit que pour le redressement simple alternance, ce qui est intéressant, vu la taille importante de ces composants.
La diode aura à tenir deux fois la tension crête délivrée par chaque enroulement du transformateur.
Fig. 17. Redressement double alternance et filtrage.
- Fonctionnement des diodes et transfos.
On peut remarquer Fig. 16 et 17 que les diodes ne conduisent pas pendant toute l'alternance du secteur, mais seulement pendant un temps très court vis à vis de cette alternance. L'énergie qui est restituée par le condensateur dans la phase de roue libre doit être au préalable stockée pendant ce court temps de conduction des diodes.
La conséquence de ceci, c'est que pour assurer un certain courant moyen dans la charge, l'ensemble transfo plus diode devra débiter un courant de crête beaucoup plus intense que le courant moyen lors des phases de conduction des diodes (environ 15 fois le courant moyen).
(Voir chronogramme)
La chute de tension dans les diodes sera alors importante (plus près d'1V que de 0,6V) ainsi que la chute de tension dans les résistances du transformateur.
Il ne faudra pas perdre ces considérations de vue quand on voudra calculer l'alimentation au plus juste !
L'autre conséquence est le démarrage de l'alimentation : lorsqu'on branche le transformateur sur le secteur, on peut se trouver au maximum de tension de l'alternance secteur. La charge du transformateur, principalement constituée du condensateur de filtrage, sera l'équivalent d'un court-circuit. Le courant d'appel sera alors uniquement limité par la résistance interne du transformateur (quelques dizièmes d'ohms à quelques ohms), et il sera très intense : les diodes devront supporter ce courant (paramètre IFSM)
Alimentations doubles symétriques.
Si on analyse le fonctionnement du redresseur double alternance à transformateur à point milieu, on s'aperçoit que chaque secondaire débite du courant seulement pendant une alternance. L'autre alternance serait susceptible de fournir un courant négatif.
Partant de cette constatation, on peut imaginer facilement une alimentation double symétrique, avec 4 diodes disposée en pont : deux diodes vont conduire les alternances positives des secondaires du transformateur, et les deux autres les alternances négatives.
Table des matières :
INTRODUCTION.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT.
A. LA JONCTION.
1. Équilibre sans générateur.
2. Avec un générateur en sens direct.
3. Avec un générateur en sens inverse.
B. CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES.
1. Caractéristique courant/tension.
Caractéristique globale.
Caractéristique directe (Vd > 0)
Autour de zéro.
Caractéristique inverse (Vd
Équation.
Effet de la température.
2. Résistance différentielle (ou dynamique).
3. Schéma équivalent.
Diode idéale.
Diode avec seuil.
Diode avec seuil et résistance.
UTILISATION.
• Paramètres essentiels des diodes.
A. DIODES DE REDRESSEMENT.
1. Caractéristiques physiques.
2. Redressement simple alternance.
3. Redressement double alternance.
Avec transfo double enroulement.
Avec pont de Grætz.
Quelle solution choisir ?
4. Filtrage.
Redressement simple alternance.
Redressement double alternance.
Fonctionnement des diodes et transfos.
5. Alimentations doubles symétriques.
6. Doubleur de tension.
B. DIODES À AVALANCHE CONTRÔLÉE.
1. Caractéristiques physiques.
2. Protection contre les surtensions.
3. Mise en série de diodes.
C. DIODES DE REDRESSEMENT RAPIDES.
1. Notions de charge recouvrée.
2. Utilisation.
D. DIODES DE SIGNAL.
1. Carctéristiques physiques.
2. Détecteur de crête.
3. Détection AM.
4. Thermomètres. Compensation thermique.
DIODES SPÉCIALES.
A. DIODES ZENER.
1. Caractéristique.
2. Schéma équivalent.
3. Régulation de tension.
4. Écrêtage des surtensions.
B. DIODES ÉLECTROLUMINESCENTES.
1. Caractéristique.
2. Utilisation.
C. AUTRES.