La diode

Une diode est un semi-conducteur polarisé qui laisse passer le courant dans une seule direction. Le sens de branchement de la diode a donc une importance sur le fonctionnement du circuit électronique. Si elle est branchée à l'envers, elle va bloquer le passage du courant.

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Regardez le schéma ci-dessous pour comprendre le fonctionnement de la diode. Il existe plusieurs valeurs possibles pour la diode et ces valeurs dépendent des tensions et intensités supportées. Son fonctionnement peut être comparé à un système hydraulique. En effet, la diode est comme un clapet anti-retour dans un système hydraulique. L'eau peut circuler dans une direction, mais si l'eau veut circuler dans le sens inverse, elle sera bloquée par le clapet.

Lorsqu'on choisit une diode, il y a trois principales caractéristiques qu'il faut prendre en compte. La première est la tension maximale en inverse que peut supporter la diode (Reverse voltage en anglais). Cette donnée va nous permettre de savoir si elle va supporter la tension lorsque le courant voudra circuler dans le sens inverse de la diode. La deuxième caractéristique importante est le courant supporté (Forward current en anglais). Cette valeur ne doit pas être dépassée lorsque la diode est utilisée sinon, il y a de fortes chances qu'elle soit détruite. La troisième caractéristique est la tension consommée par la diode. En effet, la diode n'est pas parfaite puisqu'il y a une tension minimale qu'elle doit atteindre pour permettre la conduction du courant. La valeur standard que nous donnons à ce seuil est de 700 mV. Par contre, elle varie en fonction du courant consommé par la diode et cette relation peut être facilement trouvée dans les fiches techniques sous forme de graphique.

Les plus connues sont les diodes de type 1N... Par exemple : 1N4148, 1N4001, 1N4002, 1N4003, 1N4004, 1N4005, 1N4006, 1N4007

Voici les caractéristiques de ces diodes :
1N4148 : 100V/300mA 1N4001 : 50V/1A 1N4002 : 100V/1A 1N4003 : 200V/1A 1N4004 : 400V/1A
1N4005 : 600V/1A 1N4006 : 800V/1A 1N4007 : 1000V/1A

Application de la diode :

Une des fonctions les plus connues est le pont de diodes. On s'en sert pour transformer un courant alternatif en courant continu. Les ponts de diodes sont présents dans tous les transformateurs AC/DC. Il faut utiliser la diode appropriée en fonction de l’application envisagée. Par mesure de sécurité, il faut prendre des diodes capables de supporter 2 fois la tension et l'intensité d'entrée. Par exemple, si on connecte un pont de diodes sur un transformateur 120V, on doit prendre des diodes 1N4004 ou de référence plus élevée. Pour plus d'informations sur la transformation d'un courant alternatif vers un courant continu, consultez le sujet « AC vers DC». Pour plus d'information sur la transformation d'un courant alternatif vers un courant continu, allez voir AC vers DC.

Une seconde application est certainement celle de la diode de roue libre. Lorsqu'il y a des éléments inductifs dans des circuits électroniques, ceux-ci créent des variations de tension assez importantes qui peuvent endommager d'autres composants. Par exemple, lorsqu'un interrupteur ou un transistor est placé au bout d'un composant inductif, le transistor peut facilement être endommagé lorsqu'il passe d'un état à un autre brusquement. Étant donné que l'élément inductif s'oppose aux variations de courant, lorsque le transistor se ferme brusquement, une tension s'accumule aux bornes de la bobine afin d'atteindre des dizaines voir même des centaines de volts. Cette tension très élevée peut facilement endommager les transistors qui ne peuvent pas supporter de telles tensions. En revanche, en mettant une diode (que l'on appelle la diode de roue libre) en inverse aux bornes du composant inductif, ce dernier va pouvoir vider son énergie dans lui-même en faisant circuler le courant au travers de la diode, créant par là-même une boucle infinie.

Une autre application de la diode est de l'utiliser pour obtenir deux sources d'alimentation de tension différentes dans le même circuit. En effet, cette utilisation de la diode est très utile lorsqu'on veut disposer d’une alimentation secteur tout en ayant une batterie qui est mise en service en cas de coupure du réseau électrique. En plaçant une diode sur chaque alimentation, on permet qu'une alimentation n'affecte pas l'autre et que seule l'alimentation dont la tension est supérieure puisse alimenter le circuit. Par exemple, prenons une alimentation secteur de 12V et une batterie de 9V. Lorsque l'alimentation secteur est présente, elle prédomine sur la batterie puisque sa tension est supérieure. Par contre, lorsqu'il y a une coupure du réseau électrique, la batterie devient celle qui prédomine. La source d'alimentation sur secteur étant à 0 V et la batterie étant à 9 V, c'est la batterie qui alimente le circuit. Il ne faut pas oublier de tenir compte de la perte de tension aux bornes de la diode. La tension à l'entrée du régulateur serait plutôt de 11.3V ou de 8.3V.

Pour terminer, signalons une autre utilisation de la diode pour assurer une protection de surtension (Diode voltage clamp en anglais). En mettant la diode vers l'alimentation, celle-ci va permettre d'éliminer toutes les surtensions qui sont supérieures à la tension V+ du schéma ci-dessous. En effet, si un signal de 24V est entré, à la sortie le même signal (mais déformé) sera limité à V+. Ce type de configuration est très utile pour protéger des entrées de circuits logiques ou de microcontrôleurs qui sont sensibles aux fortes tensions. Il ne faut pas oublier que la diode perd environ 700mV à ses bornes ce qui implique que la vraie tension de sortie sera de V+(+700mV). Par exemple, si nous avons une tension V+ de 5V et qu'il y a un signal d'entrée de 12V, la tension de sortie réelle sera de 5.7V.

La diode zener

La diode zener est très similaire à la diode standard. Tout comme la diode standard, la diode zener doit avoir une tension supérieure à la tension seuil (forward voltage) fournie par la fiche technique. Là où la diode zener se différencie de la diode standard, c'est lorsqu'on l'utilise en inverse.

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En inverse, la diode standard bloque absolument tout le passage du courant jusqu'à une limite qu'on appelle la tension maximale en inverse (maximum reverse voltage). La diode zener va avoir une tension très précise en inverse. Par exemple, pour la diode zener 1N4733A, la tension zener est de 5.1V. Ainsi, lorsqu'on atteint cette tension zener et même une valeur supérieure à cette tension, la diode va conserver uniquement la tension zener à ses bornes. Par exemple, si on branche un signal de 12V parallèlement à la diode zener 1N4733A, à la sortie, il va y avoir seulement 5.1V aux bornes de la diode zener. Par contre, pour obtenir un tel résultat, il faut respecter d'autres caractéristiques de la diode afin de ne pas l'endommager.

Une caractéristique importante de la diode zener à prendre en compte est la puissance maximale supportée par la diode. Par exemple, la diode 1N4733A peut supporter jusqu'à 1W et ce sera une donnée utile pour nos calculs. Il sera aussi important de connaître la tension zener (Vz) de la diode puisque cette tension varie d'un modèle à l'autre. Le courant de test que l'on retrouve sur les fiches techniques est calculé à environ 25% de la puissance maximale de la diode tandis que le courant maximum (Izm) est calculé à 90% de la puissance maximale.

Lorsqu'on utilise une diode zener, il est recommandé de l'utiliser dans une fourchette comprise entre 10% et 90% de sa puissance maximale afin d’obtenir de bons résultats. Par exemple, nous voulons trouver la résistance (R) dans ce circuit sachant que la charge consomme 100mA et que le circuit est alimenté sous 12V. La diode utilisée est la 1N4733A, dont la tension zener est de 5.1V et la puissance maximale est de 1W.

Tout d'abord, il faut trouver les extrêmes de fonctionnement de la diode zener (10% et 90%). 10% de la puissance maximale (1 Watt) correspond à 100 mW et 90% de la puissance maximale (1 Watt) correspond à 900 mW. Pour trouver le courant pour chacun de ces extrêmes, il suffit de faire 100 mW divisé par 5.1V ce qui nous donne 19.6 mA et 900 mW divisé par 5.1V ce qui nous donne 176.5 mA. En prenant le courant minimal de 19.6 mA nous serons certain que le circuit va bien fonctionner et que la diode ne dissipera pas trop de chaleur sans raison. Finalement pour trouver la résistance (R), il suffit de calculer 12V-5.1V pour trouver la différence de potentiel aux bornes de la résistance et de diviser cette valeur par 119.6 mA (le courant traversant la diode zener + le courant de la charge). Au final, nous obtenons une résistance de 57.69 Ohms. Évidement, cette valeur de résistance n'existe pas, par contre, comme nous utilisons uniquement 10% de la puissance de la diode, on peut se permettre d'aller chercher une résistance de 40 Ohms par exemple. Ainsi, le courant traversant la diode correspondrait à 37% de la puissance de cette même diode.

Application de la diode zener :

Une application très connue de la diode zener est de l'utiliser comme référence. En effet, comme la diode nous offre une tension stable lorsque le courant est assez élevé, la diode zener est souvent utilisée pour donner une tension de référence très stable pour des appareils de mesures tels qu'un voltmètre ou pour une alimentation. Le meilleur exemple d'application pour la diode zener comme tension de référence est sans doute celui des convertisseurs analogiques / numériques. Ces convertisseurs offrent parfois la possibilité de mettre une tension de référence externe afin d'avoir une plus grande précision. Ainsi, en utilisant la diode zener, celle-ci permet d'avoir une tension ultrastable (puisque le courant varie très peu) comme tension de référence pour les circuits de précision.

Une seconde application est la protection contre les surtensions. Similaire à la diode standard, on peut éliminer les surtensions sur un signal avec une diode zener. En mettant la diode parallèlement au signal, ainsi si une surtension survient, la tension qui est supérieure à la tension zener sera rejetée à la masse.

La diode parfaite

Toute diode dispose, à ses bornes, d’une différence de potentiel qui est variable, mais généralement située autour de 700 mv.

La diode parfaite est un petit circuit électronique dont l’objectif est d’annuler cette différence de potentiel de sorte que nous ayons une diode avec une différence de potentiel nulle à ses bornes tout en conservant la caractéristique de non-réversibilité du courant, ce dernier devant circuler dans un seul sens.

Le montage électronique comporte seulement deux composants. Évidemment, il faut une diode. N'importe quelle diode peut être utilisée. L'autre composant nécessaire au montage est un amplificateur opérationnel et c’est lui qui va compenser la chute de tension qu’introduit naturellement la diode. La principale fonction de l'ampli-opérationnel sera d'ajuster la sortie pour qu'elle ait la même tension qu'en entrée. En plaçant la diode avant la boucle de rétroaction, l'ampli-opérationnel « croit » que la diode fait partie de sa fabrication et ajuste la sortie par rapport à l'entrée positive.

Ce montage porte le nom de « Diode parfaite » mais son utilisation n'est pas parfaite en tous points. D’abord, ce type de montage est limité en fréquence. Il peut être utilisé en basse fréquence sans problème, mais comme les ampli-opérationnels sont limités dans les hautes fréquences, le montage connaît une certaine limite. Ensuite, lors de l'utilisation d'une diode standard, le courant circule de l'entrée vers la sortie en traversant la diode. Dans ce montage-ci, le courant traversant la diode est fourni par l'ampli-opérationnel. Les ampli-opérationnels sont limités en courant d’entrée et de sortie, ce qui limite l'utilisation de ce type de circuit.

Sur ces deux captures d'oscilloscope, on voit bien la différence entre l'utilisation d'une diode standard (capture de gauche) et l'utilisation d'un montage de diode parfaite (capture de droite). Avec une diode standard, la perte de tension due à la diode est bien visible alors que pour le montage de diode parfaite, cette chute de tension est absente. L’objectif est donc atteint en utilisant un ampli-opérationnel.