Ce document académique, destiné aux étudiants universitaires, offre une introduction complète au monde des diodes et de leurs applications fondamentales en électronique.
Il couvre les notions essentielles suivantes :
- La diode à jonction : son fonctionnement, ses caractéristiques électriques et ses modes de polarisation.
- La diode idéale et la diode Zener : leurs spécificités et comportements.
- Les applications pratiques des diodes : redressement de tension, stabilisation et filtrage.
L'objectif est de fournir une base solide pour la compréhension de ces composants clés.
Électronique analogique : Chapitre ii la diode et ses applications cours
Télécharger PDFChapitre II : La diode et ses applications
I. La diode à jonction
1. Schéma électrique
Le côté P est appelé l'anode et le côté N est appelé la cathode. La région P est dopée pour avoir un excès de trous (porteurs de charge positifs), tandis que la région N est dopée pour avoir un excès d'électrons (porteurs de charge négatifs). Une jonction PN se forme à l'interface de ces deux régions, créant une zone de charge d'espace qui joue un rôle fondamental dans le comportement de la diode. La flèche du symbole de la diode pointe dans le sens d'écoulement facile du courant conventionnel, c'est-à-dire de l'anode vers la cathode. Ce sens est également appelé le sens passant ou direct.
2. Mode de branchement
Une diode conduit en sens passant (ou direct) lorsque la région P est soumise à un potentiel supérieur (plus positif) à celui de la région N. Elle est bloquée dans le cas contraire, c'est-à-dire lorsque la région N est à un potentiel supérieur ou égal à celui de la région P (polarisation inverse). En sens passant, par convention, le courant (I) et la tension (V) de la diode sont comptés positivement.
3. Caractéristique expérimentale I(V)
Polarisation directe
En polarisation directe, la diode est bloquée si VAK < 0. Elle devient passante lorsque VAK > 0, permettant un courant I > 0. La tension de coude (ou seuil de redressement) E0 est une caractéristique clé. Elle représente la tension minimale nécessaire pour que la diode commence à conduire significativement.
En faisant varier la tension d'alimentation, on obtient des couples de points expérimentaux (I, V) — courant et tension de la diode — qui sont regroupés dans la courbe I=f(V), appelée caractéristique I(V). La croissance du courant en fonction de la tension est d'abord exponentielle, puis tend à devenir linéaire. Cette déformation est due à la résistance non négligeable des matériaux semi-conducteurs situés de part et d'autre de la zone de charge d'espace. La zone de charge d'espace est une région appauvrie en porteurs de charge, essentielle au fonctionnement de la jonction PN.
Sur la caractéristique I(V), on constate la présence d'un seuil de tension à partir duquel la croissance du courant devient importante. Ce seuil est appelé seuil de redressement ou tension de coude. Il est généralement défini par l'intersection de l'approximation rectiligne de la caractéristique avec l'axe des tensions.
En polarisation directe, pour des tensions supérieures à E0, la caractéristique de la diode peut être assimilée à une droite qui passe par E0 (la tension de seuil). L'équation de cette droite est donnée par : VAK = K * I + E0.
K est une constante ayant la dimension d'une résistance. Cette résistance est la résistance interne de la diode, également appelée résistance dynamique (Rd). Elle est définie comme la variation de tension par rapport à la variation de courant (Rd = dV/dI), et sa valeur dépend du courant I. Ainsi, l'équation devient : VAK = Rd * I + E0.
Conclusion : En polarisation directe, une diode est équivalente à un récepteur de force contre-électromotrice E0 en série avec une résistance interne Rd. Ce modèle simplifié est très utile pour l'analyse de circuits.
Polarisation inverse
La caractéristique I(V) en polarisation inverse peut être divisée en deux parties : la première, avant le claquage, où le courant croît très lentement avec la tension inverse ; et la deuxième, après le claquage, où le courant croît très rapidement.
Avant le claquage
La caractéristique est assimilée à une droite passant par l'origine. Ainsi, VAK = Vi = K' * Ii, où K' est une constante ayant la dimension d'une résistance Ri, très grande (de l'ordre du MΩ). Par conséquent, en polarisation inverse avant le claquage, la diode est équivalente à une résistance Ri, d'où Vi = Ri * Ii.
Après le claquage
De la même façon, après le claquage, on peut écrire : VAK = K * Ii + E'0. Ici, K est une constante ayant la dimension d'une résistance ri, avec ri << Ri. E'0 est la tension de claquage, déterminée par l'intersection de la partie rectiligne de la caractéristique avec l'axe des tensions. Au-delà de cette tension, la diode subit une rupture de sa jonction (par effet Zener ou d'avalanche), permettant un passage important de courant.
Conclusion : En polarisation inverse après le claquage, la diode est équivalente à un récepteur de force contre-électromotrice E'0 en série avec une résistance interne ri. Il est important de noter que pour les diodes à jonction standard, le fonctionnement prolongé en régime de claquage peut entraîner une destruction du composant, contrairement aux diodes Zener conçues pour cela.
4. Droite de charge et point de fonctionnement
Dans un circuit série simple composé d'une source de tension E, d'une résistance R et d'une diode, les lois de Kirchhoff permettent d'écrire : V + R * I = E, ou de manière équivalente V = E - R * I. Cette relation établit un lien entre la tension aux bornes de la diode (V) et le courant (I) qui la traverse, et est connue sous le nom d'équation de la droite de charge.
L'intersection de la droite de charge avec la caractéristique I(V) de la diode définit un point, P, de coordonnées (V0, I0). Ce point est appelé le point de fonctionnement. Il représente la tension et le courant de la diode lorsque les valeurs de la source E et de la résistance R sont fixées.
II. La diode idéale
Une diode est considérée comme idéale si elle se comporte comme un court-circuit en polarisation directe et comme un circuit ouvert en polarisation inverse. Il en résulte les conditions de fonctionnement suivantes :
- En polarisation directe : VAK = 0 et I > 0.
- En polarisation inverse : VAK < 0 et Ii = 0.
Remarque : Une diode idéale se comporte comme un interrupteur parfait. C'est une simplification, car la diode idéale est une approximation de la diode réelle. Elle est souvent utilisée dans les premières étapes de conception pour simplifier l'analyse des circuits.
Exemple : Pour un circuit où une diode idéale est polarisée en direct, elle se comporte comme un court-circuit. Dans un tel cas, la loi des mailles pour un circuit série (source E, résistance R, diode) donne : E = R * I, d'où I = E / R.
III. La diode Zener
La diode Zener est une diode à jonction pour laquelle la tension de claquage (tension Zener, UZ) est connue avec précision.
La caractéristique I(V) de la diode Zener est analogue à celle de la diode à jonction standard. Cependant, en polarisation inverse après le claquage, la tension à ses bornes (la tension Zener) reste pratiquement constante.
Cette propriété unique de la diode Zener la rend particulièrement utile pour des applications en polarisation inverse. Contrairement aux diodes à jonction standard, les diodes Zener sont spécifiquement conçues pour fonctionner de manière stable dans cette région de claquage, sans subir de destruction.
IV. Applications des diodes
1. Diode Zener
Stabilisation de tension – Régulation de tension
La diode Zener, lorsqu'elle est polarisée en inverse et insérée dans un circuit électrique, permet de maintenir une tension constante à ses bornes (UZ), même si la tension d'entrée (E) varie fortement. Elle agit ainsi comme un régulateur de tension. Ceci est crucial pour protéger les composants sensibles des fluctuations de tension.
Protection contre les surtensions
Lorsqu'on souhaite limiter la tension entre deux points d'un circuit à une valeur maximale V0, il suffit de placer une diode Zener entre ces points, dont la tension Zener UZ0 est égale à V0. Si la tension d'entrée E est inférieure à UZ0, la diode ne conduit pas significativement et n'affecte pas le circuit. Si E est supérieure à UZ0, la diode Zener entre en régime de claquage et maintient la tension à ses bornes constante et égale à UZ0, protégeant ainsi le circuit contre les surtensions. Elle agit comme un limiteur de tension efficace.
2. Diode à jonction
Redressement d'une simple alternance
Le redressement est l'une des applications fondamentales des diodes, visant à convertir un signal alternatif (courant ou tension) en un signal unidirectionnel. Le principe de base utilise une diode dans un circuit alimenté par une tension sinusoïdale de la forme e = Emax * sin(wt). Étant donné que la diode ne conduit que pendant l'alternance positive et se bloque pendant l'alternance négative du signal d'entrée, la tension de sortie Vs est une alternance redressée, souvent appelée redressement monoalternance. Ce processus est la base de l'alimentation des appareils électroniques qui nécessitent un courant continu à partir d'une source alternative. Cette tension de sortie présente encore des ondulations.
Filtrage
En ajoutant un condensateur en parallèle avec la résistance de charge (R) dans un circuit redresseur, il est possible de convertir le signal redressé en un signal quasi-continu (approximativement constant). Cette opération est appelée filtrage et permet de lisser les variations de la tension de sortie. Le condensateur se charge pendant les pics de tension et se décharge lorsque la tension d'entrée diminue, réduisant ainsi l'ondulation du signal.
FAQ sur les diodes
Q1: Qu'est-ce qu'une diode à jonction et comment fonctionne-t-elle ?
R1: Une diode à jonction est un composant semi-conducteur composé de deux régions, P (anode) et N (cathode). Elle agit comme une valve électronique, permettant au courant de circuler facilement dans un sens (sens passant ou direct, de l'anode vers la cathode) et le bloquant dans l'autre sens (sens inverse). Son fonctionnement est régi par la tension appliquée à ses bornes.
Q2: Quelle est la différence majeure entre une diode idéale et une diode réelle ?
R2: Une diode idéale est une simplification théorique qui se comporte comme un court-circuit parfait en polarisation directe (tension nulle à ses bornes) et comme un circuit ouvert parfait en polarisation inverse (aucun courant ne passe). Une diode réelle, quant à elle, présente une chute de tension non nulle en direct (tension de seuil E0) et laisse passer un très faible courant en inverse avant le claquage, et un courant significatif après le claquage.
Q3: Quelles sont les applications principales d'une diode Zener ?
R3: La diode Zener est principalement utilisée en polarisation inverse après son seuil de claquage. Ses applications majeures incluent la stabilisation de tension (régulation), où elle maintient une tension constante à ses bornes malgré les variations de la tension d'entrée, et la protection contre les surtensions, en limitant la tension à une valeur prédéfinie dans un circuit.