Introduction aux diodes et aux redresseurs

Tout sur les diodes

Une diode est un appareil électrique permettant le courant de le traverser dans un sens avec beaucoup plus de facilité que dans l'autre. Le type de diode le plus courant dans la conception de circuits modernes est le semi-conducteur diode, bien que d'autres technologies de diode existent. Les diodes à semi-conducteurs sont symbolisées dans des diagrammes schématiques tels que la figure ci-dessous. Le terme « diode » est habituellement réservé aux appareils à petit signal, I 1 A. Le terme redresseur est utilisé pour les appareils de puissance, I> 1 A.

Symbole schématique de la diode à semi-conducteur :les flèches indiquent le sens du courant.

Lorsqu'elle est placée dans un simple circuit batterie-lampe, la diode autorisera ou empêchera le courant à travers la lampe, en fonction de la polarité de la tension appliquée. (figure ci-dessous)

Fonctionnement de la diode :(a) La circulation du courant est autorisée ; la diode est polarisée en direct. (b) La circulation du courant est interdite ; la diode est polarisée en inverse.

Lorsque la polarité de la batterie est telle que le courant peut circuler à travers la diode, la diode est dite à polarisation directe . A l'inverse, lorsque la batterie est "à l'envers" et que la diode bloque le courant, la diode est dite à polarisation inverse . Une diode peut être considérée comme un interrupteur :« fermée » lorsqu'elle est polarisée en direct et « ouverte » lorsqu'elle est polarisée en inverse.

La direction de la « pointe de flèche » du symbole de la diode indique la direction du courant dans le flux conventionnel. Cette convention s'applique à tous les semi-conducteurs possédant des "pointes de flèche" dans leurs schémas. L'inverse est vrai lorsque le flux d'électrons est utilisé, où la direction du courant est contre la « pointe de flèche ».

Analogie du clapet anti-retour hydraulique

Le comportement de la diode est analogue au comportement d'un dispositif hydraulique appelé clapet anti-retour . Un clapet anti-retour permet au fluide de s'écouler dans un seul sens, comme dans la figure ci-dessous.

Analogie du clapet anti-retour hydraulique :(a) Débit de courant autorisé. (b) Flux de courant interdit.

Les clapets anti-retour sont essentiellement des dispositifs à pression :ils s'ouvrent et permettent l'écoulement si la pression à travers eux est de la « polarité » correcte pour ouvrir la vanne (dans l'analogie illustrée, une pression de fluide plus élevée à droite qu'à gauche). Si la pression est de la « polarité » opposée, la différence de pression à travers le clapet anti-retour se fermera et maintiendra la vanne de sorte qu'aucun débit ne se produise.

Comme les clapets anti-retour, les diodes sont essentiellement des dispositifs à « pression » (à tension). La différence essentielle entre la polarisation directe et la polarisation inverse est la polarité de la chute de tension aux bornes de la diode. Examinons de plus près le circuit simple batterie-diode-lampe illustré plus tôt, cette fois en étudiant les chutes de tension à travers les différents composants de la figure ci-dessous.

Mesures de tension de circuit de diode :(a) Polarisation directe. (b) biais inverse.

Configuration de la diode de polarisation directe

Une diode polarisée en direct conduit le courant et laisse tomber une petite tension à ses bornes, laissant la majeure partie de la tension de la batterie tomber à travers la lampe. Si la polarité de la batterie est inversée, la diode devient polarisée en inverse et laisse tomber tout de la tension de la batterie n'en laissant aucune pour la lampe. Si nous considérons la diode comme un interrupteur à actionnement automatique (fermé en mode de polarisation directe et ouvert en mode de polarisation inverse), ce comportement est logique. La différence la plus importante est que la diode chute beaucoup plus de tension lorsqu'elle est conductrice que le commutateur mécanique moyen (0,7 volt contre des dizaines de millivolts).

Cette chute de tension de polarisation directe présentée par la diode est due à l'action de la région d'appauvrissement formée par la jonction P-N sous l'influence d'une tension appliquée. Si aucune tension appliquée n'est appliquée sur une diode semi-conductrice, une mince région d'appauvrissement existe autour de la région de la jonction P-N, empêchant la circulation du courant. (Figure ci-dessous (a)) La région d'épuisement est presque dépourvue de porteurs de charge disponibles et agit comme un isolant :

Représentations de diodes :modèle de jonction PN, symbole schématique, partie physique.

Le symbole schématique de la diode est représenté sur la figure ci-dessus (b) de telle sorte que l'anode (extrémité pointée) correspond au semi-conducteur de type P en (a). La barre cathodique, extrémité non pointée, en (b) correspond au matériau de type N en (a). Notez également que la bande cathodique sur la partie physique (c) correspond à la cathode sur le symbole.

Configuration de la diode de polarisation inversée

Si une tension de polarisation inverse est appliquée à travers la jonction P-N, cette région d'appauvrissement se dilate, résistant davantage à tout courant qui la traverse. (Figure ci-dessous)

La région d'épuisement s'étend avec un biais inverse.

Tension directe

Inversement, si une tension de polarisation directe est appliquée à travers la jonction P-N, la région d'appauvrissement s'effondre en devenant plus mince. La diode devient moins résistante au courant qui la traverse. Pour qu'un courant soutenu traverse la diode ; cependant, la région d'épuisement doit être complètement effondrée par la tension appliquée. Cela prend une certaine tension minimale à accomplir, appelée tension directe comme illustré dans la figure ci-dessous.

L'augmentation de la polarisation directe de (a) à (b) diminue l'épaisseur de la région d'épuisement.

Pour les diodes au silicium, la tension directe typique est de 0,7 volt, nominal. Pour les diodes au germanium, la tension directe n'est que de 0,3 volt. La constitution chimique de la jonction P-N comprenant la diode explique son chiffre de tension directe nominale, c'est pourquoi les diodes au silicium et au germanium ont des tensions directes si différentes. La chute de tension directe reste approximativement constante pour une large gamme de courants de diode, ce qui signifie que la chute de tension de diode n'est pas comme celle d'une résistance ou même d'un commutateur normal (fermé). Pour une analyse de circuit plus simplifiée, la chute de tension aux bornes d'une diode conductrice peut être considérée comme constante à la valeur nominale et non liée à la quantité de courant.

Équation de la diode

En fait, la chute de tension directe est plus complexe. Une équation décrit le courant exact à travers une diode, étant donné la chute de tension à travers la jonction, la température de la jonction et plusieurs constantes physiques. Elle est communément appelée équation de diode :

Le terme kT/q décrit la tension produite dans la jonction P-N en raison de l'action de la température, et s'appelle la tension thermique , ou Vt de la jonction. A température ambiante, il s'agit d'environ 26 millivolts. Sachant cela, et en supposant un coefficient de « non-idéalité » de 1, nous pouvons simplifier l'équation de la diode et la réécrire comme telle :

Vous n'avez pas besoin de connaître l'« équation de la diode » pour analyser des circuits à diodes simples. Comprenez simplement que la tension a chuté à travers une diode conductrice de courant fait changer avec la quantité de courant qui le traverse, mais que ce changement est assez faible sur une large gamme de courants. C'est pourquoi de nombreux manuels disent simplement que la chute de tension aux bornes d'une diode semi-conductrice conductrice reste constante à 0,7 volt pour le silicium et à 0,3 volt pour le germanium.

Cependant, certains circuits utilisent intentionnellement la relation courant/tension exponentielle inhérente à la jonction P-N et ne peuvent donc être compris que dans le contexte de cette équation. De plus, étant donné que la température est un facteur dans l'équation de la diode, une jonction P-N polarisée en direct peut également être utilisée comme dispositif de détection de température et ne peut donc être comprise que si l'on a une compréhension conceptuelle de cette relation mathématique.

Opération inversée

Une diode polarisée en inverse empêche le courant de la traverser, en raison de la région d'appauvrissement étendue. En réalité, une très petite quantité de courant peut et passe par une diode polarisée en inverse, appelée courant de fuite , mais il peut être ignoré dans la plupart des cas.

La capacité d'une diode à résister aux tensions de polarisation inverse est limitée, comme c'est le cas pour tout isolant. Si la tension de polarisation inverse appliquée devient trop élevée, la diode connaîtra une condition connue sous le nom de panne (figure ci-dessous), ce qui est généralement destructeur.

La tension nominale de polarisation inverse maximale d'une diode est connue sous le nom de Peak Inverse Voltage , ou PIV , et peut être obtenu auprès du fabricant. Comme la tension directe, la cote PIV d'une diode varie avec la température, sauf que PIV augmente avec augmentation de la température et baisse à mesure que la diode devient plus froide, exactement à l'opposé de la tension directe.

Courbe de diode :montrant le genou à une polarisation directe de 0,7 V pour le Si et un claquage inverse.

En règle générale, la valeur PIV d'une diode générique « redresseur » est d'au moins 50 volts à température ambiante. Des diodes avec des cotes PIV de plusieurs milliers de volts sont disponibles à des prix modestes.

AVIS :

• Une diode est un composant électrique agissant comme une valve unidirectionnelle pour le courant.
• Lorsque la tension est appliquée aux bornes d'une diode de telle sorte que la diode autorise le courant, la diode est dite polarisée en direct .
• Lorsque la tension est appliquée aux bornes d'une diode de telle manière que la diode interdit le courant, la diode est dite à polarisation inverse .
• La chute de tension aux bornes d'une diode conductrice polarisée en direct est appelée tension directe . La tension directe d'une diode ne varie que légèrement pour les changements de courant direct et de température, et est fixée par la composition chimique de la jonction P-N.
• Les diodes au silicium ont une tension directe d'environ 0,7 volt.
• Les diodes au germanium ont une tension directe d'environ 0,3 volt.
• La tension de polarisation inverse maximale qu'une diode peut supporter sans « claquer » est appelée Peak Inverse Voltage , ou PIV note.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur la rectification des diodes
• Feuille de travail Jonctions PN