Diodes et Applications (PDF) - Chapitre III

CHAPITRE III : DIODES ET APPLICATIONS I- LA DIODE A JONCTION PN I.1 – Description et symbole I.2 – Caractéristique d’une diode I.3 – Schémas équivalents : Modélisation des diodes I.4 – Limitations d’une diode I.5 – Diode en commutation II- QUELQUES APPLICATION...

CHAPITRE III : DIODES ET APPLICATIONS I- LA DIODE A JONCTION PN I.1 – Description et symbole I.2 – Caractéristique d’une diode I.3 – Schémas équivalents : Modélisation des diodes I.4 – Limitations d’une diode I.5 – Diode en commutation II- QUELQUES APPLICATIONS DES DIODES A JONCTION II.1 – Redressement II.2 – Ecrêtage ou limitation de tension III- DIODE ZENER III.1 – Généralités III.2 – Utilisation de la diode Zener en stabilisateur de tension 1  I- LA DIODE A JONCTION PN I.1 – Description et symbole  L’application de base des jonctions PN est la diode à jonction. La diode est un dipôle constituée d’une jonction insérée dans un boitier muni de contacts métalliques permettant de relier les zones N et P au circuit extérieur. P N Contact métallique Contact métallique Boîtier  Symbole :  L’une des bornes appelée Anode (notée A) A K correspond à la zone P.  L’autre borne appelée Cathode (notée K) Id correspond à la zone N. Vd  Vd = VA - VK La dissymétrie de la représentation symbolique traduit quelque peu le fonctionnement asymétrique du composant. Lorsque le courant circule de A vers K, la diode est polarisée en direct ou dans le sens passant (Id > 0 et Vd > 0). Par contre, lorsque le courant circule de K vers A, la diode est polarisée en inverse ou dans le sens bloquant (Id < 0 et Vd < 0). I.2 – Caractéristique d’une diode Il s’agit de déterminer la courbe Id = f(Vd), à partir du montage suivant : Id R A Avec :  v = source continue variable R = résistance de protection de la diode contre les v Vd D forts courants. Vj = d.d.p aux bornes de la Zone de Transition  Vd = d.d.p aux bornes de la diode K Vj L’équation du courant Id est déduite de la théorie de la jonction PN : I d  I s (e  1) UT Id A T = 300K, UT = 26mV. On écrit aussi: V j  U T ln(  1). Is * Dans le cas des faibles courants de fonctionnement, on néglige les chutes de tension dans les régions quasi neutres (RQN) et au niveau des contacts, d’où : Vj ≈ Vd Vd  I d  I s (e UT  1) : 2   En polarisation directe, Vd  o  I d  I S.eVd / UT , d’où une allure exponentielle.  En polarisation inverse, Vd  o  I d   I S ; le courant de saturation Is varie avec la Wg  température suivant la loi : I S  aT.3.e kT (Wg ≈ 1,12ev pour le silicium. Is est de l’ordre de quelques nA).  De plus, si la tension inverse devient très négative (≈ -200Volts), on assiste au phénomène de claquage par avalanche qui se traduit par un accroissement très rapide du courant inverse. * En direct, quand le courant devient relativement important, on tient compte des chutes de tension dans les RQN ; en fonctionnement usuel, on admet que ces chutes sont ohmiques et représentées par une résistance Rs en série avec la jonction idéale : Vd = Vj + Rs.Id > Vj. L’allure devient alors linéaire, avec une pente Rs = Vd/Id. Id (mA) Allure Allure expérimentale exponentielle (linéaire) Polarisation directe : 0 < V < 1Volt 0 Vd (volts) - Is V0 Polarisation inverse : Vo) que si Vd > Vo. Vo est la tension de seuil. La diode se comporte alors comme une force contre électromotrice (fcem) de valeur Vo. Id A K R=0 Id Vo R=∞ Vd 0 Vo Vd Schéma électrique équivalent Caractéristique correspondante 4  I.3.3 – Diode idéale avec seuil et résistance interne C’est le modèle se rapprochant de la caractéristique expérimentale. Id A Id K  Rs Rs = tg  Vo Vd 0 Vo Vd Schéma électrique équivalent Caractéristique correspondante  Pour Vd < Vo, Id = 0 : la diode est bloquée  Pour Vd > Vo, la diode est passante, et on a : Vd = Vo + Rs.Id. (Rs est de l’ordre de quelques Ohms) I.4 – Limitations d’une diode I.4.1 – Limitation en température L’augmentation de la température entraîne une augmentation très rapide du courant de saturation IS. Ce qui limite l’utilisation des jonctions à  175°C pour le silicium et à  75°C pour le germanium. (Pour le silicium IS double tous les 7°C). I.4.2 – Diode polarisée en inverse. Le phénomène d’avalanche limite la tension inverse à une valeur notée VRM (plus de 200 V). I.4.3 – Diode polarisée en direct La densité maximale des porteurs, traversant la jonction, limite le courant direct à une valeur notée IFM. Cependant, pendant des temps très courts (précisés par le constructeur), la diode supporte un courant direct beaucoup plus important noté IFSM. I.4.4 – Limitation en puissance Cette limitation traduit l’aptitude de la diode à se débarrasser, sous forme de chaleur rayonnée, de l’énergie électrique Pe = v.i qu’elle reçoit. Elle dépend des conditions de refroidissement et de la température ambiante.  Soit Tj la température de la jonction échauffée par la puissance Pe. Si Ta désigne la température ambiante, alors la puissance dissipée par la diode dans le milieu ambiant, appelée puissance thermique, est proportionnelle à l’excès (Tj-Ta). Le coefficient de proportionnalité est la conductance thermique  , dont l’inverse est la résistance thermique RTh.  On a PTh   T j  Ta   T j  Ta . (Tj-Ta) est exprimée en Kelvin (K).  en W/K RTh. RTh en K/W T  Ta . PTh en Watts (W). A l’équilibre, on a PTh  Pe   v.i j RTh Si la jonction atteint sa température limite Tjmax, alors la puissance maximale que peut dissiper la T j max  Ta  diode est : Pe max  PTh max  RTh 5  I.5 – Diode en commutation Il s’agit ici d’étudier le comportement ‘‘état passant’’ - ‘‘état bloqué’’ de la diode.. Considérons le montage suivant : i.ve est un signal, délivré par un générateur d’impulsions, dont la forme est donnée ci-dessous : ve vR R ve +E1 t -E2  Si la diode était idéale, elle permettrait l’application de toute la tension ve à la résistance R lorsque ve = + E1, et elle bloquerait le passage du courant lorsque ve = - E2. Le courant i aurait alors la forme suivante : i +E1/R t  En réalité, le courant i à l’allure suivante : i On constate que : tr - lors du passage de l’état bloqué à l’état conducteur de la diode, le courant i met un temps tr avant d’atteindre +E1/R ts tf t sa valeur d’équilibre E1/R ; - lors du passage de l’état passant à l’état bloqué, -Is le courant inverse -E2/R apparaît pendant un temps ts, -E 2/R appelé temps de stockage, avant de tendre vers son nouvel état d’équilibre -Is, durant le temps d’établissement tf. (En pratique, ts>>tf et tr).  Ce phénomène résulte du fait que quand on inverse brutalement la polarité aux bornes de la diode, la charge stockée Qs à l’état passant ne disparaît pas instantanément. Elle maintient ainsi la diode en conduction, et elle est traversée par le courant i = -E2/R. Ce courant est dû à l’action du champ inverse qui draine cette charge Qs vers la zone de transition. Le temps mis pour éliminer complètement la charge stockée, appelé temps de stockage ts, dépend des conditions d’utilisation (E1 et E2). Le constructeur indique le temps trr de recouvrement inverse (100 ns à quelques s) ≈ ts + tf ≈ ts Les temps de montée tr et d’établissement tf sont dus à la capacité de transition. 6 II- QUELQUES APPLICATIONS DES DIODES A JONCTION II.1 – Redressement Le redressement consiste à transformer un signal (tension ou courant) bidirectionnel (alternatif) en un signal unidirectionnel (continu). Exemple : Signal alternatif Signal continu s(t) e(t) + + t 0 - t 0 Le redressement est utilisé pour le traitement de signaux (détection, démodulation, …), et pour l’alimentation d’appareillages électriques à partir de tension alternative (exemples : tension secteur 220Veff, alternateur de voiture, …). II.1.1 – Redressement simple ou mono alternance On suppose ici la diode idéale (interrupteur parfait).  Soit le montage schématisé suivant : id. Ve = VM.sin t, avec T = 2/. Ve Vd VR  On a : Ve = Vd + VR; id = VR /R. R  Pour Ve > 0, la diode est passante ; alors Vd = 0, et VR = Ve (la sortie recopie les alternances positives).  Pour Ve < 0, la diode est bloquée ; alors VR = 0, et Vd = Ve (la diode retient les alternances négatives).  On obtient les allures suivantes des tensions : Ve VM t 0 T 2T T/2 -VM L’angle de passage du signal redressé Vd VR est égal à . t 0 T 2T  Valeur moyenne de VR : T/2 1 T   V R   V R (t ).dt  2 0 -VM VM. sin t.dt T 0 VR VM V R VM  VR  et id   VM  R R t 0 T 2T T/2 7   Valeur efficace de VR : 1 1  1 T 2    2  0 R    2 2 2 VRe ff V (t ).dt   V. sin t.dt   2 M T  0  V VRe ff V  VRe ff  M et ideff   M 2 R 2R NB:- La tension inverse maximale aux bornes de la diode bloquée devra être telle que: VRM>VM.  Le courant direct moyen VM/R devra être tel que : IFM > VM/R.  Si le modèle de la diode utilisé prend en compte une tension de seuil V0, il faudrait le soustraire de la tension maximale VM pour obtenir l’amplitude du signal redressé VRmax. II.1.2 – Redressement double ou bi alternance On suppose toujours les diodes idéales. Deux montages sont proposés : a) Montage à deux diodes avec transformateur à point milieu (« va et vient »)  Montage: id1. On a : iR = id1 + id2 = VR/R. D1 Ve1 VR. Ve1 = -Ve2 = VM.sin t, avec T = 2/. M Ve R iR Ve2 ~ id2 Transformateur D2 à point milieu  Pour Ve1 > 0, Ve2 < 0 : la diode D1 est passante et la diode D2 est bloquée ; alors id2 = 0, et VR = Ve1, iR = id1 = Ve1/R.  Pour Ve1 < 0, Ve2 > 0 : la diode D2 est passante et la diode D1 est bloquée ; alors id1 = 0, et VR = Ve2 = -Ve1, iR = id2 = -Ve1/R.  On obtient les allures suivantes des tensions et courant: Ve1 VM t 0 T 2T T/2  Tension inverse aux bornes d’une diode -VM bloquée (exemple du cas où D1conduit id1 et D2 bloquée) : VM/R 0 t VR = Ve1, Vdinv = -VR + Ve2 = 2 Ve2. D’où la valeur maximale : T/2 T 2T | Vdinvmax| = 2VM. VR Les diodes utilisées devront supporter VM une tension inverse minimale de 2VM. t 0 T 2T T’ = T/2 (Ex., pour VM  220 2  311V , Vdinv max  622V. 8  b) Montage à pont de diodes (pont de Graëtz)  Montage: A D4. Ve = VM.sin t, avec T = 2/. D1 VR Ve - Pour Ve > 0: les diodes D1 et D3 sont passantes et les C R D diodes D2 et D4 sont bloquées ; alors VR = Ve > 0. - Pour Ve < 0: les diodes D2 et D4 sont passantes et les + - D2 diodes D1 et D3 sont bloquées ; alors VR = -Ve > 0. D3 - La tension VR reste toujours positive. B  On obtient les allures suivantes des tensions: Ve VM t 0 T 2T T/2  Tension inverse aux bornes d’une diode -VM bloquée : Vdinv = -Ve. VR VM D’où la valeur maximale : | Vdinvmax| = VM. t 0 T 2T Les diodes utilisées ne devront supporter T’ = T/2 qu’une tension inverse minimale de VM.  Avantages du montage à pont de Graëtz par rapport au montage précédent :  Il n’est pas nécessaire d’utiliser un transformateur à point milieu encombrant et coûteux.  La tension inverse crête est deux fois moins élevée.  Les ponts de diodes existent en circuits intégrés (ils sont moins coûteux que le prix de 4 diodes). Ce qui rend le montage moins complexe. c) Valeurs moyenne et efficace de la tension redressée VR La période du signal redressé VR est T’ = T/2. Un redressement double alternance peut être utilisé comme doubleur de fréquence.  Valeur moyenne de VR : 1 T'   2VM VR 2VM VR   VR (t ).dt    VM. sin t.dt  VR  et i R   T' 0  0  R R  Valeur efficace de VR : 1 1   1 T' 2  2  2 V VRe ff VM    VR (t ).dt      VM. sin 2 t.dt   VRe ff  M et iRe ff   2 VRe ff T ' 0    R 0 2 2.R  Le redressement peut être suivi d’un filtrage à l’aide de condensateurs aux fins de réduire les ondulations et faire tendre le signal redressé vers une valeur continue constante. 9  II.2 – Ecrêtage ou limitation de tension Les limiteurs sont conçus pour protéger les appareils électriques contre des tensions supérieures ou inférieures à un seuil. II.2.1 – Ecrêteur positif La diode utilisée est supposée idéale  Montage : Analyse : R - Ve = VM.sin t, avec VM > E - D conduit (interrupteur fermé) si Ve > E ; Ve D Vs alors Vs = E. E - D est bloquée (interrupteur ouvert) si Ve < E ; alors Vs = Ve.  Tracé des caractéristiques Vs = f(t) et Vs = f(Ve) : Vs Ve Vs VM E E -VM Ve t 0 0 E +VM T -VM -VM On remarque que la tension de sortie Vs ne peut excéder le seuil E. II.2.2 – Ecrêteur double Il s’agit de combiner un écrêteur positif et un écrêteur négatif. Les diodes utilisées sont également supposées idéales.  Montage : Analyse : R - Ve = VM.sin t, avec VM > E2 > E1 - D1 conduit et D2 bloquée si Ve > E1 ; alors Vs = E1. Ve D1 D2 Vs - D2 conduit et D1 bloquée si Ve < -E2 ; alors Vs = -E2. E1 E2 - D1 et D2 sont bloquées si –E2 < Ve < E1 ; alors Vs = Ve. - D1 et D2 conduisent si Ve > E1 et Ve < -E2; ce cas est impossible. 10   Tracé des caractéristiques Vs = f(t) et Vs = f(Ve) : Vs Ve Vs VM E1 E1 -VM -E2 Ve t 0 0 E1 +VM T -E2 -VM -E2 -VM On remarque que la tension de sortie Vs ne peut excéder le seuil supérieur E1 et le seuil inférieur E2. 11 III- DIODE ZENER III.1 – Généralités La diode Zener a été conçue pour exploiter en polarisation inverse le phénomène dit d’effet Zener, qui peut être décrit comme suit : lorsque le champ inverse dans la jonction augmente jusqu’à atteindre une valeur critique Ez (de l’ordre de 107V.m-1), il arrache des électrons aux atomes en provoquant leur passage de la bande de valence (BV) à la bande de conduction (BC) par rupture de liaisons covalentes ; ce qui entraîne la génération de porteurs libres supplémentaires, d’où l’augmentation du courant inverse.  Symbole de la diode Zener : ou  Caractéristique courant – tension : I  En polarisation directe, la caractéristique est identique Idmax EN DIRECT à celle d’une diode à jonction classique. Idmax est le courant maximal à ne pas dépasser.  En polarisation inverse, la caractéristique présente une courbure à angle droit, indiquant ainsi une augmentation brutale du courant pendant que la tension reste sensiblement -Vz 0 V0 V constante : c’est le claquage par effet Zener ; la diode peut supporter sans destruction la tension -Izmin de claquage Vz à condition que le courant inverse ne dépasse pas la valeur maximale IZMax. Effet Zener Les diodes Zener existent avec des tensions nominales EN INVERSE 2V < Vz < 200V. -IZMax On définit la résistance interne dans la zone Zener (résistance Zener) par : rz = (dV/dI) inverse. Sa valeur est très faible (quelques Ohms).  Modélisation en fonctionnement inverse :  Diode Zener idéale : Dans ce cas, la diode peut être assimilée à une force contre électromotrice (fcém) Vz : I I Vz rz = 0 V = Vz Schéma électrique équivalent 0 Vz V Caractéristique correspondante 12   Diode Zener non idéale : I I rz  rz = tg  Vz V = Vz + rz.I 0 Vz V Schéma électrique équivalent Caractéristique correspondante III.2 – Utilisation de la diode Zener en stabilisateur de tension  Schéma de principe : IR IS R E VZ Rc VS IZ Montage stabilisateur Charge L’objectif est de maintenir la tension VS aux bornes de la charge Rc sensiblement constante, lorsque la tension d’alimentation E varie entre une valeur minimale Emin et une valeur maximale Emax, et/ou le courant IS varie entre 0 et ISmax. Pour ce faire, il faut choisir convenablement la résistance de stabilisation R en fonction des caractéristiques de la diode et des conditions de travail.  Choix de la résistance R : Cette résistance est calculée de telle sorte que le courant dans la diode reste dans sa zone Zener où VZ est quasiment constante: IZmin < IZ < IZmax. On a : IZ = IR – IS = (E-VZ)/R – IS.. La condition IZ < IZmax impose dans les cas les plus défavorables, c’est-à-dire lorsque E=Emax et IS = 0, la relation : (Emax -VZ)/R < IZmax, soit R > (Emax -VZ)/IZmax = Rmin.. La condition IZ > IZmin impose dans les cas les plus défavorables, c’est-à-dire lorsque E=Emin et IS = ISmax, la relation : (Emin -VZ)/R > (IZmin + ISmax), soit R < (Emin -VZ)/ (IZmin + ISmax) = Rmax. D’où : Emax  VZ  Emin  VZ  Rmin  R  Rmax I Z max I Z min  I S max  Qualité de la stabilisation : Cette qualité est évaluée par la relative variation VZ de la tension VZ, résultant d’une petite variation E de E et IS de IS. On écrit : VZ =E/ –.IS , avec :  = facteur de stabilisation amont, et  = facteur de stabilisation aval. 13 Le schéma équivalent du montage en régime faible variation est : IR IS R IZ E VZ Rc rz   R  rz. Calcul de  :    E      R , car R  rz  V  rz r  Z  I S 0 z  VZ  R.rz. Calcul de :         rz , car R  rz  I S  E 0 R  rz 14