Diode
préambule
Voici un article de fond qui va s'attarder sur les caractéristiques des diodes.
Cela n'a pas l'air très important de prime abord... sauf le jour où vous voulez utiliser un optocoupleur avec votre Arduino et que le net manque d'information fiable (car, oui, un Optocoupleur contient une diode).
Comprendre les diodes, c'est aussi être capable de lire leurs fiches techniques et la terminologie utilisé. Comme ces documents sont rédigés en anglais, nous aurons également besoin d'introduire les termes anglophones nécessaire à la bonne compréhension de ces informations.
Les diodes et leurs caractéristiques
Idéalement, les diodes bloquent tout courant qui essaye de les traverser dans le sens inverse (dit "reverse" direction) ET se comportent comme un court-circuit si le courant essaye de le traverser dans le bon sens aussi appelé "sens passant" (et "forward" en anglais. On parle donc de courant dans le sens passant... donc "forward current").
Nous ne vivons malheureusement pas dans un monde idéal, par conséquent les diodes ne se comportent pas idéalement :-/
- Les Diodes consomment une certaine puissance lorsqu'elles conduisent du courant.
- Les Diodes ne bloquent pas parfaitement le courant lorsqu'il essaye de bloquer les courants en sens inverse.
Les Diodes du monde réel sont un peu plus compliquées et elles ont toutes des caractéristiques uniques définissant exactement leur fonctionnement.
Relation Courant-Tension
La caractéristique la plus importante d'une diode est sa relation courant-tension (i-v). Cette caractéristique définit quel courant passe dans la diode et quel est est la tension que l'on peut mesurer aux bornes de la diode.
Par exemple, une résistance dispose d'une relation de simple linéarité entre i-v (la loi d'Ohms). La courbe i-v d'une diode n'est pas entièrement linéaire. Elle ressemble à ceci:
Graphique typique d'une relation courant-tension (i-v) d'une diode classique.
Attention: les échelles de la portion négative et positive sont exagérés pour facilité la compréhension.
Les termes anglophones du régime passant (forward) et inverse (reverse) sont également gardés pour se familiariser avec les termes.
La diode se comporte de façon différente en fonction de la tension (et sens) appliqué sur la diode:
Polarisation directe
Aussi dit "sens passant", lorsqu'elle est polarisée comme indiqué sur le graphique.
La diode est active et le courant peut circuler à travers elle.
La tension appliquée sur la diode doit être supérieure à la tension Vf (Forward Voltage) pour qu'un courant significatif traverse la diode.
Polarisation inverse
Aussi dit "sens bloquant", lorsqu'elle est polarisée à l'inverse du sens indiqué sur le graphique.
Lorsque la tension est située entre -Vbr et Vf alors le courant circulant dans la diode est principalement bloqué. La diode est "bloquante".
Vous noterez néanmoins qu'un très petit courant (de l'ordre du nano ampères) arrive à circuler à l'envers dans la diode.
Ce courant est appelé "reverse saturation current" dans les fiches techniques.
Claquage
Lorsque l'on applique une tension très importante et inversée -ALORS- une grande quantité de courant est capable de traverser la diode en sens inverse (de la cathode à l'anode).
Il faut au moins atteindre la tension Vbr en sens inverse, cette tension est dite "breakdown voltage" ou tension de claquage.
Sur un diode standard, cette tension de claquage "détruit" la jonction de la diode (et donc la diode).
Vf: Forward voltage
Pour activer une diode et permettre le passage du courant dans le sens passant, la diode a besoin qu'une tension minimale soit appliquée à ses bornes.
Cette tension est appelée "Forward Voltage" et notée Vf. Vous pouvez également la trouver nous le nom "cut-in voltage" ou "on-voltage".
Comme nous pouvons le constater sur la courbe i-v, le courant et la tension aux bornes de la diode sont interdépendant. Plus de courant implique un tension plus élevée, moins de tension implique moins de courant.
Une fois que la tension atteint la valeur située autour de Vf, nous pouvons constater une grande augmentation du courant pour de très petit accroissement de la tension. Lorsque la diode est complètement passante (totalement conductrice) il est généralement convenu que la tension au borne de la diode est également à la tension Vf ("forward voltage").
Un multimètre configuré sur la position diode permet de mesurer la valeur minimale de Vf ("forward voltage") pour une Diode.
La tension Vf de chaque diode est spécifique au matériau semiconducteur utilisé pour réaliser le composant. Une diode silicium aura une tension Vf située entre 0.6-1V. Une diode à base de germanium à une tension Vf inférieure, autour de 0.3V. Le type de diode a donc une certaine importance pour connaître la tension aux bornes de la diode; les diodes LEDs (qui sont des Diodes émettant de la lumière) ont une tension Vf bien plus importante, tandis qu'une Diode Schottky sont spécialement conçue pour avoir une tension Vf bien inférieure à la tension habituelle.
Tension de claquage
Egalement appelée "Breakdown Voltage", si une tension négative suffisamment grande est appliquée sur la diode alors la diode s'active en sens contraire et et laisse passer le courant dans le sens inverse.
Cette grande tension négative est appelée "breakdown voltage". Certaines diodes sont conçues pour fonctionner dans la région "breakdown" mais la plupart des diodes normales ne supportent pas très bien les importantes tensions négatives.
Pour les diodes normales on une tension "breakdown voltage" aux alentours de -50V à -100V, ou même plus négative.
Fiche technique d'une Diode
Toutes les caractéristiques ci-dessous devraient se trouver dans les fiches techniques de chaque diode. Par exemple, cette fiche technique (datasheet) pour la diode 1N4148 la tension "forward voltage" maximale est de 1V et la tension de claquage "breakdown voltage" est de 100V:
La fiche technique devrait également présenter un graphique très similaire au graphique courant-tension pour vous détailler le fonctionnement de la diode. Le graphique ci-dessous agrandit la partie positive du graphique i-v (dans le sens passant). Notez comme un courant plus important nécessite une tension Vf plus importante:
Ce graphique met en évidence une autre caractéristique importante des diodes – le courant maximal dans le sens passant ("maximum forward current" aussi noté If(max) ).
Comme tous les autres composants, les diodes sont capable de dissiper une quantité d'énergie maximale avant de claquer.
Toutes les diodes devraient lister les caractéristiques:
- maximum current - courant maximum,
- reverse voltage - tension inverse,
- power dissipation - puissance dissipée.
Si une diode se voit appliquer une tension (ou un courant) plus important que ce qu'elle peut supporter alors attendez vous à la voir chauffer (ou pire; fondre, fumer, exploser, ...).
Certaines diodes sont conçues pour des courants importants – 1A ou plus – d'autres diodes comme la 1N4148 est une diode "small-signal" et plutôt destinée à un courant d'environ 200mA.
Les types de Diodes
Les diodes normales
Standard signal diodes are among the most basic, average, no-frills members of the diode family. They usually have a medium-high forward voltage drop and a low maximum current rating. A common example of a signal diode is the 1N4148. Very general purpose, it’s got a typical forward voltage drop of 0.72V and a 300mA maximum forward current rating.
A small-signal diode, the 1N4148. Notice the black circle around the diode, that marks which of the terminals is the cathode.
A rectifier or power diode is a standard diode with a much higher maximum current rating. This higher current rating usually comes at the cost of a larger forward voltage. The 1N4001, for example, has a current rating of 1A and a forward voltage of 1.1V.
A 1N4001 PTH diode. This time a gray band indicates which pin is the cathode.
And, of course, most diode types come in surface-mount varieties as well. You’ll notice that every diode has some way (no matter how tiny or hard to see) to indicate which of the two pins is the cathode.
Diodes émettant de la lumière
The flashiest member of the diode family must be the light-emitting diode (LED). These diodes quite literally light up when a positive voltage is applied.
Like normal diodes, LEDs only allow current through one direction. They also have a forward voltage rating, which is the voltage required for them to light up. The VF rating of an LED is usually larger than that of a normal diode (1.2~3V), and it depends on the color the LED emits. For example, the rated forward voltage of a Super Bright Blue LED is around 3.3V, while that of the equal size Super Bright Red LED is only 2.2V.
You’ll obviously most-often find LEDs in lighting applications. They’re blinky and fun! But more than that, their high-efficiency has lead to widespread use in street lights, displays, backlighting, and much more. Other LEDs emit a light that is not visible to the human eye, like infrared LEDs, which are the backbone of most remote controls. Another common use of LEDs is in optically isolating a dangerous high-voltage system from a lower-voltage circuit. Opto-isolators pair an infrared LED with a photosensor, which allows current to flow when it detects light from the LED. Below is an example circuit of an opto-isolator. Note how the schematic symbol for the diode varies from the normal diode. LED symbols add a couple arrows extending out from the symbol.
Diodes Schottky
Another very common diode is the Schottky diode. The semiconductor composition of a Schottky diode is slightly different from a normal diode, and this results in a much smaller forward voltage drop, which is usually between 0.15V and 0.45V. They’ll still have a very large breakdown voltage though.
Schottky diodes are especially useful in limiting losses, when every last bit of voltage must be spared. They’re unique enough to get a circuit symbol of their own, with a couple bends on the end of the cathode-line.
Zener Diodes
Zener diodes are the weird outcast of the diode family. They’re usually used to intentionally conduct reverse current. Zener’s are designed to have a very precise breakdown voltage, called the zener breakdown or zener voltage. When enough current runs in reverse through the zener, the voltage drop across it will hold steady at the breakdown voltage.
Taking advantage of their breakdown property, Zener diodes are often used to create a known reference voltage at exactly their Zener voltage. They can be used as a voltage regulator for small loads, but they’re not really made to regulate voltage to circuits that will pull significant amounts of current.
Zeners are special enough to get their own circuit symbol, with wavy ends on the cathode-line. The symbol might even define what, exactly, the diode’s zener voltage is. Here’s a 3.3V zener diode acting to create a solid 3.3V voltage reference:
Photodiodes
Photodiodes are specially constructed diodes, which capture energy from photons of light (see Physics, quantum) to generate electrical current. Kind of operating as an anti-LED.
A BPW34 photodiode (not the quarter, the little thing on top of that). Get it under the sun and it can generate about few µW’s of power!.
Source diverses: Diodes sur learn.sparkfun.com.
Traduit "at the best" par Meurisse D. pour MCHobby.be.
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