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 nécessaires 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/Avalanche
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 d'avalanche.
Sur un diode standard, cette tension d'avalanche peut être considéré comme une tension de claquage qui "détruit" la jonction de la diode (et donc la diode).
Certaines diodes sont pourtant conçue pour fonctionner sans risque dans cette zone particulière.
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 d'avalanche (claquage) - Vbr
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 d'avalanche "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
Les diodes signal standard sont les membres les plus basiques, habituels et commun de la famille des diodes. Elles ont une tension Vf (Forward Voltage) assez élevées et un courant maximum assez bas. Un exemple de diode signal courante est le 1N4148. Le 1N4148 est prévu pour une utilisation générale, cette diode présente une Vf typique de 0.72V et un courant max de 300mA.
1N4148: une petite diode signal. Notez le cercle noir autour de la diode, elle indique le la cathode (pôle négatif de la diode).
Une diode de puissance ou redresseur dispose d'un courant typique nettement plus important. Ce courant plus élevé à cependant une conséquence, une tension Vf (Forward Voltage) plus élevée. Par exemple, la diode 1N4001 à un courant If de 1A et une tension Vf aux bornes de la diode de 1.1V.
Diode de puissance 1N4001 PTH. Cette fois, c'est une bande grise qui indique la cathode (pôle négatif).
Et, bien entendu, la plupart des diodes sont maintenant des composants montés en surface (CMS/SMD). Vous noterez que chaque diode dispose d'un marquage permettant d'identifier la cathode (le "-")... peu importe la taille du composant où la difficulté à visualiser le marquage.
Diodes émettant de la lumière
Les éléments lumineux de la famille des diode sont communément appelé LED ou DEL.
LED, qui est l'acronyme anglais, signifie Light-Emitting Diode (diode émettant de la lumière). Ces diode s'allume lorsqu'une tension positive est appliquée à ses bornes.
Comme les diodes normales, le courant peut uniquement circuler dans un seul sens. Elles on également une caractéristique Vf (Forward Voltage) est également d'application, il s'agit de la tension nécessaire que le courant circule dans la diode et allumer celle-ci.
La tension de fonctionnement d'une LED (Vf) est habituellement plus élevée qu'une diode normale (1.2~3V) et dépend de la couleur émise par la LED. Par exemple, la tension "forward voltage" d'une LED super brillante bleue est d'environ 3.3V, tandis qu'une LED super brillante rouge aura une tension Vf de 2.2V.
Vous trouverez de nombreuses LEDs dans les applications lumineuses. Elles sont scintillantes et amusantes! Mieux que cela, leur haut rendement en on fait un composant de choix pour l'éclairage de panneau indicateurs, d'afficheurs, recto-éclairage et plus encore.
D'autres LEDs émettent de la lumière non visible pour l'oeil humain, comme les LEDs infrarouges qui représentent l'élément clé de nos télécommandes.
Une autre application des LED est l'optocoupleur, l'isolation photo-électrique de système haute tension. Cela permet de protéger un système base tension des dangers d'un système haute-tension. L'isolation photo-électrique utilise un couple de composant: une LED infrarouge avec un senseur photosensible qui permet au courant de circuler lorsqu'il détecte la lumière de la LED. Vous trouverez ci-dessous un exemple de circuit optocoupleur.
Notez la légère différence du symbole de la diode. Dans le cas d'une LED, celle-ci présente quelques flèches qui s'échappent de la diode.
Diodes Schottky
Une autre diode très commune est la diode Schottky. La composition du semi-conducteur d'une diode Schottky est légèrement différente d'une diode normale et il en résulte une tension de conduction (Vf) bien inférieure. Vf se situe habituellement entre 0.15V et 0.45V. Ces diodes garde malgré tout une tension d'avalanche/claquage (breakdown voltage) élevée.
Les diodes Schottky sont plus utiles dans les applications où il faut limiter les pertes, lorsque chaque milliVolts doit être économisé.
Ces diodes sont suffisamment singulières pour disposer de leur propre symbole! Celui-ce ressemble à celui d'une diode avec des crochets sur la ligne de cathode.
Les diodes Schottky sont également connue pour avoir une commutation très rapide. Avec leur faible tension Vf, cela en fait également un outil de choix pour accepter plusieurs sources d'alimentations sur un projet. C'est par exemple le cas du motor-skin pour MicroPython Pyboard et la carte MicroPython PyBoard qui mettent toutes les deux des diodes schottky pour accepter diverses sources d'alimentation.
Zener Diodes
La diode Zener est l'enfant bizarre de la famille des diodes. Elles sont intentionnellement utilisées pour conduire du courant en sens inverse (reverse current). Les diodes Zeners sont conçues pour avoir une tension d'avalanche Vbr (breakdown voltage) bien précise. Cette tension est appelée zener breakdown ou tension zener. La diode Zener est également prévue pour fonctionner en toute sécurité dans la zone Vbr.
Lorsque assez de courant traverse la diode Zener en sens inverse, la tension aux bornes de la diode Zener est maintenue à la tension d'avalanche.
En profitant des avantages de la propriété d'avalanche (breakdown voltage), les diodes Zener sont souvent utilisées pour créer une tension de référence (à la tension de référence Vbr de la diode Zener). Cela permet de réaliser un régulateur de tension pour les petites charges mais elles ne sont pas faite pour réguler la tension des circuits qui consomment une certaine quantité de courant.
Les Zeners sont suffisamment singulières pour avoir leur propre symbole, avec des lignes en obliques sur la ligne de cathode. Le symbole peut même reprendre la tension Zener de la diode.
Voici un schéma avec une diode Zener de 3.3v destinée à créer une alimentation de référence de 3.3v:
La résistance placée dans le circuit est destinée à limiter le courant traversant la diode Zener lorsque celle-ci est passante car un courant trop important dans la diode détruirait celle-ci.
Photodiodes
Une Photodiode est une diode très particulière capable de capturer l'énergie des photons de la lumière pour générer un courant électrique. Elle fonctionne un peut comme une anti-LED.
Une photodiode BPW34 (la petite chose visible sur la pièce de monnaie). Placez là au soleil et est générera quelques µWatt de puissance!.
Ou acheter
MC Hobby propose différentes diodes sur son webshop
Source diverses: Diodes sur learn.sparkfun.com.
Traduit "at the best" par Meurisse D. pour MCHobby.be.
Toute référence, mention ou extrait de cette traduction doit être explicitement accompagné du texte suivant : « Traduction par MCHobby (www.MCHobby.be) - Vente de kit et composants » avec un lien vers la source (donc cette page) et ce quelque soit le média utilisé.
L'utilisation commercial de la traduction (texte) et/ou réalisation, même partielle, pourrait être soumis à redevance. Dans tous les cas de figures, vous devez également obtenir l'accord du(des) détenteur initial des droits. Celui de MC Hobby s'arrêtant au travail de traduction proprement dit.