Les diodes

Une diode est un composant électronique de base semi-conducteur qui se comporte principalement comme un interrupteur à sens unique commandé électriquement (ci-dessous un ensemble de diodes à jonctions et à LED proposé par benm sur le site Freeimages). Elle est composée d'un semi-conducteur ou de la superposition de deux matériaux et elle est connectée à deux extrémités. À l'origine, en 1867, le physicien Karl Ferdinand Braun a été le premier à découvrir que les cristaux de galène, une espèce minérale composée de sulfure de plomb, ne respectaient pas la loi d'Ohm et ne conduisaient pas l'électricité de la même façon dans un sens ou dans l'autre.

Symbole et caractéristiques physiques d'une diode

Le symbole d'une diode est représenté comme suit :

Dans son principe le plus simple, ce dipôle polarisé ne laisse passer le courant que dans un seul sens; quel que soit son type de l'anode vers la cathode. Le courant ne pourra circuler que de l'anode vers la cathode. Dans le sens contraire, le courant sera bloqué et ne circulera pas. C'est pourquoi ce composant est représenté par deux symboles :

• un triangle pour indiquer le sens de passage du courant électrique.
• une ligne pour indiquer le blocage dans le sens contraire du courant électrique.

Le schéma ci-dessous détaille cette différence :

Cette caractéristique de ne faire circuler le courant électrique que dans un seul sens est le résultat d'une jonction PN. Comme indiqué auparavant, une diode est un semi-conducteur. Elle est donc composée d'une jonction de type PN, qui correspond à la jonction entre :

• un semi-conducteur de type N
• un semi-conducteur de type P

Ces deux semi-conducteurs proviennent d'un même cristal ou matière. Le schéma ci-dessous explique cette différence de jonctions PN :

Particularité de fonctionnement

Ce composant dispose d'un principe de fonctionnement simple puisqu'il dispose de deux états de fonctionnement :

• un état passant, et,
• un état bloqué.

Les deux schémas ci-dessous vous expliquent ce mode de fonctionnement un peu particulier :

État passant	État bloqué
Le courant circule librement	Le courant est bloqué

Nous avons mis en place une diode à jonction en série avec une diode LED, cette dernière n'étant utilisée que dans son sens passant pour nous indiquer le passage d'un signal électrique ou pas.

Pour vous familiariser avec ce mode de fonctionnement : bloquée ou passante ? Nous vous proposons un travail pratique vous expliquant comment connecter une diode à jonction à l'aide d'une lampe témoin, d'une source d'énergie et d'une résistance : la diode à jonction

Il est à noter également que nous trouvons une large gamme de diodes dans le domaine de l'électronique et ce, du fait des caractéristiques des deux semi-conducteurs qui la constituent. Nous allons ainsi découvrir ensemble dans la section suivante tout cela.

Différents types de diodes

Ayant un périmètre d'application très large, dans l'industrie aujourd'hui, nous retrouvons différents types de diodes tels que :

• la diode de redressement : appelée aussi diode à jonction. Ce type de diode ne présente pas de réponse rapide, mais supporte de grandes tensions et des polarités inversées importantes. On utilise ces dernières dans les convertisseurs de courant alternatif/continu basés sur un pont de Graetz.
• la diode Zener : une diode dont le principe consiste à fournir une tension fixe entre l'anode et la cathode lorsqu'elle est excitée par une polarité inversée. Ce composant est généralement utilisé dans les régulateurs de tension.
• la diode LED : est un composant qui a la particularité d'émettre de la lumière, outre le fait qu'il s'agisse d'une diode. Sur le marché, on trouve aujourd'hui des diodes LED de toutes les couleurs. L'abréviation LED de l'expression anglaise « Light-Emitting Diode » (ou DEL en français pour « Diode ElectroLuminescente ») explique leur nom. Il existe aussi d'autres configurations de LED telles que :
  • LED bicolores : qui ne sont que deux LED de couleurs différentes installées dans un même boîtier. 
  • LED RGB : il s'agit de trois LED regroupées dans un même boîtier qui permettent de mélanger les trois couleurs (rouge, vert et bleu) pour composer la couleur souhaitée.
  • LED blanches : elles ont envahi le domaine de l'éclairage domestique et public aujourd'hui en raison de leur faible consommation d'énergie. Ces diodes blanches sont généralement des diodes LED bleues couvertes d'une matière fluorescente qui transforme une partie de son spectre en couleur rouge et jaune. 
  • Afficheur à segments : le plus connu est l'afficheur à 7 segments dont l'application est l'affichage des chiffres de 0 à 9 ainsi que les différentes lettres utilisées dans le système hexadécimal à savoir : a, b, c, d, e et f. Ce composant contenant 7 diodes LED et généralement une 8^ème, le séparateur de décimale modélisé sous forme d'un point. Pour mieux comprendre cela, le schéma à gauche ci-dessous vous résume le schéma d'un afficheur à 7 segments doté d'un séparateur décimal (vous pouvez consulter la datasheet de la référence 5161AS - Afficheur 7 segments pour plus de détails) et celui à droite nous montre la disposition des différents segments pour former un afficheur à 7 segments :

Et sur le marché des composants, nous retrouvons également d'autres formes d'afficheurs à base de diode LED tels que : le bargraph, l'afficheur matriciel, etc.

• la diode de Schottky : appelée également diode à porteuse chaude ou à barrière de surface. Elle est utilisée dans les circuits d'alimentation à découpage et se distingue par la baisse de tension directe minime et par sa commutation extrêmement rapide.
• la diode de signal : ce composant permet de traiter des signaux analogiques. Son utilisation est très répandue dans différents domaines d'application d'aujourd'hui. Son principal atout est son temps de réponse très rapide, mais elle ne supporte que de faibles courants.
• la diode Varicap : abréviation de son nom complet en anglais variable capacity, appelée également varactor, de l'abréviation variable reactor et même encore diode à capacité variable est une diode dont le comportement particulier prend la forme d'un condensateur à capacité variable en fonction de la tension négative appliquée à ses bornes.
• la photodiode : est tout simplement un composant dont la capacité est de transformer la lumière (une onde du spectre lumineux, généralement provenant du soleil) en un courant électrique, y compris les ondes infrarouges reçues.
• la diode laser : c'est un dipôle électroluminescent qui émet une lumière à une longueur d'onde spécifique. Son principe de fonctionnement est basé sur le principe de l'émission stimulée.

Caractéristique d’une diode réelle

Idéalement, la résistance de ce composant tend vers 0 Ω pour toutes les tensions positives et une résistance qui tend vers l'infini pour toutes les tensions négatives. Cela donne une tension nulle pour le cas positif, puisqu'elle est passante (c'est-à-dire l'équivalent d'un interrupteur fermé), et un courant nul puisqu'elle est bloquée (c'est-à-dire l'équivalent d'un interrupteur ouvert). La courbe ci-dessous détaille la courbe de réponse d'une diode ainsi que les différentes zones de fonctionnement :

avec :

• Vr : c'est la valeur minimale de la tension à partir de laquelle la diode perd sa caractéristique de diode bloquée. Vr est l'abréviation du terme "breakdown voltage" en anglais. Pour une diode classique telle que la diode de redressement, la diode grille si une tension inférieure à cette valeur est appliquée à ses bornes. En revanche, la diode Zener est conçue pour fonctionner à sa tension de claquage.
• VF : c'est la tension à partir de laquelle la diode devient passante, $V_F$ est l'abréviation du terme "Forward Voltage" en anglais.

Ces valeurs dépendent en général de la nature du semi-conducteur de la diode. Par exemple, la valeur $V_F$ est égale à 0.7 V pour le silicium alors qu'elle est égale à 0.3 V pour le germanium.

Quelques références

Il existe un large catalogue de références de diodes disponibles sur le marché des composants électroniques. Ces composants se distinguent principalement par leurs caractéristiques électriques telles que : leur courant admissible et leur tension inverse maximale, mais aussi par leur taille afin de répondre aux exigences des différentes applications.

Pour découvrir quelques références, nous vous invitons à consulter les quelques fiches techniques ci-dessous :

• 1N4007 : l'une des références de diodes de redressement les plus répandues,
• 1N4148 : une diode de commutation rapide aussi largement utilisée,
• NTE3019 : une diode électroluminescente rouge dont le diamètre est de 5 mm, et, 
• 5161AS : un afficheur à 7 segments à cathode commune.

Exemple d'application : Le pont de Graetz

Le pont de Graetz est l'une des applications directes et simples de la diode à jonction. Il permet de redresser un signal alternatif (appelé aussi à double alternance) en un signal continu à l'aide d'un pont composé de quatre diodes.

Ce montage, appelé aussi un redresseur double alternance, permet de convertir un signal de forme est sinusoïdale en un courant monophasé positif ou négatif à double alternance. Généralement, ce système est utilisé pour convertir le courant alternatif de 220 V ou 110 V fourni par notre fournisseur d'électricité en un courant continu de l'ordre de 24 V, 12 V, 9 V, 5 V ou autre en fonction de nos besoins.

Ainsi, les deux courbes ci-dessous nous résument la forme du signal électrique à l'entrée de ce système U_in et à sa sortie U_out :

Uin : Signal sinusoïdal	Uout : Signal monophasé double alternance

Quelques références de ponts de Graetz

Vous pouvez également retrouver ce montage sous forme de composant dans le commerce ou dans les magasins de composants électroniques sous différentes formes et tailles selon le courant et la puissance qu’il peut supporter. Ci-dessous quelques références :

• MB10F : un pont qui supporte une tension inverse répétitive maximale de 1 kV et un courant redressé moyen maximal de 0.8 A.
• GBU1510 : un pont qui supporte une tension inverse répétitive maximale de 1 kV et un courant redressé moyen maximal de 15 A.

Evidemment, nous retrouvons de nombreuses autres références de ponts de Graetz disponibles sur le marché des composants électroniques.

Pour aller plus loin : Le pont de Graetz

Pour compléter le redressement de ce courant sinusoïdal, un condensateur est monté à la sortie de ce pont de Graetz pour obtenir un courant continu quasiment linéaire.

Exercice d'application directe du pont de Graetz Pour mieux comprendre ce système de redressement à base de pont de Graetz, electro-robot vous propose une activité de découverte : Le convertisseur AC-DC ( CA- CC : alternatif - continu )