CIRCUITS ÉLECTRONIQUES

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1 CIRCUITS ÉLECTRONIQUES ELE2302 Chap. 2 : Diodes Applications Abdelhakim Khouas Tél. : poste 5116 Local : M-5416 Courriel : Département de Génie Électrique École Polytechnique de Montréal

2 Objectifs Appliquer les notions théoriques vues la semaine dernière Apprendre à analyser des circuits conçus avec des diodes Se familiariser avec certaines applications importantes en électronique Régulateur de tension Convertisseur AC-DC ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 1

3 Plan Régulateur de tension avec la diode Zener Convertisseur AC-DC Redresseurs Redresseur simple alternance Redresseur double alternance Redresseur en pont Redresseur avec filtre Autres applications Autres types de diode ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 2

4 Régulateur de tension C est quoi? C est un circuit qui permet de fournir une tension constante Pourquoi? Pour garder la tension la plus constante possible, lorsqu on a : Comment? Changement dans le courant de charge (résistance de charge) Variations dans la tension d alimentation Utilisation de la diode en polarisation directe Voir modèle chute de tension de la diode Utilisation de la diode en polarisation inverse (diode Zener) «Shunt regulator» ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 3

5 Diode Zener (rappel) C est quoi une diode Zener? Diode qui a été modifiée pour qu elle fonctionne en région de Cassure Équation de la diode Zener (caractéristique i-v) Pour un courant I Z >I ZK, on a : V = V + r I Z Z0 Z Z I ZK : Courant de Knee Zener r Z : résistance incrémentale au point d opération V Z0 : Tension correspondant à l intersection de la droite avec l axe I Z =0 (V Z0 =V ZK ) Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 4

6 Régulateur de tension (diode Zener) Exemple d un régulateur de tension On dispose d un bloc d alimentation fournissant une tension V + de 10V avec des variation de ±1V. On désire régulariser la sortie à 6,8V en utilisant le circuit exemple «shunt regulator» ci-contre. La diode Zener utilisée est une 6.8V-5mA diode avec I ZK =0.2 ma et r Z =20 Ω. La résistance R=0.5kΩ. Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 5

7 Régulateur de tension (diode Zener) Exemple d un régulateur de tension a) Calculer V o sans la charge et lorsque V + =10V. b) Calculez ΔV o produit par un changement de ±1V sur V + «lineregulation» c) Calculez ΔV o produit en branchant une résistance de charge R L =2kΩ «load regulation» d) Calculez V o produit en branchant une résistance de charge R L =0,5kΩ e) Quelle est la plus petite valeur de R L qui permet de faire fonctionner la diode Zener dans la région de cassure? Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 6

8 Régulateur de tension (diode Zener) Exemple d un circuit régulateur de tension utilisant la diode Zener «shunt regulator», (a) circuit et (b) circuit équivalent Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 7

9 Régulateur de tension (diode Zener) Exemple d un régulateur de tension Caractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec I ZK =0.2 ma et r Z =20 Ω. a) Calcul de V o sans la charge 1- Calcul de V, on a : 6.8 = V Z 0 Z0 Z0 V = = 6.7V 2- Calcul de V sans charge : V = V I Z 0 0 Z 0 Z Z V V R+ r Z 0 = = = On a : V = V + r I 0 Z 0 Z0 Z Z V = = 6.83V 6.35mA Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 8 + r I

10 Régulateur de tension (diode Zener) Exemple d un régulateur de tension Caractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec I ZK =0.2 ma et r Z =20 Ω. b) Calcul de ΔV o pour ΔV + =±1V On a : V = V Δ V = r ΔI On a : 0 I Z 0 Z0 Z Z Z Z + r I V V ΔV = Δ = R r R r + + Z 0 IZ + Z + Z + ΔV 20 Δ V0 = rz =± =± 38.5mV R+ r 520 Z Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 9

11 Régulateur de tension (diode Zener) Exemple d un régulateur de tension Caractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec I ZK =0.2 ma et r Z =20 Ω. c) Calcul de ΔV o pour R L =2kΩ Le courant dans la charge est : 6.8 IL = 3.4mA 2 Donc ΔI = I = 3.4mA On a : Δ V = r ΔI 0 Z 0 Z Δ V = 20 ( 3.4) = 68mV L Z Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 10

12 Régulateur de tension (diode Zener) Exemple d un régulateur de tension Caractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec I ZK =0.2 ma et r Z =20 Ω. d) Calcul de V o pour R L =0.5kΩ Si on considère que V 6.8V alors : le courant dans la charge est : 6.8 IL = 13.6 ma (ce qui est impossible) 0.5 Donc la diode est bloquante R =0 et = + L V0 IL V R + R L 0.5 V0 = 10 = 5V 1 0 Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 11

13 Régulateur de tension (diode Zener) Exemple d un régulateur de tension Caractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec I ZK =0.2 ma et r Z =20 Ω. e) Calcul de la plus petite valeur de R L qui permet de faire fonctionner la diode Zener dans la région de cassure Le courant min est : I = 0.2mA V = + 0 Z min Le courant fourni à travers R est : + V V I = = = 6.6mA R 500 Le courant à travers R est : I = = 6.4mA R V k 0 Lmin = = Ω I L 6.4 L L ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 12 V Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

14 Redresseur C est quoi? C est un circuit qui permet de transformer une source de tension alternative, dont la valeur moyenne est nulle, en une tension dont la valeur moyenne est plus grande que zéro Le redresseur est l application des diodes la plus importante Pourquoi? Le redresseur est utilisé dans les blocs d alimentation DC Types de redresseur : Redresseur simple alternance Redresseur pleine onde avec prise médiane Redresseur pleine onde en pont ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 13

15 Redresseur Diagramme bloc d un circuit d alimentation DC. Le circuit d alimentation permet d obtenir une tension DC aussi constante que possible, il est composé des blocs suivants : 1) Transformateur 2) Redresseur 3) Filtre 4) Régulateur de tension Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 14

16 Redresseur simple alternance Diode ON Diode OFF Redresseur simple alternance et la réponse du circuit dans le cas d une diode idéale Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 15

17 Redresseur simple alternance Calcul de la fonction de transfert Pour v p V, on a : v = 0 s D0 0 Pour v f V, on a : s D0 R v = ( v V ) (Diviseur de tension) 0 s D0 R+ rd Pour R r, on a : D v v V 0 s D0 Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 16

18 Redresseur simple alternance 2 V D0 1 v0 vs V D0 Tension (V) Temps Signaux d entrée et de sotie d un redresseur simple alternance (R>>r D ) ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 17

19 Redresseur simple alternance v0 vs 2 v0 vs Tension (V) Tension (V) Temps Temps (a) (b) Signaux d entrée et de sotie d un redresseur simple alternance, a) pour R=100*r D et b) pour R=r D ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 18

20 Redresseur simple alternance v0 vs v0 vs Tension (V) 0-2 Tension (V) Temps -1 0 Temps (a) (b) Signaux d entrée et de sotie d un redresseur simple alternance, a) pour Vs =10*V D0 et b) pour Vs=1.1*V D0 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 19

21 Redresseur simple alternance (a) Redresseur simple alternance, (b) circuit équivalent, (c) fonction de transfert du redresseur, et (d) signaux d entrée et de sortie du circuit Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 20

22 Redresseur simple alternance Caractéristiques importantes d un redresseur la tension inverse de crête «Peak Inverse Voltage» (PIV) le courant maximum Tension PIV C est la tension inverse maximale aux bornes de la diode pour laquelle celle-ci demeure bloqué mais n entre pas dans la région de cassure Courant maximum C est la valeur maximum du courant en polarisation directe que la diode peut supporter ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 21

23 Redresseur simple alternance Exemple d un redresseur simple alternance Soit le redresseur simple alternance composé d une diode en série avec une résistance R=100Ω. On suppose que la diode possède un V DO =0,7V et une résistance r D négligeable devant R et que l entrée est un signal sinusoïdal de 12V (rms) a) Quel est l angle total de conduction? b) Calculer la valeur moyenne de la tension de sortie v o c) Quel est le courant maximum passant dans la diode? d) Quelle doit être la tension PIV de la diode? ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 22

24 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 23 Redresseur simple alternance Exemple d un redresseur simple 14 alternance v0 vs a) Calcul de l angle total de conduction Le signal d'entrée est : v ( t) = V sin( θ ( t)) La diode conduit pour : v ( t) f V V sin( θ ( t)) f V D0 D0 1 D 0 1 D sin ( ) θ( ) π sin ( 0 ) s pθ t pπ sin ( ) ( ) sin ( ) 1 1 sin (0.041) ( ) sin (0.041) θ = 2.35 pθ ( t) p c V V p s t pθ t p s s pπ s V V s Tension (V) Tension (V) Zoom Angle de conduction v0 vs

25 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 24 Redresseur simple alternance Exemple d un redresseur simple alternance b)calcul de la valeur moyenne de la tension de sortie v o Le signal d'entrée est : v = V sin( θ) = 2V sin( θ) Le signal de sortie est : s s s_ rms v 0 0 (vs VD0 ) = vs VD0 (vs VD0) 1 2π 1 π θc 1 π 0moy = 0 0 = s θ= θ= θ D0 θ= 0 s D0 V v ( θ ) dθ ( v V ) dθ ( v V ) dθ 2π 2π c 2π 1 π 1 V0 moy = ( Vs sin( θ) V 0) (2 0) 2π 0 D dθ = Vs πv θ = D 2π Vs VD0 V0 moy = = 5.05V π 2

26 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 25 Redresseur simple alternance Exemple d un redresseur simple alternance c) Calcul du courant maximum passant dans la diode Vs _ crête VD 0 2 Vs _ rms VD 0 Imax = = R R Imax = = 163mA 100 d) Calcul de la tension PIV de la diode ( Tension _ inverse) = v v = 0 v = v D OFF 0 s s s PIV = ( Tension _ inv) = V = 2V = 12 2 = 17V D OFF, v = V s s_ rms Il est recommandé de choisir PIV = 2 V = 34V s s s

27 Redresseur simple alternance Tension moyenne La tension moyenne est donnée par : V moy =(V s /π)-(v D0 /2) Tension PIV La tension PIV de la diode est : PIV = V s Courant maximum Le courant maximum est donné par : I max =(V s -V D0 )/R ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 26

28 Redresseur double alternance Contrairement au redresseur simple alternance qui utilise une seule alternance du signal sinusoïdal pour générer la tension DC, le redresseur double alternance utilise les deux alternances de la sinusoïde Deux implémentations Circuit redresseur plein onde avec prise médiane Circuit redresseur en pont ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 27

29 Redresseur pleine onde Première implémentation du circuit redresseur double alternance est donnée par le circuit ci-contre v v s s V D0 V D0 D0 s D0 D1 conduit et D2 bloquée v = v V ( R r ) V v V 0 s D0 D D2 conduit et D1 bloquée v = v V ( R r ) 0 s D0 D D1 et D1 bloquées v = 0 0 Redresseur double alternance pleine onde Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 28

30 Redresseur pleine onde 2 V D0 v0 vs 1 V D0 Tension (V) 0 -V D Temps Signaux d entrée et de sotie d un redresseur double alternance plein onde (R>>r D ) ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 29

31 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 30 Redresseur pleine onde Exemple d un redresseur pleine onde Soit le redresseur pleine onde vu précédemment. On suppose que les deux diodes possèdent un V DO =0,7V et une résistance r D négligeable devant R=100Ω et que l entrée est un signal sinusoïdal de 12V (rms) a) Quel est le % de la période de la sinusoïde d entrée pendant lequel l une ou l autre des diodes conduit? b) Quelle est la tension moyenne DC à la sortie? c) Quel est le courant maximum passant dans chaque diode? d) Quelle est la tension PIV que doit supporter chaque diode?

32 Redresseur pleine onde Exemple d un redresseur pleine onde a) Calcul du % de la période Le signal d'entrée est : v ( t) = V sin( θ ) = 2V sin( θ ) La diode D conduit pour : v ( t) s s s_ rms 1 s D0 θ pθ pπ θ ( θ = rd) c c c 2 s D0 π + θ pθ p 2π θ c Le % de la période est : c f V La diode D conduit pour : v ( t) p 2( π 2 θ c ) 100 = 97.4% 2π ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 31 V Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

33 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 32 Redresseur pleine onde Exemple d un redresseur pleine onde b) Calcul de la tension moyenne DC à la sortie de sortie Le signal d'entrée est : v = V sin( θ) = 2V sin( θ) s s s_ rms vs VD0 (vs VD0) Le signal de sortie est : v0 = vs VD0 (vs VD0) 0 (-VD0 vs VD0) 1 π 1 2π V 0moy ( v 0 s VD0) dθ + ( vs VD 0) dθ 2π θ = 2π θ= π 1 π 2 2V s_ rms V0moy = 2 ( v 0 s VD0) dθ = VD 0 = 10.1V 2π θ = π

34 Redresseur pleine onde Exemple d un redresseur pleine onde c) Calcul du courant maximum passant dans chaque diode V 2 s V V D0 s _ rms VD0 Imax = = R R Imax = = 163mA 100 d) Calcul de la tension PIV de chaque diode ( Tension _ inverse ) = v v = ( v V ) v D1 D1 OFF 0 s s D0 s PIV = ( Tension _ inverse ) = ( V V ) ( V ) D1 D1 D1 OFF, v = Vs s D0 s PIV = PIV = 2V V = 33.2V D1 D2 s D0 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 33 s Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

35 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 34 Redresseur pleine onde Tension moyenne La tension moyenne pour un signal redressé plein onde est deux fois plus grande que celle obtenu avec un redresseur demi-onde V moy =(2V s /π)-v D0 Tension PIV La tension PIV des deux diodes est pratiquement deus fois plus que pour le redresseur simple alternance PIV = 2V s -V D0 Courant maximum Le courant maximum est le même que pour le redresseur simple alternance I max =(V s -V D0 )/R

36 Redresseur en pont Deuxième implémentation du circuit redresseur double alternance est le redresseur en pont réalisé par le circuit suivant : Redresseur double alternance en pont Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 35

37 Redresseur en pont Fonctionnement du redresseur en pont v 2V D,D ON et D,D OFF v v 2 V ( R r ) s D s D0 D v 2V D,D OFF et D,D ON v v 2 V ( R r ) s D s D0 D 2V v 2V D,D,D et D OFF v = 0 D0 s D Alternance positive Alternance négative Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 36

38 Redresseur en pont 2 2V D0 v0 vs 1 2V D0 Tension (V) 0 -V D Temps Signaux d entrée et de sotie d un redresseur en pont (R>>r D ) ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 37

39 Redresseur en pont Exemple d un redresseur en pont Soit le redresseur pleine onde vu précédemment. On suppose que toutes les diodes possèdent un V DO =0,7V et une résistance r D négligeable devant R=100Ω et que l entrée est un signal sinusoïdal de 12V (rms) a) Quelle est la tension moyenne DC à la sortie? b) Quel est le courant maximum passant dans chaque diode? c) Quelle est la tension PIV que doit supporter chaque diode? ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 38

40 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 39 Redresseur en pont Exemple d un redresseur en pont a) Calcul de la tension moyenne DC à la sortie de sortie Le signal d'entrée est : v = V sin( θ) = 2V sin( θ) s s s_ rms vs 2 VD0 (vs 2 VD0) Le signal de sortie est : v0 = vs 2 VD0 (vs 2 VD0) 0 (-2VD0 vs 2 VD0) 1 π 1 2π V0moy ( v 2 0 s VD 0) dθ ( 2π + θ = 0 2π vs 2 VD ) dθ θ= π 1 π 2 2V s_ rms V0moy = 2 ( v 2 0 s VD 0) dθ 2VD 0 9.4V 2π = = θ = π

41 Redresseur en pont Exemple d un redresseur en pont b) Calcul du courant maximum passant dans chaque diode I max 2 0 _ 2 s 2V V D s rms VD0 V = = R Imax = = 156mA 100 c) Calcul de la tension PIV de chaque diode ( Tension _ inverse ) = v v = v v R D1 D1 OFF 0 anode s D0 3 PIV = ( Tension _ inverse ) = V V D1 D1 D1 OFF, v = Vs s D0 PIV = PIV = PIV = PIV = 2V V = 16.3V D1 D2 D3 D4 s D0 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 40 s Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

42 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 41 Redresseur en pont Caractéristiques La tension moyenne est : V moy =(2V s /π) -2V D0 Le courant maximum dans les diodes est : I max =(V s -2V D0 )/R La tension PIV des diodes est : PIV = V s -V D0 Redresseur en pont vs. redresseur pleine onde Moins de diodes pour le redresseur pleine onde Pas de prise médiane pour le redresseur en pont PIV deux fois plus faible pour le redresseur en pont

43 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 42 Comparaison des redresseurs Simple alternance Pleine onde Pont # diodes Tension crête Vs_crête-VD0 Vs_crête-VD0 Vs_crête-2VD0 Tension DC moyenne (Vs_crête/π)-VD0/2 (2*Vs_crête/π)-VD0 (2*Vs_crête/π)-2*VD0 Courant max (Vs_crête-VD0)/R (Vs_crête-VD0)/R (Vs_crête-2*VD0)/R PIV Vs_crête 2*Vs_crête-VD0 Vs_crête-VD0 Fréquence d'ondulation f 2f 2f Comparaison des trois circuits redresseurs (R>>r D )

44 Redresseur avec filtre Problématique Les tensions de sortie des redresseur vus précédemment ne permettent pas d'alimenter les circuits électroniques qui requièrent une tension DC constante Solution La technique la plus simple pour réduire les variations de la tension de sortie du redresseur est d utiliser une capacité en parallèle avec la résistance de charge ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 43

45 Redresseur avec filtre Cas du redresseur simple alternance avec filtre Sans résistance de charge Diode idéale Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 44

46 Redresseur avec filtre Fonctionnement du redresseur simple alternance avec filtre et avec une résistance de charge, a) Circuit b) Courbes des tensions c) Courbes des courant Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 45

47 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 46 Redresseur avec filtre Remarques: Pour que le circuit fonctionne correctement, il faut que la période T <<RC La diode conduit pendant un intervalle Δt La capacité se décharge lentement lorsque la diode est OFF (T-Δt) et récupère sa charge lorsque la diode est ON (Δt) On suppose que Δt << T de façon à considérer que le temps de décharge est T La tension de sortie varie entre la tension crête V p et la tension (V p -V r ) V r est la tension d ondulation (ronflement) et on a V r <<V p

48 Redresseur avec filtre Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul de la tension d ondulation V r vi pour vi f Vr v0 = t/ RC Vr : tension d'ondulation Ve p pour vi p Vr - T/ RC La valeur de V est tel que : V e = V V - T/ RC Pour T RC on a : Vpe Vp(1 ) T Vp(1 ) Vp Vr RC T 1 Vr = Vp = Vp RC frc r p p r Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 47 T RC

49 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 48 Redresseur avec filtre Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul de l angle de conduction Soit θ = ωδt l'angle de conduction c π On a : Vp Vr = Vpsin( θ c) = Vpcos( θ c) 2 2 θc Pour θc petit : cos( θc) = θc Vp Vr = Vp Vp θc= ωδ t = 2 2V V p r 1 Le temps de conduction est : Δ t = ω 2V V p r

50 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 49 Redresseur avec filtre Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul du courant moyen traversant la diode On a : id = ic + il idmoy = icmoy + ilmoy π dvo dvi 1 dv 2 i C π π ic = C = C icmoy = π C dt = vi( ) vi( θ C) dt dt Δt θ= θc 2 dt Δt 2 2 C CVr vi = Vpsin( θ ) icmoy = Vp ( Vp Vr) = Δt Δt π vo vi 1 v V 2 i p Vpθc V i = = i sin( ) L Lmoy = p π dt = θc = R R Δt θ= θc 2 R ωδtr ωδtr R 2V Vp Vp 2V r p On a : θc = ωδ t = et C = idmoy = (1 + π ) V V fr R V p r r

51 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 50 Redresseur avec filtre Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul du courant moyen traversant la diode (2 ème méthode) Soit Q la charge fournie à travers la diode : Q = ( i i ) Δt ch ch Dmoy Lmoy Soit Q la charge dissipée par R : Q = CΔ V = CV dech dech r Q = Q ( i i ) Δ t = CV ch dech Dmoy Lmoy r 1 2V Vp V r p On a : Δ t =, ilmoy = et C = ω V R V fr p r i Dmoy Vp 2Vp = (1 +π ) R V r

52 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 51 Redresseur avec filtre Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul du courant maximum traversant la diode dvi Pendant la phase ON de la diode, on a : id = C + il dt dvi vi = Vpsin( ωt) = ωvpcos( ωt) dt dvi dvi π ( ) max = ( ) = ωvpcos( θc) = ωvpsin( θc) ωvpθc dt dt 2 π ωt= θc 2 v V V V V i = i = i = CωV θ + i p r p p L L π Dmax p c R ( ωt= θc ) 2 R R R On a : θ c 2V Vp Vp 2V r p ωδ t = et C = id = (1 + 2 π ) V V fr R V = max p r r

53 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 52 Redresseur avec filtre Exemple d un redresseur simple alternance avec filtre Soit le redresseur simple alternance avec une capacité, on suppose qu on a un signal sinusoïdal avec f=60hz et V p =100V. On suppose qu on a une résistance de charge R=1kΩ. On suppose que la diode est idéale. a) Quelle est la valeur de la capacité qui donne V r =2V? b) Quel est la fraction de période pendant laquelle la diode conduit? c) Quel est le courant moyen traversant la diode? d) Quel est le courant maximum traversant la diode?

54 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 53 Redresseur avec filtre Exemple d un redresseur simple alternance avec filtre a) Calcul de la valeur de la capacité qui donne V r =2V Vp Vp 100 Vr = C = = = 83.3μF 4 frc V fr b) Calcul de la fraction de période 2V r 2 2 On a : θc = ωδ t = = = 0.2rad V 100 θc 0.2 La fraction est : = = 3.18% 2π 2π p r

55 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 54 Redresseur avec filtre Exemple d un redresseur simple alternance avec filtre c) Calcul du courant moyen traversant la diode i Dmoy Vp 2V = + π = + π = R V p 2 (1 ) 10 (1 100) 324 r ma d) Calcul du courant maximum traversant la diode i Dmoy Vp 2V = + π = + π = R V p 2 (1 2 ) 10 ( ) 638 r ma

56 Superdiode Problématique : Les applications des diodes (redresseur, ecrêteur, etc.) ne fonctionnent pas si le signal à traiter a une amplitude plus faible que la tension de polarisation en directe d une diode normale Solution : superdiode Il faut utiliser un redresseur de précision (superdiode) ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 55

57 Superdiode Redresseur simple alternance avec superdiode, a) circuit et b) fonction de transfert du redresseur Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 56

58 Autres applications des diodes Écrêteur Permet d éliminer une partie du signal d entrée tout en laissant passer le signal le reste du temps Verrouilleur Limiter l amplitude Permettre la transmission d une partie de l onde Permet de changer à la hausse ou à la baisse, la valeur moyenne de la composante continue de l onde d entrée. Multiplicateur de tensions ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 57

59 Écrêteur Redresseur simple alternance avec superdiode, a) circuit et b) fonction de transfert du redresseur Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 58

60 Écrêteur Différentes configurations de circuits écrêteurs Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 59

61 Verrouilleur Exemple d un circuit de verrouillage, a) tension d entrée, b) circuit et c) tension de sortie Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 60

62 Multiplicateur de tension Multiplicateur de tension, a) circuit et b) tension de sortie Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 61

63 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 62 Autres types de diodes Diode électroluminescente «Light Emiting Diode (LED)» Diode Schottky Diode capacitive Diode à effet tunnel Photodiodes piles solaires (piles photovoltaïque)

64 Diode électroluminescente (LED) Fonctionnement Sous l'effet de la différence de tension appliquée à la jonction PN, les électrons et les trous se recombinent et donnent naissance à des photons, d'où l'émission de lumière Cette recombinaison exige un changement du niveau d énergie des électrons libres, la longueur d onde est lié au GAP d énergie du semi-conducteur La couleur émise par la LED est liée à la longueur d onde ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 63

65 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 64 Diode électroluminescente (LED) Les LED sont apparues vers les années 1960 Types de LED LED unicolore Rouge, vert, blanche et bleu (les 2 dernières sont récentes) LED bicolore et tricolore LED organiques Applications Voyants lumineux pour appareils électroniques Éclairage (durée de vie, consommation et maintenance) Feux de signalisation (rouge et orange) Automobile interne et externe Enseignes lumineuses

66 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 65 Diode Schottky La jonction d une diode de Schottky est constituée d un métal et d un semi-conducteur L électron est le porteur majoritaire dans les deux matériaux (le nombre de trous dans le métal est négligeable) C est cette particularité qui est responsable des caractéristiques exceptionnelles de la diode de Schottky Diode de Schottky Diode à jonction p-n i Diode de Schottky Diode à pointe de contact Diode à jonction p-n Diode à pointe de contact v

67 Diode Schottky Avantages La faible capacité de jonction permet d utiliser ce type de diode dans les applications à très hautes fréquences (RF) La diode de Schottky peut opérer jusqu à des fréquences de l ordre de 20GHz Le potentiel de jonction, pour un courant donné, est plus faible que les diodes conventionnelles et le temps de rétablissement est très cour (10ns), même pour des forts courants Faible facteur de bruit Faible dissipation d énergie ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 66

68 ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 67 Conclusion Ce qu il faut retenir : Il est important de retenir les techniques d analyse des circuits contenant des diodes et non les résultats obtenus

69 Conclusion Aujourd hui : On a appris comment utiliser les diodes pour réaliser certaines applications La semaine prochaine : Afin de mieux comprendre les caractéristiques i-v, les équations et les limitations des diodes et aussi des transistors, on s'intéressera à la structure physique de la diode réalisée avec une jonction PN sur silicium ELE2302 Chap. 2 : Diodes - Applications 68

70 Exercice 1 Soit une diode Zener ayant une tension de 10V pour un courant de 10mA et une résistance incrémentale de 50Ω. Donner la tension de la diode pour les cas suivants : a) On divise par deux le courant b) On multiplie par deux le courant c) Quelle est la valeur de V Z0 ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 69 A. Khouas

71 Solution exercice 1 Soit une diode Zener ayant une tension de 10V pour un courant de 10mA et une résistance incrémentale de 50Ω. Donner la tension de la diode pour les cas suivants : a) On divise par deux le courant Chute de tension de V b) On multiplie par deux le courant Gain de tension de 0.5 V c) Quelle est la valeur de V Z0 9.5V ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 70 A. Khouas

72 Exercice 2 Soit le régulateur de tension vu en cours avec les caractéristiques suivante pour la diode Zener: 6.8V-5mA avec I ZK =0.2 ma et r Z =20Ω. a) Si on suppose que la puissance maximum de la diode est de 30 mw, calculer la résistance de charge R L maximum qu on peut utiliser sans endommager la diode. On suppose que R=0.5kΩ et V + =10V. b) Pour la même puissance maximum, et si on suppose que R=0.5kΩ et R L =10kΩ, calculer la tension V + maximum qu on peut appliquer sans endommager la diode. On suppose que ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 71 Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. A. Khouas

73 Solution exercice 2 Soit le régulateur de tension vu en cours avec les caractéristiques suivante pour la diode Zener: 6.8V- 5mA avec I ZK =0.2 ma et r Z =20Ω. a) Si on suppose que la puissance maximum de la diode est de 30 mw, calculer la résistance de charge R L maximum qu on peut utiliser sans endommager la diode. On suppose que R=0.5kΩ et V + =10V. 3.4 kω b) Pour la même puissance maximum, et si on suppose que R=0.5kΩ et R L =10kΩ, calculer la tension V + maximum qu on peut appliquer sans endommager la diode. On suppose que 14.4 V ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 72 Microelectronic Circuits Fifth Edition Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc. A. Khouas

74 Exercice 3 Soit le redresseur simple vu en classe avec une tension d entrée v s triangulaire ayant V CC =20V et une fréquence de 1kHz. On suppose que la résistance de charge R=100Ω, et que la diode possède un V DO =0,7V et une résistance r D négligeable devant R. 1) Quelle est la valeur moyenne de la tension de sortie v o? 2) Quel est l intervalle de temps pendant lequel la diode conduit? 3) Quel est le courant moyen dans la diode pendant la conduction? 4) Quel est le courant maximum passant dans la diode? ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 73 A. Khouas

75 Solution exercice 3 Soit le redresseur simple vu en classe avec une tension d entrée v s triangulaire ayant V CC =20V et une fréquence de 1kHz. On suppose que la résistance de charge R=100Ω, et que la diode possède un V DO =0,7V et une résistance r D négligeable devant R. 1) Quelle est la valeur moyenne de la tension de sortie v o? 2.15 V 2) Quel est l intervalle de temps pendant lequel la diode conduit? ms par période de 1 ms 3) Quel est le courant moyen dans la diode pendant la conduction? 43 ma 4) Quel est le courant maximum passant dans la diode? 93 ma ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 74 A. Khouas

76 Exercice 4 Soit un redresseur double alternance en pont est alimenté par l intermédiaire d un transformateur branché sur le secteur à 120V, 60Hz. Le rapport de transformation du transformateur est Ns/Np=1/1. On suppose que la charge résistive est égale à 1kΩ et que le comportement des composants est idéal 1) Calculer le courant moyen dans la charge 2) Calculer le courant moyen dans chaque diode 3) Calculer la tension inverse de crête supportée par chaque diode 4) Calculer la puissance continue dissipée dans la charge ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 75 A. Khouas

77 Solution exercice 4 Soit un redresseur double alternance en pont est alimenté par l intermédiaire d un transformateur branché sur le secteur à 120V, 60Hz. Le rapport de transformation du transformateur est Ns/Np=1/1. On suppose que la charge résistive est égale à 1kΩ et que le comportement des composants est idéal 1) Calculer le courant moyen dans la charge 108 ma 2) Calculer le courant moyen dans chaque diode 54 ma 3) Calculer la tension inverse de crête supportée par chaque diode V 4) Calculer la puissance continue dissipée dans la charge 11.7 W ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 76 A. Khouas

78 Exercice 5 Répondre aux questions de l exemple du redresseur simple alternance avec filtre (vu en cours) en supposant maintenant que la diode a une chute de tension de 0.7V. ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 77 A. Khouas

79 Solution exercice 5 Répondre aux questions de l exemple du redresseur simple alternance avec filtre (vu en cours) en supposant maintenant que la diode a une chute de tension de 0.7V. Il faut remplacer V p par (V p -V D0 ) ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 78 A. Khouas

80 Exercice 6 Soit le redresseur en pont au quel on ajoute une capacité C en parallèle avec la résistance de charge R. On considère un signal v s avec f=60hz et V srms =12V. On suppose que les diodes ont un V DO =0,8V et une résistance r D négligeable 1) Quelle doit être la valeur de C pour que la tension d ondulation n'excède pas 1V crête-à-crête lorsqu on a une charge de 100Ω? 2) Quelle est la tension moyenne de sortie? 3) Quel est le courant moyen traversant la charge? 4) Quel est l angle de conduction des diodes? ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 79 A. Khouas

81 Solution exercice 6 Soit le redresseur en pont au quel on ajoute une capacité C en parallèle avec la résistance de charge R. On considère un signal v s avec f=60hz et V srms =12V. On suppose que les diodes ont un V DO =0,8V et une résistance r D négligeable 1) Quelle doit être la valeur de C pour que la tension d ondulation n'excède pas 1V crête-à-crête lorsqu on a une charge de 100Ω? 1281 μf 2) Quelle est la tension moyenne de sortie? 14.9 V 3) Quel est le courant moyen traversant la charge? 149 ma 4) Quel est l angle de conduction des diodes? 0.36 rad ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 80 A. Khouas

82 Exercice 7 Soit le circuit ci-contre 1) De quel type de circuit s agit-il? 2) En supposant que les diodes sont idéales, donner la fonction de transfert du circuit. 3) Même question, mais en supposant que les diodes ont une chute de tension V D0 =0.7V. 4) Même question, mais en supposant que les diodes ont une chute de V D0 =0.7V et une résistance dynamique r D =100Ω. ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 81 A. Khouas

83 Solution exercice 7 Soit le circuit ci-contre 1) De quel type de circuit s agit-il? 2) En supposant que les diodes sont idéales, donner la fonction de transfert du circuit. v o = v I pour -5<v I <+5 = 0.5v I pour v I <-5 = 0.5v I pour v I >+5 3) Même question, mais en supposant que les diodes ont une chute de tension V D0 =0.7V. v o = v I pour -5<v I <+5 = 0.5v I pour v I <-5 = 0.5v I pour v I >+5 4) Même question, mais en supposant que V D0 =0.7V et r D =100Ω. v o = v I pour -5<v I <+5 = v I pour v I <-5 = v I pour v I >+5 ELE2302 Chap. 3 : Diodes Applications 82 A. Khouas

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