Diodes de Signal
Les diodes de signal sont des dispositifs semi-conducteurs non linéaires largement utilisés dans les circuits électroniques où de faibles courants ou de hautes fréquences sont impliqués, notamment dans la radio, la télévision et les circuits logiques numériques.
Les diodes de signal sont de petits dispositifs à deux bornes qui laissent passer le courant lorsqu’ils sont polarisés en direct et bloquent le flux de courant lorsqu’ils sont polarisés en inverse.
Le diode de signal est un petit dispositif semi-conducteur généralement utilisé dans des circuits électroniques, où de petits courants ou de hautes fréquences sont impliqués, comme dans les circuits radio, télévision et logiques numériques.
Les diodes de signal sous forme de diode à contact ponctuel ou de diode à passivation en verre sont physiquement très petites par rapport à leurs grandes cousines, les diodes de puissance.
En général, la jonction PN d’une petite diode de signal est encapsulée dans du verre pour protéger la jonction PN, et elle a généralement une bande rouge ou noire à une extrémité de son corps pour aider à identifier quelle extrémité est la borne cathodique. La diode de signal la plus largement utilisée parmi toutes les diodes de signal encapsulées dans le verre est la très commune 1N4148 et son équivalent, la 1N914.
Les diodes de signal petites et les diodes de commutation ont des puissances et des courants beaucoup plus faibles, autour de 150 mA, 500 mW maximum par rapport aux diodes redresseuses, mais elles peuvent fonctionner mieux dans des applications à haute fréquence ou dans des applications de découpage et de commutation traitant des formes d’onde à impulsion de courte durée.
Les caractéristiques d’une diode à contact ponctuel de signal diffèrent pour les types en germanium et en silicium et sont données comme suit :
- 1. Diodes de Signal en Germanium – Celles-ci ont une faible résistance inverse, ce qui donne une chute de tension directe plus faible à travers la jonction, généralement seulement environ 0,2 à 0,3 V, mais ont une résistance directe plus élevée en raison de leur petite surface de jonction.
- 2. Diodes de Signal en Silicium – Celles-ci ont une très haute valeur de résistance inverse et donnent une chute de tension directe d’environ 0,6 à 0,7 V à travers la jonction. Elles ont des valeurs de résistance directe assez faibles leur conférant de fortes valeurs de courant direct et de tension inverse.
Le symbole électronique donné pour tout type de diode est une flèche avec une barre ou une ligne à son extrémité et ceci est illustré ci-dessous avec la courbe des caractéristiques V-I à état stable.
Courbe des Caractéristiques V-I de Diode en Silicium
La flèche pointe toujours dans la direction du flux conventionnel de courant à travers la diode, ce qui signifie que la diode ne conduira que si une alimentation positive est connectée à la borne Anode, ( a ) et que l’alimentation négative est connectée à la borne Cathode ( k ), permettant ainsi au courant de circuler à travers elle dans une seule direction, agissant davantage comme une vanne électrique unidirectionnelle, ( Condition Polarisée en Direct ).
Cependant, nous savons d’après le tutoriel précédent que si nous connectons la source d’énergie externe dans l’autre direction, la diode bloquera tout courant passant à travers elle et agira plutôt comme un interrupteur ouvert, ( Condition Polarisée en Inverse ) comme montré ci-dessous.
Diode Polarisée en Direct et en Inverse
Nous pouvons alors dire qu’une diode de signal idéale conduit le courant dans une direction ( conductrice en direct ) et bloque le courant dans l’autre direction ( bloquante en inverse ). Les diodes de signal sont utilisées dans une grande variété d’applications, telles que des interrupteurs dans des redresseurs, des limiteurs de courant, des atténuateurs de tension ou dans des circuits de mise en forme d’onde.
Paramètres des Diodes de Signal
Les diodes de signal sont fabriquées dans une gamme de tensions et de courants et il convient d’être prudent lors du choix d’une diode pour une certaine application. Il existe une gamme déroutante de caractéristiques statiques associées à la humble diode de signal, mais les plus importantes sont :
1. Courant Maximal Direct
Le Courant Maximal Direct ( IF(max) ) est, comme son nom l’indique, le courant maximal direct autorisé à circuler à travers l’appareil. Lorsque la diode est conductrice en condition de polarisation directe, elle présente une très petite résistance « ON » à travers la jonction PN et par conséquent, de l’énergie est dissipée à travers cette jonction ( Loi d’Ohm ) sous forme de chaleur.
Alors, dépasser sa valeur ( IF(max) ) provoquera une génération de chaleur accrue à travers la jonction et la diode échouera en raison d’une surcharge thermique, généralement avec des conséquences destructrices. Lorsqu’on fait fonctionner des diodes autour de leurs courants maximaux, il est toujours préférable d’ajouter un refroidissement supplémentaire pour dissiper la chaleur produite par la diode.
Par exemple, notre petite diode de signal 1N4148 a une capacité de courant maximal d’environ 150 mA avec une dissipation de puissance de 500 mW à 25oC. Ainsi, une résistance doit être utilisée en série avec la diode pour limiter le courant direct, ( IF(max) ) à une valeur en dessous de ce seuil.
2. Tension Inverse de Crête
La Tension Inverse de Crête (PIV) ou Tension Inverse Maximale ( VR(max) ), est la tension d’Inverse maximale acceptable qui peut être appliquée à la diode sans provoquer de rupture inverse et des dommages au dispositif. Cette valeur est généralement inférieure au niveau de rupture « avalanche » sur la courbe de caractéristiques de polarisation inverse. Des valeurs typiques de VR(max) varient de quelques volts à des milliers de volts et doivent être prises en compte lors du remplacement d’une diode.
3. Dissipation Totale de Puissance
Les diodes de signal ont une Dissipation Totale de Puissance, ( PD(max) ) qui est la puissance de dissipation maximale possible de la diode lorsqu’elle est polarisée directement (conductrice). Lorsque le courant passe à travers la diode de signal, la polarisation de la jonction PN n’est pas parfaite et offre une certaine résistance au flux de courant, entraînant une dissipation de puissance (perdue) dans la diode sous forme de chaleur.
Comme les petites diodes de signal sont des dispositifs non-linéaires, la résistance de la jonction PN n’est pas constante. C’est une propriété dynamique et donc nous ne pouvons pas utiliser la loi d’Ohm pour définir la puissance en termes de courant et de résistance ou de tension et de résistance comme nous le faisons pour les résistances. Donc, pour déterminer la puissance qui sera dissipée par la diode, nous devons multiplier la chute de tension à travers celle-ci par le courant qui y circule : PD = V*I
4. Température Maximale de Fonctionnement
La Température Maximale de Fonctionnement est en réalité liée à la Température de Jonction ( TJ ) de la diode et est associée à la dissipation de puissance maximale. C’est la température maximale autorisée avant que la structure de la diode se détériore et s’exprime en unités de degrés centigrades par Watt, ( oC/W ).
Cette valeur est étroitement liée au courant maximal direct de l’appareil, de sorte qu’à cette valeur la température de la jonction ne doit pas être dépassée. Cependant, le courant maximal direct dépend également de la température ambiante dans laquelle l’appareil fonctionne, de sorte que le courant maximal direct est généralement précisé pour deux ou plusieurs valeurs de température ambiante, comme 25oC ou 70oC.
Ensuite, il y a trois principaux paramètres qui doivent être pris en compte lors de la sélection ou du remplacement d’une diode de signal, à savoir :
- La Tension Inverse Maximale
- La Valeur de Courant Direct
- La Valeur de Dissipation de Puissance Directe
Réseaux de Diodes de Signal
Lorsque l’espace est limité ou que des paires appariées de diodes de signal de commutation sont nécessaires, les réseaux de diodes peuvent être très utiles. Ils consistent généralement en des diodes en silicium de faible capacité et haute vitesse, comme la 1N4148, connectées ensemble dans des paquets de diodes multiples appelés “réseau” pour être utilisées dans des circuits numériques de commutation et de limitation. Elles sont enfermées dans des paquets en ligne simple (SIP) contenant 4 diodes ou plus connectées en interne pour donner soit un réseau individuel isolé, cathode commune (CC) ou une configuration d’anode commune (CA) comme indiqué.
Réseaux de Diodes de Signal
Les réseaux de diodes de signal peuvent également être utilisés dans des circuits numériques et informatiques pour protéger les lignes de données haute vitesse ou d’autres ports parallèles d’entrée/sortie contre les décharges électrostatiques (ESD) et les transitoires de tension.
En connectant deux diodes en série à travers les rails d’alimentation avec la ligne de données connectée à leur jonction comme montré, tous les transitoires indésirables sont rapidement dissipés et, comme les diodes de signal sont disponibles en réseaux de 8, elles peuvent protéger huit lignes de données dans un seul paquet.
Protection des Lignes de Données du CPU
Les réseaux de diodes de signal peuvent également être utilisés pour connecter ensemble des diodes en combinaisons en série ou en parallèle pour former des circuits de régulation de tension ou de réduction de tension, ou même pour produire une tension de référence fixe connue.
Nous savons que la chute de tension directe à travers une diode en silicium est d’environ 0,7 V et en connectant plusieurs diodes en série la chute de tension totale sera la somme des chutes de tension individuelles de chaque diode.
Cependant, lorsque des diodes de signal sont connectées ensemble en série, le courant sera le même pour chaque diode, donc le courant maximal direct ne doit pas être dépassé.
Connection des Diodes de Signal en Série
Une autre application pour la petite diode de signal est de créer une alimentation électrique régulée. Les diodes sont connectées ensemble en série pour fournir une tension DC constante à travers la combinaison de diodes. La tension de sortie à travers les diodes reste constante, malgré les variations de courant de charge prélevé sur la combinaison série ou les variations de tension de l’alimentation DC qui les alimente. Considérons le circuit ci-dessous.
Diodes de Signal en Série
Comme la chute de tension directe à travers une diode en silicium est presque constante à environ 0,7 V, alors que le courant qui la traverse varie par des montants relativement importants, une diode de signal polarisée en direct peut créer un circuit de régulation de tension simple. Les chutes de tension individuelles à travers chaque diode sont soustraites de la tension d’alimentation pour laisser un certain potentiel de tension à travers la résistance de charge, et dans notre exemple simple ci-dessus, cela est donné par 10V – ( 3*0.7V ) = 7.9V.
Cela est dû au fait que chaque diode a une résistance de jonction liée au faible courant de signal qui passe à travers elle et que les trois diodes de signal en série auront trois fois la valeur de cette résistance, avec la résistance de charge R, formant un diviseur de tension sur l’alimentation.
En ajoutant d’autres diodes en série, une plus grande réduction de tension se produira. De plus, les diodes connectées en série peuvent être placées en parallèle avec la résistance de charge pour agir comme un circuit de régulation de tension. Ici, la tension appliquée à la résistance de charge sera 3*0.7V = 2.1V. Nous pouvons bien sûr produire la même source de tension constante en utilisant une seule diode Zener. La résistance RD est utilisée pour empêcher un courant excessif de passer à travers les diodes si la charge est supprimée.
Diodes de Freinage
Les diodes de signal peuvent également être utilisées dans une variété de circuits de limitation, de protection et de mise en forme d’onde, le circuit de diode de limitation le plus courant utilisant une diode connectée en parallèle avec une bobine ou une charge inductive pour éviter d’endommager le circuit de commutation délicat en supprimant les pics de tension et/ou les transitoires générés lorsque la charge est soudainement coupée. Ce type de diode est généralement connu sous le nom de « diode de freinage », « diode de volant » ou simplement diode de freinage comme on l’appelle plus couramment.
La diode de freinage est utilisée pour protéger les interrupteurs à semi-conducteurs solides comme les transistors de puissance et les MOSFET contre les dommages causés par la protection de la batterie inversée, ainsi que contre les charges hautement inductives telles que les bobines de relais ou les moteurs. Un exemple de son connection est montré ci-dessous.
Utilisation de la Diode de Freinage de Signal
Les dispositifs à semi-conducteurs modernes à commutation rapide nécessitent des diodes à commutation rapide telles que les diodes de freinage pour les protéger des charges inductives telles que les bobines de moteur ou les enroulements de relais. Chaque fois que le dispositif de commutation ci-dessus est mis « ON », la diode de freinage passe d’un état conducteur à un état de blocage alors qu’elle devient polarisée en inverse.
Cependant, lorsque le dispositif s’éteint rapidement, la diode devient polarisée en direct et l’effondrement de l’énergie stockée dans la bobine provoque un courant à travers la diode de freinage. Sans la protection de la diode de freinage, de forts courants di/dt se produiraient, provoquant un pic ou un transitoire de haute tension circulant autour du circuit, endommageant potentiellement le dispositif de commutation.
Auparavant, la vitesse de fonctionnement du dispositif de commutation à semi-conducteur, que ce soit un transistor, un MOSFET, un IGBT ou un dispositif numérique, avait été affectée par l’ajout d’une diode de freinage à travers la charge inductive, les diodes Schottky et Zener ayant été utilisées à la place dans certaines applications. Toutefois, au cours des dernières années, les diodes de freinage ont regagné en importance principalement en raison de leurs caractéristiques de récupération inverse améliorées et de l’utilisation de matériaux semi-conducteurs ultra-rapides capables de fonctionner à des fréquences de commutation élevées.
D’autres types de diodes spécialisées non incluses ici sont les photodiodes, les diodes PIN, les diodes à tunnel et les diodes à barrière Schottky. En ajoutant plus de jonctions PN à la structure de diode à deux couches de base, d’autres types de dispositifs semi-conducteurs peuvent être fabriqués.
Par exemple, un dispositif semi-conducteur à trois couches devient un transistor, un dispositif semi-conducteur à quatre couches devient un thyristor ou un redresseur contrôlé en silicium et des dispositifs à cinq couches connus sous le nom de Triacs sont également disponibles.
Dans le prochain tutoriel sur les diodes, nous examinerons la diode à grande signal appelée parfois diode de puissance. Les diodes de puissance sont des diodes en silicium conçues pour être utilisées dans des circuits de redressement à haute tension et à fort courant.