Auparavant, nous avons vu qu’une diode à semiconducteur ne conduit le courant que dans une seule direction lorsque elle est polarisée en direct de l’anode vers la cathode, mais pas dans la direction inverse, agissant un peu comme une soupape unidirectionnelle. Une application largement utilisée de cette caractéristique et des diodes de puissance en général est la conversion d’une tension alternative (AC) en une tension pulsée (DC). En d’autres termes, la redressement.

Nous pourrions utiliser de petites diodes à signal dans des applications de redressement et d’alimentation à faible puissance et faible courant (moins de 1 ampère). Cependant, lorsque des courants de polarisation direct plus importants ou des tensions de blocage inverse plus élevées sont nécessaires, la jonction PN d’une petite diode à signal finirait par surchauffer et être détruite. Pour des applications à haute puissance, des diodes de puissanceplus grandes et robustes doivent donc être utilisées à la place.

La diode à semiconducteur de puissance, simplement connue sous le nom de diode de puissance, possède une surface de jonction PN beaucoup plus grande par rapport à celle de sa cousine à signal, ce qui en fait une capacité de courant direct élevée allant jusqu’à plusieurs centaines d’ampères (KA) et une tension de blocage inverse pouvant atteindre plusieurs milliers de volts (KV).

Étant donné que la diode de puissance a une grande jonction PN, elle n’est pas adaptée aux applications à haute fréquence au-delà de 1 MHz, mais des diodes à haute fréquence et à fort courant spéciales et coûteuses sont disponibles. Pour les applications de redressement à haute fréquence et basse tension, les diodes Schottky sont généralement utilisées en raison de leur temps de récupération inverse court et de leur faible chute de tension en condition de polarisation directe.

Les diodes de puissance fournissent un redressement non contrôlé de l’alimentation et sont utilisées dans des applications telles que la charge de batteries, les alimentations DC ainsi que les redresseurs et onduleurs AC. En raison de leurs caractéristiques de courant et de tension élevées, elles peuvent également être utilisées comme diodes de roue libre et réseaux snubber.

Les diodes de puissance sont conçues pour avoir une résistance “ON” en polarisation directe de fractions d’ohm tandis que leur résistance de blocage inverse est dans la plage des méga-ohms. Certaines des diodes à puissance de valeur plus élevée sont conçues pour être “fixées par écrou” sur des dissipateurs thermiques, réduisant leur résistance thermique à entre 0,1 et 1^oC/Watt.

Si une tension alternative est appliquée sur une diode de puissance, pendant le demi-cycle positif, la diode conduira le courant, et pendant le demi-cycle négatif, la diode ne conduira pas, bloquant le flux de courant. Ainsi, la conduction à travers la diode de puissance ne se produit que durant le demi-cycle positif et est donc unidirectionnelle, c’est-à-dire DC, comme illustré.

Redresseur à Diode de Puissance

Les diodes de puissance peuvent être utilisées individuellement comme ci-dessus ou connectées ensemble pour produire une variété de circuits de redressement tels que “redresseur à demi-onde”, “redresseur à pleine onde” ou en tant que “redresseurs en pont”. Chaque type de circuit de redressement peut être classé comme non contrôlé, semi-contrôlé ou entièrement contrôlé, où un redresseur non contrôlé utilise uniquement des diodes de puissance, un redresseur entièrement contrôlé utilise des thyristors (SCRs) et un redresseur semi-contrôlé est un mélange de diodes et de thyristors.

La diode de puissance la plus couramment utilisée pour des applications électroniques de base est la diode de redressement de type verre passivé de la série 1N400x avec des caractéristiques standard d’un courant de redressement direct continu d’environ 1,0 ampère et des tensions de blocage inverse allant de 50v pour la 1N4001 jusqu’à 1000v pour la 1N4007, la petite 1N4007GP étant la plus populaire pour la redressement de tension secteur à usage général.

Redressement à Demi-Onde

Un redresseur est un circuit qui convertit l’énergie courant alternatif (AC) d’entrée en une énergie courant continu (DC) de sortie. L’alimentation en énergie d’entrée peut être soit monophasée, soit multiphasée, le circuit de redressement le plus simple étant le redresseur à demi-onde.

La diode de puissance dans un circuit de redressement à demi-onde ne fait passer qu’une moitié de chaque onde complète de l’AC pour la convertir en alimentation DC. Ce type de circuit est donc appelé un redresseur “à demi-onde” car il ne fait passer qu’une moitié du courant alternatif entrant, comme indiqué ci-dessous.

Circuit de Redresseur à Demi-Onde

Durant chaque “cycle” positif de l’onde sinusoïdale AC, la diode est polarisée en direct car l’anode est positive par rapport à la cathode, ce qui permet au courant de circuler à travers la diode.

Comme la charge DC est résistive (résistor, R), le courant circulant dans la résistance de charge est donc proportionnel à la tension (loi d’Ohm), et la tension à travers la résistance de charge sera donc la même que la tension d’alimentation, Vs (moins Vƒ), c’est-à-dire que la tension “DC” à travers la charge est sinusoïdale uniquement pour le premier demi-cycle donc Vout = Vs.

Durant chaque “cycle” négatif de l’onde sinusoïdale AC d’entrée, la diode est polarisée en inverse, car l’anode est négative par rapport à la cathode. Par conséquent, AUCUN courant ne circule dans la diode ou dans le circuit. Donc, durant le demi-cycle négatif de l’alimentation, aucun courant ne circule dans la résistance de charge car aucune tension ne s’y applique, donc Vout = 0.

Le courant du côté DC du circuit circule dans une seule direction, rendant le circuit Unidirectionnel. Comme la résistance de charge reçoit de la diode une moitié positive de l’onde, zéro volts, puis une moitié positive de l’onde, zéro volts, etc., la valeur de cette tension irrégulière est équivalente à une tension DC de 0,318*Vmax de l’onde sinusoïdale d’entrée ou de 0,45*Vrms de l’onde sinusoïdale d’entrée.

La tension DC équivalente, V_DC à travers la résistance de charge est calculée comme suit.

Où V_MAX est la valeur maximale ou de crête de tension de l’alimentation sinusoïdale AC, et V_RMS est la valeur RMS (Racine Moyenne Carrée) de la tension d’alimentation.

Exemple de Diode de Puissance N°1

Calculez la chute de tension V_DC et le courant I_DC circulant à travers une résistance de 100Ω connectée à un redresseur monophasé à demi-onde de 240 Vrms comme indiqué ci-dessus. Calculez également la puissance moyenne DC consommée par la charge.

Au cours du processus de redressement, la tension de sortie DC résultante et le courant sont donc tous deux “ON” et “OFF” durant chaque cycle. Comme la tension à travers la résistance de charge n’est présente que durant la moitié positive du cycle (50 % de la forme d’onde d’entrée), cela entraîne une faible valeur moyenne DC fournie à la charge.

La variation de la forme d’onde de sortie redressée entre cette condition de “ON” et “OFF” produit une forme d’onde qui a de grandes quantités de “ripple”, ce qui est une caractéristique indésirable. Le ripple DC résultant a une fréquence égale à celle de la fréquence d’alimentation AC.

Souvent, lors du redressement d’une tension alternative, nous souhaitons produire une tension DC “stable” et continue exempte de toute variation ou ripple. Une manière d’y parvenir est de connecter un condensateur de grande valeur aux bornes de tension de sortie en parallèle avec la résistance de charge, comme indiqué ci-dessous. Ce type de condensateur est couramment connu sous le nom de “réservoir” ou de condensateur de lissage.

Redresseur à Demi-Onde avec Condensateur de Lissage

Lorsque le redressement est utilisé pour fournir une tension directe (DC) à partir d’une source alternative (AC), la quantité de tension ripple peut être réduite davantage en utilisant des condensateurs de plus grande valeur, mais il existe des limites tant au niveau du coût que de la taille des types de condensateurs de lissage utilisés.

Pour une valeur de condensateur donnée, un courant de charge plus important (résistance de charge plus petite) déchargera le condensateur plus rapidement (temps de constante RC) et augmentera donc le ripple obtenu. Il n’est donc pas très pratique d’essayer de réduire la tension de ripple uniquement par le lissage par condensateur dans un circuit redresseur à demi-onde utilisant une diode de puissance. Dans ce cas, il serait plus pratique d’utiliser un “redressement à pleine onde” à la place.

En pratique, le redresseur à demi-onde est le plus souvent utilisé dans des applications à faible puissance en raison de leurs principaux inconvénients. L’amplitude de sortie est inférieure à l’amplitude d’entrée, il n’y a pas de sortie durant le demi-cycle négatif, donc la moitié de la puissance est perdue, et la sortie est du DC pulsé entraînant un ripple excessif.

Pour surmonter ces inconvénients, un certain nombre de diodes de puissance sont connectées ensemble pour produire un redresseur à pleine onde comme discuté dans le prochain tutoriel.