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mardi 21 novembre 2017

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Les diodes classiques

. Par : Dominique, Guillaume, Jean-Luc

La diode est un composant qui a la propriété de ne laisser passer le courant que dans un seul sens. Dans un schéma électrique, la diode est représentée par un symbole évoquant une flèche comme dans la figure ci-dessous. L’une des broches se nomme l’anode et l’autre la cathode.

Le courant ne peut passer que dans le sens de la flèche, c’est à dire de l’anode vers la cathode. Ainsi dans la figure ci-dessous, la diode étant polarisée en direct, c’est à dire que la tensions la plus élevée, ici 5V, est sur l’anode et la tension la plus faible, ici la masse (0V) est sur la cathode [1]. Le courant, symbolisé par la flèche rouge, peut circuler.

Il faut toutefois que la tension aux bornes de la diode soit supérieure à sa tension de seuil. Les diodes en silicium présentent une tension de seuil de 0,7V. Autrement dit si la tension est inférieure à 0,7V le courant ne circulera pas. Si elle est supérieure à 0,7V le courant circulera.

Par ailleurs le comportement n’est pas celui d’un simple fil. En effet, la tension de sortie est égale à la tension d’entrée moins la tension de seuil de la diode. On a donc une chute de tension de 0,7V.

Si en revanche la diode est polarisée en inverse, c’est à dire que la tension la plus élevé est sur la cathode et la tension la plus faible sur l’anode, aucun courant ne circule.

La cathode est identifiée sur boîtier de la diode au moyen d’un anneau ou d’une marque qui correspond donc à la barre transversale du symbole. Voici par exemple une diode 1N4007. À droite, un anneau gris permet de connaître la position de la cathode.

Diode 1N4007
accompagnée de son symbole

Ce composant va être principalement employé dans trois cas : la protection contre un branchement erroné d’une alimentation, l’évacuation du courant résiduel des charges inductives, on parle dans ce cas de diode roue libre, et le redressement des signaux alternatifs comme ceux du DCC  .

Utilisation en diode de protection

Dès que nous voudrons construire des systèmes un peu élaborés avec des composants externes à l’Arduino, il sera nécessaire de les alimenter. L’alimentation intégrée à une carte Arduino n’est pas conçue pour alimenter des circuits annexes en nombre. Pour de très petites cartes, comme l’Arduino Pro Mini, l’alimentation intégrée n’est pas capable d’alimenter grand chose en dehors de l’Arduino lui même. Il sera donc nécessaire de construire sa propre alimentation régulée à base, par exemple, d’un 7805. En entrée de cette alimentation régulée, nous aurons une alimentation externe continue délivrant par exemple du 12V à tous les systèmes électroniques du réseau.

Le risque de mauvais branchement de cette alimentation est important. Un instant d’inattention et les composants grillent avec à la clé du travail de dessoudage et des frais.

Une diode en série sur le connecteur de l’alimentation externe permet de palier ce risque.

Si l’alimentation est correctement branchée, la diode sera polarisée dans le sens direct et laissera donc passer le courant. Il faut tenir compte du fait que la tension d’alimentation une fois passée la diode est de 0,7V inférieure à la tension de l’alimentation externe.

Si l’alimentation est branchée à l’envers, la diode sera polarisée en inverse et empêchera le passage du courant, protégeant ainsi les composants de votre carte.

Utilisation en diode roue libre

Lorsqu’un circuit commandant le passage du courant dans une charge inductive, c’est à dire tout dispositif comportant une ou plusieurs bobines (relais ou moteur par exemple) est coupé, le passage du courant dans la charge inductive ne cesse pas immédiatement, c’est le principe d’une induction. Si ce courant résiduel ne trouve pas un chemin pour circuler, la tension augmente et peut détruire les composants connectés à la charge inductive ou bien provoquer des étincelles.

La diode est donc employée ici pour fournir un chemin au courant. Dans le schéma suivant, nous avons un relais fonctionnant sous une tension de 5V et un simple bouton poussoir.

Mise en œuvre d'une diode roue libre.

(a ) Lorsque le bouton poussoir n’est pas pressé, le circuit est coupé et aucun courant ne circule. Par conséquent le relais n’est pas collé.

(b ) Lorsque le bouton poussoir est pressé, le courant circule (flèche rouge) dans la bobine du relais et ce dernier est donc collé. La diode est polarisée en inverse. Par conséquent aucun courant n’y circule.

(c ) Lorsque le bouton poussoir est relâché, le chemin vers la masse est coupé mais l’effet inductif de la bobine du relais maintient un courant résiduel. La diode lui offre un chemin et le courant circule ainsi dans la bobine. La bobine ayant une résistance, elle dissipe l’énergie sous forme de chaleur par effet Joule. Le relais décolle dès que le courant décroit en dessous d’une certaine valeur.

Redresser un signal

Un signal comme le DCC   est un signal alternatif. Le signe de la tension, et donc du courant, est alternativement positif puis négatif. La figure suivante présente un signal DCC dont la tension maximum est de 15V, la portion rouge correspond à la partie positive du signal et la verte à la partie négative.

Pour que l’Arduino puisse lire un signal DCC, il faut que ce signal ne soit jamais négatif. La solution consiste à insérer une diode pour ne voir que la partie positive du signal comme montré dans la figure suivante.

Là aussi la tension du signal après le passage dans la diode subit une chute de 0,7V.

Choisir une diode

Les caractéristiques suivantes vont déterminer le choix d’une diode.

La tension inverse maximum

Reverse Voltage dans les datasheets. La diode ne laisse passer aucun courant lorsqu’elle est polarisée en inverse mais il ne faut pas non plus exagérer. Si la tension dépasse une certaine valeur, la diode casse. Les diodes de la série 1N400x présentent des tensions inverses maximum selon le x. Cela va de 50V pour la 1N4001 à 1000V pour la 1N4007. Une autre diode standard, la 1N4148 possède une tension maximum inverse de 75V à 100V selon les fabricants.

Le courant moyen direct maximum

Average Forward Current dans les datasheets. La diode est conçue pour un courant moyen maximum. Une diode de la série 1N400x permet un courant moyen de 1A. Les 1N4148 sont limitées à 200mA. Pour des courants plus importants, il existe d’autres modèles comme les BY500 qui montent à 5A. En pratique c’est ce courant maximum qui nous intéresse pour une utilisation en diode de protection.

Le courant crête direct maximum

Pendant un court instant, la diode peut supporter un courant supérieur au courant moyen. Ceci est défini dans les datasheets par la fréquence d’une tension alternative. Ainsi une 1N400x pour supporter plus de 5A avec une tension de fréquence 15Hz.

La tension de seuil

Certes elle est de 0,7V. Mais ça n’est pas aussi simple. En réalité, elle varie un peu selon le courant qui traverse la diode. Pour une 1N400x, la tension de seuil est bien de 0,7V pour un courant de 10mA. Mais si le courant est de 1A, la tension de seuil est légèrement inférieure à 1V. Le graphique présentant la variation de la tension de seuil en fonction du courant se trouve dans la datasheet  .

[1Ne branchez pas une diode comme ceci directement entre le 5V et le 0, le courant qui circulera sera bien trop élevé.

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