Mode d'emploi: Diodes

Si vous vous êtes lancé dans des projets électroniques dans le passé, il y a de fortes chances que vous ayez déjà rencontré ce composant commun et soudé dans votre circuit sans y penser. Les diodes sont précieuses en électronique et servent à diverses fins, qui seront mises en évidence dans les prochaines étapes.

Tout d'abord, qu'est-ce qu'une diode?

Une diode est un dispositif semi-conducteur qui permet au courant de circuler dans un sens mais pas dans l'autre.

Un semi-conducteur est une sorte de matériau, en l'occurrence du silicium ou du germanium, dont les propriétés électriques se situent entre celles des conducteurs (métaux) et des isolants (verre, caoutchouc). Considérez la conduction: c'est une mesure de la facilité relative dont les électrons se déplacent à travers un matériau. Par exemple, les électrons se déplacent facilement à travers un morceau de fil métallique. Vous pouvez modifier le comportement d'un matériau pur, comme le silicium, et le transformer en semi-conducteur par dopage . Dans le dopage, vous mélangez une petite quantité d'impureté dans la structure cristalline pure.

Les types d'impuretés ajoutées au silicium pur peuvent être classées de type N ou de type P.

  • Type N: Avec le dopage de type N, du phosphore ou de l'arsenic est ajouté, en parties par milliard, au silicium en petites quantités. Le phosphore et l'arsenic ont tous deux cinq électrons externes, ils sont donc déplacés lorsqu'ils pénètrent dans le réseau de silicium. Le cinquième électron n'a rien à se lier, il est donc libre de se déplacer. Il suffit d'une très petite quantité d'impureté pour créer suffisamment d'électrons libres pour permettre à un courant électrique de traverser le silicium. Les électrons ont une charge négative, d'où le nom de type N.
  • Type P - Dans le dopage de type P, du bore ou du gallium est ajouté au silicium pur. Ces éléments ont chacun trois électrons externes. Lorsqu'ils sont mélangés dans la structure de silicium, ils forment des "trous" dans le réseau où un électron de silicium n'a rien à se lier. L'absence d'électron crée l'effet d'une charge positive, d'où le nom de type P. Les trous peuvent conduire le courant. Un trou accepte joyeusement un électron d'un voisin, déplaçant le trou sur un espace.

Les diodes sont constituées de deux couches de matériau semi-conducteur dopées différemment qui forment une jonction PN . Le matériau de type P a un surplus de porteurs de charge positifs (trous) et le type N, un surplus d'électrons. Entre ces couches, où les matériaux de type P et de type N se rencontrent, les trous et les électrons se combinent, les excès d'électrons se combinant avec les trous en excès pour s'annuler, de sorte qu'une couche mince est créée qui n'a ni porteurs de charge positifs ni négatifs présents. C'est ce qu'on appelle la couche d'épuisement.

Il n'y a pas de porteurs de charge dans cette couche d'épuisement et aucun courant ne peut la traverser. Mais lorsqu'une tension est appliquée à travers la jonction, de sorte que l'anode de type P soit rendue positive et la cathode de type N négative, les trous positifs sont attirés à travers la couche d'épuisement vers la cathode négative, également les électrons négatifs sont attirés vers l'anode positive et les flux de courant.

Considérez une diode comme une rue à sens unique pour l'électricité. Lorsque la diode est en polarisation directe, la diode permet au trafic ou au courant de s'écouler de l'anode vers la jambe de cathode. Dans un courant de polarisation inverse est bloqué, il n'y a donc pas de flux d'électricité à travers le circuit. Lorsque le courant passe à travers une diode, la tension sur la branche positive est plus élevée que sur la branche négative, c'est ce qu'on appelle la chute de tension directe de la diode. La gravité de la chute de tension est fonction du matériau semi-conducteur à partir duquel la diode est fabriquée. Lorsque la tension aux bornes de la diode est positive, beaucoup de courant peut circuler une fois que la tension devient suffisamment élevée. Lorsque la tension aux bornes de la diode est négative, pratiquement aucun courant ne circule.

Étape 1: Différentes utilisations pour différentes diodes.

Il existe de nombreux types de diodes différentes, et chacune a une fonction différente en tant que composant électronique.

Une diode électroluminescente ou LED est probablement la plus connue et la plus facilement identifiable. La LED émet de la lumière visible lorsque les électrons sautent à travers la jonction PN. La lumière résultante est appelée électroluminescence.

Les photodiodes ne conduisent que lorsqu'elles sont exposées à la lumière. Ceux-ci peuvent être utiles pour réaliser des projets avec un interrupteur activé par la lumière, de sorte qu'un circuit n'est actif qu'en présence de lumière.

Les diodes Zener sont conçues pour conduire dans le sens inverse, c'est seulement lorsque quelque chose appelé tension de claquage est atteint que le circuit se conduira. Ceux-ci sont composés à des tolérances précises, voir la section sur les diodes Zener à l'étape 3.

Les diodes de redressement sont conçues pour empêcher l'électricité de circuler dans la mauvaise direction. Les diodes sont parfois connues sous le nom de redresseurs pour leur utilisation pour rectifier l'électricité à courant alternatif en courant continu, en supprimant la partie négative du courant.

Les diodes Schottky sont conçues pour s'allumer et s'éteindre très rapidement lorsque la tension de claquage est atteinte, réagissant rapidement dans les circuits numériques. Lorsque le courant passe à travers une diode, il y a une très faible chute de tension aux bornes. Les diodes au silicium ont une chute ou une perte de tension; une chute de tension de la diode Schottky est nettement inférieure. Cette baisse de tension plus faible permet une vitesse de commutation plus élevée et une meilleure efficacité du système.

Les diodes peuvent être utilisées de plusieurs façons, comme pour protéger un circuit sensible au courant. Un appareil qui utilise des piles contiendra probablement une diode qui le protège lorsque la pile n'est pas insérée correctement. La diode empêchera le courant inversé de se déplacer de la batterie au reste du circuit - ainsi, la diode protège l'électronique sensible à l'intérieur de votre circuit.

Dans les prochaines étapes, vous trouverez des informations sur certains des types de diodes les plus couramment utilisés.

Étape 2: diode électroluminescente

Une diode électroluminescente ou une LED s'allume lorsqu'elle est polarisée électriquement vers l'avant. Cet effet est une forme d'électroluminescence.

Une LED est un type spécial de diode semi-conductrice. Les porteurs de charge sont créés par un courant électrique traversant la jonction pn et libèrent de l'énergie sous forme de photons lorsqu'ils se recombinent. La longueur d'onde de la lumière, et donc sa couleur, est dictée par les matériaux formant la jonction pn, éléments qui dopent le matériau pur. Une diode normale émet une lumière infrarouge lointaine invisible, mais les matériaux utilisés pour une LED ont des énergies de bande interdite correspondant à une lumière proche infrarouge, visible ou presque ultraviolette.



Contrairement aux ampoules à incandescence, qui peuvent fonctionner avec du courant alternatif ou du courant continu, les LED nécessitent une alimentation en courant continu de la bonne polarité. Lorsque la tension aux bornes de la jonction pn est dans le bon sens, un courant important circule et le dispositif est dit polarisé en direct. La tension aux bornes de la LED dans ce cas est fixe pour une LED donnée et est proportionnelle à l'énergie des photons émis. Si la tension est de mauvaise polarité, l'appareil est dit à polarisation inverse, très peu de courant circule et aucune lumière n'est émise.

La diode semi-conductrice est enfermée dans une lentille en plastique solide. Parfois, le plastique est coloré et vous pouvez trouver des LED dans presque toutes les teintes. Mis à part la cote actuelle de votre LED, la taille et la forme du boîtier en plastique dicteront comment et combien de lumière la LED est capable de projeter.



Étape 3: Diodes Zener

Les diodes Zener sont dopées avec une concentration plus élevée d'impuretés pour leur donner une couche d'épuisement très mince. En utilisation, ils sont polarisés en sens inverse. Cela signifie que le courant ne peut pas traverser une diode Zener tant que la tension de claquage n'est pas atteinte. Dans toute diode, il arrive un point où, si une tension inverse suffisante est appliquée, un courant inverse circule de la cathode à l'anode. Les électrons étroitement liés dans la couche d'appauvrissement sont arrachés à leurs atomes et il y a une augmentation brusque du courant. Si ce courant est autorisé à atteindre une valeur trop élevée, des dommages peuvent survenir. Cependant, si le courant inverse est limité à une valeur sûre, la diode ne sera pas endommagée et une fois la tension inverse réduite, la diode cesse de conduire à nouveau.

Choisissez une diode Zener si vous avez besoin d'un interrupteur sensible à la tension dans votre circuit. Le claquage de tension disponible varie d'environ 2 volts à 200 volts.

Étape 4: Diodes Schottky

Contrairement à une diode à jonction PN, une diode Schottky a une jonction métal – semi-conducteur (M – S) est un type de jonction dans laquelle un métal entre en contact étroit avec un matériau semi-conducteur. Ce sont des diodes semi-conductrices avec une faible chute de tension directe et une action de commutation très rapide.

Pour la jonction, du molybdène, du platine, du chrome ou du tungstène sont utilisés; et un silicium semi-conducteur de type N. Le côté métallique agit comme l'anode et le semi-conducteur de type N agit comme la cathode. C'est ce qu'on appelle la barrière Schottky. La vitesse présente des avantages car les diodes Schottky ne reposent pas sur des trous ou des électrons qui se recombinent lorsqu'ils pénètrent dans le type de région opposé comme dans le cas d'une diode conventionnelle. Ces types de diodes, de par leur conception, ont une tension de claquage très précise et sont capables de répondre ou de commuter rapidement en raison d'une jonction partiellement métallique.

Lorsque le courant passe à travers une diode, il y a une très faible chute de tension aux bornes. Cette baisse de tension plus faible est propice à une vitesse de commutation plus rapide et à une meilleure efficacité du système. Il réduit les pertes de puissance normalement encourues dans le redresseur et les autres diodes utilisées dans l'alimentation. Les diodes au silicium standard offrant l'alternative principale, leur tension d'activation est d'environ 0, 6 à 0, 7 volt. Avec les redresseurs à diodes Schottky ayant une tension d'activation d'environ 0, 2 à 0, 3 volts, il y a une économie d'énergie importante à gagner.

Étape 5: Circuit redresseur

Un redresseur est un appareil électrique qui convertit le courant alternatif (AC), qui inverse périodiquement la direction, en courant continu (DC), qui circule dans une seule direction.

L'application la plus populaire de la diode est utilisée pour la rectification du courant. Il s'agit d'un appareil qui ne permet qu'un flux d'électrons unidirectionnel. C'est exactement ce que fait une diode semi-conductrice.

Il existe une conception appelée un redresseur de pont à onde pleine, il est construit autour d'une configuration de pont à quatre diodes. (voir image) Le courant alternatif est envoyé en bas et en haut du pont redresseur, que les diodes filtrent en courant continu en dirigeant le courant vers les bons points positifs et négatifs.

Ce circuit produit une sortie CC à partir d'une entrée CA, ainsi qu'une protection contre l'inversion de polarité . Autrement dit, il permet le fonctionnement normal d'un équipement alimenté en courant continu lorsque les piles ont été installées à l'envers ou lorsque les fils d'une source d'alimentation CC ont été inversés, et protège votre circuit contre les dommages causés par l'inversion de polarité.

Étape 6: Créez une grille LED!

Un moyen très simple d'acquérir de l'expérience avec les diodes est d'utiliser des circuits LED. Pour fabriquer une matrice LED, j'ai utilisé une batterie 9V, une planche à pain, des LED 3V et quelques résistances 1K.

Je les ai câblés avec le positif à droite, me déplaçant vers la terre à gauche. J'ai créé six lignes distinctes et deux colonnes de LED. Câblage en série, il passe de V (+) au fil positif de la LED, puis une autre LED, puis une résistance 1K à la masse. Jetez un œil au schéma de cette étape.

Le courant se déplace de l'anode à la cathode de chaque LED, et si l'une des bornes des LED est inversée - elle ne s'allumera pas.

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