LES DIODES
DEFINITION
La diode est un composant passif qui fait partie de la famille des semi-conducteurs, il en constitue d’ailleurs le plus simple élément.
La diode se compose d’une jonction PN, Positif Négatif (figure 1) généralement en germanium ou en silicium. La première ne résistant pas à plus de 75°, la seconde à 200° environ, détrône ainsi le germanium plus spécialement employé dans les récepteurs hyperfréquences.
Fig1
FONCTIONNEMENT
L’effet de semi-conducteur (passage du courant dans un sens uniquement) s’obtient par le déplacement d’électrons, ces derniers changeant d’atomes grâce à une addition d’impuretés (dopage) lors de sa fabrication. Voici un résumé très succinct de son fonctionnement.
La diode suivant son sens par rapport à un courant électrique se présente sous deux aspects : direct et inverse.
- Direct : On appelle sens direct ou encore sens passant, celui qui laisse passer le courant (figure 2), il faudra qu’un seuil de 0,65V soit atteint pour que la diode soit passante, (1,5V pour une LED). Le courant traversera la diode de l’anode vers la cathode (anneau de repérage).
- Inverse : A contrario le sens inverse, lui bloquera le passage du courant (figure 3), on dit qu’elle est bloquée. Il faudra veiller à ne jamais dépasser la tension maximale admissible en inverse, sous peine de claquage de la jonction. On voit donc les nombreux avantages que l’on pourra tirer de ce phénomène.
Fig 2
Fig3
FORMES
Suivant leurs puissances, les diodes classiques ont des formes différentes.
Jusqu’à environ 3 ampères elles auront des formes diverses, généralement cylindriques et se connecteront à l’aide de deux fils rigides (figure 4).
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Fig 4 |  |
Au-delà elles comporteront une tige filetée et seront fixées à l’aide d’un écrou sur un radiateur afin de dissiper la chaleur due à leur puissance, l’autre extrémité étant formée par une cosse à souder ou une tresse souple en cuivre étamé terminée par une cosse sertie pour les diodes de très forte puissance (plusieurs dizaines d’ampères) Photo ci-dessous.
Pour résumer ces explications voici deux schémas très simples qui expliqueront mieux qu’un long discours leur fonctionnement.
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Fig 5 |
Fig 6 |
On constate que la lampe de la figure 5 s’allume car la diode est branchée en sens direct, alors que la lampe de la figure 6 est éteinte car la diode est branchée en inverse. Le sens du courant (continu) n’ayant bien sûr pas changé.
L’exemple le plus probant en modélisme ferroviaire étant l’inversion des feux d’une locomotive (ampoule classique), en fonction de son sens de marche. Deux simples diodes suffisent (figure 7) C.Q.F.D.
Fig 7
REDRESSEMENT
Hormis le blocage, une diode à aussi pour rôle le redressement du courant alternatif, qui s’opère grâce à ses qualités de semi-conducteur. Considérons le courant secteur de 50Hz qui après avoir été abaissé par un transformateur à 12V traverse une diode (figure 8).
Fig 8
On observe que seules les alternances du front supérieur subsistent, on dit dans ce cas que le courant est semi-redressé ou bien encore plus techniquement, redressé à demi-alternances.
Considérons à nouveau le même courant, mais traversant un pont de diodes (figure 9) les deux demi-alternances ont pratiquement disparues, mais le courant résultant n’est pas du continu "pur", mais du redressé.
Fig 9
On pourra se rapprocher du continu en filtrant et lissant ce dernier à l’aide de condensateurs et de selfs. Car pour certains équipements, électroniques par exemple le courant doit être proche du continu. Rappelons que le continu " pur ", ne peut être fourni que par des piles ou des accumulateurs isolés du secteur.
EMPLOI
En modélisme l’emploi des diodes est très vaste : redressement du courant secteur après abaissement pour obtenir du courant traction, inversion, blocage, protection contre les inversions de polarités, sélection d’itinéraires, régulation (zener), signalisation, décor (LED), comptage, détection (photo-émettrice)….Tout cela sans compter d’autres diodes spéciales sortant du cadre de cet article et n’intéressant que très peu de modélistes.
La diode est un composant bon marché, une diode " courante " est vendue aux alentours de 0,1euro et rend de très nombreux services.
Les diodes le plus couramment employées aussi bien au niveau grand public que professionnel sont du type 1N400X. ces diodes supportent 1A de débit, le chiffre final indiquant leur tension de service.
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Ce type de diode permet un usage quasi universel en modélisme et peut même effectuer le redressement de petites alimentations.
On emploie également des diodes dites de " commutation ou de détection ", celles ci sont du type 1N4148. Elles seront employées dans des circuits électroniques nécessitant de faibles puissances. Leur prix voisine 0,05euro.
PONT DE DIODES
On obtient un meilleur redressement en utilisant des diodes montées en pont dit de " Graëtz ", du nom de son inventeur. Le courant alternatif alimentant deux " branches " du pont, le courant redressé sera prélevé sur les " branches " opposées.
On peut réaliser un pont en branchant quatre diodes entres elles (figure 10), mais le plus simple est d’utiliser un pont moulé sur lequel figurera les deux arrivées de courant alternatif souvent repérées par les symboles » , les soties de courant redressé par les traditionnels + et - .
Le prix de ces ponts est très abordable et souvent inférieur ou équivalent aux quatres diodes équivalentes. On trouve des ponts de toutes formes pouvant débiter de 1,5A (0,5euro) à 50A (8euros) à condition de les placer bien entendu sur un bon radiateur, ils sont idéaux pour construire une alimentation traction par exemple.
DIODES ZENER
Le rôle d’une diode zener est de réguler une tension. Dans une diode classique, une brusque élévation de la tension inverse entraîne le claquage de sa jonction à cause de l’élévation excessive de sa température. Par contre dans une diode zener sa constitution est telle que l’élévation de sa température n’offre aucun risque. On utilise même cette particularité pour obtenir une régulation de tension donnée.
Deux facteurs déterminent la plage utilisable : aux bas courants, la résistance croît et la tension décroît ; aux forts courants, la limite dépend de la puissance maximale à dissiper.
Il existe des zeners de toutes tensions normalisées de 2,7V à 100V. Il faut par contre que sa puissance 0,5W à 1,3W soit adaptée au montage, sinon elle doit piloter un organe de puissance tel que : transistor, thyristor, relais….Sa tension inverse de claquage sera de 50V maxi.
Pour avoir un fonctionnement correct, une zener doit être parcourue par un courant minimal I min., celui-ci doit avoir une valeur comprise entre 5% et 10% de I max.. On considère que 5mA est une valeur moyenne correcte suffisante dans de nombreux cas.
L’apparition relativement récente des régulateurs moulés type 78XX par exemple, a remplacé les zeners dans de nombreux montages.
Il n’est plus besoin à ce jour d’expliquer à quoi sert une LED ou DEL (Diode Emitting Light) ou littérairement : Diode à Emission de Lumière. On en trouve sur tous les appareils électroniques, du walkman au lave-linge.
PRESENTATION
Comme une diode, la LED classique, comprend une Cathode et une Anode, son boîtier translucide sera soit incolore soit de couleur. Quant à leurs formes on en trouve des cylindriques, carrées, triangulaires, rectangulaires, leurs faces avant peuvent êtres plates ou bombées. Leurs tailles aussi sont variables <1mm, 1,8mm, 3mm, 5mm, 8mm, 10mm….
Elles sont de différentes couleurs, les plus classiques étant : Rouge, vert, jaune, orange, depuis peu on trouve des bleues et des blanches.
EMPLOI
Elles sont généralement employées comme témoins de contrôle, très utiles pour réaliser des TCO, on les emploie également pour les signaux, les feux de fin de convois, les animations de ville, (feux tricolores, gyrophares, balisage, simulation de soudure à l’arc….).
MODELES SPECIAUX
LED bicolores : Verte et rouge, (dans le même boîtier). Le changement de couleur s’effectuant par inversion des polarités. (deux pattes).
LED Tricolores : Verte, rouge et orangée, (dans le même boîtier). Le changement de couleur étant fonction de l’alimentation des trois pattes.
LED multicolores ou " arc en ciel " : Elles comportent 4 anodes et 2 cathodes alimentant 4 diodes . Ce qui permet d’obtenir toute une palette de couleurs.
LED clignotantes : Branchées comme une simple LED elles clignotent à une fréquence d’environ 3Hz.
LED infra rouges ou photo émettrices : Placées dans nos télécommandes elles transmettent les ordres à nos chers appareils.
LED haute luminosité : Leur corps translucide éclaire fortement.
Nous allons voir le branchement d’une LED classique à une seule jonction.
La LED étant polarisée, on veillera en courant continu à respecter son branchement. En cas d’inversion elle ne s’allumera pas, mais il ne faut pas néanmoins dépasser sa tension inverse qui pourrait la faire claquer.
L’anode reliée au + étant repérable par la plus longue patte, un méplat sur le corps de la LED indique la cathode - , (petite patte).
Pour fonctionner une LED doit être alimentée sous une tension de 1,6V à 1,8V à ses bornes, le courant la parcourant doit être limité afin d’éviter son claquage. C’est pour cette raison qu’une résistance est toujours placée en série dans son alimentation.
Ce courant peut être de 2mA pour des LED dites à faible consommation, mais est en général de l’ordre de 10mA, 20mA pour les plus gourmandes.
En cas de doute on procèdera graduellement.
Exemple : Prenons le cas d’une LED alimentée en 12V continu.
Nous choisirons une tension de 1,6V pour un courant de 10mA
Nous choisirons donc 1000 Ohms ou 1 Kilohm qui est la valeur standard la plus approchante.
PARTICULARITES
Selon leurs couleurs les LED ont des consommations légèrement différentes, (les LED rouges sont les plus sobres), il faut pour cela ajuster leur résistance afin d’obtenir l’éclairement souhaité.
Il est de même déconseillé pour la même raison de brancher en parallèle des LED de couleurs différentes. Parfois des LED de même couleurs posent problèmes. On préfèrera le montage série, le courant sera celui d’une diode (10mA), par contre on retranchera autant de fois la tension (1,6V) qu’il y a de LED en série.
En courant alternatif une LED clignotera à la fréquence du courant, en 50Hz elle paraîtra être allumée en permanence.
En modélisme on ne les emploiera que sous des tensions inférieures à 24V.
ATTENTION : Sous 220V l’emploi de LED fera l’objet d’un branchement spécial, faisant appel à quelques composants.
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