PHQ260 Les diodes

Objectifs : Étudier les caractéristiques courant-tension de divers types de diode.Se familiariser à di�érentes applications de circuits à diodes.

Manipulations expérimentales

Partie 1. Caractéristiques des diodes

Note : Pour toutes les manipulations on utilisera un générateur de fonctions non référencé

à la masse (du type HP3311A). On devra au besoin utiliser un adaptateur de ligne

sans masse pour brancher le générateur au secteur, et ce, a�n de rendre cette source

�ottante.

1.1 Caractéristiques I-V d'une diode standard

a) Réaliser le circuit CA suivant a�n d'observer la courbe caractéristique I-V dela diode directement sur l'écran de l'oscilloscope.

(1N914)

R

DX

V

Y

S

Figure 1: Caractéristique I-V de la diode.

VS : générateur HP3311AX : CH1 de l'oscilloscopeY : CH2 de l'oscilloscopeD : diode 1N914R : résistance au carbone

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b) Prendre une valeur de résistance R=100 Ω pour des questions de sensibilitéet de limitation de courant dans la diode. Ajuster l'amplitude de l'onde si-nusoïdale générée par votre source à environ 20 Volts (crête à crête). Mettrel'oscilloscope en mode X-Y, où on aura Vd sur l'axe X et VR = −R · Id surl'axe Y. Observer l'e�et de la tension CC de la source et de la fréquence surl'allure de votre courbe I-V.Note : À cause de la position du point de mise à la terre, le signal observésur l'axe Y est de signe contraire à celui du courant Id (en direct) traversantla diode : on peut donc utiliser le bouton "CH2 INV" a�n d'obtenir la formeattendue de la caractéristique I-V sur l'écran de l'oscilloscope.

c) Fixer la fréquence de la source à 30 Hz et enregistrer votre courbe X-Y sur cléUSB. Enregistrer d'autres courbes I-V pour des fréquences de 100 Hz, 1 kHz, et10 kHz. Note : On ne peut enregistrer directement les courbes en mode X-Y surl'oscilloscope : vous devrez donc repasser en mode Y (t) et enregistrer les deuxcanaux Vd(t) et VR(t) a�n de tracer cette courbe I-V avec votre logiciel. Avantde passer au point suivant, ré�échissez à des ajustements des paramètres devotre expérience (pour une fréquence de 30 Hz) qui vous permettrait de gagneren résolution en polarisation directe.

d) Enregistrer de nouvelles courbes I-V en utilisant R = 1 kΩ, pour les mêmesfréquences qu'en c).

Résultats et analyse

� Tracer la courbe I-V de la diode, obtenue pour R = 100 Ω et pour une fréquence de30 Hz. Décrire l'allure de votre courbe I-V. Déterminer les caractéristiques suivantesde cette diode : sa tension de coude, sa résistance en direct, ainsi que sa résistance eninverse. Discuter. Pouvez-vous identi�er le semiconducteur utilisé pour cette diode ?

� Tracer l'ensemble de vos courbes I-V obtenues pour di�érents R et pour di�érentesfréquences. Discuter de l'e�et de la fréquence sur l'allure des courbes I-V.

1.2. Caractéristique I-V de la diode Zener

Remplacer la diode du circuit précédent par une diode Zener (4.7 V) et observer, à l'os-cilloscope, la courbe caractéristique de ce type de diode. Conserver R = 1 kΩ. Augmenterl'amplitude de tension de la source et ajuster le décalage de la tension continue de la sourcea�n de bien observer la condition d'avalanche dans la région de polarisation inverse. Fixerla fréquence à environ 30 Hz et enregistrer votre courbe I-V sur clé USB.

Résultats et analyse

� Tracer la courbe I-V obtenue et discuter de l'allure de cette courbe. Déterminer latension d'avalanche Va et la résistance apparente de la diode dans la zone d'ava-lanche (pente de la caractéristique I-V ). Discuter de vos résultats.

6.2

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Partie 2 Applications

Note : Discuter avec le moniteur de l'e�et de la tension de décalage ("DC o�set") de la

source sur les résultats des prochaines manipulations.

Attention : Avant d'e�ectuer le montage des circuits, véri�er le bon fonctionnement des

diodes à l'aide du multimètre Fluke en mode � diode � (icône).

2.1 Redresseur plein cycle

a) Réaliser le circuit suivant en utilisant 4 diodes identiques (modèle 1N914) eten bon état.

R

DD

D DVS Vo

Figure 2: Redresseur plein cycle.

VS : générateur HP3311AV1, V2 : sources continuesD1, D2 : diode 1N914

b) Prendre R = 10 kΩ et ajuster la fréquence du générateur à environ 50 Hz. Avantde brancher le générateur au circuit, ajuster l'amplitude de tension à 20 Volts(crête à crête) et enregistrer cette courbe sur clé USB en ayant au préalableajustée l'échelle de temps a�n de pouvoir observer quelques cycles d'oscillation.Brancher ensuite le générateur au circuit et enregistrer ce signal de sortie Vo(t)sur votre clé USB. Noter la tension moyenne de ce signal. Augmenter le nombred'oscillations en modi�ant l'échelle de temps et noter l'e�et sur la moyenne dusignal.

c) Le but principal du redresseur est de transformer un signal CA en signal CC.Il reste donc à lisser la tension de sortie Vo pour en faire un vrai signal CC.On utilise pour cela un �ltre capacitif. Remplacer R par une résistance de 100kΩ et ajouter à votre circuit un condensateur (boite à décades) à l'endroitapproprié pour l'obtention d'une tension de sortie quasi-continue. Ajuster lacapacité du condensateur à C = 0.2µF et enregistrer le signal de sortie Vo(t)sur votre clé USB. Répéter pour C = 0.8µF.

6.3

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Résultats et analyse

� Pour le circuit redresseur plein-cycle (point b), tracer sur un même graphique lacourbe Vo(t) et le signal de sortie de la source. Expliquer la forme d'onde obtenue.Comparer la valeur expérimentale du voltage moyen 〈Vo(t)〉 à la valeur théoriqueobtenue pour un signal purement harmonique redressé. Discuter.

� Pour le circuit convertisseur CA→CC (point c), tracer les courbes Vo(t) obtenuespour les deux valeurs de C. Décrire l'allure de vos courbes et expliquer l'e�et dece �ltre sur la forme du signal : considérer la constante de temps τ = RC du�ltre en comparaison à la période du signal T = 1/f . Déterminer ensuite le tauxd'ondulation de la tension de sortie (r = 4Vo/Vo(max)) et expliquer l'e�et de lacapacité C sur cette quantité.

ÉVALUATION SOMMATIVE DES APPRENTISSAGES AU LABORATORE

Note : L'évaluation se fera oralement au cours de la 2e séance de laboratoire.

Partie 1 :

� Tracer les courbes I-V (basse fréquence) obtenues pour chacune des deux diodesutilisées. Décrire l'allure de ces courbes. Dites comment faire pour déterminer lescaractéristiques de ces diodes. Donner les valeurs obtenues et discuter.

Partie 2 :

� Tracer le signal Vo(t) obtenu pour le circuit redresseur plein-cycle et comparercette courbe au signal de sortie du générateur. Expliquer vos résultats à l'aide d'unschéma de circuit où le sens de circulation du courant est clairement indiqué pourchacune des polarités d'un cycle d'oscillation du signal source.

2.2 Circuit écrêteur

VSV1

D1

V2

D2

R = 10 kΩ

Vo

Figure 3: Circuit écrêteur.

VS : Générateur HP3311AD : diode 1N914R : résistance au carbone

6.4

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a) Réaliser le circuit ci-dessus en utilisant un générateur d'onde sinusoïdale pourVS et une source de tension continue avec deux sorties indépendantes pour V1et V2. Fixer la fréquence à 50 Hz.

b) Ajuster l'amplitude de tension du générateur à 10 Volts (crête à crête). Véri�erle comportement du circuit écrêteur en observant simultanément à l'oscillo-scope les signaux VS(t) et Vo(t) pour divers niveaux de tension continue V1 etV2.

c) Fixer V1 = 4 V et V2 = 2 V. Enregistrer vos signaux VS(t) et Vo(t) sur cléUSB.

Résultats et analyse

� Trace vos signaux VS(t) et Vo(t) obtenus et commente. Déterminer les niveauxd'écrêtage haut et bas et expliquer vos résultats. Discuter des exemples d'applica-tions d'un tel circuit.

2.3 Lecteur de crête

VS

D

( f = 1 kHz )

C=0.1µF

Vo

Figure 4: Circuit lecteur de crête.

V : générateur HP3311AD : diode 1N914Vo : lecture à l'oscilloscope (mode

CC) ou multimètre Fluke

a) Réaliser le circuit ci-dessus en utilisant un générateur d'onde sinusoïdale pourVS .

b) Fixer la fréquence de la source à 1 kHz et son amplitude de tension à 10Volts (crête à crête). Observer simultanément VS(t) et Vo(t) à l'oscilloscope.Enregistrer vos signaux VS(t) et Vo(t) sur clé USB. Mesurer le niveau de tensionde sortie Vo à l'aide du multimètre Fluke en mode continu. Comparer la tensionlue à la tension crête de VS .

c) Modi�er la fréquence de la source et observer son e�et sur V0(t) (mesuré àl'oscilloscope). Enregistrer les traces obtenues pour V0(t), pour f = 50Hz.

6.5

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Résultats et analyse

� Pour f = 1 kHz, tracer vos signaux VS(t) et Vo(t) obtenus et commenter. Comparerla tension de saturation observée à l'oscilloscope à la tension lue au multimètre puisà la tension crête de la source. Discuter. Expliquer le fonctionnement de ce circuiten termes des résistances Rdir et Rinv de la diode et du temps de charge de lacapacité.

� Comparer les signaux Vo(t) obtenus pour les di�érentes fréquences (50 Hz et 1 kHz).Expliquer vos résultats. En complément à cette explication, dire comment on peutaméliorer la précision du circuit pour des signaux d'entrée de basse fréquence.

2.4 Régulation de voltage par diode Zener

R

DZ

= 200 Ω

RL = 100 kΩ

Vo

VS

Figure 5: Circuit régulateur de voltage.

VS : source de tension continueDZ : diode Zener de 5.1 VVo : lecture au multimètre Fluke

a) Réaliser le circuit ci-dessus en utilisant une source de tension continue pourVS .

b) Mesurer la tension CC de la source et la tension de sortie Vo à l'aide de deuxmultimètres Fluke. Varier la tension VS entre 0 et 10 Volts et noter la tensionde sortie Vo (prendre une dizaine de points expérimentaux).Attention : dans le régime d'avalanche de la diode le courant peut être tel quela diode chau�e. Au-dessus de 5 Volts, prendre la lecture au Fluke et fermerla source entre chaque mesure.

Résultats et analyse

� Faire le graphique de Vo en fonction de VS . Identi�er la zone de régulation et com-parer la tension de régulation à la valeur attendue. Quelle est la condition à remplira�n que le circuit régularise la tension de sortie à un niveau stable ? Expliquer.

� À basse tension, calculer la pente du graphique et comparer aux prédictions théo-riques.

mars 2019

6.6