CIRCUITS ANALOGIQUES (partie 1/3)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Identifier les différents types de diodes et leurs symboles normalisés. - Expliquer le fonctionnement d’une diode en biais direct et en biais inverse à partir de sa caractéristique I‑V. - Lire et interpréter les spécifications essentielles d’une diode (Vf, Ifmax, Vz, Pd, trr, Tj). - Choisir une diode adaptée à une application de redressement, de régulation ou de protection en fonction du courant, de la tension, de la fréquence et de la température. - Réaliser un montage de redressement monophasé (demi‑onde et pont) avec filtrage et en analyser la forme d’onde de sortie. - Calculer la valeur d’un condensateur de lissage nécessaire pour obtenir un ripple admissible. - Tester une diode avec un multimètre en mode diode et interpréter les résultats. - Mettre en œuvre une alimentation stabilisée simple dans un contexte professionnel (atelier de réparation électronique au Cameroun). **Prérequis :** - Notions de base en électricité continue et alternative (tension, courant, puissance, loi d’Ohm). - Lecture de schémas électroniques simples (symboles de résistance, condensateur, source). - Utilisation d’un multimètre (mesure de tension, de continuité, de résistance). - Connaissances élémentaires de sécurité électrique (isolement, mise à la terre, port d’EPI). --- ## Introduction contextualisée Dans les installations électriques et électroniques du Cameroun, les alimentations stabilisées sont omniprésentes : postes de soudure, chargeurs de batteries, systèmes de commande de moteurs, équipements de télécommunications et laboratoires de formation. Le cœur de ces alimentations est souvent constitué par des diodes de redressement qui transforment la tension alternative du réseau (220 V monophasé, 50 Hz) en tension continue utilisable. Le choix de la diode, la conception du pont redresseur et le dimensionnement du filtre conditionnent l’efficacité, la fiabilité et la sécurité de l’ensemble. Ce chapitre présente, de façon progressive, les connaissances nécessaires pour sélectionner, monter et tester ces composants essentiels, en s’appuyant sur des situations réelles rencontrées en atelier ou sur chantier au Cameroun. --- ## I. Leçon 11 : Types de diodes, fonctionnement, spécifications essentielles, choix ### A. Définition et symbole d’une diode Une diode est un composant semi‑conducteur à deux électrodes (anode et cathode) qui laisse passer le courant essentiellement dans un seul sens. Son symbole normalisé comporte une triangle pointant vers une ligne perpendiculaire (anode → cathode). > **>** Le courant conventionnel circule de l’anode vers la cathode lorsque la diode est polarisée en biais direct. ### B. Types de diodes les plus courants | Type de diode | Fonction principale | Tension directe typique (Vf) | Courant maximal (If) | Application typique | |---------------|--------------------|-----------------------------|----------------------|---------------------| | Diode de redressement (ex. 1N4007) | Conversion AC → DC | 0,7 V (Si) | 1 A | Alimentations basse puissance | | Diode Schottky (ex. 1N5819) | Redressement rapide, faible perte | 0,3‑0,4 V | 1 A | Alimentations à haute fréquence | | Diode Zener (ex. BZX55C5V1) | Régulation de tension | – | 0,2 A | Références de tension, protection contre surtensions | | Diode électroluminescente (LED) | émission de lumière | 1,8‑3,3 V (selon couleur) | 20 mA | Voyants, signalisation | | Diode de protection (ex. TVS) | absorption de transitoires | – | plusieurs A | Protection des entrées/sorties contre les surtensions | ### C. Fonctionnement (biais direct, biais inverse, caractéristique I‑V) - **Biais direct** : tension appliquée anode > cathode d’environ 0,6‑0,7 V (Si) ou 0,3‑0,4 V (Schottky). Le courant augmente exponentiellement avec la tension selon la loi de Shockley : I ≈ Is (e^(Vd/(nVt)) − 1). - **Biais inverse** : tension cathode > anode. Seulement un petit courant de fuite (Is) circule jusqu’à la tension de claquage (VBR) où le courant augmente brusquement (avalanche ou effet Zener). > **>** En polarisation inverse, la diode bloque le courant tant que la tension appliquée reste inférieure à sa tension de claquage. ### D. Spécifications essentielles d’une diode | Symbole | Signification | Unité | Valeur typique (exemple 1N4007) | |---------|----------------|-------|---------------------------------| | Vf | Tension directe à If nominal | V | 0,7 V à 1 A | | If (max) | Courant continu maximal admissible | A | 1 A | | VRSM / VBR | Tension de crête répétitive inverse maximale | V | 1000 V | | Pd (max) | Puissance dissipable maximale | W | 1 W (avec dissipateur) | | trr | Temps de récupération inverse | µs | 30 µs (récupération standard) | | Tj (max) | Température de jonction maximale | °C | 150 °C | | RθJA | Résistance thermique jonction‑ambiant | °C/W | 50 °C/W (sans dissipateur) | ### E. Choix d’une diode selon l’application 1. **Déterminer la tension inverse maximale** que la diode devra bloquer (pic de la tension alternative + marge de sécurité, généralement 1,2 × Vrms × √2). 2. **Vérifier le courant direct moyen** attendu et ajouter une marge de 20‑30 % pour les pointes. 3. **Prendre en compte la fréquence** : pour les fréquences > 1 kHz privilégier les diodes Schottky ou rapides (trr faible). 4. **Évaluer la dissipation** : Pd = Vf × If (moyenne) + pertes de commutation ; comparer à Pdmax et prévoir un dissipateur si nécessaire. 5. **Vérifier la température d’ambiance** et s’assurer que Tj = Ta + (Pd × RθJA) reste < Tjmax. > **>** Un bon choix de diode réduit les pertes, évite la surchauffe et prolonge la durée de vie du montage. ### F. Exemple chiffré : sélection d’une diode de redressement pour une alimentation 230 V AC, 50 Hz, sortie 5 V DC, 2 A 1. Tension crête inverse : Vcrête = √2 × 230 V ≈ 325 V. Marge de sécurité 20 % → VRSM ≥ 1,2 × 325 ≈ 390 V. On choisit une diode 1N4007 (VRSM = 1000 V). 2. Courant direct moyen : Idc ≈ 2 A (charge). Courant de crête dans chaque diode d’un pont ≈ Idc × π/2 ≈ 3,14 A. Marge 30 % → Ifmax ≥ 4 A. La 1N4007 supporte 1 A en continu, donc on utilise un **pont de quatre diodes 1N5408** (If = 3 A, VRSM = 1000 V) ou on place deux 1N4007 en parallèle avec résistances d’équilibrage. 3. Dissipation approximative totale du pont : Pd ≈ Vf × Idc ≈ 0,7 V × 2 A = 1,4 W. Avec RθJA = 50 °C/W, ΔT ≈ 70 °C. Si Ta = 30 °C, Tj ≈ 100 °C < 150 °C → acceptable sans dissipateur, mais un petit radiateur améliore la marge. --- ## II. Leçon 12 : Montages de bases des diodes (redressement monophasé+Filtre, Test) ### A. Redressement monophasé simple (demi‑onde) Le schéma consiste en une diode en série avec la charge et la source alternative. Pendant la demi‑onde positive, la diode conduit ; pendant la demi‑onde négative, elle bloque. La sortie est une série de pulsations positives. > **>** Le facteur de forme d’un redressement demi‑onde (Vrms/Vavg) vaut π/2 ≈ 1,57 (Vrms ≈ 1,57 × Vavg). ### B. Redressement en pont de diodes (pleine onde) Quatre diodes disposées en pont permettent de conduire durant les deux demi‑ondes, donnant une sortie pulsée à double fréquence (100 Hz pour un réseau 50 Hz). ### C. Filtres de lissage | Type de filtre | Principe | Formule approximative du ripple (Vr) | Avantages | Inconvénients | |----------------|----------|--------------------------------------|-----------|---------------| | Condensateur C seul | C se charge aux pics et se décharge à travers la charge | Vr ≈ Iload / (2 f C) | Simple, faible coût | Ripple relativement élevé si C petit | | Filtre LC (série L, parallèle C) | L oppose les variations rapides de courant, C lisse la tension | Vr ≈ Iload × (RL / (2πfL)) (si RL ≪ 2πfL) | Ripple très faible | Plus encombrant, coût supérieur | | Filtre π (C‑L‑C) | Deux condensateurs séparés par une self | Vr ≈ Iload / (2 f C) × (1 / (1 + (2πfL)² C²)) | Excellent atténuation | Complexité de réglage | > **>** Pour une alimentation 12 V DC, 1 A, avec un redressement en pont 50 Hz, un condensateur de 2200 µF donne un ripple d’environ Vr ≈ 1 A / (2 × 50 × 2200 × 10⁻⁶) ≈ 4,5 V crête‑à‑crête, soit ~3,2 Vrms. Un filtre LC avec L = 10 mH et C = 470 µF réduit le ripple à moins de 0,2 Vrms. ### D. Exemple chiffré : dimensionnement d’un condensateur de lissage pour un pont redresseur 220 V AC → 12 V DC, charge 1 A 1. Tension crête du secondaire (supposé idéal) : Vcrête = √2 × 220 V ≈ 311 V. 2. Après chute de diodes (2 × 0,7 V ≈ 1,4 V) : Vpic ≈ 311 − 1,4 ≈ 309,6 V. 3. Tension moyenne souhaitée : Vmoy ≈ 12 V. Le condensateur doit maintenir la tension proche du pic pendant la décharge. 4. Approximation du ripple admissible : on veut Vr ≤ 10 % de Vmoy → Vr ≤ 1,2 V crête‑à‑crête. 5. Formule : Vr ≈ Iload / (2 f C) → C ≈ Iload / (2 f Vr). C ≈ 1 A / (2 × 50 Hz × 1,2 V) ≈ 1 / 120 ≈ 0,00833 F = 8330 µF. On choisira un condensateur électrolytique de 10 000 µF, 25 V (marge de sécurité). > **>** Un condensateur trop petit entraîne un ripple excessif qui peut perturber les circuits sensibles ; un condensateur trop gros augmente le courant de démarrage et la contrainte sur les diodes. ### E. Test d’une diode avec un multimètre 1. **Mode diode** : le multimètre applique une petite tension (≈ 0,5 V) et mesure la tension directe. - Anode au rouge, cathode au noir → lecture ≈ 0,5‑0,8 V (Si) ou 0,2‑0,4 V (Schottky). - Inverser les pointes → affichage « OL » (overload) ou une valeur très élevée (> 2 V) indique un bon blocage. 2. **Mode résistance** (hors tension) : mesure de la résistance directe (quelques dizaines d’ohms) et inverse (mégaohms). 3. **Test en circuit** : si la diode est soudée, désolidariser une patte ou utiliser le mode diode avec précaution pour éviter les effets de charge parallèle. > **>** Toujours vérifier que le circuit est hors tension avant de toucher les pointes du multimètre. ### F. Procédure pas à pas de test d’une diode de puissance (ex. 1N5408) en atelier 1. Mettre l’appareil hors tension, débrancher l’alimentation. 2. Identifier l’anode (bande) et la cathode. 3. Sélectionner le mode diode sur le multimètre. 4. Placer la pointe rouge sur l’anode, noire sur la cathode → lire Vf. 5. Inverser les pointes → vérifier l’affichage « OL ». 6. Si les lectures sont hors plages attendues, la diode est défectueuse (court‑circuit ou ouverte). 7. Remonter la diode si bonne, sinon la remplacer par une référence identique. > **>** Lors du remplacement, respecter la polarité et vérifier que la nouvelle diode supporte au moins le même VRSM et If que l’originale. ### G. Exemple d’atelier : test de diode sur un variateur de vitesse de moteur monophasé - Le variateur utilise un pont de diodes 1N5408 pour redresser l’alimentation du circuit de commande. - Après une panne, le technicien mesure aux bornes de chaque diode : lectures de 0,62 V en direct et « OL » en inverse → toutes bonnes. - Une diode présente une lecture de 0,15 V en direct et 0,2 V en inverse → court‑circuit interne, remplacée. - Après remplacement, le variateur redémarre et la tension de sortie du pont est mesurée à 300 V crête, conforme aux attentes. --- ## III. ACTIVITES D’INTEGRATION ### A. Mise en situation professionnelle Un petit laboratoire de réparation électronique à Douala doit disposer d’une alimentation stabilisée réglable de 0‑30 V, 3 A pour tester des cartes de commande. Le cahier des charges précise : tension d’entrée 220 V AC monophasé, 50 Hz, ripple < 50 mVrms, protection contre les surtensions et les inversions de polarité. ### B. Étapes de réalisation | Étape | Action | Résultat attendu | |-------|--------|------------------| | 1. Analyse du cahier des charges | Déterminer les plages de tension et de courant, les contraintes de ripple. | Spécifications claires. | | 2. Schéma de principe | Pont de diodes Schottky (ex. 1N5822) + régulateur LM317 + filtre LC + protection contre surtension (varistor). | Schéma complet. | | 3. Sélection des composants | Diodes : If = 3 A, VRSM ≥ 400 V ; LM317 : Vout réglable, Idmax = 1,5 A (utiliser en parallèle avec transistor de puissance) ; L = 10 mH, C = 4700 µF ; varistor 275 V AC. | Liste de pièces avec références. | | 4. Prototypage sur plaque d’essais | Monter le pont, ajouter le condensateur de liaison, le self, le régulateur, vérifier les tensions intermédiaires. | Fonctionnement de base confirmé. | | 5. Mesures et réglages | Mesurer Vout avec multimètre, oscilloscope pour ripple, ajuster le potentiomètre du LM317, vérifier la réponse en charge. | Vout stable, ripple < 30 mVrms. | | 6. Essais en charge réelle | Connecter une charge résistive de 3 A, vérifier la chute de tension, la température des composants. | Aucun dépassement de température, stabilité maintenue. | | 7. Mise en boîtier et étiquetage | Installer dans un boîtier métallique avec ventilation, ajouter fusible primaire 2 A, étiqueter les entrées/sorties. | Produit fini conforme aux normes de sécurité. | | 8. Documentation | Rédiger le schéma final, la liste de pièces, le procès‑verbal d’essais. | Dossier technique disponible pour maintenance. | ### C. Travail pratique réalisé par les élèves - Chaque groupe réalise le montage sur une plaque d’essais, mesure Vout à 5 V, 12 V, 24 V avec un potentiomètre, enregistre le ripple à l’oscilloscope. - Ils consignent les valeurs de température des diodes et du régulateur après 10 min de pleine charge. - Ils rédigent un bref rapport incluant : schéma, calculs, résultats, difficultés rencontrées, améliorations proposées. ### D. Évaluation des compétences | Compétence | Indicateur | Niveau attendu | |------------|------------|----------------| | Lecture et interprétation de schémas | Capacité à reproduire le schéma à partir d’une description | Bonne | | Sélection de composants selon critères techniques | Justification du choix des diodes, du régulateur, du filtre | Très bonne | | Réalisation d’un montage sûr | Respect des consignes de mise à la terre, du fusible, de l’isolement | Satisfaisante | | Mesure et analyse de paramètres électriques | Utilisation correcte du multimètre et de l’oscilloscope, calcul du ripple | Bonne | | Rédaction d’un rapport technique | Clarté, présence des schémas, tableau de résultats, conclusion | Satisfaisante | --- ## Synthèse du chapitre - **Diode** : composant à jonction p‑n, conduit en biais direct, bloque en biais inverse. - **Types principaux** : redressement (1N4007, 1N5408), Schottky (rapide, faible Vf), Zener (régulation), LED (émission), TVS (protection transitoire). - **Spécifications essentielles** : Vf, Ifmax, VRSM/VBR, Pdmax, trr, Tj, RθJA. - **Choix d’une diode** : basé sur la tension inverse maximale, le courant direct moyen, la fréquence de fonctionnement, la dissipation thermique et la température ambiante. - **Redressement monophasé** : demi‑onde (une diode) ou pont (quatre diodes) ; le pont donne une fréquence de ripple double du réseau. - **Filtrage** : condensateur C seul (formule Vr ≈ Iload/(2fC)), filtre LC ou π pour réduire le ripple. - **Dimensionnement du condensateur** : C ≈ Iload/(2fVr) ; exemple 10 000 µF pour 12 V DC, 1 A, ripple ≤ 1,2 V. - **Test diode** : mode diode du multimètre (lecture directe 0,2‑0,8 V, inverse « OL »). - **Sécurité** : toujours travailler hors tension, utiliser des EPI, respecter les valeurs de VRSM et If, prévoir des dissipateurs si Pd approche Pdmax. - **Application professionnelle** : conception d’une alimentation stabilisée avec pont Schottky, régulateur LM317, filtre LC, protection varistor, essais de ripple et de charge. --- ## Glossaire - **Anode** : électrode où le courant entre dans la diode lorsqu’elle est polarisée en biais direct. - **Cathode** : électrode où le courant sort de la diode en biais direct. - **Biais direct** : condition où la tension appliquée anode > cathode permet la conduction. - **Biais inverse** : condition où la tension appliquée cathode > anode bloque le courant (sauf claquage). - **Tension directe (Vf)** : chute de tension aux bornes de la diode lorsqu’elle conduit à son courant nominal. - **Courant direct maximal (Ifmax)** : valeur maximale de courant continu que la diode peut supporter sans dégradation. - **Tension de crête répétitive inverse (VRSM)** : valeur maximale de tension inverse que la diode peut bloquer en régime périodique. - **Temps de récupération inverse (trr)** : délai nécessaire pour que la diode passe de la conduction directe au blocage après inversion de polarité. - **Résistance thermique jonction‑ambiant (RθJA)** : mesure de la capacité du composant à évacuer la chaleur vers l’environnement. - **Ripple** : composante alternative résiduelle présente sur une tension continue après redressement et filtrage. - **Filtre LC** : combinaison d’une self (L) et d’un condensateur (C) utilisée pour atténuer les variations rapides de tension ou de courant. - **Varistor** : composant non linéaire qui limite les surtensions en devenant conducteur lorsqu’une certaine tension est dépassée. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Sélection d’une diode de redressement **Énoncé** : Une alimentation à découpage doit fournir 24 V DC, 4 A à partir d’une entrée monophasée 230 V AC, 50 Hz. On utilise un pont de diodes. Déterminer : a) La tension inverse minimale que chaque diode doit bloquer. b) Le courant direct moyen que chaque diode doit supporter. c) Proposer une référence de diode commerciale adaptée (préciser Ifmax, VRSM, Vf typique). **Corrigé** : a) Tension crête du secondaire : Vcrête = √2 × 230 V ≈ 325 V. Dans un pont, chaque diode subit une tension inverse égale à la crête moins la chute d’une diode conductrice (≈ 0,7 V). VRSMmin ≈ 325 V − 0,7 V ≈ 324 V. On applique une marge de 20 % → VRSM ≥ 1,2 × 324 ≈ 389 V. b) Courant de charge moyen : Idc = 4 A. Dans un pont, chaque diode conduit pendant la moitié du temps, donc le courant moyen dans chaque diode est Idc/2 = 2 A. Le courant de crête dans chaque diode approximativement Idc × π/2 ≈ 4 × 1,57 ≈ 6,3 A. On prend une marge de 30 % → Ifmax ≥ 1,2 × 6,3 ≈ 7,6 A. c) Une diode répondant à ces critères : **1N5408** (If = 3 A, VRSM = 1000 V, Vf ≈ 0,9 V à 3 A) n’est pas suffisante en courant. On choisit plutôt **SB560** (diode Schottky, If = 5 A, VRSM = 600 V, Vf ≈ 0,5 V à 5 A) ou on place deux 1N5408 en parallèle avec résistances d’équilibrage (chaque diode supporte alors ≈ 3,8 A en crête). Solution retenue : deux diodes **1N5408** en parallèle, chaque diode avec une résistance de 0,1 Ω en série pour équilibrer les courants, donnant un Ifmax effectif d’environ 6 A et VRSM = 1000 V > 389 V. ### Exercice 2 – Dimensionnement d’un condensateur de lissage **Énoncé** : Un redressement en pont fournit une tension crête de 180 V après chute des diodes. On désire obtenir une sortie continue de 15 V avec un ripple crête‑à‑crête inférieur à 2 V. La charge consomme un courant constant de 0,8 A. Calculer la valeur du condensateur C nécessaire. **Corrigé** : La formule du ripple pour un condensateur seul est : Vr ≈ Iload / (2 f C). On connaît : Iload = 0,8 A, f = 50 Hz (fréquence du redressement complet), Vr ≤ 2 V. Réarranger : C ≥ Iload / (2 f Vr) = 0,8 / (2 × 50 × 2) = 0,8 / 200 = 0,004 F = 4000 µF. On choisira un condensateur électrolytique de **4700 µF**, 35 V (marge de tension). Vérification : Vr réel = 0,8 / (2 × 50 × 4700 × 10⁻⁶) ≈ 0,8 / 0,47 ≈ 1,70 V crête‑à‑crête, soit environ 1,20 Vrms, bien inférieur à la limite de 2 V crête‑à‑crête. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |------------------|-------------|--------------------------------------| | **Inverser l’anode et la cathode** lors du soudage d’une diode de puissance. | Court‑circuit immédiat, dégradation du composant, risque de surchauffe. | Toujours repérer la bande (cathode) avant de placer le composant ; vérifier avec un multimètre en mode diode avant de souder. | | **Utiliser une diode avec un VRSM insuffisant** pour le redressement secteur. | La diode claque en inverse sous la tension de crête du réseau, provoquant une défaillance en mode court‑circuit. | Calculer Vcrête = √2 × Vrms, ajouter 20 % de marge, choisir une diode avec VRSM ≥ cette valeur. | | **Sous‑dimensionner le condensateur de lissage** (valeur trop faible). | Ripple excessif, déclenchement de protections des circuits aval, bruit audible dans les alimentations audio. | Appliquer la formule C ≥ Iload / (2 f Vr) avec un ripple admissible (souvent < 5 % de Vout) et choisir la valeur supérieure commerciale la plus proche. | | **Faire fonctionner une diode au-delà de son Ifmax** sans dissipateur thermique. | Augmentation de la température de jonction, dépassement de Tjmax, réduction de la durée de vie ou destruction immédiate. | Calculer la puissance dissipée (Pd = Vf × If moyenne), comparer à Pdmax, ajouter un radiateur ou choisir une diode avec Ifmax plus élevé si nécessaire. | | **Mesurer une diode en circuit sans la désolidariser** et obtenir une lecture erronée à cause de chemins parallèles. | Diagnostic faux, remplacement inutile d’un bon composant. | Toujours isoler au moins une patte de la diode (couper une piste ou dessouder une patte) avant de faire le test en mode diode. | | **Ne pas porter de lunettes de protection** lors du soudage de composants à forte puissance (ex. diodes de redressement). | Risque de projection de métal fondu ou de vapeurs nocives. | Porter des lunettes de sécurité et, si nécessaire, un masque anti‑vapeurs lors du soudage de gros composants. | --- *Fin du cours.*