Ce qu’on peut faire avec des diodes

 (lcamtuf.substack.com)
3 points par GN⁺ 2025-11-04 | 1 commentaires | Partager sur WhatsApp
  • Explication progressive des différentes utilisations dans les circuits électroniques, en se concentrant sur la structure des diodes et leur principe de fonctionnement
  • Présentation de la formation de la jonction p-n, de la barrière de potentiel et des caractéristiques de circulation du courant en polarisation directe et inverse
  • Présentation de circuits pratiques pour la protection de circuit, la référence de tension, le redressement, le doublement de tension, le clamping de signal et la réalisation de portes logiques
  • Analyse détaillée, schémas à l’appui, des caractéristiques tension-courant, des résultats de simulation et du rôle des composants dans chaque circuit
  • Mise en avant de l’importance fondamentale des diodes en électronique, au-delà de leur rôle de simple composant semi-conducteur

Principes de base des diodes

  • Les diodes sont des composants relativement négligés dans l’enseignement de l’électronique, avec une modélisation mathématique moins développée que celle des résistances, condensateurs et inductances
  • Elles sont formées par la jonction de semi-conducteurs de type p et n ; à l’interface existent un champ électrique interne et une zone de déplétion dus à la diffusion des charges
  • En polarisation directe, le courant circule à partir d’environ 0,6 V (pour le silicium) ; en polarisation inverse, l’état reste quasiment isolant
  • Si la tension inverse devient suffisamment élevée, il se produit un phénomène de claquage (breakdown) entraînant une forte hausse du courant ; le composant qui exploite cet effet est la diode Zener

Applications de protection de circuit

  • Une diode Zener branchée en inverse laisse passer le courant lorsque la tension d’entrée dépasse une certaine limite, assurant une protection contre les surtensions
    • Cette méthode est commercialisée sous la forme de TVS (Transient Voltage Suppressor) pour supprimer les décharges électrostatiques ou les pics de tension dus aux charges inductives
  • Pour une protection bipolaire, on peut réaliser un TVS bidirectionnel en connectant deux diodes en sens opposé
  • Pour la protection contre l’inversion de polarité de l’alimentation, on insère une diode en direct en série afin de couper le circuit en cas de polarité inversée
    • L’inconvénient est la chute de tension et l’échauffement ; dans les circuits basse tension, on préfère souvent des circuits de protection à base de transistors

Circuits de référence de tension

  • La diode Zener présente une tenue stable de la tension à sa tension de claquage inverse, ce qui permet de l’utiliser comme référence de tension
  • En limitant le courant avec une résistance, la variation de la tension de sortie reste faible par rapport aux variations de la tension d’entrée
    • Dans l’exemple de circuit, une variation de 1 V en entrée entraîne une variation d’environ 45 mV (5 %) en sortie
  • Une configuration en plusieurs étages (cascade) peut améliorer la stabilité, à condition que la tension Zener de la première soit supérieure à celle de la seconde
  • Pour les applications de précision, on utilise des circuits de référence à base de transistors avec compensation thermique, mais la Zener reste une alternative simple et valable

Redressement et détection de signal

  • Un redresseur demi-onde ne laisse passer que la demi-période positive de l’AC pour charger un condensateur et produire une tension DC en sortie
    • En combinant condensateur et résistance, on peut l’utiliser comme détecteur d’enveloppe de signal AM (envelope follower)
  • Un redresseur double alternance (pont de diodes) est constitué de quatre diodes et exploite à la fois les demi-périodes positive et négative du signal d’entrée
    • Le condensateur de sortie se charge toujours avec la même polarité, ce qui permet une conversion DC efficace

Circuit doubleur de tension

  • Un doubleur de tension (voltage doubler) utilise deux diodes et des condensateurs pour stocker séparément les tensions de crête positive et négative du signal d’entrée
    • La tension entre les bornes de sortie correspond à deux fois la tension de crête en entrée (2×V_peak)
  • Dans les circuits modernes, on utilise des transistors en commutation à la place des diodes pour réduire la chute de tension et permettre le fonctionnement même avec une entrée DC

Clamper (restauration DC)

  • Un circuit clamper déplace la référence DC d’un signal AC afin d’aligner son pic négatif près de 0 V
    • Le condensateur se charge jusqu’à la tension de crête du signal, ce qui décale ensuite l’ensemble de la forme d’onde vers le haut
  • La résistance de charge règle la vitesse de réponse aux variations lentes du signal, et un fonctionnement stable est possible même avec le seul courant de fuite
  • En pratique, il est recommandé d’utiliser un condensateur de 10 à 100 µF avec une résistance de 1 MΩ

Circuits logiques à diodes

  • Avec des diodes seules, on peut réaliser des opérations logiques simples (OR, AND)
    • Circuit OR : si l’une des entrées est à une tension positive, la sortie monte
    • Circuit AND : la sortie n’est positive que lorsque toutes les entrées sont positives
  • Toutefois, ces circuits sont inadaptés aux logiques multi-étages en raison de leur faible capacité à fournir du courant en sortie
    • Dans l’exemple de circuit, des états de tension intermédiaires apparaissent selon la combinaison des entrées, ce qui empêche de conserver des niveaux logiques bien définis

Conclusion

  • Les diodes ne se limitent pas à bloquer le courant : elles jouent un rôle central dans le contrôle de tension, la protection, la conversion, le traitement du signal et les opérations logiques
  • Même aujourd’hui, alors que les circuits à transistors complexes se sont généralisés, elles restent un élément fondamental pour concevoir des circuits électroniques simples et fiables

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1 commentaires

 
GN⁺ 2025-11-04
Avis Hacker News

  • Il manque quelques applications de circuits analogiques, donc je présente mes trois préférées

    1. Mélangeur de fréquences — Frequency mixer, utilisé pour le hétérodynage, essentiel en radio
    2. Convertisseur logarithmique — Log converter, produit une tension de sortie proportionnelle au logarithme de la tension d’entrée
    3. Anneau de diodes — un circuit à gain variable utilisé dans des compresseurs analogiques comme le Neve 33609. J’ai moi-même un clone du 33609
      Les diodes sont des composants non linéaires, donc leur résistance dynamique varie selon le point de fonctionnement, et si on la module, on obtient l’effet d’une modulation de la résistance elle-même
    • J’aimerais aussi ajouter la varactor — Varicap. En ajustant la polarisation inverse, la capacité de jonction change. On l’utilise par exemple dans les filtres variables des radios
    • J’aimerais ajouter encore deux exemples issus des circuits analogiques pour la musique/la guitare
      1. Modulateur en anneau — Ring modulation, un dispositif qui multiplie deux signaux analogiques dans le domaine temporel, connu pour la voix des Daleks dans Doctor Who dans les années 1960. Il peut même fonctionner sans alimentation
      2. Écrêteur à diodes — Clipper, deux diodes de polarité opposée écrêtent un signal AC à ± la tension de diode. Avec un ampli à fort gain en amont, on peut obtenir le son de distorsion classique des guitares. Les diodes au germanium sont idéales, mais mélanger différents types peut aussi donner une belle couleur sonore
    • Il ne faut pas utiliser de diodes dans un convertisseur logarithmique. Les courants parasites masquent le courant à dépendance exponentielle. Il faut utiliser à la place des transistors bipolaires. Le courant de collecteur d’un transistor ne dépend que du courant idéal de la diode base-émetteur, ce qui permet de conserver une relation logarithmique sur une large plage de courants
    • On peut aussi fabriquer un échantillonneur de signaux rapides — Sampler
    • Avec des diodes Zener, on peut même réaliser un générateur quantique de nombres aléatoires — lien vers l’article

  • Je me demande si ce genre de contenu a vraiment disparu des cursus d’électronique aujourd’hui. À l’époque, on voyait tout cela en licence dans les cours d’EE 2XX/3XX. Je me demande si l’enseignement est devenu plus centré sur les IC que sur les diodes

  • On peut simuler directement dans le navigateur plusieurs circuits à diodes avec CircuitLab

  • En mettant plusieurs diodes en série, on peut s’en servir comme d’un abaisseur de tension bon marché. Par exemple pour ralentir un ventilateur de PC et le rendre plus silencieux

  • L’un des circuits qui m’a toujours fasciné est le Diode Ladder Filter — lien YouTube

    • Ces filtres en échelle à diodes sont des circuits clés des vieux synthétiseurs analogiques, et leur son est vraiment magnifique

  • On peut aussi expérimenter soi-même en ligne avec un simulateur de circuits — Falstad CircuitJS

  • Justement aujourd’hui, j’ai reçu un lot de diodes de chez Digi-Key. Je vais réparer le redresseur en pont de la carte de contrôle d’un chauffage de piscine

  • On peut aussi constituer une petite ROM sur une carte avec des diodes. Par exemple pour stocker des données bitmap, ou même disposer les diodes en forme de bitmap pour gagner des style points — exemple de Computer Space

  • Aujourd’hui, j’ai justement utilisé une diode ordinaire pour abaisser légèrement une tension d’entrée. Je voulais simplement retirer 0,7 V, donc c’était plus efficace qu’un convertisseur buck. Une diode Zener aurait aussi pu convenir, mais à fort courant, elle chauffe beaucoup trop

  • Il y a aussi le circuit octaver — lien vers le schéma