Objectifs : Étudier les caractéristiques courant-tension de divers types de diode.
Se familiariser à diérentes 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, an de rendre cette source ottante.
1.1 Caractéristiques I-V d'une diode standard
a) Réaliser le circuit CA suivant an d'observer la courbe caractéristique I-V de la diode directement sur l'écran de l'oscilloscope.
(1N914)
R
D X
V
Y
S
Figure 1: Caractéristique I-V de la diode.
VS : générateur HP3311A X : CH1 de l'oscilloscope Y : CH2 de l'oscilloscope
D : diode 1N914
R : résistance au carbone
b) Prendre une valeur de résistance R=100 Ω pour des questions de sensibilité et 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). Mettre l'oscilloscope en mode X-Y, où on aura Vd sur l'axe X et VR = −R·Id sur l'axe Y. Observer l'eet de la tension CC de la source et de la fréquence sur l'allure de votre courbe I-V.
Note : À cause de la position du point de mise à la terre, le signal observé sur l'axe Y est de signe contraire à celui du courant Id (en direct) traversant la diode : on peut donc utiliser le bouton "CH2 INV" an d'obtenir la forme attendue 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 clé USB. Enregistrer d'autres courbes I-V pour des fréquences de 100 Hz, 1 kHz, et 10 kHz. Note : On ne peut enregistrer directement les courbes en mode X-Y sur l'oscilloscope : vous devrez donc repasser en mode Y(t) et enregistrer les deux canaux Vd(t)etVR(t)an de tracer cette courbe I-V avec votre logiciel. Avant de passer au point suivant, rééchissez à des ajustements des paramètres de votre expérience (pour une fréquence de 30 Hz) qui vous permettrait de gagner en résolution en polarisation directe.
d) Enregistrer de nouvelles courbes I-V en utilisant R = 1kΩ, pour les mêmes fréquences qu'en c).
Résultats et analyse
Tracer la courbe I-V de la diode, obtenue pourR= 100 Ωet pour une fréquence de 30 Hz. Décrire l'allure de votre courbe I-V. Déterminer les caractéristiques suivantes de cette diode : sa tension de coude, sa résistance en direct, ainsi que sa résistance en inverse. Discuter. Pouvez-vous identier le semiconducteur utilisé pour cette diode ? Tracer l'ensemble de vos courbes I-V obtenues pour diérents R et pour diérentes
fréquences. Discuter de l'eet 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 = 1kΩ. Augmenter l'amplitude de tension de la source et ajuster le décalage de la tension continue de la source an de bien observer la condition d'avalanche dans la région de polarisation inverse. Fixer la fréquence à environ 30 Hz et enregistrer votre courbe I-V sur clé USB.
Partie 2 Applications
Note : Discuter avec le moniteur de l'eet de la tension de décalage ("DC oset") de la source sur les résultats des prochaines manipulations.
Attention : Avant d'eectuer le montage des circuits, vérier 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) et en bon état.
R D D
D D
VS Vo
Figure 2: Redresseur plein cycle.
VS : générateur HP3311A V1, V2 : sources continues D1, D2 : diode 1N914
b) PrendreR= 10kΩet ajuster la fréquence du générateur à environ 50 Hz. Avant de 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 préalable ajustée l'échelle de temps an de pouvoir observer quelques cycles d'oscillation.
Brancher ensuite le générateur au circuit et enregistrer ce signal de sortieVo(t) sur votre clé USB. Noter la tension moyenne de ce signal. Augmenter le nombre d'oscillations en modiant l'échelle de temps et noter l'eet sur la moyenne du signal.
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 100 kΩ et ajouter à votre circuit un condensateur (boite à décades) à l'endroit approprié pour l'obtention d'une tension de sortie quasi-continue. Ajuster la capacité du condensateur à C = 0.2µF et enregistrer le signal de sortie Vo(t) sur votre clé USB. Répéter pour C= 0.8µF.
Résultats et analyse
Pour le circuit redresseur plein-cycle (point b), tracer sur un même graphique la courbe Vo(t) et le signal de sortie de la source. Expliquer la forme d'onde obtenue.
Comparer la valeur expérimentale du voltage moyen hVo(t)i à la valeur théorique obtenue pour un signal purement harmonique redressé. Discuter.
Pour le circuit convertisseur CA→CC (point c), tracer les courbes Vo(t) obtenues pour les deux valeurs de C. Décrire l'allure de vos courbes et expliquer l'eet de ce 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 taux d'ondulation de la tension de sortie (r=4Vo/Vo(max)) et expliquer l'eet de la capacité 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 diodes utilisées. Décrire l'allure de ces courbes. Dites comment faire pour déterminer les caractéristiques de ces diodes. Donner les valeurs obtenues et discuter.
Partie 2 :
Tracer le signal Vo(t) obtenu pour le circuit redresseur plein-cycle et comparer cette courbe au signal de sortie du générateur. Expliquer vos résultats à l'aide d'un schéma de circuit où le sens de circulation du courant est clairement indiqué pour chacune des polarités d'un cycle d'oscillation du signal source.
2.2 Circuit écrêteur
VS
V1 D1
V2 D2 R = 10 kΩ
Vo
VS : Générateur HP3311A D : diode 1N914
R : résistance au carbone
a) Réaliser le circuit ci-dessus en utilisant un générateur d'onde sinusoïdale pour VS et une source de tension continue avec deux sorties indépendantes pour V1 etV2. Fixer la fréquence à 50 Hz.
b) Ajuster l'amplitude de tension du générateur à 10 Volts (crête à crête). Vérier le comportement du circuit écrêteur en observant simultanément à l'oscillo- scope les signaux VS(t) etVo(t)pour divers niveaux de tension continue V1 et V2.
c) Fixer V1 = 4 V et V2 = 2 V. Enregistrer vos signaux VS(t) et Vo(t) sur clé USB.
Résultats et analyse
Trace vos signaux VS(t) et Vo(t) obtenus et commente. Déterminer les niveaux d'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 HP3311A D : diode 1N914
Vo : lecture à l'oscilloscope (mode CC) ou multimètre Fluke
a) Réaliser le circuit ci-dessus en utilisant un générateur d'onde sinusoïdale pour VS.
b) Fixer la fréquence de la source à 1 kHz et son amplitude de tension à 10 Volts (crête à crête). Observer simultanément VS(t) et Vo(t) à l'oscilloscope.
Enregistrer vos signauxVS(t)etVo(t)sur clé USB. Mesurer le niveau de tension de sortieVoà l'aide du multimètre Fluke en mode continu. Comparer la tension lue à la tension crête de VS.
c) Modier la fréquence de la source et observer son eet sur V0(t) (mesuré à l'oscilloscope). Enregistrer les traces obtenues pour V0(t), pourf = 50Hz.
Résultats et analyse
Pour f = 1 kHz, tracer vos signauxVS(t)etVo(t)obtenus et commenter. Comparer la tension de saturation observée à l'oscilloscope à la tension lue au multimètre puis à la tension crête de la source. Discuter. Expliquer le fonctionnement de ce circuit en termes des résistances Rdir et Rinv de la diode et du temps de charge de la capacité.
Comparer les signauxVo(t)obtenus pour les diérentes fréquences (50 Hz et 1 kHz).
Expliquer vos résultats. En complément à cette explication, dire comment on peut améliorer 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 continue DZ : diode Zener de 5.1 V
Vo : lecture au multimètre Fluke
a) Réaliser le circuit ci-dessus en utilisant une source de tension continue pour VS.
b) Mesurer la tension CC de la source et la tension de sortie Vo à l'aide de deux multimètres Fluke. Varier la tension VS entre 0 et 10 Volts et noter la tension de sortie Vo (prendre une dizaine de points expérimentaux).
Attention : dans le régime d'avalanche de la diode le courant peut être tel que la diode chaue. Au-dessus de 5 Volts, prendre la lecture au Fluke et fermer la source entre chaque mesure.
Résultats et analyse
Faire le graphique deVo en fonction deVS. Identier la zone de régulation et com- parer la tension de régulation à la valeur attendue. Quelle est la condition à remplir an 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.
