La diode

Présentation

La première fois que l'on a expérimenté le fait de ne laisser passer le courant que dans un sens, c'était en 1874. C'est à un physicien allemand, Karl Ferdinand Braun, que l'on doit cette première expérimentation avec un cristal de galène. Le galène est un minéral composé en grande partie de souffre. On se servait alors de diodes à base de galène afin de redresser le courant alternatif et en faire du courant continu.

Une diode est un appareil électrique. Il s'agit d'un dipôle polarisé. Cela signifie qu'il a un sens de branchement avec une borne positive et une borne négative.

Une diode a pour but de ne laisser passer le courant que dans un sens. Elle peut aussi faire partie des redresseurs dont le rôle est de transformer le courant alternatif en courant à un seul sens que l'on appellera unidirectionnel.

Où trouve-t-on des LED ?
On retrouve des diodes dans la majorité des cartes électroniques, que ce soit pour ne laisser passer le courant que dans un certain sens ou pour donner des indications lumineuses.

De nos jours, les diodes sont fabriquées à base de semi-conducteurs. En effet, une jonction de tous les deux est souvent ce que l'on retrouve dans les diodes.

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A quoi servent les diodes ?

Les diodes sont très utilisées en électronique afin de ne laisser passer le courant que dans un sens. La plupart du temps, ce sont même des diodes électroluminescentes qui sont utilisées dans les appareils électroniques. On peut aussi se servir des diodes afin de diminuer la puissance d'un courant alternatif. En effet, en divisant le courant alternatif, il fait baisser la tension de celui-ci. On peut aussi créer des ponts avec les diodes. Cela est notamment utile dans le cas des panneaux photovoltaïques afin de relier les différents panneaux entre eux.

L'éclairage

La lampe à diode électroluminescente, abrégée en DEL ou en LED en anglais pour Light-Emitting Diode est un type de lampes dernière génération qui a pour vocation de remplacer toutes les autres lampes existantes. Leur fonctionnement repose sur les diodes électroluminescentes. Au début, ces lampes étaient utilisées dans les voyants de signalisation car elles ne produisent presque pas de chaleur contrairement aux lampes à incandescence et elles consomment très peu d'énergie, ce qui en faisait des produits de choix pour les voyants de fonctionnement. Disposant d'une durée de vie très élevée, elles se sont agrandies et maintenant on trouve des LED dans tous les domaines et dans toutes les tailles. Les lampes à diode électroluminescente ont aussi l'avantage de produire de nombreuses lumières par addition de couleurs. On peut aussi, en fonction du sens de passage du courant, choisir quelle couleur sera émise. Leur durée de vie se compte en dizaine de milliers d'heures. Leur vieillesse se caractérise par une baisse de leur rendement. Il arrive donc plus fréquemment  que les composants électroniques de la LED tombent en panne avant les diodes électroluminescentes en elles-mêmes. Ce type de lampe montre aussi une grande résistance aux changements d'état allumé ou éteint sans s'user ni s’abîmer contrairement à une ampoule à incandescence habituelle. Pour finir, elles permettent une pleine puissance lumineuse instantanée, ce qui en fait une lampe privilégiée dans le domaine de la signalisation, notamment dans l'automobile. Il existe cependant quelques inconvénients à l'utilisation des LED. En effet, ces dernières sont sensibles à la chaleur et c'est pourquoi il est important qu'elles soient accompagnées d'un bon dissipateur thermique. Autrement, elles perdent de leur puissance lumineuse au delà de 100 °C. Leur prix reste aussi bien plus élevé que les ampoules à incandescence traditionnelles ainsi que les ampoules halogènes.

Quelles avancées ont permis les LED ?
Les ampoules LED ont permis de belles avancées dans l'éclairage. En effet, grâce aux LED, les éclairages peuvent prendre diverses formes, ne chauffent plus et permettent ainsi d'avoir des lampes comme celle-ci.

Dans les circuits électriques

La diode est utilisée dans les petits circuits électriques comme filtre car elle ne laisse passer l'électricité que dans un sens. Le schéma électrique de la diode est représenté par ce pictogramme :

Dans le cas où cette diode émet de la lumière (une LED), le pictogramme diffère un peu :

Quelques exercices d’entraînement

Exercice 1

Dans l'activité 1, tu as vu le courant électrique a un sens. Tu vas maintenant découvrir le fonctionnement d'un autre élément électrique sensible au sens du courant : la diode.

Le matériel

  • Générateur, lampe, diode, fils de connexion

L'expérience

  • Avec le matériel, réalise le montage du document 1.
  • Observe la lampe.
  • Inverse le sens de branchement de la diode.
  • Observe la lampe.

1/ La borne + du générateur est reliée à la borne A de la diode.

2/ La borne + du générateur est reliée à la borne B de la diode.

3/ La diode.

4/ Symbole d'une diode.

Représenter le schéma normalisé des deux circuits :

Circuit 1

Circuit 2

Conclusion

Une diode ne laisse passer le courant que dans un sens : c'est un dipôle polarisé.

Circuit 1 : La diode est branché dans le sens passant : la lampe brille.
Circuit 2 : La diode est branché dans le sens inverse : la lampe ne brille pas.

Exercice 2

La lampe secouée

De nouvelles lampes dites écologiques ont fait leur apparition sur le marché. On se propose, dans cet exercice, d’étudier leur dispositif de stockage de l’énergie électrique.

Nous avons cherché longtemps une solution à l’éternel problème de la lampe de secours (voiture, bateau, maison, camping, avion…) qui, bien sûr, ne marche jamais quand on en a besoin. Au mieux les piles sont « mortes », au pire elles ont coulé ou l’ampoule est grillée quand ce ne sont pas les contacts qui sont corrodés. […]

Aux USA, un petit fabriquant a mis à profit l’arrivée des DEL pour réaliser l’un de ses rêves, la « lampe sans pile ».

Fonctionnement : En secouant (un peu comme une bombe de peinture mais plus doucement) la lampe 30 secondes, de l’énergie électrique est produite et stockée dans un condensateur. Vous obtenez alors environ 20 min d’une lumière produite par une DEL.

Si vous n’utilisez pas toute l’énergie produite elle restera stockée dans le condensateur pendant plusieurs semaines pour être immédiatement disponible sur simple pression du bouton.

Quelle quantité d'énergie consomme une ampoule à LED ?
L'utilisation de ce genre de lumières d'alertes a été rendue possible grâce à la faible consommation des ampoules à LED.

Information sur les composants :

Le condensateur a une capacité d’un farad et peut stocker au maximum une énergie égale à 12 J. Il perd 8 mJ par heure.

On considère qu’en secouant la lampe durant trente secondes le condensateur est chargé et la tension entre ses bornes est U0 = 3,6 V.

1. Le dipôle RC

On étudie la décharge du condensateur de capacité C =1,0 F à travers un conducteur ohmique de résistance R.

À t0 = 0 s, on ferme l’interrupteur K et la décharge débute.

Établir l’équation différentielle vérifiée par uC(t) pendant la décharge et montrer qu’elle peut s’écrire sous la forme

    \[\frac { \text {d} u _ {C}} { \text {d} t } + \frac {1} {\tau} u_{C} = 0\]

où t = R.C est la constante de temps du circuit.

Vérifier par une analyse dimensionnelle que la constante de temps t est homogène à un temps.

Montrer que est solution de l’équation différentielle précédente.

En déduire qu’une durée environ égale à permet une décharge quasi-complète du condensateur.

Si l’on considère que cette durée est égale à vingt minutes, déterminer la valeur de la résistance R du conducteur ohmique qu’il faut alors associer au condensateur de capacité C = 1,0 F.

Énergie emmagasinée dans le dipôle RC

Lors du « secouement » de la lampe, il y a conversion d’énergie. Choisir parmi les propositions suivantes celle qui décrit le mieux la situation :
a) Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique ;
b) Conversion d’énergie chimique en énergie électrique ;
c) Conversion d’énergie mécanique en énergie électrique ;
d) Conversion d’énergie mécanique en énergie chimique.

Rappeler l’expression de l’énergie E(t) emmagasinée dans le condensateur au cours du temps en fonction de uC(t) et C.

Calculer l’énergie Emax emmagasinée dans le condensateur à l’issue de sa charge lorsque la tension à entre ses bornes est U0 = 3,6 V. Vérifier qu’elle ne dépasse pas les performances annoncées par le constructeur.

Vérifier par un calcul que la lampe ne pourra pas fonctionner sans être « secouée » après plusieurs semaines sans utilisation.

Simulation de l’éclairage

On peut simuler le fonctionnement de la lampe en ajoutant en série, dans le circuit de décharge du condensateur, une diode électroluminescente (DEL) composant polarisé.

Comment profiter des ampoules LED ?
Il arrive souvent que l'on remplace dans les véhicules d'ancienne génération les ampoules à incandescence par des ampoules LED, qui consomment moins d'énergie et surtout ont un meilleur éclat pour une durée de vie augmentée.

Une diode ne laisse passer le courant que dans le sens indiqué sur le schéma ci-dessous (appelé sens passant) et à la condition que la tension ud entre ses bornes soit supérieure ou égale à une tension appelée tension de seuil soit ici Useuil = 3,0 V. De plus, on considère que la diode possède une résistance  supposée constante.

Sur le schéma du circuit représenté figure 1 de l’annexe 2 à rendre avec la copie, ajouter, en série avec la résistance , une diode électroluminescente qui laisse passer le courant lors de la décharge du condensateur.

Pourquoi le condensateur ne peut-il pas se décharger complètement ?

La durée d’évolution de la tension aux bornes du condensateur de 3,6 V à 3,0 V est-elle modifiée par la présence de la DEL dans le montage ? Justifier.

Pour décharger complètement le condensateur dans le montage précédent, on propose plusieurs solutions :

Inverser le sens de la diode ;

Augmenter la valeur de la résistance ;

Court-circuiter le condensateur ;

Court-circuiter la diode ;

Choisir la ou les solution(s) permettant la décharge complète en donnant un argument justifiant ce choix.

Annexe à rendre avec la copie : Figure 1
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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.