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CIRCUITS ÉLECTRONIQUES ELE2302 Chap. 2 : Diodes – Applications Abdelhakim Khouas Tél. : 340-4711 poste 5116 Local : M-5416 Courriel : [email protected] Département de Génie Électrique École Polytechnique de Montréal

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CIRCUITS ÉLECTRONIQUESELE2302

Chap. 2 : Diodes – ApplicationsAbdelhakim Khouas

Tél. : 340-4711 poste 5116Local : M-5416

Courriel : [email protected]

Département de Génie ÉlectriqueÉcole Polytechnique de Montréal

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1ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Objectifs

Appliquer les notions théoriques vues la semaine dernière

Apprendre à analyser des circuits conçus avec des diodes

Se familiariser avec certaines applications importantes en électronique

Régulateur de tensionConvertisseur AC-DC

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2ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Plan

Régulateur de tension avec la diode Zener

Convertisseur AC-DC

RedresseursRedresseur simple alternanceRedresseur double alternanceRedresseur en pontRedresseur avec filtre

Autres applications

Autres types de diode

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3ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension

C’est quoi ?C’est un circuit qui permet de fournir une tension constante

Pourquoi ?Pour garder la tension la plus constante possible, lorsqu‘on a :

Changement dans le courant de charge (résistance de charge)Variations dans la tension d’alimentation

Comment ?Utilisation de la diode en polarisation directe

Voir modèle chute de tension de la diode

Utilisation de la diode en polarisation inverse (diode Zener) « Shunt regulator »

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4ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Diode Zener (rappel)

C’est quoi une diode Zener ?Diode qui a été modifiée pour qu’elle fonctionne

en région de Cassure

Équation de la diode Zener (caractéristique i-v)

Pour un courant IZ >IZK, on a :

IZK : Courant de Knee Zener rZ : résistance incrémentale au point d’opérationVZ0 : Tension correspondant à l’intersection de la

droite avec l’axe IZ=0 (VZ0=VZK)

0Z Z Z ZV V r I= +

Microelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

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5ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension (diode Zener)

Exemple d’un régulateur de tension

On dispose d’un bloc d’alimentation fournissant une tension V+ de 10Vavec des variation de ±1V. On désire régulariser la sortie à 6,8V en utilisant le circuit exemple « shunt regulator »ci-contre. La diode Zener utilisée est une 6.8V-5mA diode avec IZK=0.2 mAet rZ=20 Ω. La résistance R=0.5kΩ.

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6ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension (diode Zener)

Exemple d’un régulateur de tension a) Calculer Vo sans la charge et lorsque

V+=10V.b) Calculez ΔVo produit par un changement de

±1V sur V+ « line regulation »c) Calculez ΔVo produit en branchant une

résistance de charge RL=2kΩ « loadregulation »

d) Calculez Vo produit en branchant une résistance de charge RL=0,5kΩ

e) Quelle est la plus petite valeur de RL qui permet de faire fonctionner la diode Zener dans la région de cassure ?

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7ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension (diode Zener)

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Exemple d’un circuit régulateur de tension utilisant la diode Zener « shunt regulator », (a) circuit et (b) circuit équivalent

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8ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension (diode Zener)

Exemple d’un régulateur de tensionCaractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec IZK=0.2 mA et rZ=20 Ω.

a) Calcul de Vo sans la charge

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0 0

0

0 0 0

0

0 0

0

1- Calcul de , on a : 6.8 20 0.0056.8 0.1 6.7

2- Calcul de V sans charge : V =

10 6.7 6.35500 20

On a :V 6.7 20 6.35 6.83

Z Z

Z

Z Z Z

ZZ

Z

Z Z Z

V VV V

V r I

V VI mAR rV V r I

V

+

= + ×⇒ = − =

+

− −= = =

+ += +

⇒ = + × =

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9ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension (diode Zener)

Exemple d’un régulateur de tensionCaractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec IZK=0.2 mA et rZ=20 Ω.

b) Calcul de ΔVo pour ΔV+=±1V

0 0

0

0

0

On a : V =V

On a :

20 V 38.5520

Z Z Z

Z Z

ZZ Z

Z Z

ZZ

V r Ir I

V V VI IR r R r

Vr mVR r

+ +

+

+⇒ Δ = Δ

− Δ= ⇒ Δ =

+ +

Δ⇒ Δ = = ± = ±

+

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10ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension (diode Zener)

Exemple d’un régulateur de tensionCaractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec IZK=0.2 mA et rZ=20 Ω.

c) Calcul de ΔVo pour RL=2kΩ

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L

0

0

Le courant dans la charge est : 6.8I 3.42

Donc = 3.4On a : V

V 20 ( 3.4) 68

Z L

Z Z

mA

I I mAr I

mV

=

Δ − = −Δ = Δ

⇒ Δ = × − =

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11ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension (diode Zener)Exemple d’un régulateur de tension

Caractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec IZK=0.2 mA et rZ=20 Ω.

d) Calcul de Vo pour RL=0.5kΩ

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0

L

0

0

Si on considère que V 6.8V alors :le courant dans la charge est :

6.8I 13.6 (ce qui est impossible)0.5

Donc la diode est bloquante

=0 et

0.5V 10 51

LL

L

mA

RV I VR R

V

+

=

⇒ =+

⇒ = =

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12ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Régulateur de tension (diode Zener)

Exemple d’un régulateur de tensionCaractéristiques de la diode : 6.8V-5mA avec IZK=0.2 mA et rZ=20 Ω.

e) Calcul de la plus petite valeur de RL qui permet de faire fonctionner la diode Zener dans la région de cassure

min4

0

0

0min

Le courant min est : 0.2

6.7 20 0.2 10 6.7Le courant fourni à travers est :

10 6.7 6.6500

Le courant à travers est : 6.6 0.2 6.46.7 1.056.4

Z

L L

LL

I mA

V VR

V VI mAR

R I mAVR kI

+

=

⇒ = + × ×

− −= = =

= − =

⇒ = = ΩMicroelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

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13ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur

C’est quoi ? C’est un circuit qui permet de transformer une source de tension alternative, dont la valeur moyenne est nulle, en une tension dont la valeur moyenne est plus grande que zéro

Le redresseur est l’application des diodes la plus importante

Pourquoi ?Le redresseur est utilisé dans les blocs d’alimentation DC

Types de redresseur :Redresseur simple alternanceRedresseur pleine onde avec prise médianeRedresseur pleine onde en pont

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14ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur

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Diagramme bloc d’un circuit d’alimentation DC. Le circuit d’alimentation permet d’obtenir une tension DC aussi constante que possible, il est composé des blocs suivants :

1) Transformateur2) Redresseur3) Filtre4) Régulateur de tension

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15ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Diode ON

Diode OFF

Redresseur simple alternance et la réponse du circuit dans le cas d’une diode idéale

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16ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Calcul de la fonction de transfert

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0 0

0

0 0

0 0

Pour , on a : 0

Pour , on a :

( ) (Diviseur de tension)

Pour , on a :

s D

s D

s DD

D

s D

v V v

v VRv v V

R r

R rv v V

=

= −+

p

f

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17ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Signaux d’entrée et de sotie d’un redresseur simple alternance (R>>rD)

-2

-1

0

1

2

0Temps

Tens

ion

(V)

v0vs

VD0

VD0

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18ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0

Temps

Tens

ion

(V)

v0vs

Signaux d’entrée et de sotie d’un redresseur simple alternance, a) pour R=100*rD et b) pour R=rD

(a) (b)

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0

Temps

Tens

ion

(V)

v0vs

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19ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0

Temps

Tens

ion

(V)

v0vs

Signaux d’entrée et de sotie d’un redresseur simple alternance, a) pour Vs =10*VD0 et b) pour Vs=1.1*VD0

(a) (b)

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

Temps

Tens

ion

(V)

v0vs

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20ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

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(a) Redresseur simple alternance, (b) circuit équivalent, (c) fonction de transfert du redresseur, et (d) signaux d’entrée et de sortie du circuit

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21ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Caractéristiques importantes d’un redresseurla tension inverse de crête « Peak Inverse Voltage » (PIV)le courant maximum

Tension PIV C’est la tension inverse maximale aux bornes de la diode pour laquelle celle-ci demeure bloqué mais n’entre pas dans la région de cassure

Courant maximumC’est la valeur maximum du courant en polarisation directe que la diode peut supporter

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22ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Exemple d’un redresseur simple alternanceSoit le redresseur simple alternance composé d’une diode

en série avec une résistance R=100Ω. On suppose que la diode possède un VDO=0,7V et une résistance rDnégligeable devant R et que l’entrée est un signal sinusoïdal de 12V (rms)

a) Quel est l’angle total de conduction ?b) Calculer la valeur moyenne de la tension de sortie voc) Quel est le courant maximum passant dans la diode ?d) Quelle doit être la tension PIV de la diode ?

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23ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Exemple d’un redresseur simple alternancea) Calcul de l’angle total de conduction

0

0

1 10 0

1 1

1 1

Le signal d'entrée est : ( ) sin( ( ))La diode conduit pour : ( )

sin( ( ))

sin ( ) ( ) sin ( )

0.7 0.7sin ( ) ( ) sin ( )12 2 12 2

sin (0.041) ( ) sin (0.041)2.35

s s

s D

D

s

D D

s s

c

v t V tv t V

VtV

V VtV V

t

t

θ

θ

θ π

θ π

θ πθ

− −

− −

− −

=

⇒ −

⇒ −

⇒ −⇒ =

f

f

p p

p p

p p

( ) 177.65tθ° °p p

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

0

Tens

ion

(V)

v0vs

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0

Tens

ion

(V)

v0vs

Zoom

Angle de conduction

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24ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Exemple d’un redresseur simple alternanceb)Calcul de la valeur moyenne de la tension de sortie vo

_

00

0 0

2

0 0 0 00 0

0

Le signal d'entrée est : sin( ) 2 sin( )

0 (vs )Le signal de sortie est :

(vs )1 1 1( ) ( ) ( )

2 2 21 ( sin(

2

c

c

s s s rms

D

s D D

moy s D s D

moy s

v V V

Vv

v V V

V v d v V d v V d

V V

π π θ π

θ θ θ θ

θ θ

θ θ θ θπ π π

π

= = =

= =

≤⎧= ⎨ − ≥⎩

= = − −

⇒ =

∫ ∫ ∫

0 00

00

1) ) (2 )2

5.052

D s D

s Dmoy

V d V V

V VV V

π

θθ θ π

π

π

=− = −

⇒ = − =

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25ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Exemple d’un redresseur simple alternance

c) Calcul du courant maximum passant dans la diode

d) Calcul de la tension PIV de la diode

_ 0 _ 0max

max

2I

12 2 0.7I 163100

s crête D s rms DV V V VR R

mA

− × −= =

−⇒ = =

OFF 0

OFF, _

( _ ) 0

( _ ) 2 12 2 17

Il est recommandé de choisir 2 34s s

D s s s

D v V s s rms

s

Tension inverse v v v v

PIV Tension inv V V V

PIV V V=−

= − = − = −

= = = = =

= × =

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26ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur simple alternance

Tension moyenneLa tension moyenne est donnée par :

Vmoy=(Vs/π)-(VD0/2)

Tension PIV La tension PIV de la diode est :

PIV = Vs

Courant maximumLe courant maximum est donné par :

Imax=(Vs-VD0)/R

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27ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur double alternance

Contrairement au redresseur simple alternance qui utilise une seule alternance du signal sinusoïdal pour générer la tension DC, le redresseur double alternance utilise les deux alternances de la sinusoïde

Deux implémentations Circuit redresseur plein onde avec prise médianeCircuit redresseur en pont

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28ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur pleine onde

Première implémentation du circuit redresseur double alternance est donnée par le circuit ci-contre

Microelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

0

0 0

0

0 0

0 0

0

D1 conduit et D2 bloquée ( )

D2 conduit et D1 bloquée ( )

D1 et D1 bloquées 0

s D

s D D

s D

s D D

D s D

v Vv v V R r

v Vv v V R r

V v Vv

≥ ⇒

⇒ = −

≤ − ⇒

⇒ = − −

− ≤ ≤ ⇒

⇒ =

Redresseur double alternance pleine onde

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29ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur pleine onde

Signaux d’entrée et de sotie d’un redresseur double alternance plein onde (R>>rD)

-2

-1

0

1

2

0Temps

Tens

ion

(V)

v0vs

VD0

VD0

-VD0

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30ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur pleine onde

Exemple d’un redresseur pleine ondeSoit le redresseur pleine onde vu précédemment. On

suppose que les deux diodes possèdent un VDO=0,7V et une résistance rD négligeable devant R=100Ω et que l’entrée est un signal sinusoïdal de 12V (rms)

a) Quel est le % de la période de la sinusoïde d’entrée pendant lequel l’une ou l’autre des diodes conduit ?

b) Quelle est la tension moyenne DC à la sortie ?c) Quel est le courant maximum passant dans chaque

diode ?d) Quelle est la tension PIV que doit supporter chaque

diode ?

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31ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur pleine onde

Exemple d’un redresseur pleine ondea) Calcul du % de la période

_

1 0

2 0

Le signal d'entrée est : ( ) sin( ) 2 sin( )

La diode D conduit pour : ( ) ( 0.041 )La diode D conduit pour : ( ) 2Le % de la période est :

s s s rms

s D

c c c

s D

c c

v t V V

v t Vrd

v t V

θ θ

θ θ π θ θ

π θ θ π θ

= =

⇒ − =

−⇒ + −

f

p p

p

p p

2( 2 ) 100 97.4%2

cπ θπ−

× =Microelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

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32ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur pleine onde

Exemple d’un redresseur pleine ondeb) Calcul de la tension moyenne DC à la sortie de sortie

_

0 0

0 0 0

0 0

0 0 00

Le signal d'entrée est : sin( ) 2 sin( )

(vs )Le signal de sortie est : (vs )

0 (- vs )1 1( ) ( )

2 2

s s s rms

s D D

s D D

D D

moy s D s D

v V V

v V Vv v V V

V V

V v V d v Vπ

θ

θ θ

θπ π=

= =

− ≥⎧⎪= − − ≤⎨⎪ ≤ ≤⎩

− + − −∫2

_0 0 00

2 212 ( ) 10.12

s rmsmoy s D D

d

VV v V d V V

π

θ π

π

θ

θ

θπ π

=

=⇒ = × − = − =

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Redresseur pleine onde

Exemple d’un redresseur pleine onde

c) Calcul du courant maximum passant dans chaque diode

d) Calcul de la tension PIV de chaque diode

_ 00max

max

2I

12 2 0.7I 163100

s rms Ds D V VV VR R

mA

× −−= =

−⇒ = =

1 1 OFF 0 0

1 1 1 OFF, 0

1 2 0

( _ ) ( )( _ ) ( ) ( )

2 33.2s

D D s s D s

D D D v Vs s D s

D D s D

Tension inverse v v v V vPIV Tension inverse V V V

PIV PIV V V V=−

= − = − − −

= = − − −

⇒ = = − =Microelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

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34ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur pleine onde

Tension moyenneLa tension moyenne pour un signal redressé plein onde est deux fois plus grande que celle obtenu avec un redresseur demi-onde

Vmoy=(2Vs/π)-VD0

Tension PIV La tension PIV des deux diodes est pratiquement deus fois plus que pour le redresseur simple alternance

PIV = 2Vs-VD0

Courant maximumLe courant maximum est le même que pour le redresseur simple alternance

Imax=(Vs-VD0)/R

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Redresseur en pont

Deuxième implémentation du circuit redresseur double alternance est le redresseur en pont réalisé par le circuit suivant :

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Redresseur double alternance en pont

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36ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur en pont

Fonctionnement du redresseur en pont

0 1 2 3 4 0 0

0 1 2 3 4 0 0

0 0 1 2 3 4 0

2 D ,D ON et D ,D OFF 2 ( )2 D ,D OFF et D ,D ON 2 ( )

2 2 D ,D ,D et D OFF 0

s D s D D

s D s D D

D s D

v V v v V R rv V v v V R r

V v V v

≥ ⇒ ⇒ −

≤ − ⇒ ⇒ − −− ≤ ≤ ⇒ ⇒ =

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Alternance négativeAlternance positive

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Redresseur en pont

Signaux d’entrée et de sotie d’un redresseur en pont (R>>rD)

-2

-1

0

1

2

0Temps

Tens

ion

(V)

v0vs

2VD0

2VD0

-VD0

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38ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur en pont

Exemple d’un redresseur en pontSoit le redresseur pleine onde vu précédemment. On

suppose que toutes les diodes possèdent un VDO=0,7V et une résistance rD négligeable devant R=100Ω et que l’entrée est un signal sinusoïdal de 12V (rms)

a) Quelle est la tension moyenne DC à la sortie ?b) Quel est le courant maximum passant dans chaque

diode ?c) Quelle est la tension PIV que doit supporter chaque

diode ?

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39ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur en pont

Exemple d’un redresseur en ponta) Calcul de la tension moyenne DC à la sortie de sortie

_

0 0

0 0 0

0 0

0 00

Le signal d'entrée est : sin( ) 2 sin( )

2 (vs 2 )Le signal de sortie est : 2 (vs 2 )

0 (-2 vs 2 )1 1( 2 ) (

2 2

s s s rms

s D D

s D D

D D

moy s D

v V V

v V Vv v V V

V V

V v V dπ

θ

θ θ

θπ π=

= =

− ≥⎧⎪= − − ≤⎨⎪ ≤ ≤⎩

− + −∫2

0

_0 0 00

2 )

2 212 ( 2 ) 2 9.42

s D

s rmsmoy s D D

v V d

VV v V d V V

π

θ π

π

θ

θ

θπ π

=

=

⇒ = × − = − =

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Redresseur en pont

Exemple d’un redresseur en pont

b) Calcul du courant maximum passant dans chaque diode

c) Calcul de la tension PIV de chaque diode

_ 00max

max

2 22I

12 2 1.4I 156100

s rms Ds D V VV VR R

mA

× −−= =

−⇒ = =

31 1 OFF 0 0

1 1 1 OFF, 0

1 2 3 4 0

( _ )

( _ )

2 16.3s

D D anode s D

D D D v Vs s D

D D D D s D

Tension inverse v v v v

PIV Tension inverse V V

PIV PIV PIV PIV V V V=−

= − = − −

= = −

⇒ = = = = − =Microelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

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Redresseur en pont

CaractéristiquesLa tension moyenne est :

Vmoy=(2Vs/π) - 2VD0

Le courant maximum dans les diodes est :Imax=(Vs-2VD0)/R

La tension PIV des diodes est : PIV = Vs-VD0

Redresseur en pont vs. redresseur pleine ondeMoins de diodes pour le redresseur pleine ondePas de prise médiane pour le redresseur en pontPIV deux fois plus faible pour le redresseur en pont

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42ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Comparaison des redresseurs

Simple alternance Pleine onde Pont

# diodes 1 2 4

Tension crête Vs_crête-VD0 Vs_crête-VD0 Vs_crête-2VD0

Tension DC moyenne

(Vs_crête/π)-VD0/2 (2*Vs_crête/π)-VD0 (2*Vs_crête/π)-2*VD0

Courant max (Vs_crête-VD0)/R (Vs_crête-VD0)/R (Vs_crête-2*VD0)/R

PIV Vs_crête 2*Vs_crête-VD0 Vs_crête-VD0

Fréquence d'ondulation

f 2f 2f

Comparaison des trois circuits redresseurs (R>>rD)

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Redresseur avec filtre

Problématique Les tensions de sortie des redresseur vus précédemment ne permettent pas d'alimenter les circuits électroniques qui requièrent une tension DC constante

SolutionLa technique la plus simple pour réduire les variations de la tension de sortie du redresseur est d’utiliser une capacité en parallèle avec la résistance de charge

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44ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur avec filtre

Cas du redresseur simple alternance avec filtreSans résistance de chargeDiode idéale

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Redresseur avec filtre

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Fonctionnement du redresseur simple alternance avec filtre et avec une résistance de charge,a) Circuitb) Courbes des tensionsc) Courbes des courant

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46ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur avec filtre

Remarques:Pour que le circuit fonctionne correctement, il faut que la période T <<RCLa diode conduit pendant un intervalle ΔtLa capacité se décharge lentement lorsque la diode est OFF (T-Δt) et récupère sa charge lorsque la diode est ON (Δt)On suppose que Δt << T de façon à considérer que le temps de décharge est ≈ TLa tension de sortie varie entre la tension crête Vp et la tension (Vp-Vr)Vr est la tension d’ondulation (ronflement) et on a Vr<<Vp

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47ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Redresseur avec filtre

Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul de la tension d’ondulation Vr

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/0

- /

- /

pour : tension d'ondulation

pour

La valeur de est tel que :

Pour on a : (1 )

(1 )

1

I I rt RC r

p I r

T RCr p p r

T RCp p

p p r

r p p

v v Vv V

V e v V

V V e V V

TT RC V e VRC

TV V VRC

TV V VRC fRC

⎧= ⎨⎩

= −

− −

⇒ = =

f

p

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Redresseur avec filtre

Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul de l’angle de conduction

2

2

Soit = t l'angle de conduction

On a : sin( ) cos( )2

Pour petit : cos( ) 12

2= t2

21Le temps de conduction est : t

c

p r p c p c

cc c

c rp r p p c

p

r

p

V V V V

VV V V VV

VV

θ ωπ θ θ

θθ θ

θ θ ω

ω

Δ

− = − =

= −

⇒ − = − ⇒ Δ =

Δ =

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Redresseur avec filtre

Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul du courant moyen traversant la diode

2

2

2

2

On a : 1 ( ) ( )t t 2 2

sin( ) ( )t t

1 sin( )t tR

C

LC

D C L Dmoy Cmoy Lmoy

o i iC Cmoy i i C

ri p Cmoy p p r

p p co i iLmoy c

i i i i i idv dv dv Ci C C i C dt v vdt dt dt

CVCv V i V V VV Vv v vi i dt

R R R

π

πθ θ

π

πθ θ

π π θ

θθ

θω ω

= −

= −

= + ⇒ = +⎡ ⎤= = ⇒ = = − −⎢ ⎥Δ Δ ⎣ ⎦

⎡ ⎤= ⇒ = − − =⎣ ⎦Δ Δ

= = ⇒ = =Δ Δ Δ

∫ tR R22On a : t et (1 )

p

p p prc Dmoy

p r r

V

V V VV C iV V fR R V

θ ω π

=

= Δ = = ⇒ = +

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Redresseur avec filtre

Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul du courant moyen traversant la diode (2ème méthode)

Soit la charge fournie à travers la diode : ( )

Soit la charge dissipée par R : ( )

21On a : t , et

ch ch Dmoy Lmoy

dech dech r

ch dech Dmoy Lmoy r

p prLmoy

p r

Dmoy

Q Q i i t

Q Q C V CVQ Q i i t CV

V VV i CV R V fR

i

ω

= − Δ

= Δ =

= ⇒ − Δ =

Δ = = =

⇒2

(1 )p p

r

V VR V

π= +

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Redresseur avec filtre

Cas du redresseur simple alternance avec filtre Calcul du courant maximum traversant la diode

max2

max( )2

Pendant la phase ON de la diode, on a :

sin( ) cos( )

( ) ( ) cos( ) sin( )2

On a :

c

c

iD L

ii p p

i ip c p c p ct

p r p piL L D p ct

c

dvi C idt

dvv V t V tdt

dv dv V V Vdt dt

V V V Vvi i i C VR R R R

πω θ

πω θ

ω ω ω

πω θ ω θ ω θ

ω θ

θ ω

= −

= −

= +

= ⇒ =

= = − =

−= ⇒ = ⇒ = +

= max

22t et (1 2 )p p prD

p r r

V V VV C iV V fR R V

πΔ = = ⇒ = +

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Redresseur avec filtre

Exemple d’un redresseur simple alternance avec filtreSoit le redresseur simple alternance avec une capacité, on

suppose qu’on a un signal sinusoïdal avec f=60Hz et Vp=100V. On suppose qu’on a une résistance de charge R=1kΩ. On suppose que la diode est idéale.

a) Quelle est la valeur de la capacité qui donne Vr=2V ? b) Quel est la fraction de période pendant laquelle la diode

conduit ?c) Quel est le courant moyen traversant la diode ?d) Quel est le courant maximum traversant la diode ?

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Redresseur avec filtre

Exemple d’un redresseur simple alternance avec filtrea) Calcul de la valeur de la capacité qui donne Vr=2V

b) Calcul de la fraction de période

4

100 83.32 60 10

p pr

r

V VV C F

fRC V fRμ= ⇒ = = =

× ×

2 2 2On a : 0.2100

0.2La fraction est : 3.18%2 2

rc

p

c

Vt radV

θ ω

θπ π

×= Δ = = =

⇒ = =

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Redresseur avec filtre

Exemple d’un redresseur simple alternance avec filtrec) Calcul du courant moyen traversant la diode

d) Calcul du courant maximum traversant la diode

22(1 2 ) 10 (1 2 100) 638p p

Dmoyr

V Vi mA

R Vπ π−= + = × + =

22(1 ) 10 (1 100) 324p p

Dmoyr

V Vi mA

R Vπ π−= + = × + =

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Superdiode

Problématique :Les applications des diodes (redresseur, ecrêteur, …etc.) ne fonctionnent pas si le signal à traiter a une amplitude plus faible que la tension de polarisation en directe d’une diode normale

Solution : superdiodeIl faut utiliser un redresseur de précision (superdiode)

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56ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Superdiode

Microelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

Redresseur simple alternance avec superdiode, a) circuit et b) fonction de transfert du redresseur

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57ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Autres applications des diodes

ÉcrêteurPermet d’éliminer une partie du signal d’entrée tout en laissant passer le signal le reste du temps

Limiter l’amplitudePermettre la transmission d’une partie de l’onde

VerrouilleurPermet de changer à la hausse ou à la baisse, la valeur moyenne de la composante continue de l’onde d’entrée.

Multiplicateur de tensions

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58ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Écrêteur

Microelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

Redresseur simple alternance avec superdiode, a) circuit et b) fonction de transfert du redresseur

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59ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Écrêteur

Microelectronic Circuits – Fifth EditionCopyright © 2004 by Oxford University Press, Inc.

Différentes configurations de circuits écrêteurs

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60ELE2302 – Chap. 2 : Diodes - Applications © A. Khouas, 2005

Verrouilleur

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Exemple d’un circuit de verrouillage, a) tension d’entrée, b) circuit et c) tension de sortie

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Multiplicateur de tension

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Multiplicateur de tension, a) circuit et b) tension de sortie

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Autres types de diodes

Diode électroluminescente « Light Emiting Diode (LED) »

Diode Schottky

Diode capacitive

Diode à effet tunnel

Photodiodes

piles solaires (piles photovoltaïque)

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Diode électroluminescente (LED)

Fonctionnement Sous l'effet de la différence de tension appliquée à la jonction PN, les électrons et les trous se recombinent et donnent naissance à des photons, d'où l'émission de lumièreCette recombinaison exige un changement du niveau d’énergie des électrons libres, la longueur d’onde est lié au GAP d’énergie du semi-conducteurLa couleur émise par la LED est liée à la longueur d’onde

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Diode électroluminescente (LED)

Les LED sont apparues vers les années 1960

Types de LEDLED unicolore

Rouge, vert, blanche et bleu (les 2 dernières sont récentes)LED bicolore et tricoloreLED organiques

ApplicationsVoyants lumineux pour appareils électroniquesÉclairage (durée de vie, consommation et maintenance)

Feux de signalisation (rouge et orange)Automobile interne et externe Enseignes lumineuses

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Diode Schottky

La jonction d’une diode de Schottky est constituée d’un métal et d’un semi-conducteur

L’électron est le porteur majoritaire dans les deux matériaux (le nombre de trous dans le métal est négligeable)

C’est cette particularité qui est responsable des caractéristiques exceptionnelles de la diode de Schottky

Diode de Schottky

Diode de Schottky

Diode à jonction p-n

Diode à jonction p-n

Diode à pointe de contact

Diode à pointe de contact

i

v

Diode de Schottky

Diode de Schottky

Diode à jonction p-n

Diode à jonction p-n

Diode à pointe de contact

Diode à pointe de contact

i

v

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Diode Schottky

Avantages La faible capacité de jonction permet d’utiliser ce type de diode dans les applications à très hautes fréquences (RF)

La diode de Schottky peut opérer jusqu’à des fréquences de l’ordre de 20GHz

Le potentiel de jonction, pour un courant donné, est plus faible que les diodes conventionnelles et le temps de rétablissement est très cour (10ns), même pour des forts courantsFaible facteur de bruitFaible dissipation d’énergie

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Conclusion

Ce qu’il faut retenir :

Il est important de retenir les techniques d’analyse des circuits contenant des diodes et non les résultats obtenus

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Conclusion

Aujourd’hui : On a appris comment utiliser les diodes pour réaliser certaines applications

La semaine prochaine : Afin de mieux comprendre les caractéristiques i-v, les équations et les limitations des diodes et aussi des transistors, on s'intéressera à la structure physique de la diode réalisée avec une jonction PN sur silicium

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Exercice 1

Soit une diode Zener ayant une tension de 10V pour un courant de 10mA et une résistance incrémentale de 50Ω. Donner la tension de la diode pour les cas suivants :a) On divise par deux le courant

b) On multiplie par deux le courant

c) Quelle est la valeur de VZ0

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Solution exercice 1

Soit une diode Zener ayant une tension de 10V pour un courant de 10mA et une résistance incrémentale de 50Ω. Donner la tension de la diode pour les cas suivants :a) On divise par deux le courant

Chute de tension de 0.250 V

b) On multiplie par deux le courantGain de tension de 0.5 V

c) Quelle est la valeur de VZ09.5V

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Exercice 2Soit le régulateur de tension vu en cours avec les

caractéristiques suivante pour la diode Zener: 6.8V-5mA avec IZK=0.2 mA et rZ=20Ω.a) Si on suppose que la puissance maximum de la

diode est de 30 mW, calculer la résistance de charge RL maximum qu’on peut utiliser sans endommager la diode. On suppose que R=0.5kΩet V+=10V.

b) Pour la même puissance maximum, et si on suppose que R=0.5kΩ et RL=10kΩ, calculer la tension V+ maximum qu’on peut appliquer sans endommager la diode. On suppose que

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Solution exercice 2

Soit le régulateur de tension vu en cours avec les caractéristiques suivante pour la diode Zener: 6.8V-5mA avec IZK=0.2 mA et rZ=20Ω.

a) Si on suppose que la puissance maximum de la diode est de 30 mW, calculer la résistance de charge RL maximum qu’on peut utiliser sans endommager la diode. On suppose que R=0.5kΩ et V+=10V.3.4 kΩ

b) Pour la même puissance maximum, et si on suppose que R=0.5kΩ et RL=10kΩ, calculer la tension V+ maximum qu’on peut appliquer sans endommager la diode. On suppose que 14.4 V

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Exercice 3

Soit le redresseur simple vu en classe avec une tension d’entrée vs triangulaire ayant VCC=20V et une fréquence de 1kHz. On suppose que la résistance de charge R=100Ω, et que la diode possède un VDO=0,7V et une résistance rD négligeable devant R.1) Quelle est la valeur moyenne de la tension de sortie vo ?2) Quel est l’intervalle de temps pendant lequel la diode conduit ?3) Quel est le courant moyen dans la diode pendant la conduction ?4) Quel est le courant maximum passant dans la diode ?

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Solution exercice 3

Soit le redresseur simple vu en classe avec une tension d’entrée vs triangulaire ayant VCC=20V et une fréquence de 1kHz. On suppose que la résistance de charge R=100Ω, et que la diode possède un VDO=0,7V et une résistance rD négligeable devant R.1) Quelle est la valeur moyenne de la tension de sortie vo ?

2.15 V2) Quel est l’intervalle de temps pendant lequel la diode conduit ?

0.465 ms par période de 1 ms3) Quel est le courant moyen dans la diode pendant la conduction ?

43 mA4) Quel est le courant maximum passant dans la diode ?

93 mA

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Exercice 4

Soit un redresseur double alternance en pont est alimenté par l’intermédiaire d’un transformateur branché sur le secteur à120V, 60Hz. Le rapport de transformation du transformateur est Ns/Np=1/1. On suppose que la charge résistive est égale à 1kΩ et que le comportement des composants est idéal

1) Calculer le courant moyen dans la charge

2) Calculer le courant moyen dans chaque diode

3) Calculer la tension inverse de crête supportée par chaque diode

4) Calculer la puissance continue dissipée dans la charge

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Solution exercice 4

Soit un redresseur double alternance en pont est alimenté par l’intermédiaire d’un transformateur branché sur le secteur à120V, 60Hz. Le rapport de transformation du transformateur est Ns/Np=1/1. On suppose que la charge résistive est égale à 1kΩ et que le comportement des composants est idéal1) Calculer le courant moyen dans la charge

108 mA2) Calculer le courant moyen dans chaque diode

54 mA3) Calculer la tension inverse de crête supportée par chaque diode

169.7 V4) Calculer la puissance continue dissipée dans la charge

11.7 W

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Exercice 5

Répondre aux questions de l’exemple du redresseur simple alternance avec filtre (vu en cours) en supposant maintenant que la diode a une chute de tension de 0.7V.

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Solution exercice 5

Répondre aux questions de l’exemple du redresseur simple alternance avec filtre (vu en cours) en supposant maintenant que la diode a une chute de tension de 0.7V.

Il faut remplacer Vp par (Vp- VD0 )

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Exercice 6

Soit le redresseur en pont au quel on ajoute une capacité C en parallèle avec la résistance de charge R. On considère un signal vs avec f=60Hz et Vsrms=12V. On suppose que les diodes ont un VDO=0,8V et une résistance rD négligeable

1) Quelle doit être la valeur de C pour que la tension d’ondulation n'excède pas 1V crête-à-crête lorsqu’on a une charge de 100Ω ?

2) Quelle est la tension moyenne de sortie ?3) Quel est le courant moyen traversant la charge ?4) Quel est l’angle de conduction des diodes?

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Solution exercice 6

Soit le redresseur en pont au quel on ajoute une capacité C en parallèle avec la résistance de charge R. On considère un signal vs avec f=60Hz et Vsrms=12V. On suppose que les diodes ont un VDO=0,8V et une résistance rD négligeable1) Quelle doit être la valeur de C pour que la tension d’ondulation

n'excède pas 1V crête-à-crête lorsqu’on a une charge de 100Ω ?1281 μF

2) Quelle est la tension moyenne de sortie ?14.9 V

3) Quel est le courant moyen traversant la charge ?149 mA

4) Quel est l’angle de conduction des diodes?0.36 rad

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Exercice 7

Soit le circuit ci-contre1) De quel type de circuit s’agit-il ?2) En supposant que les diodes sont

idéales, donner la fonction de transfert du circuit.

3) Même question, mais en supposant que les diodes ont une chute de tension VD0=0.7V.

4) Même question, mais en supposant que les diodes ont une chute de VD0=0.7V et une résistance dynamique rD=100Ω.

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Solution exercice 7Soit le circuit ci-contre

1) De quel type de circuit s’agit-il ?2) En supposant que les diodes sont

idéales, donner la fonction de transfert du circuit.vo = vI pour -5<vI<+5

= 0.5vI - 2.5 pour vI<-5= 0.5vI + 2.5 pour vI >+5

3) Même question, mais en supposant que les diodes ont une chute de tension VD0=0.7V.vo = vI pour -5<vI<+5

= 0.5vI - 2.85 pour vI<-5= 0.5vI + 2.85 pour vI >+5

4) Même question, mais en supposant que VD0=0.7V et rD=100Ω.vo = vI pour -5<vI<+5

= 0.4975vI - 2.85 pour vI<-5= 0.4975vI + 2.85 pour vI >+5