La diode et la LED
La diode — composant unidirectionnel
La diode est l'un des composants les plus fondamentaux de l'électronique. Son rôle est simple mais puissant : elle ne laisse passer le courant que dans un seul sens. On dit que c'est un composant unidirectionnel.
Une diode possède deux bornes :
- L'anode (A) — la borne positive, côté entrée du courant.
- La cathode (K) — la borne négative, reconnaissable à la barre sur le symbole et à l'anneau marqué sur le boîtier physique.
Analogie : la diode fonctionne comme un clapet anti-retour dans un tuyau d'eau. L'eau (le courant) peut s'écouler dans un sens, mais dès qu'elle essaie de revenir en arrière, le clapet se ferme et bloque tout passage.
Sens passant et sens bloquant
Il existe deux situations pour une diode dans un circuit :
- Polarisation directe (sens passant) — l'anode est reliée au potentiel le plus élevé (+), la cathode au potentiel le plus bas (−). Le courant circule librement de A vers K.
- Polarisation inverse (sens bloquant) — c'est l'inverse : l'anode est côté négatif, la cathode côté positif. La diode bloque tout courant. Elle se comporte comme un circuit ouvert.
Si la tension inverse appliquée est trop élevée, la diode peut atteindre sa tension de claquage et se détruire (sauf la diode Zener, conçue pour fonctionner en inverse — voir plus bas).
La tension de seuil (Vf)
Une diode ne conduit pas parfaitement : elle consomme une petite tension pour s'ouvrir. Cette tension s'appelle la tension de seuil (ou tension de jonction), notée Vf. Tant que la tension appliquée ne dépasse pas ce seuil, la diode reste bloquée. Au-delà, elle conduit — et la tension Vf est alors "perdue" dans le composant.
| Type de diode | Tension de seuil Vf | Remarque |
|---|---|---|
| Silicium (Si) | ~0,6 – 0,7 V | La plus courante (1N4007, 1N4148…) |
| Germanium (Ge) | ~0,2 – 0,3 V | Ancienne technologie, détection de signaux faibles |
| Schottky | ~0,2 – 0,4 V | Commutation très rapide, faible perte |
En pratique : dans un circuit série avec une diode silicium sur 5 V, il ne reste que 5 − 0,7 = 4,3 V disponibles pour le reste du circuit. On soustrait toujours Vf de la tension d'alimentation.
Applications des diodes
Redressement — transformer le courant alternatif en continu
Le courant alternatif (AC) change de sens 50 fois par seconde. Avec 4 diodes montées en pont de Graetz, on redresse les deux alternances du signal et on obtient un courant continu (DC). C'est le principe de base de toutes les alimentations secteur.
Protection contre l'inversion de polarité
Une diode placée en série dans un circuit protège les composants si l'utilisateur branche la pile à l'envers : la diode est alors en inverse, elle bloque, et rien ne grille. Simple et peu coûteux.
Diode Zener — régulation de tension
La diode Zener est une diode spéciale conçue pour conduire en polarisation inverse à partir d'une tension précise (appelée tension Zener). Elle maintient alors cette tension constante à ses bornes, quelles que soient les variations du circuit. On l'utilise comme référence de tension ou régulateur simple.
Exemple : une Zener 5,1 V garantit exactement 5,1 V en sortie tant que la tension d'entrée est supérieure à 5,1 V. Très utile pour alimenter un microcontrôleur depuis une tension variable.
La LED — Light Emitting Diode
La LED (diode électroluminescente) est une diode ordinaire avec un bonus : elle émet de la lumière lorsqu'elle est polarisée en direct. Le courant qui traverse la jonction semi-conductrice libère de l'énergie sous forme de photons. La couleur dépend du matériau utilisé.
Repérer les bornes d'une LED
Sur une LED traversante classique (format 5 mm ou 3 mm), on identifie les bornes ainsi :
- Patte longue → anode (+) — c'est par là qu'entre le courant.
- Patte courte → cathode (−) — côté de la sortie et du méplat sur le boîtier.
- Le méplat (aplati sur le côté du boîtier) indique toujours la cathode.
Moyen mnémotechnique : Anode = patte Alongée. La patte longue est toujours l'anode (+).
La tension de seuil Vf selon la couleur
Contrairement aux diodes silicium ordinaires, la tension de seuil d'une LED dépend de sa couleur — car chaque couleur correspond à un matériau semi-conducteur différent.
| Couleur | Tension de seuil Vf typique | Courant If typique |
|---|---|---|
| Rouge | ~1,8 – 2,0 V | 10 – 20 mA |
| Orange | ~2,0 – 2,2 V | 10 – 20 mA |
| Jaune | ~2,0 – 2,2 V | 10 – 20 mA |
| Verte | ~2,1 – 2,5 V | 10 – 20 mA |
| Bleue | ~3,0 – 3,4 V | 10 – 20 mA |
| Blanche | ~3,0 – 3,4 V | 10 – 20 mA |
Ne jamais brancher une LED directement sur une source de tension sans résistance de limitation ! La LED a une résistance interne très faible : sans résistance, le courant monte en flèche et le composant grille en quelques millisecondes.
Calcul de la résistance de limitation
Pour que la LED reçoive le bon courant, on place une résistance en série avec elle. Son rôle : absorber la tension excédentaire et limiter le courant au niveau voulu. Le calcul est une application directe de la loi d'Ohm.
Exemple 1 — LED rouge sur 5 V
LED rouge : Vf = 2 V, If = 20 mA = 0,020 A. Alimentation : 5 V.
Exemple 2 — LED bleue sur 9 V
LED bleue : Vf = 3,2 V, If = 15 mA = 0,015 A. Alimentation : 9 V.
Quand la valeur calculée ne correspond pas à une résistance standard, on choisit toujours la valeur immédiatement supérieure dans la série E12 ou E24. Cela réduit légèrement la luminosité mais protège la LED. Ne jamais choisir une valeur inférieure.
Schéma — circuit LED sur 5 V
Lecture du schéma
En partant du + du générateur (5 V), le courant circule dans le fil supérieur, traverse la résistance 150 Ω (qui absorbe 3 V), arrive sur l'anode de la LED, traverse la LED (qui absorbe ses 2 V de Vf en émettant de la lumière), sort par la cathode, revient vers le − du générateur par le fil inférieur. Bilan : 3 V + 2 V = 5 V. La loi des mailles est respectée.
- Diode = sens unique — courant de l'anode (A) vers la cathode (K) uniquement.
- La cathode (K) se repère à la barre sur le symbole, à l'anneau sur le boîtier.
- La diode en silicium a une tension de seuil Vf ≈ 0,7 V. Cette tension est "perdue" dans le circuit.
- LED = diode lumineuse. Patte longue = anode (+), patte courte + méplat = cathode (−).
- Vf d'une LED dépend de sa couleur : rouge ≈ 1,8–2 V, bleue/blanche ≈ 3,0–3,4 V.
- Résistance de limitation obligatoire : R = (Vcc − Vf) / If.
- Toujours choisir la valeur de résistance standard supérieure à la valeur calculée.