Condensateurs

toc Cornet Julien M13 Page précédente.

=1. Généralités=

1.1. Définition
..................................

Un condensateur est un composant (bipôle) électrique passif utilisé pour stocker de l'énergie dans un champ électrique. Les formes de condensateurs pratiques sont très variables, mais tous comportent au moins deux conducteurs électriques (armatures) séparés par un diélectrique (isolant). Contrairement à une résistance, un condensateur idéal ne se dissipe pas d'énergie. Au lieu de cela, un condensateur stocke l'énergie sous la forme d'un champ électrostatique entre les armatures. Quand il y a une différence de potentiel entre les conducteurs (par exemple, lorsqu'un condensateur est fixé sur une batterie), provoquant l'apparition d'une charge positive + Q sur une armature et une charge négative -Q sur l'autre armature, un champ électrique se développe à travers le diélectrique.

Plus la distance entre les armatures est petite et plus la surface de celles-ci est grande, plus la capacité sera grande.

Un condensateur idéal est caractérisé par une valeur constante unique pour sa capacité. La capacité est exprimée par le rapport entre la quantité de charge électrique Q sur chaque conducteur et de la différence de potentiel U entre ceux-ci. L'unité de mesure de la capacité est le farad (F), qui est égale à un coulomb par volt (1 C / V).

math C= \frac{Q}{U} math

C : capacité [Farad : F] Q : quantité de charge [Coulomb : C] U : différence de potentiel entre les armatures [Volt : V]

1.2. Lois
..................................

1.2.1 Loi de comportement
Au cours de la charge ou de la décharge du condensateur, la charge électrique q change. q est donc une fonction du temps : on la notera q(t).

math i(t) = \frac{dq(t)}{dt} math or math q(t) = C.u(t) math Donc math i(t) = C.\frac{du(t)}{dt} math

** Association en parallèle **
Lorsque deux condensateurs sont placés en parallèle, donc soumis à la même tension, le courant à travers cet ensemble est la somme des courants à travers chacun des condensateurs. Ceci a pour conséquence que la charge électrique totale stockée par cet ensemble est la somme des charges stockées par chacun des condensateurs qui le composent : donc : Ce raisonnement est généralisable à n condensateurs en parallèle : le condensateur équivalent à n condensateurs en parallèle a pour capacité la somme des capacités des n condensateurs considérés. La tension maximale que peut supporter l'ensemble est celle du condensateur dont la tension maximale est la plus faible.

** Association en série **
Lorsque deux condensateurs sont en série, donc soumis au même courant, il en résulte que la charge stockée par chacun d'eux est identique. ou d'où Ce raisonnement étant généralisable à n condensateurs, on en déduit que le condensateur équivalent à n condensateurs en série a pour inverse de sa capacité la somme des inverses des capacités des n condensateurs considérés. Cette association est généralement une association de n condensateurs identiques ayant pour but d'obtenir un ensemble dont la tension maximale qu'il peut supporter est égale à n fois celle des condensateurs utilisés, ceci au prix d'une division de la capacité par n.

1.3 Représentation d'un condensateur dans un schéma
.................................. Condensateur non-polarisé / Condensateur polarisé / Condensateur variable (Il existe d'autres représentations, ces dernières restant les plus fréquemment utilisées.)

1.4 Schéma équivalent :
..................................

Rp : Résistance due aux pertes dans le diélectrique (résistance de fuite), elle va provoquer la décharge du condensateur d’autant plus vite si Rp est petite. Cette résistance dépend de la résistivité de l’isolant et de la taille du boitier.

Ordre de grandeur : supérieure à 1Mohms.

Rs : Résistance en série (ESR = Equivalent Serial Resistor) due aux connexions des armatures : Lorsque le condensateur se charge et se décharge avec un courant élevé, celui-ci dégage de la chaleur : perte par hystérésis.

Ordre de grandeur : quelques dixièmes d’ohms.

L’inductance série, Ls, représente l’affaiblissement total de l’inductance et de la capacité à des fréquences plus élevées. Aux basses fréquences, la capacité varie avec la fréquence et le niveau du signal de test, en raison des modifications au niveau des propriétés diélectriques.

Du fait de ces facteurs, les condensateurs prennent différentes valeurs en fonction des variations de température, de fréquence et de niveau du signal.

1.5 Caractéristiques
..................................

La permittivité
La permittivité, plus précisément permittivité diélectrique, est une propriété physique qui décrit la réponse d‘un milieu donné à un champ électrique appliqué. s'exprime généralement en F/m (farad par mètre). La permittivité d’un milieu peut aussi être exprimée par une quantité adimensionnelle : la permittivité relative ou « constante diélectrique », normalisée par rapport à un milieu de référence : avec
 * [[image:http://upload.wikimedia.org/math/c/f/d/cfdb64c3b87ac533d812eba2b0dcd6d2.png]] la permittivité ;
 * [[image:http://upload.wikimedia.org/math/3/0/6/30687b13294075c2ae3b08307de67f5f.png]] la permittivité d’un milieu de référence (du vide);
 * [[image:http://upload.wikimedia.org/math/c/e/4/ce4dbd4b95c70e07af8888ec8a36a387.png]] la permittivité relative.

|| ||
 * = **Diélectrique** ||= Permittivité relative
 * = Vide ||= 1 ||
 * = Air ||= 1,0001 ||
 * = Téflon ||= 2,0 ||
 * = Polypropylène ||= 2,1 ||
 * = Polystyrène ||= 2,5 ||
 * = Polycarbonate ||= 2,9 ||
 * = Polyester ||= 3,2 ||
 * = FR-4 ||= 3,8 à 5,0 ||
 * = Verre ||= 4,0 à 8,5 ||
 * = Mica ||= 6,5 à 8,7 ||
 * = Céramique ||= De 6 à plusieurs milliers ||
 * = Oxyde d'aluminium ||= 7 ||
 * = Oxyde de tantale ||= 11

Les propriétés électriques des isolants varient en fonctions de facteurs tels que la température, la fréquence, la tension et l’humidité. Cette variabilité et la construction mécanique du condensateur en font un matériel imparfait.

La rigidité diélectrique
La rigidité diélectrique d’un milieu isolant représente la valeur maximum du champ électrique que le milieu peut supporter avant le déclenchement d’un arc électrique (donc d’un court-circuit).


 * **Rigidité diélectrique de quelques diélectriques usuels** ||
 * **Matériau** || **Rigidité Diélectrique**


 * (MV/m)** ||
 * Air || 3 ||
 * Quartz || 8 ||
 * Titanate de strontium || 8 ||
 * Néoprène || 12 ||
 * Nylon || 14 ||
 * Pyrex || 14 ||
 * huile silicone || 15 ||
 * Papier || 16 ||
 * Bakelite || 24 ||
 * Polystyrène || 24 ||
 * Vide réel || 25 ||
 * Vide parfait || infini ||
 * Teflon || 60 ||
 * Mica || 150 ||

Tolérance
C’est la plage de valeurs entre lesquelles se situe la valeur réelle du condensateur. Donné en % ou en Farad.

Ex : 10μF+-20% ou 10μF+-2μF.

Tension nominale
Tension notée sur le condensateur. Si le signal est continu, c’est la tension à ne pas dépasser. Si le signal est alternatif, c’est la tension crête à ne pas dépasser.



Résistance d’isolement
Le diélectrique utilisé pour la réalisation d’un condensateur n’est pas idéal. Il en résulte un courant de fuite. On parle dès lors de résistance d’isolement du diélectrique (ordre du MΩ). Avec le vieillissement, cette résistance d’isolement diminue, le courant de fuite devient plus important.

Tangente delta
On a vu que le schéma équivalent d’un condensateur fait apparaître une résistance série (Cas d'un condensateur sans pertes de fuite, et sans tenir compte de l'inductance série car nous sommes en basses fréquences). Cette dernière reprend une certaine tension Up à ses bornes, tandis que le condensateur idéal reprend Uc. Ces tensions sont déphasées de 90°. En traçant le diagramme des tensions, on peut dès lors faire apparaitre l’angle de perte : δ. On utilise la tangente delta pour exprimer la qualité du diélectrique.



=2. Valeur d'un condensateur=

La valeur des condensateurs peut être indiquée de plusieurs façons :

2.1. Affichage alphanumérique clair
..................................
 * Valeur notée || Correspondance avec unités ||
 * 10 ou 10p || 10 pF ||
 * 4.7K ou 4K7 || 4,7 nF = 4700 pF ||
 * .1 || 0,1 µF = 100 nF ||
 * .01 || 0,01 µF = 10 nF ||

2.2. Affichage alphanumérique codé
.................................. La valeur du condensateur est indiquée avec trois chiffres. Les deux premier chiffres sont dit significatifs, et le troisième correspond au facteur de multiplication.

Exemple : 273 = 27 nF = 27000pF

2.3. Affichage en code couleur
.................................. Les premiers indicateurs colorés représentent les chiffres significatifs, un autre indique le facteur de multiplication et des couleurs additionnelles peuvent être présentes pour indiquer la tolérance et la tension de service.



=3. Types de condensateurs=

3.1. Condensateur à isolant
..................................

Généralités
Le condensateur céramique est un type de condensateur qui est utilisé dans de nombreuses applications audio à RF. Les valeurs vont de quelques picofarads à environ 0,1 microfarads. Types de condensateurs en céramique sont de loin le type de condensateur le plus couramment utilisé étant fiable et pas cher et leur facteur de perte est particulièrement faible, bien que cela dépend du diélectrique utilisé (une céramique). La céramique est un matériau de synthèse obtenu par compression à haute température d’une poudre de compositions variées telle que : silicates de magnésium, silicate d’aluminium auxquels on ajoute du titane, calcium…

Fabrication
Concernant les condensateurs de faibles valeurs (quelque nF), ils sont constitués d’une pastille, d’un tube ou d’un disque de céramique métallisé à l’argent sur chacune de ses faces.

Les condensateurs de plus grande capacité (allant jusqu’à plusieurs dizaines de μF) sont de type multicouches. En effet, le but est de réduire l’épaisseur du diélectrique en amincissant la lamelle et d’augmenter la surface en multipliant le nombre de lamelles.



D : diélectrique en céramique E et E’ : électrodes du condensateur M : métal connectant les électrodes entre elles S : soudure des connexions C : connexions radiales

Généralités
Le mica est un minéral caractérisé par sa structure feuilletée. Il jouera le rôle d’isolant. Il présente une bonne stabilité face aux variations de température ou de fréquence. Grâce au mica, on peut réaliser des condensateurs de haute qualité.

Les condensateurs à diélectrique mica présentent des propriétés remarquables telles que :
 * Excellente tenue en température,
 * Faibles pertes à toutes les fréquences,
 * Rigidité diélectrique élevée,
 * Stabilité dans le temps.

Fabrication
Le procédé de fabrication est identique au procédé utilisé pour les condensateurs céramique.



3.1.3 Condensateur à film plastique
Ce type de condensateur est très répandu. Les caractéristiques dépendent de la matière utilisée pour le film. Les matériaux couramment utilisés pour le diélectrique sont :
 * le polyester
 * le polypropylène
 * le polycarbonate
 * le polystyrène

Polyester
Également connu sous le nom de Mylar, il permet de réaliser des condensateurs d’usage général à faible coût. Les performances sont assez moyennes, les caractéristiques (capacité, résistance d’isolement, pertes) sont sensibles à la température et à la fréquence. On les retrouve dans des applications de découplage, filtrage. C’est-à-dire des applications pour lesquelles la précision de la capacité n’a pas d’importance.

Polypropylène
Le diélectrique est soit du papier- polypropylène soit un film de polypropylène métallisé. La résistance d’isolement est très élevée : jusqu’à 105MΩ.

Ce type de condensateur est utilisé dans les applications basse fréquence : découplage, filtrage, alimentation à découpage. En effet, leur propriétés telle quel l’angle de perte ou la tension efficace admissible se dégradent très vite dès que la fréquence dépasse quelques KHz.

Polycarbonate
Ce type d’isolant permet de réaliser des condensateurs dont la capacité est très stable aux températures ordinaires. Il est utilisé pour des applications basses puissance.

Polystyrène
Ces condensateurs sont bien adaptés pour la radio car ils ont des pertes très faibles. La résistance d’isolement est très élevée : >100 GΩ. Ce type de condensateur est employé pour des tensions inférieures à 1000 volts. Les capacités allant de quelques pF à quelques μF.

3.2. Condensateur polarisé
..................................

Généralités/Fabrication
Contrairement à tout autre condensateur, lorsqu'on les fabrique, on ne met pas d'isolant entre les deux conducteurs. D'ailleurs, un électrolytique neuf conduit le courant continu. En fait, un des conducteurs est métallique, l'autre est une gelée conductrice : le conducteur métallique est simplement inséré dans la gelée. Lorsqu'on applique une tension pour la première fois, une réaction chimique (appelée électrolyse, d'où le nom) a lieu, ce qui crée une interface isolante à la surface du métal. Évidemment, sitôt formée, cette couche empêche le courant de passer et donc sa propre formation. Il en résulte une couche isolante très mince (quelques molécules d'épaisseur) d'où la très grande capacité des condensateurs électrolytiques en fonction de leur volume. D'où aussi leur tension maximale limitée (quelques centaines de volts). Cependant, la gelée n'est pas aussi bonne conductrice qu'un métal : un condensateur électrolytique a donc une résistance série non négligeable qui crée un « zéro » au sens des fonctions de transfert (filtre passe-bas) avec la capacité. De plus, un courant alternatif passant dans la gelée déforme les orbitales des électrons des couches de valence qui lient la gelée, créant une petite vibration mécanique dans la gelée, d'où : À l'origine, ces condensateurs n'étaient pas conçus pour servir à des fins de découplage ou de filtrage de signaux. Ils sont principalement utilisés dans la partie filtrage des circuits d'alimentation. La fabrication est réalisée par bobinage. On sépare 2 bandes d’aluminium par un papier absorbant qui est imprégné par l’électrolyte. Ce papier n’est pas le diélectrique car c’est la couche d’alumine qui jouera ce rôle. Les bandes d’aluminium sont préalablement traitées pour qu’une bande joue le rôle de l’anode et l’autre de la cathode. L’épaisseur du papier varie de 30 à 70 μm tandis que l’épaisseur de la couche d’alumine est de l’ordre de 100 nm. Les condensateurs électrolytiques non polarisés sont constitués de deux condensateurs polarisés en série. La cathode est remplacée par une seconde anode. Il en résulte que la capacité est réduite pour un même volume.
 * un effet d'inertie (inductance) important ;

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Vidéo montrant la fabrication de condensateurs électrolytiques

Généralités/Fabrication
Il existe deux techniques de condensateurs au tantale :

Les condensateurs au tantale à électrolyte solide : ce sont des condensateurs où la première électrode est le tantale, et la seconde du dioxyde de manganèse MnO2. Le contact avec le dioxyde de manganèse est assuré par une couche de métallisation à base d'argent. Cette technologie apporte les avantages suivants : Les condensateurs au tantale à électrolyte liquide (WET Tantalum) : ce sont des condensateurs où la première électrode est le tantale, et la seconde un gel conducteur.
 * résistance série réduite ;
 * faibles inductances série ;
 * faibles résonances ;
 * pas de dégradation dans le temps, en stockage ou en utilisation ;
 * coût faible.
 * plus grande résistance série que les modèles « solides » ;
 * faibles inductances série ;
 * faibles résonances ;
 * capacité d'auto-cicatrisation élevée, d'où une grande fiabilité ;
 * coût plus élevé.

En effet, l'électrolyte liquide est capable d'oxyder le tantale en cas de défaut dans la couche d'oxyde, cette régénération en fait des condensateurs de grande fiabilité, ils sont souvent choisis pour des applications où la fiabilité est un critère déterminant ; exemple : utilisation dans un satellite. Par contre, cette possibilité signifie qu'un courant de fuite plus élevé est possible, à prendre en compte dans la conception.

Les condensateurs à électrolyte liquide sont plus coûteux, en raison des matériaux utilisés : argent ou encore tantale massif pour le boîtier (à cause de l'électrolyte acide), ainsi que des procédés de fabrication plus complexes (assemblage étanche), ils sont de fait réservés à des applications « haut de gamme ».

Les condensateurs au tantale solide présentent une résistance série extrêmement faible, ce qui en fait un composant préférentiel pour les découplages d'alimentation sur les cartes.

Les condensateurs au tantale ont toutefois un défaut : il présentent une légère non-linéarité, c'est pourquoi ces condensateurs sont déconseillés pour la transmission de signaux (création d'harmoniques paires) sauf lorsqu'ils sont associés à d'autres condensateurs non électrolytiques pour former un condensateur composite.

Les condensateurs au tantale solide ont également un autre défaut : le tantale risque de prendre feu en cas de dépassement du courant ou en cas de défaillance. C'est pourquoi ils sont peu utilisés dans des applications où cela présente un danger pour l'utilisateur.

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3.3. Condensateur variable
..................................

Les condensateurs variables sont des condensateurs dont on peut faire varier la valeur. Tout comme les condensateurs fixes, ils font partie de la famille des composants passifs.

3.3.1 Condensateur ajustable
Le condensateur ajustable est un condensateur dont on peut faire varier la valeur capacitive, dans une certaine mesure, grâce à un axe mécanique qui fait se chevaucher plus ou moins deux ensembles de lamelles métalliques montées parallèlement. Les trois photos qui suivent montrent l'exemple d'un condensateur ajustable auquel on a donné trois positions différentes. Ce type de condensateur est principalement utilisé dans le domaine des hautes fréquences (récepteurs et émetteurs TV et radio FM, par exemple), domaine où l'on est plus souvent amené à utiliser des condensateurs de faible valeur, et où il est difficile de savoir précisément quelle valeur exacte adopter pour le résultat souhaité. Le condensateur ajustable, de par sa nature mécanique, possède une plage de variation de valeurs assez restreinte, qui s'étale de quelques pF à quelques dizaines de picofarads. Beaucoup (si ce n'est la majorité) des condensateurs ajustables se règlent avec un petit tournevis amagnétique (pading), mais certains autres possèdent un axe et un pas de vis permettant de les fixer sur une face avant d'un boîtier, les faisant ainsi curieusement ressembler à de petits potentiomètres (mais à deux pattes seulement).

3.3.2 Condensateur variable
Le condensateur variable est un condensateur ajustable mais prévu pour être manipulé de façon régulière : son axe mécanique est accessible par l'utilisateur, de façon directe (bouton monté directement sur l'axe) ou indirectement (bouton faisant bouger l'axe via un prolongateur mécanique ou via une ficelle).

Rotor (R), axe (A) et le stator (S)

3.3.3 Diode varicap
La diode Varicap est une diode qui présente la particularité de posséder une valeur capacitive qui est fonction d'une tension continue inverse appliquée à ses bornes. Avec un tel composant, il est bien plus simple de concevoir un montage dans lequel plusieurs valeurs capacitives peuvent être obtenues facilement et rapidement, voir sauvegardées et rappelées en un tour de main (système d'accord sur plusieurs fréquences par exemple). Second avantage et non des moindres, la commande (tension continue) peut être déportée sans difficulté majeure.

3.4. Condensateur SMD
..................................

- Non polarisé
 Les condensateurs non polarisés ont les mêmes boîtiers que les résistances. La valeur des condensateurs n’est pas indiquée donc l'utilisation d'un capacimètre est vivement conseillée.
 * ~ Boîtier ||~ Inch ||~ Millimètre ||
 * = 0402 || 40×20 mil ||= 1.016×0.508 mm ||
 * = 0603 || 60×30 mil ||= 1.524×0.762 mm ||
 * = 0805 || 80×50 mil ||= 2.032×1.275 mm ||
 * = 1206 || 120×60 mil || 3.048×1.524 mm ||

- Polarisé
Le côté “+” est indiqué par une ligne blanche ou un “M” blanc.

La taille du boîtier dépend de la capacité et de la tension de fonctionnement.

Mais les tailles des boîtiers sont standards :
 *  3.2×1.8 mm
 *  3.5×2.8 mm
 *  6.0x3.2 mm
 *  7.3×4.3 mm

La valeur en pF est codée sous la forme numérique :

 X : le 1er digit de la capacité
 * X || Y || Z ||

Y : le 2eme digit de la capacité

Z : le nombre de zéros

Exemple : 224 =22 0000=220nF <span style="background-color: #ffffff; color: #333333; font-family: Arial,sans-serif; font-size: 14px;">La valeur en pF est codée sous forme alphanumérique : <span style="background-color: #ffffff; color: #333333; font-family: Arial,sans-serif; font-size: 14px;">Capacité : <span style="background-color: #ffffff; color: #333333; display: block; font-family: Arial,sans-serif; font-size: 14px;"> <span style="background-color: #ffffff; color: #333333; display: block; font-family: Arial,sans-serif; font-size: 14px;"> <span style="background-color: #ffffff; color: #333333; font-family: Arial,sans-serif; font-size: 14px;">Tension de fonctionnement : <span style="background-color: #ffffff; color: #333333; display: block; font-family: Arial,sans-serif; font-size: 14px;">
 * ~ Capacité ||= 1.0 ||= 1.5 ||= 2.2 ||= 3.3 ||= 4.7 ||= 6.8 ||
 * ~ Code ||= A ||= E ||= J ||= N ||= S ||= W ||
 * ~ Nombre de zero ||= 5 ||= 6 ||
 * ~ Code ||= 5 ||= 6 ||
 * ~ Tension (V) ||= 4.0 ||= 6.3 ||= 10 ||= 16 ||= 20 ||= 25 ||= 35 ||
 * ~ Code ||= G ||= J ||= A ||= C ||= D ||= E ||= V ||

=Références=

[|Wiki] [|Wiki (EN)] [|National Instruments] [|Radio-electronics] [|Electronics-tutorials]

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