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Introduction aux différents types de condensateurs
Un condensateur est un composant électronique qui stocke la charge électrique et l'énergie dans un champ électrique. Avec les résistances, les condensateurs font partie des composants les plus courants dans les circuits électriques et électroniques. Ils sont largement utilisés dans les équipements de télécommunication tels que les récepteurs radio pour le réglage de fréquence, ainsi que dans les circuits de temporisation, les oscillateurs et les filtres. Dans cet article, nous aborderons les caractéristiques de base des condensateurs, leurs fonctions principales, ainsi que les différents types et applications de ces composants essentiels.
Condensateurs et Capacité
Un condensateur est formé par toute paire de conducteurs, la forme typique étant deux plaques parallèles, c'est-à-dire deux conducteurs ou électrodes séparés par un matériau diélectrique d'épaisseur uniforme. Les conducteurs peuvent être faits de tout matériau qui conduit facilement l'électricité. Le matériau diélectrique doit être un mauvais conducteur, c'est-à-dire un isolant. Un condensateur a la capacité de stocker une quantité d'électricité statique.
Les champs électriques statiques proviennent des charges électriques, les lignes de champ électrique commençant et se terminant sur des charges électriques. Ainsi, la présence de charges électriques positives et négatives égales sur les deux plaques de la Figure 2 ci-dessous :
Supposons une charge de +Q coulombs sur la plaque A et –Q coulombs sur la plaque B. La propriété de cette paire de plaques qui détermine la quantité de charge correspondant à une tension donnée entre les plaques est appelée capacité, notée C :
C = Q / V
L'unité de capacité est le coulomb par volt ou le farad (F), défini comme la capacité lorsqu'une tension d'un volt apparaît entre les plaques lorsque celles-ci sont chargées d'un coulomb. En pratique, la plupart des condensateurs ont des valeurs beaucoup plus faibles qu'un farad et sont couramment exprimés en microfarads (µF, 10⁻⁶ F), nanofarads (nF, 10⁻⁹ F) ou picofarads (pF, 10⁻¹² F).
Pour le cas ci-dessus dans la Figure 1, la capacité C est donnée par :
C = εA / d
Où :
- A est l'aire d'une plaque
- d est la distance entre les plaques
- ε est la permittivité du matériau diélectrique situé entre eux
Pour un condensateur idéal, la capacité dépend uniquement des caractéristiques physiques de l'appareil. Lors de l'achat d'un condensateur, vous devez spécifier sa tension nominale en plus de sa valeur de capacité. Cette valeur nominale indique la tension maximale que vous pouvez appliquer aux bornes du condensateur avant qu'une défaillance électrique ne se produise à travers le matériau diélectrique.
Les fonctions des condensateurs dans les circuits électroniques
Stockage d'énergie
Comme mentionné précédemment, les condensateurs sont utilisés pour le stockage d'énergie. Dans ce cas, la charge provenant d'un courant appliqué est stockée dans le condensateur, puis elle est restituée au circuit sous forme de courant utilisable.
En plaçant une résistance en série avec le condensateur, vous pouvez effectivement contrôler la vitesse de charge et de décharge. Ce concept est souvent employé dans les circuits de décharge à courant élevé tels que les flashs photographiques ainsi que dans les petites alimentations de secours pour les circuits intégrés à faible consommation. De plus, il est utilisé pour lisser les ondulations d'alimentation, contrôler le chronométrage dans les circuits intégrés et modifier la forme des formes d'onde.
Blocage de courant continu et couplage de courant alternatif
Lorsqu'un condensateur est placé en série dans un chemin de signal, il bloque le courant continu tout en permettant aux composantes du signal alternatif de passer. Lorsqu'un condensateur est utilisé de cette manière, il est appelé condensateur de blocage DC ou condensateur de couplage AC.
Pour expliquer le fonctionnement – en courant continu (CC), l'impédance d'un condensateur est idéalement infinie – aucun courant ne circule, aucun niveau de CC au sein d'un signal mixte n'est autorisé à passer. Mais, si un signal alternatif (CA) est appliqué, l'impédance du condensateur devient une valeur finie qui dépend de la fréquence du signal – ce qui implique que plus la fréquence est élevée, plus l'impédance est faible. Ainsi, en pratique, un condensateur en série peut être utilisé pour coupler deux circuits ensemble sans introduire de décalages indésirables en CC dans l'étage suivant ; de plus, il peut contrôler la quantité de signal d'une fréquence donnée qui passe, c'est-à-dire qu'il contrôle l'atténuation.
Découplage et Contournement
Considérons un cas où le condensateur est placé en parallèle avec un chemin de signal (c'est-à-dire à la masse). Cela a un effet opposé à celui du condensateur de couplage discuté plus haut. Ici, il agit comme un condensateur de découplage, permettant au courant continu de continuer le long du chemin, tout en déviant les composantes de signal à haute fréquence vers la masse – le condensateur agissant comme un chemin de faible impédance vers la masse.
Un effet similaire se produit lorsqu'un condensateur est placé en dérivation sur un élément de circuit particulier afin de détourner les fréquences indésirables, ce qui est appelé contournement.
Le découplage et le contournement sont importants lorsqu'il est nécessaire d'éliminer les ondulations indésirables à haute fréquence et autres signaux non désirés causés par le bruit aléatoire ou les demandes de courant soudaines générées par des éléments de circuit voisins.
Ce ne sont là que quelques-unes des fonctions de base des condensateurs. Il existe d'autres fonctions mais nous n'approfondirons pas, par exemple, l'utilisation des condensateurs dans les réseaux de filtres passifs et actifs, les circuits résonants LC, etc.
Type 1 : Condensateur Électrolytique au Tantale
Description
Le condensateur électrolytique au tantale est devenu l'un des types de condensateurs privilégiés lorsque la haute fiabilité et la longue durée de vie sont des considérations essentielles.
Les condensateurs au tantale contiennent des électrolytes liquides ou solides. L'électrolyte liquide des condensateurs à électrolyte humide et à feuille – généralement de l'acide sulfurique – forme la cathode (plaque négative). Dans les condensateurs solides, une matière sèche, le dioxyde de manganèse, forme la cathode.
Le fil d'anode en tantale est constitué de deux parties : un fil en tantale intégré, ou soudé, à la pastille, qui est à son tour soudé à un fil de nickel.
Avantages
- Petite taille pour une capacité donnée
- Bonne stabilité de la capacité sur la plage de température
- Courant de fuite relativement faible
- Bonne fiabilité lors d'une utilisation dans les limites spécifiées.
- Valeurs de capacitance utiles dans les conceptions compactes
Inconvénients
- Généralement polarisé
- Plus coûteux que les condensateurs électrolytiques en aluminium
- Sensible aux surtensions de courant, à la tension inverse et à la surtension
Candidatures
Les condensateurs au tantale ne conviennent pas aux applications de stockage ou de couplage haute fréquence (HF) en raison de leur faible résistance d'isolement et de leur inductance interne. Au-delà de quelques MHz, le condensateur au tantale se comporte davantage comme une inductance que comme un condensateur.
Les applications des condensateurs au tantale incluent le blocage, le dérivation, le découplage, le filtrage et la temporisation.
Typiquement utilisé comme filtre de lissage dans les alimentations électriques ou comme filtre de dérivation pour les signaux de basse fréquence.
Type 2 : Condensateur électrolytique en aluminium
Description
Les condensateurs électrolytiques en aluminium ont un espace entre leurs plaques de feuilles rempli d'une pâte chimique. Lorsqu'une tension est appliquée, une réaction chimique forme une couche de matériau isolant sur la feuille.
Étant donné que les condensateurs électrolytiques en aluminium offrent des valeurs de capacité élevées dans des boîtiers compacts à un prix abordable, ils sont très populaires et vous les trouverez probablement dans presque tous les types de circuits électroniques.
Les valeurs typiques de capacitance vont d'environ 0,1 µF à 500 000 µF.
Avantages
- Des valeurs de capacitance élevées à un coût relativement bas
- Largement disponible en plusieurs tailles et tensions nominales
- Utile pour le filtrage de l'alimentation et le stockage d'énergie en vrac
- Bon rapport capacité-coût
- Peut supporter des courants et des tensions élevés
Inconvénients
- Généralement polarisé
- Un courant de fuite plus élevé que celui des condensateurs en céramique ou à film
- Une tolérance plus large et une stabilité plus faible que certains autres types de condensateurs
- Résistance et inductance internes plus élevées
- Durée de vie plus courte que certains types de condensateurs non électrolytiques, en particulier à des températures élevées.
Candidatures
Ils ne conviennent pas aux applications de couplage à haute fréquence en raison d'une faible résistance d'isolement et d'une inductance interne.
Ces condensateurs sont utilisés dans les filtres anticonsistance des alimentations, le couplage audio, et/ou comme filtre pour court-circuiter les signaux basse fréquence.
Un facteur important à garder à l'esprit lors de la manipulation de ce type de condensateur est qu'ils exploseront si la tension de fonctionnement nominale est dépassée ou si la polarité est inversée. Par conséquent, vous ne devriez pas appliquer de tension alternative aux bornes d'un condensateur électrolytique. Néanmoins, si une tension alternative est superposée à une tension continue, assurez-vous que la valeur de crête ne dépasse pas la tension nominale.
Une autre considération clé est que les condensateurs électrolytiques en aluminium ne doivent pas être utilisés si la tension continue est bien inférieure à la tension de fonctionnement du condensateur.
Type 3 : Condensateur en verre
Description
Les condensateurs diélectriques en verre offrent les caractéristiques de performance et de fiabilité les plus élevées disponibles dans l'industrie des condensateurs.
La construction des condensateurs en verre est assez simple. Ils se composent de seulement trois éléments :
- Diélectrique en verre et boîtier
- Électrodes en aluminium
- Bornes de fils
Les condensateurs sont fabriqués en couches multiples, les pistes étant soudées aux électrodes de manière à éliminer les connexions par pression susceptibles de se desserrer et les connexions à la soudure susceptibles de fondre.
Le diélectrique est formé sous la forme d'un ruban continu de verre présentant des propriétés physiques et électriques ainsi que des dimensions précisément contrôlées.
Les condensateurs diélectriques en verre comprennent des couches alternées de ruban de verre et de matériau d'électrode. Après l'assemblage, les unités sont scellées ensemble par haute température et pression pour former un bloc monolithique robuste. Étant donné que les fils de connexion sont fusionnés au boîtier en verre, le scellage ne peut être rompu sans détruire le condensateur.
Considérant que ces condensateurs sont de structure monolithique, ils ne sont pas nécessairement hermétiques car le coefficient de dilatation thermique des bornes ne correspond pas à celui du boîtier.
Les condensateurs en verre peuvent être enfermés dans des boîtiers en verre ou en émail vitrifié, appropriés à la protection contre les conditions environnementales.
Les condensateurs en verre sont fabriqués à partir de matériaux inorganiques et présentent une grande résistance aux températures de fonctionnement élevées, à la rupture par tension et aux radiations nucléaires. Les condensateurs en verre ne présentent pas de danger toxique lorsqu'ils sont exposés aux radiations.
Avantages
- Haute fiabilité et stabilité à long terme
- Faible absorption diélectrique
- Haute résistance d'isolement
- Facteur de qualité élevé et faibles pertes à hautes fréquences
- Bonne performance à des températures élevées
- Forte résistance à l'humidité, aux chocs, aux vibrations et aux radiations
Inconvénients
- Coût plus élevé que les types de condensateurs plus courants
- Des valeurs de capacitance inférieures à celles de nombreux autres types de condensateurs
- Taille plus grande et coût plus élevé pour une capacité donnée
- Moins courantes et parfois plus difficiles à trouver que les types de condensateurs standard
Candidatures
Les condensateurs en verre ont généralement connu une vaste application dans les domaines militaires, avec de nouvelles conceptions de plus en plus importantes dans les secteurs de l'aérospatiale et de haute performance.
Les condensateurs en verre sont utilisés particulièrement lorsque la fiabilité est critique, et que le remplacement d'une pièce défaillante n'est pas possible ou pratique.
Les condensateurs en verre ont de nombreuses applications qui incluent :
- Circuits haute température
- Modulateurs
- Filtres de sortie d'amplificateur RF
- Oscillateurs à fréquence variable
- Accouplement amplificateur
- Échantillonneur-bloqueur
- Amortisseurs de tension
- Polarisation de transistor
- Intégrateurs de rampe
Type 4 : Condensateur céramique
Description
Essentiellement, ces condensateurs sont construits avec des matériaux tels que le titanate de baryum pour le diélectrique. En interne, ces condensateurs ne sont pas construits sous forme de bobine, ce qui leur confère une faible inductance.
Pour répondre à la demande du marché en condensateurs céramiques à haute densité, les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) ont été développés ; ils intègrent plusieurs couches imprimées de plaques d'électrodes fabriquées à partir de fines feuilles de céramique.
Les condensateurs céramiques peuvent être classifiés en 3 types selon leurs caractéristiques diélectriques.
Classe 1 (Ultra-Stable)
Ceci est le condensateur le plus stable, fabriqué à partir d'un mélange de titanates. Il possède un coefficient de température (CT) très prévisible et ne présente généralement pas de caractéristiques de vieillissement.
Le condensateur céramique ultra-stable le plus populaire est le NP0 (zéro ppm/°C) ou C0G (selon la désignation EIA).
Classe 2 (Semi-stable)
Bien qu'ils ne soient pas aussi stables en température que les condensateurs ultra-stables, ils possèdent une capacité électrostatique supérieure.
Tous les condensateurs semi-stables varient en valeur de capacité sous l'effet de la température, de la tension de fonctionnement (ca et cc), et de la fréquence.
Les condensateurs semi-stables conviennent mieux aux applications où des valeurs de capacité élevées sont essentielles, tandis que la stabilité du facteur Q sur la température n'est pas une préoccupation majeure.
Classe 3 (HiK)
Ce type possède une constante diélectrique ou une capacité électrostatique élevée, mais présente une faible stabilité, une faible absorption diélectrique, un coefficient de tension élevé, et est sensible aux vibrations.
Il y a une très faible dérive en température, un coefficient de dissipation de tension élevé, un coefficient de capacitance de haute fréquence élevé et une vitesse de vieillissement significative.
Ils présentent une faible inductance, une large gamme de valeurs, une petite taille et ont une densité supérieure à celle des céramiques encapsulées.
Ils sont généralement les mieux adaptés pour le couplage (blocage c.c.) et le découplage des alimentations.
Généralement recommandé pour les applications linéaires où les performances et la stabilité ne sont pas une préoccupation majeure.
Candidatures
Les condensateurs céramiques sont principalement conçus pour être utilisés lorsque de petites dimensions physiques, avec une capacitance électrique comparativement grande et une résistance d'isolement élevée, sont requises.
Les applications typiques pour les condensateurs céramiques à usage général comprennent :
- Accouplement résistif-capacitif pour l'audiofréquence et la radiofréquence
- Cathode de dérivation RF et fréquence intermédiaire
- Compensation de tonalité
- Filtrage de contrôle automatique du volume
- Contrôle du volume dérivation RF
- Accouplement d'antenne
- Plaque RF de contournement audio
Pensées finales
Les condensateurs remplissent des fonctions importantes dans les circuits électroniques, allant de fonctions simples telles que le stockage d'énergie à des fonctions majeures telles que le blocage de courant continu ou le blocage de courant alternatif.
Il existe différents types de condensateurs, utilisés pour diverses applications. Choisir le bon peut ne pas être une tâche aisée. Comprendre les différents types de condensateurs, leurs caractéristiques et leurs capacités, vous fournit les connaissances nécessaires pour vous aider à prendre une meilleure décision lors du choix d'un condensateur pour une application donnée.
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