Les Condensateurs

1.1.Descriptions

Composant électrique constitué de deux conducteurs (les armatures), séparés par un isolant, le diélectrique.(diélectrique : Substance isolante susceptible d'acquérir une polarisation en présence d'un champ électrique).

Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre ces armatures, une charge électrique s'accumule dans le condensateur, proportionnelle à la tension appliquée et à une grandeur caractéristique du condensateur appelée sa capacité. La capacité d'un condensateur dépend de la dimension des armatures, de l'épaisseur de l'isolant ainsi que d'une caractéristique de cet isolant appelée sa constante diélectrique.

1.2.Symbole

ou pour les condensateurs Polarisés

pour les condensateurs variables

 1.3.Unité ; Formules

La capacité se mesure théoriquement en farad (symbole F) ; cette unité étant trop élevée, on préfère utiliser des sous-multiples : le microfarad (1mF, qui vaut 10^{-6 farad}),le nanofarad ( nF,10^-9 F)et le picofarad ( pF, 10^-12 F).

Pour un circuit donné, on définit sa capacité C comme le rapport de la charge accumulée sur la tension appliquée à ses bornes, soit en fait son aptitude à emmagasiner des charges électriques, de l'énergie électrostatique :

avec la capacité C constante, c'est-à-dire autonome et linéaire, on obtient :

1.3.1.Charge et Décharge d' une capacité

Au début S1 et S2 sont ouvert donc la tension au point A = 0

Ensuite ont ferme S1 et on observe la tension qui donne la courbe de charge d' un condensateur.

En fin si S1 est ouvert et S2 fermé on observe la tension qui donne la courbe de décharge .

1.3.2.Effet capacitif

Cet effet correspond au troisième phénomène très important. Lorsqu'on applique une différence de potentiel à deux conducteurs isolés les uns des autres, on assiste à une accumulation de charges par influence électrostatique. C'est cela l'effet capacitif. Il peut être ardemment recherché et dans ce cas on fabrique des condensateurs précis ou de grande capacité. Très souvent, l'effet capacitif est présent à titre parasitaire comme par exemple lors d'accumulation de charges entre deux lignes conductrices. Dans ce cas, on cherche à minimiser ses effets sur le temps de réponse de la ligne.

1.3.3.Tension de claquage

Outre sa capacité, un condensateur est caractérisé par  :

• la tension de claquage, qui mesure la différence de potentiel à partir de laquelle une étincelle se produit entre les armatures, en générale fatale au condensateur. Cette tension, qui dépend de la distance entre les armatures et de la nature du diélectrique, définit le type d'application du condensateur .Attention si l' on dépasse la tension maximal d' un condensateur polarisé chimique celui ci peut exploser .

1.3.4.La résistance de fuite

• la résistance de fuite ou courant de fuite, qui traduit le fait que le diélectrique n'est pas toujours un isolant parfait. Lorsque le condensateur est chargé, un léger courant peut circuler à travers le diélectrique et décharger à la longue le condensateur ( 10 µF = plusieurs heures )

1.3.5. Capacité en séries :

Ce type de montage est très peut utilisé :

= = >

1.3.6. Capacité en parallèles :

Par contre elles se trouvent plus souvent montées en parallèle, leurs capacités s'ajoutent:

= = >

C = C1 + C2

1.4.Valeurs

Pour plus de détails sur les types de condensateurs voir le chapitre 1.5 VARIANTES

1.4.1.Condensateurs commun NON Polarisé

La valeur est indiqué dessus mais peut être aussi déterminé par un code de couleur tout comme une résistance sur les anciens condensateurs .

Comment repérer les anneaux ?

Le premier anneau est celui qui est le plus proche du bord. Les deux premiers anneaux sont toujours les chiffres significatifs. Les 2 premiers anneaux sont donc les chiffres significatifs. L'anneau suivant est le multiplicateur .Le 4ème anneau indique la tolérance, puis vient l'anneau indiquant la tension maximal.

Il existe des séries de condensateurs normalisées. E 6 , E 12 le chiffre indique le nombres de valeurs possible par série .

les valeurs s'échelonnent de quelques picofarads (10^-12 farad) à une fraction de farad, sont réalisés suivant des modèles très différents, bien que deux armatures conductrices séparées par une couche isolante de matériau diélectrique peuvent être toujours identifiées.(diélectrique : Substance isolante susceptible d'acquérir une polarisation en présence d'un champ électrique).

Maintenant le moyen mnémotechnique pour retenir le code des couleurs. Il suffit de se souvenir de la phrase :

Ne manger rien ou jeûner, voila bien votre grande bêtise...  Une simple phrase. Reste à ne pas confondre le vert avec le violet, le bleu avec le blanc.

1.4.2.Condensateurs à diélectrique film plastique ,céramiques .

Voici des exemples de fabrications pour un condensateur de 100 nf

Condensateurs à films plastique

• MKT : Polyester (Polyéthylène ou mylar)
• MKC : Poly carbonate
• MKP : Polypropylène
• MKS : Polystyrène (styroflex)

La valeur de ces condensateurs varie du micro Farad ( µF ) au nano Farad ( nF ) .

La valeur est indiqué dessus et voici des exemples pour comprendre les règles :

Pour la tension d' utilisation maximal elle est indiqué dessus en volt avec le symbole - pour continu et ~ pour alternatif :
100-   = 100 Volts maxi en continu .

Les condensateurs céramiques 

Pour les condensateurs plus petit du nano Farad ( nF ) au pico Farad ( pF ) ont utilise les condensateurs céramiques.

codage américain

La tension d ' utilisation maximale est de 100 Volts voir 50 V pour certaines marques

1.4.3.Les condensateurs pour tension alternative

Ce sont des condensateurs qui ont des propriétés particulièrement adapté pour les tensions alternatives .

Ils font partie de la classe X ,X2 ou Y .

les condensateur de type X2 sont auto-cicatrisant et n' induisent pas de court-circuit quant ils deviennent défectueux .

1.4.4.Condensateur variable manuellement :

Pour des applications radios ont utilise des condensateurs ajustables ; leurs valeurs varient de 6,8 pF à 50 pF .
Le principe est simple plusieurs demi lames sont fixe et en tournant la vis ont bouge les autres demi lames ainsi ont modifie la surface de charge du condensateur .

Condensateurs Ajustables Boîtier Plastique

1.4.5.Les condensateurs CMS

Les circuits électroniques utilise aussi des Condensateurs CMS ( Composant miniature de surface ).Ces condensateurs sont directement soudées du coté des pistes .

existent aussi en versions polarisés

1.5.Variantes

Quelques types de condensateurs :

- Les condensateurs à diélectrique film plastique (polypropylène, polystyrène, polyester...) le diélectrique a une permittivité relative de l'ordre de 2 à 3, les gammes de capacités s'étendent entre 100 pF et 10 µF.

Pour des applications où de fortes valeurs de capacités sont nécessaires, on a recours aux condensateurs au tantale (volume réduit), dans le domaine des hautes fréquences (1 MHz à 1 GHz) il faudra utiliser des condensateurs céramiques hyperfréquences.

- Les condensateurs céramiques ont des armatures en aluminium séparées par un diélectrique au titanate de baryum ; les capacités vont du pF au µF.

- Les condensateurs au mica sont constitués par un empilement de feuilles de mica aluminées sur les deux faces, formant une association de condensateurs en parallèles, les capacités peuvent atteindre quelques µF.

- Les condensateurs électrochimiques aluminium sont constitués de deux armatures en aluminium séparées par un électrolyte gélifié en borate d'ammonium. Par électrolyse une fine couche d'alumine isolante se forme par oxydation sur l'anode et constitue le diélectrique.

Les valeurs des capacités sont élevées  mais ces condensateurs présentent l'inconvénient d'être polarisés (+ pour l'armature positive).

- Dans la même famille nous trouvons les condensateurs au tantale, peu coûteux, de dimensions plus réduites, sont polarisés également, mais travaillent généralement sous des tensions plus faibles que les condensateurs aluminium.

- Les condensateurs à papier paraffiné, dont les armatures sont constituées par des feuilles d'aluminium, le diélectrique étant le papier paraffiné, le tout enroulé. Leurs capacités peuvent atteindre quelques µF.

- Les condensateurs variables à lame d'air constitués de deux paires d'armatures, dont l'une mobile par rapport à l'autre sont utilisés pour "accorder" des circuits en fréquence.

1.6. Utilisations

Les utilisations des condensateurs reposent sur les deux propriétés précédentes. En courant continu, les condensateurs servent à accumuler une charge qu'ils peuvent restituer très rapidement. En courant alternatif, ils fonctionnent comme des filtres. Associés à des inductances, ils permettent de réaliser des circuits résonnants.

1.6.1.Utilisation des condensateurs non polarisés :

Accumulation de charge :

Ce montage montre la charge et la décharge des condensateurs pour réaliser un circuit Astable .

Pour le filtrage aussi voir l' exemple dans le dossier suivant sur les condensateurs polarisés.

2.1.Composition

Les condensateurs sont parfois constitués par un empilage alterné de feuilles minces conductrices et isolantes, présenté soit sous une forme plane, soit sous la forme d'un rouleau. Les diélectriques peuvent être du papier, du mica ou des matériaux plastiques.

On trouve également des condensateurs réalisés par deux cylindres métalliques coaxiaux (ce sont les deux armatures) séparés par une solution permettant par électrolyse le dépôt d'une couche très mince d'oxyde isolant sur l'une des armatures, formant ainsi le diélectrique. La capacité d'un condensateur étant d'autant plus grande que l'épaisseur de son diélectrique est faible, on peut obtenir de ces composants " électrochimiques " des capacités élevées sous un faible volume, capacités pouvant aller jusqu'à 500 ou 1 000 microfarads.

Il existe aussi des condensateurs dont le diélectrique est une céramique obtenue par cuisson à haute température d'un mélange de substances minérales. On obtient ainsi des constantes diélectriques extrêmement élevées (de 100 à 10 000 microfarads) permettant de réaliser des condensateurs d'usage courant de volume réduit et de coût modique.(céramique : n. f. Technique de fabrication d'objets divers par solidification à haute température d'une pâte humide plastique, ou agglutination d'une poudre sèche préalablement comprimée, sans passer par une phase liquide ; par extension, les objets eux-mêmes ainsi fabriqués ).

2.2.Formules +

2.2.1.L'accumulation de charges : un phénomène physique

Le phénomène physique correspond au stockage d'énergie sous forme électrostatique. Le stockage est momentané et cette énergie est restituée au circuit en tension.

L'énergie accumulée par l'élément capacitif vaut :

2.2.2 Capacité d'un condensateur à plaques

On a pour un condensateur à plaque :

2.2.3 Linéarité et autonomie des condensateurs

Les problèmes de linéarité des condensateurs sont plutôt rares, mais pas exclus, puisqu'on peut aussi obtenir une saturation et une hystérésis du champ de déplacement électrique, comme vu précédemment pour le champ d'induction magnétique.

Un exemple de capacité non autonome est donné par des capteurs capacitifs : on peut contrôler l'épaisseur de fines couches d'isolants, s'ils sont suffisamment diélectriques, en mesurant la capacité de plaques entre lesquelles passent des feuilles d'isolant à tester.

2.2.4 Analogie mécanique de la capacité

En mécanique, une partie de l'énergie mécanique d'un système peut être emmagasinée dans des éléments dit élastiques, comme des lames. Il s'agit d'une énergie potentielle liée à des éléments dits ressorts, et on modélise la force de rappel linéairement en la position, pour les petites variations de cette dernière. De nouveau, on écrit la caractéristique de la capacité en termes de tension et charge, et on constate le même type d'analogie que précédemment pour l'inductance et la résistance :

3.1.Exercices

Quel est le code des couleurs pour les condensateurs suivantes :

C1 = 10 nF 100 V
C2 = 470 nF 400 V
C3 = 680 nF 250 V

pour vous aider modifiez les valeurs des anneaux ...