Notions de base sur les condensateurs, fonctionnement et différents types de condensateurs avec leurs applications dans les circuits

Condensateurs – le mot semble suggérer l’idée de capacité, qui, selon le dictionnaire, signifie « la capacité de retenir quelque chose ». C’est exactement ce que fait un condensateur – il retient une charge électrique. Mais qu’est-ce qui en fait un composant commun à presque tous les circuits électroniques ? Décortiquons le truc derrière les condensateurs pour comprendre ce qu’il fait et comment on pourrait les utiliser dans cet article.

Qu’est-ce qu’un condensateur?

Un condensateur dans sa forme la plus primitive consiste en deux plaques conductrices séparées par un milieu diélectrique. Le terme diélectrique est juste un mot fantaisiste pour désigner un isolant qui peut être polarisé, c’est-à-dire former des charges négatives et positives sur des faces opposées. Lorsqu’une tension est appliquée entre ces deux plaques, un courant circule dans les plaques conductrices. Une face se charge positivement (manque d’électrons) et l’autre face se charge négativement (excès d’électrons). Nous sommes tous familiers avec le fait que les charges différentes s’attirent, donc puisque les plaques sont chargées de manière opposée, les charges sur les plaques s’attirent.

N’oubliez pas qu’il y a un isolant entre les plaques, donc les charges ne peuvent pas « circuler » pour s’égaliser et sont (idéalement) coincées dans un état d’attraction mutuelle et restent en place. Et c’est ainsi que les condensateurs remplissent leur fonction la plus fondamentale – la rétention ou le stockage de la charge.

Symbole des condensateurs

Puisque les condensateurs ont deux plaques métalliques parallèles comme discuté ci-dessus, leur symbole représente en quelque sorte la même chose. Au moins, il est facile à dessiner

Dans un cas pratique, les condensateurs ne sont plus seulement deux plaques avec un espace entre elles, dans le cas des électrolytiques en aluminium, les deux plaques prennent la forme d’une feuille de métal enroulée avec une entretoise entre elles dans un tube.

La deuxième série de symboles représente les condensateurs polarisés, c’est-à-dire ceux qui ont des bornes positives et négatives définies par conception interne. L’inversion accidentelle de ces bornes entraînera presque certainement une défaillance spectaculaire (surtout pour les spécimens de grande taille), éjectant des bouts de mètres de feuille et de papier à l’endroit de la défaillance et dégageant la plupart du temps une très mauvaise odeur.

Capacité et tension nominale d’un condensateur

Les condensateurs sont mesurés en Farads ; il doit son nom au célèbre électrochimiste britannique, Michael Faraday. Il s’agit de l’unité de capacité, qui remplace le Coulomb par Volt. Le Coulomb (prononcé « koo-lom ») est l’unité S.I. de la charge, et le Volt, comme nous le savons, est l’unité de tension ou de différence de potentiel. Le Farad est donc la quantité de charge stockée par Volt de différence de potentiel. Cette façon simple de considérer mathématiquement un condensateur se prête à un large éventail d’interprétations, qui se manifestent par un grand nombre d’équations mathématiques mortellement complexes, comme les intégrales, les exposants et les vecteurs que nous, ingénieurs, utilisons lorsque nous travaillons avec des condensateurs, ce qui dépasse largement le cadre de cet article. Cependant, nous allons entrer dans un peu de mathématiques intéressantes qui nous aideront à concevoir des circuits avec des condensateurs plus tard dans l’article

Bien sûr, le Farad (un Coulomb par Volt) est une très grande unité pour la plupart des fins pratiques (puisque le Coulomb lui-même est une assez grande quantité de charge, comme vous le savez peut-être déjà), donc la plupart des condensateurs (sauf pour les très grands) sont mesurés en microfarads, ou un millionième (0,000001) de Farad. Supposons que vous ayez un condensateur qui indique 25V 10uF (le préfixe « u » signifie « micro », c’est une corruption du symbole grec µ (« mu ») qui signifie « micro ») sur le couvercle extérieur en plastique. Puisque le condensateur est évalué à 10uF, il peut contenir une charge de dix micro coulombs (c’est-à-dire dix millionièmes de Coulomb, 0,000010 C) par volt de tension à ses bornes. Cela signifie qu’à la tension maximale de 25V, le condensateur peut contenir une charge de 25V x 10uF, ce qui donne 0,000250 Coulombs.

Souvenez-vous que j’ai dit tension « maximale ». La tension maximale est probablement la notation la plus importante sur le condensateur. Elle vous indique la tension qu’un condensateur peut supporter à ses bornes avant de faire KABOOM………!

Fonctionnement d’un condensateur

Basiquement, ce qui se passe à l’intérieur d’un condensateur est que l’isolant entre ces plaques subit un processus appelé « rupture diélectrique », ce qui signifie que l’isolant ne peut plus isoler puisque la tension à ses bornes est trop élevée pour qu’il puisse rester un isolant. La physique sous-jacente est quelque peu hors sujet, mais tout ce que vous devez savoir pour comprendre pourquoi cela se produit, c’est qu’aucun isolant n’est parfait, c’est-à-dire jusqu’à un certain point. Même le pont le plus solide s’effondre s’il est surchargé. Ce qui se passe ici est similaire. Pour réduire le claquage, vous pourriez augmenter l’écart entre les deux plaques, mais cela s’accompagne d’un compromis – une capacité réduite, puisque les plaques sont plus éloignées et que les charges ne s’attirent pas autant que lorsqu’elles sont plus proches – un peu comme la façon dont les aimants se comportent.

Une bonne règle empirique serait d’utiliser des condensateurs évalués pour une tension 50 % supérieure à celle que votre circuit pourrait être amené à voir. Cela laisse une grande marge de sécurité. Par exemple, si vous avez besoin d’un condensateur pour découpler (ne vous inquiétez pas, le découplage est expliqué plus loin dans l’article) un rail d’alimentation de 12V, vous pourriez vous en sortir en utilisant un condensateur de 16V, mais l’utilisation d’un condensateur de 25V est recommandée car elle vous donne une large marge de sécurité. Ok vous avez trouvé ! Oui 25V n’est, bien sûr, pas 25% supérieur à 12V, mais 18V n’est pas une valeur de condensateur standard – vous n’en trouverez pas avec cette tension nominale. Le plus proche est 25V.

Différents types de condensateurs

La raison des plages de tension de claquage est due au matériau utilisé comme diélectrique, qui est également la base sur laquelle les condensateurs sont classés :

Condensateurs électrolytiques en aluminium

Ce sont probablement les types de condensateurs les plus reconnaissables. Ils se présentent dans des boîtes métalliques distinctives avec une gaine en plastique, avec des valeurs nominales de tension et de capacité clairement indiquées et une bande blanche pour indiquer la cathode. Le nom vient du fait que, comme mentionné ci-dessus, les « plaques » sont constituées d’une feuille d’aluminium gravée chimiquement. Le processus de gravure rend l’aluminium poreux (un peu comme une éponge) et augmente considérablement sa surface, ce qui accroît la capacité. Le diélectrique est une fine couche d’oxyde d’aluminium. Ces condensateurs sont remplis d’huile qui agit comme un électrolyte, d’où leur nom. Les condensateurs électrolytiques sont polarisés en raison de leur construction interne. Ils ont une grande capacité par rapport aux autres membres de la famille des condensateurs, mais des tensions beaucoup plus faibles. Vous pouvez vous attendre à voir des électrolytiques entre 0,1uF et des monstres comme 100mF et avec des tensions nominales de quelques volts à environ 500V. Leurs résistances internes, cependant, ont tendance à être élevées.

NOTATION SECONDAIRE : La résistance interne des condensateurs est due aux matériaux dont le bouchon est fait – par exemple la résistance de la feuille d’aluminium ou la résistance des fils.

Condensateurs en céramique

Ce sont des bouchons avec un diélectrique en céramique. Comme la limite de rupture du diélectrique céramique est assez élevée, vous pouvez vous attendre à voir des condensateurs céramiques avec des tensions de rupture folles comme 10kV. Cependant, la capacité est généralement faible, de l’ordre de picofarads (0,000000000001F) à quelques dizaines de microfarads. Ils sont généralement beaucoup plus petits que les autres types de condensateurs, comme le montre l’image. Ils ont également de très petites résistances internes.

Identifier les condensateurs céramiques

La valeur d’une capacité céramique ne sera pas directement mentionnée sur le condensateur céramique. Il y aura toujours un nombre à trois chiffres suivi d’une variable ; apprenons à identifier la valeur à l’aide de ces nombres. Considérons le condensateur suivant.

Comme vous pouvez le remarquer, ces trois chiffres sont divisés en deux chiffres et le troisième est le multiplicateur. Dans ce cas, 68 est le chiffre et 3 est le multiplicateur. Donc 68 doit être multiplié par 10^3. En clair, c’est 68 suivi de 3 zéros. La valeur de ce condensateur sera donc de 68000 pF. Notez que l’unité doit toujours être le pF. De même, un condensateur avec le code 220 signifie que c’est 22 Pico farad, puisque 10^0 est 0.

La tension nominale du condensateur peut être trouvée en utilisant la ligne sous ce code. S’il y a une ligne alors la valeur de tension est de 50/100V s’il n’y a pas de ligne alors elle est de 500V.

Les valeurs de condensateur les plus couramment utilisées ainsi que leur conversion en Pico Farad, Nano Farad et microfarad sont données ci-dessous.

Condensateurs à film

Comme leur nom l’indique, le diélectrique de ces condensateurs est un film plastique, souvent des plastiques familiers comme le mylar et le polyester. Ils ont les mêmes propriétés que les condensateurs en céramique, des tensions de claquage élevées (à cause de la façon dont les polymères plastiques se comportent) et des capacités faibles. La seule différence est qu’ils ont tendance à être légèrement plus grands bien qu’ils ressemblent superficiellement aux capsules en céramique. La résistance interne est comparable à celle des capsules en céramique.

Condensateurs au tantale et au niobium

Ces capsules relèvent techniquement de la catégorie des condensateurs électrolytiques. Ici, l’électrolyte est un matériau solide composé d’oxydes de tantale ou de niobium. Ils ont une résistance interne très faible pour une capacité donnée, cependant ils sont moins immunisés contre les surtensions par rapport aux autres types (la céramique a le meilleur) et ont tendance à sauter sans beaucoup d’avertissement et avec beaucoup de fumée noire désagréable.

Condensateurs à usage spécial

Ceux-ci comprennent les condensateurs argent – mica, les condensateurs classés X et Y, etc. Les condensateurs classés X et Y, par exemple, sont construits pour le filtrage de ligne – une construction plus robuste et des tensions nominales plus élevées, également de faibles capacitances, pour réduire le courant qui le traverse si une tension alternative est appliquée et pour limiter l’énergie stockée dans la capsule si une tension continue est appliquée.

Supercondensateurs et ultracondensateurs

Ils amènent les condensateurs à un tout nouveau niveau, avec des capacitances largement augmentées, parfois de l’ordre de centaines de Farads ! Cela est possible grâce à une chimie astucieuse. Les supercondensateurs et les ultracondensateurs comblent le fossé entre les condensateurs et les batteries chimiques. Ils existent en très basse tension, cependant.

Et ce sont à peu près tous les types de condensateurs que vous pouvez rencontrer couramment dans le monde de l’électronique.

Comment les condensateurs se comportent dans les circuits

Une première tâche utile serait d’apprendre à calculer l’énergie stockée dans un condensateur, qui est donnée par la formule,

E = 1/2CV2

Où E est l’énergie stockée en Joules, C est la capacité en Farads et V est la tension en Volts. Notez que cette équation prend la forme de nombreuses autres équations newtoniennes pour l’énergie, un easter egg soigné !

Supposons que vous ayez un condensateur évalué pour une tension de 50V et avec une capacité de 1000uF, l’énergie stockée au plein 50V serait :

1/2 * 0.001000F * 50V * 50V

Ce qui revient à un maigre 1,25J d’énergie stockée.

Cela révèle un inconvénient majeur des condensateurs comme dispositifs de stockage d’énergie – l’énergie stockée pour une taille donnée est très faible, une batterie de la même taille aurait au moins mille fois plus d’énergie stockée ! Cependant, les condensateurs ont des résistances internes beaucoup plus faibles que les batteries chimiques, ce qui leur permet de décharger rapidement toute l’énergie stockée. Court-circuiter une batterie ne ferait que la faire chauffer à cause de la puissance dissipée par la résistance interne, mais court-circuiter un condensateur ne créerait que quelques étincelles puisque toute la charge est déversée en une fois sans dommage pour le condensateur.

Deuxièmement, il y a une autre formule soignée qui relie la tension, le courant et la capacité:

I/C = dV/dt

Où I est le courant fourni au condensateur en ampères, C est la capacité en Farads et dV/dt est le taux de changement de la tension aux bornes du condensateur. Pensez-y en termes d’unité – volts par seconde pour un courant et une capacité donnés. Ne vous inquiétez pas du petit ‘d’, c’est juste une façon mathématique de dire ‘à la limite zéro’.

Disons que vous avez une alimentation qui crache une tension constante de 5V à un courant constant de 1mA, alors en réarrangeant l’équation nous pouvons trouver le temps nécessaire pour charger un condensateur de 100uF à 5V:

dt = CdV/I

dt = (0.000100F * 5V)/0,001A

dt = 0,5 seconde

Donc le condensateur se chargerait jusqu’à 5V en 0,5 seconde. (N’oubliez pas qu’un condensateur ne peut se charger que jusqu’à la tension maximale qui lui est fournie, jamais plus, ils ne peuvent pas  » créer  » de la tension par magie.)

Ce comportement prévisible d’un condensateur le rend très utile pour générer des délais, par exemple, avec un peu de circuit supplémentaire. Vous pouvez réarranger l’équation pour obtenir du temps.

Maintenant pour les bonnes choses – des circuits de condensateurs réels !

Capacitor Behavior in Circuits

Débutons simplement – les différentes façons dont les condensateurs peuvent être connectés ensemble. C’est à peu près la même chose que de connecter deux résistances – vous pouvez les connecter en série ou en parallèle.

Condensateurs en parallèle

La figure ci-dessous montre trois condensateurs connectés en parallèle, avec toutes les bornes positives et négatives respectives connectées ensemble (en supposant que les caps sont polarisés). La capacité totale de cet arrangement est simplement la somme de toutes les capacités de tous les condensateurs du circuit. Ceci est logique, puisque la connexion des plaques de condensateur en parallèle augmente la surface, ce qui augmente la capacité.

La tension maximale que ce genre d’arrangement peut gérer est la tension du plus petit condensateur, puisque dans la tension est commune à toutes les capsules.

Un exemple devrait clarifier ceci. Supposons que vous ayez deux condensateurs, l’un avec les valeurs nominales 25V 470uF et l’autre 35V 1000uF. La capacité totale serait de 470uf + 1000uF = 1470uF. Cependant, la tension maximale que vous pouvez appliquer à cette batterie (un groupe de condensateurs connectés ensemble peut être appelé une « batterie » de condensateurs) est de 25V. Si vous mettez quelque chose de plus élevé que cela à travers cette banque, des étincelles voleront, puisque vous dépassez la tension maximale du condensateur de 25V.

Condensateurs en série

Connecter des condensateurs en parallèle est particulièrement utile lorsque vous voulez une grande capacité et que vous n’avez que de petites valeurs. Mettre ensemble ces condensateurs de plus petite valeur en parallèle vous permettra éventuellement d’obtenir la plus grande valeur et de faire le travail, en supposant que vous êtes attentif à la tension.

Mais mettre des condensateurs en série est un peu plus compliqué. La capacité est donnée par la formule :

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn

Où C1, C2…Cn sont les capacités de chaque condensateur utilisé dans le circuit.

La tension que la banque peut maintenant gérer est la somme de toutes les tensions nominales.

Si l’on vous donne un condensateur évalué à 10V 1uF et un condensateur évalué à 50V 10uF, alors la tension que la banque peut supporter en série est de 10V + 50V = 60V. La capacité s’élève à 0,9091uF.

Tension du condensateur en fonction du temps

Que faire si nous voulons charger un condensateur ? Nous pourrions simplement le connecter à travers une source de tension, comme dans la figure ci-dessous. Ce qui se passerait ici, c’est qu’au moment où la source de tension est connectée, en supposant que le condensateur est complètement déchargé, les charges se précipitent pour s’accumuler sur les plaques, conduisant à un pic de courant très important (en théorie, infini !) limité uniquement par la résistance interne du condensateur. Ce n’est pas souhaitable, bien sûr, si votre alimentation se trouve être quelque chose comme une batterie. Une idée judicieuse serait d’ajouter une résistance en série avec le condensateur et la source de tension pour limiter le courant comme dans la figure, et voilà ! Vous avez quelque chose que les ingénieurs appellent un circuit RC, ‘R’ pour résistance et ‘C’ pour condensateur!

Ce circuit montre un comportement intéressant. Lorsque la tension est connectée au côté de la résistance marqué ‘I’, la tension sur le condensateur augmente lentement puisque le courant est limité. Le graphique ressemble à quelque chose comme ceci :

Les plus matheux de mes spectateurs reconnaîtront la forme de la pente – elle ressemble à celle de la fonction exponentielle !

Souvenez-vous comment j’ai dit que les condensateurs pouvaient être utilisés pour générer des délais ? C’est une façon de le faire sans une source de courant constant (qui nécessite quelques circuits supplémentaires). Puisque le temps nécessaire pour atteindre une tension particulière est prévisible si nous connaissons la capacité, la tension et la résistance, nous pouvons créer des circuits à retardement.

Le produit de la résistance et de la capacité, RC, est connu comme la constante de temps du circuit. Ce paramètre devient utile pour déterminer réellement le temps pour atteindre une tension donnée avec précision, comme le montre la figure graphique ci-dessous.

D’après le graphique, vous pouvez voir que le condensateur atteint 63% de la tension appliquée en une constante de temps, et ainsi de suite.

C’est le principe que le timer 555 toutes saisons utilise, bien que les équations de conception soient un peu différentes.

Une autre application intéressante des circuits RC est le filtrage des signaux, c’est-à-dire l’élimination d’un signal électrique d’une fréquence indésirable dans un circuit. Le circuit RC prend un temps donné pour se charger et se décharger d’une source. Si nous appliquons une onde périodique avec une période de temps supérieure à RC, le même signal apparaîtra sur la sortie avec très peu de distorsion. Cependant, en augmentant la fréquence, le signal continue à changer de polarité plus rapidement que le circuit ne peut se charger et se décharger, et finalement, après un certain point, le signal disparaît, et tout ce qu’il vous reste est un courant continu propre ! C’est ce qu’on appelle l’atténuation du signal. Comme vous pouvez le constater, un circuit RC agit comme un filtre qui bloque les signaux alternatifs (même ceux superposés au courant continu, c’est-à-dire ayant un décalage en courant continu) au-delà d’une certaine fréquence. Ce type de filtre est appelé filtre passe-bas, c’est-à-dire qu’il laisse passer les basses fréquences mais ne laisse pas passer les hautes fréquences.

Condensateurs dans les circuits Ac

Les condensateurs se comportent d’une manière intéressante lorsqu’ils sont placés dans des circuits AC. On peut les considérer comme des résistances dépendant de la fréquence, du point de vue du signal. Comme nous l’avons vu ci-dessus, le circuit RC bloque tout le courant alternatif d’un signal, mais que se passe-t-il lorsqu’un condensateur est connecté en série avec une source de tension alternative ? Tout le contraire!

Puisque le condensateur n’est que deux plaques métalliques séparées par un isolant, il ne laisse passer aucun courant continu. Cependant, un signal Ac a des tensions qui changent constamment, donc une plaque voit une tension changeante et induit la charge opposée sur l’autre plaque, comme le montre la figure:

Cela a pour effet global de laisser le courant ‘passer’ à travers le condensateur à des fréquences relativement élevées. L’ajout d’une résistance en parallèle avec la sortie permet d’obtenir un filtre passe-haut, c’est-à-dire un filtre qui ne laisse passer que les hautes fréquences et bloque tous les signaux continus.

La « résistance en courant alternatif », ou impédance, d’un condensateur, est donnée par la formule :

XC = 1/(2*π*f*C)

Où XC est la réactance ou l’impédance capacitive, f est la fréquence et C est la capacité. Vous pouvez utiliser cette formule pour calculer la « résistance » virtuelle d’un condensateur dans un circuit alternatif.

Où trouve-t-on des condensateurs dans la nature

Ok, c’était assez de théorie. Examinons les nombreuses utilisations des condensateurs.

Le premier endroit où vous pouvez vous attendre à voir des condensateurs est dans les alimentations de toutes sortes comme filtres et pour le découplage. Ils agissent comme des réservoirs de charge – fournissant un courant rapide lorsque la charge en a besoin.

Voici deux clichés d’oscilloscope qui montrent l’effet de ne pas avoir et d’avoir un condensateur à travers les fils d’une alimentation. Comme vous pouvez le voir, le fait d’avoir des condensateurs réduit considérablement le « bruit » sur les rails de l’alimentation, protégeant ainsi les pièces délicates des pointes de tension soudaines.

Ils sont également appelés condensateurs de « découplage », car ils « découplent » de l’alimentation les sections du circuit aux bornes desquelles ils sont montés. Parfois, les fils d’alimentation sur une carte de circuit imprimé peuvent être assez longs et avoir une inductance et une résistance élevées. Cela peut conduire à ce qu’ils fournissent moins de courant que d’habitude. Avoir un condensateur à la fin de la ligne d’alimentation est comme avoir une plus petite « batterie » temporaire à travers le dispositif, fournissant des rafales de courant lorsque cela est nécessaire et se rechargeant lorsque le dispositif consomme peu d’énergie.

Vous pouvez utiliser la formule I/C = dV/dt pour calculer la capacité nécessaire pour éliminer la tension « ondulée » des bornes de l’alimentation.

Supposons que vous avez une alimentation dont la tension varie de 11,5V à 12V (ondulation) toutes les 10ms, ce qui est courant dans les appareils alimentés par le secteur en raison de la fréquence de 50Hz, et que vous devez placer un condensateur entre les bornes pour lisser la tension. Si le courant de charge dans ce cas est de 1A, alors nous pouvons réarranger la formule de cette façon pour trouver la capacité :

(I * dt)/dV

Où I est le courant de charge, dt est la période de temps du bruit, et dV est la tension d’ondulation. En substituant les valeurs, nous trouvons que nous avons besoin d’une capacité de 20000uF. Cela peut sembler beaucoup, mais vous pouvez vous en sortir avec beaucoup moins. La valeur obtenue ne sert que de ligne directrice.

Dans la vie réelle, vous pourriez trouver plusieurs types et valeurs de condensateurs à travers les traces de puissance, c’est pour réduire le contenu du bruit à travers de nombreuses fréquences et avoir la tension la plus lisse possible.

Une autre utilisation des condensateurs sont dans des filtres compliqués comme celui-ci:

Mais un filtre plus simple serait le filtre RC, un filtre intéressant est décrit ici.

Tout le monde connaît la carte de microcontrôleur Arduino. Un outil polyvalent, mais ne vous êtes-vous jamais demandé pourquoi les sorties analogiques crachent un signal PWM numérique ? C’est parce qu’elles ont été conçues pour être utilisées avec un réseau de filtrage externe pour lisser la tension PWM en une tension réellement analogique. Cela peut être fait avec des pièces aussi simples qu’une résistance de 1K et un condensateur de 10uF. Essayez-le!

Une autre utilisation, comme mentionné ci-dessus, est la synchronisation. Un oscillateur simple peut être construit en utilisant une porte NAND (essayez de comprendre pourquoi les portes AND ne fonctionnent pas), une résistance et un condensateur.

En supposant qu’il n’y a initialement aucune tension à travers le condensateur, les entrées NAND (qui sont liées ensemble) voient près de 0V à travers eux, et allument la sortie. Le condensateur se charge alors à travers la résistance. Lorsqu’il atteint le seuil « haut » de la porte, la sortie devient basse et le condensateur se décharge. Ce cycle se poursuit pour produire une sortie d’onde carrée dont la fréquence dépend des valeurs de R et C.

Enfin, une autre utilisation intéressante des condensateurs est le stockage d’énergie. Bien sûr, les condensateurs ne sont pas à la hauteur des batteries, mais pour certaines applications qui ont besoin de l’énergie rapidement, les condensateurs sont les meilleurs pour le travail.

Des dispositifs comme les coilguns (on peut en trouver plus sur le web) ont besoin d’une grande impulsion de courant pour accélérer le projectile, donc les condensateurs à haute tension sont utilisés à des fins comme celle-ci, souvent avec des valeurs nominales comme 450V 1500uF, qui peuvent stocker des quantités importantes d’énergie.