Page 1 sur 12 Les condensateurs fixes
1. Généralités.
Si les deux armatures sont planes, on obtient un condensateur plan.
Tension U entre les 2 armatures accumulation de charges opposées + Q et – Q Dans tout condensateur, le rapport
U
C=Q est constant quel que soit U et quel que soit Q.
C capacité du condensateur et s’exprime en farads (F) si U est en volts et Q en coulombs.
Pour un condensateur plan : e C=ε0εrS
ε0 : permittivité du vide : 36π 10−9
εr : permittivité relative du diélectrique ; on l’appelle aussi constante diélectrique Rmq : Pour obtenir une forte capacité, il faut une grande surface et une faible épaisseur et un diélectrique à forte permittivité ou constante diélectrique.
La quantité d'énergie que peut emmagasiner un condensateur est : 2 W CU
2
= W en joules, C en farads, U en volts.
La tension est limitée par la nature et par l'épaisseur du diélectrique. Lorsqu'elle dépasse une certaine valeur, un arc prend naissance entre les armatures et peut détruire l'isolant. Le condensateur est alors mis hors d'usage.
Condensateurs en parallèle : Ctotale=C1+C2+...+Cn Condensateurs en série :
n 2 1
totale C
... 1 C
1 C
1 C
1 = + + +
Deux condensateurs en série :
2 1
totale C
1 C
1 C
1 = + ou
2 1
2 1 totale
C C
C C C
= +
Page 2 sur 12 Caractéristiques théoriques d'un condensateur.
Capacité
Unité : pF, nF ou µF, lorsque l’unité n’est pas inscrite il faut comprendre pF.
Coefficient de température
Capacité d’un condensateur : C = C0(1 + αt).
Tension de service (ou de claquage)
On prend toujours une tension supérieure à celle utilisée (exemple : un condensateur de 25V de tension de service pour un montage employant du 16V).
La tension de claquage est d’autant plus faible que le diélectrique est mince.
Cette tension de claquage dépend aussi de la qualité du diélectrique qu’on nomme sa rigidité diélectrique et qui s’exprime en V/mm.
Pertes dans un condensateur
Aucun isolant n'est parfait, le diélectrique d'un condensateur présente des pertes.
Ces pertes peuvent être dues à la conduction mais surtout à l'hystérésis diélectrique.
Résistance d’isolement (ou de fuite)
Le diélectrique n’étant pas toujours un isolant parfait, un condensateur réel soumis à une différence de potentiel U est traversé par un faible courant appelé généralement ‘courant de fuite’.
Le condensateur est alors équivalent à un condensateur idéal avec une résistance Ri dite résistance d’isolement,
i Ri=U
Cette résistance provoque la décharge spontanée du condensateur en un temps d’autant plus court qu’elle est faible.
Elle participe à l’échauffement du condensateur (pertes par conduction).
Les pertes par conduction ont pour expression : Ui R P U
i 2
=
=
Résistance de pertes
Lorsqu’un condensateur est soumis à une tension alternative, il engendre un champ électrique également alternatif au sein du diélectrique : celui-ci s’échauffe.
Page 3 sur 12 Il y a donc perte d’énergie sous forme d’échauffement (pertes par hystérésis diélectrique).
On considère alors le condensateur réel comme équivalent à un condensateur idéal en série avec une résistance fictive dite de pertes.
On fait alors appel à l’angle δ dit angle de pertes.
L’angle δ est le complémentaire de l’angle ϕ de déphasage entre U et I.
ω
= ω
=
=
δ R C
C I 1
I R U
tg U S S
C P
Si les pertes sont faibles (RS négligeable devant l’impédance ω C
1 du condensateur), ω
= δ RC
tg p restera faible et inversement.
On peut évaluer les pertes par hystérésis diélectrique à partir de l’expression suivante :
E δ v ε f P = π
2maxLa constante diélectrique :
C'est une des indications les plus importantes pour le choix d'un diélectrique.
En pratique, εr est compris entre 1 et 5000.
La constante diélectrique peut varier dans de grandes proportions en fonction de la fréquence, de la température et de la tension appliquée.
Ce sont les diélectriques à constante diélectrique élevée qui sont les plus instables intéressants pour la fabrication de condensateurs miniatures.
Les diélectriques à εr faible sont en général beaucoup plus stables.
L'influence de la fréquence sur le comportement des diélectriques :
Aux très basses fréquences, comme aux très hautes fréquences, les pertes augmentent et imposent des limitations à l'emploi des diélectriques.
Page 4 sur 12 2. Principales technologies
Condensateurs enroulés
Le diélectrique peut être le papier ou le plastique.
Une autre technique consiste à enrouler ensemble deux feuilles de diélectrique métallisées sur une seule face.
Avantages de ces condensateurs : - ils sont plus petits à capacité égale
- ils sont autocicatrisables : cela signifie que lorsque la tension de claquage est dépassée, l’étincelle perce le diélectrique sans court-
circuiter les armatures. Le condensateur n’est pas détruit et peut donc être réutilisé.
Condensateurs à diélectrique solide : mica ou céramique Empillage de très minces lames de diélectrique entre des électrodes métalliques.
Elles peuvent être préalablement métallisées sur 1 ou 2 faces.
Suivant la capacité désirée, on peut ou non empiler plusieurs plaques métalliques.
La métallisation se fait : - à l’argent pour le mica - à l’aluminium pour la céramique
Condensateurs à diélectrique liquide (Condensateurs électrolytiques) L’une des électrodes est une feuille d’aluminium.
Le diélectrique : une couche d’oxyde d’aluminium (alumine) très mince qui recouvre la première électrode.
L’autre électrode est constituée par un gel d’ammonium immobilisé dans un papier enroulé au contact de l’alumine.
Le gel d’ammonium entretient la couche d’alumine pourvu que l’électrode en aluminium soit négative par rapport à lui.
Tout branchement du condensateur en sens inverse le détruit.
On fabrique, sur le même principe, des condensateurs au tantale dont la robustesse de l’oxyde permet une miniaturisation plus poussée et une grande fiabilité.
Page 5 sur 12 Condensateurs à électrolyte solide
Ce sont les plus récents sur le marché (basé sur l’oxyde de tantale).
Condensateurs réglables
Comme pour les résistances, on distingue les condensateurs variables et les condensateurs ajustables.
Condensateurs variables : Condensateurs dont la capacité est réglable manuellement de l’extérieur du montage en déplaçant une armature par rapport à l’autre, utilisés lorsqu’il est nécessaire de modifier fréquemment la capacité (recherche des stations pour récepteur radio par exemple).
Condensateurs ajustables : Condensateurs ajustés une fois
pour toute par un tournevis lors de la mise au point ou de l’étalonnage d’un appareil.
Dans la plupart des cas, ils se composent d’un système de lames fixes parallèles et distantes de quelques fractions de mm et d’un système de lames mobiles montées sur un axe.
3. Types de condensateurs (non polarisés) Condensateurs au papier
Le papier est le plus ancien diélectrique utilisé pour la fabrication des condensateurs.
Ses armatures sont constituées par des feuilles de papier d’aluminium très pur.
Emploi :
- liaison BF, filtres, antiparasitage - téléphonie
- réseaux HT
Ces condensateurs ne sont presque plus utilisés en électronique basse puissance vu leurs médiocres performances et leurs pertes très variables en fonction de la température et de l’humidité.
Page 6 sur 12 Condensateurs au papier métallisé
Celui-ci est beaucoup plus petit que le condensateur papier.
Emploi : Idem condensateurs papiers
Avantages : diminution de l’encombrement et phénomène d’autocicatrisation (pratiquement
‘inclaquable’ en fonctionnement normal)
Condensateurs à film plastique
Les plastiques les plus courants sont : le polystyrène, le polyester, le polycarbonate, le polypropylène.
On utilise aussi le téflon dans des applications professionnelles.
Ces condensateurs présentent d’excellentes qualités et sont employés dans pratiquement tous les domaines.
Fréquences d’utilisations : du continu à 1000 MHz Livrables entre quelques pF à une dizaine de µF.
diélectrique εεεεr
25°C – 50 Hz
tg δδδδ 25 °C-50 Hz
Rigidité Diélectriqu e (KV/mm)
CT (10-6/°C)
Températur e d’emploi Polystyrène
1,25 %, E96 2,5 %, E48 5 %, E24 Un : 63 – 250 – 400 V
Cn : 100 pF à 1 µF
2,4 à 2,6 2 à 5.10-4 stable en fonction de la température et de la fréquence
75 -120 -55°C à 85°C
Polycarbonate 1%, 2%, 5% et 10%
Un : 40 V à 400 V
2,8 à 3,0 10 à 20.10-4 180 ± 75 voisin de 0 aux temp.
usuelles -55°C à +140°C
Cn : 100 pF à 1 µF Polyester (mylar) 5%, 10%, 20%
1 nF à 4,7 µF Un : 40 V à 630 V Gamme HT
3,0 à 3,25 30 à 100.10-4 275 négatif pour temp
< 0°C positif pour temp >
0°C
∆C/C ≈ +4
% (20°C à 85°C)
-55°C à +150°C
Polypropylène Un : 160 V - 250 V – 400 V – 630 V 1 nF à 4,7 µF
2,0 à 2,2 5 à 10.10-4 350 -250 -40°C à
+85°C
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Caractéristiques Utilisations
Polystyrène (MKS)
Excellent diélectrique (très performant) Très grande stabilité
Très faibles pertes Ri très élevée (> 100 GΩ) Température d’utilisation < 85 °C
Excellent en régime impulsionnel
Polycarbon ate (MKC)
Excellent diélectrique
Très stable en fonction de la température
Fiable
Type 1 (tolérances serrées) Circuits accordés, Filtres, Intégrateurs.
Type 2 (tolérances larges) Liaison, Découplage, Impulsion En non métallisé : Filtrage HT, Décharge rapide, Impulsion Polyester
(polyethylèn e ou mylar) (MKT)
Condensateurs robustes (fiables) Stabilité et pertes moyennes Economique
Usage général
Liaison Filtrage Découplage
Multiplication de tension Filtrage HT
Polypropylè ne (MKP) métallisé
Utilisé en électronique en régimes particulièrement durs sous des tensions élevées (1000 V à 1600 V) Utilisé également en régime impulsionnel et
en alternatif 50 Hz à 400 Hz à Un : 250 V à 330 V eff.
Récupération ligne TV
Téflon Condensateur haute température, utilisable entre –55°C et 200°C Diélectrique très stable, très faibles pertes
Usages professionnels Très coûteux
Condensateurs céramiques
Diélectrique : dérivé de céramique
Armatures : constituées par un dépôt d’argent déposé directement sur la céramique, l’ensemble est ensuite revêtu de matière plastique, de peinture ou d’émail cuit au four.
Avantage : ce sont des condensateurs miniatures Céramiques du groupe I :
1 pF à 1 µF
Tolérances : 1% - 5% - 10% ou plus Tension de service : 25 V à 500 V
Stables mais de constantes diélectriques pas très élevées (5 à 20) δ < 10-3
Plage de température : -55 °C à + 125 °C Fréquence : 100 Hz à 10 GHz
Ces céramiques permettent de fabriquer des condensateurs stables, précis, de haute qualité.
Usage professionnel : HF.
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Céramiques du groupe II : 10 pF à 1 µF
Tolérances : 10% - 20%- (-20%, +50%) 25 V à 500 V
Instables, mais de constante diélectrique très élevée (500 à 15000), diminution de la constante diélectrique dans le temps.
δ < 25.10-3 Plage de température : -55 °C à + 125 °C Fréquence : 1 kHz à 200 MHz
Le coefficient de température est très important et irrégulier
Les pertes sont plus élevées
Instables et peu précis, ces condensateurs sont utilisés en découplage HF (larges tolérances acceptées 10%, 20%, …)
Condensateurs au mica
Le mica est une roche naturelle (silicate d’aluminium) qui se clive très facilement en très fines feuilles (quelques µm), la meilleure variété est le mica des Indes.
4,7 pF à 0,1 µF
Tolérances : 1%, 2%, 5%, 10%
Tension de service : 63 V à 500 V (5000 V en HT) Diélectrique très performant (Permittivité εr = 6,8 à 7,5)
tδ < 2.10-4 Plage de température : -55 °C à + 125 °C Fréquence : continu à 10 GHz On obtient des condensateurs ayant :
- une excellente tenue en température et aux hautes fréquences - une faible résistance série
- une bonne stabilité - une grande fiabilité - des tolérances serrées
- un bon comportement sous signaux complexes et en impulsionnel En contrepartie, le prix de revient est relativement élevé.
Utilisations plutôt professionnelles (accord des circuits HF, ligne à retard).
Condensateurs à diélectrique verre
Réalisé par un empilage alterné d’un ruban de verre et d’une très fine feuille d’aluminium.
4,7 pF à 10 nF
Tolérances : 1%, 2%, 5%, 10%
Tension de service : 160 V à 1000 V
Diélectrique très performant (Permittivité εr = 4 à 8) δ < 5.10-4
Plage de température : -55 °C à + 200 °C Fréquence : continu à 10 GHz
Avantages : Condensateur totalement étanche
Résistance d’isolation très élevée (10000 à 100000 MΩ)
Stabilité parfaite en haute température (200 °C) et en ambiance très humide Faibles pertes en hautes fréquences
Volume réduit
Peut remplacer le mica en HF Inconvénient : coût élevé
Utilisation professionnelle.
On fabrique également des condensateurs à verre céramisé. Ces condensateurs à diélectrique verre sont très performants, ils peuvent fonctionner dans des conditions très dures et sont surtout utilisés en électronique spatiale.
Page 9 sur 12 4. Condensateurs électrochimiques (polarisés)
Ces condensateurs doivent toujours être polarisés correctement sous peine de destruction explosive.
Condensateurs à électrolyte liquide A l’aluminium :
εr = 9 (Al2O3)
Tolérances : -10% à +50%
Tension de service : 6,3 V à 500 V Plage de température : -25°C à +85°C Fréquence : continu à 5 kHz
Caractéristiques : Fortes capacités sous de faibles volumes (de 0,47 µF à 150 000 µF)
Fortes pertes : tg δ = 0,05 à 0,2
Faibles tensions de claquage Utilisations : Filtrage
Condensateurs réservoirs des alimentations Découplage BF
Liaison transistors Au tantale :
εr = 27 (Ta2O5) Tolérances : 10% à 20%
Tension de service : 6,3 V à 125 V Plage de température : -55°C à +125°C Fréquence : continu à 30 kHz Caractéristiques :
Fortes capacités sous de faibles volumes (de 4,7 µF à 1 000 µF) Fortes pertes : tg δ = 0,05 à 0,8
Faibles tensions de claquage
Les condensateurs tantale gélifié sont plus petits et plus fiables que ceux à l’aluminium.
Même usages.
Page 10 sur 12 Condensateur tantale à électrolyte solide
εr = 27 (Ta2O5)
Tolérances : 5%, 10% à 20%
Tension de service : 6,3 V à 125 V Plage de température : -80°C à +125°C Fréquence : continu à 100 kHz
Les caractéristiques sont identiques, sauf que :
Ils ont une très longue durée de vie (très fiable) et une grande stabilité en fonction de la température.
Condensateurs doubles : Condensateurs multiples :
Condensateurs électrochimiques NON POLARISES Ils ont la particularité d’êtres équivalent à deux condensateurs électrochimiques polarisés que l’on aurait placé dans le même boîtier.
Ils n’ont pas de sens de branchement. Ils possèdent en plus les avantages d’un condensateur électrochimique.
Leur aspect général est identiques aux électrochimiques, leur différence est visible à leur marquage NON POLARISE ou encore NP, ils peuvent également comporter un anneau de couleur rouge à chacune de leurs extrémités ou encore le symbole ~ (alternatif).
Emploi : réservé pour des tensions alternatives, antiparasite, démarrage moteur, filtre, lissage…
Page 11 sur 12 5. Marquage
La valeur est quelques fois indiquée en clair.
Sinon, le marquage des condensateurs est rarement évident et il faut parfois sortir le capacimètre pour vérifier sa valeur.
Sur la figure suivante, on a indiqué le marquage des condensateurs gouttes (polarisés) au tantale.
Schéma équivalent d’un condensateur réel LP : inductance parasite
RP : résistance de pertes
Découplage d’un condensateur chimique par un condensateur de capacité plus faible mais ayant une
impédance négligeable en haute fréquence Page 12 sur 12 6. Comportement d’un condensateur en fonction de la fréquence
On constate expérimentalement que l’impédance de certains condensateurs augmente à partir d’une certaine fréquence contrairement à ce que laisse prévoir la formule :
Cf 2
1 C ZC 1
= π
= ω
C’est le cas notamment des condensateurs à électrolyte et de la plupart des modèles enroulés.
On explique ce phénomène par la présence d’une inductance parasite LP en série comme le montre la figure ci-contre.
Cette inductance résulte du cheminement spiralé qu’est obligé d’emprunter le courant vu la forme des armatures et aussi de certaines propriétés du diélectrique chimique.
Conséquences :
- Dans la applications haute fréquence (HF), on utilise exclusivement des condensateurs au mica ou à la céramique.
- On ne peut pas compter sur un chimique, même de très bonne qualité, pour supprimer les composantes H.F. d’une alimentation. C’est la raison pour laquelle on rencontre souvent le montage, à première vue paradoxal, de la figure ci-contre :
- Des condensateurs spéciaux sont utilisés
lorsqu’il faut absorber les impulsions parasites reçues ou produites par certains montages.
Les condensateurs d’antiparasitage doivent avoir une faible inductance. (une impulsion est une pointe de tension de forte amplitude et de faible durée)
