δ E ε vf π P =

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Caractéristiques théoriques d'un condensateur.
Les condensateurs fixes
1. Généralités.
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)
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 C =
Q
est constant quel que soit U et quel que soit Q.
U
C capacité du condensateur et s’exprime en farads (F) si U est en volts et Q en coulombs.
Pour un condensateur plan : C = ε 0 ε r
ε0 : permittivité du vide :
S
e
Aucun isolant n'est parfait, le diélectrique d'un condensateur présente des pertes.
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 :
W=
CU 2
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 : C totale = C1 + C 2 + ... + C n
Deux condensateurs en série :
1
C totale
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
10 −9
36 π
Condensateurs en série :
On prend toujours une tension supérieure à celle utilisée (exemple : un condensateur de 25V
de tension de service pour un montage employant du 16V).
1
1
1
1
=
+
+ ... +
C totale C1 C 2
Cn
CC
1
1
ou C totale = 1 2
=
+
C1 C 2
C1 + C 2
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
U
résistance d’isolement, R i =
i
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).
U2
= Ui
Les pertes par conduction ont pour expression : P =
Ri
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.
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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.
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2. Principales technologies
Condensateurs enroulés
Le diélectrique peut être le papier ou le plastique.
L’angle δ est le complémentaire de l’angle ϕ de
déphasage entre U et I.
R I
U
tgδ = P = S = R SCω
1
UC
I
Cω
Si les pertes sont faibles (RS négligeable devant l’impédance
1
du condensateur),
Cω
tgδ = R p Cω restera faible et inversement.
On peut évaluer les pertes par hystérésis diélectrique à partir de l’expression suivante :
P = π f v ε E 2max δ
La 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.
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 courtcircuiter 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.
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Condensateurs à électrolyte solide
Condensateurs au papier métallisé
Ce sont les plus récents sur le marché (basé sur l’oxyde de tantale).
Celui-ci est beaucoup plus petit que le condensateur papier.
Emploi : Idem condensateurs papiers
Condensateurs réglables
Avantages : diminution de l’encombrement et phénomène d’autocicatrisation (pratiquement
‘inclaquable’ en fonctionnement normal)
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 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.
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)
diélectrique
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.
Cn : 100 pF à 1 µF
3,0 à 3,25
Polyester
(mylar)
5%, 10%, 20%
1 nF à 4,7 µF
Un : 40 V à 630 V
Gamme HT
2,0 à 2,2
Polypropylène
Un : 160 V - 250 V
– 400 V – 630 V
1 nF à 4,7 µF
30 à 100.10-4
275
5 à 10.10-4
350
εr
tg δ
25°C – 50 25 °C-50 Hz
Hz
2,4 à 2,6
Polystyrène
1,25 %, E96
2,5 %, E48
5 %, E24
Un : 63 – 250 –
400 V
Cn : 100 pF à 1 µF
2 à 5.10-4
stable en
fonction de la
température et de
la fréquence
2,8 à 3,0
Polycarbonate
1%, 2%, 5% et
10%
Un : 40 V à 400 V
10 à 20.10-4
Polypropylè
ne
(MKP)
métallisé
négatif
-55°C à
pour temp +150°C
< 0°C
positif
pour
temp >
0°C
∆C/C ≈ +4
%
(20°C à
85°C)
-250
-40°C à
+85°C
Téflon
Rigidité
CT
Diélectriqu (10-6/°C)
e
(KV/mm)
75
-120
180
Températur
e
d’emploi
-55°C à 85°C
± 75
-55°C à
voisin de 0 +140°C
aux temp.
usuelles
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
Condensateur haute température, Usages professionnels
Très coûteux
utilisable entre –55°C et 200°C
Diélectrique très stable, très faibles
pertes
Condensateurs céramiques
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Caractéristiques
Polystyrène Excellent diélectrique (très performant)
(MKS)
Très grande stabilité
Très faibles pertes
Ri très élevée (> 100 GΩ)
Température d’utilisation < 85 °C
Polycarbon Excellent diélectrique
Très stable en fonction de la
ate
température
(MKC)
Fiable
Polyester
(polyethylèn
e
ou mylar)
(MKT)
Condensateurs robustes (fiables)
Stabilité et pertes moyennes
Economique
Usage général
Utilisations
Excellent en régime impulsionnel
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 :
Type 1 (tolérances serrées)
Circuits
accordés,
Intégrateurs.
Filtres,
Type 2 (tolérances larges)
Liaison, Découplage, Impulsion
En non métallisé : Filtrage HT,
Décharge rapide, Impulsion
Liaison
Filtrage
Découplage
Multiplication de tension
Filtrage HT
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 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
Condensateurs au mica
Utilisation professionnelle.
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 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.
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).
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4. Condensateurs électrochimiques (polarisés)
Condensateur tantale à électrolyte solide
Ces condensateurs doivent toujours être polarisés correctement sous peine de destruction
explosive.
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 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.
Condensateurs doubles :
multiples :
Condensateurs
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…
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5. Marquage
6. Comportement d’un condensateur en fonction de la fréquence
La valeur est quelques fois indiquée en clair.
On constate expérimentalement que l’impédance de certains condensateurs augmente à partir
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.
d’une certaine fréquence contrairement à ce que laisse prévoir la formule : Z C =
1
1
=
Cω 2πCf
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
Schéma équivalent d’un condensateur réel
diélectrique chimique.
LP : inductance parasite
RP : résistance de pertes
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 :
Découplage d’un condensateur chimique par un
condensateur de capacité plus faible mais ayant une
impédance négligeable en haute fréquence
- 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)