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Condensateurs
Un condensateur (capacitor, en anglais) est un dipôle constitué de deux armatures
conductrices (plaques métalliques planes et
parallèles), séparées par un diélectrique,
ou isolant (air, papier, mica...).
Soumis à une tension U, un
condensateur possède la propriété de se charger et
de conserver une charge électrique Q,
proportionnelle à U. Cette énergie est restituée lors de la décharge du condensateur. Ces phénomènes de charge et de décharge ne
sont pas instantanés; ce sont des phénomènes transitoires,
liés à une durée.
On pourrait comparer le
condensateur à un réservoir qui se remplit et se vide, ou à un
poumon qui se gonfle et se dégonfle...
La capacité du condensateur, qui s'exprime en farads (symbole F), est égale au quotient de U (tension à ses bornes)
par Q (quantité d'électricité).
Un farad correspond au stockage d'une charge électrique de 1 coulomb
sous une d.d.p. (différence de potentiel) de 1 volt. Dans la
pratique, on n'utilise que des sous-multiples du farad:
millifarad (mF), microfarad (µF), nanofarad (nF).
Association de condensateurs
| Les condensateurs,
comme les résistances, peuvent être associés en parallèle. La valeur de la capacité équivalente
résultant de cette association est la somme des
condensateurs mis en parallèle. |
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La cellule R-C
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Lorsqu'un condensateur C est monté en
série avec une résistance R, comme sur le schéma
ci-contre, ces deux composants forment un dipôle couramment
appelé cellule RC.
La constante
de temps (c.t.) est égale au produit de R par C
(R en ohms, C en farads, c.t. en secondes). |
Soit
une pile branchée sur une cellule RC. Le circuit étant fermé,
le condensateur se charge à 63% (environ les deux tiers) de sa
tension maximale en un temps égal à la constante de temps; à
près de 95% de sa tension maximale en un temps égal à 3 fois
la constante de temps; à 99% de sa tension maximale en un temps
égal à 5 fois la constante de temps.
Circuit
ouvert, la charge initiale du condensateur est divisée par un
facteur de 2,7 au bout d'une durée égale à la c.t.; elle est
très voisine de zéro au bout d'une durée égale à 5 fois c.t.
En d'autres termes, charge maximale et décharge complète sont
réalisées dans pratiquement le même laps de temps.
Les
graphiques ci-dessous, réalisés à l'aide du logiciel de
simulation PSpice (disponible sur le
CD-ROM), permettent de visualiser les phénomènes de charge et
de décharge d'un condensateur d'une cellule R-C (courbes
vertes). La valeur de la constante de temps c.t. est ici de 0,1
ms; elle est matérialisée par une ligne verticale violette.
Voici à
présent un petit exercice d'application:
| Le
condensateur d'une cellule R-C se charge à 95% de sa
tension maximale en 30 milli-secondes. Quelle est la
valeur de la résistance R en série avec C ? |
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| Sachant qu'un condensateur se charge
à 95% de sa valeur maximale en un temps t égal à 3
fois la constante de temps c.t., elle-même égale au
produit de R et C: |
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Notez qu'il
n'est pas tenu compte, dans ce calcul, de la dispersion des
composants réels, qui est souvent (presque toujours!) voisine de
5%, voire davantage.
L'exercice
suivant n'est guère plus compliqué: sur le circuit de gauche,
composé d'une pile de 6 V, d'une résistance et d'un
condensateur, on a branché deux voltmètres. Lorsqu'on ferme
l'interrupteur SW, on obtient grâce à la fonction simulation de PSpice le graphique de droite:
La droite rouge
correspond bien entendu à la tension de la pile, soit 6 V. La
courbe verte représente la charge du condensateur C. Quelle est
la constante de temps c.t.? Si la résistance R vaut 10 k, quelle
est la valeur de la capacité C?
A partir de ce
qui a été vu plus haut, on trouve une c.t. égale à 0,1 ms; à
cet instant, en effet, la tension aux bornes de C vaut environ
3,8 V, soit 63% de 6 V. Si c.t. vaut 0,1 ms, soit 10-4 s, et si R vaut 10 k, soit 104 ohm, on trouve
aisément C, qui est égal à 10-8 farad, ou 10 nF.
Condensateurs non-polarisés
Les condensateurs céramique
ou à film plastique présentent une grande variété de formes
et de caractéristiques.
Ils ont tous en commun,
néanmoins, de ne pas être polarisés, au contraire de leurs
homologues électrochimiques ou au tantale. En d'autres termes,
ils ne possèdent pas un pôle "+" et un pôle
"-".
Trois critères sont à
considérer dans le choix d'un condensateur non-polarisé:
- sa capacité, exprimée
en farad, qui indique quelle "quantité"
d'électricité il pourra conserver,
- sa tension de service,
exprimée en volts, qui est la tension maximale à ses
bornes
- sa précision, ou
tolérance
En ce qui concerne la
capacité, les condensateurs céramique offrent des valeurs
allant de 0,68 pF à 22 nF, tandis que les modèles MKT
(polyester métallisé) sont généralement disponibles dans des
valeurs de 1 nF à 2,2 ou 4,7 µF.
Rappelons qu'on peut obtenir
une valeur supérieure par la mise en parallèle de deux
condensateurs. Ainsi, deux condensateurs de 220 nF en parallèle
donneront une capacité totale de 440 nF. Inversement, la mise en
série donnera une valeur moindre. Deux condensateurs de 220 nF
en série sont équivalents à un condensateur de 110 nF.
La tension de service peut
être de 50 V, 63 V, 100 V, 200 V ou 400 V.
Attention! Un condensateur relié au secteur
doit supporter une tension de service de 400 V, à moins qu'il ne
soit précisé en clair que sa tension de service est de 250 V
efficaces (250Vac ou inscription équivalente). L'amplitude du
230 V alternatif est en effet voisine de 310 V.
Quant à la tolérance, pour
ce type de composants, elle est rarement meilleure que 10%, ce
qui est toutefois très supérieur aux 20, 30 ou parfois 50% des
électrochimiques...
Marquage des condensateurs
non-polarisés
Etant donné
la grande variété de modèles disponibles parmi les
condensateurs non-polarisés, il n'est pas toujours aisé de
"décoder" leur marquage. Voici les principaux
marquages rencontrés:
On
trouve encore des condensateurs non-polarisés dont la valeur, la
tension de service et la précision sont indiqués à l'aide du
code des couleurs. Ces condensateurs sont désormais obsolètes.
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| Valeur |
Tolérance |
Tension de service |
| 3p3 |
3,3 pF |
F |
1 % |
en clair |
| 33p |
33 pF |
G |
2 % |
| 330p |
330 pF |
H |
2,5 % |
| n33 |
330 pF |
J |
5 % |
| 33n |
33 nF |
K |
10 % |
| 330n |
330 nF |
M |
20 % |
| µ330 |
330 nF |
| 3µ3 |
3,3 µF |
| 33µ |
33 µF |
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Ci-dessus,
le marquage des condensateurs MKT type "milfeuil",
très répandus, et ci-dessous, des condensateurs
"céramique", de faible capacité.
Ci-dessus,
un condensateur MKT 400 V. Capacité: 0,33 µF Tension de
service: 400 V Tolérance: lettre K (10 %)
Condensateurs polarisés
Les condensateurs
polarisés comprennent pour l'essentiel les
condensateurs électrochimiques, auxquels il faut rajouter les
modèles au tantale, sous forme miniature ("tantale
goutte") ou sous boîtier métallique.
Ce qui les distingue des
condensateurs à film plastique, outre le fait qu'ils sont
polarisés (dotés d'une connexion + et d'une
connexion -), c'est leur capacité très
nettement supérieure, puisqu'on trouve des valeurs de 4700µF,
voire 10000 ou 22000 µF.
Les deux principaux
critères à considérer dans le choix d'un condensateur chimique
sont:
- sa capacité
- sa tension de service
En ce qui concerne la
précision, ou tolérance, disons tout de suite qu'elle est au
mieux de 20% et parfois beaucoup moins bonne...
La valeur de la capacité
commence à 1 µF environ et la plus grande valeur, pour un
modèle standard, se situe à 4700 µF. On devine que ces
composants seront surtout utiles pour assurer un filtrage ou une
base de temps de longue durée (voir ci-dessous).
Rappelons au passage qu'on
peut obtenir une capacité d'une valeur supérieure par la mise
en parallèle de deux condensateurs. Inversement, leur mise en
série donnera une valeur de capacité moindre.
La tension de service des
modèles chimiques peut être de 10 V, 16 V, 25 V, 40 V, 50 V, 63
V, 100 V, 160 V, 250 V ou 500 V. Pour une capacité donnée, le
volume du composant sera supérieur si la tension de service est
plus élevée. Il en va de même pour le prix...
Il en résulte que l'encombrement du composant est aussi un critère à ne pas négliger, surtout
sur une carte où la place est comptée...
D'autre part, un modèle
4700 µF/16 V vaut environ 3 euros, alors qu'un modèle de même
capacité, sous 40 V, vaut plus du double.
Tout en gardant bien à
l'esprit que la tension de service du condensateur doit rester
supérieure à la tension maximale susceptible d'être présente
à ses bornes, il convient de veiller à ne pas surdimensionner
inutilement le composant.
Autre critère de choix,
lié à l'encombrement: le type de sorties. Il existe en effet
des sorties dites axiales, pour un montage
horizontal, ou "couché", et des sorties radiales,
pour un montage vertical, ou "debout".
Enfin, il est très
important de se souvenir qu'un condensateur chimique monté à
l'envers risque fort, tôt ou tard, d'exploser... On prendra donc
soin de bien repérer la sortie "+" et la sortie
"-". Sur la plupart des modèles (mais il y a des
exceptions), le côté + est marqué en clair et doté d'une
gorge (anneau en creux). Sur les modèles à sorties radiales,
c'est en général la connexion "-" qui est repérée
en clair.
En ce qui concerne les
"tantale gouttes", ces modèles se caractérisent
par leur très faible encombrement. Leur capacité, en
contrepartie, reste assez limitée: 470 µF sous 3 V, 100 µF
sous 10 V, 33 µF sous 16 V, 10 µF sous 35 V... En règle
générale, leur valeur est indiquée en clair (K470 = 470
µF) et la connexion "+" est repérée.
Marquage des condensateurs polarisés
Les
condensateurs électro-chimiques sont le plus souvent marqués de
manière explicite, comme sur la photo ci-dessus.
Utilité des condensateurs
Les propriétés des
condensateurs les destinent à remplir plusieurs fonctions
spécifiques, et souvent cruciales, dans les montages
électroniques. Toutefois, leur comportement ne sera pas du tout
le même en régime continu ou en régime sinusoïdal.
La réactance
Avant d'aller plus loin, il
convient de signaler une propriété importante des
condensateurs, à savoir qu'ils laissent passer le
courant alternatif, mais ne laissent pas passer le courant
continu.
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Les trois schémas
ci-contre montrent que le condensateur bloque le
courant continu, mais laisse passer le courant alternatif.
En haut, la source de tension
est une batterie: il s'agit donc de courant continu. Si
on ferme l'interrupteur, la lampe ne s'allume pas, car le
courant ne passe pas.
Le schéma du milieu
est différent en ceci que le condensateur est monté en
parallèle avec la batterie: la lampe s'allumera
si on ferme l'interrupteur.
Le schéma du bas
est identique à celui du haut, à cette différence
près que le générateur délivre ici une tension
alternative: lorsqu'on ferme l'interrupteur, la lampe
s'allume, car le condensateur laisse passer le courant
alternatif.
Toutefois, en
régime alternatif, le condensateur présente une autre
caractéristique: il s'oppose au passage du
courant, comme une résistance. Cette
propriété s'appelle la réactance; elle est notée X et
s'exprime en ohms. La réactance d'un condensateur, en
alternatif, est inversement proportionnelle à la
fréquence du signal. |
Condensateurs de liaison
Les montages électroniques
nécessitent presque toujours une polarisation, c'est-à-dire
l'adjonction d'une tension continue. Très souvent, ces montages
sont attaqués par un signal alternatif (un signal audio, par
exemple): on se retrouve donc avec des tensions continues et
alternatives, qui ne doivent pas se "mélanger". En
d'autres termes, il convient de "séparer" les courants
continus et alternatifs.
La solution à ce problème
est fournie par un condensateur qu'on appelle "de liaison",
intercalé entre le générateur alternatif et l'entrée du
montage. En effet, ce condensateur, du fait de sa réactance (ou impédance), va d'une part laisser passer les signaux
alternatifs sans les perturber, et d'autre part empêcher le
courant continu de traverser le générateur alternatif.
En résumé, le condensateur
de liaison sera assimilé, vis-à-vis du régime alternatif, à
un court-circuit, et vis-à-vis du régime continu, à un circuit
ouvert.
La valeur de ce condensateur
est calculée de manière que son impédance, infinie au courant continu, soit
négligeable aux fréquences délivrées par le générateur
alternatif.
Condensateurs de découplage
Le fonctionnement
"interne" d'un montage électronique, en régime
continu, impose très souvent la présence de résistances ou
d'autres composants qui risquent de perturber les signaux
alternatifs. Pour contourner ce problème, similaire à celui
évoqué ci-dessus, on a recours à des condensateurs dits
"de découplage". Ceux-ci sont montés
en parallèle sur les éléments "perturbateurs" et se
comportent comme un court-circuit pour les signaux alternatifs.
Condensateurs de filtrage
Le rôle du condensateur de filtrage,
généralement un électro-chimique de forte capacité, est de
réduire l'ondulation d'une tension redressée lorsqu'on passe,
par exemple dans une alimentation, d'une tension alternative à
une tension continue. Il permet, en quelque sorte, de
"lisser" la tension ondulée.
Le
condensateur de filtrage est monté en parallèle avec la sortie
du pont de diodes.
La
présence du condensateur de filtrage permet de réduire
fortement ("lisser") l'ondulation de la tension
redressée.
Diverses formules permettent
de calculer savamment la valeur d'un condensateur de filtrage. En
voici une, qui a le mérite de la simplicité:
L'illustration
ci-dessus, obtenue grâce au logiciel PSpice,
permet de bien visualiser l'influence de la valeur de la
capacité de filtrage. La tension au primaire du transfo (trace
rouge) est redressée en double alternance. De la trace violette
(à gauche) à la trace jaune (à droite), on double à chaque
fois la valeur du condensateur de filtrage. On constate, chaque
fois que cette valeur augmente, une très nette diminution de
l'ondulation. A noter toutefois qu'une valeur de C très
supérieure n'améliorerait pas énormément la trace jaune: le
filtrage a malgré tout ses limites...
Pour une alimentation
capable de délivrer un courant maximal de 1 ampère, on trouve
en général une valeur théorique de l'ordre de 4700 µF. Dans
la pratique, une valeur de 2200 µF, voire moindre, s'avère
souvent suffisante si la tension de sortie n'est pas trop faible
(plus elle est faible, plus l'ondulation doit être faible).
Toutefois, si une certaine latitude est permise au niveau de la
capacité, il faut impérativement que la
tension de service du condensateur soit supérieure à la tension
crête (maximale) aux bornes du transformateur.
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Electronique
