LES CONDENSATEURS

 Présentation et définition

Les condensateurs sont des composants électroniques passifs qui se présente sous diverses formes que l’on retrouve dans tous les circuits électroniques. L’une de ses fonctions principales est de stocker de l’énergie électrique. La quantité d’électricité qu’il peut accumuler dépend à la fois de sa taille et de sa valeur ainsi que de la tension continue qui lui est appliquée. 

1. Symbole normalisé des condensateurs

Sur les schémas électroniques le condensateur est représenté par un symbole normalisé Figure 2.1.

Figure 1.1. Symbole normalisé d’un condensateur.

Certains condensateurs sont polarisés l’armature notée + doit alors absolument être reliée au pôle positif de la tension. On les identifie par leur symbole normalisé figure 2.2. ou par d’autres représentations.

Figure 1.2. Symbole normalisé d’un condensateur polarisé.

Figure 1.3. Divers symboles de condensateur les polarités sont toujours marqué d'un repère.

2. Constitution d'un condensateur

Un condensateur est constitué de 2 surfaces conductrices séparées par un isolant le diélectrique qui peut être de l’air, le mica, le liquide ou les gazeux. La figure 2.1 représente la structure interne d’un condensateur.

Figure 2.1 Constitution interne d’un condensateur.

3. Comment fonctionne-t-il ?

En appliquant une tension aux deux armatures ou en les connectant à une source, un champ électrique se crée à travers le diélectrique. En fait, cela entraîne l’accumulation d’une charge positive sur l’armature et d’une charge négative sur l’autre. Lorsqu'on branche le condensateur sur une résistance, il se décharge. Si l’on isole pour qu’il ne soit plus relié à la source ni à un circuit complet, il conserve l’énergie électrique stockée. Si on le relie à d’autres composants en fermant le circuit, il se déchargera en partie ou en totalité de cette énergie accumulée.

 3.1 Charge d’un condensateur à travers une résistance

Figure :3.1 Charge d’un condensateur par un générateur de tension et une résistance

3.2 Décharge d’un condensateur à travers une résistance

                        Figure 3.2 Circuit de décharge d’un condensateur.

 3.3 Courbes de charge et de décharge d'un condensateur

Comme l’on peut l’observé sur, ses courbes de charge et de décharge du condensateur celle-ci ne sont pas linéaires.  Au début de la période de charge ou de décharge, le condensateur se charge ou se décharge très rapidement. A la fin, la variation de la tension est beaucoup plus faible pour une même unité de temps. La figure 3.3 et 3.4 montre les représentations graphiques de la tension de charge et décharge d'un condensateur.

         Figure 3.3 Courbe de charge d’un condensateur.

Figure 3.4 Courbe de décharge d’un condensateur.

4. Capacité d’un condensateur 

La quantité d’électricité Q que le condensateur emmagasine est proportionnelle à la différence de potentiel U entre les deux armatures et la capacité du condensateur nous avons ici la relation qui s’appelle la capacité du condensateur et elle s’évalue en farads (F) U est en volts et Q en coulombs. La formule est représenter ci dessous.

La capacité C en farad d'un condensateur peut être calculée avec la formule suivante :

S : surface de la plus petite des armatures en m²

e : épaisseur du diélectrique en m

ε0 : est la permittivité du vide 

εr:est la permittivité ou constante diélectrique

En pratique on prendra ε0 8,85.10-12

Pour le vide εr est égal à 1.

L'air sec a une permittivité très proche de celle du vide. En règle générale, plus la permittivité du diélectrique d'un condensateur est élevée moins elle est stable, ce qui implique que la capacité du condensateur pourra varier en fonction de la fréquence ou de la température.

Pour qu’un condensateur ait une forte capacité il faut qu’il ait une grande surface et une faible épaisseur et diélectrique à forte permittivité ou constante diélectrique.

5. Groupement des condensateurs

Les condensateurs peuvent naturellement s’associer en parallèle et en série. Se pose alors le problème de la capacité équivalente à leur groupement. On réalise le montage de la figure 6.1. Si l’on groupe ainsi des condensateurs électrochimiques, les bornes positives doivent être reliées ensemble, et les bornes négatives également ensemble. Pour les autres types de condensateurs, le sens de branchement est sans importance.

5.1 Branchement en parallèle

Sur ce type de montage les capacités s’ajoutent. Quelle que soit la valeur, elles s’additionnent. Dans l’exemple cité, on constitue une batterie dont la capacité résultante est de 10 + 15 = 25 microfarads. Quant à la tension d’isolement, rien n’est changé en ce qui concerne chaque condensateur, chacun ne pourra toujours supporter que la tension pour laquelle il a été prévu, et pas plus.

 Figure 5.1 Condensateurs en parallèle.

5.2 Branchement en série

Si l’on branche en série des condensateurs électrochimiques, il faut impérativement relier le positif de l’un au négatif du suivant. Pour les autres types de condensateurs, il n’y a aucun sens de branchement à respecter. La capacité résultante est égale à la valeur d’une seule, divisée par le nombre. Dans l’exemple cité ci-dessous nous avons :

Figure 5.2 Condensateurs en série.

6. La tension de service

Chaque type de condensateur est prévu pour pouvoir supporter une certaine tension, dite tension d’isolement, entre ses bornes. Vous verrez parfois cette tension marquée par T.E qui désigne la tension d’essai, sous laquelle l’élément a été tester et par T.S qui indique la tension de service, que le condensateur peut supporter en service normal, en fonctionnement permanent. La figure 6.1 Représente un condensateur électrolytique qui a une tension de service 400.V. Sur la figure 6.2 est représenter sa capacité.

6.1 La tension de claquage

Si on l’on soumet les armatures à une tension trop élevée une étincelle perce le diélectrique. Il peut se produire un court-circuit entre ses armatures qui met définitivement hors-service le composant.

Rappel

La tension de claquage d’un condensateur est d’autant plus faible que le diélectrique est mince. Cette tension de dépend aussi de la qualité du diélectrique qu’on nomme sa rigidité et qui s’évalue en V / mm. Voir les tableaux 1 et 2 ci-dessous. On remarque parfois la tension nominale qui est la valeur moyenne à ne pas dépasser. La tension de pointe qui peut être atteinte pendant un temps très court.

7. Le marquage des condensateurs par code couleur

Les condensateurs sont en général marqués en clair la capacité et la tension limite sont indiquées en chiffres sur le corps du composant, avec ou sans indication d’unité. Dans un condensateur polarisé, il y a toujours la présence d’un indicateur qui permet d'identifier sa polarité. C'est important, car une inversion peut être fatale. Voir la figure 7.1 et 7.2.

8. Différents types de condensateurs

Il existe de nombreux types de condensateurs, avec des propriétés diverses. Pour répondre aux différents besoins de chaque domaine d'utilisation. L’usage de telle ou telle technologie dépend de la gamme de capacités et des performances attendues. En particulier, les différents types de condensateurs ont un domaine de fréquence qui leur est propre. On ne fera ici que rappeler les principales caractéristiques des familles technologiques les plus répandues sur le marché.

8.1 Condensateurs électrolytiques

Ce type de condensateur permet de réaliser de fortes capacités de plusieurs microfarads, sous un volume relativement réduit. Il ne doit être jamais branché sur une tension alternative, mais uniquement sur une tension continue. Il est polarisé, c’est-à-dire qu’il comporte une borne positive et une borne négative, attention au sens du branchement ils doivent impérativement être connectés dans le bon sens. En règle générale, le côté négatif est toujours représenté par des flèches.  Comme on le peut le voir sur les photos de la figure 8.1.

Figure 8.1 Condensateur électrolytique.

8.2 Condensateurs au tantale

C’est un modèle qui permet de fortes capacités, de plusieurs microfarads, sous des tensions faibles, comme l’électrolytique, mais ses caractéristiques restent plus constantes dans le temps il est moins fragile très fiable et assez couteux, il a été longtemps réservé à des usages professionnels. Maintenant il s’est vulgarisé au grand public.

Figure 8.2. Condensateur au Tantale.

8.3 Condensateurs à film plastique

Les condensateurs les plus utilisés sont à film plastique. Les plus courants sont polystyrène, polyester, polycarbonate, polypropylène. Ses types de condensateurs possèdent d’excellentes qualités. Ils sont utilisés dans pratiquement de nombreux domaines et applications électroniques. D’autant plus ils ne sont pas polarisés, ils peuvent être utilisés en tension alternative.

Figure 8.3. Condensateur à film plastique.

8.4 Condensateurs céramique

Le condensateur céramique utilise la céramique comme diélectrique. Celui-ci sert de support pour les électrodes métalliques. Il n’est pas polarisé et peut être employé sur des tensions alternatives. Il a une grande réponse en fréquence due à de faibles effets parasitaires résistifs et inductifs. Ils sont très répandus en l'électronique en raison leurs faibles dimensions. On les utilise dans les circuits de couplage, les circuits de fréquence et d'oscillateur. D'autres domaines d'utilisation sont les circuits de filtrage et les mesures de déparasitage radio. Il existe aujourd'hui deux classes de condensateurs céramique la classe 1 et la classe 2.

Les condensateurs céramiques de classe 1 sont utilisés lorsqu'une grande stabilité et de faibles pertes sont requises. Ils sont très précis et la valeur de la capacité est stable en ce qui concerne la tension, la température et la fréquence appliquées.

Les condensateurs de classe 2 ont une capacité élevée par volume et sont utilisés pour des applications moins sensibles. Leur stabilité thermique est typiquement de ± 15 % dans la plage de température de fonctionnement et les tolérances des valeurs nominales sont d'environ 20 %.

Figure 8.4. Condensateur céramique.

9.Condensateurs variables

Ce sont des condensateurs destinés à accorder les circuits oscillants des appareils sur une fréquence déterminée et équipent principalement les récepteurs radio. Aujourd’hui ce type de condensateur n’existe pratiquement plus. À la différence de celle des condensateurs fixes, la capacité des condensateurs variables varie entre une capacité minimum et un maximum, comme l'indique son nom. Ces condensateurs doivent être réalisés avec une très grande précision, et leur fabrication doit être la plus économique possible.

Les condensateurs variables sont utilisés à la place des condensateurs fixes lorsque les besoins d'une installation électrique nécessitent une capacité variable. Les condensateurs variables sont constitués des éléments suivants.

Un rotor, l'armature mobile du condensateur

Un axe, la commande du rotor

Un stator, l'armature fixe du condensateur

Les condensateurs variables disposent d’une valeur minimum appelée la capacité résiduelle et d’une valeur maximale dite capacité nominale. La capacité des condensateurs variables suit la loi de variation. Les condensateurs variables disposent d’une tension d’isolement.

Figure 9.Divers condensateurs variables.

10. Condensateurs CMS

Les condensateurs sont également disponibles comme composants montés en surface CMS. Certains présentent un marquage en clair, mais souvent La valeur des condensateurs n’est pas indiquée donc un capacimètre est vivement conseillé à moins que vous connaissait la valeur. Voir la figure.10.

Quels sont les avantages

1. Taille extrêmement réduite
2. Pas de perçage à réaliser
3. Soudage possible avec un four à refusion pas besoin de souder chaque composant un part un avec un fer à souder
4. Toutes les références des composants sont faciles à trouver

Quels sont les inconvénients

1. Composants très fragiles
2. Soudage au fer compliqué
3. Manipulation difficile à la main
4. Le circuit imprimé doit être gravé avec beaucoup de précision

    

Figure 10. Divers condensateurs CMS.

11. Domaine d’application des condensateurs

Le condensateur est utilisé dans la plupart des équipements électroniques. Sa principale utilisation est d’emmagasiner temporairement des charges électriques et donc de l’énergie électrique. Les condensateurs jouent un rôle important dans les circuits de synchronisation électronique radio, TV, dans les filtres électroniques de fréquences et dans les circuits de transmission de signaux. Voici d’autres applications des condensateurs que l’on rencontre dans les circuits électroniques.

Filtrage actif et passif

Capteurs passifs ou actifs

Réduction des harmoniques

Limitation du courant au démarrage condensateur moteur

Mise en forme des signaux

Temporisateurs

Oscillateurs harmoniques

Doubleur de tension

Mémoires logiques

Amplificateurs et filtres RF

11.1 Filtre RC passe bas

Un filtre passe-bas est un filtre qui laisse passer les basses fréquences et atténue les hautes fréquences, c'est-à-dire les fréquences supérieures à la fréquence de coupure. La figure 11.1 représente un circuit RC.

Figure 11.1 Filtre RC passe bas.

11.2 Filtre RC passe haut

Le filtre passe-haut agit de manière inverse au passe-bas il laisse passer les fréquences supérieures à la fréquence de coupure mais atténue les fréquences qui sont inférieures il bloque les basses fréquences. Figure 11.2.

Figure 11.2 Filtre RC passe haut.

11.3 Le filtrage d’une alimentation continue

Tous les appareils électroniques ont besoin pour fonctionner d'une ou plusieurs alimentations avec une tension constante. La technique la plus courante consiste à mettre un condensateur de forte capacité pour filtrer la tension redressée on emploi aussi le terme de lisser figure 11.3.

Figure11.3 Alimentation continue avec un condensateur de filtrage.

Un adaptateur secteur est constitué d'un transformateur qui abaisse la tension alternative, le pont de diodes redresse le signal alternatif et le condensateur va filtrer la tension.

Sans condensateur, nous avons simplement la tension de sortie qui est redressée en double alternance, mais, n’est pas filtrer figure 11.4.

                                  Figure 11.4 Tension redressée, mais aucun filtrage.

Si maintenant nous branchons un condensateur, mais que l’alimentation ne débite aucun courant, le condensateur se charge très rapidement dès la première alternance positive figure 11.5.

                                Figure 11.5 Tension redressée et filtrée avec un condensateur sans charge.

Maintenant on place un condensateur avec une charge dans le circuit celui-ci se décharge légèrement puis se recharge périodiquement figure 11.6.

                                Figure 11.6 Tension redressée et filtrée par le condensateur.

12.Tester un condensateur

Pour tester correctement un condensateur celui-ci doit être décharger dans un premier temps puis dessouder du circuit. Comme décrit dans l'avertissement ci-dessous. Si l’on souhaite réellement mesurer avec précision la capacité d’un condensateur il faudra utiliser le mode capacimètre certains appareils de mesure proposent cette fonction. Voici donc les différentes étapes à suivre pour tester un condensateur en toute sécurité.

Avertissement et consigne de sécurité

Décharger un condensateur en le court-circuitant avec un tournevis entre ses bornes est une pratique très répandue que l’on peut retrouver sur de nombreux sites web. Même si cela ça fonctionne, on vous le déconseille vivement, car certains condensateurs de forte valeur capacitive peuvent conserver une charge importante particulièrement dans les circuits d’alimentation à découpage. 

D’autant plus que cette pratique est inadaptée, et représente des risques qui sont susceptibles de provoquer des brûlures et un incendie, ainsi que des liaisons corporelles suite à un choc électrique. Avant toute intervention sur un appareil, on déchargera correctement le condensateur et ensuite, on pourra dessouder le composant défectueux.

12.1 L’outillage indispensable

Un multimètre numérique ou analogique (aiguille) des gants de protection un outil de décharge de condensateur que l’on peut trouver un peu partout sur les sites marchands.  Figure 12.1 divers outils de décharge de condensateur. 

Figure 12.1 Divers outils de décharge de condensateur 1000V.

Une autre méthode consiste à réaliser un dispositif de décharge électrique avec une ampoule à incandescence d’une puissance 60 watts. Pour ce montage vous aurez besoin d’une douille E 27 à visser, du fils de section 2.5 mm², et deux pinces crocodiles isolés sur leurs deux extrémités. La figure 12.2 représente un montage assez simple une ampoule de 60 W montées sur des pinces crocodiles. 

Figure 12.2  Ampoule de 60 W montées sur des pinces crocodiles.

Etape 1 :  décharger et dessouder le condensateur

Pour tester un condensateur, dans un premier temps il est impératif de le décharger à l'aide d'une résistance,  d'une ampoule ou d'utiliser un stylo de décharge de condensateur, puis de le dessouder soigneusement afin que celui-ci ne conserve plus sa charge. Pour cette manipulation le port des gants est préconisé. La figure 12.3 représente la méthode la plus sécurisée.

Figure 12.3 Stylo de décharge de condensateur.

Etape 2 : réglage du multimètre

Il suffit de régler votre multimètre sur la position ohmmètre comme il est indiqué sur la figure 12.4, mais, en évitant de toucher les bornes du condensateur avec les doigts, car la résistance du corps fausserait la mesure.

Figure 12.4 Mesure du condensateur avec un multimètre numérique.

Etape 3 : Visualiser le résultat

Mettez le fil rouge du multimètre sur la borne + et le noir sur la borne -. Dans le cas d'un multimètre numérique.

Nous devons donc voir affiché sur l’écran du multimètre une valeur qui monte jusqu’à 10 000 puis redescend à 0 cela signifie que le condensateur est bon.

La valeur fluctue jusqu’à 10 000 mais ne redescend pas totalement le condensateur présente des fuites.

Si la valeur reste à 0 ou affiche 0Lc’est que le condensateur est hors service.

 Figure 12.5 Indique sur l'affichage du multimètre un condensateur en bon état.

12.6 Mesure  avec un multimètre à aiguille 

Nous devons voir l’aiguille dévier vers la droite du cadran sa déviation sera en fonction de la capacité du condensateur, elle se stabilisera puis redescendra vers la gauche. Comme il est indiqué sur la figure12.6. Là position de repos de l’aiguille va nous préciser l’état d’isolement du diélectrique du condensateur et sa déviation, nous donnera une idée sur sa capacité.

1. L’aiguille monte au maximum puis descend complètement le condensateur fonctionne.

                                      Figure 12.6. L'affichage du multimètre indique que le condensateur est bon.                                                                    

2. L’aiguille monte mais ne descend pas du tout le condensateur est hors d’usage.

 3. L’aiguille monte mais ne redescend pas totalement le condensateur présente des fuites.

4. L’affichage de l’aiguille du multimètre reste au minimum le condensateur est hors d’usage.

Figure 12.9 L’affichage du multimètre indique que le condensateur est hors d’usage.

Nous venons de voir comment vérifier l’état d’un condensateur, il faut faire aussi la différence avec les électrolytiques, qui sont polarisés et vont, un sens de mesure provoquer une déviation maximale de l’aiguille, et un court-circuit dans l’autre sens. Il faut attendre quelques secondes pour voir l’aiguille redescendre de sa déviation et restera en générale à mi cadran. Le circuit-court est absolu du fait que ce composant est polarisé.

13. Défaillance du condenseur 

Un condensateur est défectueux lorsque l’une de ses caractéristiques sort de ses tolérances spécifiques. Voici donc ce qui peut arriver sur ce type de composant.

Il est coupé : ce n’est pas toujours facile à vérifier avec un multimètre, surtout pour les petites valeurs. Le contact entre ses bornes et l’armature est coupé.

Il ne fait plus la capacité indiquée : c’est le cas des condensateurs séchés. Il faudra un capacimètre ou une grande expérience pour le détecter avec un multimètre. Une solution consiste à le comparer avec un condensateur un neuf.

Il est en court-circuit : le diélectrique est percé. Le contrôle de sa résistance interne apportera une réponse claire.

Il est en fuite : la résistance interne mesurée risque d’atteindre une valeur élevé inacceptable. Le diélectrique n’est plus parfait, il présente une résistance parasite entre les armatures.  

Il peut avoir ses bornes dessouder : l’une de ses bornes peut être dessouder de son armature cette panne peut être extrêmement difficile à localiser.

Conclusion