Athénée Royal de Pepinster. Electrotechnique. Les condensateurs

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1 Description Un condensateur est constitué de deux plaques conductrices (étain, cuivre, aluminium...) appelées armatures, placées en regard l une de l autre, et séparées par un isolant d épaisseur variable appelé diélectrique. Les diélectriques les plus utilisés sont l air, le mica, le papier, le mylar, le plastique, le verre, etc. Il se caractérise par sa capacité C qui est la constante de proportionnalité entre la charge (ou quantité d électricité) qu il acquiert et la tension U appliquée à ses bornes. Symbole Description d'un condensateur industriel Ce type de condensateur est constitué de deux longues feuilles d'étain ou d'aluminium, séparées par deux longues bandes de papier. L'ensemble est enroulé et comprimé. Les feuilles métalliques sont les armatures, et le papier, le diélectrique. Chaque armature est reliée à une borne. Les gros condensateurs sont plongés dans une cuve pleine d'huile pour améliorer l'isolement. -1-

2 Capacité d un condensateur Q = C. U Avec Q la quantité d énergie emmagasinée (charge) en Coulomb (C) Avec C la capacité du condensateur en Farad (F) Avec U la tension aux bornes du condensateur en Volt (V) Energie emmagasinée par un condensateur chargé C est l énergie nécessaire pour charger le condensateur et que celui-ci restitue lorsqu il se décharge. C est une énergie électrostatique stockée dans le diélectrique du condensateur. On a : W C V Q V W s exprime en Joule. C en Farad. V en volt. Capacité d'un condensateur plan C = 0. r. S / e S Diélectrique e C : capacité du condensateur, exprimée en farads, S : surface des armatures placées en regard, exprimée en mètres carrés, e : épaisseur du diélectrique (isolant) qui sépare les deux armatures, exprimée en mètres, 0 : permittivité du vide en F/m unité S.I. r : permittivité relative du diélectrique. -2-

3 Substances r (F/m) E d (MV/m) Substances r (F/m) Air 1 3,4 Papier 2,5 Bakélite 6,5 10 Verre 5,5 Mica Quartz 4 Charge et décharge d un condensateur Lorsque le condensateur est relié à un générateur, il va emmagasiner une certaine quantité de charges en fonction de sa capacité : il va se charger. Lorsqu un condensateur chargé est relié par un conducteur, il va libérer les charges emmagasinées : il se décharge A A U électrons _ B Uab électrons _ B Uab E 0V Modèle équivalent d un condensateur déchargé Modèle équivalent d un condensateur chargé -3-

4 Charge d un condensateur Décharge d un condensateur Si on pose comme constante de temps du circuit ( = RC), exprimée en secondes. Au bout du temps, le condensateur est chargé à 63 % de la valeur finale de la tension. La courbe étant une exponentielle, la charge complète a lieu à l'infini. Au bout d un temps de «5.», le condensateur a atteint 99 % de sa charge, comme l indique le schéma plus détaillé ci-dessous : UC U U x 0,9 U x 0,8 U x 0,7 U x 0,6 U x 0,5 U x 0,4 U x 0,3 U x 0,2 U x 0, R.C 2.R.C 3.R.C 4.R.C 5.R.C t Le raisonnement identique peut s appliquer sur la décharge du condensateur. -4-

5 La tension de claquage Outre sa capacité, un condensateur est caractérisé par sa tension de claquage, qui mesure la différence de potentiel à partir de laquelle une étincelle se produit entre les armatures, en générale fatale au condensateur. Cette tension, qui dépend de la distance entre les armatures et de la nature du diélectrique, définit le type d'application du condensateur. Attention si l'on dépasse la tension maximal d'un condensateur polarisé chimique celui ci peut exploser. La résistance de fuite La résistance de fuite ou courant de fuite qui traduit le fait que le diélectrique n'est pas toujours un isolant parfait. Lorsque le condensateur est chargé, un léger courant peut circuler à travers le diélectrique et décharger à la longue le condensateur (10 µf = plusieurs heures). Valeur nominale Capacité pour laquelle est prévu le condensateur, noté par le code des couleurs ou directement en clair sur le condensateur. Tension nominale ou de service Tension notée sur le condensateur. Si le signal est continu, c est la tension à ne pas dépasser. Si le signal est alternatif, c est la tension crête à ne pas dépasser. -5-

6 Les différents types de condensateurs - Condensateurs à diélectrique plastique métallisé : à diélectrique plastique ( isolant ) sont constitués d un empilage de fines couches de plastique métallisé ( les électrodes ). Les métallisations successives du sandwich sont reliées alternativement par dépôt métallique sur deux des tranches du composant puis les broches sont posées. Feuille impaire Feuille paire Zone métallisée - polyester (MKT) : Ce sont les plus courants des condensateurs à diélectrique plastique métallisé. Le plastique est donc un polyester. On réserve ces condensateurs pour des usages ne demandant pas une grande précision. Valeur nominale : de 1nF à 250µF. Tolérance : de 1 à 20. Tension de service : de 40V à 10000V. Résistance d isolement : de 10 9 à ohms. Utilisation : - condensateurs de liaison et de découplage, circuit d antiparasitage. -6-

7 - polycarbonate (MKC) : Le diélectrique plastique est un polycarbonate. Ce diélectrique a un excellent coefficient de température. Il permet de fabriquer des composants de grande précision et stabilité. Il possède en outre une forte résistance d isolement. Ils sont plutôt rares. Valeur nominale : de 1nF à 250µF. Tolérance : de 1 à 2. Tension de service : de 40V à 5000V. Résistance d isolement : supérieure à ohms. Condensateurs très stables, très fiables. Utilisation : - circuit d accord, - polypropylène (MKP) : Ils ont une très bonne stabilité en fréquence et un excellent comportement en régime impulsionnel. Ils sont entre autres utilisés pour faire des condensateurs de précision. Valeur nominale : de 0,1nF à 250µF. Tolérance : de 10 à 20. Tension de service : de 160V à 3500V. Résistance série très faible. Utilisation pour des circuits en régimes impulsionnels, alimentation à découpages. -7-

8 - polystyrène (MKS) : Ils sont très apprécies pour leur très grande stabilité et sont utilisés essentiellement à haute température (155 C). Leur comportement en régime impulsionnel est excellent. - à céramiques : Les céramiques sont des matériaux solides. céramiques ont une excellente réponse à toutes les fréquences. Ils sont peu coûteux mais disposent d une stabilité en température très médiocre, ce qui limite leur utilisation à des applications dont la tenue en température n est pas un critère prépondérant. Il existe deux types distincts : - type 1 (ou groupe 1) : à coefficient de température déterminé. - type 2 (ou groupe 2) : à coefficient de température indéterminé. - à électrolytes chimiques (polarisés) : Dans la pratique : + + Il faut faire très attention à la polarité sous risque de destruction. à électrolyte liquide -8-

9 - Le condensateur aluminium à électrolyte liquide : Le diélectrique est composé d alumine, plongé dans de l acide borique. L électrode et la cathode sont composées d aluminium. Valeur nominale : de 1µF à µF. Tolérance : de 10 à 20. Tension de service : - miniature de 2,5V à 63V, - ordinaire de 150V à 550V. Courant de fuite : de quelques microampères. Limite en fréquence : inférieure à 10kHz. Utilisation : - Filtrage, découplage en Basse fréquence, résistance série très bonne. Avantage : Faible volume pour une grande capacité. - Les condensateur tantale à électrolyte gélifié : L anode est une pastille de poudre de tantale pressée et frittée. La cathode est composée du boîtier en argent. L électrolyte est à base d acide sulfurique Valeur nominale : de 1µF à 1000µF. Tolérance : de 10 à 20. Tension de service : - 6V à 150V. Courant de fuite : de 1 microampère. Limite en fréquence : inférieure à 10kHz. Utilisation : - Filtrage, découplage en Basse fréquence. Inconvénient : Utilisés que pour de faible valeur de tension de service. -9-

10 - tantale à électrolyte solide : Condensateur aluminium à électrolyte solide. L anode est en aluminium. La cathode est composée de l électrolyte solide. Ils sont très stables en température. Le courant de fuite est inférieur au micoampère, le stockage d énergie sera prolongé. Les courants de charge et de décharge sont sans limitation. Utilisation : Découplage, filtrage en basse fréquence. Remarque : La durée de vie, la fiabilité et l étendue de la gamme de température sont importantes. Valeur nominale : de 10nF à 500µF. Tolérance : de 10 à 20. Tension de service : - 2V à 125V. Courant de fuite : de 1 microampère. Utilisation : - Filtrage, découplage en Basse fréquence. Inconvénient : Résistance série élevée. Avantage : - Longue durée de vie. - Il occupe un volume plus faible que l aluminium. Ils sont stables dans le temps. Cette fiabilité peut être altérée par l influence combinée du courant, de la tension et de la température qui provoquent la naissance d un oxyde de tantale. -10-

11 - réglables : Ils permettent le réglage de la capacité par un curseur. Le diélectrique qui les compose est à air ou à diélectrique plastique. Principe : On déplace une des armatures du condensateur par rapport à l autre. La distance entre les deux armatures est donc modifiée, la capacité aussi (voir la formule du condensateur plan). Ce type de condensateur est utilisé pour les circuits d accord AM, FM. -11-

12 Plage d'utilisation des différentes familles de condensateur Utilisation des différentes technologies Utilisation Famille de condensateur Caractéristiques Haute Fréquence > 100 KHz Radar, télé... Mica (1pF à 200nF) Verre (1pF à 10nF) Précis, bonne tenue en température, remplacé de plus en plus par les micas. Circuit d accord Céramique type 1 (1pF à 2nF) Précis et stable. Circuit de liaison de découplage Céramique type 2 (100pF à 470nF) Imprécis et instable. -12-

13 Basse Papier non métallisé et moyenne fréquence Pour des tensions élevées (1nF à 100µF) Utilisable jusqu à Volts. Papier métallisé (10nF à 200µF) Polyester Remplacé de plus en plus Circuit de liaison de découplage (1nF à 250µF) par les films plastiques, utilisé aussi pour des circuits d antiparasitages. Circuit d accord oscillateur, intégrateur Polycarbonate (1nF à 250µF) Très stable, très fiable, condensateur de précision. Régime impulsionnel alimentation à découpage Pour un fonctionnement à des températures élevées Polypropylène (100pF à 250µF) Polysulfone métallisé (1nF à 250µF) < 10 KHz Aluminium Filtrage, découplage Filtrage, découplage Stockage d énergie prolongé à électrolyte liquide (1µF à µF) Tantale à électrolyte gélifié (1µF à 1000µF) Tantale à électrolyte solide (1µF à 20000µF) Résistance série faible, supporte des courants efficaces élevés. Fonctionne à des températures élevées, grande stabilité. Courant de fuite de quelques micro-ampères, tension de service jusqu à 550 volts. Faible volume par rapport à l aluminium, tension de sortie limitée à 150 volts. Très stable en température, courant de fuite inférieur au microampère. Circuit RC, oscillateur Tantale à électrolyte solide (10nF à 500µF) Tension de service limitée à 125 volts, faible volume -13-

14 Association de condensateurs en série Tous les condensateurs en série se chargent à la même quantité d'électricité Q. => Q = C 1. U 1 = C 2. U 2 et Q = C eq. U => Q / C 1 = U 1 et Q / C 2 = U 2 et Q / C eq = U Avec : U = U 1 + U 2 Donc : => Association de condensateurs en parallèle Avec : Q 1 = U.C 1 ; Q 2 = U.C 2 Q totale = Q 1 + Q 2 = U(C 1 + C 2 ) = U C eq => C eq = C 1 + C 2 C = C1 + C2 Pour associer des condensateurs, il suffit donc de faire l inverse de l association des résistances. -14-