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Condensateur
Un condensateur est un composant avec 2 fils qu'on trouve dans un circuit électronique.
On l'utilise chaque fois que l'écoulement du temps doit produire un effet sur le comportement du circuit électronique. Par exemple, pour fabriquer un signal électrique qui varie automatiquement au cours du temps, il faut un ou plusieurs condensateurs.
Un condensateur a aussi la possibilité d'emmagasiner de l'électricité et de la restituer plus tard.
Historique[modifier | modifier le wikicode]
Dés 1760 les ancêtres des condensateurs ont été utilisés sous la forme d'une bouteille de Leyde pour stocker l'électricité des premiers générateurs électrostatiques par frottement et influence d'une roue tournante et ils faisaient des belles étincelles de 100 mille volts semblables à la foudre, bien avant la première pile électrique en 1800, et bien avant les premiers montages électroniques en 1955 avec transistors.
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Il est un composant avec 2 fils qui se charge en charges électriques qu'on trouve dans un circuit électronique et tout système électrique.
Comme tout récipient il faut un certain temps pour le remplir ou le charger, de façon assez similaire à un seau d'eau qui prend du temps pour être rempli, aussi on l'utilise lorsque l'écoulement du temps doit produire un effet sur le comportement du circuit électronique ou d'une partie de celui-ci, en particulier pour retarder ou régler les délais de propagation.
Il utilise la propriété que les charges électriques de signes + et - s'attirent avec un potentiel électrique ou tension entre deux conducteurs chargés + et - séparés par un isolant électrique.
Un condensateur ou capacité est un réservoir à charges électriques analogue à un réservoir pour de l'eau. En effet un réservoir comme un condensateur C met du temps à se remplir à travers une résistance R, avec la constante de temps RC, plus le courant est faible avec une grande résistance, plus ce temps de charge est long. Pareil pour le décharger.
N'importe quelle disposition de conducteurs forme un condensateur. Rien n'oblige à avoir deux plaques parallèles, par exemple le corps humain fait un condensateur avec un autre métal ailleurs et pour cette raison attire la foudre.
L'atmosphère terrestre forme un condensateur entre les charges électriques des nuages et la terre avec des millions de volts lorsque la foudre tombe. La foudre qui claque décharge le condensateur de l'atmosphère entre les nuages et la terre.
Par exemple l'air laisse fuir les charges pour des tensions au dessus de 30mille volts par cm.
Donc un condensateur chargé à haute tension comme 30 000 Volts provoque de belle étincelles lorsqu'il se décharge entre deux électrodes à moins de 1 cm l'une de l'autre, qui ressemblent à la foudre en plus petit. Donc il faut des millions de volts pour déclencher les décharges de la foudre sur des dizaines ou des centaines de mètres par ionisation de l'air, qui est beaucoup plus facile par temps humide.
Un bon isolant plastique de 0,5 mm supporte ces 30000V, beaucoup plus facilement pour réaliser un condensateur, mais aussi il claque pour des tensions trop hautes, comme pour la foudre, les charges électriques perçant l'isolant, souvent très fin pour avoir des condensateurs de capacité élevée mais peu encombrants, comme utilisés en électronique avec des tension faibles.
Dans les câbles coaxiaux pour télévision ou pour signaux haute fréquence, la capacité du condensateur formée entre le fil central et le blindage extérieur est essentielle pour retarder les signaux et conserver leur forme sans déformation pendant leur propagation.
La capacité d'un condensateur se mesure en Farads, valeur énorme de 1 Coulomb de charge électrique stockée pour un volt.
En général les condensateurs usuels font entre des microfarads (valeur déjà élevée ) et des pico Farads ( millionièmes de micro Farads ) qui en pratique correspond à des feuilles métalliques de quelques cm2 à environ 1 cm de distance. Un corps humain fait environ une centaine de picofarads.
La capacité d'un condensateur augmente comme la surface des électrodes et comme l'inverse de la distance entre plaques électrodes, car les charges de signes opposés s'attirent bien plus si elles sont proches et la quantité de charges croit comme la surface où elles s'accumulent.
Pour avoir une grande capacité dans un condensateur il faut des conducteurs très proches l'un de l'autre et de très grande surface, et donc on prend des feuilles fines d'isolant entre des feuilles de métaux de très grandes surfaces enroulées sur elles mêmes.
On décharge un condensateur dans les bougies d'un moteur pour faire exploser l'essence.
Un condensateur associé à une bobine de fil appelée bobine d'induction, self, forme un circuit résonant qui oscille à une fréquence précise en se déchargeant de façon assez similaire à un pendule oscillant ou un ressort avec un poids qui oscille.
L'énergie oscille entre le condensateur chargé et la bobine d'induction dans les oscillations exactement comme dans un pendule, l'énergie oscille entre énergie de gravitation au point le plus haut (similaire au condensateur) et énergie cinétique (similaire à la bobine d'induction avec un courant variant très vite) au maximum de vitesse en bas du pendule.
Vers 1900 avant l'invention des transistors et de l'électronique, on utilisait un condensateur et une bobine d'induction pour générer des hautes tensions à haute fréquence avec des signaux en Morse envoyés sur des antennes émettrices, selon le montage de la figure simple à reproduire.
Un câble coaxial de télévision fonctionne avec cette méthode condensateur avec induction électromagnétique.
Ce système condensateur avec bobine d'induction est très utilisé dans les générateurs d'ondes électriques comme pour les téléphones portables, de façon similaire à l'utilisation des pendules dans les horloges.
Schéma électrique, construction et principe de fonctionnement[modifier | modifier le wikicode]
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Dans un schéma électronique, le condensateur est représenté par 2 barres perpendiculaires aux fils qui l'alimentent avec rien entre les 2 barres.
C'est une représentation correcte de la manière dont le condensateur est construit. En effet, à chacun des fils du condensateur est relié à une plaque métallique conductrice de l'électricité et appelée armature. Les 2 armatures du condensateur sont en face l'une de l'autre mais ne se touchent pas. Entre les deux, il y a un isolant appelé diélectrique.
On pourrait penser que du fait de la présence du diélectrique, le condensateur ne permet pas à l'électricité de passer. C'est vrai à deux niveaux :
- Il n'y a effectivement aucun courant électrique qui passe à travers le diélectrique ;
- Si le condensateur est alimenté par une source de courant continu, au bout d'un temps suffisamment long, il ne passe pas (ou plutôt très peu) de courant dans les fils du condensateur.
Néanmoins, du fait que les armatures du condensateur occupent une certaine surface et sont en face l'une de l'autre, le courant électrique essaie de passer entre les 2 armatures.
Il n'y arrive pas, mais du coté de l'armature relié au pôle - de la source d'électricité, des électrons s'accumulent alors que du coté de l'armature relié au pôle + de la source d'électricité, des électrons sont récupérés.
Ça permet donc un passage de l'électricité dans les fils du condensateur.
Toutefois, au fur et à mesure que des électrons sont retirés de l'armature reliée au pôle + et envoyés vers l'armature relié au pôle -, il se crée une tension électrique entre les armatures du condensateur et cette tension s'oppose à celle de la source d'électricité. On dit que le condensateur se charge.
Au fur et à mesure que le condensateur se charge, de moins en moins de courant passe dans les fils du condensateur. Il arrive un moment ou la tension aux bornes du condensateur et celle de la source d'électricité sont quasiment identiques. À ce moment là, il ne peut presque plus passer de courant dans les fils du condensateur. On dit qu'il est chargé.
Une fois le condensateur chargé, si on le débranche de la source d'électricité et qu'on relie ses fils à une résistance (ou à un circuit électronique plus complexe), le condensateur se décharge.
Au tout début, la tension aux bornes du condensateur est voisine de celle de la source de courant qui a permit de le charger, puis elle diminue, d'abord rapidement, puis de plus en plus lentement au fur et à mesure que le condensateur se décharge jusqu'à ce que la tension à ses bornes soit proche de 0 v.
La vitesse à laquelle un condensateur peut se charger ou se décharger dépend de 2 facteurs :
- la capacité du condensateur,
- la valeur de la résistance présente dans le circuit de charge ou de décharge.
Capacité d'un condensateur[modifier | modifier le wikicode]
La capacité de charge d'un condensateur s'exprime en Farad du nom du physicien Michael Faraday. On utilise le symbole F.
Il existe des condensateurs de 1 F mais par rapport à ce dont on a besoin dans un circuit électronique, cette valeur est énorme. Aussi on utilise des sous-multiples :
| Unité | Symbole | Valeur | ou encore |
|---|---|---|---|
| microfarad | µF | 10−6 F | 0,000001 F |
| nanofarad | nF | 10−9 F | 0,000000001 F |
| picofarad | pF | 10−12 F | 0,000000000001 F |
Bien qu'il existait déjà au siècle dernier des condensateurs de plusieurs milliers de microfarad, le millifarad n'est pas un sous-multiple utilisé.
Comportement d'un condensateur en courant alternatif[modifier | modifier le wikicode]
Filtre passe haut[modifier | modifier le wikicode]
Observons le schéma qui a pour titre Schéma d'un filtre passe haut.
En bas de ce schéma, il y a une série de traits horizontaux dont la longueur diminue en allant vers le bas. C'est une autre façon de représenter ce qu'on appelle la masse, c'est à dire les endroits du circuit électronique qui sont à 0 volt. À la place, on aurait pu dessiner un long fil horizontal et marquer 0 v.
Si à la place du condensateur, on avait mis une résistance, le schéma modifié correspondrait à celui du pont diviseur mentionné dans la page sur les résistances.
Mais il y a un condensateur. Examinons ce qui se passe dans 2 cas extrêmes :
- Si la tension du signal électrique envoyé sur Ventrée varie extrêmement vite, le condensateur n'a pas le temps de se charger ou de se décharger. Les variations de tension sont donc transmises par le condensateur qui ne leur offre qu'une résistance extrêmement faible (beaucoup plus faible que la résistance R). Dans ce cas, on va retrouver ces mêmes variations sur Vsortie.
- Au contraire, si la tension du signal électrique envoyé sur Ventrée varie extrêmement lentement, une fois le condensateur chargé, il se comporte comme une résistance extrêmement forte (beaucoup plus forte que la résistance R). Dans ce cas, la présence de la résistance R reliée à la masse (0 v) abaisse à un niveau extrêmement bas la tension qu'on pourra récupérer sur Vsortie.
Mais il est encore plus intéressant de voir ce qui se passe pour des variations de tension du signal électrique ni trop lentes, ni trop rapides. Dans ce cas, le condensateur va se comporter comme une résistance dont la valeur varie en fonction de la fréquence du signal électrique.
Il existe en particulier une fréquence pour laquelle le condensateur se comporte comme une résistance de la même valeur que la résistance R. À cette fréquence là, la variation de la tension de sortie peut être calculée très facilement en fonction de la variation de la tension d'entrée :
Cette fréquence est appelée la fréquence de coupure. On la note Fc. La formule permettant de la calculer à partir de la valeur de la résistance (en Ohm) et du condensateur (en Farad) est simple :
Aux autres fréquences (qu'on note F), la résistance du condensateur (notée Rc) peut être calculée facilement :
En appliquant la formule du pont diviseur on peut calculer Vsortie en fonction de Ventrée et de la fréquence F du signal :
On peut simplifier la formule en divisant le haut et le bas de la fraction par R :
puis en multipliant le haut et le bas de la fraction par F :
Dans ce tableau, vous avez le calcul de Vsortie / Ventrée en fonction de F calculée par rapport à Fc.
| Fréquence | Vsortie / Ventrée | ou encore |
|---|---|---|
| Fc / 100 | 1 / 101 | 0,0099... |
| Fc / 10 | 1 / 11 | 0,0909... |
| Fc / 4 | 1 / 5 | 0,2 |
| Fc / 2 | 1 / 3 | 0,3333... |
| Fc | 1 / 2 | 0,5 |
| 2 x Fc | 2 / 3 | 0,6666... |
| 4 x Fc | 4 / 5 | 0,8 |
| 10 x Fc | 10 / 11 | 0,9090... |
| 100 x Fc | 100 / 101 | 0,99009... |
Le graphique à droite montre la même chose.
Attention : le échelles du graphique sont logarithmiques. Entre 2 lignes verticales, la fréquence est multipliées par 10 et entre les lignes horizontales du bas, c'est la tension de sortie qui est multipliées par 10.
Filtre passe bas[modifier | modifier le wikicode]
Le schéma qui a pour titre Schéma d'un filtre passe bas est très semblable au schéma d'un filtre passe haut qu'on vient d'étudier. On a juste interverti la position de la résistance et du condensateur. On peut donc deviner qu'il va faire l'inverse de ce que fait le filtre passe haut.
Examinons ce qui se passe dans 2 cas extrêmes :
- Si la tension du signal électrique envoyé sur Ventrée varie extrêmement lentement, une fois le condensateur chargé, il se comporte comme une résistance extrêmement forte (beaucoup plus forte que la résistance R). Dans ce cas, on va retrouver ces mêmes variations sur Vsortie.
- Au contraire, si la tension du signal électrique envoyé sur Ventrée varie extrêmement vite, le condensateur n'a pas le temps de se charger ou de se décharger. Dans ce cas, la présence du condensateur C relié à la masse (0 v) abaisse à un niveau extrêmement bas la tension qu'on pourra récupérer sur Vsortie.
Mais comme dans le cas du filtre passe haut, il est encore plus intéressant de voir ce qui se passe pour des variations de tension du signal électrique ni trop lentes, ni trop rapides.
La résistance du condensateur (notée Rc) varie en fonction de la fréquence du signal et se calcule de la même façon que précédemment :
En appliquant la formule du pont diviseur on peut calculer Vsortie en fonction de Ventrée et de la fréquence F du signal :
On peut simplifier la formule en divisant le haut et le bas de la fraction par R :
puis en multipliant le haut et le bas de la fraction par F :
Dans ce tableau, vous avez le calcul de Vsortie / Ventrée en fonction de F calculée par rapport à Fc.
| Fréquence | Vsortie / Ventrée | ou encore |
|---|---|---|
| Fc / 100 | 100 / 101 | 0,99009... |
| Fc / 10 | 10 / 11 | 0,9090... |
| Fc / 4 | 4 / 5 | 0,8 |
| Fc / 2 | 2 / 3 | 0,6666... |
| Fc | 1 / 2 | 0,5 |
| 2 x Fc | 1 / 3 | 0,3333... |
| 4 x Fc | 1 / 5 | 0,2 |
| 10 x Fc | 1 / 11 | 0,0909... |
| 100 x Fc | 1 / 101 | 0,0099... |
Le graphique à droite montre la même chose.
Quelques utilisations des condensateurs[modifier | modifier le wikicode]
Nous venons de voir 2 montages constitués d'un condensateur et une résistance : les filtres passe haut et passe bas.
Dans un amplificateur de son, un filtre passe bas avec la bonne fréquence de coupure (autour de 500 Hz) peut permettre d'atténuer ou d'éliminer les sons aigus alors qu'un filtre passe haut permettra d'atténuer ou d'éliminer les sons graves. En réglant ensuite avec un potentiomètre la proportion entre les 2 signaux, on peut envoyer plus ou moins de graves ou d'aigus dans les haut-parleurs.
Toutefois, si on veut régler avec précision le volume sonore octave par octave, il faut des filtres plus sélectifs (et plus compliqués à réaliser) que les deux qu'on vient d'étudier.
La possibilité qu'a un condensateur de se charger et de se décharger, et donc de laisser passer de moins en moins d'électricité lorsque le temps s'écoule permet aussi des réaliser des minuteries ou des oscillateurs.
Mais cette possibilité est aussi utilisée dans une alimentation électrique pour transformer du courant alternatif en courant continu. Dans le schéma à droite, après avoir utilisé un pont redresseur pour que le courant passe toujours dans le même sens (ondulations en gris), le condensateur restitue de l'électricité lorsque la tension baisse et se recharge lorsque la tension remonte vers son maximum. La tension disponible aux bornes du condensateur correspond à la courbe en rouge. En rajoutant un stabilisateur de tension, on obtiendra un courant vraiment continu.
Condensateur variable[modifier | modifier le wikicode]
De la même manière qu'il existe des potentiomètres qui, en ne branchant que le fil central et celui d'une des deux extrémités, permettent d'obtenir une résistance variable, il existe des condensateurs dont on peut faire varier la capacité.
Leur schéma électrique est indiqué à gauche.
Une série d'armatures du condensateur variable est fixe, l'autre peut tourner autour d'un axe. Ainsi, la surface de la série d'armature mobile qui est en face de la série d'armatures fixes varie et avec elle la capacité du condensateur.
Le diélectrique présent entre les armatures peut être un matériau plastique comme le polyester ou de l'air. Toutefois, comme une série d'armatures bouge dans le condensateur variable, on ne peut pas construire des diélectriques à la fois extrêmement fins et solides. De ce fait, la capacité maximale d'un condensateur variable est faible (quelques centaines de picofarad au maximum).
Les condensateurs variables étaient utilisés au siècle dernier dans les récepteurs radio à modulation d'amplitude pour sélectionner la station radio à écouter. En changeant la capacité du condensateur on modifiait la fréquence d'un oscillateur pour la régler sur celle de l'émetteur à recevoir.
Paramètres qui influent sur la capacité d'un condensateur[modifier | modifier le wikicode]
Pour fabriquer un condensateur de très faible capacité (quelques picofarad ou quelques dizaines de picofarad), c'est très simple. On utilise une plaquette de métal pour chacune des deux armatures qu'on met en face l'une de l'autre et on rajoute un isolant (diélectrique) entre les deux.
Mais lorsqu'on a besoin de capacités plus grandes ça peut devenir plus compliqué si on ne veut pas que le condensateur prenne trop de place.
3 paramètres ont une influence sur la capacité d'un condensateur :
- la surface des armatures,
- l'épaisseur du diélectrique,
- le matériau dans lequel est fait le diélectrique.
C'est surtout les 2 premiers paramètres qu'on peut changer dans de grandes proportions.
Augmenter la surface des armatures[modifier | modifier le wikicode]
 Ce schéma montre comment beaucoup de condensateurs sont construits. |
Plus la surface des armatures est grande, plus la capacité du condensateur sera grande, mais le risque est qu'un condensateur de grande capacité devienne très encombrant. Aussi, au lieu de fabriquer seulement 2 armature de grande surface, on peut en empiler plusieurs plus petites comme dans le schéma à droite.
Dans le schéma de droite, au lieu d'avoir 2 armatures, chacune reliée à un fil, il y a 14 armatures en tout. En les comptant de haut en bas, les 7 armatures qui ont un numéro impair sont reliées au fil du haut et les 7 armatures qui ont un numéro pair sont reliées au fil du bas. Entre les armatures, il y a des couches d'isolants (diélectrique), 13 couches en tout dans le cas de schéma (une couche de moins que le nombre total d'armatures).
Lorsqu'une armature du condensateur est entre 2 autres armatures, l'accumulation des charges électriques se fait sur ses 2 faces. Dans le schéma de droite, seule l'armature tout à fait en haut et celle tout à fait n'ont qu'une face qui accumule les charges électriques.
Finalement, en empilant 14 armatures au lieu de seulement 2, le nombre de faces d'armature qui accumule des charges électrique est passé de 2 à 26 et la capacité du condensateur a été multipliée par 13.
Mais au lieu d'empiler plusieurs petites armatures et de les relier entre elles, on peut aussi fabriquer 2 armatures rectangulaires très longues et les enrouler en cylindre en rajoutant de l'isolant de chaque coté afin que le métal d'une armature ne touche pas celui de l'autre.
Diminuer l'épaisseur du diélectrique[modifier | modifier le wikicode]
Les 2 les plus à gauche supportent 400 V et celui de 47 nF est plus petit.
Ceux de 100 nF et 220 nF ont à peu près la même taille mais celui qui a la plus grande capacité ne supporte que 250 V. Pareil pour les suivants dont l'encombrement augmente avec la capacité.
Une autre possibilité pour augmenter la capacité d'un condensateur sans augmenter en même temps son encombrement (et même en le réduisant un peu) est de diminuer l'épaisseur du diélectrique.
Plus le diélectrique est fin et donc plus les armatures peuvent être proches, plus pour la même surface d'armatures, la capacité du condensateur augmente. Malheureusement, un autre problème limite cette possibilité.
Au fur et à mesure qu'un condensateur se charge, des charges électriques s'accumulent sur ses armatures. Si elles deviennent trop nombreuses, ce qui est le cas lorsque la tension entre les armatures dépasse une certaine valeur, il peut se produire un arc électrique entre les armatures qui va détruire le diélectrique et mettre les armatures en contact l'une avec l'autre. Dans ce cas, c'est comme si le condensateur avait été remplacé par un fil.
La tension à laquelle se produit l'arc électrique s'appelle la tension de claquage. Afin d'éviter qu'un claquage de condensateur se produise, les condensateurs sont vendus en indiquant une tension d'utilisation maximum à respecter pour qu'ils puissent fonctionner longtemps.
Si un condensateur ne doit fonctionner que sous une faible tension (quelque volts), on peut utiliser des diélectriques fins et fabriquer des condensateurs peu encombrants. Mais si le condensateur doit supporter des centaines ou des milliers des volts, il faudra un diélectrique plus épais et donc, pour atteindre la même capacité, on devra augmenter la surface des armatures et avec elle l'encombrement du condensateur.
Technologie des condensateurs[modifier | modifier le wikicode]
Condensateurs "classiques"[modifier | modifier le wikicode]
Jusqu'à environ 1 µF (ou éventuellement plus si on a besoin d'une tension de claquage élevée, mais dans ce cas le condensateur deviendra volumineux), le condensateurs sont construits avec des armatures métalliques et un isolant pour le diélectrique.
Les diélectriques sont réalisés le plus souvent dans des matières plastiques, surtout en Polyéthylène qui est un matériau qui peut être réalisé en couches très minces.
Mais pour des condensateurs de petite capacités (moins de 1 nF), d'autres matériaux peuvent être utilisés comme la céramique ou le verre, surtout pour des condensateurs utilisés avec des signaux électriques à très haut fréquence (plusieurs gigahertz).
Condensateurs électrolytiques[modifier | modifier le wikicode]
 Schémas d'un condensateur classique et d'un condensateur électrolytique. |
Les condensateur chimiques ou électrolytiques utilisent une réaction chimique : l'électrolyse pour la fabrication du diélectrique. Ce principe de fabrication permet de réaliser des diélectriques très fins (quelques atomes) afin de pouvoir réaliser des condensateurs de grande capacité qui n'occuperont qu'un faible volume.
On peut trouver des condensateurs électrolytiques à partir de 0,1 µF, mais c'est surtout à partir de 1 µF que ce type de condensateur est fabriqué et certains de ces condensateurs atteignent au moins 22 000 µF.
Contrairement aux condensateurs classiques, le condensateur électrolytique n'est construit qu'avec une seule armature métallique reliée à l'un des deux fils, alors que l'intérieur du condensateur contient aussi une gelée (c'est à dire un matériau intermédiaire entre un liquide et un solide, un peu comme certaines confitures comme celle de groseille) qui conduit l'électricité et est reliée à l'autre fil.
La première fois qu'on charge ce type de condensateur, une réaction d'électrolyse se produit à la surface de l'armature métallique qui se recouvre d'une fine couche isolante. C'est ainsi qu'est créé le diélectrique.
Une des conséquences de l'utilisation de l'électrolyse est que ces condensateurs sont dit "polarisés". Lors de la charge du condensateur, l'armature métallique doit être reliée au pôle - de l'alimentation électrique alors que le fil relié au gel conducteur doit être relié au pôle +. L'indication du sens de branchement est écrite sur ces condensateurs qui ont une forme cylindrique et lorsque les 2 fils du condensateur se trouvent chacun d'un coté du cylindre, il y a en plus un étranglement du cylindre du coté du fil à relier au pôle +.
Sur les schémas électroniques, la polarisation des condensateurs électrolytiques est aussi indiquée.
Les condensateurs électrolytiques présentent aussi un autre défaut : le gel conducteur laisse moins passer l'électricité qu'un métal. Ce type de condensateur présente donc une résistance interne d'une fraction d'ohm. Elle ne pose pas toujours un problème, mais si on veut éliminer efficacement les signaux haute fréquence dans un filtre passe bas qui utilise un condensateur électrolytique, il faut aussi mettre en parallèle un condensateur classique de plus faible capacité qui fera bien mieux une partie du travail.
Super condensateurs[modifier | modifier le wikicode]
Pour arriver à des capacités autour de 1 F ou plus, il existe une autre catégorie de condensateurs appelé supercondensateurs dont le principe de fonctionnement est intermédiaire entre celui du condensateur et celui de la batterie. Ils ne sont prévus pour fonctionner que jusqu'à 2,7 v et doivent être montées en série pour des tensions supérieures, mais du coup, la capacité du condensateur obtenu est divisée par le nombre de condensateurs (identiques) utilisés.
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