Dans cette introduction au tutoriel sur les condensateurs, nous verrons que les condensateurs sont des composants électroniques passifs constitués de deux pièces ou plus de matériau conducteur séparées par un matériau isolant. Le condensateur est un composant qui a la capacité ou la « capacité » de stocker de l’énergie sous forme de charge électrique produisant une différence de potentiel (Tension Statique) à travers ses plaques, un peu comme une petite batterie rechargeable.

Il existe de nombreux types différents de condensateurs disponibles, allant des perles de condensateur très petites utilisées dans les circuits de résonance aux grands condensateurs de correction du facteur de puissance, mais ils remplissent tous la même fonction : ils stockent une charge.

Dans sa forme de base, un condensateur se compose de deux plaques conductrices (métalliques) parallèles qui ne sont pas connectées ou ne se touchent pas, mais qui sont électriquement séparées soit par l’air, soit par un bon matériau isolant. Ce matériau isolant peut être du papier ciré, de la mica, de la céramique, du plastique ou une forme de gel liquide comme dans les condensateurs électrolytiques.

En tant que bonne introduction aux condensateurs, il convient de noter que la couche isolante entre les plaques d’un condensateur est communément appelée le Dielectrique.

Un Condensateur Typique

En raison de cette couche isolante, le courant continu ne peut pas passer à travers le condensateur, car elle le bloque, permettant au lieu de cela qu’une tension soit présente à travers les plaques sous forme de charge électrique.

Les plaques métalliques conductrices d’un condensateur peuvent être carrées, circulaires ou rectangulaires, ou elles peuvent avoir une forme cylindrique ou sphérique, la forme, la taille et la construction générales d’un condensateur à plaques parallèles dépendant de son application et de sa tension nominale.

Lorsqu’un condensateur est utilisé dans un circuit à courant continu (CC), il se charge jusqu’à sa tension d’alimentation mais bloque le passage du courant à travers lui car le diélectrique d’un condensateur est non conducteur et constitue essentiellement un isolant. Cependant, lorsqu’un condensateur est connecté à un circuit à courant alternatif (CA), le courant semble passer directement à travers le condensateur avec peu ou pas de résistance.

Il existe deux types de charge électrique : une charge positive sous forme de protons et une charge négative sous forme d’électrons. Lorsque une tension CC est appliquée à travers un condensateur, la charge positive (+) s’accumule rapidement sur une plaque, tandis qu’une charge négative correspondante et opposée (-) s’accumule sur l’autre plaque. Pour chaque particule de charge positive qui arrive sur une plaque, une charge de même signe quittera la plaque négative.

Ensuite, les plaques restent neutres en charge et une différence de potentiel due à cette charge est établie entre les deux plaques. Une fois que le condensateur atteint son état stable, un courant électrique ne peut pas passer à travers le condensateur lui-même et autour du circuit en raison des propriétés isolantes du diélectrique utilisé pour séparer les plaques.

Le flux d’électrons vers les plaques est connu sous le nom de Courant de Charge du condensateur, qui continue de circuler jusqu’à ce que la tension à travers les deux plaques (et donc le condensateur) soit égale à la tension appliquée Vc. À ce stade, le condensateur est dit être « complètement chargé » d’électrons.

La force ou le taux de ce courant de charge est à sa valeur maximale lorsque les plaques sont complètement déchargées (condition initiale) et diminue lentement jusqu’à zéro à mesure que les plaques se chargent d’une différence de potentiel à travers les plaques du condensateur égale à la tension de la source.

Le montant de la différence de potentiel présente à travers le condensateur dépend de la quantité de charge déposée sur les plaques par le travail effectué par la tension de la source et également de la quantité de capacité que possède le condensateur, comme illustré ci-dessous.

Le condensateur à plaques parallèles est la forme la plus simple de condensateur. Il peut être construit en utilisant deux plaques en métal ou en feuille métallisée à une distance parallèle l’une de l’autre, avec sa valeur de capacité en Farads, étant fixée par la surface des plaques conductrices et la distance de séparation entre elles. La modification de deux de ces valeurs modifie la valeur de sa capacité et constitue la base de fonctionnement des condensateurs variables.

De plus, parce que les condensateurs stockent l’énergie des électrons sous forme de charge électrique sur les plaques, plus les plaques sont grandes et/ou plus leur séparation est petite, plus la charge que le condensateur possède pour une tension donnée à travers ses plaques est grande. En d’autres termes, des plaques plus grandes, une distance plus petite, plus de capacité.

En appliquant une tension à un condensateur et en mesurant la charge sur les plaques, le rapport de la charge Q à la tension V donnera la valeur de capacité du condensateur, et il est donc donné par : C = Q/V. Cette équation peut également être réarrangée pour donner la formule familière de la quantité de charge sur les plaques comme : Q = C x V.

Bien que nous ayons dit que la charge est stockée sur les plaques d’un condensateur, il est plus exact de dire que l’énergie à l’intérieur de la charge est stockée dans un « champ électrostatique » entre les deux plaques. Lorsque un courant électrique entre dans le condensateur, celui-ci se charge, ainsi le champ électrostatique devient beaucoup plus fort à mesure qu’il stocke plus d’énergie entre les plaques.

De même, lorsque le courant sort du condensateur, le déchargeant, la différence de potentiel entre les deux plaques diminue et le champ électrostatique diminue à mesure que l’énergie s’évacue des plaques.

La propriété d’un condensateur à stocker une charge sur ses plaques sous la forme d’un champ électrostatique est appelée la Capacité du condensateur. Non seulement cela, mais la capacité est également la propriété d’un condensateur qui résiste au changement de tension à travers lui.

La Capacité d’un Condensateur

La capacité est la propriété électrique d’un condensateur et est la mesure de la capacité d’un condensateur à stocker une charge électrique sur ses deux plaques avec l’unité de capacité étant le Farad (abrégé en F), nommé d’après le physicien britannique Michael Faraday.

La capacité est définie comme étant qu’un condensateur a une capacité de Un Farad lorsqu’une charge de Un Coulomb est stockée sur les plaques par une tension de Un volt. Notez que la capacité, C est toujours de valeur positive et n’a pas d’unités négatives. Cependant, le Farad est une unité de mesure très grande à utiliser seule, c’est pourquoi des sous-multiples du Farad sont généralement utilisés, tels que micro-Farads, nano-Farads et pico-Farads, par exemple.

Unités Standard de Capacité

• Microfarad  (μF)   1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10^-6 F
• Nanofarad  (nF)   1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10^-9 F
• Picofarad  (pF)   1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10^-12 F

Ensuite, en utilisant les informations ci-dessus, nous pouvons construire un tableau simple pour nous aider à convertir entre pico-Farad (pF), nano-Farad (nF), micro-Farad (μF) et Farads (F) comme montré.

Introduction aux condensateurs – Capacité

La capacité d’un condensateur à plaques parallèles est proportionnelle à l’aire, A en mètres², de la plus petite des deux plaques et inversement proportionnelle à la distance ou à la séparation, d (c’est-à-dire l’épaisseur du diélectrique) donnée en mètres entre ces deux plaques conductrices.

L’équation généralisée pour la capacité d’un condensateur à plaques parallèles est donnée par : C = ε(A/d), où ε représente la permittivité absolue du matériau diélectrique utilisé. La constante diélectrique, ε_o, également connue sous le nom de « permittivité du vide », a la valeur de la constante 8.854 x 10^-12 Farads par mètre.

Pour simplifier les calculs, cette constante diélectrique du vide, ε_o, qui peut être écrite comme : 1/(4π x 9×10⁹), peut également avoir des unités de picoFarads (pF) par mètre, la constante donnant : 8.85 pour la valeur du vide. Notez toutefois que la valeur de capacité résultante sera en picoFarads et non en farads.

En général, les plaques conductrices d’un condensateur sont séparées par un type de matériau isolant ou de gel plutôt que par un vide parfait. Lors du calcul de la capacité d’un condensateur, nous pouvons considérer la permittivité de l’air, et surtout de l’air sec, comme ayant la même valeur qu’un vide car elles sont très proches.

Introduction aux condensateurs Exemple N°1

Un condensateur est construit à partir de deux plaques conductrices métalliques de 30 cm x 50 cm séparées de 6 mm l’une de l’autre et utilise de l’air sec comme seul matériau diélectrique. Calculez la capacité du condensateur.

Alors, la valeur du condensateur constitué de deux plaques séparées par de l’air est calculée à 0.221 nF, ou 221 pF.

Introduction aux condensateurs – Le Dielectrique

En plus de la taille globale des plaques conductrices et de leur distance ou espacement l’une par rapport à l’autre, un autre facteur qui affecte la capacité globale du dispositif est le type de matériau diélectrique utilisé. En d’autres termes, la « Permittivité » (ε) du diélectrique.

Les plaques conductrices d’un condensateur sont généralement fabriquées en film ou en feuille métallique permettant le passage des électrons et de la charge, mais le matériau diélectrique utilisé est toujours un isolant. Les différents matériaux isolants utilisés comme diélectrique dans un condensateur diffèrent dans leur capacité à bloquer ou à transmettre une charge électrique.

Ce matériau diélectrique peut être fabriqué à partir d’un certain nombre de matériaux isolants ou de combinaisons de ces matériaux, les plus courants étant : l’air, le papier, le polyester, le polypropylène, le Mylar, la céramique, le verre, l’huile, ou une variété d’autres matériaux.

Le facteur par lequel le matériau diélectrique, ou isolant, augmente la capacité du condensateur par rapport à l’air est connu comme la Constante Diélectrique, k, et un matériau diélectrique avec une constante diélectrique élevée est un meilleur isolant qu’un matériau diélectrique avec une constante diélectrique plus faible. La constante diélectrique est une quantité sans dimension car elle est relative à l’espace libre.

La permittivité réelle ou « permittivité complexe » du matériau diélectrique entre les plaques est alors le produit de la permittivité de l’espace libre (ε_o) et de la permittivité relative (ε_r) du matériau utilisé comme diélectrique et est donnée comme :

Permanence Complexe

En d’autres termes, si nous prenons la permittivité de l’espace libre, ε_o, comme notre niveau de base et en faisons égal à un, lorsque le vide de l’espace libre est remplacé par un autre type de matériau isolant, leur permittivité de son diélectrique est référencée à la diélectrique de base de l’espace libre, donnant un facteur de multiplication connu sous le nom de « permittivité relative », ε_r. Ainsi, la valeur de la permittivité complexe, ε, sera toujours égale à la permittivité relative multipliée par un.

Les unités typiques de la permittivité diélectrique, ε, ou constante diélectrique pour les matériaux courants sont : Vide Pur = 1.0000, Air = 1.0006, Papier = 2.5 à 3.5, Verre = 3 à 10, Mica = 5 à 7, Bois = 3 à 8 et Poudres d’Oxyde Métallique = 6 à 20, etc. Cela nous donne ensuite une équation finale pour la capacité d’un condensateur comme :

Une méthode utilisée pour augmenter la capacité globale d’un condensateur tout en gardant sa taille petite est d’« entrelacer » plusieurs plaques ensemble à l’intérieur d’un même corps de condensateur. Au lieu d’un seul ensemble de plaques parallèles, un condensateur peut avoir de nombreuses plaques individuelles connectées ensemble, augmentant ainsi la surface, A, des plaques.

Pour un condensateur à plaques parallèles standard comme montré ci-dessus, le condensateur a deux plaques, étiquetées A et B. Ainsi, comme le nombre de plaques de condensateur est deux, nous pouvons dire que n = 2, où “n” représente le nombre de plaques.

Ensuite, notre équation ci-dessus pour un seul condensateur à plaques parallèles devrait vraiment être :

Cependant, le condensateur peut avoir deux plaques parallèles mais seulement un côté de chaque plaque est en contact avec le diélectrique au milieu, alors que l’autre côté de chaque plaque forme l’extérieur du condensateur. Si nous prenons les deux moitiés des plaques et les rejoignons, nous n’avons effectivement qu’« une » plaque entière en contact avec le diélectrique.

Comme pour un seul condensateur à plaques parallèles, n – 1 = 2 – 1, ce qui équivaut à 1, comme C = (ε_o*ε_r x 1 x A)/d est exactement le même que de dire : C = (ε_o*ε_r*A)/d, ce qui est l’équation standard ci-dessus.

Maintenant, supposons que nous ayons un condensateur composé de 9 plaques entrelacées, alors n = 9 comme montré.

Condensateur Multi-plaques

Nous avons maintenant cinq plaques connectées à une borne (A) et quatre plaques à l’autre borne (B). Ensuite, les deux côtés des quatre plaques connectées à la borne B sont en contact avec le diélectrique, tandis que seulement un côté de chaque plaque extérieure connectée à A est en contact avec le diélectrique. Ensuite, comme précédemment, la surface utile de chaque ensemble de plaques est de seulement huit et sa capacité est donc donnée par :

Les condensateurs modernes peuvent être classés selon les caractéristiques et propriétés de leur diélectrique isolant :

• Faible Perte, Haute Stabilité comme la mica, la céramique à faible constante diélectrique, le polystyrène.
• Perte Moyenne, Stabilité Moyenne comme le papier, le film plastique, la céramique à haute constante diélectrique.
• Condensateurs Polarisés comme les électrolytiques, les tantalums.

Introduction aux Condensateurs – Tension Nominale

Tous les condensateurs ont une tension nominale maximale, et lors de la sélection d’un condensateur, il faut tenir compte de la quantité de tension à appliquer à travers le condensateur. Le maximum de tension qui peut être appliqué au condensateur sans endommager son matériau diélectrique est généralement indiqué dans les fiches techniques comme : WV (tension de fonctionnement) ou comme WV DC (tension de fonctionnement CC).

Si la tension appliquée à travers le condensateur devient trop élevée, le diélectrique se détériorera (appelé défaillance électrique) et un arc se produira entre les plaques du condensateur, entraînant un court-circuit. La tension de fonctionnement du condensateur dépend du type de matériau diélectrique utilisé et de son épaisseur.

La tension de fonctionnement CC d’un condensateur est exactement cela : la tension CC maximale et NON la tension CA maximale, car un condensateur avec une tension CC nominale de 100 volts ne peut pas être soumis en toute sécurité à une tension alternative de 100 volts. Puisqu’une tension alternative qui a une valeur RMS de 100 volts aura une valeur pic de plus de 141 volts ! (√2 x 100).

Alors, un condensateur qui doit fonctionner à 100 volts CA devrait avoir une tension de fonctionnement d’au moins 200 volts. En pratique, un condensateur devrait être sélectionné de sorte que sa tension de fonctionnement, qu’elle soit CC ou CA, soit d’au moins 50 % supérieure à la plus haute tension effective qui doit lui être appliquée.

Un autre facteur qui affecte le fonctionnement d’un condensateur est le Fuite Diélectrique. La fuite diélectrique se produit dans un condensateur en raison d’un courant de fuite indésirable qui circule à travers le matériau diélectrique.

En général, on suppose que la résistance du diélectrique est extrêmement élevée et un bon isolant bloquant le passage du courant CC à travers le condensateur (comme dans un condensateur parfait) d’une plaque à l’autre.

Cependant, si le matériau diélectrique est endommagé en raison d’une tension excessive ou d’une température élevée, le courant de fuite à travers le diélectrique deviendra extrêmement élevé, entraînant une perte rapide de charge sur les plaques et une surchauffe du condensateur, aboutissant finalement à une défaillance prématurée du condensateur. Ne jamais utiliser un condensateur dans un circuit avec des tensions plus élevées que celle pour laquelle le condensateur est prévu, sinon il pourrait devenir chaud et exploser.

Résumé de l’Introduction aux Condensateurs

Nous avons vu dans ce tutoriel que la fonction d’un condensateur est de stocker une charge électrique sur ses plaques. La quantité de charge électrique qu’un condensateur peut stocker sur ses plaques est connue sous le nom de sa valeur de Capacité et dépend de trois facteurs principaux.

• Surface – la superficie, A, des deux plaques conductrices qui composent le condensateur, plus la surface est grande, plus la capacité est élevée.
• Distance – la distance, d, entre les deux plaques, plus la distance est petite, plus la capacité est élevée.
• Matériau Diélectrique – le type de matériau qui sépare les deux plaques, appelé « diélectrique », plus la permittivité du diélectrique est élevée, plus la capacité est grande.

Nous avons également vu qu’un condensateur est constitué de plaques métalliques qui ne se touchent pas mais sont séparées par un matériau appelé diélectrique. Le diélectrique d’un condensateur peut être l’air, ou même un vide, mais il s’agit généralement d’un matériau isolant non conducteur, tel que du papier ciré, du verre, de la mica, différents types de plastiques, etc. Le diélectrique offre les avantages suivants :

• La constante diélectrique est la propriété du matériau diélectrique et varie d’un matériau à l’autre, augmentant la capacité par un facteur de k.
• Le diélectrique fournit un support mécanique entre les deux plaques, permettant aux plaques d’être plus proches sans se toucher.
• La permittivité du diélectrique augmente la capacité.
• Le diélectrique augmente la tension de fonctionnement maximale par rapport à l’air.

Les condensateurs peuvent être utilisés dans de nombreuses applications и circuits différents tels que le blocage des courants CC tout en laissant passer les signaux audio, les impulsions, ou le courant alternatif, ou d’autres formes d’ondes variables dans le temps. Cette capacité à bloquer les courants CC permet aux condensateurs d’être utilisés pour lisser les tensions de sortie des alimentations, pour supprimer les pics indésirables des signaux qui sinon pourraient provoquer des dommages ou des déclenchements erronés des semi-conducteurs ou des composants numériques.

Les condensateurs peuvent également être utilisés pour ajuster la réponse en fréquence d’un circuit audio, ou pour coupler ensemble des étapes d’amplification séparées qui doivent être protégées contre la transmission de courant CC.

Lorsqu’il est utilisé sur des alimentations CC, un condensateur a une impédance infinie (circuit ouvert), à des fréquences très élevées, un condensateur a une impédance nulle (court-circuit). Tous les condensateurs ont une tension nominale maximale de fonctionnement CC (WVDC) donc il est conseillé de sélectionner un condensateur avec une tension nominale au moins 50 % plus élevée que la tension d’alimentation.

Nous avons vu dans cette introduction aux condensateurs qu’il existe une grande variété de styles et de types de condensateurs, chacun ayant ses propres avantages, inconvénients et caractéristiques. Pour inclure tous les types, cette section de tutoriel serait très vaste, donc dans le prochain tutoriel sur les condensateurs, je les limiterai aux types les plus couramment utilisés.