B2   LES CONDENSATEURS
 
B2.1 Première approche
B2.2 Condensateur - capacité
B2.3 Tension de service
B2.4 Résistance d'isolement et facteur de pertes
B2.5 Schéma équivalent
B2.6 En régime permanent (sinusoïdal)
B2.7 Réactance capacitive
B2.8 Régime impulsionnel
B2.9 Circuit oscillant

 

B2.1  Première approche
 Selon la Méthode d'analyse, M. J.NEUENSCHWANDER
 SYMBOLE*

 FONCTION*
La fonction générique d'un condensateur est celle d'un réservoir de tension électrique après lui avoir déplacé les électrons de ses électrodes métalliques.
Ce qui signifie que la tension aux bornes du condensateur varie en fonction du courant de charge ou de décharge qui lui est imposé. Si aucun courant ne circule, le condensateur conserve la tension à ses bornes au moment de l'arrêt.
SPECIFICATIONS TYPES*
Capacité nominale C [F], Tension de service [V],
Tolérance [%], Facteur de pertes tgd et coefficient de températures [1/K].
TECHNOLOGIE
Il est composé de deux électrodes métalliques séparées par un isolant. Ce système est réalisé soit par des feuilles enroulées, empilées ou placées de manière tubulaire. Une métallisation d'une plaquette de céramique est également une technique utilisée.
Ils sont protégés des influences extérieures par une couche de vernis, un enrobage de masse isolante (résine) ou un boîtier d'aluminium.
 UTILISATIONS
Dans les alimentations comme condensateurs de filtrage.
Ils servent également de liaisons ou de découplages pour bloquer une composante continue et favoriser le passage de la composante alternative (ou signal) d'une tension.
Ils composent les circuits résonnants associés aux bobines.
Peuvent encore déparasiter, compenser une charge inductive ou ou servir au démarrage de moteurs.
METHODE DE CONTRÔLE*
A l'ohmmètre, seul les condensateurs de grandes valeurs peuvent laisser apparaître le courant initial, sinon uniquement un court-circuit peut être identifié.
A l'oscilloscope, le suivi d'un signal peut indiquer une défaillance d'un condensateur. Sinon, seuls les capacimètres donnent une valeur en Farad pour vérifier le composant.
Il n'est peut-être pas inutile de préciser ici qu'un bon praticien professionnel a besoin de connaître "par coeur" les indications suivies de l'astérisque * pour une pratique efficace du dépannage des circuits électroniques.
 
 

B2.2  Condensateur - capacité

Lorsque deux surfaces conductrices sont placées l'une vers l'autre et soumises à une tension électrique, nous constatons une accumulation de charges électriques dans l'espace isolant qui les séparent. Tout composant qui présente une telle propriété est un condensateur.

Nous pouvons dire également qu'un condensateur est caractérisé par la propriété de conserver une tension à ses bornes après avoir déplacé une certaine quantité de charges électriques présentes dans les électrodes, soit:

Un condensateur qui présente une tension de 1 volt à ses bornes après lui avoir fait déplacé un courant de 1 ampère pendant 1 seconde possède une capacité de 1 Farad.

Ce phénomène est une accumulation locale d'énergie qui n'est pas dissipée en chaleur comme dans une résistance, mais qui peut au contraire être restituée.

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La valeur nominale de la capacité dépend essentiellement des dimensions des surfaces, de la distance les séparant ainsi que de la nature du matériau isolant (diélectrique) utilisé. Traduit en formules, nous obtenons:
       
      avec  e : Permittivité absolue  [F/m]
  e x A                         A : Surface commune aux deux électrodes conductrices  [m2]
   C = -----------     [F]            d : Distance séparant les électrodes  [m]
              d                                       (= épaisseur du diélectrique)  
   et                                                  e0  : Permittivité du vide (ou air) 8,86E-12 [F/m]
    e = e0  x  er                            er : Permittivité relative du diélectrique  [sans unité]

La permittivité relative exprime en fait de combien de fois le phénomène de capacité est meilleur (ou plus grand) que le vide d'air ou l'air libre. Une permittivité relative de er = 8 pour un diélectrique signifie que l'on obtient une capacité 8 fois plus grande, pour les mêmes dimensions, que si les électrodes n'étaient séparées que par de l'air.

Pour obtenir des condensateurs de grande capacité, il est indispensable de disposer d'une grande surface commune aux deux électrodes avec une faible distance entre elles et d'un diélectrique à haute permittivité relative.

Ce qui pose des contraintes de résistance à l'isolation (rigidité diélectrique) et d'encombrement.

De plus, le diélectrique doit posséder des performances en stabilité vis-à-vis de la température, du vieillissement ou de la fiabilité (variation de capacité en %).

De manière générale, la durée de vie d'un condensateur diminue avec l'accroissement de la tension appliquée et de la température ambiante.

 

B2.3  Tension de service

Un condensateur est prévu pour fonctionner de manière permanente avec une tension relativement précise. La tension de service est une caractéristique aussi importante que la valeur nominale de capacité et est toujours indiquées sur le composant.

La valeur indiquée sur le boîtier représente généralement la valeur maximale en régime permanent pour laquelle les spécifications du condensateurs restent valables. La pratique nous montre que les valeurs mesurées dans les circuits électroniques sont situées aux alentours de 60% de la tension de service.

 

B2.4  Résistance d'isolement et facteur de pertes
 
Tout diélectrique utilisé pour la réalisation de condensateurs ne peut avoir des caractéristiques idéales. Un léger courant de fuite est inévitable si une tension est appliquée et nous pouvons parler de résistance d'isolement du diélectrique (donné en mégaohm). Cette résistance d'isolement diminue avec le vieillissement, il peut également dépendre des conditions climatiques.
 
D'autre part, lorsque le condensateur est utilisé en alternatif, l'énergie nécessaires aux molécules du diélectrique pour suivre le changement de sens du champ électrique entraîne une puissance moyenne consommée et perdue. Ces pertes, appelées "par hystérésis électrique", sont à peu près proportionnelles à la fréquence.
 
L'ensemble des pertes par courant de fuite et par hystérésis peut être symbolisée par une résistance et imaginée soit en série RS, soit en parallèle RP. Les fabricants nous donnent le facteur de pertes qui est en fait le rapport de la puissance perdue avec la puissance réactive idéale.

Le facteur de pertes est important en régime alternatif et peut s'exprimer par le rapport trigonométrique des vecteurs de tensions comme illustrés sur l'image ci-dessus.

 

B2.5  Schéma équivalent

Si nous observons d'un peu plus près le comportement d'un condensateur dans un circuit électronique, nous obtenons un schéma équivalent plus complet.

Comme pour les résistances, le mode de fabrication et la présence inévitable des fils de connexions entraînent l'apparition d'une composante inductive, appelée inductivité propre L.

La résistance Rc représente les résistances des connexions, la résistance Rd la valeur équivalente due aux pertes dans le diélectrique et C la valeur de la capacité admise idéale.

 

B2.6  En régime permanent (sinusoïdal)

Lorsque nous voulons connaître le comportement d'un composant en alternatif, nous pouvons aisément le mesurer à l'aide d'appareils électroniques simples: Générateurs de signaux, oscilloscopes, multimètres.

Le régime permanent le plus pratique pour l'analyse en alternatif est obtenu avec un signal sinusoïdal. Nous pouvons nous attendre à ce que le condensateur aie un comportement similaire avec un signal usuel (audio, vidéo, data,...).

Nous constatons que la tension et le courant ont la même forme mais sont décalés l'un par rapport à l'autre de 90 degrés ou d'un quart de période. Le courant dans le condensateur est en avance sur la tension à ses bornes lorsqu'il est alimenté en alternatif.

Il faut noter que si nous avons l'impression qu'un courant traverse le condensateur, il s'agit en fait du déplacement des électrons des électrodes métalliques et qu'il n'y a bien sûr aucun courant dans le diélectrique.

 

B2.7  Réactance capacitive

Le comportement du condensateur en fonction de la fréquence amène une grande variation du rapport tension-courant . Lorsque la fréquence tend vers zéro, l'amplitude du courant est pratiquement nul et la capacité se comporte comme un circuit ouvert.

A l'inverse, lorsque la fréquence est élevée, c'est l'amplitude de la tension qui tend vers zéro et la capacité se comporte comme un court-circuit.

Nous parlons de réactance capacitive XC exprimé en ohm [W] pour illustrer le comportement du condensateur en fonction de la fréquence. Cette propriété va permettre de réaliser des circuits électroniques qui sauront trier des fréquences ou empêcher une plage de fréquence de passer, comme dans le cas des filtres passe-haut par exemple.

 

B2.8  Régime impulsionnel

Il est utile de connaître (ou d'analyser) le comportement d'un condensateur en régime impulsionnel lorsqu'il est utilisé avec des signaux digitaux et également pour étudier ce qui se passe au moment de l'enclenchement (parfois au moment du déclenchement).

Nous parlons de phénomènes transitoires et pouvons les mesurer avec un signal de "saut à l'unité", ou simplement en situation de ON -OFF. Considérons le circuit simplifié ci-dessous et observons son comportement par la forme des diverses tensions et du courant dans le circuit.

La forme du courant dans le circuit est identique à la tension aux bornes de la résistance car la loi d'ohm reste valable i(t) = ur(t) / R. Notons que la tension sur la résistance change de polarité selon que le condensateur est en régime de charge ou de décharge. Cette propriété est utilisée pour réaliser des circuits électroniques capables de détecter une différence de tension (différenciateurs) ou pour déclencher des systèmes.

La vitesse du phénomène transitoire visible dépend de la constante de temps du circuit donné par le produit de R et C, exprimé par la lettre grecque Tau: t = R x C [s].

 

B2.9  Circuit oscillant

Les condensateurs sont souvent associés aux bobines dans les circuits électroniques. Ils peuvent être couplés soit en série soit en parallèle, le résultat est le même. Chacun de ces composant emmagasine de l'énergie l'un sous forme électrostatique et l'autre électromagnétique.

Le condensateur et la bobine emmagasinent l'énergie à tour de rôle; ces deux composants s'échangent mutuellement de l'énergie électrique en jeux. Cet échange se fait à une vitesse bien précise. Elle dépend de la valeur des composants L et C.

Si nous regardons l'évolution du courant dans le circuit série dès l'enclenchement de l'alimentation nous constatons que l'échange est de forme sinusoïdale dont la fréquence se calcule d'après la formule w2 x L x C = 1, avec w = 2 x p x f. Elle est appelée fréquence d'oscillation fo ou fréquence de résonnance fr.

Un circuit oscillant, appelé également circuit RLC, est le siège d'oscillations dites amorties si la valeur de la résistance totale du circuit ne dépasse pas une valeur critique. Pour la courbe a le circuit est appelé sur-critique, la courbe b critique et la courbe c oscillation amorties.

Cette propriété oscillante en fait des circuits qui varient d'impédance apparente en fonction de la fréquence.

Un circuit oscillant série présente une petite impédance à la fréquence d'oscillation et une grande impédance pour toutes les autres fréquences.

Un circuit oscillant parallèle présente une grande impédance à la fréquence d'oscillation et une petite impédance pour toutes les autres fréquences.

Les circuits oscillants peuvent donc choisir une fréquence parmis d'autres ce qui est énormément utilisé en électronique de télécommunication.

 

Cette page est directement inspirée du livre
F. DE COULON et M.JUFER   INTRODUCTION A L'ELECTROTECHNIQUE
TRAITE D'ELECTRICITE VOLUME 1 ( 7e éd.) LAUSANNE  PPUR    1995