Les condensateurs

Un condensateur (capacitor, en anglais) est un dipôle constitué de deux armatures conductrices (plaques métalliques planes et parallèles), séparées par un diélectrique, ou isolant (air, papier, mica…).
Soumis à une tension U, un condensateur possède la propriété de se charger et de conserver une charge électrique Q, proportionnelle à U. Cette énergie est restituée lors de la décharge du condensateur. Ces phénomènes de charge et de décharge ne sont pas instantanés; ce sont des phénomènes transitoires, liés à une durée.
On pourrait comparer le condensateur à un réservoir qui se remplit et se vide, ou à un poumon qui se gonfle et se dégonfle…
La capacité du condensateur, qui s’exprime en farads (symbole F), est égale au quotient de U (tension à ses bornes) par Q (quantité d’électricité).

Un farad correspond au stockage d’une charge électrique de 1 coulomb sous une d.d.p. (différence de potentiel) de 1 volt. Dans la pratique, on n’utilise que des sous-multiples du farad: milli farad (mF), microfarad (µF), nanofarad (nF).

 
Association de condensateurs

Les condensateurs, comme les résistances, peuvent être associés en parallèle. La valeur de la capacité équivalente résultant de cette association est la somme des condensateurs mis en parallèle.

La cellule R-C

Lorsqu’un condensateur C est monté en série avec une résistance R, comme sur le schéma ci-contre, ces deux composants forment un dipôle couramment appelé cellule RC.La constante de temps (c.t.) est égale au produit de R par C (R en ohms, C en farads, c.t. en secondes).

Soit une pile branchée sur une cellule RC. Le circuit étant fermé, le condensateur se charge à 63% (environ les deux tiers) de sa tension maximale en un temps égal à la constante de temps; à près de 95% de sa tension maximale en un temps égal à 3 fois la constante de temps; à 99% de sa tension maximale en un temps égal à 5 fois la constante de temps.
Circuit ouvert, la charge initiale du condensateur est divisée par un facteur de 2,7 au bout d’une durée égale à la c.t.; elle est très voisine de zéro au bout d’une durée égale à 5 fois c.t. En d’autres termes, charge maximale et décharge complète sont réalisées dans pratiquement le même laps de temps.
Les graphiques ci-dessous, réalisés à l’aide du logiciel de simulation PSpice (disponible sur le CD-ROM), permettent de visualiser les phénomènes de charge et de décharge d’un condensateur d’une cellule R-C (courbes vertes). La valeur de la constante de temps c.t. est ici de 0,1 ms; elle est matérialisée par une ligne verticale violette.

Voici à présent un petit exercice d’application:

Notez qu’il n’est pas tenu compte, dans ce calcul, de la dispersion des composants réels, qui est souvent (presque toujours!) voisine de 5%, voire davantage.
L’exercice suivant n’est guère plus compliqué: sur le circuit de gauche, composé d’une pile de 6 V, d’une résistance et d’un condensateur, on a branché deux voltmètres. Lorsqu’on ferme l’interrupteur SW, on obtient grâce à la fonction simulation de PSpice le graphique de droite:

La droite rouge correspond bien entendu à la tension de la pile, soit 6 V. La courbe verte représente la charge du condensateur C. Quelle est la constante de temps c.t.? Si la résistance R vaut 10 k, quelle est la valeur de la capacité C?
A partir de ce qui a été vu plus haut, on trouve une c.t. égale à 0,1 ms; à cet instant, en effet, la tension aux bornes de C vaut environ 3,8 V, soit 63% de 6 V. Si c.t. vaut 0,1 ms, soit 10^-4 s, et si R vaut 10 k, soit 10⁴ ohm, on trouve aisément C, qui est égal à 10^-8 farad, ou 10 nF.

Condensateurs non polarisés
Les condensateurs céramique ou à film plastique présentent une grande variété de formes et de caractéristiques.
Ils ont tous en commun, néanmoins, de ne pas être polarisés, au contraire de leurs homologues électrochimiques ou au tantale. En d’autres termes, ils ne possèdent pas un pôle « + » et un pôle « -« .

Trois critères sont à considérer dans le choix d’un condensateur non polarisé:

• sa capacité, exprimée en farad, qui indique quelle « quantité » d’électricité il pourra conserver,
• sa tension de service, exprimée en volts, qui est la tension maximale à ses bornes
• sa précision, ou tolérance

En ce qui concerne la capacité, les condensateurs céramique offrent des valeurs allant de 0,68 pF à 22 nF, tandis que les modèles MKT (polyester métallisé) sont généralement disponibles dans des valeurs de 1 nF à 2,2 ou 4,7 µF.
Rappelons qu’on peut obtenir une valeur supérieure par la mise en parallèle de deux condensateurs. Ainsi, deux condensateurs de 220 nF en parallèle donneront une capacité totale de 440 nF. Inversement, la mise en série donnera une valeur moindre. Deux condensateurs de 220 nF en série sont équivalents à un condensateur de 110 nF.
La tension de service peut être de 50 V, 63 V, 100 V, 200 V ou 400 V.
Attention! Un condensateur relié au secteur doit supporter une tension de service de 400 V, à moins qu’il ne soit précisé en clair que sa tension de service est de 250 V efficaces (250Vac ou inscription équivalente). L’amplitude du 230 V alternatif est en effet voisine de 310 V.
Quant à la tolérance, pour ce type de composants, elle est rarement meilleure que 10%, ce qui est toutefois très supérieur aux 20, 30 ou parfois 50% des électrochimiques…
 
Marquage des condensateurs non polarisés
Étant donné la grande variété de modèles disponibles parmi les condensateurs non polarisés, il n’est pas toujours aisé de « décoder » leur marquage. Voici les principaux marquages rencontrés:

On trouve encore des condensateurs non polarisés dont la valeur, la tension de service et la précision sont indiqués à l’aide du code des couleurs. Ces condensateurs sont désormais obsolètes.

Ci-dessus, le marquage des condensateurs MKT type « millefeuille », très répandus, et ci-dessous, des condensateurs « céramique », de faible capacité.

Ci-dessus, un condensateur MKT 400 V. Capacité: 0,33 µF Tension de service: 400 V Tolérance: lettre K (10 %)

Condensateurs polarisés
Les condensateurs polarisés comprennent pour l’essentiel les condensateurs électrochimiques, auxquels il faut rajouter les modèles au tantale, sous forme miniature (« tantale goutte ») ou sous boîtier métallique.

Ce qui les distingue des condensateurs à film plastique, outre le fait qu’ils sont polarisés (dotés d’une connexion + et d’une connexion –), c’est leur capacité très nettement supérieure, puisqu’on trouve des valeurs de 4700µF, voire 10000 ou 22000 µF.
Les deux principaux critères à considérer dans le choix d’un condensateur chimique sont:

• sa capacité
• sa tension de service

En ce qui concerne la précision, ou tolérance, disons tout de suite qu’elle est au mieux de 20% et parfois beaucoup moins bonne…
La valeur de la capacité commence à 1 µF environ et la plus grande valeur, pour un modèle standard, se situe à 4700 µF. On devine que ces composants seront surtout utiles pour assurer un filtrage ou une base de temps de longue durée (voir ci-dessous).
Rappelons au passage qu’on peut obtenir une capacité d’une valeur supérieure par la mise en parallèle de deux condensateurs. Inversement, leur mise en série donnera une valeur de capacité moindre.
La tension de service des modèles chimiques peut être de 10 V, 16 V, 25 V, 40 V, 50 V, 63 V, 100 V, 160 V, 250 V ou 500 V. Pour une capacité donnée, le volume du composant sera supérieur si la tension de service est plus élevée. Il en va de même pour le prix…
Il en résulte que l’encombrement du composant est aussi un critère à ne pas négliger, surtout sur une carte où la place est comptée…
D’autre part, un modèle 4700 µF/16 V vaut environ 3 euros, alors qu’un modèle de même capacité, sous 40 V, vaut plus du double.
Tout en gardant bien à l’esprit que la tension de service du condensateur doit rester supérieure à la tension maximale susceptible d’être présente à ses bornes, il convient de veiller à ne pas surdimensionner inutilement le composant.
Autre critère de choix, lié à l’encombrement: le type de sorties. Il existe en effet des sorties dites axiales, pour un montage horizontal, ou « couché », et des sorties radiales, pour un montage vertical, ou « debout ».
Enfin, il est très important de se souvenir qu’un condensateur chimique monté à l’envers risque fort, tôt ou tard, d’exploser… On prendra donc soin de bien repérer la sortie « + » et la sortie « -« . Sur la plupart des modèles (mais il y a des exceptions), le côté + est marqué en clair et doté d’une gorge (anneau en creux). Sur les modèles à sorties radiales, c’est en général la connexion « – » qui est repérée en clair.

En ce qui concerne les « tantale gouttes », ces modèles se caractérisent par leur très faible encombrement. Leur capacité, en contrepartie, reste assez limitée: 470 µF sous 3 V, 100 µF sous 10 V, 33 µF sous 16 V, 10 µF sous 35 V… En règle générale, leur valeur est indiquée en clair (K470 = 470 µF) et la connexion « + » est repérée.

Marquage des condensateurs polarisés

Les condensateurs électrochimiques sont le plus souvent marqués de manière explicite, comme sur la photo ci-dessus.

Utilité des condensateurs

Les propriétés des condensateurs les destinent à remplir plusieurs fonctions spécifiques, et souvent cruciales, dans les montages électroniques. Toutefois, leur comportement ne sera pas du tout le même en régime continu ou en régime sinusoïdal.
 
La réactance
Avant d’aller plus loin, il convient de signaler une propriété importante des condensateurs, à savoir qu’ils laissent passer le courant alternatif, mais ne laissent pas passer le courant continu.

Les trois schémas ci-contre montrent que le condensateur bloque le courant continu, mais laisse passer le courant alternatif.En haut, la source de tension est une batterie: il s’agit donc de courant continu. Si on ferme l’interrupteur, la lampe ne s’allume pas, car le courant ne passe pas. Le schéma du milieu est différent en ceci que le condensateur est monté en parallèle avec la batterie: la lampe s’allumera si on ferme l’interrupteur. Le schéma du bas est identique à celui du haut, à cette différence près que le générateur délivre ici une tension alternative: lorsqu’on ferme l’interrupteur, la lampe s’allume, car le condensateur laisse passer le courant alternatif. Toutefois, en régime alternatif, le condensateur présente une autre caractéristique: il s’oppose au passage du courant, comme une résistance. Cette propriété s’appelle la réactance; elle est notée X et s’exprime en ohms. La réactance d’un condensateur, en alternatif, est inversement proportionnelle à la fréquence du signal.

 
Condensateurs de liaison
Les montages électroniques nécessitent presque toujours une polarisation, c’est-à-dire l’adjonction d’une tension continue. Très souvent, ces montages sont attaqués par un signal alternatif (un signal audio, par exemple): on se retrouve donc avec des tensions continues et alternatives, qui ne doivent pas se « mélanger ». En d’autres termes, il convient de « séparer » les courants continus et alternatifs.
La solution à ce problème est fournie par un condensateur qu’on appelle « de liaison« , intercalé entre le générateur alternatif et l’entrée du montage. En effet, ce condensateur, du fait de sa réactance (ou impédance), va d’une part laisser passer les signaux alternatifs sans les perturber, et d’autre part empêcher le courant continu de traverser le générateur alternatif.
En résumé, le condensateur de liaison sera assimilé, vis-à-vis du régime alternatif, à un court-circuit, et vis-à-vis du régime continu, à un circuit ouvert.
La valeur de ce condensateur est calculée de manière que son impédance, infinie au courant continu, soit négligeable aux fréquences délivrées par le générateur alternatif.

Condensateurs de découplage
Le fonctionnement « interne » d’un montage électronique, en régime continu, impose très souvent la présence de résistances ou d’autres composants qui risquent de perturber les signaux alternatifs. Pour contourner ce problème, similaire à celui évoqué ci-dessus, on a recours à des condensateurs dits « de découplage« . Ceux-ci sont montés en parallèle sur les éléments « perturbateurs » et se comportent comme un court-circuit pour les signaux alternatifs.
Condensateurs de filtrage
Le rôle du condensateur de filtrage, généralement un électrochimique de forte capacité, est de réduire l’ondulation d’une tension redressée lorsqu’on passe, par exemple dans une alimentation, d’une tension alternative à une tension continue. Il permet, en quelque sorte, de « lisser » la tension ondulée.

Le condensateur de filtrage est monté en parallèle avec la sortie du pont de diodes.

La présence du condensateur de filtrage permet de réduire fortement (« lisser ») l’ondulation de la tension redressée.

Diverses formules permettent de calculer savamment la valeur d’un condensateur de filtrage. En voici une, qui a le mérite de la simplicité:

L’illustration ci-dessus, obtenue grâce au logiciel PSpice, permet de bien visualiser l’influence de la valeur de la capacité de filtrage. La tension au primaire du transfo (trace rouge) est redressée en double alternance. De la trace violette (à gauche) à la trace jaune (à droite), on double à chaque fois la valeur du condensateur de filtrage. On constate, chaque fois que cette valeur augmente, une très nette diminution de l’ondulation. A noter toutefois qu’une valeur de C très supérieure n’améliorerait pas énormément la trace jaune: le filtrage a malgré tout ses limites…
Pour une alimentation capable de délivrer un courant maximal de 1 ampère, on trouve en général une valeur théorique de l’ordre de 4700 µF. Dans la pratique, une valeur de 2200 µF, voire moindre, s’avère souvent suffisante si la tension de sortie n’est pas trop faible (plus elle est faible, plus l’ondulation doit être faible). Toutefois, si une certaine latitude est permise au niveau de la capacité, il faut impérativement que la tension de service du condensateur soit supérieure à la tension crête (maximale) aux bornes du transformateur.