Cours Electronique : M04 : Condensateurs

Un condensateur est un dipôle (deux pôles - comme la résistance entres autres) constitué de deux armatures conductrices (plaques métalliques planes et parallèles), séparées par un diélectrique ou isolant (air, papier, mica...).

Soumis à une tension, un condensateur possède la propriété de se charger et de conserver une charge électrique Q, proportionnelle à la tension. 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.

REPRESENTATIONS

Plusieurs types de représentations sont utilisés par les différents logiciels de saisie de schémas.
Les plus courants sont :

VALEUR - IDENTIFICATION

La capacité du condensateur s'exprime en Farads (F).

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: millifarad (mF), microfarad (µF), nanofarad (nF) et picofarad (pF).

Il existe deux types principaux de condensateurs : non polarisés et polarisés.

Condensateurs non polarisés

Malheureusement, les fabricants n'ont pas adoptés tous le même standard pour le marquage.
Voici les principaux marquages rencontrés :



Marquage des condensateurs MKT type "milfeuil", très répandus :



Et celui des condensateurs "céramique", de faible capacité :




Condensateurs polarisés

Les condensateurs polarisés comprennent les condensateurs électrochimiques et les modèles au tantale, sous forme miniature ("tantale goutte") ou sous boitier métallique.

Ce qui les distingue des condensateurs à film plastique, outre le fait qu'ils sont polarisés (connexion + et connexion -), c'est leur capacité très nettement supérieure, puisqu'on trouve des valeurs de 4700µF, voire 10000 ou 22000 µF.

Deux principaux critères qont à considérer dans le choix d'un condensateur chimique :



1. Sa capacité
   
2. 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.

Et pour eux, pas de code de couleur (ouf !), tout est marqué sur le boitier :






• 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. Plus la tension de service est élevée, plus le condensateur sera volumineux (le prix aussi !).
  
• Il est très important de ne pas monter un condensateur chimique à l'envers, car à un moment ou à un autre il risque fort d'exploser.
  
• La tension de service du condensateur doit toujours être supérieure à la tension maximale susceptible d'être présente à ses bornes.
  


Quelle est la tension de service que doit avoir un condensateur à qui on applique la tension secteur (220v) redressée à ses bornes ?

Votre avis ?


Spoiler:


ASSOCIATION DE CONDENSATEURS


Rappelez-vous que le condensateur, pour ce qui est des formules dans un montage série ou parallèle, EST L'INVERSE DE LA RESISTANCE

Condensateurs en série

Nous n'allons pas nous attarder sur cette association car, dans la pratique, c'est très rarement employé.

Néanmoins, la capacité équivalente d'un montage de plusieurs condensateurs en série est égale à :


Citation :





1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...


Condensateurs en parallèle

C'est le montage souvent rencontré et qui permet donc d'augmenter la valeur de la capacité équivalente.


Citation :





Ceq = C1 + C2 + C3 + ...


Un petit exercice

Quatre condensateurs sont montés en parallèle :


C1=1000µF, C2= 470µF, C3=680µF et C4=220nF
Quelle est la valeur de la capacité équivalente ?



Spoiler:

PROPRIETES DU CONDENSATEUR


Les condensateurs remplissent plusieurs fonctions spécifiques, et souvent cruciales, dans les montages électroniques.

Leur comportement ne sera pas du tout le même en régime continu ou en régime alternatif.

En effet, la principale caractéristique d'un condensateur est :

Citation :

DE LAISSER PASSER LE COURANT ALTERNATIF
MAIS
DE S'OPPOSER AU PASSAGE DU COURANT CONTINU

IMPEDANCE

Comme tout composant électronique, le condensateur possède sa résistance.
Mais contrairement au composant du même nom, celle-ci est variable, dépendant de la fréquence du signal qui le traverse.

Dans ce cas, nous ne nommons plus "résistance" mais impédance (Z) ou réactance (X).
Deux termes différents mais qui désignent la même chose. Ici, nous emploierons toujours le mot "impédance".

L'impédance d'un condensateur est inversement proportionnelle à sa capacité (C) et à la pulsation (ω) du signal qui lui est appliqué. Plus la fréquence est élevée, plus l'impédance est petite.

Impédance d'un condensateur :


Citation :

Z = 1 / 2 π F C

Avec Z en ohms, F en hertz et C en farads
Plus la fréquence est élevée, plus l'impédance est petite.
Ainsi, l'impédance d'un condensateur de 10 pF à la fréquence de 10 kHz sera de 1,6 MΩ..
Mais à la fréquence de 10 MHz, son impédance chutera à 1,6 kΩ.

UTILISATION DU CONDENSATEUR

Les condensateurs remplissent trois fonctions principales :

Condensateurs de liaison

Les montages électroniques nécessitent presque toujours une polarisation, c'est-à-dire "l'ajout" d'une tension continue au signal alternatif.
Par exemple, nous avons un préampli qui délivre à un ampli un signal de 1v crête crête. Mais ce signal comporte une tension continue, 6v toujours en exemple, si bien qu'en fait nous envoyons à l'ampli un signal variable de 5,5v à 6,5v.
Et l'ampli, lui, amplifie (normal, c'est son rôle). Mais lui, il ne sait pas trier, il va amplifier TOUT, même la tension continue.

Pour éviter cela, nous intercalons entre le préampli et l'ampli, un condensateur, appelé "condensateur de liaison :


Qui va laisser passer le signal alternatif mais va s'opposer au passage du courant continu (nos 6v). Si bien que l'amplificateur ne va amplifier que la partie utile : notre signal de 1v.

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 (atténuer) 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 d'un condensateur de filtrage, généralement un électro-chimique de forte capacité, est de réduire l'ondulation d'une tension.
L'exemple le plus typique est le condensateur de filtrage d'une alimentation
Il "lisse", en quelque sorte, la tension ondulée.

CHARGE ET DECHARGE DU CONDENSATEUR

Nous savons tous qu'un condensateur possède la propriété de se charger et de conserver une charge électrique Q, proportionnelle à la tension qui lui est appliquée.
Et bien sûr, cette énergie est restituée lors de la décharge du condensateur.

Et comment s'effectue la charge (ou la décharge) d'un condensateur ?

Linéairement ?

Hé bien non, la charge ou la décharge d'un condensateur s'effectue toujours suivant une courbe exponentielle :


Tiens donc. Mais pourquoi ? Quelle particularité possède le condensateur pour que sa charge ou sa décharge ne s'effectue pas de façon linéaire ?

A votre avis ?

Spoiler:

C'est ainsi que la charge d'un condensateur met toujours un certain temps.

Temps qui dépend de deux paramètres :

• Du courant de charge, donc de la résistance de charge R
  
• De la valeur du condensateur. En effet, plus la valeur du condensateur est importante, plus il lui faudra de temps pour accumuler les charges électriques sur ses plaques qui sont plus grandes.

Ce temps est défini par un paramètre spécifique : la constante de temps.

CONSTANTE DE TEMPS

La constante de temps (Tc) est égale au produit de R par C :



Citation :

Tc = R C

Avec Tc en secondes, R en ohms et C en farads
Et le temps que met un condensateur pour se charger entièrement est de :


Citation :

5 RC

Entièrement n'est pas le mot exact, puisqu'en réalité, au bout de 5 constantes de temps, il ne sera chargé qu'à 99,3%.




Dans la pratique, lorsque nous avons besoin de connaitre au bout de combien de temps un condensateur est chargé, nous retenons 3 RC, ce qui représente une charge de 95%.

Petit exercice :

Une résistance de 100 KΩ et un condensateur de 100 µF sont montés en série et alimenté par une tension de +10v.

Calculez la constante de temps du condensateur ?
Et en utilisant l'abaque ci-dessus, quelle sera sa tension à ses bornes au bout de cette constante de temps ?


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