Condensateurs simplifiés à la manière du Hackaday

Si vous construisez régulièrement des circuits électroniques, il y a de fortes chances que vous ayez utilisé des condensateurs plusieurs fois. Ils sont un composant standard avec la résistance dont les valeurs sont retirées de l'étagère sans arrière-pensée. Nous les utilisons pour le lissage et le découplage de l'alimentation, le blocage du courant continu, les circuits de temporisation et bien d'autres applications.

Il est préférable de commencer par les bases et de décrire la capacité à partir des premiers principes avant d'examiner les vrais condensateurs. Un condensateur idéal est constitué de deux plaques conductrices séparées par un diélectrique non conducteur. La charge peut s'accumuler sur les plaques, mais ne peut pas circuler entre elles en raison de la nature isolante du diélectrique. Ainsi, le condensateur peut stocker la charge.

La capacité est mesurée en farads : un condensateur d'un farad maintient une tension d'un volt lorsqu'il contient un coulomb de charge. Un farad est comme autant d'unités SI, de taille plutôt peu pratique, donc en dehors du domaine étroit des supercondensateurs qui sortent du cadre de cet article, vous êtes plus susceptible de rencontrer des micro-, nano- ou picofarads. Vous pouvez déduire la capacité d'un condensateur donné à partir de ses dimensions et des propriétés de son diélectrique à l'aide d'une formule qu'il vaut probablement la peine de vous envoyer sur Wikipedia si vous êtes intéressé. Vous n'avez pas besoin de le mémoriser sauf si vous étudiez pour un examen de physique au lycée, mais il cache un point important à retenir. La capacité est proportionnelle à la constante diélectrique εr du diélectrique utilisé, ce qui a donné naissance à une grande variété de condensateurs disponibles dans le commerce utilisant différents matériaux diélectriques pour obtenir des plages de capacité plus élevées ou de meilleures caractéristiques de gestion de la tension.

Il y a un hic à utiliser des matériaux diélectriques dans un condensateur, et les caractéristiques souhaitables d'un diélectrique s'accompagnent d'une foule d'effets secondaires gênants. Tous les condensateurs du monde réel ont une résistance et une inductance parasites internes, et bien que minuscules, ils peuvent parfois avoir un effet sur le fonctionnement du condensateur. Les constantes diélectriques peuvent varier avec la température ou la tension, la piézoélectricité ou le bruit. Différents types de condensateurs peuvent avoir des modes de défaillance alarmants ou même simplement être très coûteux. Et nous arrivons donc à la partie principale de cet article, la section dans laquelle nous vous présenterons certains des types de condensateurs que vous pouvez rencontrer et vous présenterons leurs diverses propriétés, bonnes et mauvaises. Nous ne prétendrons pas couvrir toutes les technologies de condensateurs possibles, mais nous passerons en revue les technologies de condensateurs courantes et examinerons tous les sous-types que vous pourriez trouver.

Les condensateurs électrolytiques pratiques ont leurs plaques sous la forme d'un sandwich en feuille d'aluminium enroulé dans un cylindre et logé dans une boîte en aluminium. Ils auront une tension de travail cotée qui dépend de la profondeur de la couche anodisée.

Les condensateurs électrolytiques ont la capacité la plus élevée des types que vous rencontrerez en utilisation normale, allant d'environ 0,1 à plusieurs milliers de µF. En raison de cette cellule électrochimique étroitement enroulée, ils ont une inductance série équivalente élevée, ils ne conviennent donc pas à une utilisation à des fréquences élevées. Vous les trouverez généralement utilisés pour le lissage et le découplage de l'alimentation, ainsi que pour le couplage aux fréquences audio.

Les condensateurs au tantale sont disponibles avec des valeurs d'environ 0,1 à plusieurs centaines de µF. Ils ont une résistance aux fuites beaucoup plus faible et une résistance série équivalente à celle de leurs homologues en aluminium, vous les trouverez donc dans les tests et mesures, l'audio haut de gamme et dans d'autres applications où ces propriétés sont avantageuses.

Les condensateurs au tantale ont un mode de défaillance à surveiller, ils ont la réputation de prendre feu. L'oxyde de tantale amorphe est un bon diélectrique, tandis que la forme cristalline de l'oxyde de tantale est un bon conducteur. Un mauvais traitement d'un condensateur au tantale, par exemple en lui appliquant trop de courant d'appel, peut faire passer le diélectrique d'une forme à l'autre, provoquant une énorme augmentation du courant à travers le condensateur. Heureusement, toutes les nouvelles ne sont pas mauvaises, leur réputation pour les incendies vient d'une génération beaucoup plus ancienne de condensateurs au tantale, et les techniques de fabrication améliorées ont fourni un produit beaucoup plus fiable.

Polypropylène Les condensateurs sont utilisés dans les circuits qui nécessitent une bonne stabilité de température et de fréquence. Vous les trouverez également utilisés dans la suppression du secteur et d'autres circuits de puissance, dans des versions spécialement conçues pour une utilisation en courant alternatif haute tension.

Polyester Les condensateurs ne possèdent pas les caractéristiques de température et de fréquence du polypropylène, mais ils sont bon marché et peuvent résister aux températures élevées de la soudure SMD. Vous les trouverez donc utilisés comme condensateurs à usage général dans des applications non critiques.

Naphtalate de polyéthylèneEncore une fois, les condensateurs n'ont pas de caractéristiques de température et de fréquence stables, mais ils peuvent supporter des températures et des tensions beaucoup plus élevées que le polyester.

Sulfure de polyphénylèneLes condensateurs possèdent toute la stabilité de température et de fréquence du polypropylène avec l'avantage de pouvoir résister à des températures élevées.

Vous pouvez également rencontrerpolycarbonateetpolystyrènecondensateurs dans les équipements plus anciens, mais ces deux diélectriques ne sont pas couramment utilisés aujourd'hui.

Lorsque l'on regarde les condensateurs céramiques, il est préférable de les considérer par le diélectrique céramique utilisé, car c'est de ceux-ci qu'ils tirent leurs propriétés. Les diélectriques céramiques sont classés avec un code à trois lettres indiquant leur plage de température et leur stabilité en température, et c'est par ces codes que nous nous référerons ici aux plus courants.

C0G les diélectriques ont la meilleure stabilité de capacité en ce qui concerne la température, la fréquence et la tension. Vous trouverez des condensateurs C0G utilisés dans les circuits haute fréquence résonnants et autres circuits hautes performances.

X7R les diélectriques ne partagent pas les caractéristiques de température ou de tension du C0G et sont donc utilisés dans des applications moins critiques. Vous les trouverez généralement utilisés pour le découplage et les applications à usage général.

Y5V les diélectriques donnent une capacité beaucoup plus élevée que X7R, mais avec de moins bonnes caractéristiques de température et une tension maximale inférieure. Comme X7R, vous les trouverez dans les circuits à usage général et de découplage.

Étant donné que les céramiques sont souvent également piézoélectriques, certains condensateurs céramiques présentent également une microphonie. Si vous travaillez avec des hautes tensions et des fréquences audibles, par exemple dans le monde des amplificateurs à tubes ou de l'électrostatique, vous pourrez parfois entendre cet effet en action, car un condensateur peut "chanter". Si vous utilisez un condensateur piézoélectrique pour assurer la stabilité de fréquence, vous pouvez donc constater qu'il est modulé par la vibration de son environnement.

Comme nous l'avons indiqué précédemment, cet article ne tente pas de couvrir toutes les technologies de condensateurs. Un rapide coup d'œil sur un catalogue de fournitures électroniques vous montrera plusieurs technologies non mentionnées ici, et il y en a plusieurs autres qui sont obsolètes ou dont la niche est si petite que vous les verrez rarement. Au lieu de cela, nous espérons avoir réussi à démystifier certains des types courants que vous pouvez voir et à vous aider dans votre sélection lorsque vous produisez vos propres conceptions. Si nous avons aiguisé votre appétit pour plus de détails sur les composants, nous pouvons peut-être attirer votre attention sur notre article sur les inducteurs.