Condensateur (Capacitor en anglais)

Un condensateur est un composant électronique capable de stocker de l'énergie, sous la forme d'un champ électrostatique. Il s'agit d'un composant dit passif, qui dans la plus simple de ses formes est constitué de deux surfaces conductrices d'électricité que l'on appelle armatures, mises face à face et séparées par un isolant appelé le diélectrique. Vous voyez le rapprochement avec sa représentation dans les schémas (deux traits parallèles) ?

  

Le condensateur s'oppose au passage du courant continu mais il laisse passer le courant alternatif. Ca, c'est une définition que l'on peut souvent lire, mais qui n'est pas suffisante. Il faut ajouter qu'un condensateur peut aussi s'opposer au passage du courant alternatif, la "force" d'opposition dépendant de la valeur du condensateur et de la fréquence du courant alternatif. La "résistance" du condensateur s'appelle capacitance, et est liée aux matériaux utilisés pour sa fabrication : électrodes et isolants peuvent être de natures très différentes et présenter des caractéristiques électriques qui ne conviennent pas à toutes les applications (sinon, vous pensez bien, il n'existerait qu'un seul type de condensateur). De part cette particularité, un condensateur devra être choisi en fonction du rôle qu'il aura à jouer et de la plage de fréquence des signaux qui lui seront appliqués.

La valeur d'un condensateur est fixe et est principalement déterminée par la surface des armatures mises en regard, mais elle dépend aussi du diélectrique (isolant) placé entre celles-ci. La valeur est exprimée en Farad, ou en sous-multiples de Farad (pF pour Pico-Farad, nF pour Nano-Farad, uF pour Micro-Farad, mF pour Milli-Farad, F pour Farad). En règle générale, et pour un type de condensateur donné, la taille du composant est liée à sa valeur : un condensateur céramique de 100nF est plus gros qu'un condensateur céramique de 47pF.  

    


En pratique, on trouve des condensateurs dont la valeur est comprise entre 1 pF (1 picoFarad, tout petit) et 1 F (1 Farad, plus gros). Dans les "petites" valeurs, on trouve des condensateurs ajustables et variables, qui comme leur nom l'indique, permettent d'obtenir une valeur capacitive entre une valeur minimale et une valeur maximale. En ce qui concerne le marquage de la valeur du condensateur fixe, il existe plusieurs façons de faire, plus de détails sont donnés à la page Condensateurs - Codes valeur.

La tension de service (parfois appelée tension nominale) que l'on voit marquée sur le condensateur, indique la tension maximale que l'on peut appliquer entre ses deux pattes pour l'utiliser dans des conditions optimales. Elle peut être de 5.5 V, 6.3 V, 10 V, 16 V, 25 V, 40 V, 50 V, 63 V, 100 V, 160 V, 250 V, 400 V, 630 V, 1000 V ou plus encore. Lorsqu'une tension continue et une tension alternative sont appliquées en même temps sur le condensateur, la somme de la tension continue et de l'amplitude de crête de la tension alternative appliquée ne doit pas dépasser la tension de service. Une tension d'utilisation supérieure à celle indiquée peut endommager irrémédiablement le composant. Il existe en effet une valeur limite de tension, appelée tension de claquage, qui correspond à un seuil où le courant va traverser l'isolant (via une étincelle) et provoquer un court-circuit entre les deux pôles (armatures). Bien que certains condensateurs possèdent le pouvoir de s'auto-cicatriser, il est fortement conseillé de ne pas dépasser les valeurs spécifiées. Un condensateur chimique auquel on applique une tension dépassant la tension de claquage, peut exploser. 

Condensateur de 63V pour montage alimenté en 9V ?

A de rares exceptions près, vous pouvez utiliser un condensateur dont la tension de service est très supérieure à la tension qu'il se verra réellement appliquée, par exemple tension de service de 40 V dans un montage alimenté en 12 V. La tension de service indiquée par le fabricant est en effet une indication de valeur maximale. A noter toutefois que pour certains condensateurs, il n'est pas conseillé de choisir une marge trop grande (par exemple prendre un condensateur 100 V pour réguler une tension de 5 V), sous peine de les "sous-utiliser" et de les vieillir plus vite.

Quelle tension de service choisir ?

Dans de nombreux schémas électroniques, la tension de service des condensateurs n'est pas mentionnée. Quand tel est le cas, choisissez une valeur supérieure à la tension d'alimentation du montage. Si par exemple vous dégotez un schéma comportant des condensateurs de 10 nF et de 22 uF, et que la tension d'alim est de 9 V, vous pouvez prendre des condensateurs de 22 uF / 16 V ou 25 V, et des condensateurs de 10 nF / 63 V ou 100 V (dans les valeurs capacitives faibles, il est rare de trouver des tensions de service inférieures à 63 V).

Utilisation directe sur secteur 230V

Prenez garde au choix des condensateurs destinés à recevoir directement la tension du secteur EDF 230V. Ils doivent présenter de très bonnes caractéristiques d'isolation et présenter une tension de service vraiment en rapport avec la tension qu'ils se verront appliquer à leur bornes. Vous trouverez des condensateurs dit de classe X2 parfaitement adapté à la réalisation de filtres secteur ou d'alimentations secteur sans transformateur, attention à ne pas se méprendre sur leur tension de service qui peut être donnée en tension continue ou en tension alternative : 400 Vac ou 630 Vcc par exemple.

EMax - Parfois, le fabricant communique une information relative à l'énergie maximale permise par le condensateur, et qui est relative à son poids. Cette information, exprimée en Wh/Kg (Watts;Heure par kilogramme), donne une indication sur la "concentration" d'énergie possible, pour un volume donné.

PMax - Puissance max admissible, exprimée en W/Kg (Watts / kilogramme).
Pd - Puissance dissipée liée aux pertes par effet Joule. Un condensateur dissipe toujours de la chaleur lorsqu'on le soumet à une tension variable. Il révèle une composante génératrice de perte tgd (angle de perte) : tgd = Rp.C.W, Rp étant la résistance de perte, C la capacité, W la pulsation. Cette perte se manifeste par un  échauffement du composant, il ne faut donc pas qu'elle soit trop élevée, surtout si le condensateur est utilisé dans un circuit de forte puissance (alimentation secteur de puissance ou ampli BF de sono par exemple).

Certains condensateurs sont polarisés, d'autres ne le sont pas. Globalement, les condensateurs de valeur inférieure à 1uF sont non polarisés, alors que ceux de valeur supérieure à 1uF sont polarisés. Il existe bien sûr des exceptions, puisque l'on peut trouver des condensateurs polarisés au tantale de 0,1uF, et des condensateurs non polarisés au polystyrène de 10uF. Mais dans la plupart des cas, la "barrière" de 1uF est valable et facile à retenir. Attention ! Les condensateurs polarisés possèdent un pôle "plus" et un pôle "moins", ils doivent impérativement être connectés dans le bon sens. En règle générale, les condensateurs polarisés radiaux (qui ont les deux pattes du même côté) possèdent une bande ou un ensemble de flèches qui désigne le pôle négatif, et les condensateurs polarisés axiaux (qui ont les deux pattes opposées) possèdent un renfoncement (collerette) côté pôle positif. Sur ces derniers, on peut disposer des deux informations (comme on le voit sur le condensateur au centre de la photo ci-dessous).



Si les polarités sont inversées, le condensateur peut bruler ou même exploser, et pas seulement lors de la mise sous tension. Les condensateurs au tantale branchés à l'envers, par exemple, peuvent se manifester (méchamment) au bout de un ou deux ans de fonctionnement, tout en pouvant ne présenter aucun problème lors des premières utilisations. 

Il existe des condensateurs chimiques non polarisés de forte valeur, certains étant spécialement adaptés aux liaisons audio. Ces condensateurs (fabriqués par exemple par Panasonic ou par Monacor) peuvent être considérés comme deux condensateurs chimiques polarisés montés tête-bêche, pôles moins reliés ensemble ou pôle plus reliés ensemble. 

  

Sur ces condensateurs, le repérage des connexions n'est pas nécessaire. Sur les condensateurs axiaux, le petit "renfoncement" que l'on trouve sur les condensateurs chimiques polarisés pour repérer le pôle + est ici inexistant ou au contraire présent de chaque côté (voir première photo ci-avant). Pour les condensateurs radiaux, pas de signe "Moins", mais une annotation "NP" (comme Non Polarisé) ou "BP" (comme Bipolarisé). Les condensateurs non polarisés facilitent parfois la conception de certains montages audio, mais ils coutent en général plus chers que les condensateurs chimiques polarisés. 

Remarque : vous pouvez réaliser un condensateur chimique non polarisé en câblant en série et en tête-bêche deux condensateurs polarisés standards (le signe + de "C1+C2" indique l'association des deux condensateurs, et non pas une opération algébrique) :

La tolérance correspond à l'écart relatif qui peut exister entre la valeur réelle du condensateur et la valeur qu'il est censé avoir et qui est notée sur son boitier. Pour certains condensateurs, elle peut être très élevée, de l'ordre de 50 % ou de 100 % ! Ce qui signifie que ce genre de composant peut avoir une valeur réelle loin de la valeur indiquée (en général supérieure) : un condensateur donné pour 100 uF peut très bien faire 160 uF. Mais heureusement, ce n'est pas le cas de tous les condensateurs, les plus courants affichant une tolérance de 5 à 20 %. Si vous voulez y mettre le prix, et si bien sûr ce choix est justifié, vous trouverez des condensateurs précis à 5%, voir à 1% ou moins. La valeur de la tolérance d'un condensateur peut être codé à l'aide d'une lettre : pour plus de détails, merci de vous reporter à la page Condensateurs - Codes valeur.

Tous les condensateurs sont donnés pour une utilisation dans une plage de fonctionnement donnée (comme pour la majorité des composants électroniques d'ailleurs). Cela vaut aussi bien pour les condensateurs polarisés que pour ceux qui ne le sont pas. La température de fonctionnement (celle de l'environnement dans lequel le condensateur va se trouver quand il va être sollicité, à l'intérieur d'un rack dans une baie par exemple) peut avoir plusieurs incidences sur son fonctionnement, notamment sur sa valeur (pouvant augmenter ou diminuer en fonction de la température) et sur sa durée de vie (qui peut diminuer rapidement à des températures extrêmes). Certains fabricants donne la valeur de la résistance thermique du composant, exprimée en °C/W, telle qu'on peut la trouver pour des transistors ou circuits intégrés de puissance, par exemple.

Le courant de court-circuit (ISC = Intensity Short Circuit) désigne le courant maximal qui peut circuler quand le condensateur est chargé et que ses électrodes sont mise en court-circuit franc. Ce courant peut atteindre plusieurs ampères ou plusieurs dizaines d'ampères.

Le diélectrique est l'isolant qui sépare les deux éléments conducteurs du condensateur. Il peut être de différentes natures, liquide, solide ou gazeuse.. Il peut s'agir d'un produit chimique, d'un isolant en plastique, mais aussi de l'air qui nous entoure. Quelques exemples : céramique, verre, mica, électrolyte solide ou liquide (condensateurs aluminium ou tantale), papier, plastique (polystyrène et polyester)... Les condensateurs au tantale qui contiennent une électrolyte non liquide ont généralement la forme d'une perle (ou goutte d'eau). Les condensateurs électrolytiques présentent de fortes capacités dans un volume relativement réduit, mais souffrent malheureusement de courants de fuite plus important. Les condensateurs au mica sont très stables en température et en fréquence, ils sont particulièrement appréciés dans la réalisation de filtres.

La résistance série équivalente (ESR = Equivalent Serial Resistor), qui peut s'assimiler à une résistance qui serait placée en série avec le condensateur, peut être aussi basse que quelques milli-Ohms ou quelques dizaines de milli-Ohms, mais peut aussi dépasser l'ohm. Bien que cette valeur paraisse faible, il est des applications où elle est peut être très gênante. La valeur de la résistance série équivalente peut être donnée pour utilisation sous une tension continue, certains fabricants donnent sa valeur à une fréquence bien précise, par exemple à 50 Hz, à 100 Hz, 1 kHz ou (le plus souvent) 100 kHz. Par exemple, condensateur "Panasonic FC Low ESR 470 uF / 25 V" donné pour 0,065 ohm à 100 kHz.

La résistance parallèle, qui bien qu'étant de forte valeur, peut elle aussi être gênante dans certains cas, car elle est la cause principale du courant de fuite (leakage current) du composant. C'est à cause de cette résistance parallèle qu'un condensateur chargé se décharge tout seul même quand il n'est relié à rien. C'est aussi à cause de cette résistance parallèle qu'un condensateur peut ne jamais pouvoir se charger pleinement si la partie électronique qui le charge présente une impédance de sortie trop élevée.

L'inductance parasite est liée à l'enroulement mécanique des électrodes. Cette inductance est d'autant plus importante que la fréquence des signaux qu'on applique au condensateur est élevée. Elle peut être sources de problèmes de fonctionnement dans certaines plages de fréquence, alors que pour d'autres fréquences tout se passe bien.

Le condensateur peut être utilisé pour diverses fonctions, mais les principales sont les suivantes :
 

Oscillateur.

Couplage, blocage d'une composante continue, dans le trajet d'un signal audio, vidéo, ou RF (voir Condensateur - Liaisons)

Filtrage : égaliseurs audio, filtres (passe-haut, passe-bas, passe-bande, rejecteur), filtres secteur

Régulation et découplage d'alimentations.

Antiparasitage (interrupteurs, contacts relais, moteurs)

Augmentation du couple au démarrage d'un moteur monophasé

Création d'un pôle (phase) supplémentaire pour alimenter un moteur triphasé avec une tension monophasée

Compensation de phase entre deux grandeurs (entre tension et courant par exemple)

Retardateur de mise sous tension

Temporisateur (par exemple contact relais maintenu un certain temps après coupure énergie, sans ajout d'électronique)

Quel condensateur utiliser ?

Tableau d'applications typiques

N'importe quel condensateur ne peut pas être utilisé pour n'importe quelle application. Par exemple, un condensateur au mica n'est pas vraiment adapté aux montages audio ou aux alimentations (sauf le mica argenté que l'on peut encore trouver sur des équipements audio à lampe). De même, un condensateur électrolytique (chimique) ne peut pas toujours convenir en haute fréquence. Le tableau récapitulatif ci-dessous donne les applications les plus courantes des condensateurs en fonction de leur type, je me suis appuyé sur de nombreux documents papier et de sites internet pour l'établir.

CC = Courant Continu ; BF = Basse Fréquence ; MF = Moyenne Fréquence ; HF = Haute Fréquence

Usage en audio

Il est une règle générale quand on conçoit un montage audio : limiter autant que possible le nombre de composants sur le trajet du signal audio, surtout les condensateurs. Mais attention à l'interprétation de cette règle : elle ne signifie pas que les composants qui ne sont pas situés sur le trajet du signal n'ont aucune influence sur la qualité finale du signal. Tous les composants (condensateurs compris) ont leur part là-dedans. Pour plus de renseignements concernant l'usage des condensateurs dans une liaison audio.

Électrolytique tantale ou électrolytique aluminium ?

Ces deux types de composants sont en concurrence, car on les trouve l'un comme l'autre sur une large palette de valeurs. Les condensateurs au tantale sont plus onéreux (parce que la demande est moindre et parce que la distribution - sortie chaine de fabrication - est parfois mal assurée) mais ils occupent moins de place. Ils présentent une résistance série (ESR, Equivalent Serial Resistance) plus élevée, qui fait que le condensateur aluminium est préféré lorsqu'il s'agit de régulation où de forts courants sont mis en jeux.

L'avantage des dimensions physiques est cependant moindre désormais car il existe des condensateurs aluminium en version CMS vraiment miniaturisé (exemple : chez NIC Components, on trouve dans la série NACP, un condensateur de 100 uF / 10V occupant une surface de seulement 6,3 mm x 4,5 mm). Autre avantage au bénéfice du condensateur électrolytique aluminium : une meilleure durée de vie en température élevée. Principalement à cause du prix, on rencontre bien plus de condensateurs aluminium que de condensateurs tantale dans les équipements grand public. A titre d'exemple, il y a plus de 100 condensateurs aluminium au format CMS dans une télé LCD...