Des magazines spécialisés dans l'automobile évoquent le Supercondensateur comme un élément idéal pour la voiture du futur.

C'est quoi un condensateur?

Un condensateur est un composant passif qui permet de stocker ou d'emmagasiner de l'énergie électrique sous forme de charges électriques accumulées sur des plaques métalliques. 

Les condensateurs sont constitués de deux plaques conductrices en regard séparées par un isolant. L'isolant appelé diélectrique peut être du mica, du verre, du polyester, du plastique, la céramique, de l'air, ou d'autres matériaux.

Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre les deux plaques conductrices, l'une d'entre elles va stocker les charges positives, tandis que l'autre stockera les charges négatives. Le rapport entre la quantité de charges et la différence de potentiel constitue sa capacitance.

La capacitance c'est la capacité d'un composant à stocker de l'énergie sous forme de charges électriques.

Unités: Farads (F), du nom du physicien Anglais Michael Faraday (1791 - 1867).

 

 

 

Symbole:

                   Condensateur polarisé

 

 

                   Condensateur non polarisé

 

Relations de base:

La charge électrique q_A, de l'armature A, est donnée par:

\[\mathsf{q_A = CU}\]

Ce qui donne une capacitance

\[\mathsf{C = \frac{q_A}{U}}\]

        q_A: en Coulombs (C);

        C: capacitance du condensateur en Farads (F);

        U: la tension aux borne du condensateur en Volts (V).

L'intensité de charge (ou de décharge) d'un condensateur:

\[\mathsf{i = \frac{dq}{dt}}\]      

        i en Ampères (A);

        dq/qt en Coulombs par secondes (C/s).

 

Capacitance d'un condensateur plan:

\[\mathsf{C = ε_0 ε_r \frac{S}{e}}\]

        ε₀: permittivité du vide;

        ε_r: permittivité relative du matériau isolant ou diélectrique;

        S: surface des plaques conductrices en regard (m²);

        e: épaisseur du diélectrique (m).

La capacitance sera d'autant plus grande que l'épaisseur e sera petite et la surface S des plaques conductrices grande.

Considérations énergétiques:

L'énergie emmagasinée par un condensateur:

\[\mathsf{W = \frac{1}{2}CU^2}\]       

        W: énergie en joules (J);

        C: capacitance en farads (F);

        U: tension aux bornes en volts (V).

 

En régime sinusoïdal, durant une période, cette énergie emmagasinée est:

\[\mathsf{W = \frac{1}{2}C{U^2}_{max}}\]      

        W: énergie (J);

        C: capacitance (F);

        U²_max  : tension maximale (V).

Caractéristiques:

Condensateur réel:

Un condensateur idéal est décrit uniquement par sa capacitance; mais ce n'est pas le cas en réalité.

Il est constitué de parties conductrices. Celles-ci possèdent une résistance Ohmique, qui associée à la résistance du diélectrique forment une résistance série équivalente (nommée ESR). Les électrodes et les fils de raccordements d'un condensateur sont des conducteurs métalliques auxquels il faudra associer une certaine inductance série équivalente (nommée ESL). A cela s'ajoutera la capacitance pure du condensateur C et la résistance du diélectrique Rp.

En tenant compte ces considérations, on a le schéma d'un condensateur réel:

 

Courant de fuite:

Les diélectriques des condensateurs ne sont pas des isolants parfaits. Ils peuvent permettre un déplacement de charges en l'absence de tension entre les plaques conductrices, et créer un courant de fuite. Ce courant de fuite amènera le condensateur à se décharger lentement tout seul, à mesure que ce courant de fuite évacuera les charges.

Rigidité diélectrique:

Si la tension appliquée à un condensateur devient trop élevée, le champ électrique créé peut finir par rompre l'isolation entre les plaques. En d'autres termes, il y a rupture du diélectrique. Celui-ci finira par conduire du courant. Si l'effet devient permanent, le condensateur est hors service.

Tension nominale:

Cette caractéristique spécifie la tension maximale qu'on peut appliquer au condensateur.

En régime alternatif, l'amplitude maximale de la tension crête à appliquer au condensateur est de 40% de la tension maximale en régime continu.

Coefficient de tension:

C'est un coefficient qui spécifie la variation de la capacitance du condensateur en fonction de la variation de la tension qui lui est appliquée: en  ppm/V.

Ce coefficient est très important lorsque les condensateurs sont utilisés pour le traitement du signal, par exemple le filtrage. Une valeur élevée de ce coefficient peut introduire une distorsion du signal.

Coefficient de température:

La température apporte une dérive sur l'ensemble des caractéristiques d'un condensateur. Cette dérive maximale est généralement comprise entre 10 et 100 ppm/°C voire plus selon le type de composant.

Associations de condensateurs:

Montage en parallèle:

Les condensateurs peuvent être montés en parallèle. La capacitance équivalente d'un tel montage se calcule à l'aide de la formule:

\[\mathsf{C_{eq} = C_1 + C_2 + C_3 +...+ C_n}\]

Détails de calculs:

La charge électrique totale du montage est répartie sur la charge de chaque condensateur:

\[\mathsf{Q = q_1 + q_2 + q_3+ ... + q_n}\tag{1}\label{1}\]

Avec \(\mathsf{q_1, q_2, q_3, ...q_n}\), la charge des condensateurs \(\mathsf{C_1, C_2, C_3, ... C_n}\).

Si C_eq est la capacitance équivalente du circuit,

\[\mathsf{C_{eq} = \frac{Q}{U}}\tag{2}\label{2}\]

U la tension totale appliquée au circuit. Elle est identique dans chaque branche, puisqu'on a un montage en parallèle.

Q la charge totale du montage.

A l'aide des expressions (1) et (2), on a:

\[\mathsf{C_{eq} = \frac{q_1 + q_2 + q_3 + ... + q_n}{U} = \frac{q_1}{U} + \frac{q_2}{U} + \frac{q_3}{U} + ... + \frac{q_n}{U}}\]

La capacitance équivalente:

\[\bbox[5px, border:1px solid]{\mathsf{C_{eq} = C_1 + C_2 + C_3 + ... + C_n}}\]

Applications:

Rappelons qu'un condensateur permet de stocker de l'énergie électrique. Avec un montage parallèle on peut stocker plus d'énegie, puisque la capacitance équivalente du circuit est égale à la somme des capacitances de tous les condensateurs du circuit.

On retrouve cette situation dans des alimentations électriques, où on peut avoir des condensateurs montés en parallèle pour améliorer le filtrage et diminuer l'ondulation.

On peut mettre des condensateurs en parallèle, pour obtenir des capacitances plus élevées.

Mais cette mise en parallèle entraîne aussi certaines limites concernant la tension globale de tous les condenstaeurs montés en parallèle. Supposons qu'une bonne partie des condensateurs a une tension de 400V, et qu'un seul d'entre eux a une tension de 100V, il faudra considérer que le bloc de condensateurs tout entier a une tension de 100V.

Attention: Un condensateur chargé peut libérer rapidement l'énergie qu'il a stocké. Un montage en parallèle des condensateur peut être dangereux à cause de l'énergie stocké par l'ensemble. Cette énergie est capable de causer des dommages sur un circuit si elle se libère accidentellement.

 

Montage en série:

 

Les condensateurs peuvent être montés en série. La capacitance équivalente est calculée à l'aide de la formule ci-après:

\[\mathsf{\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} +...+\frac{1}{C_n}}\]

Détails de calculs:

La charge totale:

\[\mathsf{Q = q_1 = q_2 = q_3 = ... = q_n}\]

Comment justifier ceci? Supposons qu'à l'instant t0 tous les condensateurs sont déchargés. Lorsqu'une tension U est appliquée sur le montage série, un courant de pointe identique se retrouve sur une des plaque conductrice de chaque condensateur. Les électrons (porteurs de charges) se déplacent d'une plaque à une autre dans chacun des composants. On peut dire que la charge stockée par une plaque d'un des condensateurs provient de la plaque du condensateur adjacent. Ce qui signifie que les porteurs de charges se sont déplacés à travers tous les condensateurs. Donc la charge est la même pour tous les condensateurs.

On peut alors dire que la charge totale:

\[\mathsf{Q = q_1 = q_2 = q_3= ... = q_n}\tag{3}\label{3}\]

D'après la loi de Kirchhoff, dans un montage série, la tension totale est égale à la somme des tensions de chacunes des branches:

\[\mathsf{U = U_1 + U_2 + U_3 + ... + U_n}\tag{4}\label{4}\]

On peut écrire:

\[\mathsf{Q = C_{eq}U \implies U = \frac{Q}{C_{eq}}}\tag{5}\label{5}\]

Selon l'expression (5) pour chaque condensateur on peut dire que:

\[\mathsf{U_1 = \frac{q_1}{C_1}; U_2 = \frac{q_2}{C_2}; U_3 = \frac{q_3}{C_3}; ... U_n = \frac{q_n}{C_n}}\tag{6}\label{6}\]

D'après les formules (4), (5) et (6) précédentes:

\[\mathsf{\frac{Q}{C_{eq}} = \frac{q_1}{C_1} + \frac{q_2}{C_2} + \frac{q_3}{C_3} + ... + \frac{q_n}{C_n}}\]

Puisque la charge Q est identique pour tous les condensateurs, la capacitance équivalente:

\[\bbox[5px, border:1px solid]{\mathsf{\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3} + ... + \frac{1}{C_n}}}\]

Technologies des condensateurs:

Il existe deux familles de condensateurs: les condensateurs à capacitance fixe et les condensateurs à capacitance variable.

Condensateurs à capacitance fixe:

• • Condensateurs au verre
  • Les condensateurs au verre sont constitués d'un empilage alterné d' un ruban de verre et d'une feuille d' Aluminium très fine. Ils sont utilisés dans les circuits HF où une performance utlime est requise. Avec leur taux de viellissement quasiment nul, et des pertes extrêment faible, leur température de fonctionnement peut atteindre 200 degrés Celsius.
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  • Condensateurs au céramique
  • Les condensateurs au céramique utilisent la céramique comme diélectrique. On trouve plus couramment les condensateurs à puces multicouches (MLCC) et les condensateurs à disque céramique. Ils sont non polarisés et leur capacitance se situe souvent entre 1nF et 1µF. Ce type de condensateurs peut être utilisé dans des circuits à courant alternatif. Des valeurs allant jusqu'à 100µF sont possibles. 
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  • Condensateurs électrolytiques
  • Les condensateurs électrolytiques utilisent un électrolyte comme diélectrique afin de fournir une plus grande capacitance que les autres types de condensateurs. Cette famille englobe aussi les condensateurs au Tantale.  Ils sont généralement polarisés. L'électrolyte utilisé peut être soit humide, soit un polymère solide. Ils doivent être utilisés dans des circuits à courant continu et correctement polarisés. Une inversion de polarité peut aller jusqu'à l'explosion du composant. Les valeurs des capacitances sont comprises entre 1µF et 47mF. 
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  • Condensateurs à film
  • Les condensateurs films utilisent comme diélectrique un film plastique qui peut  être métalisé ou non traité. Les types de films utilisés: polyester, polypropylene, polyestyrene, métalisé. Leur capacitance peut varier de moins de 1nF à 30µF.
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  • Condensateurs au mica
  • Les condensateurs au mica sont fabriqués en interposant des feuilles de mica recouvertes de métal sur les deux faces. Leur capacitance généralement faible   varie de quelques pico Farads à quelques nano Farads, avec des tensions nominales allant de 100 à 1000V, certains pouvant atteindre 10kV pour des applications RF. Ces condensateurs sont encombrants et coûteux.
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  • Condensateur au polymer
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  • Condensateurs de traversée
  • Ce type de condensateur est surtout disponible sous forme de composant monté en surface (CMS). Ce type de condensateur peut servir pour la  suppression d'interférences électromagnétiques, le conditionnement des lignes électriques en courant continu, ou le filtrage d'entrées-sorties à large bande.
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  • Super condensateurs
  • Ce type de condensateur permet de stocker de très grandes quantités d'énergie électrique. Ce sont des condensateurs électrolytiques.  Ils sont utilisés comme   alternatives aux batteries dans certaines applications: systèmes de récupération d'énergie dans l'automobile, mémoires RAM, ou flash d'appareils photographiques. Avec un temps de charge et décharge rapide, leur capacitance peut atteindre 12000F. Ils présentent aussi certains inconvénients: une faible énergie spécifique (Wh/Kg) et un coût élevé.

 

Condensateurs à capacitance variable:

• • Condensateurs ajustables à diélectriques air et à diélectrique plastique
  • Condensateurs variables

Domaines d'applications des condensateurs:

Le couplage et le découplage:

Découplage:

Après la conception d'un montage basé sur des circuits analogiques, il peut arriver que les sorties produisent un bruit de fond superposé au signal utile, ou une instabilité dans le cas d' un montage basé sur des circuits numériques. La raison de ces mauvaises performances peut provenir de l'alimentation qui parfois est loin d'être stable en pratique. De fois, on peut observer à l'oscilloscope l'apparition de petits pics de façon aléatoire, qui peuvent être néfastes pour le fonctionnement d' un montage à microcontrôleur par exemple.

Pour remédier à cet inconvénient on utilise des condensateurs de découplage. Un condensateur de découplage fonctionne comme un réservoir d'énergie qui absorbe tous ces parasites indésirables. La capacitance pour ces condensateurs, qui souvent sont du type céramique, est de 100nF. Pour avoir de bonnes performances, il est conseillé de découpler chaque circuit logique avec un condensateur de découplage placé au plus près du composant, et d'ajouter un condensateur électrolytique de quelques centaines de µF sur l'arrivée générale d'alimentation de la carte électronique.

Couplage:

Si les condensateurs de découplages sont montés en parallèle sur le trajet du signal pour filter les parasites, les condensateurs de couplages quant eux sont montés en série sur le trajet du signal pour filtrer sa composante continu.

Ils sont fréquents dans les amplificateurs audio, pour enlever la tension de polarisation des transistors de puissance, de façon à obtenir que le signal utile. Dans les lignes de transmissions, on s'en sert pour bloquer la composante continu et éviter ainsi des pertes d'énergie dues à la présence de cette composante continu.

Le stockage d'énergie:

Les condensateurs sont des composants qui stockent de l'énergie électrique sous forme de charges électriques accumulées sur leurs plaques. Quand ils sont connectés à une source de tension, ils accumulent de l'énergie électrique qui peut être conservée lorsqu'ils sont déconnectés de la source de tension. De ce fait ils sont équivalents aux batteries d'accumulateurs; à une différence près c'est que les batteries utilisent un procédé électrochimique pour se charger alors que les condensateurs stockent simplement des charges électriques. Un condensateur peut donc libérer plus rapidement de l'énergie ou se charger tout aussi rapidement qu'une batterie.

On retrouve ce type de stockage d'énergie dans des flash d'appareils photographiques, ou des dispositifs de récupération d'énergie dans l'automobile.

Attention: du fait de leur capacité de stockage, en cas de panne du dispositif sur lequel ils sont montés, il faudrait les décharger avant toute intervention de dépannage, afin d'éviter tout risque lié aux chocs électriques.

Le filtrage:

On utilise les condensateurs dans les circuits analogiques pour constituer des filtres. Il existe aussi des filtres de lignes pour filtrer les lignes d'alimentation des équipements.

Une ligne d'alimentation peut être soumise à plusieurs sources de bruits: moteurs à balais, refrigérateurs, machine à laver, climatiseur,...

Les filtres de lignes se présentent sous deux topologies:

La topologie mettant en oeuvre des condensteurs X

 

 

Attention: si le condensateur dans ce montage venait à rentrer en court-circuit pour diverses raisons, il y a un risque pour l'alimentation de l'équipement. Il faudrait prévoir un fusible de protection pour ce type de montage. Leur capacitance tourne autour de 70µF.

La topologie mettant en oeuvre des condensateurs Y

 

 

Attention: si un des condensateurs du montage venait à rentrer en court-circuit pour diverses raisons, il y a un risque. L'usager peut être exposé à la tension électrique de l'équipement si celui-ci a un boîtier metallique. Un moyen de protection consiste à relier à la terre la fiche d'alimentation de l'équipement ainsi que la masse métallique de l'équipement lui-même. Ces condensateurs sont du type film ou papier métalisé. Leur capacitance varie entre 0,001µF et 1µF.

Le démarrage des moteurs

L'induction alternative des moteurs utilise un champ magnétique tournant pour produire le couple. Dans le cas d'un moteur triphasé, le champ magnétique tournant est appliqué plus facilement à cause du déphasage de 120° entre chaque phase. C'est pour cela que ce type de moteurs est fréquemment utilisé dans l'industrie; car économiques et fiables.

Le moteur monophasé pour sa part a besoin d'un circuit externe pour créer ce déphasage afin de produire un champ magnétique tournant. Ce circuit de déphasage peut être réalisé par des montages mettant en oeuvre l' électronique de puissance, ou tout simplement par un condensateur.

Les condensateurs de démarrage sont uniquement utilisés au démarrage du moteur, puis déconnectés lorsque celui-ci est en rotation. On trouve ce type de condensateurs dans: des machines à laver, des climatiseurs, des compresseurs, sèches-linge, des aspirateurs, ...

 

Conclusion:

Un condensateur est composant passif dont la fonction est de stocker de l'énergie électrique. Cette propriété est exploitée dans une très grande variété d'applications faisant de ce composant un élément incontournable dans les montages électroniques modernes.

 

Sources:

https://fr.farnell.com/capacitor-types-and-performance

https://www.digikey.fr/fr/articles/fundamentals-understand-the-characteristics-of-capacitor-types

Sources d'images: 

https://fr.farnell.com

https://www.mouser.fr

AVX KYNOCERA

 

Annexes:

Quelques caractéristiques des condensateurs:

 

Tableau des valeurs normalisées des capacités des condensateurs

 

Exemple: sur un condensateur est marqué: 473K que signifie le marquage?

473 ↔  47 000pF;  et K représente une tolérance de ±10%.

 

Code de marquage de tolérance des condensateurs:

 

 Code de marquage de tolérance des condensteurs de type2: