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					                           LES CONDENSATEURS
                       Auteur : Antoine CASTANO. Lycée RASCOL. ALBI.



1/ Définition :


     Un condensateur est constitué de deux plaques conductrices ( étain,
cuivre, aluminium...) appelées armatures, placées en regard l’une de
l’autre, et séparées par un isolant d’épaisseur variable appelé
diélectrique. Les diélectriques les plus utilisés sont l’air, le mica, le papier,
le mylar, le plastique, le verre, etc...
     Il se caractérise par sa capacité C qui est la constante de
proportionnalité entre la charge (ou quantité d’électricité) qu’il acquiert
quand il est soumis à une tension U.



     SYMBOLE :

                       C                                     Volt(V)
              I                             Q = C.U

                                                  Farad(F)
                   U
                                             Coulomb(C)




Très important :
La tension aux bornes d’un condensateur ne peut varier brusquement.




                                        1
2/ Le condensateur plan :



                                                                  e (épaisseur du diélectrique)

                                                          diélectrique

                                                              armature



Capacité d’un condensateur plan :


       C=      . .(S/e)
               0    r




 : Permittivité relative du vide = 1/(4.9.10 )= 8,85.10 F/m
  0
                                                 -9                -12



 : Permittivité relative, dépend du diélectrique, sans unité.
  r


   Air  = 1, Mica  = de 6 à 8, Céramique  = de 6 à 15000.
          r              r                            r
                                2
S : Surface de l’armature en m .
e : distance entre les 2 armatures en mètre.

Remarque : Pour qu’un condensateur est une forte capacité, il faut qu’il est une grande surface, une
faible épaisseur et un diélectrique à forte permittivité relative.

Exercice : Soit 2 plaques conductrices de forme circulaire de 1 mètre de rayon, on les rapproche
jusqu’à obtenir une distance entre les deux de 0,75mm.

Calculer C.

S = .R2 = 3,14 m2

C = 8,85.10-12  1 3,14 / (0,75.10-3 )= 37 nF

Avec la même épaisseur, calculer le rayon de l’armature pour obtenir une capacité de 1F.

S = Ce / (r0) = 84 km2

D’ou le rayon R =       S /  = 5,19 km.

En règle générale, on ne trouvera pas une valeur de condensateur au-dessus du Farad, même au-
dessus de 10mF.



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3/ Modèle réel :

      En réalité, dû à l’imperfection de l’isolant, des soudures, un condensateur réel ne se comporte
pas comme un condensateur parfait.

Schéma équivalent d’un condensateur réel :


                                    Rf
                                                               L
              A                                                               B
                                           C

                               Rs



Rf :Résistance qui va provoquer la décharge du condensateur d’autant
plus vite que Rf est petite.
   Rf supérieur à 1Mohms.
Rs : Résistance en série dûe aux contacts, quelques dixièmes d’ohms.
     Lorsque le condensateur se charge et se décharge avec un courant
élevé, celui-ci dégage de la chaleur.
C : Capacité du condensateur.
L : Aux hautes fréquences apparaît une inductance en série, pour le
moment nous n’en tiendrons pas compte.


    Un condensateur ne garde jamais indéfiniment sa charge à cause du
courant de fuite ( dû à Rf ).
Suivant le type de condensateur, la décharge peut aller de quelques
secondes à quelques jours.
4/ Caractérisation des condensateurs.

      4-1/ Valeur nominale.

Capacité pour laquelle est prévue le condensateur, noté par le code des
couleurs ou directement en clair sur le condensateur.
Rappel / pico Farad 10-12 F (pF).
        nanoFarad 10-9 F (nF).

                                                  3
         microFarad 10-6 F (µF).
    4-2/ Tolérance, précision.
Donné en  ou en Farad.
 Ex : 10µF  20 ou 10µF  2µF.
    4-3/ Tension nominale (ou de service).


Tension notée sur le condensateur.
Si le signal est continu, c’est la tension à ne pas dépasser.
Si le signal est alternatif, c’est la tension crête à ne pas dépasser.




    4-4/ Tension d’essais.

Tension de pic admissible pendant un temps bref à ne pas dépasser.




    4-5/ Résistance d’isolement.

C’est la valeur de la résistance mesurée entre les bornes du condensateur
sous une tension continue.
Cela représente la valeur de la résistance Rp.
5/ Les différents types de condensateurs.

    5-1/ Les condensateurs fixes non polarisés.

         5-1-1/ Les condensateurs Mica.

    Le Mica est un diélectrique composé de Silicate d’aluminium et de
Potassium. Les lames de Mica sont tirées au µm. Une feuille de 50µm
correspond à une tension de service de 350V.


                                             4
     Un condensateur au Mica est constitué d’empilage de feuilles
aluminisées ou argentées. Les cosses de sorties sont soudées directement
sur les armatures. La protection des feuilles est faite par plaquette de
carton imprégné de cire de résine d’époxy.




     Valeur nominale : de 2pF à 220nF.

     Tolérance : de 0,5 à 10.

     Tension de service : de 100V à 2000V.

     Résistance d’isolement : de l’ordre de 1010 ohms.

     Limite en fréquence : jusqu’à 10GHz.

     Utilisation : - professionnelle en haute fréquence pour Radar, Télé...
                    - de par leur précision : condensateur étalon.

             5-1-2/ Les condensateurs Verre.

    Ce diélectrique est composé de verres spéciaux contenant des oxydes
de plomb, de potassium.
    Un condensateur Verre est constitué de ruban de verres de 10 à 12µm
d’épaisseurs empilés les uns sur les autres.
     Valeur nominale : de 1pF à 10nF.

     Tolérance : de 1 à 20.

     Tension de service : de 300V à 500V.

     Résistance d’isolement : de 1011 à 1012 ohms.

     Utilisation : remplace de plus en plus les condensateurs Mica.

             5-1-3/ Les condensateurs Céramique.

     Il existe deux types distincts :
      - type 1 (ou groupe 1) : à coefficient de température déterminé.
      - type 2 (ou groupe 2) : à coefficient de température indéterminé.
Le type 1.


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     La céramique utilisé est de la Stéatite, du bioxyde de titane, ou du
strontium.
     Le diélectrique se présente sous forme de tube ou de perle. Les
armatures sont obtenues par argenture des 2 faces de la céramique. Les
sorties sont soudées sur l’argenture. La protection est faite par vernis,
émail ou vitrification. Ils sont précis et stable.




      Valeur nominale : de 1pF à 2nF.

      Tolérance : de 2 à 20.

      Tension de service : de 25V à 1000V.

      Résistance d’isolement : de 1011 ohms.

      Utilisation en fréquence: de 20kHz à 50MHz.

      Utilisation en HF pour les circuits d’accord (recherche de stations radio), les circuits de
liaison.

Le type 2 :
     La céramique est cette fois-ci du titane de baryum. Ils sont peu stables
et peu précis.

      Valeur nominale : de 100pF à 0,47µF.

      Tolérance : de 20 à 50.

      Tension de service : de 25V à 1000V.

      Résistance d’isolement : 109 ohms.

      Utilisation en fréquence: de 50Hz à 50MHz.

      Utilisation : les circuits de liaison et de découplage.

              5-1-4/ Les condensateurs Papier.

    Le diélectrique employé est un papier isolant imprégné. Les armatures
sont constituées de bande d’aluminium. Les armatures et le diélectrique
sont bobinés ensemble.
    La protection est faite par un tube en verre ou par moulage plastique.
    Il existe deux types : non métallisé et métallisé.
                                                    6
Papier non métallisé :

      Valeur nominale : de 1nF à 100µF.

      Tolérance : de 10 à 20.

      Tension de service : de 100V à 10000V.

      Résistance d’isolement : de 109 à 1011 ohms.

      Limite en fréquence : jusqu’à 10Mhz.

      Utilisation : -  en basses fréquences,
                     - condensateur de liaison, de découplages,
                     - pour les démarrages moteurs,
                     - augmentation du cos d’une installation.
Papier métallisé :

      Valeur nominale : de 10nF à 200µF.

      Tolérance : de 10 à 20.

      Tension de service : de 50V à 500V.

      Résistance d’isolement : de 109 à 1011 ohms.

      Limite en fréquence : jusqu’à 10MHz.

      Utilisation : - condensateurs de liaison et de découplage en audiofréquence.

   Les condensateurs en papier sont remplacés de plus en plus par les
modèles à film plastique.
            5-1-5/ Les condensateurs à Film plastique.

     Ils sont constitués de couches alternées d’aluminium et de plastique
qui sont bobinées ensemble. Les sorties sont radiales ou axiales et sont
faites par enrobage.
Les Films en polyester métallisé.

      Valeur nominale : de 1nF à 250µF.

      Tolérance : de 1 à 20.

      Tension de service : de 40V à 10000V.
                                                 7
     Résistance d’isolement : de 109 à 1012 ohms.

     Utilisation : - condensateurs de liaison et de découplage, circuit d’antiparasitage.

Les Films en polycarbonate.

     Valeur nominale : de 1nF à 250µF.

     Tolérance : de 1 à 2.

     Tension de service : de 40V à 5000V.

     Résistance d’isolement : supérieure à 1012 ohms.

     Condensateurs très stables, très fiables.

     Utilisation : - circuit d’accord,
                 - filtres, intégrateurs, dérivateurs,
                 - circuits d’antiparasitage.
Les Films en polypropylène.

     Valeur nominale : de 0,1nF à 250µF.

     Tolérance : de 10 à 20.

     Tension de service : de 160V à 3500V.

     Résistance série très faible.

    Utilisation pour des circuits en régimes impulsionnels, alimentation à
découpages.
Les Films en polysulfone métallisé.

    Ces condensateurs sont utilisés pour un fonctionnement à des
températures élevées.

     5-2/ Les condensateurs fixes polarisés.

     Symbole :


                           +



                                                 8
      Dans la pratique :




                               +                                       +


      Il faut faire très attention à la polarité sous risque de destruction.


            5-2-1/ Les condensateurs à électrolyte liquide

Condensateur aluminium à électrolyte liquide.


    Le diélectrique est composé d’alumine, plongé dans de l’acide
borique. L’électrode et la cathode sont composées d’aluminium.

      Valeur nominale : de 1µF à 150000µF.

      Tolérance : de 10 à 20.

      Tension de service : - miniature de 2,5V à 63V,
                           - ordinaire de 150V à 550V.
      Courant de fuite : de quelques microAmpères.

      Limite en fréquence: inférieure à 10kHz.

      Utilisation : - Filtrage, découplage en Basse fréquence, résistance série très bonne.

      Avantage : Faible volume pour une grande capacité.

Condensateur tantale à électrolyte gélifié.


    L’anode est une pastille de poudre de tantale pressée et frittée. La
cathode est composée du boîtier en argent.
    L’électrolyte est à base d’acide sulfurique



                                                  9
      Valeur nominale : de 1µF à 1000µF.

      Tolérance : de 10 à 20.

      Tension de service : - 6V à 150V.

      Courant de fuite : de 1 microAmpère.

      Limite en fréquence: inférieure à 10kHz.

      Utilisation : - Filtrage, découplage en Basse fréquence.

      Inconvénient : Utilisés que pour de faible valeur de tension de service.




            5-2-2/ Les condensateurs à électrolyte solide.

Condensateur aluminium à électrolyte solide.

     L’anode est en aluminium. La cathode est composée de l’électrolyte
solide.
     Ils sont très stables en température. Le courant de fuite est inférieur
au micoAmpère, le stockage d’énergie sera prolongé.
     Les courants de charge et de décharge sont sans limitation.
      Utilisation : Découplage, filtrage en basse fréquence.

             La durée de vie, la fiabilité et l’étendue de la gamme de
      Remarque :
température sont importantes.
Condensateur tantale à électrolyte solide.

      Valeur nominale : de 10nF à 500µF.

      Tolérance : de 10 à 20.

      Tension de service : - 2V à 125V.

      Courant de fuite : de 1 microAmpère.

      Utilisation : - Filtrage, découplage en Basse fréquence.

      Inconvénient : Résistance série élevée.

      Avantage : Longue     durée de vie.

                                                  10
            Il occupe un volume plus faible que l’aluminium. Ils sont
stables dans le temps. Cette fiabilité peut être altéré par l’influence
combinée du courant, de la tension et de la température qui provoquent la
naissance d’un oxyde de tantale.

    5-3/ Les condensateurs réglables.

     Ils permettent le réglage de la capacité par un curseur. Le
diélectrique qui les compose est à air ou à diélectrique plastique.

     Principe : On déplace une des armatures du condensateur par rapport
à l’autre. La distance entre les deux armatures est donc modifiée, la
capacité aussi( voir la formule du condensateur plan).
     Ce type de condensateur est utilisé pour les circuits d’accord AM,
FM.




                                        11
               UTILISATION                 FAMILLE DE CONDENSATEUR                CARACTERISTIQUES
Haute           radar,télé....             Mica ( 1pF à 200nF )                   précis,bonne tenue en température
fréquence                                  Verre ( 1pF à 10nF )                   remplacé de plus en plus par les micas
supérieur à     circuit d’accord           Céramique Type 1 ( 1pF à 2nF )         précis et stable
  100kHz        circuit de liaison         Céramique Type 2 ( 100pF à 470nF )     imprécis et instable
                        de découplage
                pour des tensions          Papier non métallisé ( 1nF à 100F )   utilisable jusqu’à 10000 Volts
                    élevées
    Basse      circuit de liaison          Papier métallisé ( 10nF à 200F )      remplacé de plus en plus par les films
  fréquence            de découplage       Polyester ( 1nF à 250F)               plastiques
                                                                                  utilisé aussi pour des circuits d’antiparasitages
  et moyenne   circuit d’accord            Polycarbonate ( 1nF à 250F )          trés stable, trés fiable, condensateur de
  fréquence    Oscillateur, Intégrateur                                           précision
                                                                                  utilisé aussi pour des circuits d’antiparasitages
               régime impulsionnel         Polypropylène ( 100pF à 250F )        résistance série faible
               Alimentation à découpage                                           supporte des courants efficaces élevés
               pour un fonctionnement à    Polysulfone métallisé (1nF à 250F )   fonctionne à des températures élevées
               des températures élevées                                           grande stabilité
               Filtrage, découplage        Aluminium à électrolyte liquide        courant de fuite de quelques micro-Ampère
                                           ( 1F à 150000F )                     Tension de service jusqu’à 550 Volts
inférieur à    Filtrage, découplage        Tantale à électrolyte gélifié          Faible volume par rapport à l’aluminium
10kHz                                      ( 1F à 1000F )                       Tension de service limitée à 150 Volts
               Stockage d’énergie prolongé Aluminium à électrolyte solide         Trés stable en température
                                           ( 1F à 20000F )                      Courant de fuite inférieur au micro-Ampère
               Circuit RC, Oscillateur     Tantale à électrolyte solide           Tension de service limitée à 125 Volts
                                           ( 10nF à 500F )                       Faible volume, stable dans le temps


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                          Plage d’utilisation des différentes familles de condensateurs
1pF                       1nF                         1F                             1mF
                                                                                                                Valeur capacitive en Farad

         Verre

             Mica

      Céramique Type 1

       Céramique Type 2

                                 Papier non métallisé

                                   Papier métallisé

                                      Polyester


                                     Polycarbonate

                           Polypropylène

                                  Polysulfone métallisé


                                 Tantale à électrolyte solide

                                                            Tantale à électrolyte gélifié

                                                                         Aluminium à electrolyte solide
                                                                13
                                                                              Aluminium à électrolyte liquide