De quoi est composé un condensateur?

Un condensateur est un composant électrique à deux bornes. Avec les résistances et les inductances, il est l’un des composants passifs les plus fondamentaux que nous utilisons. Il faudrait chercher très fort pour trouver un circuit qui ne comporte pas de condensateur.

La particularité des condensateurs est leur capacité à stocker de l’énergie ; ils sont comme une batterie électrique entièrement chargée. Les condensateurs, comme nous les appelons habituellement, ont toutes sortes d’applications critiques dans les circuits. Parmi les applications courantes, citons le stockage d’énergie locale, la suppression des pics de tension et le filtrage de signaux complexes.

Symboles de circuits

Il existe deux façons courantes de dessiner un condensateur dans un schéma. Ils ont toujours deux bornes, qui se connectent ensuite au reste du circuit. Le symbole du condensateur consiste en deux lignes parallèles, plates ou courbes ; les deux lignes doivent être parallèles l’une à l’autre, proches, mais sans se toucher (ceci est en fait représentatif de la façon dont le condensateur est fabriqué. Difficile à décrire, plus facile à montrer :

(1) et (2) sont des symboles standard de circuit de condensateur. (3) est un exemple de symboles de condensateurs en action dans un circuit de régulateur de tension.

Le symbole avec la ligne courbe (#2 sur la photo ci-dessus) indique que le condensateur est polarisé, ce qui signifie qu’il s’agit probablement d’un condensateur électrolytique. Vous en saurez plus à ce sujet dans la section sur les types de condensateurs de ce tutoriel.

Chaque condensateur doit être accompagné d’un nom — C1, C2, etc. — et d’une valeur. La valeur doit indiquer la capacité du condensateur, c’est-à-dire le nombre de farads qu’il possède. En parlant de farads…

Unités de capacité

Tous les condensateurs ne sont pas créés égaux. Chaque condensateur est construit pour avoir une capacité spécifique. La capacité d’un condensateur indique la quantité de charge qu’il peut stocker, plus la capacité est grande, plus il peut stocker de charge. L’unité standard de capacité s’appelle le farad, dont l’abréviation est F.

Il s’avère qu’un farad est une grande capacité, même 0,001 F (1 milifarad – 1mF) est un grand condensateur. En général, vous trouverez des condensateurs dont la valeur nominale se situe entre le pico- (10-12) et le microfarad (10-6).

Théorie des condensateurs

Remarque : Les informations contenues dans cette page ne sont pas tout à fait essentielles à la compréhension des débutants en électronique… et elles se compliquent un peu vers la fin. Nous vous recommandons de lire la section Comment est fabriqué un condensateur, les autres peuvent probablement être ignorées si elles vous donnent mal à la tête.

Comment est fabriqué un condensateur?

Le symbole schématique d’un condensateur ressemble beaucoup à la façon dont il est fabriqué. Un condensateur est créé à partir de deux plaques métalliques et d’un matériau isolant appelé diélectrique. Les plaques métalliques sont placées très près l’une de l’autre, en parallèle, mais le diélectrique se trouve entre elles pour s’assurer qu’elles ne se touchent pas.

Le diélectrique peut être constitué de toutes sortes de matériaux isolants : papier, verre, caoutchouc, céramique, plastique, ou tout autre matériau susceptible d’empêcher le passage du courant.

Les plaques sont faites d’un matériau conducteur : aluminium, tantale, argent ou autres métaux. Elles sont toutes reliées à un fil de connexion, qui est finalement relié au reste du circuit.

La capacité d’un condensateur – le nombre de farads qu’il possède – dépend de la façon dont il est construit. Un condensateur plus puissant nécessite un condensateur plus grand. Les plaques dont la surface se chevauche davantage offrent une plus grande capacité, tandis qu’une plus grande distance entre les plaques entraîne une moindre capacité. Le matériau du diélectrique a même un effet sur le nombre de farads d’un condensateur.

Où εr est la permittivité relative du diélectrique (une valeur constante déterminée par le matériau diélectrique), A est la surface de recouvrement des plaques et d est la distance entre les plaques.

Comment fonctionne un condensateur?

Le courant électrique est le flux de charges électriques, ce qui permet aux composants électriques de s’allumer, de tourner ou de faire quoi que ce soit. Lorsque le courant circule dans un condensateur, les charges restent « collées » sur les plaques car elles ne peuvent pas passer le diélectrique isolant. Les électrons – particules chargées négativement – sont aspirés dans l’une des plaques, qui devient globalement chargée négativement. La grande masse de charges négatives sur une plaque repousse les charges similaires sur l’autre plaque, la rendant ainsi chargée positivement.

Les charges positives et négatives de chacune de ces plaques s’attirent mutuellement, car c’est ce que font les charges opposées. Mais, avec le diélectrique situé entre elles, même si elles veulent se rapprocher, les charges resteront toujours bloquées sur la plaque (jusqu’à ce qu’elles aient un autre endroit où aller). Les charges stationnaires sur ces plaques créent un champ électrique, qui influence l’énergie potentielle électrique et la tension. Lorsque les charges se regroupent sur un condensateur comme celui-ci, celui-ci stocke de l’énergie électrique tout comme une batterie pourrait stocker de l’énergie chimique.

Charge et décharge

Lorsque des charges positives et négatives se regroupent sur les plaques du condensateur, ce dernier se charge. Un condensateur peut conserver son champ électrique – sa charge – parce que les charges positives et négatives sur chacune des plaques s’attirent mais ne s’atteignent jamais.

À un moment donné, les plaques du condensateur sont tellement chargées qu’elles ne peuvent plus en accepter d’autres. Il y a suffisamment de charges négatives sur une plaque pour qu’elles puissent repousser toutes les autres qui tentent de s’y joindre. C’est là qu’intervient la capacité (farads) d’un condensateur, qui vous indique la quantité maximale de charge que le condensateur peut stocker.

Si un chemin est créé dans le circuit, qui permet aux charges de trouver un autre chemin pour se rejoindre, elles quitteront le condensateur, qui se déchargera.

Par exemple, dans le circuit ci-dessous, une batterie peut être utilisée pour induire un potentiel électrique aux bornes du condensateur. Des charges égales mais opposées vont alors s’accumuler sur chacune des plaques, jusqu’à ce qu’elles soient tellement pleines qu’elles empêchent tout courant de circuler. Une LED placée en série avec le condensateur pourrait fournir un chemin pour le courant, et l’énergie stockée dans le condensateur pourrait être utilisée pour éclairer brièvement la LED.

Types de condensateurs

Il existe toutes sortes de types de condensateurs, chacun ayant des caractéristiques et des inconvénients qui le rendent meilleur pour certaines applications que pour d’autres.

Lorsque vous choisissez un type de condensateur, vous devez tenir compte d’un certain nombre de facteurs :

Taille – Taille en termes de volume physique et de capacité. Il n’est pas rare qu’un condensateur soit le plus grand composant d’un circuit. Ils peuvent également être très petits. Une capacité plus importante nécessite généralement un condensateur plus grand.
Tension maximale – Chaque condensateur est évalué pour une tension maximale qui peut être appliquée à travers lui. Certains condensateurs sont prévus pour 1,5 V, d’autres pour 100 V. Le dépassement de la tension maximale entraîne généralement la destruction du condensateur.
Courant de fuite – Les condensateurs ne sont pas parfaits. Chaque condensateur est susceptible de laisser échapper une petite quantité de courant à travers le diélectrique, d’une borne à l’autre. Cette minuscule perte de courant (généralement des nano-ampères ou moins) est appelée fuite. Les fuites font que l’énergie stockée dans le condensateur s’épuise lentement, mais sûrement.
Résistance série équivalente (ESR) – Les bornes d’un condensateur ne sont pas conductrices à 100 %, elles présentent toujours une petite résistance (généralement inférieure à 0,01Ω). Cette résistance devient un problème lorsqu’une grande quantité de courant traverse le condensateur, produisant de la chaleur et une perte de puissance.
Tolérance – Les condensateurs ne peuvent pas non plus être fabriqués pour avoir une capacité exacte et précise. Chaque condensateur est classé pour sa capacité nominale, mais, selon le type, la valeur exacte peut varier de ±1% à ±20% de la valeur souhaitée.