La base de composants électroniques pour la conception de dispositifs électroniques est de plus en plus compliquée. Les dispositifs sont combinés en circuits intégrés avec des fonctionnalités définies et un contrôle logiciel. Mais au cœur du développement se trouvent les dispositifs de base : condensateurs, résistances, diodes et transistors.
Contenu
Qu'est-ce qu'un condensateur ?
Un appareil qui stocke l'électricité sous forme de charges électriques s'appelle un condensateur.
En physique, la quantité d'électricité ou de charge électrique est mesurée en coulombs (Cl). La capacité électrique est mesurée en farads (F).
Un conducteur solitaire ayant une capacité électrique de 1 farad est une boule métallique dont le rayon est égal à 13 rayons solaires. Par conséquent, un condensateur comprend au moins 2 conducteurs, qui sont séparés par un diélectrique. Dans les dispositifs simples, il s'agit de papier.
Le fonctionnement d'un condensateur dans un circuit à courant continu a lieu lorsque l'alimentation est allumée et éteinte. Ce n'est que pendant les transitoires que le potentiel sur les bobines change.
Le condensateur d'un circuit alternatif est rechargé à une fréquence égale à celle de la tension d'alimentation. En raison de la charge et de la décharge continues, un courant circule dans l'élément. Une fréquence plus élevée signifie une recharge plus rapide de l'appareil.
La résistance d'un circuit avec un condensateur dépend de la fréquence du courant. A la fréquence zéro du courant continu, la valeur de la résistance tend vers l'infini. Avec l'augmentation de la fréquence du courant alternatif, la résistance diminue.
Lorsque des condensateurs sont utilisés
Le fonctionnement des appareils électroniques, radio et électriques n'est pas possible sans condensateurs.
En électrotechnique, ils sont utilisés pour le déphasage lors du démarrage des moteurs asynchrones. Sans déphasage, un moteur à induction triphasé dans un réseau alternatif monophasé ne fonctionnera pas.
Les condensateurs ayant une capacité de plusieurs farads - les condensateurs ioniques - sont utilisés dans les véhicules électriques comme source d'énergie pour le moteur.
Pour comprendre pourquoi un condensateur est nécessaire, il faut savoir que 10 à 12% des appareils de mesure fonctionnent sur le principe de la modification de la capacité électrique en fonction des changements de l'environnement extérieur. La réponse capacitive des dispositifs spéciaux est utilisée pour :
- enregistrer les mouvements faibles en augmentant ou en diminuant la distance entre les coquilles ;
- détecter l'humidité en enregistrant les changements de la résistance diélectrique ;
- mesurer le niveau d'un liquide qui modifie la capacité d'un élément lorsqu'il est rempli.
Il est difficile d'imaginer la conception d'automates et de relais de protection sans condensateurs. Certaines logiques de protection prennent en compte la multiplicité des surcharges de l'appareil.
Les éléments capacitifs sont utilisés dans les circuits des appareils de téléphonie mobile, de radio et de télévision. Les condensateurs sont utilisés dans :
- Amplificateurs haute et basse fréquence ;
- les unités d'alimentation électrique ;
- filtres de fréquence ;
- les amplificateurs de son ;
- processeurs et autres microcircuits.
Il est facile de trouver la réponse à la question de savoir à quoi sert un condensateur en regardant les schémas de câblage des appareils électroniques.
Principe du condensateur
Dans un circuit à courant continu, les charges positives sont collectées sur une plaque et les charges négatives sur l'autre. Par attraction mutuelle, les particules sont maintenues ensemble dans le dispositif et le diélectrique qui les sépare les empêche de se connecter. Plus le diélectrique est fin, plus les charges sont connectées.
Le condensateur prend la quantité d'électricité nécessaire pour remplir la capacité et le courant s'arrête.
Avec une tension constante dans le circuit, l'élément conserve une charge jusqu'à ce que l'alimentation soit coupée. Il se décharge ensuite à travers les charges du circuit.
Le courant alternatif circule dans un condensateur d'une manière différente. Le premier ¼ de la période d'oscillation correspond au moment de charge de l'appareil. L'amplitude du courant de charge diminue de façon exponentielle et tombe à zéro à la fin du trimestre. Le champ électromagnétique atteint une amplitude à ce moment-là.
Dans le deuxième ¼ de la période, la force électromotrice diminue et la cellule commence à se décharger. La diminution de la force électromotrice au début est faible, tout comme le courant de décharge. Elle augmente selon la même relation exponentielle. À la fin de la période, la force électromotrice est nulle et le courant est égal à sa valeur d'amplitude.
Dans le troisième ¼ de la période d'oscillation, la force électromotrice change de direction, passe au-dessus de zéro et augmente. Le signe de la charge sur les bobines est inversé. Le courant diminue en magnitude et conserve sa direction. À ce stade, le courant électrique est en avance de 90° sur la tension en phase.
Le contraire se produit dans les inducteurs : la tension est en avance sur le courant. Cette propriété est primordiale lorsqu'on décide d'utiliser des circuits RC ou RL.
A la fin du cycle, au dernier ¼ de l'oscillation, la FEM tombe à zéro et le courant atteint sa valeur d'amplitude.
" La capacité se décharge et se charge 2 fois par période et conduit un courant alternatif.
Il s'agit d'une description théorique des processus. Pour comprendre comment un élément d'un circuit fonctionne directement dans l'appareil, calculez la résistance inductive et capacitive du circuit, les paramètres des autres participants, et tenez compte de l'influence de l'environnement extérieur.
Principales caractéristiques et propriétés
Les paramètres des condensateurs qui sont utilisés pour construire et réparer les appareils électroniques sont les suivants :
- Capacitance - C. Détermine la quantité de charge que l'appareil peut contenir. La valeur de la capacité nominale est indiquée sur le boîtier. Les cellules sont connectées dans un circuit en parallèle ou en série pour créer les valeurs requises. Les valeurs de fonctionnement ne coïncident pas avec les valeurs calculées.
- La fréquence de résonance est fp. Si la fréquence du courant est supérieure à la fréquence de résonance, les propriétés inductives de l'élément deviennent apparentes. Cela rend l'opération difficile. Afin de garantir la puissance nominale dans le circuit, il est judicieux d'utiliser le condensateur à des fréquences inférieures aux valeurs de résonance.
- La tension nominale est Un. Pour éviter le claquage des éléments, la tension de fonctionnement est réglée à un niveau inférieur à la tension nominale. Ceci est indiqué sur le corps du condensateur.
- Polarité. Une connexion incorrecte entraînera une panne et une défaillance.
- Résistance d'isolement électrique - Rd. Détermine le courant de fuite de l'appareil. Dans les dispositifs, les pièces sont situées à proximité les unes des autres. Des courants de fuite élevés peuvent provoquer des connexions parasites dans les circuits. Cela entraîne des dysfonctionnements. Le courant de fuite altère les propriétés capacitives de l'élément.
- Le coefficient de température - TKE. Cette valeur détermine la façon dont la capacité d'un dispositif change lorsque la température du milieu fluctue. Ce paramètre est utilisé lors de la conception d'appareils destinés à être utilisés dans des environnements difficiles.
- Effet piézoélectrique parasite. Certains types de condensateurs créent du bruit dans les appareils lorsqu'ils sont déformés.
Types de condensateurs
Les éléments capacitifs sont classés en fonction du type de diélectrique utilisé dans leur construction.
Condensateurs en papier et en métal
Les éléments sont utilisés dans les circuits avec des tensions continues ou faiblement pulsées. La simplicité de la conception se traduit par une stabilité des caractéristiques inférieure de 10-25% et une valeur accrue des pertes.
Dans les condensateurs en papier, les feuilles d'aluminium sont séparées par du papier. Les assemblages sont tordus et placés dans un boîtier de forme cylindrique ou parallélépipédique rectangle.
Les dispositifs fonctionnent à des températures de -60°C à 125°C, avec une tension nominale allant jusqu'à 1600V pour les dispositifs basse tension et supérieure à 1600V pour les dispositifs haute tension, et avec une capacité allant jusqu'à des dizaines de μF.
Dans les dispositifs papier-métal, une fine couche de métal est appliquée sur du papier diélectrique au lieu d'une feuille. Cela permet de fabriquer des composants plus petits. En cas de panne mineure, le diélectrique peut s'autoréparer. Les piles métal-papier sont inférieures aux piles papier en termes de résistance d'isolation.
Condensateurs électrolytiques
La construction de ces produits est similaire à celle des condensateurs en papier. Mais dans la fabrication des cellules électrolytiques, le papier est imprégné d'oxydes métalliques.
Dans les produits à électrolyte sans papier, l'oxyde est appliqué sur une électrode métallique. Les oxydes métalliques ont une conductivité à sens unique, ce qui rend le dispositif polaire.
Dans certains modèles de cellules électrolytiques, les couvercles sont dotés de rainures qui augmentent la surface de l'électrode. Les espaces entre les plaques sont éliminés en les remplissant d'électrolyte. Cela améliore les propriétés capacitives du produit.
La capacité élevée des dispositifs électrolytiques, des centaines de μF, est utilisée dans les filtres pour lisser les ondulations de tension.
Aluminium électrolytique
Dans ce type d'instrument, la plaque anodique est constituée d'une feuille d'aluminium. La surface est recouverte d'un oxyde métallique, le diélectrique. Le tampon cathodique est un électrolyte solide ou liquide, qui est choisi de manière à ce que la couche d'oxyde sur la feuille soit régénérée pendant le fonctionnement. L'autoréparation du diélectrique prolonge la durée de fonctionnement de l'élément.
Les condensateurs de cette conception doivent respecter la polarité. En inversant la polarité, le boîtier se déchire.
Les dispositifs qui ont des assemblages polaires contre-couplés à l'intérieur sont utilisés dans deux directions. Les cellules électrolytiques en aluminium ont une capacité allant jusqu'à plusieurs milliers de µF.
Tantale électrolytique
L'électrode anodique de ces dispositifs est constituée d'une structure poreuse, obtenue en chauffant jusqu'à 2000°C de la poudre de tantale. Le matériau a l'aspect d'une éponge. La porosité augmente la surface.
Au moyen d'une oxydation électrochimique, une couche de pentoxyde de tantale d'une épaisseur pouvant atteindre 100 nanomètres est appliquée sur l'anode. Le diélectrique solide est constitué de dioxyde de manganèse. La construction terminée est pressée dans un compound, une résine spéciale.
Les produits en tantale sont utilisés à des fréquences de courant supérieures à 100kHz. Les capacités sont construites jusqu'à des centaines de μF, avec des tensions de fonctionnement jusqu'à 75V.
Polymère
L'électrolyte polymère solide est utilisé dans les condensateurs, ce qui offre plusieurs avantages :
- la durée de vie est portée à 50 000 heures ;
- Les paramètres sont maintenus lors du réchauffement ;
- une plus grande plage d'ondulation du courant ;
- la résistance des bornes et des électrodes n'entraîne pas de shuntage de la capacité.
Type de film
Le diélectrique de ces modèles est un film en téflon, polyester, plastique fluoré ou polypropylène.
Les couvertures sont des feuilles ou du métal pulvérisé sur le film. Cette conception est utilisée pour créer des assemblages multicouches avec une surface accrue.
Les condensateurs à film ont une capacité de plusieurs centaines de μF pour une taille miniature. En fonction de la disposition des couches et des fils de contact, on obtient des formes axiales ou radiales des produits.
Certains modèles ont une tension nominale de 2 kV ou plus.
La différence entre polaire et non polaire
Les conceptions non polaires permettent d'incorporer des condensateurs dans un circuit sans tenir compte du sens du courant. Les éléments sont utilisés dans les filtres pour les alimentations en courant alternatif, les amplificateurs haute fréquence.
Les produits polaires sont connectés conformément au marquage. S'il est connecté dans le sens inverse, l'appareil tombera en panne ou ne fonctionnera pas correctement.
Les condensateurs polaires et non polaires de haute et de basse capacité diffèrent par leur conception diélectrique. Dans les condensateurs électrolytiques, si l'oxyde est appliqué sur 1 électrode ou 1 côté du papier, du film, l'élément sera polaire.
Les modèles de condensateurs électrolytiques non polaires avec oxyde métallique appliqué symétriquement sur les deux surfaces diélectriques sont inclus dans les circuits CA.
Les condensateurs polaires ont des marques d'électrode positive ou négative sur le boîtier.
De quoi dépend la capacité d'un condensateur
La fonction principale et le rôle du condensateur dans un circuit est de stocker des charges et un rôle supplémentaire est d'empêcher les fuites.
La capacité d'un condensateur est directement proportionnelle à la constante diélectrique du milieu et à la surface des plaques, et inversement proportionnelle à la distance entre les électrodes. Deux contradictions apparaissent :
- Pour augmenter la capacité, les électrodes doivent être aussi épaisses, larges et longues que possible. Dans le même temps, la taille de l'appareil ne doit pas être augmentée.
- Afin de maintenir les charges et de fournir la force d'attraction nécessaire, la distance entre les plaques doit être aussi faible que possible. En même temps, le courant de claquage ne doit pas être réduit.
Pour résoudre ces contradictions, les développeurs utilisent
- structures multicouches de la paire diélectrique-électrode ;
- structures poreuses d'anodes ;
- remplacement du papier par des oxydes et des électrolytes ;
- connexion parallèle d'éléments ;
- en remplissant l'espace libre de substances ayant une constante diélectrique plus élevée.
La taille des condensateurs est de plus en plus petite et leurs caractéristiques s'améliorent avec chaque nouvelle invention.
Articles connexes :
