Un condensateur électrique est l'un des éléments du circuit électrique de tout appareil électronique. Sa principale fonction est de stocker de l'énergie et de la restituer ensuite au circuit. L'industrie offre une grande variété de condensateurs avec différents types, capacités, tailles et applications.
Principe et caractéristiques des condensateurs
Un condensateur est constitué de deux plaquettes métalliques séparées par une fine couche diélectrique. Le rapport entre la taille et la disposition des facettes et les caractéristiques du matériau diélectrique détermine la valeur de la capacité.
La conception de tout type de condensateur vise à obtenir la capacité maximale par rapport aux dimensions minimales afin de gagner de la place sur la carte de circuit imprimé du dispositif. L'une des formes les plus populaires en termes d'apparence est la forme en barillet, dans laquelle des couvercles métalliques sont tordus ensemble avec un diélectrique entre eux. Le premier condensateur, inventé à Leyde, aux Pays-Bas, en 1745, était appelé "pot de Leyde".
Le principe du composant est la capacité à se charger et à se décharger. La charge est rendue possible en maintenant les électrodes à une courte distance l'une de l'autre. Les charges rapprochées et séparées par le diélectrique sont attirées les unes des autres et piégées sur les bornes, et le condensateur lui-même stocke ainsi de l'énergie. Après la coupure de l'alimentation, le composant est prêt à libérer de l'énergie dans le circuit, à se décharger.
Paramètres et propriétés qui déterminent les performances, la qualité et la durabilité.
- la capacité électrique ;
- capacité spécifique ;
- tolérance ;
- la force électrique ;
- l'inductance intrinsèque ;
- absorption diélectrique ;
- pertes ;
- stabilité ;
- fiabilité.
La capacité à stocker une charge détermine la capacité électrique d'un condensateur. Pour calculer la capacité, il est nécessaire de connaître
- la surface des enroulements ;
- la distance entre les bobines ;
- La constante diélectrique du matériau diélectrique.
Pour augmenter la capacité, il est nécessaire d'augmenter la surface des enroulements, de réduire la distance entre eux et d'utiliser un diélectrique dont le matériau a une constante diélectrique élevée.
L'unité de mesure utilisée pour la capacité est le farad (F), du nom du physicien anglais Michael Faraday. Cependant, 1 Farad est une valeur trop importante. Par exemple, la capacité de notre planète est inférieure à 1 Farad. Des valeurs plus petites sont utilisées en radioélectronique : les microfarads (µF, un millionième de Farad) et les picofarads (pF, un millionième de microfarad).
La capacité spécifique est calculée à partir du rapport entre la capacité et la masse diélectrique (volume). Les dimensions géométriques influent sur ce point. Une augmentation de la capacité spécifique est obtenue en réduisant le volume du diélectrique, mais cela augmente le risque de claquage.
L'écart admissible entre la valeur de la capacité indiquée sur la plaque signalétique et la valeur réelle détermine la classe de précision. Selon GOST, il existe 5 classes de précision qui déterminent l'utilisation future. Les composants de la classe de précision la plus élevée sont utilisés dans les circuits à haute responsabilité.
La résistance électrique détermine la capacité à tenir une charge et à conserver les performances. Les charges stockées sur les enroulements ont tendance à se rapprocher les unes des autres lorsqu'elles agissent sur le diélectrique. La résistance électrique est une propriété importante d'un condensateur qui détermine la durée de son utilisation. Une utilisation incorrecte entraînera une rupture diélectrique et une défaillance des composants.
L'inductance intrinsèque est prise en compte dans les circuits alternatifs avec des bobines d'inductance. Pour les circuits en courant continu, il n'est pas pris en compte.
L'absorption diélectrique est l'apparition d'une tension sur les bobines lors d'une décharge rapide. Le phénomène d'absorption est pris en compte pour le fonctionnement sûr des appareils électriques à haute tension car il y a danger de mort en cas de court-circuit.
Les pertes sont dues à la faible capacité de transport de courant du diélectrique. Lorsque les composants électroniques sont utilisés dans des conditions de température et d'humidité différentes, le facteur de qualité des pertes a un effet. Elle est également affectée par la fréquence de fonctionnement. À basse fréquence, les pertes diélectriques sont affectées ; à haute fréquence, les pertes métalliques sont affectées.
La stabilité est un paramètre du condensateur, qui est également influencé par la température ambiante. Ses effets sont divisés en réversibles, caractérisés par un coefficient de température, et irréversibles, caractérisés par un coefficient d'instabilité thermique.
La fiabilité du fonctionnement d'un condensateur dépend principalement des conditions de fonctionnement. L'analyse des défaillances montre que les pannes sont responsables de 80 % de toutes les défaillances.
Selon l'application, le type et le domaine d'utilisation, les condensateurs sont dimensionnés différemment. Les plus petits, dont la taille varie de quelques millimètres à quelques centimètres, sont utilisés dans l'électronique, tandis que les plus grands sont utilisés dans l'industrie.
Objectif
La propriété de stocker et de libérer de l'énergie a déterminé la large utilisation des condensateurs dans l'électronique moderne. Tout comme les résistances et les transistors, ils constituent l'épine dorsale du génie électrique. Il n'existe pas un seul appareil moderne qui ne les utilise pas à un titre ou à un autre.
Leur capacité à se charger et à se décharger, ainsi que l'inductance ayant les mêmes propriétés, sont largement utilisées dans la technologie de la radio et de la télévision. Le circuit oscillant composé d'un condensateur et d'une inductance est à la base de la transmission et de la réception des signaux. En modifiant la capacité du condensateur, il est possible de modifier la fréquence du circuit oscillant. Les stations de radio, par exemple, peuvent émettre sur leurs fréquences et les radios peuvent se connecter à ces fréquences.
Une fonction importante est le lissage des ondulations du courant alternatif. Tout appareil électronique alimenté en courant alternatif a besoin de condensateurs électriques de filtrage pour produire un courant continu de bonne qualité.
Le mécanisme de chargement et de déchargement est activement utilisé dans les équipements photographiques. Tous les appareils photo modernes utilisent un flash pour prendre des photos, qui est réalisé grâce à la propriété de décharge rapide. Les batteries, qui sont capables de stocker de l'énergie mais sont lentes à se décharger, ne sont pas avantageuses dans ce domaine. Les condensateurs, quant à eux, libèrent instantanément toute l'énergie stockée, ce qui est suffisant pour un éclair brillant.
La capacité des condensateurs à générer des impulsions de haute puissance est utilisée dans la radiolocalisation et les lasers.
Les condensateurs jouent le rôle de contacts étincelants en télégraphie et en téléphonie, ainsi qu'en télémécanique et en automatisation, où des relais très chargés doivent être commutés.
La régulation de la tension des longues lignes de transmission est rendue possible par l'utilisation de condensateurs de compensation.
Les condensateurs modernes, grâce à leurs capacités, ne sont pas seulement utilisés dans le domaine de la radioélectronique. Ils sont utilisés dans les industries du traitement des métaux, des mines et du charbon.
Principales variétés
En raison de la diversité des applications et des conditions de fonctionnement des appareils électroniques, il existe une grande variété de composants qui diffèrent par leurs types et leurs caractéristiques. La principale division est basée sur les classes et sur le type de diélectrique utilisé.
Types de condensateurs divisés par classe :
- avec une capacité constante ;
- avec une capacité variable ;
- réglable.
Les composants à capacité constante sont utilisés dans tous les dispositifs radioélectroniques.
Les condensateurs variables sont utilisés pour modifier la capacité et les paramètres du circuit, par exemple la fréquence dans les circuits oscillants. Ils comportent plusieurs sections de plaques métalliques mobiles dans leur construction, ce qui garantit leur longévité.
Les condensateurs trimmer sont utilisés pour le réglage unique de l'appareil. Ils sont disponibles en différentes capacités (de quelques picofarads à plusieurs centaines de picofarads) et sont conçus pour des tensions allant jusqu'à 60 volts. Sans eux, aucun réglage fin de l'équipement ne serait possible.
Types de condensateurs, classés selon le type de diélectrique :
- diélectrique céramique ;
- avec un film diélectrique ;
- électrolytique ;
- les échangeurs d'ions.
Les condensateurs en céramique se présentent sous la forme d'une petite plaque de matériau céramique sur laquelle sont pulvérisées des bornes métalliques. Ces condensateurs ont des propriétés différentes et sont utilisés pour les circuits haute et basse tension.
Pour les circuits basse tension, on utilise le plus souvent des petits composants multicouches dans des boîtiers en époxy ou en plastique dont la capacité varie de quelques dizaines de picofarads à des unités de microfarads. Ils sont utilisés dans les circuits haute fréquence des équipements radioélectroniques et peuvent fonctionner dans des conditions climatiques difficiles.
Pour les circuits haute tension, il existe des condensateurs céramiques de plus grande taille dont la capacité varie de quelques dizaines de picofarads à des milliers de picofarads. Ils sont utilisés dans les circuits d'impulsion et les équipements de conversion de tension.
Il existe différents types de films diélectriques. Le plus courant est le lavsan, qui est très durable. Moins courant, le diélectrique en polypropylène, qui présente des pertes plus faibles, est utilisé dans les circuits haute tension tels que les circuits d'amplification audio et les circuits de médium.
Un autre type de condensateur à film est le condensateur de démarrage, qui est utilisé lors du démarrage des moteurs et qui, grâce à sa capacité élevée et à son matériau diélectrique spécial, réduit la charge du moteur électrique. Ils sont caractérisés par des tensions de fonctionnement et une puissance réactive électrique élevées.
Les condensateurs électrolytiques sont fabriqués dans un design classique. Le boîtier est en aluminium et les coquilles métalliques enroulées sont disposées à l'intérieur. L'une des couvertures est revêtue chimiquement d'un oxyde métallique et l'autre d'un électrolyte liquide ou solide pour former un diélectrique. Grâce à cette construction, les condensateurs électrolytiques ont une capacité élevée, mais la particularité de leur utilisation dans le temps est sa variation dans le temps.
Contrairement aux condensateurs en céramique et en film, les condensateurs électrolytiques ont une polarité. Celles-ci sont à leur tour subdivisées en non polaires, sans cet inconvénient, radiales, miniatures et axiales. Leurs domaines d'application sont l'informatique traditionnelle et la micro-informatique moderne.
Un type particulier, apparu relativement récemment, est celui des échangeurs d'ions. Leur construction est similaire à celle des condensateurs électrolytiques, mais ils ont une capacité élevée (jusqu'à plusieurs Farads). Cependant, leur utilisation est limitée par une faible tension maximale de quelques volts. Les ionisateurs sont utilisés pour stocker la mémoire : si la batterie d'un téléphone portable ou d'un ordinateur miniature s'épuise, les informations stockées ne seront pas irrémédiablement perdues.
Outre les composants en version à broches, qui existent depuis longtemps et sont traditionnellement utilisés, les composants modernes sont disponibles en version SMD, ou comme on l'appelle aussi, en version montée en surface. Par exemple, les condensateurs en céramique peuvent être produits dans une variété de tailles, des plus petites (1 mm par 0,5 mm) aux plus grandes (5,7 mm par 5 mm), et avec des tensions correspondantes allant de quelques dizaines de volts à des centaines de volts.
Les condensateurs électrolytiques peuvent également être produits dans des boîtiers de montage en surface. Il peut s'agir de condensateurs électrolytiques standard en aluminium, ou de condensateurs au tantale, qui ressemblent un peu aux condensateurs en céramique, mais s'en distinguent par leur capacité plus élevée et leurs pertes plus faibles. Ils sont disponibles en version SMD sans plomb et sans plomb.
Les condensateurs au tantale se caractérisent par une longue durée de vie et des pertes minimales, avec une limite de capacité légèrement inférieure, mais ils sont également très chers. Ils sont utilisés dans les circuits à haute responsabilité où une capacité élevée est requise.
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