Les condensateurs

La définition d'un condensateur

Un condensateur est un composant en électronique qui a la capacité de stocker de l'énergie électrique. Il stocke cette électricité en fonction de la tension qu'il reçoit et ce de manière proportionnelle.

Les marques du condensateur

Selon sa capacité, un condensateur reçoit un marquage signifiant sa valeur. La plupart du temps, le marquage respecte le schéma suivant XXY dans lequel la partie XX correspond à la valeur et Y à la puissance de 10 en picofarads de symbole pF. Par exemple 122 correspondra à 12 x 102 pF. Il peut aussi arrivé que l'on voit juste une valeur à deux chiffres. Il s'agit dans ce cas d'un marquage d'une valeur en microfarads de symbole µF. Pour finir, quand les condensateurs sont assez gros et laissent la place pour une inscription complète, on retrouve la valeur ainsi que son unité directement marqués sur le condensateur en question.

Avant de débuter la leçon, il vous sera important d'être à l'aise avec toutes les notions attenantes à l'électricité.

La modélisation du condensateur

Pour modéliser un condensateur, il faut décrire certaines de ses caractéristiques à savoir la résistance, l'inductance, la valeur de la capacité et parfois l'effet de batterie ou encore l'hystérésis de charge du condensateur.

La relation idéale

Le coefficient de proportionnalité entre la tension appliquée au condensateur et sa capacité est caractérisé par cette formule : [ i = C frac { text { d } u } { text { d } t } ] avec :

  • i : intensité du courant électrique traversant le condensateur et exprimée en ampères de symbole A ;
  • C : capacité électrique du condensateur exprimée en farads de symbole F ;
  • u : tension électrique aux bornes du condensateur, exprimée en volts de symbole V ;
  • du/dt représente la dérivée de la tension par rapport au temps.

Les différentes formes de condensateurs

De nombreuses catégories de condensateurs existent en fonction de leurs utilisations. Les voici.

Les condensateurs polarisés

Les condensateurs que l'on appelle polarisés sont des condensateurs pour lesquels la polarité du courant électrique qui les traverse a une incidence. En effet, disposant d'une borne négative et une borne positive, ces condensateurs utilisent la technique dite électrolytique. Ces appareils demandent des précautions supplémentaires lors de leur utilisation. Pour cause, une erreur de sens de montage ou une inversion du sens du courant causera directement leur destruction qui peut avoir lieu de manière explosive et violente.

Les condensateurs électrolytiques

Ce type de condensateur est utilisé lorsque l'on recherche une grande capacité de stockage ainsi qu'une grande tolérance. Lors de sa fabrication, les deux conducteurs ne sont pas isolés. C'est pourquoi ce type de condensateurs n'est pas parfait. Sa structure est assez particulière : l'un de ses conducteur est métallique tandis que l'autre est en réalité une gelée conductrice dans laquelle est inséré un petit morceau de conducteur métallique. C'est lors de sa première utilisation et qu'une tension pénètre pour la première fois dans le condensateur qu'à lieu la réaction de l'électrolyse, d'où le nom de ce type de condensateur. Cette dernière crée alors une surface isolante à la surface du métal qui baignait dans la gelée. Cependant, cette technique a un inconvénient : la condensateur oppose une certaine résistance au courant à cause du fait que la gelée n'est pas aussi bonne conductrice d'énergie électrique que le métal. Leur utilisation première est de filtrer les différents types de courants.

Les condensateurs non polarisés

Les condensateurs non polarisés sont en règle générale de petite valeurs de l'ordre du nanofarad ou microfarad. Ils sont pour la plupart en céramique et on les retrouve sur les petits circuits imprimés.

Il existe une multitude de type de condensateurs. Ils ont tous une utilité particulière et on les retrouve dans certains cas. Il existe les condensateurs au tantale, les condensateurs à l'air, les condensateurs à base de mica, les condensateurs à céramique, sans oublier les super condensateurs, les condensateurs polarisés et non polarisés et les les condensateurs synthétiques.

Les condensateurs au tantale

Les condensateurs au tantale se divisent en deux parties : les condensateurs au tantale à électrolyte solide et les condensateurs au tantale à électrolyte liquide. Leur différence tient dans leurs composants : le condensateur au tantale à électrolyte solide est fabriqué avec une électrode en tantale et une électrode en dioxyde de manganèse. Pour le condensateur au tantale à électrolyte liquide, il y a toujours une électrode au tantale mais la seconde est un gel conducteur. Les avantages de ces types de condensateurs sont une meilleure résistance, une résonance et une inductance amoindries. Le gel conducteur étant capable d'oxyder le tantale en cas de défaut dans l'électrode, cela confère au condensateur une capacité d'auto-cicatrisation, faisant de lui un appareil de qualité et résistance élevée. Petit inconvénient notamment, le tantale est capable de s'enflammer si il est soumis à un trop fort courant, ce qui est un risque pour les personnes qui travaillent près de lui.

Les condensateurs synthétiques

Il existe des condensateurs fabriqués avec des matières synthétiques, principalement du plastique. A moindre coût, ils permette de découpler des signaux et de créer des filtres. En effet, ils sont utiles pour traiter des signaux très faibles car les matériaux synthétiques n'ont pas d'effet de batterie. On utilise par exemple le polystyrène ou le polyéthylène pour la fabrication de condensateurs synthétiques.

Les super condensateurs

Les super condensateurs sont des condensateurs de niveau supérieur qui offrent énormément de puissance sur un laps de temps court. C'est le milieu parfait entre les condensateurs à électrolyse simples et les batteries. Ils sont formés de cellules en série-parallèle qui permettent de délivrer de grandes quantités d'énergies de manière encore plus rapide qu'une batterie traditionnelle.

Fonctionnement

Les super condensateurs sont constitués de deux électrodes en matière poreuses qui sont fabriquées avec du charbon actif additionné d'électrolyte.

Utilisations

Les super conducteurs ont de l'avenir dans un domaine très en vogue actuellement : les voitures électriques. Il permet de jouer le rôle de tampon entre le variateur de vitesse et les batteries de la voiture. Il par contre utilisé depuis de nombreuses années pour stocker de l'énergie et ce à l'épreuve des conditions climatiques difficiles telles que le froid ou la pluie.

Les condensateurs à capacité variable

Certains condensateurs sont capables d'appliquer une capacité variable par le biais d'un bouton. Ils sont utilisés pour des utilisations en circuits RLC. Ils jouent alors le rôles de filtres réglables au besoin.

Les usages du condensateur

Les condensateurs sont utilisés dans moult domaines.

Stabilité

Les condensateurs peuvent être utilisés dans des installations électriques afin de "lisser" la tension d'un circuit. Dans ces conditions, le condensateur se chargera lors des pics de tension tout en se relâchant lors des baisses de tension. Cette dernière ne subissant pas de fluctuations du point de vue des appareils électriques du circuit et ainsi de leurs utilisateurs. Ils sont donc présents dans de nombreux appareils ménagers que vous possédez chez vous :

  • Plaques de cuisson ;
  • Radiateurs ;
  • Chauffe-eau ;
  • Ordinateur ;
  • Bouilloire ;
  • Sèche cheveux ;
  • Etc.

Vous retrouverez des condensateurs dans tous les appareils électriques qui nécessitent une forte puissance électrique et une résistance dans tous ceux qui chauffent. En effet, c'est la résistance qui, traversée par le courant, va retenir l'énergie et se mettre à la dissiper sous forme d'énergie thermique.

Séparer les courants

On peut utiliser les condensateurs afin de séparer deux courants qui seraient présents simultanément : le courant alternatif et le courant continu. En effet, le courant continu ne peut passer à travers un condensateur car il ne se vide que quand sa capacité maximale est atteinte et ne peut donc pas délivrer le courant de façon continu.

Traiter les signaux

Les condensateurs sont capables de filtrer des signaux périodiques. Par exemple, dans une radio, le condensateur peut filtrer le signal sinusoïdale périodique de la radio FM.

Stocker

Dans le cas des super condensateurs, il peuvent être utilisés afin de stocker de l'énergie. En effet, leur grande capacité leur permet de retenir beaucoup d'énergie.

Calculs sur des circuits contenant des condensateurs

Intensité

L'intensité d'une branche dans laquelle est présent un condensateur n'a pas de dépendance directe avec la tension aux bornes de ce dernier mais avec plutôt avec la variation. Elle se calcule avec les équations suivantes : [ i = frac {dq} {dt} ] [ q = C cdot u ] [ i = C cdot frac {du} {dt} ] où :

  • q est la charge de l'armature en coulombs ;
  • t est le temps en secondes ;
  • C est la capacité du condensateur en farads.

Impédance

L'impédance électrique est la mesure de l'opposition d'un circuit électrique au passage du courant alternatif en son sein. L'impédance vient de la loi d'Ohm.

On peut mesurer facilement l'impédance d'un condensateur en fonction de la tension qui l'alimente grâce à cette fonction du temps : [ Z = frac { U } { I } = frac {I} {C omega } ] où :

  • U est la tension du circuit en volts ;
  • I est l'intensité du circuit en ampères.

On peut aussi déterminer l'impédance complexe avec une transformation complexe de l'expression précédente : [ underline{Z} = frac { underline { U } } { underline { I } } = frac {I} {C omega } ]

Association de plusieurs condensateurs

En série

Quand on place deux condensateurs en série soumis à la même tension, la charge stockée par chacun des deux condensateurs est la même. [ Q = Q _ { 1 } = Q _ { 2 } = C _ { 1 } U _ { 1 } = C _ { 2 } U _ { 2 } = C _ { e q } U ]

En parallèle

Quand on place deux condensateurs en parallèle soumis à la même tension, le courant qui traverse l'ensemble des condensateurs est la somme des courants qui traversent chacun des condensateurs. [ Q = Q _ { 1 } + Q _ { 2 } = C _ { 1 } U + C _ { 2 } U = ( C _ { 1 } + C _ { 2 } ) U = C _ { e q } U ] [ C _ { e q } = C _ { 1 } + C _ { 2 } ] Dans ces montages, la tension maximale que peut supporter le montage est la tension maximale du condensateur dont elle est la plus faible.

La résistance

Définition d'une résistance

La résistance désigne la capacité physique d'un matériau à s'opposer au passage d'un courant électrique sous une certaine tension. C'est de là que sont nés les composants électriques appelés les résistances.

Notations

Une résistance est habituellement représentée par un rectangle et se note R, K ou M selon sa capacité. R représente les ohms, K les kiloohms et pour finir, M les Megohms. Un code couleur est appliqué sur les résistances afin de connaître leur valeur. Voici un tableau qui regroupe toutes les couleurs que vous pourrez retrouver sur les résistances :

 Premier anneau de gaucheDeuxième anneau de gaucheTroisième anneau de gaucheDernier anneau de gaucheAnneau de droite
CouleurPremier chiffreDeuxième chiffreTroisième chiffreMultiplicateurTolérance
Noir000120 %
Marron111101 %
Rouge2221022 %
Orange333103
Jaune444104
Vert5551050,5 %
Bleu6661060,25 %
Violet7771070,10 %
Gris8881080,05 %
Blanc999109
Or10-15 %
Argent10-210 %
Absent20 %

C'est grâce aux petites bandes de couleur que vous pouvez savoir de quelle capacité est une résistance. Avec le temps et à force de travail, vous connaîtrez presque par cœur ce tableau récapitulatif des capacités.

Composition

Une résistance peut-être composée de divers matériaux selon qu'elle soit de faible ou haute puissance. Par exemple, les résistances de moins de 2 W sont constituées de carbone et de céramique. Ce type de résistance a pour avantage de générer très peu de bruit thermique, ce qui en fait un élément de choix dans les circuits audio. Les résistances faites pour supporter des puissances supérieures seront quand à elles fabriquées à l'aide d'un cylindre de céramique sur lequel sera enroulé un fil conducteur. Pour finir, les résistances à très hautes puissance sont constituées de solution aqueuse contenant des ions cuivre et qui ralentissent grandement le passage du courant électrique.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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