Principes de base : comprendre les caractéristiques des différents types de condensateurs pour les utiliser de manière appropriée et sûre

Les condensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie qui sont essentiels aux circuits électroniques analogiques et numériques. Ils sont utilisés pour la temporisation, la création et la mise en forme de formes d'ondes, le blocage du courant continu, le couplage des signaux de courant alternatif, le filtrage et, bien sûr, le stockage d'énergie. En raison du large éventail d'utilisations, de nombreux types de condensateurs ont émergé, utilisant une variété de matériaux de plaques, de diélectriques isolants et de formes physiques. Chacun de ces types de condensateurs est destiné à une gamme spécifique d'applications. La grande variété d'options signifie qu'il peut falloir du temps pour les passer en revue afin d'effectuer le meilleur choix de conception en termes de caractéristiques de performances, de fiabilité, de durée de vie, de stabilité et de coût.

Une connaissance des caractéristiques de chaque type de condensateur est nécessaire afin d'adapter correctement le condensateur à l'application de circuit prévue. Ces connaissances doivent couvrir les caractéristiques électriques, physiques et économiques des condensateurs.

Cet article décrit les différents types de condensateurs, leurs caractéristiques et les principaux critères de sélection. Des exemples de Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation et AVX Corporation seront utilisés pour illustrer les différences et caractéristiques clés.

Qu'est-ce qu'un condensateur ?

Le condensateur est un dispositif électronique qui stocke l'énergie dans un champ électrique interne. C'est un composant électronique passif de base, avec des résistances et des inductances. Tous les condensateurs sont constitués de la même structure de base, à savoir deux plaques conductrices séparées par un isolant, appelé diélectrique, qui peut être polarisé par l'application d'un champ électrique (Figure 1). La capacité est proportionnelle à la surface de la plaque, A, et inversement proportionnelle à la distance entre les plaques, d.

Figure 1 : Le condensateur de base est constitué de deux plaques conductrices séparées par un diélectrique non conducteur qui stocke l'énergie en tant que régions polarisées dans le champ électrique entre les deux plaques. (Source de l'image : DigiKey)

Le premier condensateur a été la bouteille de Leyde, développée en 1745. Il s'agissait d'une bouteille en verre recouverte d'une feuille métallique sur les surfaces intérieure et extérieure et qui servait à l'origine à stocker des charges électriques statiques. Benjamin Franklin en a utilisé une pour prouver que la foudre est de l'électricité, ce qui est devenu l'une des premières applications documentées.

La capacité du condensateur plan de base peut être calculée à l'aide de l'Équation 1 :

 Équation 1

Où :

C est la capacité en Farads

A est la surface de la plaque en mètres carrés

d est la distance entre les plaques en mètres

ε est la permittivité du matériau diélectrique

ε est égal à la permittivité relative du diélectrique, ε_r, multipliée par la permittivité du vide, ε₀. La permittivité relative, ε_r, est souvent appelée constante diélectrique, k.

D'après l'Équation 1, la capacité est directement proportionnelle à la constante diélectrique et à la surface des plaques, et inversement proportionnelle à la distance entre les plaques. Pour augmenter la capacité, la surface des plaques peut être augmentée et la distance entre les plaques peut être réduite. Comme la permittivité relative du vide est de 1, et que tous les diélectriques ont une permittivité relative supérieure à 1, l'insertion d'un diélectrique augmentera également la capacité d'un condensateur. Les condensateurs sont généralement désignés par le type de matériau diélectrique utilisé (Tableau 1).

Tableau 1 : Caractéristiques des types de condensateurs courants, triées par matériau diélectrique. (Source du tableau : DigiKey)

Quelques remarques sur les entrées des colonnes :

• La permittivité relative ou la constante diélectrique d'un condensateur affecte la valeur maximum de capacité atteignable pour une surface de plaque et une épaisseur diélectrique données.
• La rigidité diélectrique est une mesure de la résistance du diélectrique au claquage de tension en fonction de son épaisseur.
• L'épaisseur diélectrique minimum atteignable affecte la capacité maximum pouvant être réalisée, ainsi que la tension de claquage du condensateur.

Construction de condensateurs

Les condensateurs sont disponibles dans diverses configurations de montage physique, y compris le montage axial, radial et en surface (Figure 2).

Figure 2 : Les types de configuration ou de montage des condensateurs incluent le montage axial, radial et en surface. Le montage en surface est très largement utilisé à l'heure actuelle. (Source de l'image : DigiKey)

La construction axiale est basée sur des couches alternées de feuilles métalliques et de diélectrique, ou sur un diélectrique métallisé sur les deux côtés, enroulé en forme de cylindre. Les connexions aux plaques conductrices peuvent se faire via une languette insérée ou un embout conducteur circulaire.

Le type radial consiste généralement en une alternance de couches métalliques et diélectriques. Les couches métalliques sont pontées aux extrémités. Les configurations radiales et axiales sont destinées à un montage traversant.

Les condensateurs à montage en surface reposent également sur des couches conductrices et diélectriques alternées. Les couches métalliques à chaque extrémité sont pontées par un capot à souder pour le montage en surface.

Modèle de circuit de condensateur

Le modèle de circuit d'un condensateur comprend trois éléments de circuit passifs (Figure 3).

Figure 3 : Le modèle de circuit d'un condensateur se compose d'éléments capacitifs, inductifs et résistifs. (Source de l'image : DigiKey)

Le modèle de circuit d'un condensateur est constitué d'un élément résistif en série représentant la résistance ohmique des éléments conducteurs ainsi que la résistance diélectrique. On parle de résistance série équivalente, ou efficace (ESR).

Les effets diélectriques se produisent lorsque des signaux CA sont appliqués au condensateur. Les tensions CA font que la polarisation du diélectrique change à chaque cycle, ce qui provoque un échauffement interne. L'échauffement du diélectrique est fonction du matériau et est mesuré comme le facteur de dissipation du diélectrique. Le facteur de dissipation (DF) est fonction de la capacité et de l'ESR du condensateur, et peut être calculé à l'aide de l'Équation 2 :

 Équation 2

Où :

X_C est la réactance capacitive en ohms (Ω)

ESR est la résistance série équivalente (en Ω)

En raison du terme de réactance capacitive, le facteur de dissipation dépend de la fréquence et est adimensionnel, souvent exprimé en pourcentage Un facteur de dissipation plus faible entraîne un échauffement moindre et donc des pertes moindres.

Il existe un élément inductif en série, appelé inductance série équivalente ou efficace (ESL). Il représente l'inductance du chemin conducteur et des bornes. La capacité et l'inductance série donnent lieu à une résonance série. En dessous de la fréquence de résonance série, le dispositif présente un comportement principalement capacitif, et au-dessus, le dispositif est plus inductif. Cette inductance série peut être problématique dans de nombreuses applications haute fréquence. Les fournisseurs minimisent l'inductance en utilisant la construction en couches illustrée dans les configurations à montage radial et en surface.

La résistance parallèle représente la résistance d'isolement du diélectrique. Les valeurs des différents composants du modèle dépendent de la configuration du condensateur et des matériaux choisis pour sa construction.

Condensateurs en céramique

Ces condensateurs utilisent un diélectrique en céramique. Il existe deux classes de condensateurs en céramique, la classe 1 et la classe 2. La classe 1 est basée sur des céramiques paraélectriques comme le dioxyde de titane. Les condensateurs en céramique de cette classe offrent un haut niveau de stabilité, un bon coefficient de température de capacité et de faibles pertes. En raison de leur précision inhérente, ils sont utilisés dans les oscillateurs, les filtres et d'autres applications RF.

Les condensateurs en céramique de classe 2 utilisent un diélectrique en céramique basé sur des matériaux ferroélectriques comme le titanate de baryum. En raison de la constante diélectrique élevée de ces matériaux, les condensateurs en céramique de classe 2 offrent une capacité plus élevée par unité de volume mais ont une précision et une stabilité inférieures à celles des condensateurs de classe 1. Ils sont utilisés pour des applications de dérivation et de couplage où la valeur absolue de capacité n'est pas critique.

Le GCM1885C2A101JA16 de Murata Electronics est un exemple de condensateur en céramique (Figure 4). Le condensateur 100 picofarads (pF) de classe 1 a une tolérance de 5 %, est répertorié à 100 volts (V) et est fourni dans une configuration à montage en surface. Ce condensateur est destiné à une utilisation automobile avec une température nominale de -55°C à +125°C.

Figure 4 : Le GCM1885C2A101JA16 est un condensateur en céramique 100 pF de classe 1 à montage en surface, avec une tolérance de 5 % et une tension nominale de 100 V. (Source de l'image : Murata Electronics)

Condensateurs à film

Les condensateurs à film utilisent un film plastique mince comme diélectrique. Les plaques conductrices peuvent être mises en œuvre soit sous forme de couches de feuilles, soit sous forme de deux fines couches de métallisation, une de chaque côté du film plastique. Le plastique utilisé pour le diélectrique détermine les caractéristiques des condensateurs. Les condensateurs à film se présentent sous de nombreuses formes :

Polypropylène (PP) : es condensateurs présentent une tolérance et une stabilité particulièrement bonnes avec de faibles valeurs ESR et ESL et des caractéristiques de claquage haute tension. En raison des limites de température du diélectrique, ils ne sont disponibles que sous forme de dispositifs à sorties radiales. Les condensateurs PP sont utilisés dans les circuits exposés à une haute puissance ou une haute tension, comme les alimentations à découpage, les circuits de protection ou les circuits de décharge haute fréquence, et dans les systèmes audio où leur faibles valeurs ESR et ESL sont appréciées pour l'intégrité du signal.

Polyéthylène téréphtalate (PET) : Également appelés condensateurs polyester ou mylar, ces condensateurs sont les plus efficaces des condensateurs à film du point de vue volumétrique, en raison de leur constante diélectrique plus élevée. Ils sont généralement appliqués comme dispositifs à sorties radiales. Ils sont utilisés pour les applications capacitives à usage général.

Polyphénylène sulfure (PPS) : Ces condensateurs sont fabriqués uniquement en tant que dispositifs à film métallisé. Ils offrent une stabilité en température particulièrement bonne et sont donc appliqués dans les circuits exigeant une bonne stabilité de fréquence.

Un exemple de condensateur à film PPS est l'ECH-U1H101JX5 de Panasonic Electronics Corporation. Le dispositif de 100 pF a une tolérance de 5 %, est répertorié à 50 V et est disponible en configuration à montage en surface. Il affiche une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +125°C et il est destiné aux applications électroniques générales.

Polyéthylène naphtalate (PEN) : Comme les condensateurs PPS, ces condensateurs ne sont disponibles qu'en conception à film métallisé. Ils ont une tolérance aux hautes températures et sont disponibles en configuration à montage en surface. Les applications ciblent celles qui nécessitent des performances haute température et haute tension.

Les condensateurs polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou téflon sont réputés pour leur tolérance aux températures et aux tensions élevées. Ils présentent une construction à la fois métallique et à feuilles. Les condensateurs PTFE sont surtout utilisés dans les applications exigeant l'exposition à une température élevée.

Condensateurs électrolytiques

Les condensateurs électrolytiques se distinguent par leurs valeurs de capacité élevées et leur haut rendement volumétrique. Cela est réalisé en utilisant un électrolyte liquide comme l'une des plaques. Un condensateur électrolytique en aluminium comprend quatre couches distinctes : une cathode en feuille d'aluminium ; un séparateur en papier imprégné d'électrolyte ; une anode en aluminium qui a été traitée chimiquement pour former une très fine couche d'oxyde d'aluminium ; et enfin, un autre séparateur en papier. Cet assemblage est ensuite roulé et placé dans une boîte métallique scellée.

Les condensateurs électrolytiques sont des dispositifs à courant continu (CC) polarisés, ce qui signifie que la tension appliquée doit être appliquée aux bornes positives et négatives spécifiées. La connexion incorrecte du condensateur électrolytique peut entraîner une défaillance de type explosion, bien que les boîtiers soient équipés de diaphragmes de réduction de la pression pour gérer la réaction et minimiser le risque de dommages.

Les principaux avantages des condensateurs électrolytiques sont des valeurs de capacité élevées, un format compact et un coût relativement faible. Les valeurs de capacité ont une large plage de tolérance et des courants de fuite relativement élevés. Les applications les plus courantes des condensateurs électrolytiques sont les condensateurs de filtrage dans les alimentations linéaires et à découpage (Figure 5).

Figure 5 : Exemples de condensateurs électrolytiques ; tous ont une capacité de 10 microfarads (µF). (Source de l'image : Kemet et AVX Corp.)

En se référant à la Figure 5 et en se déplaçant de gauche à droite, l'ESK106M063AC3FA de Kemet est un condensateur électrolytique en aluminium de 10 µF, 20 %, 63 V, à sorties radiales. Il peut fonctionner à des températures atteignant 85°C et affiche une durée de vie de 2000 heures. Il est destiné aux applications électrolytiques générales, y compris les opérations de filtrage, de découplage et de dérivation.

Une alternative au condensateur électrolytique aluminium est le condensateur polymère-aluminium qui remplace l'électrolyte liquide par un électrolyte polymère solide. Le condensateur polymère-aluminium a une résistance ESR plus faible que le condensateur électrolytique aluminium et une durée de vie plus étendue. Comme tous les condensateurs électrolytiques, ils sont polarisés et sont utilisés dans les alimentations en tant que condensateurs de filtrage et de découplage.

L'A758BG106M1EDAE070 de Kemet est un condensateur aluminium-polymère de 10 µF, 25 V, à sorties radiales, avec une durée de vie plus étendue et une plus grande stabilité sur une vaste plage de températures. Il est destiné aux applications industrielles et commerciales telles que les chargeurs de téléphones portables et l'électronique médicale.

Les condensateurs au tantale sont une autre forme de condensateur électrolytique. Dans ce cas, une couche d'oxyde de tantale est chimiquement formée sur une feuille de tantale. Leur rendement volumétrique est supérieur à celui d'un condensateur électrolytique aluminium, mais les niveaux de tension maximum sont généralement inférieurs. Les condensateurs au tantale présentent une résistance ESR plus faible et une tolérance à des températures plus élevées par rapport aux condensateurs électrolytiques aluminium, ce qui signifie qu'ils résistent mieux au processus de soudage.

Le T350E106K016AT de Kemet est un condensateur au tantale à sorties radiales de 10 µF, 10 %, 16 V. Ses avantages incluent un format compact, une faible fuite et un faible facteur de dissipation pour les applications de filtrage, de dérivation, de couplage CA et de temporisation.

Le dernier type de condensateur électrolytique est le condensateur électrolytique à l'oxyde de niobium. Développé pendant une pénurie de tantale, le condensateur électrolytique au niobium remplace le tantale par du niobium et du pentoxyde de niobium comme électrolyte. En raison de sa constante diélectrique plus élevée, il offre une taille de boîtier plus petite par capacité d'unité.

Un exemple de condensateur électrolytique à l'oxyde de niobium est le NOJB106M010RWJ d'AVX Corp. Il s'agit d'un condensateur de 10 µF, 20 %, 10 V dans une configuration à montage en surface. Comme le condensateur électrolytique au tantale, il est utilisé pour les applications de filtrage, de dérivation et de couplage CA.

Condensateurs au mica

Les condensateurs au mica (principalement au mica argent) se caractérisent par une tolérance de capacité étroite (±1 %), un faible coefficient de température de capacité (généralement 50 ppm/°C), un facteur de dissipation exceptionnellement bas et une faible variation de la capacité en fonction de la tension appliquée. Grâce à leur tolérance étroite et à leur haute stabilité, ils conviennent parfaitement aux circuits RF. Le diélectrique en mica est recouvert d'argent sur les deux faces pour fournir les surfaces conductrices. Le mica est un minéral stable qui n'interagit pas avec la plupart des contaminants électroniques courants.

Le MC12FD101J-F de Cornell Dubilier Electronics est un condensateur au mica de 100 pF, 5 %, 500 V, dans une configuration à montage en surface (Figure 6). Il est utilisé dans les applications RF telles que l'IRM, les radios mobiles, les amplificateurs de puissance et les oscillateurs. Ils sont conçus pour fonctionner sur une plage de températures de -55°C à +125°C.

Figure 6 : Le MC12FD101J-F de Cornell Dubilier Electronics est un condensateur au mica à montage en surface destiné aux applications RF. (Source de l'image : Cornell Dubilier Electronics)

Conclusion

Les condensateurs sont des éléments essentiels d'une conception électronique. Au fil des ans, de nombreux types de dispositifs aux propriétés diverses ont été développés, rendant certaines technologies de condensateurs particulièrement adaptées à des applications spécifiques. Pour les concepteurs, l'acquisition de bonnes connaissances pratiques des différents types, configurations et spécifications est un effort utile pour s'assurer que le dispositif optimal est sélectionné pour une application donnée.