Ce composant a pour fonction de stocker et concentrer de l’électricité d’où son nom : « condensateur électrique ». La pile et la batterie sont une forme de condensateur électrique qui restitue de l’électricité.

Le condensateur électrique (symbole C) est utilisé pour des applications électriques et électroniques en association avec d’autres composants tels que des résistances électriques (R), des inductances ou selfs (L), des semi-conducteurs (SC). Le condensateur inclut un isolant diélectrique, des électrodes, des connexions de sortie, un enrobage étanche.

Généralement, les composants se présentent sous la forme la plus courante : d’un tube cylindrique pour la résistance (R) ;  d’un ressort de fils métallique  pour l’inductance (L) ; d’un tube cylindrique ou d’une section ovale pour les condensateurs. La gamme des semi-conducteurs (SC) débute par la diode (le courant passe dans un seul sens), le transistor (amplification, commutation), le thyristor (le courant passe ou non selon la commande de la gâchette), le bloc multi pattes. La tension électrique (V) de service des condensateurs électriques va du volt à des centaines de KV (ligne EDF) quand celle des semi-conducteurs de l’électronique grand public est de quelques volts.

Fonctions, applications, technologies des condensateurs électriques

Voici quelques fonctions du condensateur électrique dans des circuits électroniques en association à d’autres composants électriques : antiparasitage entre matériels (C est inclus dans le cordon entre ordinateur et périphérique) ; détection de la fréquence de l’émetteur sur un poste radio à l’aide d’un condensateur variable à air ; transformateur faisant passer du 220 Volt alternatif en 5 Volt continu pour des batteries de portables (association de condensateurs, diodes redresseuses et écrêteuses) ; multiplicateur de tension pour la radiographie X à 70KV et pour les TV à tube cathodique à 15 KV (idem) ; redressement de la tension de 1500 V des caténaires de TGV pour alimenter le moteur de la motrice (C est associé à des semi-conducteurs de puissance dans le hacheur) ; démarrage du moteur de machine à laver le linge ; décharge dans un composant laser pour la télémétrie ; limitation par le ballast du courant dans un tube fluorescent ; répéteur dans les câbles sous-marins…

Les deux principales applications des condensateurs électriques sont le filtrage et sa stabilisation, la décharge électrique incluant la commutation. Les utilisations sont multiples dans les circuits électroniques car le condensateur bloque le courant continu et est traversé par le courant alternatif dès l’application de la tension. Les dipôles diélectriques des molécules doivent s’orienter dans le champ électrique pour obtenir la tension maxi entre les deux électrodes. Ainsi, la tension est en retard sur le courant d’un quart d’alternance sinusoïdale, soit un déphasage de 90 degrés. Un petit décalage par rapport à 90 degrés est mesuré par la Tgδ. Pour la résistance électrique, courant et tension évoluent en même temps, soit en phase.

Les technologies sont donc adaptées à l’utilisation, en fonction des évolutions des matériaux diélectriques et des tensions électriques ainsi que des environnements (température environnante froid-chaud, spatial et vide, processus de production telle la soudure à la vague en température des composants disposés sur les circuits imprimés CI) et des connexions (fil, borne..). Ainsi, les films plastiques ont remplacé le papier, leurs métallisations de surface (moins de 1 micron) ont remplacé les feuilles d’aluminium de 5 microns et plus, les épaisseurs des diélectriques débutent au micron. Les dimensions finales des condensateurs vont de quelques mm3 à des dizaines de litres et plus pour des applications professionnelles, de même la surface S va de quelques mm² à des dizaines de m².

En plus des empilements compacts des diélectriques et électrodes, le diélectrique doit être traité et absent de vide, d’humidité… pour des tensions électriques supérieures à 1000 V, afin d’éviter les décharges électriques internes entre électrodes qui peuvent détruire le condensateur et mettre le système électronique hors fonction.

Les développements visent à diminuer le volume du condensateur donc à trouver le compromis entre l’épaisseur (e) du diélectrique et sa valeur (ε), sa tenue en tension dans la plage de température de service du produit final (la plage professionnelle peut être de -45°C à +125°C et plus limitée pour les produits grand public telle de -25 à +45°C), la Tgδ pour limiter les échauffements internes. Pour les condensateurs chimiques, la surface des électrodes est accrue par gravage des films d’aluminium et la création d’une couche d’alumine qui augmente au fur et à mesure avec la tension appliquée. Il faut aussi tenir compte de la présentation finale du condensateur (forme plate ou ronde, enrobée de résine ou de ruban adhésif, dans un boîtier métallique …) et des connexions électriques extérieures qui sont reliées aux électrodes internes afin de les connecter aux autres composants du circuit électronique tel sur le circuit imprimé (CI).

Les valeurs capacitives 

La capacité du condensateur électrique est calculée à l’aide de la formule suivante  C=ε.εo.S/e avec S= surface des électrodes en regard de polarités différentes et e=épaisseur du diélectrique ; εo est une constante ; ε dépend du matériau diélectrique entre les électrodes dont la valeur va de 1 pour le vide, à quelques unités pour des matières organiques (plastique, huile, résine), à des milliers pour la céramique. L’unité de mesure est le FARAD (F) décliné en mF, µF, nF, pF ; le marquage est en lettre-chiffre ou par code couleur pour les petites pièces.

La valeur de la capacité évolue avec la température de manières différentes selon les matières diélectriques utilisées, le plus souvent la capacité diminue avec la croissance de la température car la matière gonfle ; la valeur de la Tgδ évolue aussi en fonction de la température, de la fréquence de service, de la matière du diélectrique et du processus de fabrication. Dans la plage de température de service, des diélectriques peuvent changer de phase et se solidifier telle des huiles en refroidissant. Le polyester (PETG) présente les plus fortes variations de Tgδ tandis que le polypropylène est très stable. Beaucoup de matières ont été utilisées depuis plus d’un siècle pour satisfaire les utilisations. Une tolérance est associée à la valeur nominale de la capacité qui fluctue selon la fabrication : la tolérance courante est de +-10%.

Les schémas ci-dessous donnent une idée de la constitution d’un condensateur et présentent différents modèles utilisés dans les industries électriques et électroniques.

La tangente delta (Tgδ) et l’échauffement thermique du condensateur

Le courant électrique traverse le condensateur en produisant un échauffement et donc de la chaleur qu’il faut évacuer pour ne pas modifier les caractéristiques du condensateur : la Tgδ caractérise cet échauffement. Dans le diélectrique, les molécules soumises aux variations du champ électrique « bougent » et se « frottent » les unes contre les autres produisant des échauffements : certaines molécules à chaîne longue sont mieux adaptées à la tension continue tandis que des molécules cycliques le sont plus pour la tension alternative.

L’échauffement interne peut provenir des résistances des conducteurs que sont les électrodes, les soudures, les câbles et connexions de faible résistivité, mais aussi du diélectrique lui-même, ce qui est dénommé résistance série Rs. Chaque élément est choisi en conséquence, telle la section des connexions (câbles) qui peut atteindre 30mm² et plus selon les intensités des courants traversant ; la diminution des épaisseurs des électrodes, donc leur section, accroit la valeur de la résistance électrique série Rs.

La formule de la Tgδ série est Rs.C.ω = Rs.C.2.π.f : f est la fréquence du signal ; C est la valeur de la capacité. Donc lorsque la fréquence augmente, la Tgδ croit et favorise certaines technologies ou diélectriques. La puissance dissipée est P = V.I.Tgδ sachant que la Tgδ s’exprime souvent en quelques 10-4.

Pour évacuer la chaleur interne, l’épaisseur des condensateurs est souvent limitée pour augmenter la surface extérieure de dissipation. Des systèmes peuvent être installés telle des circuits de liquide refroidisseur circulant à l’intérieur de l’enveloppe du condensateur, à l’extérieur peuvent être disposées des ailettes sur le boîtier ou bien des souffleries pour le refroidir ainsi que les autres composants électroniques (voir les ouïes sur les côtés des locomotives de TGV).

Composition des empilements diélectrique-électrode.

Par Alain DERMENJIAN