Les Condansateurs

Dans ce chapitre, nous allons étudier le célébrissime condensateur qui est un des constituants essentiels de nos montages. Il y a plusieurs approches possibles pour cette étude, de la plus simple à la plus compliquée. Nous nous attacherons à décrire son comportement en continu, pour l’alternatif, ce sera une autre histoire…

Commençons par le symbole et quelques images:

cond1.gif (1034 octets)

cond9.gif (3218 octets)
cond8.gif (2798 octets)

Comment est constitué un condensateur ?

Aussi surprenant que cela puisse paraître, un condensateur est constitué par deux conducteurs séparés par un isolant. ceci apparaît clairement sur le symbole
Quelles sont ses propriétés fondamentales ?


Un condensateur ne laissera pas passer le courant continu, il le bloquera et inversement laissera passer le courant alternatif, attention cette dernière assertion est soumise à conditions.On dit souvent qu’un condensateur est un réservoir d’énergie. C’est plus ou moins vrai, c’est vrai quant au bilan énergétique, c’est moins vrai quant à son fonctionnement. Nous retiendrons quand même cette image.On parle de la capacité d’un condensateur, de quoi s’agit-il ?


C’est le rapport entre la quantité d’électricité Q qu’il est susceptible d’emmagasiner et la tension U à ses bornes          Q
C =  ____
          U

Avec :
C en Farad
Q en Coulomb
U en voltLa capacité du condensateur s’exprime en Farad. Le Farad est une grandeur énorme aussi les sous-multiples sont-ils plus fréquemment utilisés

Sous-multiples du FaradFarad      = 1 
MilliFarad = 10-3 F
MicroFarad = 10-6 F
NanoFarad = 10-9 F
PicoFarad  = 10-12 F1 F
1 mF
1 µF
1 nF
1 pF De quoi dépend la capacité du condensateur ?
– elle est proportionnelle à la surface S des armatures
– elle est inversement proportionnelle à l’épaisseur e du diélectrique (isolant)
– elle est proportionnelle à la permittivité relative er également appelée constante diélectrique.
– elle est proportionnelle à la permittivité absolue eo également appelée constante diélectrique.

                                     1
eo      =         ________________
                               36 P 109

er    =  1 pour le vide, +/- 1pour l’air

er    eo   S  
C =     __________

                            e
avec:
C en Farad
e en mètre
S en m2
eo= dépendant du matériau utilisé
eo   =  1/ 36 P 109
Nota : Souvenez-vous ou essayez de vous souvenir de la valeur de   eo, nous la retrouverons (mais bcp plus tard)Passons à la pratique :
Nous réalisons le petit montage suivant:

Nous relions un condensateur C à une batterie fournissant 10V. Nous laissons mijoter un peu histoire de bien “charger” notre condensateur.

cond2.gif (1277 octets)

Maintenant, nous déconnectons notre batterie et nous mesurons la tension aux bornes de notre condensateur avec un voltmètre ce qui nous donne le montage suivant :

cond3.gif (1345 octets)

Là nous mesurons à peu près notre tension de batterie, mais ne l’oublions pas celle-ci n’est plus connectée.Nous venons de vérifier expérimentalement que notre condensateur a stocké de l’électricité càd des charges positives sur une armature, des charges négatives sur l’autre.Comme vous êtes attentif et studieux, vous allez m’objecter que dans les propriétés fondamentales du condensateur il avait été écrit que celui-ci ne laissait pas passer le courant continu !C’est vrai. Tout cela est exact. Notre condensateur s’est chargé, un courant a circulé mais c’est fini, une fois la charge effectuée, il n’y a plus circulation d’électrons, donc pas de courant. Le condensateur va se comporter comme un interrupteur ouvert dans un circuit à courant continu.Tout ceci nous amène à penser que nous utiliserons des condensateurs quand nous aurons besoin de diriger ou véhiculer des signaux alternatifs d’un point vers un autre ou bien quand nous ressentirons le besoin d’isoler un ensemble ou un composant d’une composante continue indésirable. Ce ne sera pas là la seule utilisation du condensateur mais nous verrons plus loin.Est-il possible d’associer des condensateurs comme nous l’avons fait pour les résistances ?
Mais très certainement, comme ceci :Condensateurs en parallèleCondensateurs en série

Association en parallèle
Association en série

Si j’ai 3 réservoirs d’eau intuitivement je comprends qu’en les connectant de la sorte, j’ai augmenté ma capacité aqueuse. Il en va de même avec les condensateurs.
Inversement, si je connecte mes réservoirs comme suit, je me rends compte immédiatement que mon débit d’eau sera limité par le débit du plus petit réservoir.la capacité résultante aux points A-B sera

Ctotale = C1 + C2 + C3la capacité résultante aux points A-B sera

          1   
   Ctotale=  ______________
                         1    +  1 +  1
                        ___     ___  ___
                         C1      C2    C3

Voici une calculatrice pour permettant de visualiser simultanément le résultat de la combinaison de deux condensateurs en série et parallèle. Comme il s’agit d’un système rudimentaire, n’additionnez pas des serviettes et des torchons, utilisez la même unité ou faites les conversions nécessaire (pF, µF, nF)

Entrez les valeurs de C1 et C2 C1=  C2= Capacité équivalente //= Capacité équivalente série= 

Principe pour le calcul :
En parallèle, pour les condensateurs on applique le principe de calcul des résistances en série.
En série, pour les condensateurs, on applique le principe de calcul des résistances en parallèle
Et l’énergie dans tout cela ?

Nous savons que nos condensateurs stockent de l’énergie mais combien? Telle est la question.
la réponse est :
          1                         1                      Q2
W =   __  CU2     =   ___ QU       =    __ 
          2                         2                       2 C
W en joule
C en Farad
Q en Coulomb
U en volt
Et le champ électrique ?
Puisque nos condensateurs sont chargés électriquement, il paraît évident qu’il existe entre les armatures un champ électrique. Ce champ a pour valeur :           U
E =   ____
            e
E en volt/mètre
U en volt
e = distance entre plaques en mètreAspects technologiques:
Il existe une variété considérable de condensateurs, chacun a un usage particulier. Certains condensateurs seront plus stables à la HF que d’autres, certains sont conçus pour les forts courants, d’autres pour des applications particulières, d’autres sont polarisés.
Dans nos montages VHF ou UHF le condensateur classique ne sera pas seulement un condensateur, mais également un élément selfique (la longueur des connexions aux hautes fréquences représentent une part non négligeable de la longueur d’onde), il faudra utiliser des condensateurs spéciaux.
On veillera à toujours choisir le condensateur idoine pour l’application choisie.
Un autre aspect qu’on ne peut passer sous silence est la tension d’isolement. ll s’agit de la tension maximum d’utilisation. Soyez vigilant à ce paramètre sous peine de vous voir transformé en Pierrot enfariné ! C’est particulièrement vrai avec nos alimentations haute tension pour amplificateurs à tubes!Le marquage :
Soit en clair (ou presque) soit comme les résistances. Vous trouverez  à droite un type de marquage fréquent.

Soyez attentif au fait que le 3ème chiffre est un multiplicateur, si vous lisez 120, il s’agit d’un condensateur de 12 pF et non pas 120 pF. Le condensateur de 120 pF est marqué 121.

cond10.gif (5499 octets)

Dépannage :
le condensateur est un composant facétieux, surtout quand il vieillit ! Combien de récepteurs ou émetteurs n’ayant pas fonctionné depuis longtemps, à la remise sous tension seront complètement silencieux.
Les condensateurs présentent (entre autres) deux défauts courants :
1 – la fuite
2 – le court-circuit
Si le deuxième cas est relativement facile à détecter (il a fumé, ou il est chaud, on retrouve à sa sortie une composante continue etc.), le premier cas est bien plus sournois. Dans ce cas, le condensateur présente une résistance directe qui est loin d’être infinie, et il vous dérive vos signaux vers la masse ( cas de découplages plus particulièrement) ou vous écroule une tension continue.

Vous n’y échapperez pas !

Il fallait bien y venir à un moment ou à un autre, càd parler de la loi de charge et de décharge d’un condensateur. Sachez que ceci n’est donné que pour votre information, je ne pense pas que le passage de la licence impose cette connaissance (à vérifier)

Il y a là aussi plusieurs angles d’attaque possibles. Nous allons rester simple et nous baser sur un exemple.
Nous réalisons le montage suivant, à savoir un générateur de tension carrée, un condensateur C et une résistance R.

Maintenant grâce à un appareil que tout radioamateur doit posséder et qui s’appelle oscilloscope, nous allons examiner l’allure des tensions aux bornes du générateur et du condensateur.

montage avc un générateur de signaux carrés

Voici le résultat

je sais, le dessin n'est pas terrible...je fais ce que je peux!
oscillo1.gif (1343 octets)

– En bleu, la tension observée aux bornes du générateur
– En rouge, la tension observée aux bornes du condensateur.On constate que la forme des signaux est différente et qu’il faut un certain temps au condensateur pour se charger complètement ( càd avant d’atteindre l’amplitude maximale. On constate le même phénomène à la décharge. Ceci est su à la résistance R insérée dans le circuit.Si nous décidions d’augmenter la valeur de R fortement, on pourrait constater sur l’oscilloscope que le condensateur ne peut pas se charger à la valeur maximum.
Les lois de charge et de décharge sont de la forme                      
            e – t/RCe logarithme de base e (2.72)
avec l’expression  -t/RC en exposantDonc la tension aux bornes d’un condensateur chargé par une tension E  au bout d’un temps t dans un circuit comprenant une résistance R sera de :


V =   E ( 1 – e – t/RC)
et la tension aux bornes d’un condensateur se déchargeant au bout d’un temps t et ayant été chargé par une tension E   dans un circuit comprenant une résistance R sera de :


V =   E (
  e – t/RC)