Condensateurs : théorie et application

Jan 15, 2024

Les condensateurs font partie des composants les plus couramment utilisés sur un circuit imprimé. Avec le nombre toujours croissant d’appareils électroniques (des téléphones portables aux voitures), la demande de condensateurs augmente. La pandémie de Covid 19 a perturbé la chaîne d’approvisionnement mondiale des composants, depuis les semi-conducteurs jusqu’aux composants passifs, et les condensateurs sont devenus rares1.

Une discussion sur le thème des condensateurs pourrait facilement devenir un livre ou un dictionnaire. Pour commencer, il existe différents types de condensateurs tels que les condensateurs électrolytiques, à film, en céramique, etc. Ensuite, au sein d’un même type, il existe différents matériaux diélectriques. Il existe également différentes classes. En ce qui concerne la construction physique, il existe des types de condensateurs à deux et trois bornes. Il existe également un condensateur de type X2Y qui est essentiellement une paire de condensateurs Y regroupés en un seul2. Et les supercondensateurs ? Le fait est que si vous vous asseyez et commencez à lire le guide de sélection des condensateurs des principaux fabricants, vous pourriez facilement y passer une journée !

Étant donné que cet article porte sur les principes fondamentaux, j'utiliserai une approche différente de celle que je ferais normalement. Comme mentionné précédemment, un guide de sélection des condensateurs peut être facilement trouvé sur les sites Web des fournisseurs3,4 et les ingénieurs de terrain peuvent souvent répondre à la plupart des questions sur les condensateurs. Dans cet article, plutôt que de répéter ce que l’on peut trouver sur Internet, je vais utiliser des exemples pratiques pour montrer comment sélectionner et utiliser les condensateurs. Certains aspects moins connus de la sélection des condensateurs, tels que la dégradation de la capacité, seront également abordés. Après avoir lu cet article, vous devriez avoir une bonne idée de l’utilisation des condensateurs.

Mais d’abord, répondons à la question la plus fondamentale : qu’est-ce qu’un condensateur ?

Il y a des années, alors que je travaillais pour une entreprise fabriquant des appareils électroniques, nous avions une question d'entretien pour des ingénieurs en électronique de puissance. Sur les schémas d'un produit existant, nous demanderions aux candidats potentiels « Quelle est la fonction du condensateur électrolytique du circuit intermédiaire ? » » et « Quelle est la fonction d'un condensateur céramique situé à côté d'une puce ? » Nous nous attendons à ce que la bonne réponse soit que le condensateur du circuit intermédiaire est utilisé pour le stockage d'énergie et que le condensateur céramique est utilisé pour le filtrage.

Les réponses « correctes » que nous recherchions montraient en fait que tous les membres de l'équipe de conception considéraient un condensateur du simple point de vue du circuit, et non de la théorie des champs. Il n'y a rien de mal avec le point de vue de la théorie des circuits. A basse fréquence (de quelques kHz à quelques MHz), la théorie des circuits explique souvent très bien les choses. En effet, aux basses fréquences, les signaux sont principalement en mode différentiel. En utilisant la théorie des circuits, nous pouvons visualiser un condensateur comme celui illustré à la figure 1, avec une résistance série équivalente (ESR) et une inductance série équivalente (ESL) provoquant une modification de l'impédance du condensateur avec la fréquence.

Figure 1 : Modèle Spice d'un circuit équivalent d'un condensateur céramique et sa courbe d'impédance

Ce modèle explique de manière adéquate les performances du circuit lorsque le circuit commute lentement. Cependant, à mesure que la fréquence augmente, les choses deviennent beaucoup plus complexes. À un moment donné, les composants commencent à montrer des non-linéarités. Un modèle LCR simple a ses limites lorsque la fréquence augmente.

Aujourd'hui, si on me posait les mêmes questions d'entretien, je mettrais mes lunettes de théorie des champs et dirais que les deux types de condensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie. La différence est qu’un condensateur électrolytique peut stocker beaucoup plus d’énergie qu’un condensateur céramique. Mais lorsqu’il s’agit de fourniture d’énergie, un condensateur céramique peut fournir l’énergie beaucoup plus rapidement. Cela explique pourquoi les condensateurs céramiques doivent être situés à côté de la puce, car une puce a une fréquence de commutation et une vitesse de commutation beaucoup plus élevées que celles du circuit d'alimentation principal.

De ce point de vue, on peut simplement définir deux critères de performances pour un condensateur. L’un est la quantité d’énergie qu’un condensateur peut stocker, l’autre est la rapidité avec laquelle cette énergie peut être délivrée. Les deux dépendent de la façon dont un condensateur est fabriqué, des matériaux diélectriques, de la connexion au condensateur, etc.