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Vous trouverez dans cet article des informations essentielles sur les condensateurs, notamment sur la capacité électrique et la mesure de la charge électrique, et sur les différents types de condensateurs.

Les condensateurs jouent un rôle important dans la famille des composants électroniques passifs. Ils sont utilisés partout.

Ainsi, le flash de votre appareil photo numérique fonctionne grâce aux condensateurs. Et lorsque vous changez de chaîne sur votre téléviseur, c’est également grâce aux condensateurs. Il s’agit de petites batteries qui « emmagasinent » l’énergie. Vous aurez besoin de tout savoir sur ces composants avant de vous lancer dans votre premier projet d’électronique.

Sandwich à la crème glacée

Pour simplifier, un condensateur stocke une charge électrique, à l’instar d’une batterie. On retrouve ce composant dans les applications qui nécessitent un stockage d’énergie, la régulation d’une tension et encore un filtrage de signaux. Et à quoi ressemble un condensateur ? À un sandwich à la crème glacée !

Pensez à ce délicieux dessert avec son fourrage de glace à la vanille entouré de deux biscuits. Cette composition (deux couches extérieures et une couche intérieure) est la même que celle d’un condensateur.

Un condensateur se compose de divers éléments :

• À l’extérieur. Sur les parties supérieure et inférieure du condensateur se trouvent des armatures métalliques, également appelées conducteurs. Ces armatures métalliques attirent les charges électriques.
• Au milieu. Entre ces armatures se trouve un isolant ou matériau qui n’attire pas l’électricité. Généralement appelé « diélectrique », cet isolant peut être fait de papier, de verre, de caoutchouc, de plastique, etc.
• Connexion. Les deux armatures métalliques situées en haut et en bas d’un condensateur sont connectées par deux bornes électriques qui les relient au reste du circuit. Une extrémité du condensateur est connectée à l’alimentation et l’autre à la terre.

Condensateurs de formes et tailles diverses

Les condensateurs sont disponibles sous différentes formes et dans différentes tailles. Ces deux caractéristiques déterminent leur capacité de charge. Les trois types de condensateurs les plus courants sont les condensateurs céramiques, les condensateurs électrolytiques et les supercondensateurs :

Condensateurs céramiques

Vous utiliserez probablement ce type de condensateur lors de votre premier projet d’électronique avec une platine d’essai. Les condensateurs céramiques ont une charge plus faible que les condensateurs électrolytiques, mais ils entraînent moins de pertes de courant. Ce sont aussi les moins chers des trois types. Il est facile d’identifier un condensateur céramique traversant par son petit bulbe jaune ou rouge et ses deux bornes qui dépassent.

Condensateurs électrolytiques

Ces condensateurs ressemblent à de petites boîtes de conserve disposées sur un circuit imprimé. Malgré leur encombrement réduit, ils sont capables de supporter une charge électrique énorme. Ce sont aussi les seuls types de condensateurs polarisés. Autrement dit, ils ne fonctionnent que s’ils sont connectés selon une orientation particulière. Les condensateurs électrolytiques sont dotés d’un pôle positif (l’anode) et d’un pôle négatif (la cathode). L’anode doit toujours être connectée à une tension plus élevée. Si vous branchez le condensateur en sens inverse et que la cathode reçoit une tension plus élevée, votre condensateur explosera.

Les condensateurs électrolytiques peuvent supporter une très grande charge électrique, mais ils sont également connus pour leurs pertes de courant plus rapides que les condensateurs céramiques. Pour cette raison, ils ne constituent pas le meilleur choix pour emmagasiner de l’énergie.

Supercondensateurs

Les supercondensateurs sont les superhéros de la famille des condensateurs, car ils peuvent stocker une grande quantité d’énergie. Malheureusement, les supercondensateurs gèrent assez mal les excès de tension, et vous pourriez vous retrouver sans condensateur si vous dépassez la tension maximale indiquée sur une feuille de données. Bang !

Contrairement aux condensateurs électrolytiques, les supercondensateurs servent à stocker et à décharger l’énergie, comme des batteries. Toutefois, contrairement aux batteries, les supercondensateurs libèrent toute leur charge en une seule fois. En outre, leur durée de vie est bien plus courte que celle des batteries.

Symboles de condensateur

L’identification d’un condensateur sur votre premier schéma est très facile, car il n’en existe que deux types : standard ou polarisé. Le symbole du condensateur standard est illustré ci-après : il s’agit simplement de deux lignes séparées par un espace qui représentent les deux armatures métalliques situées en haut et en bas d’un condensateur physique.

Le condensateur polarisé a un aspect légèrement différent. Il comporte une ligne en arc sur sa partie inférieure, ainsi qu’une borne positive sur le dessus. Cette borne positive est très importante, car elle indique comment le condensateur polarisé doit être connecté. Le côté positif est toujours connecté à l’alimentation ; le côté en arc est toujours relié à la terre.

Qui a inventé les condensateurs ?

Le chimiste anglais Michael Faraday est largement reconnu comme pionnier des condensateurs d’aujourd’hui, mais il n’a pas été le premier à les inventer. Le travail de Michael Faraday reste toutefois important : à travers ses expériences, il a démontré les premières applications pratiques des condensateurs et expliqué comment les utiliser pour stocker une charge électrique. Grâce à ses découvertes, nous disposons aussi d’un moyen de mesurer la charge qu’un condensateur peut supporter : la capacité électrique, exprimée en farads.

Certains documents désignent le scientifique allemand Ewald Georg von Kleist comme étant l’inventeur du premier condensateur en 1745, avant Michael Faraday. Quelques mois plus tard, un professeur néerlandais, Pieter van Musschenbroek, réalisait une conception similaire, connue sous le nom de « bouteille de Leyde ». Bien qu’il s’agisse d’une étrange coïncidence, les deux scientifiques ont été reconnus pour leurs inventions du condensateur.

Plus tard, le célèbre Benjamin Franklin a amélioré la conception de la bouteille de Leyde créée par Pieter van Musschenbroek. Benjamin Franklin a aussi découvert que l’utilisation d’un morceau de verre plat était une excellente alternative à l’utilisation d’une bouteille. C’est ainsi que le premier condensateur plat, appelé Franklin Square, est né.

Les condensateurs en action

Examinons en détail le fonctionnement de ces puissants condensateurs, avec un exemple pratique. Vous avez probablement déjà utilisé un appareil photo numérique. Vous savez donc qu’un bref moment s’écoule entre l’instant où vous appuyez sur le bouton pour prendre une photo et l’instant où le flash se déclenche.

Que se passe-t-il ? Un condensateur relié au flash se charge lorsque vous appuyez sur le bouton pour prendre une photo. Une fois que le condensateur est complètement chargé par la batterie de la caméra, toute cette énergie explose vers l’extérieur dans un éclair de lumière aveuglant.

Fonctionnement des condensateurs

Comment les condensateurs fonctionnent-ils ? Voici un aperçu de leur monde mystérieux :

1. Tout commence par une charge. Le courant électrique d’une source d’alimentation est d’abord transmis vers le condensateur, mais il reste bloqué sur la première armature. Pourquoi est-ce que ça coince ? Parce qu’il y a un isolant qui empêche la charge électronique négative de circuler.
2. Les charges s’accumulent. De plus en plus d’électrons se retrouvent coincés dans cette première armature qui se remplit de charge négative et finit par repousser vers l’autre armature tous les électrons superflus qu’elle ne peut pas absorber. Cette deuxième armature finit par être chargée positivement.
3. La charge est stockée. Les deux armatures du condensateur continuant de se charger, les électrons négatifs et positifs tentent frénétiquement de se réunir, mais l’isolant au milieu les en empêche, ce qui crée un champ électrique. C’est pourquoi le condensateur continue à emmagasiner la charge électrique, produisant ainsi une source infinie de tension non résolue entre le côté positif et le côté négatif formés par les deux armatures.
4. La charge est libérée. Une fois leur capacité maximale atteinte, les deux armatures du condensateur ne peuvent plus maintenir la charge. Que se passe-t-il à ce moment-là ? Si le circuit comporte une autre voie par laquelle la charge électrique peut circuler, tous les électrons du condensateur se déchargent en accédant à cette voie, ce qui met fin à leur tension.

Mesure de la charge

Comment mesurer la charge stockée dans un condensateur ? Chaque condensateur dispose d’une capacité électrique spécifique, mesurée en farads, en l’honneur du chimiste anglais Michael Faraday. Le farad représentant une capacité très élevée, on utilise généralement des valeurs plus faibles, comme le picofarad ou le microfarad. Voici un tableau qui vous aidera à comprendre comment ces mesures se décomposent :

Pour déterminer la charge stockée par un condensateur, utilisez l’équation suivante :

Q = CV

Dans cette équation, (Q) représente la charge totale, calculée en multipliant la capacité électrique du condensateur (C) par la tension qui lui est appliquée (V). Il convient de noter que la capacité électrique d’un condensateur est directement liée à sa tension. Plus vous augmentez la source de tension du circuit, plus le condensateur est chargé. Plus vous réduisez la source de tension du circuit, moins le condensateur est chargé.

Capacité électrique dans les circuits série et en parallèle

Lorsque vous placez des condensateurs en parallèle dans un circuit, il vous suffit d’additionner les capacités électriques individuelles pour déterminer la capacité totale du circuit.

Lorsque vous placez des condensateurs en série, la capacité électrique totale du circuit est l’inverse de la somme des capacités électriques ajoutées. Voici un exemple rapide. Deux condensateurs 10 F connectés en série produiront une capacité électrique totale de 5 F.

Utilisation des condensateurs

Maintenant que nous avons bien compris en quoi consistent les condensateurs, comment ils fonctionnent et comment leur charge est mesurée, passons en revue trois applications courantes : les condensateurs de découplage, le stockage d’énergie et les capteurs tactiles capacitifs.

Condensateurs de découplage

Aujourd’hui, la majorité des circuits disposent d’un circuit intégré. Les condensateurs y jouent un rôle essentiel, car ils éliminent tout bruit de haute fréquence présent dans les signaux d’alimentation du circuit intégré.

Pourquoi un condensateur s’avère-t-il nécessaire ? Toute variation de tension peut être fatale à un circuit intégré et même entraîner la mise hors tension inattendue de la puce. Si des condensateurs sont placés entre le circuit intégré et l’alimentation électrique, ils atténuent les fluctuations de tension et tiennent lieu de deuxième source d’alimentation si la tension de l’alimentation principale devient trop faible pour que le circuit intégré reste activé.

Stockage d’énergie

Les condensateurs ont de nombreuses similitudes avec les batteries, notamment leur capacité à emmagasiner de l’énergie. Cependant, les condensateurs ne peuvent pas supporter une tension aussi élevée que celle des batteries. En revanche, ils peuvent se décharger très vite. Un condensateur peut fournir de l’énergie beaucoup plus rapidement qu’une batterie, ce qui le rend idéal pour alimenter le flash d’une caméra, régler une station de radio ou changer de chaîne sur un téléviseur.

Capteurs tactiles capacitifs

L’une des dernières avancées en matière d’applications des condensateurs est liée à l’explosion des technologies d’écran tactile. Les écrans de verre qui constituent ces capteurs tactiles sont dotés d’un revêtement métallique très fin et transparent. Lorsque votre doigt touche l’écran, une chute de tension est générée, ce qui permet d’identifier l’emplacement exact de votre doigt.

Choix d’un condensateur

Passons à l’aspect pratique. Au moment de choisir un condensateur, quels sont les éléments à prendre en compte ? J’en citerai cinq :

• Taille : il s’agit à la fois de la taille physique du condensateur et de sa capacité électrique totale. Ne soyez pas surpris si le condensateur choisi est le plus grand composant de votre circuit imprimé. Plus la capacité électrique est élevée, plus le condensateur est grand.
• Tolérance : tout comme les résistances, les condensateurs ont une tolérance variable. La tolérance d’un condensateur se situe normalement entre ± 1 % et ± 20 % de la valeur annoncée.
• Tension maximale : chaque condensateur peut supporter une certaine tension maximale. Sinon, il explose. Les tensions maximales oscillent entre 1,5 V et 100 V.
• Résistance série équivalente : comme tout autre matériel physique, les bornes d’un condensateur ont une très petite résistance, ce qui peut être problématique en cas de chaleur et de perte d’énergie.
• Courant de fuite : contrairement aux batteries, les condensateurs perdent la charge qu’ils stockent. Ces fuites sont lentes, mais faites attention à la quantité de charge qui fuit de votre condensateur si sa fonction principale est de stocker l’énergie.

Prêt à vous lancer ?

Tout ce que vous devez savoir sur les condensateurs pour démarrer votre prochain projet d’électronique est désormais entre vos mains. Les condensateurs sont des dispositifs fascinants, capables de stocker une charge électrique pour diverses applications. Ils peuvent même agir comme une source d’alimentation secondaire pour les circuits intégrés sensibles. Lorsque vous travaillez avec des condensateurs, faites particulièrement attention à leur tension maximale. Sinon, vos condensateurs peuvent exploser, comme le montre cette vidéo :

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