Qu'est ce qu'un condensateur? Comment calculer sa valeur ?

Introduction

Un condensateur est un composant électronique dont l’intérêt est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique.

Les condensateurs, tout comme les résistances font partie de la catégorie des composants passifs.

Ne manipulez pas de condensateur s'il est encore chargé !

En ouvrant un circuit ou le capot d’une machine venant juste de servir, il y a de très grande chance que les condensateurs qu’il contient soient encore chargé. Certain condensateur on une capacité suffisamment importante pour vous blesser. Il convient donc de les décharger avant de les manipuler !

  • A partir de quelle capacité un condensateur est sans risque ?

Pour connaître les effets d’un condensateur électrique déchargé dans le corp humain, on va surtout s’intéressé à l’intensité de celui-ci. Voici un tableau résumant la dangerosité du courant :

 
Courant Effet sur le corps
0,5 à 1 mA Seuil de perception
8 mA Choc au toucher, réaction brutale
10 mA Crispation des muscles
20 mA Dangereux pour la santé avec effet durable

Bien évidement l’effet du courant électrique sur le corp humain dépend aussi de d’autre facteur comme le trajet du courant à travers le corps, de la durée de passage et également du type de courant alternatif ou courant continu. Néanmoins les valeurs données précédement sont un bon indicateurs de la dangerosité de votre circuit.

Repérer le hot and cold d'un circuit avant de manipuler !

 

Dans un circuit électronique, il se peut que vous ayez à la fois de la haute et de la basse tension.

 C’est notamment le cas pour les alimentations à découpages, qui sont connus comme un chargeur usb pour y brancher votre téléphone. Ce composant prends en entrée du 230V et le convertit en 5V.

Pour différencier la partie du circuit utilisant le 230V de celle du 5V, les composants utilisant le 5V sont tous côte à côte et pareille pour le 230V. Ceci sépare le « hot » du « cold » ce qui veut dire pour nous le 230V du 5V.

Comment savoir si mon condensanteur est déchargé ?

Pour savoir si votre condensateur est déchargé, il faut brancher ses bornes à un multimètre. Si sa valeur est nulle alors vous pouvez le manipuler en sécurité. Sinon attendez quelques secondes et le multimètre le déchargera avec sa masse.

Une deuxième solution pour décharger un condensateur est d’utiliser une résistance. En effet, c’est le but même d’une résistance, de limiter le courant et donc de décharger le condensateur.

Une mauvaise technique qui peut être utilisée pour décharger un condensateur est de le toucher avec son tournevis pour l’utiliser comme masse. Nous vous déconseillons de le faire car cela risque de créer des étincelles et donc d’endommager le reste de votre circuit.

Comment fonctionne t'il ?

Le condensateur est constitué de deux armatures conductrices séparées par un isolant. Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures.

La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée.

Quel est son utilité ?

Le condensateur est utilisé principalement pour :

  • stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ;
  • traiter des signaux périodiques ;
  • stocker de l’énergie.

Les différents types de condensateur

Il existe plusieurs modèles de condensateur qui ont chacun leurs valeurs. Il peut parfois difficiles de les identifier car chaque constructeurs décident de ce qu’il veut écrire sur son condensateur. Par conséquent, on vous conseille de chercher la fiche technique de votre condensateur sur internet.

Néanmoins pour les images de condensateurs que l’on vous propose ci-dessous, on vous donne les valeurs afin de vous aidez à les identifier :

a) Le condensateur céramique  (multicouche et disque)

Les condensateurs céramiques sont les condensateurs les plus utilisés dans le domaine de l’électronique. Les couches de céramique isolent le condensateur afin de réduire la perte de chaleur et ainsi améliorer l’efficacité du produit.

D’après l’image ci-contre, en cherchant la référence sur internet, on peut lire que c’est un condensateur qui fonctionne jusqu’à 50V et qu’il a une capacité de 0.33 uF.

b) Le condensateur polypropylène

Les condensateurs à film polypropylène sont des condensateurs communs utilisés dans l’équipement électrique.

Ils peuvent remplacer les condensateurs électrolytiques dans les applications où la tension est supérieure à 500 V.

Le condensateur polypropylène est utilisé dans une large gamme d’applications électriques. Ces applications incluent les alimentations à découpage, les applications de circuit haute tension…

Pour ce type de condensateur, la valeur est écrite dessus. Pour notre exemple on a 300 uF, ce qui fait 300 microFarad, donc 0,3 milliFarad. Il a une tension sinusoïdale de 250 V et une plage de température de :

[ -40 °C, 70 °C].

c) Le condensateur tantale

Les condensateurs tantales sont des condensateurs électrolytiques qui utilisent du tantale métallique pour la borne + (l’anode). Ce sont des condensateurs polarisés avec d’excellentes caractéristiques de fréquence et de stabilité.

Les utilisations du condensateur tantale, qui est un condensateur polarisé, sont variées. Celui-ci constitue une excellente alternative au condensateur électrolytique à l’aluminium grâce à sa grande capacité électrique et sa petite taille.

Par exemple, le condensateur tantale  ci-contre possède une tension de 25V, et une capacité de 10uF avec une tolérance de plus ou moins 20%.

d) Le condensateur film polyester multicouche

Les condensateurs polyester sont des types de condensateur dans lesquels du film polyester est utilisé comme matériau isolant. Ils sont peu coûteux et de petite taille, tout en offrant des valeurs de capacitance relativement élevées.

Les condensateurs polyester ne sont pas polarisés et peuvent être utilisés pour les signaux de tension alternatif et la consommation d’énergie.

La plupart des condensateurs polyester peuvent être utilisés dans les environnements difficiles, dans lesquels ils doivent résister à la chaleur, à l’humidité et à bien d’autres conditions. Ils sont par conséquent excellents pour toutes les applications.

Pour ce condensateur présentée sur l’image, il fallut chercher sur internet sa valeur avec la référence écrite dessus. Il a une tension de 100 V avec une capacité de 0.1 uF et une tolérance de 5%.

e) Le condensateur polystyrène

Les condensateurs à film polystyrène sont utilisés pour les applications nécessitant une grande fiabilité et une grande précision.

Les condensateurs à film polystyrène utilisent une électrode à feuille d’aluminium comme isolant.

Ici la valeur du condensateur est de 0.47 uF et une tension d’utilisation de 250 en sinusoïdale.

f) Le condensateur électrolytique

Les condensateurs en aluminium électrolytique sont un type de condensateur avec un film séparateur servant d’isolant.

Ils sont polarisés, ce qui signifie que l’énergie ne peut circuler que dans un sens.

Ils sont dotés d’un très haut niveau de capacité, ce qui les rend utiles dans de nombreux secteurs, notamment les alimentations, les équipements automobiles, les cartes-mères d’ordinateurs, les appareils électroménagers…

Le condensateur électrolytique a une valeur simple à trouver car elle est écrite dessus. Ici on 1000 uF, c’est à dire 1 milliFarad et une tension de 50V.

Condensateur dans un circuit

Avant de calculer la valeur d’un condensateur dans un circuit, nous avons besoin d’en connaître un peu plus sur ses formules.

Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension, appelé capacité électrique et exprimé en farads (F).

  • I est l’intensité du courant électrique en ampère (A)
  • U est la tension au borne du condensateur en volt (V)
  • C est la capacité du condensateur en farad (F)
  • du/dt est la dérivée de la tension par rapport au temps (V/s)

Voici la schématique du condensateur celle-ci sera utilisée dans nos circuits :

a) Parallèle ou en série ?

Il existe deux manières de voir deux condensateurs ensemble dans un circuit : en parallèle et en série. En fonction de comment les condensateurs sont placés, vous ne pourrez pas additionner leurs capacités de la même manière.

  • En parallèle

Un circuit en parallèle est un montage électrique dans lequel les appareils sont placés parallèlement les uns aux autres. Le courant peut revenir à la source par plusieurs chemins différents.

Formule pour additionner les condensateurs en parallèle :

C total = C 1 + C 2 + C 3 …

  • En série

Il s’agit d’un circuit dont tous les dipôles sont les uns à la suite des autres.

Formule pour additioner les condensateurs en parallèle :

b) Condensateur dans un circuit

La plupart des circuits avec un condensateur sont à résoudre avec des équations différentiels, car l’équation va évoluer quand le condensateur va se charger ou se décharger.

  • E correspond à la tension
  • Uc correspond à la tension aux bornes notre condensateur
  • Ur correspond à la tension aux bornes de notre résistance

On va maintenant chercher l’équation différentielle qui décrit le comportement du circuit :

On va maintenant voir comment résoudre cette équation :

Quel condensateur choisir ?

Comme vu précédemment, il y a plusieurs types de condensateurs ainsi il peut être difficile de choisir lequel il vous faut. Voici donc un tableau récapitulatif des différents condensateurs :

Condensateur Utilisable pour l’Arduino Spécifié technique
Céramique Oui Offre la tension, la température et la fréquence les plus fiables.
Polypropylène Non Utilisé dans les circuits à haute tension et installation électrique.
Tantale Oui Condensateurs polarisés avec d’excellentes caractéristiques de fréquence et de stabilité.
Film polyester Oui Excellent pour toutes les applications.
Polystyrène Non Remplace les condensateurs électrolytiques dans les applications où la tension est supérieure à 500 V.
Electrolytique Oui Est doté d’un très haut niveau de capacité, ce qui les rend utile dans de nombreux secteurs de l’électronique.

Maintenant que vous avez fait votre choix sur le type de condensateur qu’il vous faut, on va déterminer quelle capacité vous avez besoin pour faire votre circuit. Pour cela vous avez une formule qui peut vous aider :

  • Q est la charge (en coulomb)
  • C est la capacité du condensateur (en farads)
  • U est la tension (en volt)

Pour cela on va prendre l’exemple du circuit précédement cité :

  • E correspond à la tension
  • Uc correspond à la tension aux bornes notre condensateur
  • Ur correspond à la tension aux bornes de notre résistance

Cette fois-ci on va prendre des valeurs afin de choisir le condensateur qu’il nous faut :

  • La source de tension E =10 V
  • La résistance Ur = 3V

Avec une loi des mailles, on déterminer la valeur de la tension aux bornes du condensateur dont on a besoin :

E= Ur + Uc

Uc = E- Ur

Uc = 10-3 =7V

 

Une fois la tension de votre condensateur trouvé, il vous faut sa capacité. Pour cela vous avez la formule de la charge juste au dessus : Q=CU. Il vous reste plus qu’a trouver la charge dont vous avez besoin avec la formule suivante :

Q= I*t

  • Q est la charge (en coulomb)
  • I l’intensité en ampère (A)
  • T le temps en seconde.

Mesurer la tension aux bornes du condensateur

On va maintenant voir comment mesurer la valeur de la tension d’un condensateur avec la carte Arduino. On va pour cela charger le condensateur en le branchant sur les bornes 5V et GND de la carte et avec la broche analogique on va récupérer la valeur de la tension aux bornes de celui-ci. Voici le circuit :

int condensateur =7;
float mesure;
float tension;
void setup() {
  pinMode(condensateur, OUTPUT) ;
  Serial.begin(9600) ;
}
void loop() {

  // Charge condensateur
  Serial.println("Charge du condensateur") ;
  digitalWrite(condensateur, HIGH) ;
  mesure = analogRead(A0) ;
  tension = mesure*5.0/1023 ;
  Serial.print("tension=") ;
  Serial.println(tension) ;
  delay(2000);
  Serial.println("----") ;
  // Décharge
  Serial.println("Decharge du condensateur") ;
  digitalWrite(condensateur, LOW) ;
  mesure = analogRead(A0) ;
  tension = mesure*5.0/1023 ;
  Serial.print("tension :") ;
   Serial.println(tension) ;
  delay(2000);
  
  }

Voici ce que l’on obtient sur le moniteur série :

Bandeau de Led

On va maintenant voir une autre utilisation du condensateur, celle de protéger un composant d’un pic de courant. En effet, ici les bandeaux de led sont très sensible aux pics de courant, on va donc ajouter un condensateur 1000 µF/6.3 V  en parallèle de l’alimentation 5V.

#include <Adafruit_NeoPixel.h> // Bibliothèque du bandeau de led
#define broche 3     // Broche poru contrôler le bandeau
#define nb_led 5    // Bandeau de 5 led
Adafruit_NeoPixel Bibliotheque = Adafruit_NeoPixel(nb_led, broche, NEO_GRB + NEO_KHZ800);  // Appel de la bibliothèque

void setup() 
{
  Bibliotheque.begin();  // initialisation de la bibliothèque
}

void loop() 
{
  for(int i=0;i<5;i++) // On allume les 5 leds en rouge
  {
    Bibliotheque.setPixelColor(i,150,0,0); 
    Bibliotheque.show(); 
  }
}

Comment savoir mon condensateur est grillé ?

Pour savoir si un condensateur est grillé, vous pouvez utiliser votre multimètre et le régler en ohmmètre. Cela va vous permettre de calculer la continuité de votre condensateur.  Une fois le multimètre branché aux bornes de celui-ci, si la valeur évolue jusqu’à 10 000 et redescend à 0 c’est que le condensateur est fonctionnel.