Types de condensateurs et performances

Les condensateurs sont des composants passifs qui stockent une charge électrique. Cette fonction unique, cependant, peut être utilisée de nombreuses façons au sein d’une grande variété d’applications – en courant alternatif et continu, analogique et numérique. Parmi les exemples, citons les circuits de synchronisation et de mise en forme des ondes, le couplage et le découplage, les filtres et le lissage des formes d’onde, le réglage de la télévision et de la radio, les oscillateurs et, avec les supercondensateurs, le stockage de la charge pour des dispositifs tels que les flashes des appareils photo. Cette diversité, associée à la mise à l’échelle pour s’adapter aux différents niveaux de puissance, de courant et de tension, signifie que les condensateurs se présentent sous de nombreuses formes, tailles et techniques de construction.

Cet article examine les condensateurs, et la signification de la capacité électrique. Il examine ensuite les propriétés – en plus de la capacité – qui définissent les performances des composants et leur impact sur son circuit cible. Ensuite, il montre comment ces propriétés sont diversement présentées par les différents types de condensateurs actuellement disponibles, et comment elles influencent les choix d’un concepteur en matière de type de condensateur.

Parfois, cependant, le premier choix apparent pour un projet peut ne pas être la meilleure voie à suivre ; il peut être souhaitable de substituer une technologie de condensateur à une autre pour une raison quelconque. En conséquence, l’article se termine par un bref exemple de la façon dont les condensateurs polymères peuvent remplacer les types céramiques multicouches.

Qu’est-ce qu’un condensateur ?

Comme le montre la figure 1, un condensateur comprend deux plaques conductrices à proximité l’une de l’autre, séparées par un isolant ou un diélectrique. Appliquez un courant continu entre les plaques, et elles accumuleront des charges égales et opposées ; négatives sur une plaque, et positives sur l’autre. Retirez la source de courant et les plaques conserveront leur charge, à l’exception des fuites. Ensuite, si les plaques sont connectées à travers une charge telle qu’une ampoule de flash d’appareil photo, elles libéreront toute leur énergie dans celle-ci pour alimenter le flash.

Notez que la conception d’un condensateur signifie qu’il bloque le courant continu, mais conduit le courant alternatif. En général, plus la fréquence de la tension alternative est élevée, mieux le condensateur conduit le courant alternatif.

La quantité d’énergie qu’un condensateur peut stocker est définie par sa capacité, mesurée en farads. Comme un farad est une unité de capacité impraticable (sauf pour les supercondensateurs), les composants réels sont évalués dans l’une des plages SI suivantes, selon le cas :

• 1 mF (millifarad, un millième (10-3) de farad)
• 1 μF (microfarad, un millionième (10-6) de farad)
• 1 nF (nanofarad, un milliardième (10-9) de farad)
• 1 pF (picofarad, un trillionième (10-12) de farad)

Dans tous les cas, la capacité C en farads est donnée par l’équation :

Où q est la charge en coulombs (charges +q et -q sur les plaques) et V est la tension en volts aux bornes des plaques.

Cela donne une relation tension/courant de

Où i = courant en ampères.

L’énergie stockée dans un condensateur se trouve en intégrant le travail W (Watts)

La première des équations ci-dessus nous indique que l’augmentation de la capacité permet de stocker plus de charge pour une tension donnée aux bornes du condensateur. La capacité peut être augmentée en augmentant la taille des plaques, en les rapprochant les unes des autres ou en améliorant les propriétés d’isolation du diélectrique. Les condensateurs de tous types atteignent leurs valeurs de capacité cibles en ajustant ces trois variables en conséquence. Par conséquent, si une valeur de capacité requise peut être obtenue avec différents types de condensateurs, comment décider quel type est le meilleur pour une application donnée ?

La réponse est que si les condensateurs idéaux n’auraient que la capacité, les dispositifs réels ont également de nombreux autres paramètres et caractéristiques qui affectent leurs performances dans le cadre de leur application cible et leur adéquation à celle-ci. Ces facteurs dépendent de la technologie des condensateurs utilisée et doivent tous être pris en compte lors du choix d’une solution optimale.

Les critères comprennent la tension de fonctionnement, la taille du dispositif, la réponse en fréquence, le vieillissement (assèchement de l’électrolyte humide) entraînant une perte de capacité, la température de fonctionnement maximale recommandée, l’inflammabilité et les propriétés d’auto-réparation. Parfois, une résistance parasite extrêmement faible (connue sous le nom de résistance série équivalente ou ESR) est nécessaire pour minimiser les pertes I2R dans les applications à courant élevé.

Plus loin, nous examinons de plus près ces propriétés et d’autres propriétés des condensateurs, puis comment elles se reflètent dans les différents types de condensateurs.

Propriétés des condensateurs

La publication de KEMET ‘Introduction aux technologies des condensateurs’ contient de nombreuses informations utiles et a fourni le contexte de la discussion sur les propriétés des condensateurs présentée ci-dessous.

Caractéristiques diélectriques et CV des condensateurs

Les propriétés diélectriques influencent l’efficacité volumétrique des condensateurs, c’est-à-dire la quantité de capacité par volume donné. Cela s’exprime par une valeur CV, où C = capacité et V est la tension. Les valeurs CV sont des considérations importantes lors de la conception de systèmes portables ou de cartes de circuits imprimés très denses où une capacité élevée dans un volume minimal est essentielle.

Certains diélectriques, comme le tantale, sont connus pour leurs propriétés CV élevées. Le CV peut également être augmenté en maximisant la surface d’électrode utilisable et en minimisant les frais généraux du boîtier.

Problèmes pratiques de capacité

La capacité utilisable d’un condensateur peut différer de sa valeur nominale en raison de plusieurs facteurs. Il s’agit notamment de :

• Température
• Humidité
• Tension alternative et continue
• Fréquence du signal
• Vieillissement du condensateur
• Mécanique
• Effet piézoélectrique

Lors de la sélection d’un condensateur pour une application, ses valeurs nominales pour ces facteurs doivent être prises en considération.

Les tolérances sont une autre considération importante. Les condensateurs sont codés par tolérance, les codes les plus courants étant :

• ± 20% = M
• ± 10% = K
• ± 5% = J
• ± 2.5% = H
• ± 2% = G
• ± 1% = F

Courant de fuite vs résistance d’isolement

Les matériaux diélectriques des condensateurs ne sont pas des isolants idéaux ; ils peuvent laisser passer un petit courant de fuite continu pour diverses raisons spécifiques à chaque type de diélectrique. Cela entraînera une baisse lente de la tension aux bornes d’un condensateur chargé, car le courant de fuite draine sa charge.

Généralement, la résistance d’isolement a tendance à diminuer lorsque les valeurs de capacité augmentent. Le courant de fuite augmente avec l’augmentation de la température.

La relation entre le courant de fuite (LC) et la résistance d’isolement (IR) du diélectrique du condensateur est donnée par la formule simple :

I(LC) = V/R(IR)

Comportement de charge/décharge

Lorsqu’une tension continue est appliquée à un condensateur en série avec une résistance, le condensateur se charge à un taux fixé par la tension appliquée, l’état de charge par rapport à sa valeur finale, la résistance en série et sa propre capacité. Le produit résistance-capacité, RC, est connu comme la constante de temps du circuit. Pour être précis, la constante de temps RC est le temps nécessaire pour charger le condensateur de 63,2% de la différence entre les valeurs initiale et finale. Cette même valeur RC régit également le temps nécessaire pour décharger le condensateur à travers la résistance série.

Résistance diélectrique

Si la tension aux bornes d’un condensateur est suffisamment augmentée, le champ électrique finit par provoquer la rupture du diélectrique et la conduction du courant. Avec certains diélectriques, l’effet est permanent et le condensateur est donc détruit.

Certains diélectriques, cependant, peuvent s’auto-réparer. Par exemple, les condensateurs à film et à papier avec des électrodes très fines peuvent s’auto-réparer car le courant de claquage important chauffe les couches d’électrodes, ce qui provoque l’évaporation et l’oxydation des métaux loin de la zone affectée, isolant ainsi le chemin de court-circuit du reste du condensateur. Ce processus peut se produire même dans des applications de très haute puissance évaluées jusqu’à plusieurs kilowatts.

Dissipation de l’énergie

Lorsqu’une tension alternative est appliquée aux bornes d’un condensateur, le courant circule à travers son matériau diélectrique et ses parties conductrices. En pratique, une partie de ce courant est dissipée dans la petite quantité de résistance à l’intérieur du condensateur. Cette dissipation se manifeste par une augmentation de la température du condensateur. La résistance globale du condensateur, appelée résistance série équivalente (ESR), est la somme de deux éléments :

• Résistance du matériau diélectrique
• Résistance des parties conductrices

Inductance

Les électrodes et les fils conducteurs ou terminaisons d’un condensateur sont des conducteurs métalliques, auxquels est associée une certaine inductance. Cette inductance tend à résister aux changements du courant alternatif qui traverse le condensateur. Elle est connue sous le nom d’inductance série équivalente ou ESL.

Description du circuit équivalent du condensateur

Les parties conductrices d’un condensateur ont une résistance ohmique associée qui se combine avec la résistance diélectrique pour former une résistance série équivalente (ESR). Un condensateur pratique peut être décrit en utilisant un circuit dit équivalent comme dans la Fig.2, où une résistance (ESR) et une inductance (ESL) sont en série avec une capacité pure mise en parallèle avec une résistance égale à la résistance d’isolement du diélectrique.

Différents types de condensateurs

Fig.3 résume les différents types de condensateurs actuellement disponibles. Nous passons en revue les types de condensateurs fixes ci-dessous.

Caoacitorguide.com fournit des explications approfondies sur les différents types de condensateurs et leur construction ; les informations sur les types de condensateurs ci-dessous (à l’exception du verre et du Feedthru) sont basées sur ce contenu.

Film

Les condensateurs à film utilisent un film plastique mince comme diélectrique ; celui-ci peut être métallisé ou laissé non traité, selon les propriétés requises du condensateur. Ces types offrent une stabilité, une faible inductance et un faible coût. Les différents types de films comprennent le polyester, le métallisé, le polypropylène, le PTFE et le polystyrène. Les capacités vont de moins de 1nF à 30µF.

Ces types de condensateurs sont non polarisés, ce qui les rend appropriés pour les applications de signal et de puissance en courant alternatif. Les condensateurs à film peuvent avoir des valeurs de condensateur de très haute précision, qu’ils conservent plus longtemps que les autres types de condensateurs. Ils sont très fiables et ont une longue durée de vie, avec un processus de vieillissement généralement plus lent que d’autres types de condensateurs tels que les condensateurs électrolytiques. Ils ont des valeurs ESR et ESL faibles, donc des facteurs de dissipation très bas. Ils peuvent être fabriqués pour résister à des tensions de l’ordre du kilovolt et peuvent fournir des impulsions de courant de surtension très élevées.

Il existe des condensateurs à film de puissance qui peuvent supporter une puissance réactive supérieure à 200 volts-ampères. Ils sont utilisés dans les dispositifs d’électronique de puissance, les déphaseurs, les flashs de rayons X et les lasers pulsés. Les variantes à faible puissance sont utilisées comme condensateurs de découplage, filtres et dans les convertisseurs A/N. D’autres applications notables sont les condensateurs de sécurité, la suppression des interférences électromagnétiques, les ballasts de lumière fluorescente et les condensateurs snubber.

Céramique

Les condensateurs en céramique utilisent un matériau céramique comme diélectrique. Le condensateur à puce multicouche (MLCC) et le condensateur à disque céramique sont les types les plus utilisés dans l’électronique moderne. Les MLCC sont fabriqués selon la technologie de montage en surface (SMT) et sont largement utilisés en raison de leur petite taille. Les valeurs de capacité sont généralement comprises entre 1 nF et 1 µF, bien que des valeurs allant jusqu’à 100 µF soient disponibles. Ils ne sont pas polarisés et peuvent donc être utilisés dans des circuits alternatifs. Ils ont une grande réponse en fréquence en raison des faibles effets parasites résistifs et inductifs.

Il existe deux classes de condensateurs céramiques disponibles aujourd’hui : la classe 1 et la classe 2. Les condensateurs céramiques de classe 1 sont utilisés lorsqu’une grande stabilité et de faibles pertes sont nécessaires. Ils sont très précis et la valeur de la capacité est stable en ce qui concerne la tension appliquée, la température et la fréquence.

Les condensateurs de classe 2 ont une capacité élevée par volume et sont utilisés pour des applications moins sensibles. Leur stabilité thermique est généralement de ±15% dans la plage de température de fonctionnement, et les tolérances de la valeur nominale sont d’environ 20%.

Les CCML offrent des densités d’emballage élevées pour le montage sur PCB, bien que des composants céramiques de puissance physiquement grands soient également disponibles, qui peuvent résister à des tensions de 2 kV jusqu’à 100 kV, avec des puissances nominales supérieures à 200 VA.

Condensateurs électrolytiques

Les condensateurs électrolytiques utilisent un électrolyte pour fournir une valeur de capacité plus importante que les autres types de condensateurs. Presque tous les condensateurs électrolytiques sont polarisés, ils doivent donc être utilisés dans des circuits en courant continu et correctement polarisés. Les condensateurs électrolytiques peuvent être à électrolyte liquide ou à polymère solide. Ils sont généralement fabriqués en tantale ou en aluminium. Les condensateurs en aluminium ont généralement des capacités comprises entre 1 µF et 47 mF, avec une tension de fonctionnement pouvant atteindre quelques centaines de volts en courant continu. Cependant, les supercondensateurs, parfois appelés condensateurs à double couche, sont également disponibles avec des capacités de centaines ou de milliers de farads.

Les inconvénients comprennent des courants de fuite importants, de larges tolérances de valeur de généralement 20%, une résistance série équivalente et une durée de vie limitée. Les valeurs de capacité dérivent également avec le temps. Les condensateurs peuvent surchauffer ou même exploser s’ils sont soumis à des tensions de polarité inverse.

Les condensateurs électrolytiques sont utilisés dans des applications qui ne nécessitent pas de tolérances serrées ni de polarisation en courant alternatif, mais qui requièrent de grandes valeurs de capacité. Les exemples incluent les étages de filtrage dans les alimentations pour éliminer l’ondulation AC, ou pour le lissage d’entrée et de sortie comme filtre passe-bas pour les signaux DC avec une faible composante AC.

Supercondensateurs

Les supercondensateurs sont un type d’électrolyte, comme décrit ci-dessus. Ils peuvent stocker des quantités extrêmement importantes d’énergie électrique en utilisant deux mécanismes ; la capacité à double couche et la pseudo-capacité. Le premier est électrostatique, tandis que le second est électrochimique, de sorte que les supercondensateurs combinent les caractéristiques des condensateurs normaux avec celles des batteries ordinaires.

En fait, ils sont utilisés comme alternatives aux batteries dans de nombreuses applications, notamment les systèmes de récupération d’énergie cinétique (KERS) automobiles, la mémoire flash photographique et la mémoire RAM statique. Les possibilités futures incluent les téléphones mobiles, les ordinateurs portables et les voitures électriques ; leur avantage le plus excitant est leur taux de recharge très rapide, ce qui signifie qu’une voiture électrique pourrait être rechargée en quelques minutes.

Cette technologie peut atteindre des valeurs de capacité allant jusqu’à 12000 F. Ils ont des temps de charge et de décharge très rapides, comparables à ceux des condensateurs ordinaires, en raison de leur faible résistance interne. En revanche, les batteries peuvent prendre jusqu’à plusieurs heures pour se charger complètement. Les supercondensateurs ont également des puissances spécifiques 5 à 10 fois supérieures à celles des batteries ; par exemple, 10 kW/Kg contre 1 à 3 kW/Kg pour les batteries Li-ion. Les supercondensateurs ne chauffent pas autant que les batteries lorsqu’ils sont maltraités, et ont une durée de vie cyclique pratiquement illimitée, par rapport aux 500+ cycles typiques des batteries.

Les inconvénients des supercondensateurs comprennent une faible énergie spécifique (Wh/Kg), une caractéristique de tension de décharge linéaire (un supercondensateur évalué pour une sortie de 2,7 V tomberait à 1,35 V à 50% de décharge, par exemple) et des coûts élevés. Ceux-ci ont empêché jusqu’à présent les supercondensateurs de remplacer les batteries dans la plupart des applications.

Mica

Les condensateurs en mica signifient aujourd’hui des condensateurs en mica argenté, fabriqués en prenant en sandwich des feuilles de mica recouvertes de métal sur les deux faces. Les valeurs de capacité sont petites, généralement de quelques pF à quelques nF, bien que les plus grands types de mica puissent atteindre 1 µF. Les tensions nominales sont généralement comprises entre 100 et 1000 volts, bien que certains condensateurs puissent atteindre 10 kV pour les applications d’émetteur RF. Ils sont également utilisés dans d’autres applications haute tension, en raison de leur tension de claquage élevée.

Ils sont à faible perte, ce qui permet une utilisation à des fréquences élevées, fiables, et leur valeur reste stable dans le temps. Les condensateurs sont également stables sur de larges plages de tension, de température et de fréquence. Ils ont généralement une valeur capacitive relativement faible. Ils offrent une précision, avec des tolérances aussi faibles que +/- 1%. Cependant, les condensateurs sont encombrants et coûteux.

Verre

Les condensateurs en verre sont utilisés dans les circuits RF où des performances ultimes sont requises. Ils offrent un faible coefficient de température sans hystérésis, un taux de vieillissement nul, un bruit piézo-électrique nul, un taux de vieillissement nul et une perte extrêmement faible. Ils ont également une grande capacité de courant RF, avec des températures de fonctionnement élevées, souvent jusqu’à 200°C.

Feedthru

AVX offre une ligne de condensateurs de traversée, qui sont disponibles à la fois dans une taille standard 0805 et 1206. Ces condensateurs sont des choix idéaux pour la suppression des interférences électromagnétiques, le filtrage des E/S à large bande ou le conditionnement de la ligne d’alimentation Vcc. La construction unique d’un condensateur feedthru fournit une faible inductance parallèle et offre une excellente capacité de découplage pour tous les environnements à di/dt élevé et permet une réduction significative du bruit dans les circuits numériques jusqu’à 5 GHz. AVX propose des condensateurs de traversée de qualité automobile conformes à la norme AEC-Q200. Ces condensateurs sont disponibles dans les diélectriques NP0 et X7R avec des options de terminaisons incluant Ni et Sn plaqués.

Interchangeabilité des types de condensateurs

Bien que les différents types de condensateurs soient optimisés pour différentes applications, il peut être possible ou souhaitable de substituer un type à un autre. Par exemple, Panasonic a rédigé un livre blanc approfondi montrant comment les condensateurs polymères peuvent remplacer les MLCC dans diverses applications. Des informations tirées de ce document sont données ci-dessous.

Les développements modernes des circuits intégrés, et les attentes connexes quant à leurs performances, ont imposé des demandes plus exigeantes sur leurs composants connexes, y compris les condensateurs. Cette tendance est évidente, par exemple, dans les conceptions de convertisseurs DC-DC. Ceux-ci tendent vers une plus grande efficacité énergétique, des courants de charge croissants, la miniaturisation et des fréquences de commutation plus élevées. Ces tendances exigent des condensateurs capables de supporter des charges de courant plus élevées dans un volume plus petit. Il existe un besoin croissant d’équilibrer les hautes performances et la densité de puissance avec l’endurance à long terme, la haute fiabilité et la sécurité.

Les condensateurs de sortie sont essentiels aux convertisseurs DC-DC car, avec l’inducteur principal, ils fournissent un réservoir d’énergie électrique pour la sortie, et lissent la tension de sortie. Les condensateurs d’entrée doivent être performants en termes de dissipation de puissance et d’ondulation. Ils doivent maintenir la tension et s’assurer que la tension du rail reste stable pour le convertisseur.

Divers types de condensateurs peuvent être utilisés pour ces rôles d’entrée et de sortie du convertisseur DC-DC. La figure 8 montre quelques options, notamment les condensateurs électrolytiques, les OSCON, les SP-Caps, les POS-Caps, les condensateurs à film et les condensateurs céramiques multicouches (MLCC), et classe leurs performances en fonction de chaque caractéristique. Bien que le meilleur choix dépende de l’application, nous pouvons comparer les caractéristiques relatives de chaque type.

Alors que les condensateurs électrolytiques offrent le plus grand ESR, leurs performances en matière de capacité et de courant de fuite se dégradent considérablement à des températures et des fréquences plus élevées. Les condensateurs céramiques, dont l’ESR et l’ESL sont très faibles, offrent d’excellentes performances transitoires, mais ils ont des limitations sur le déclassement de la capacité. Ils peuvent également fonctionner à des courants d’ondulation très élevés, mais ils sont sujets à des défaillances dues au vieillissement et nécessitent des champs électriques de fonctionnement plus faibles.

Les condensateurs électrolytiques polymères sont populaires dans les alimentations des circuits intégrés pour les fonctions de tampon, de dérivation et de découplage, notamment au sein des dispositifs de conception plate ou compacte. Ils sont donc en concurrence avec les MLCC, mais offrent des valeurs de capacité plus élevées et, contrairement aux condensateurs céramiques de classe 2 et 3, ne présentent aucun effet microphonique.

Pour les filtres d’entrée et de sortie des convertisseurs DC-DC, les condensateurs MLCC ont été le type le plus utilisé en raison de leur faible coût et de leur faible ESR et ESL. Cependant, ils présentent des inconvénients, notamment :

• Petite capacité par volume, en particulier pour les matériaux diélectriques de classe 1 (NO/COG)
• Les grandes tailles de corps sont susceptibles de se fissurer avec la flexion du PCB
• Instabilité de la polarisation CC
• Effet piézo (Singing)

C’est là que les condensateurs polymères trouvent un rôle. Panasonic fabrique des condensateurs polymères solides en aluminium : SP-Caps et OS-CON, des condensateurs polymères au tantale (POS-CAP), et des technologies de condensateurs électrolytiques aluminium hybrides polymères. Ces types de condensateurs polymères ont étendu leur gamme d’applications. Ils ont une grande capacité et d’excellentes caractéristiques de polarisation, bien supérieures à celles des MLCC, ainsi que des caractéristiques ESR et ESL extrêmement faibles.

En outre, les condensateurs polymères atteignent une très grande fiabilité et des performances supérieures à basse température en utilisant des matériaux polymères solides comme électrolyte.

Le circuit de la figure 9 ci-dessous montre quelques exemples de la façon dont différents condensateurs polymères peuvent améliorer les performances des condensateurs MLCC.

Sourcing capacitors

Les différents types de condensateurs, avec une large gamme de variables de performance, peuvent être trouvés sur le site web de Farnell element14.

Conclusion

Cet article a expliqué ce qu’est un condensateur, et comment une capacité pure fonctionne dans un circuit électrique. Cependant, il reconnaît également qu’il n’existe pas de condensateur pur dans le monde réel. En conséquence, il a exploré les diverses caractéristiques physiques et électriques qui composent inévitablement un composant de condensateur réel, et a discuté de la large gamme de types de condensateurs et de leurs caractéristiques variables maintenant disponibles pour différentes applications.

Il a également examiné comment un type de condensateur peut parfois être substitué à un autre, en utilisant la substitution des condensateurs polymères pour les MLCC comme exemple.