1) Quelques ordres de grandeurs de module de rÈactance selon la frÈquence et le condensateur.
Le choix d'un condensateur discret (hors CMS) est guidÈ par des paramËtres technologiques.
a) dans la gamme de valeurs supÈrieures au µF : condensateurs électrolytiques polarisÈs :
LíÈlectrolyte peut Ítre liquide, gÈlifiÈe, ou solide.
Les armatures sont en aluminium ou tantale :
- Le type aluminium supporte des hautes tensions (500 V), mais est rÈservÈ en basse frÈquence. La valeur est peu prÈcise (tolÈrance +-20%), et change avec le vieillissement. Ce condensateur Ètant polarisÈ, son emploi classique est donc le
filtrage d'une alimentation. Ne pas le c‚bler ‡ líenvers, ni líexploiter en alternatif !
- Le type tantale est une amÈlioration : plus faible encombrement, tolÈrance rigoureuse, mais une tension de service infÈrieure (150 V). Cela reste un composant basse frÈquence. NÈanmoins, certains types peuvent Ítre exploitÈs jusqu'‡ quelques centaines de kHz. En trËs basse tension (5 V), il existe des condensateurs de 1 F ! Le trËs faible courant de fuite fait que ces produits peuvent Ítre exploitÈs pour líeffet mÈmoire rÈsultant. Vu le prix ÈlevÈ des tantales, leur emploi doit Ítre justifiÈ.
Attention : la rÈsistance sÈrie Ètant trËs faible (ce qui est une qualitÈ), il est dangereux de placer ce type de condensateur en filtrage de certaines alimentations, sous peine de dÈtÈrioration lors díune mise sous tension (appel de courant entraÓnant un claquage -et une explosion !-). Remarque : certains peuvent Ítre NON polarisés.
C'est le composant courant de l'Èlectronicien moyenne frÈquence.
Le diÈlectrique est un dÈrivÈ de la cÈramique. Il est recouvert díun dÈpÙt díargent.
Certains types de cÈramique de faible valeur sont prÈcis et stables dans le temps. En gÈnÈral, ils sont prÈvus pour fonctionner ‡ des frÈquences max de quelques dizaines de MHz. Certains types de faibles valeurs et de petites tailles sont exploitables ‡ quelques centaines de MHz. Díautres types, pouvant atteindre des centaines de nF sont trËs peu prÈcis. Ces derniers sont utilisÈs systÈmatiquement en dÈcouplage.
d) Conclusion
Il existe díautres technologies (mica, verre, papier, polysulfone), non traitÈes dans ces pages.
Mais dans tous les cas, les critËres peuvent Ítre : prÈcision, facteur de qualitÈ, courant de fuite, gamme de tempÈrature, tenue en tempÈrature, fiabilitÈ, tenue dans le temps, tenue mÈcanique, encombrement, seconde source, prix...
Pour une valeur donnÈe, le concepteur doit trouver un compromis parmi ces critËres et la technologie.
3) Terminologie
a) Condensateurs de "filtrage"
C'est classiquement le condensateur placÈ aprËs un redresseur ‡ diodes d'une alimentation. Il a pour but de lisser la tension afin que celle-ci soit continue. (TrËs gÈnÈralement, un rÈgulateur fournit ensuite une tension stable indÈpendante du courant dÈbitÈ).
Ces condensateurs de filtrage ont une valeur ÈlevÈe car ils doivent conserver une tension durant prËs de 10 ms (redressement double alternance du 50 Hz). Des valeurs de plusieurs dizaines de µF sont couramment utilisÈes, selon le courant dÈbitÈ (en premiËre approximation C = I ∆T/∆U, o˘ I = courant dÈbitÈ, ∆T = 10 ms et ∆U = rÈsiduelle de tension tolÈrÈe). [Réf. 1]
Ce sont des condensateurs polarisÈs Èlectrolytiques, (couramment appelÈs chimiques).
b) Condensateurs utilisÈs en "dÈcouplage"
Quand un condensateur est mis entre un núud et la masse, on dit couramment que ce potentiel est ‡ une masse dynamique : le condensateur prÈsente une rÈactance nÈgligeable aux frÈquences de travail.
C'est ainsi quíune rÈsistance de polarisation peut Ítre vue en court-circuit lors de líanalyse en petits signaux, gr‚ce ‡ líapport en parallËle díun condensateur de dÈcouplage. Líexemple scolaire typique est un ´ dÈcouplage díÈmetteur ª sur un transistor bipolaire ñen Èmetteur commun-. [Réf. 2]
Mais ce quíon nÈglige díenseigner est le rÙle des condensateurs de dÈcouplage sur les alimentations de tension continue. En effet, un condensateur placÈ en parallËle sur une alimentation de tension DC est, en théorie, inutile : le schÈma Èquivalent en petits signaux est dèjà un court-circuit.
Seulement en pratique,
- les alimentations ne sont pas parfaites (impédance interne),
- la liaison entre l'alimentation et le circuit peut présenter une impédance interne non négligeable
Il faut donc ramener une masse dynamique, ou dit autrement, assurer une tension parfaitement constante, sur les alimentations continues. Est donné ci-dessous ce quíil faut savoir en dÈcouplage des alimentations:
Il est nÈcessaire de placer, au plus prËs des ÈlÈments sensibles, des condensateurs en
parallËle sur les alimentations.
On en place un par boitier (schÈma ci-contre), ou 2 si les boÓtiers utilisent une alimentation double (schÈma ci-dessous).
Certains montages insuffisamment dÈcouplÈs peuvent ne pas fonctionner (et prÈsenter des oscillations).
Ces condensateurs de dÈcouplage ne doivent pas prÈsenter, de par leur fabrication, une inductance parasite sÈrie. C'est pourquoi on n'utilise pas des chimiques (dont les armatures sont enroulÈes), mais des cÈramiques, afin de prÈsenter, le mieux possible, une masse dynamique. Les valeurs couramment utilisÈes vont de 10 nF ‡ 100 nF. Vu le nombre, attention au co˚t. Circuits logiques : sans prÈcaution particuliËre, un appel de courant suite ‡ une commutation peut provoquer une chute de tension transitoire aux bornes de líalimentation. Cette faiblesse de tension peut perturber le fonctionnement díun autre circuit intÈgrÈ desservi par cette alimentation. Il est donc conseillÈ de placer un condensateur de dÈcouplage sur chaque circuit logique. On parle parfois de ´ capa rÈservoir ª. De plus, le concepteur du circuit imprimÈ peut rÈduire le risque en distribuant les alimentations par des pistes dissociÈes, notamment pour sÈparer les circuits ´ du cúur ª des circuits
´ díentrÈe/sortie ª. Ces derniers sont ´ bruyants ª quand ils commutent sur une faible impÈdance.
Circuits analogiques : la chute de tension sur líalimentation forme une boucle de contre-rÈaction. Certains circuits peuvent en Ítre sensibles, et prÈsenter notamment des oscillations, soit permanentes, soit dÈclenchÈes alÈatoirement. Un dÈcouplage díalimentation rÈduit ce risque.
Coexistence de circuits logiques et analogiques : dans le jargon courant, on dit que les parasites ´ logiques ª ne doivent pas polluer les alimentations analogiques. Cíest pourquoi les rails díalimentation doivent Ítre dissociÈs, (mÍme si on dispose díune tension díalimentation unique). [Réf. 3]
La masse (0 V) est obligatoirement commune. On peut connecter comme sur ce schÈma, ou tout fusionner en un plan de masse du circuit imprimÈ. Le ´ point froid ª est une borne qui forme le 0 V de rÈfÈrence (pour une mesure prÈcise et reproductive).
Conclusion : malheureusement, ces techniques ne forment pas une science exacteÖ Parfois un prototype fonctionne et un montage de production prÈsente des oscillations incontrÙlÈes (ou líinverseÖ).
Attention : il est inutile de placer des condensateurs Èlectrochimiques un peu partout sur les pistes díune alimentation : díune part líaction du dÈcouplage H.F. ne se fait pas, et díautre part, si líalimentation est rÈalisÈe par un rÈgulateur, ou un systËme qui asservit la tension, líajout de ces condensateurs peut rendre instable líasservissement, et cíest líalimentation qui oscille ! [Réf. 4]
c) Condensateurs de liaison dit de "blocage de composante continue"
Un signal est trËs souvent portÈ par une composante continue (variation dynamique autour d'un potentiel statique). L'Èlectronique traitant ce signal peut ne pas Ítre compatible en niveau statique d'entrÈe.
Un remËde est d'utiliser un condensateur
comme liaison sÈrie : l'impÈdance prÈsentÈe
est infinie en continu et quasi-nulle en signaux rapides.
La valeur níest pas critique mais dÈpend des autres ÈlÈments environnants : associÈs ‡ la rÈsistance d'entrÈe, le circuit CR forme un filtre passe haut. Il faut vÈrifier l'action de ce filtre sur les frÈquences de travail. (Les types Èlectrolytique, ou plastique font l'affaire.)
d) condensateurs "d'accÈlÈration"
UtilisÈs dans le cas o˘ un signal attaque un montage par l'intermÈdiaire d'une rÈsistance d'accËs. Le montage peut prÈsenter en entrÈe un condensateur ce qui intËgre le signal. Un front raide de tension suit alors une loi en [1-exp(-t/τ)].
Une solution est de placer un condensateur en parallËle avec la rÈsistance d'accËs ce qui permet de fabriquer un dÈrivateur qui compense l'intÈgration d'entrÈe. Ces condensateurs d'accÈlÈration ont des valeurs ‡ ajuster selon
l'environnement. Un type "plastique mÈtallisÈ" peut Ítre utilisÈ.
e) condensateurs de "compensation"
Certains amplificateurs opÈrationnels nÈcessitent un rÈglage de leur rÈponse en frÈquence pour optimiser leurs performances vis à vis du montage. Ces condensateurs sont de trËs faibles valeurs : quelques pF à quelques dizaines de pF. [Réf. 7]. Lors de
la conception du typon, il faut penser à rÈduire la longueur des connexions : une piste trop longue formerait une inductance. (Cette contrainte est à appliquer aussi au dÈcouplage, et à la branche de contre rÈaction). Un type "cÈramique" est parfaitement adaptÈ : faible valeur, prÈcis et bonne rÈponse en frÈquence.
f) condensateurs de jonction
Les jonctions des semi-conducteurs prÈsentent 2 phÈnomËnes : le phÈnomËne de diffusion, qui peut se modÈliser par un condensateur, et le phÈnomËne de transition, qui a pour origine une zone vide entre 2 plans de part et d'autre de la zone de charge díespace au sein de la jonction et qui reprÈsente un condensateur. Ces condensateurs limitent la bande passante des amplificateurs. Les valeurs sont trËs variables selon la polarisation et la taille des composants :
- en composants discrets, dans l'intervalle [1pF ; 50 pF] en basse puissance, mais pouvant atteindre
plusieurs nF pour des composants de puissance (dimensionnÈ pour commuter des centaines d'AmpËres),
- en circuits intÈgrÈs, dans l'intervalle [10 fF ; 10 pF]
Ces chiffres sont bien entendu trËs dÈpendants de la technologie, du semi-conducteur employÈ ...
g) capacitÈ "Miller"
Par abus de langage, on appelle "capa Miller" le condensateur ramenÈ à l'entrÈe d'un amplificateur de tension par application du thÈorËme de Miller. [Réf. 8]. Ce n'est donc pas un composant rÈel, mais un condensateur Èquivalent.
4) Modèle H.F d’un condensateur
• L est líinductance que prÈsente les broches de connexion, ou, dans le cas díun type Èlectrochimique, les armatures enroulÈes. Dans ce dernier cas, un ordre de grandeur est L = 1 µH pour C = 100 µF. En clair, en nÈgligeant les
autres phÈnomËnes, cela signifie quí‡ partir de 16 kHz, (quand Lω > 1/Cω) ce condensateur se comporte comme une self !
• Rs reprÈsente les pertes ohmiques dans les connexions et Èlectrodes. à cause de l'effet de peau, cette rÈsistance augmente avec la frÈquence. Certains condensateurs peuvent prÈsenter quelques 0,1 Ω, ce qui est un critËre à prendre en compte surtout en Èlectronique de puissance [Réf. 9].
• Le d'Èlectrique níest pas un isolant parfait, mais dispose díune certaine rÈsistivitÈ. AssociÈe à la
gÈomÈtrie du condensateur, cela forme une rÈsistance de fuite. De plus, ce diÈlectrique a ses propriÈtÈs modifiÈes avec la frÈquence, la tempÈrature, la tension. Un modËle simple pour reprÈsenter ces phÈnomËnes est de placer une rÈsistance Rf, en parallËle avec C, condensateur parfait.
En alternatif, en nÈgligeant les ÈlÈments L et Rs des connexions, le diagramme de Fresnel des courants montre un vecteur IC en quadrature avance avec la tension U, et un vecteur IRf en phase avec la tension. Le courant total est bien s˚r la somme vectorielle.
On pose tg δ = IRf / IC = 1 / RfCω.
δ est appelÈ angle de perte.
Un condensateur parfait a un angle de perte nul. Un ordre de grandeur pour un condensateur est tg δ = 10-4
.
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