Les Condensateurs – Électronique

Les Condensateurs

Composants essentiels en électronique et radio
Stockage d’énergie électrique sous forme de champ électrique

Qu’est-ce qu’un condensateur ?

Un condensateur est un composant électronique passif fondamental qui stocke de l’énergie électrique sous forme de champ électrique. Il est constitué de deux plaques conductrices (armatures) séparées par un matériau isolant appelé diélectrique. Cette structure simple permet d’accumuler des charges électriques opposées sur chaque plaque lorsqu’une tension est appliquée.

La capacité d’un condensateur, mesurée en farads (F), représente sa capacité à stocker des charges électriques. Les condensateurs sont omniprésents en électronique : filtrage, découplage, circuits d’accord, temporisation, stockage d’énergie, et bien d’autres applications. Pour les radioamateurs, ils sont particulièrement importants dans les circuits résonnants LC, les filtres RF et les circuits d’accord d’antenne.

Principe de fonctionnement

Structure de base
Plaque positive (+) + + + + + Diélectrique (isolant) Plaque négative (-) – – – – – Champ électrique + – d Structure d’un condensateur plan Surface des plaques = A
Éléments constitutifs :
  • Deux armatures conductrices (plaques métalliques)
  • Diélectrique (isolant) : air, céramique, plastique, etc.
  • Connexions électriques vers chaque armature

Fonctionnement :
Lorsqu’une tension est appliquée, des charges opposées s’accumulent sur chaque plaque, créant un champ électrique dans le diélectrique. L’énergie est stockée dans ce champ.
Symboles électriques
Symboles normalisés Non polarisé + – Polarisé (électrolytique) Variable Ajustable (trimmer)
📐 Convention de représentation

Le symbole standard montre deux traits parallèles représentant les deux armatures. Pour les condensateurs polarisés, l’armature courbe ou pleine indique la borne négative. Sur les composants réels, la polarité est marquée par une bande, une flèche ou un signe.

Formules fondamentales

Formule de base

Relation charge-tension-capacité :

C = Q / V

C = Capacité (Farads – F)
Q = Charge électrique (Coulombs – C)
V = Tension appliquée (Volts – V)

Interprétation :
Plus la capacité est élevée, plus le condensateur peut stocker de charges pour une tension donnée. Un condensateur de 1 farad stocke 1 coulomb de charge sous une tension de 1 volt.
Condensateur plan parallèle

Capacité en fonction de la géométrie :

C = ε₀ × εᵣ × A / d

ε₀ = Permittivité du vide (8,854 × 10⁻¹² F/m)
εᵣ = Permittivité relative du diélectrique
A = Surface des plaques (m²)
d = Distance entre plaques (m)

Exemples de permittivité relative (εᵣ) :
• Air / Vide : εᵣ ≈ 1
• Papier : εᵣ ≈ 3,5
• Mica : εᵣ ≈ 5-7
• Verre : εᵣ ≈ 4-10
• Céramique : εᵣ ≈ 10-10000
• Polystyrène : εᵣ ≈ 2,5
• Polyester : εᵣ ≈ 3,3
• Polypropylène : εᵣ ≈ 2,2
💡 Optimisation de la capacité

Pour augmenter la capacité, on peut :
• Augmenter la surface des plaques (A ↑)
• Réduire la distance entre les plaques (d ↓)
• Utiliser un diélectrique de permittivité élevée (εᵣ ↑)

Les condensateurs céramiques haute capacité utilisent des diélectriques avec εᵣ très élevé pour obtenir de grandes capacités dans un petit volume.

Énergie stockée

Énergie emmagasinée dans un condensateur :

E = ½ × C × V²

E = Énergie (Joules – J)
C = Capacité (Farads – F)
V = Tension (Volts – V)

Exemple pratique :
Condensateur 1000 µF chargé à 100V :

E = ½ × 0,001 F × (100 V)²
E = ½ × 0,001 × 10000
E = 5 Joules

Cette énergie peut être restituée rapidement, d’où l’utilisation des condensateurs dans les flashes photographiques, les défibrillateurs, etc.
Condensateurs en série et parallèle
En SÉRIE C₁ C₂ C₃ 1/Cₜₒₜₐₗ = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ En PARALLÈLE C₁ C₂ C₃ Cₜₒₜₐₗ = C₁ + C₂ + C₃
En série : La capacité totale diminue (inverse des sommes des inverses)
En parallèle : Les capacités s’additionnent directement

Unités et valeurs courantes

Unité Symbole Valeur en Farads Notation scientifique Usage typique
Farad F 1 F 1 F Supercondensateurs, stockage d’énergie
Millifarad mF 0,001 F 10⁻³ F Rare en pratique
Microfarad µF 0,000 001 F 10⁻⁶ F Alimentations, filtrage basse fréquence, audio
Nanofarad nF 0,000 000 001 F 10⁻⁹ F Circuits RF, couplage, découplage
Picofarad pF 0,000 000 000 001 F 10⁻¹² F Circuits HF/VHF/UHF, accord, capacités parasites
Conversions rapides
1 µF = 1000 nF = 1 000 000 pF
1 nF = 1000 pF = 0,001 µF
1 pF = 0,001 nF = 0,000001 µF
Exemples de conversion :
• 4700 pF = 4,7 nF = 0,0047 µF
• 0,1 µF = 100 nF = 100 000 pF
• 22 nF = 0,022 µF = 22 000 pF
• 470 µF = 470 000 nF = 470 000 000 pF
Code de marquage (céramiques)
104 (exemple) Code 104 = 10 × 10⁴ pF = 100 000 pF = 100 nF = 0,1 µF (2 chiffres significatifs + nombre de zéros)
Décodage du code à 3 chiffres :
• Les 2 premiers chiffres = valeur
• Le 3ème chiffre = nombre de zéros à ajouter
• Résultat toujours en picofarads (pF)

Exemples :
• 103 → 10 × 10³ = 10 000 pF = 10 nF
• 223 → 22 × 10³ = 22 000 pF = 22 nF
• 474 → 47 × 10⁴ = 470 000 pF = 470 nF = 0,47 µF

Types de condensateurs

Polarisé
Condensateurs électrolytiques
+ + – 1000µF 25V Électrolytique radial
✅ Avantages :
  • Très haute capacité (1 µF à plusieurs F)
  • Compact pour la capacité offerte
  • Peu coûteux
  • Courant de fuite faible
❌ Inconvénients :
  • Polarisé (attention au branchement !)
  • Durée de vie limitée (électrolyte s’évapore)
  • ESR relativement élevée
  • Sensible à la température
  • Ne convient pas aux hautes fréquences
⚠️ DANGER – Polarité

Ne JAMAIS inverser la polarité d’un électrolytique ! Cela peut causer une surchauffe, un gonflement, voire une explosion du condensateur avec projection de matières corrosives. Vérifiez toujours le marquage avant de souder.

Non polarisé
Condensateurs céramiques
104 50V 103 CMS Céramiques (disque et CMS) Type disque traversant et type CMS
✅ Avantages :
  • Non polarisé (peut être monté dans les deux sens)
  • Très stable en température
  • Faible ESR et ESL (excellents en HF)
  • Longue durée de vie
  • Large gamme de températures
  • Peu coûteux
❌ Inconvénients :
  • Capacités généralement limitées (< 10 µF)
  • Certains types (X7R, Y5V) varient avec la tension
  • Peuvent être microphoniques (piézoélectriques)
Classes céramiques courantes :
• C0G/NP0 : Très stable, ±30 ppm/°C, idéal RF
• X7R : ±15% sur -55°C à +125°C, usage général
• Y5V : +22%/-82% sur -30°C à +85°C, découplage
• Z5U : +22%/-56% sur +10°C à +85°C, non critique
Non polarisé
Condensateurs à film
100nF 630V MKP Condensateur à film (MKP) Polypropylène métallisé
✅ Avantages :
  • Excellente stabilité
  • Faibles pertes diélectriques
  • Bonne tenue en tension (jusqu’à plusieurs kV)
  • Auto-cicatrisation (MKP, MKT)
  • Longue durée de vie
  • Non polarisé
❌ Inconvénients :
  • Encombrants pour des capacités élevées
  • Plus coûteux que les céramiques
  • Capacités limitées (pF à quelques µF)
Types de films :
• MKP (polypropylène) : Audio, filtres, snubbers
• MKT (polyester) : Usage général, moins cher
• MKS (polystyrène) : Très stable, oscillateurs
• MKC (polycarbonate) : Obsolète
Polarisé
Condensateurs au tantale
47µF 16V + Tantale CMS et traversant – (Cathode) Bande indique la cathode (-)
✅ Avantages :
  • Capacité élevée dans un petit volume
  • Faible ESR (meilleur que l’électrolytique)
  • Stable en température
  • Longue durée de vie
  • Faible courant de fuite
❌ Inconvénients :
  • Polarisé (destruction si inversé)
  • Coûteux
  • Sensible aux surtensions
  • Peut exploser en cas de défaillance
  • Tensions limitées (< 50V typiquement)
⚠️ Attention aux surtensions

Les condensateurs au tantale sont sensibles aux pics de tension. Prévoir une marge de sécurité d’au moins 50% (utiliser un 16V pour un circuit 5-6V). En cas de défaillance, ils peuvent s’enflammer.

Variable
Condensateurs variables
Fixes Mobiles Condensateur variable à air Capacité réglable par rotation (typique : 10-500 pF)
✅ Avantages :
  • Capacité réglable en continu
  • Faibles pertes (type air)
  • Excellents pour circuits résonnants
  • Robustes et fiables
❌ Inconvénients :
  • Encombrants
  • Coûteux
  • Plage de variation limitée
  • Sensibles aux vibrations (type air)
Types de condensateurs variables :
• À air : Plaques métalliques dans l’air, très stable, accordeurs radio
• À diélectrique solide : Céramique ou plastique, plus compact
• Trimmers (ajustables) : Petit variable pour réglage fin, souvent céramique
• Varicaps (diodes variables) : Semi-conducteur, accordé par tension
Non polarisé
Condensateurs au mica
100pF 1% Condensateur au mica argenté Haute stabilité et précision
✅ Avantages :
  • Excellente stabilité en température
  • Très faibles pertes
  • Haute précision (tolérance ± 1% ou mieux)
  • Idéal pour circuits RF et oscillateurs
  • Facteur Q élevé
❌ Inconvénients :
  • Coûteux
  • Capacités limitées (quelques pF à quelques nF)
  • Encombrants
  • De moins en moins courants (remplacés par C0G)
📻 Usage en radio

Les condensateurs au mica étaient très populaires dans les émetteurs et récepteurs radio des années 1930-1970. Aujourd’hui, les céramiques C0G/NP0 offrent des performances similaires à moindre coût, mais les mica restent utilisés dans les applications les plus exigeantes.

Applications en radioamateur et RF

Circuits résonnants LC
Circuit LC résonnant L C Fréquence de résonance : f = 1 / (2π√(LC)) Filtres, oscillateurs, circuits d’accord d’antenne
Exemple de calcul :
Circuit d’accord VHF 145 MHz :

Avec L = 100 nH :
C = 1 / (4π² × f² × L)
C = 1 / (39,478 × (145×10⁶)² × 100×10⁻⁹)
C ≈ 12 pF

Condensateur : C0G/NP0 12 pF, haute stabilité
Découplage et filtrage
Découplage d’alimentation +Vcc 100nF IC GND Le condensateur court-circuite les variations HF vers la masse, stabilisant l’alimentation Typique : 100nF céramique + 10µF électrolytique
Rôle du découplage :
Les circuits intégrés et amplificateurs RF créent des appels de courant rapides. Sans découplage, ces variations perturbent l’alimentation et créent des oscillations parasites. Les condensateurs de découplage fournissent localement l’énergie nécessaire et filtrent les parasites HF.
Couplage AC / Blocage DC
Condensateur de couplage Étage 1 C Étage 2 DC + AC AC seulement DC bloqué AC passe Le condensateur bloque la composante continue (DC) mais laisse passer le signal alternatif (AC). Isole les niveaux DC entre étages
Applications typiques :
• Audio : Couplage inter-étages (1-10 µF)
• RF : Couplage d’antenne (100-1000 pF)
• Amplificateurs : Séparation des étages
• Filtres : Passe-haut, coupe la DC
Accord d’antenne
Boîte d’accord LC TX L var C var Accord ANT L et C variables permettent d’accorder le système pour adapter l’impédance de l’antenne à l’émetteur → ROS minimal, transfert maximal de puissance
📻 Tuner d’antenne

Les condensateurs variables haute tension (souvent à vide ou à air) sont essentiels dans les boîtes d’accord d’antenne manuelles. Ils permettent d’ajuster finement la réactance capacitive pour compenser la réactance inductive de l’antenne et obtenir une adaptation d’impédance optimale.

Tableau comparatif des types

Type Polarité Gamme capacité Tension max Applications principales
Électrolytique Polarisé 1 µF – 100 000 µF 6,3V – 450V Filtrage alim., couplage BF, stockage énergie
Céramique Non polarisé 1 pF – 10 µF 25V – 3 kV Découplage HF, circuits RF, oscillateurs
Film (MKP/MKT) Non polarisé 100 pF – 10 µF 63V – 2 kV Audio, filtres, snubbers, condensateurs moteur
Tantale Polarisé 0,1 µF – 1000 µF 4V – 50V Découplage, filtrage, circuits numériques
Mica Non polarisé 1 pF – 10 nF 100V – 1 kV Oscillateurs, circuits RF de précision
Variable (air) Non polarisé 10 pF – 500 pF 500V – 5 kV Accord radio, tuners d’antenne
Trimmer Non polarisé 2 pF – 100 pF 100V – 500V Ajustement fin RF, calibration

Conclusion

Les condensateurs sont des composants fondamentaux en électronique et particulièrement essentiels en radioamateur. Du simple découplage d’alimentation aux circuits résonnants sophistiqués, en passant par les filtres RF et les boîtes d’accord d’antenne, ils jouent des rôles multiples et critiques. Comprendre leurs caractéristiques, savoir choisir le bon type pour chaque application et respecter leurs limitations (polarité, tension, fréquence) est indispensable pour tout radioamateur et électronicien. Que ce soit un simple céramique de quelques picofarads dans un oscillateur VHF ou un électrolytique de plusieurs milliers de microfarads dans une alimentation, chaque condensateur a sa place et son importance dans nos circuits. 73 et bonnes constructions !

Guide des Condensateurs

Pour plus d’informations : ARRL Handbook, The Art of Electronics, REF