Le condensateur industriel

En 1745, à Leyde, trois savants (dont Cuneus et son professeur Musschenbroeck) inventent le condensateur plus connu sous la forme de "la bouteille de leyde".
Dans sa version moderne il existe sous de nombreuses formes et ses domaines d'application se situent principalement en électricité (amélioration du cos phi et démarrage moteur) et en électronique.


Le condensateur est largement utilisé pour le filtrage des alimentations électroniques (technologie chimique de grande capacité), l'accord des circuits hautes fréquences (téléphone mobile, satellites, télévision), le couplage ou découplage de circuits…
Les progrès techniques aidant, les "super-condensateurs" (condensateurs de très grande capacité) vont commencer à remplacer les piles de sauvegarde de certaines mémoires. Les recherches en cours nous font se demander ou est la véritable frontière condensateur / accumulateur.

Définition du condensateur

On appelle condensateur l'ensemble de deux surfaces conductrices ou armatures, séparées par un isolant ayant une permittivité (ou constante diélectrique) donnée.
L'isolant est souvent appelé "diélectrique".
Description du condensateur
Deux feuilles d'aluminium séparées par une feuille de papier paraffiné forment un condensateur.

Symbole

Le symbole du condensateur est représenté par l'image suivante :
symbole du condensateur

Caractéristiques physiques du condensateur

Description

Ce type de condensateur est constitué de deux longues feuilles d'aluminium ou d'étain, séparées par deux longues bandes de papier. L'ensemble est enroulé et comprimé. Les feuilles métalliques sont les armatures, et le papier, le diélectrique. Chaque armature est reliée à une borne. Les gros condensateurs sont plongés dans une cuve pleine d'huile pour améliorer l'isolement.
Condensateur papier étainCondensateur au mica argenté

Caractéristiques électriques du condensateur

Capacité

La capacité d'un condensateur mesure son aptitude à emmagasiner (ou stocker) des charges électriques sur ces armatures.
La capacité s'exprime en farad.
Mathématiquement la capacité d'un condensateur est déterminé par :
C = Q/V
La capacité d'un condensateur est de 1 farad si une différence de potentielle de 1 volt entre ses armatures y dépose une charge de 1 coulomb (1 coulomb = 1 ampère pendant 1 seconde).

Le farad étant une unité très grande, nous utiliserons plus couramment ses sous-unités :

  • le millifarad (mF) : 1 mF = 10-3 Farad (filtrage pour ampli audio haut de gamme)
  • le microfarad (µF) : 1 µF = 10-6 Farad (filtrage alimentation cartes électroniques)
  • le nanofarad (nF) : 1 nF = 10-9 Farad (découplages et filtres actifs)
  • le picofarad (pF) : 1 pF = 10-12 Farad (circuits haute fréquence)

Physiquement, par sa construction mécanique, la capacité d'un condensateur est déterminer par :

  • La surface des armatures,
  • l'épaisseur du diélectrique (isolant),
  • la nature du diélectrique ou sa permittivité ε (epsilon).

La formule suivante est établie en fonction de ces trois caractéristiques physiques :
Formule C= ε(S/e)
Exemples de permittivité :
ε mica = 8
ε verre = 6
ε air = 1,000576

Tension de service d'un condensateur

Lorsque les armatures d'un condensateur sont soumises à une tension trop élevée, une étincelle perce le diélectrique ;
le condensateur est alors hors service. Ce phénomène est appelé claquage du condensateur.
La tension de service d'un condensateur est la différence de potentielle maximale que l'on peut appliquer à ces armatures sans l'endommager.
Elle dépend essentiellement de la qualité du diélectrique et de son épaisseur ; nous parlons alors de rigidité du diélectrique (KV/mm = KiloVolts par millimètre).

Notion de rigidité diélectrique

Pour tout diélectrique, il existe une tension sous laquelle le diélectrique est percé par le passage d'un courant.
On dit alors que le diélectrique claque.
La rigidité diélectrique qualifie un isolant de la d.d.p. qu'il faut lui appliqué par millimètre d'épaisseur pour qu'il claque (KV/mm).
Plus elle est grande et plus notre condensateur verra sa tension de service augmentée.
Exemples :
air = 3 KV/mm,
papier paraffiné = 51 KV/mm,
verre = 118 KV/mm.

Condensateurs associés en parallèle

Condensateur branchés en parallèle

Q1=UC1
Q2=UC2
Q3=UC3
Qtotale=Q1+Q2+Q3=U(C1+C2+C3)=UCeq

D'ou : Ceq=C1+C2+C3+…

Si nous associons plusieurs condensateurs en parallèle, la capacité équivalente de l'ensemble est égale à la somme des capacités des condensateurs associés.

Condensateurs associés en série

condensateur branchés en série
Tous les condensateurs en série se chargent à la même quantité d'électricité Q,
d'ou : Q=C1U1=C2U2=C3U3 et Q=CeqU
Avec : U=U1 +U2+U3
Nous avons :
U = Q/C1 + Q/C2 + Q/C3 = Q/C equivalent
d'ou :
1/C equivalent = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3
Si nous associons plusieurs condensateurs en série, la capacité équivalente est telle que son inverse soit égale à la somme des inverses des capacités des condensateurs associés.

Tableau des propriétés de différents diélectriques

DiélectriquePermittivitéRigidité en Kv/mm
Vide1 
Air1,00063
Téflon2,059
Papier parafiné2,551,5
Caoutchouc3,027,5
Huile (pour transformateur)4,015,7
Mica5,0196,8
Porcelaine6,07,9
Bakélite7,015,7
Verre7,5118

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