Chapitres
Le condensateur, présentation et définition
Un condensateur est un composant en électronique qui a la capacité de stocker de l'énergie électrique. Il stocke cette électricité en fonction de la tension qu'il reçoit et ce de manière proportionnelle.
Le marquage
Selon sa capacité, un condensateur reçoit un marquage signifiant sa valeur. La plupart du temps, le marquage respecte le schéma suivant XXY dans lequel la partie XX correspond à la valeur et Y à la puissance de 10 en picofarads de symbole pF. Par exemple 122 correspondra à 12 x 102 pF. Il peut aussi arrivé que l'on voit juste une valeur à deux chiffres. Il s'agit dans ce cas d'un marquage d'une valeur en microfarads de symbole µF. Pour finir, quand les condensateurs sont assez gros et laissent la place pour une inscription complète, on retrouve la valeur ainsi que son unité directement marqués sur le condensateur en question.
Modélisation
Pour modéliser un condensateur, il faut décrire certaines de ses caractéristiques à savoir la résistance, l'inductance, la valeur de la capacité et parfois l'effet de batterie ou encore l'hystérésis de charge du condensateur.
Relation idéale
Le coefficient de proportionnalité entre la tension appliquée au condensateur et sa capacité est caractérisé par cette formule : 
avec :
- i : intensité du courant électrique traversant le condensateur et exprimée en ampères de symbole A ;
- C : capacité électrique du condensateur exprimée en farads de symbole F ;
- u : tension électrique aux bornes du condensateur, exprimée en volts de symbole V ;
- du/dt représente la dérivée de la tension par rapport au temps.
De nombreux types de condensateurs
De nombreuses catégories de condensateurs existent en fonction de leurs utilisations. Les voici.
Les condensateurs polarisés
Les condensateurs que l'on appelle polarisés sont des condensateurs pour lesquels la polarité du courant électrique qui les traverse a une incidence. En effet, disposant d'une borne négative et une borne positive, ces condensateurs utilisent la technique dite électrolytique. Ces appareils demandent des précautions supplémentaires lors de leur utilisation. Pour cause, une erreur de sens de montage ou une inversion du sens du courant causera directement leur destruction qui peut avoir lieu de manière explosive et violente.
Les condensateurs électrolytiques
Ce type de condensateur est utilisé lorsque l'on recherche une grande capacité de stockage ainsi qu'une grande tolérance. Lors de sa fabrication, les deux conducteurs ne sont pas isolés. C'est pourquoi ce type de condensateurs n'est pas parfait. Sa structure est assez particulière : l'un de ses conducteur est métallique tandis que l'autre est en réalité une gelée conductrice dans laquelle est inséré un petit morceau de conducteur métallique. C'est lors de sa première utilisation et qu'une tension pénètre pour la première fois dans le condensateur qu'à lieu la réaction de l'électrolyse, d'où le nom de ce type de condensateur. Cette dernière crée alors une surface isolante à la surface du métal qui baignait dans la gelée. Cependant, cette technique a un inconvénient : la condensateur oppose une certaine résistance au courant à cause du fait que la gelée n'est pas aussi bonne conductrice d'énergie électrique que le métal. Leur utilisation première est de filtrer les différents types de courants.
Les condensateurs non polarisés
Les condensateurs non polarisés sont en règle générale de petite valeurs de l'ordre du nanofarad ou microfarad. Ils sont pour la plupart en céramique et on les retrouve sur les petits circuits imprimés.
Les condensateurs au tantale
Les condensateurs au tantale se divisent en deux parties : les condensateurs au tantale à électrolyte solide et les condensateurs au tantale à électrolyte liquide. Leur différence tient dans leurs composants : le condensateur au tantale à électrolyte solide est fabriqué avec une électrode en tantale et une électrode en dioxyde de manganèse. Pour le condensateur au tantale à électrolyte liquide, il y a toujours une électrode au tantale mais la seconde est un gel conducteur. Les avantages de ces types de condensateurs sont une meilleure résistance, une résonance et une inductance amoindries. Le gel conducteur étant capable d'oxyder le tantale en cas de défaut dans l'électrode, cela confère au condensateur une capacité d'auto-cicatrisation, faisant de lui un appareil de qualité et résistance élevée. Petit inconvénient notamment, le tantale est capable de s'enflammer si il est soumis à un trop fort courant, ce qui est un risque pour les personnes qui travaillent près de lui.
Les condensateurs synthétiques
Il existe des condensateurs fabriqués avec des matières synthétiques, principalement du plastique. A moindre coût, ils permette de découpler des signaux et de créer des filtres. En effet, ils sont utiles pour traiter des signaux très faibles car les matériaux synthétiques n'ont pas d'effet de batterie. On utilise par exemple le polystyrène ou le polyéthylène pour la fabrication de condensateurs synthétiques.
Les super condensateurs
Les super condensateurs sont des condensateurs de niveau supérieur qui offrent énormément de puissance sur un laps de temps court. C'est le milieu parfait entre les condensateurs à électrolyse simples et les batteries. Ils sont formés de cellules en série-parallèle qui permettent de délivrer de grandes quantités d'énergies de manière encore plus rapide qu'une batterie traditionnelle. Ce tableau récapitule les différentes puissances et énergies délivrées par les piles, batteries et condensateurs.
| Condensateur électrolytique | Super conducteur | Batterie | Pile à combustible | |
|---|---|---|---|---|
| Densité de puissance en W/kg | 100000 | De 1000 à 5000 | 150 | 120 |
| Densité d'énergie en Wh/kg | 0,1 | De 4 à 6 | De 50 à 1500 | De 150 à 1500 |
Fonctionnement
Les super condensateurs sont constitués de deux électrodes en matière poreuses qui sont fabriquées avec du charbon actif additionné d'électrolyte.
Utilisations
Les super conducteurs ont de l'avenir dans un domaine très en vogue actuellement : les voitures électriques. Il permet de jouer le rôle de tampon entre le variateur de vitesse et les batteries de la voiture. Il par contre utilisé depuis de nombreuses années pour stocker de l'énergie et ce à l'épreuve des conditions climatiques difficiles telles que le froid ou la pluie.
Les condensateurs à capacité variable
Certains condensateurs sont capables d'appliquer une capacité variable par le biais d'un bouton. Ils sont utilisés pour des utilisations en circuits RLC. Ils jouent alors le rôles de filtres réglables au besoin.
L'utilisation des condensateurs
Les condensateurs sont utilisés dans de nombreux domaines. Les condensateurs peuvent être utilisés dans des installations électriques afin de "lisser" la tension d'un circuit. Dans ces conditions, le condensateur se chargera lors des pics de tension tout en se relâchant lors des baisses de tension. Cette dernière ne subissant pas de fluctuations du point de vue des appareils électriques du circuit et ainsi de leurs utilisateurs. Ils sont donc présents dans de nombreux appareils ménagers que vous possédez chez vous :
- Plaques de cuisson ;
- Radiateurs ;
- Chauffe-eau ;
- Ordinateur ;
- Bouilloire ;
- Sèche cheveux ;
- Etc.
On peut utiliser les condensateurs afin de séparer deux courants qui seraient présents simultanément : le courant alternatif et le courant continu. En effet, le courant continu ne peut passer à travers un condensateur car il ne se vide que quand sa capacité maximale est atteinte et ne peut donc pas délivrer le courant de façon continu. Les condensateurs sont capables de filtrer des signaux périodiques. Par exemple, dans une radio, le condensateur peut filtrer le signal sinusoïdale périodique de la radio FM. Dans le cas des super condensateurs, il peuvent être utilisés afin de stocker de l'énergie. En effet, leur grande capacité leur permet de retenir beaucoup d'énergie, ils sont alors un peu comme des grosses batteries.
Les circuits RC
Un circuit RC est un circuit dans lequel on retrouve un condensateur et une résistance.
Rappels sur les résistances
La résistance désigne la capacité physique d'un matériau à s'opposer au passage d'un courant électrique sous une certaine tension. C'est de là que sont nés les composants électriques appelés les résistances. Une résistance peut-être composée de divers matériaux selon qu'elle soit de faible ou haute puissance. Par exemple, les résistances de moins de 2 W sont constituées de carbone et de céramique. Ce type de résistance a pour avantage de générer très peu de bruit thermique, ce qui en fait un élément de choix dans les circuits audio. Les résistances faites pour supporter des puissances supérieures seront quand à elles fabriquées à l'aide d'un cylindre de céramique sur lequel sera enroulé un fil conducteur. Pour finir, les résistances à très hautes puissance sont constituées de solution aqueuse contenant des ions cuivre et qui ralentissent grandement le passage du courant électrique.
Exercice sur les condensateurs
Airbag et condensateur, quel rapport ? Les technologies développées dans l'industrie microélectronique ont été transposées avec succès pour fabriquer des microsystèmes électromécaniques, c'est-à-dire des systèmes miniaturisés qui intègrent sur une même puce des parties mécaniques (capteurs d'accélération ou de pression, miroirs, micromoteurs) et des circuits électroniques associés. Un des premiers microsystèmes à avoir été développé est l'accéléromètre. Il est entre autres utilisé pour déclencher le gonflage des airbags des véhicules en cas de choc brutal. L'accéléromètre est constitué de deux pièces en forme de peignes complémentaires. L'une est fixe et constitue le cadre, l'autre est mobile à l'intérieur de ce cadre, suspendue par une lamelle flexible, sans contact entre les deux parties. L'ensemble constitue un condensateur. En cas de choc brutal du véhicule, la partie mobile se déplace par inertie dans le sens opposé au mouvement, comme le passager d'un bus qui est debout et se trouve projeté en avant quand le bus freine (voir figure 3). Ce changement de distance entre le peigne mobile et le cadre modifie la capacité du condensateur. Dès que le circuit intégré détecte ce changement de capacité, il commande le gonflage de l'airbag, avant même que le conducteur et les passagers du véhicule ne soient projetés en avant.
Nous allons nous intéresser au principe de fonctionnement de ce dispositif. Le peigne mobile et le cadre constituent un condensateur de capacité C. Il est branché aux bornes d'une pile de résistance interne R et de force électromotrice E. Données : C = 100 pF (1 pF = 10—12 F) E = 5,0 V
1. Comportement de l'accéléromètre en dehors de chocs
La mise sous tension de l'accéléromètre revient à fermer l'interrupteur K du montage modélisant le dispositif représenté sur la figure 4Le condensateur est déchargé avant la fermeture de l'interrupteur. A l'instant t = 0, on ferme l'interrupteur. Les courbes représentent les variations de la tension aux bornes du condensateur et de l'intensité du courant en fonction du temps sont données sur la figure 5 de l'annexe. 1.1. Sur cette figure, identifier en justifiant qualitativement la courbe correspondant à la tension et celle correspondant à l'intensité. 1.2. Délimiter de façon approximative et qualifier, sur la Figure 5 de l'annexe les deux régimes de fonctionnement du circuit. 1.3. Déterminer graphiquement la valeur de la constante de temps du dipôle RC. Comparer cette valeur à la durée d'un choc de l'ordre de 200 ms. 1.4. Donner l'expression littérale de cette constante de temps. En déduire un ordre de grandeur de la valeur de la résistance R. 1.5. Charge du condensateur. 1.5.1. Déterminer graphiquement sur la figure 5 de l'annexe les valeurs de la tension aux bornes du condensateur et de l'intensité du courant en régime permanent. 1.5.2. En déduire, en régime permanent, la valeur de la charge q du condensateur définie sur la figure 4.
2. Déclenchement de l'airbag
2.1. D'après le texte encadré, comment se nomment parties de l'accéléromètre correspondant aux armatures mobile et fixe ? 2.2. Le rapprochement des deux armatures provoqué par un choc entraîne une augmentation de la capacité du condensateur (Figure 6 de l'annexe). Il s'agit de comprendre les conséquences de cette variation. En tenant compte du fait que la constante de temps est très faible, on considérera que la valeur de la résistance est nulle. 2.2.1. Parmi les deux propositions suivantes donnant l'expression de la capacité C en fonction de la distance d entre les armatures du condensateur, choisir en justifiant celle qui peut convenir : a. C = k.d b. 2.2.2. Donner l'expression de la tension aux bornes du condensateur uc et de la charge q du condensateur avant le choc, en fonction de E (on pourra s'aider d'un schéma du circuit). 2.2.3. Justifier que la tension aux bornes du condensateur n'est pas modifiée par le choc. En déduire que le choc a pour effet de faire augmenter la charge q du condensateur. 2.3. Sur le schéma de la figure 6 de l'annexe, indiquer le sens de déplacement des électrons dans le circuit engendré par la variation de charge q du condensateur. 2.4. Donner la relation entre l'intensité i du courant et la charge q du condensateur. Choisir parmi ces affirmations celle qui convient : Le déclenchement du gonflage de l'airbag est commandé par la détection d'une variation : a. de tension aux bornes du condensateur b. d'intensité du courant dans le circuit c. de tension aux bornes du générateur.
Vous avez aimé cet article ? Notez-le !
Loading...
Si vous désirez une aide personnalisée, contactez dès maintenant l’un de nos professeurs !