thumb|upright|Condensateurs électrochimiques (électrolytiques aluminium). Le est de pour une tension de service de (modèle axial), le est de pour (modèle radial).
Un condensateur est un composant électronique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée.
Les condensateurs sont principalement utilisés pour : stocker de l'énergie ; stabiliser une alimentation électrique (c'est une application liée au stockage de l'énergie : il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ; traiter des signaux périodiques (filtrage par exemple) ; séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur.
Il existe des condensateurs qui peuvent stocker énormément de charge dans peu d'espace, on parle alors de supercondensateurs.
Définition
Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension, appelé capacité électrique (ou simplement capacité) et exprimé en farads (). La relation caractéristique d'un condensateur idéal est :
avec : l'intensité du courant électrique qui passe par le composant, exprimée en ampères (symbole : ) ; la tension aux bornes du composant, exprimée en volts () ; la capacité électrique du condensateur, exprimée en farads () ; la dérivée de la tension par rapport au temps ().
Les signes sont tels que l'électrode par laquelle entre le courant (dans le sens conventionnel du courant, de + vers -) voit son potentiel augmenter.
Loi de comportement du condensateur
vignette|Divers condensateurs : Siemens (cylindre métallique à gauche) de (pour une tension de service de ), Sprague de (), Mallory de () et Elna de ().
On définit la capacité par la relation :
avec : la charge stockée sur sa borne positive (qui s'exprime en coulombs), la capacité électrique du condensateur (farads), la tension aux bornes du composant (volts).
Expression algébrique de la loi de comportement du condensateur
avec : 1 et 2 les indices respectifs des deux bornes ; la charge de la borne () : son potentiel électrique.
La borne au potentiel le plus élevé (borne positive) est donc chargée positivement. La charge « totale » d'un condensateur est donc nulle. Procédant par influence électrostatique, le courant « pénétrant » par une borne ressort à l'identique par l'autre borne, bien que les armatures soient séparées par un isolant. Si l'on oriente la branche de circuit contenant le condensateur dans le sens : borne 1 → borne 2, fixant ainsi le sens positif du courant , on définit alors algébriquement la tension dans le sens opposé (« convention récepteur ») :
Il devient alors possible de définir algébriquement une relation entre le courant circulant dans la branche et la dérivée temporelle de la tension :
Lorsque l'on connecte un condensateur à un générateur de tension continue à l'aide d'un circuit ayant une résistance , la valeur de la tension aux bornes du condensateur en régime transitoire est définie en fonction du temps pour un système du premier ordre par la relation suivante :
avec : la tension initiale ; la tension en régime permanent ; la constante de temps, égale à .
Si la résistance du circuit est très faible, l'intensité du courant peut prendre une valeur instantanée très élevée.
Composant électrique ou électronique
Un condensateur est un composant électronique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (également appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est, en première approximation, proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée.
En , le physicien Ewald Georg von Kleist de Poméranie en Allemagne, invente le premier condensateur. Peu de temps après, en , le physicien hollandais Pieter van Musschenbroek le découvre aussi de façon indépendante. Il l'appelle bouteille de Leyde, car Musschenbroek travaillait alors à l'université de Leyde.
Un condensateur est constitué fondamentalement de deux armatures conductrices appelées « électrodes », très proches l'une de l'autre, séparées par un isolant appelé « diélectrique ». La charge électrique emmagasinée par le condensateur est proportionnelle à la tension appliquée entre ses deux armatures. Aussi un tel composant est-il principalement caractérisé par sa capacité, rapport entre sa charge et la tension.La capacité d'un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante, davantage adaptée à un condensateur plan, est souvent utilisée pour estimer sa valeur :
avec : la surface des armatures en regard (qui s'exprime en mètres carrés, ), la distance entre les armatures (mètres, ), la permittivité du diélectrique (farads par mètre, ).
L'unité de base de capacité électrique, le farad représente une capacité très élevée, rarement atteinte (à l'exception des supercondensateurs) ; ainsi, de très petits condensateurs peuvent avoir des capacités de l'ordre du picofarad (pF).
Une des caractéristiques des condensateurs est leur tension de service maximale, qui dépend de la nature et de l'épaisseur de l'isolant entrant dans leur constitution. Cet isolant présente une certaine rigidité diélectrique, c'est-à-dire une tension au-delà de laquelle il peut apparaître un violent courant de claquage qui entraîne une destruction du composant (sauf pour certains d'entre eux, dont l'isolant est dit auto-cicatrisant).
La recherche de la plus forte capacité pour les plus faibles volume et coût de fabrication conduit à réduire autant que possible l'épaisseur d'isolant entre les deux armatures ; comme la tension de claquage diminue également dans la même proportion, il y a souvent avantage à retenir les meilleurs isolants.
Désignation Capacité Champ électrique ReprésentationCondensateur plan 150pxCondensateur cylindrique 150pxCondensateur sphérique 150pxSphère
où représente la permittivité électrique du vide () et la permittivité relative de l'isolant.
Différentes catégories thumb|Différents types de condensateurs.
De nombreuses techniques, souvent issues de la chimie, ont permis d'améliorer sensiblement les performances des condensateurs, que l'on relie à la qualité du diélectrique employé. C'est donc la nature du diélectrique qui permet de classer les condensateurs : les condensateurs non polarisés, de faible valeur (quelques nano- ou microfarads) sont essentiellement de technologie « Mylar » ou « céramique » ; les condensateurs dits polarisés sont sensibles à la polarité de la tension électrique qui leur est appliquée : ils ont une borne négative et une positive. Ce sont les condensateurs de technique « électrolytique » (également appelée, par abus de langage, « chimique ») et « tantale ». Une erreur de branchement ou une inversion accidentelle de la tension conduit généralement à leur destruction, qui peut être très brutale, voire explosive ; les supercondensateurs ont une énorme capacité mais une faible tenue en tension (quelques volts). Ils ont été développés à la suite des recherches effectuées pour améliorer les accumulateurs. La capacité qui peut dépasser la centaine de farads est obtenue grâce à l'immense surface développée d'électrodes sur support de charbon actif ; les condensateurs à capacité variable, employés par exemple pour la réalisation des filtres RLC réglables.
thumb|Principe du condensateur ajustable.|134x134px
Quand les plaques sont rapprochées, la capacité augmente rapidement, de même que le gradient de tension (c'est-à-dire le champ électrostatique). Par exemple, le champ dans un condensateur soumis à seulement et dont les plaques sont distantes de est de . L'isolant joue donc un rôle capital. L'isolant idéal aurait une résistance infinie et une transparence totale au champ, n'aurait aucun point d'éclair (gradient de champ où apparaît un arc), n'aurait aucune inductance (qui limite la réaction aux hautes fréquences : un condensateur idéal laisserait passer la lumière par exemple) Un isolant doit donc être choisi selon le but recherché, c'est-à-dire l'usage voulant être fait du condensateur.
Condensateurs électrolytiques Utilisation
Les condensateurs électrolytiques sont utilisés : quand une grande capacité de stockage est nécessaire ; lorsqu'un condensateur parfait n'est pas nécessaire : grande résistance en série, mauvaise réponse aux hautes fréquences, grande tolérance.
Fabrication
Contrairement à tout autre condensateur, lorsqu'on les fabrique, on ne met pas d'isolant entre les deux conducteurs. D'ailleurs, un électrolytique neuf conduit le courant continu. En fait, un des conducteurs est métallique, l'autre est une gelée conductrice : le conducteur métallique est simplement inséré dans la gelée. Lorsqu'on applique une tension pour la première fois, une réaction chimique (appelée électrolyse, d'où le nom) a lieu, ce qui crée une interface isolante à la surface du métal. Évidemment, sitôt formée, cette couche empêche le courant de passer et donc sa propre formation. Il en résulte une couche isolante très mince (quelques molécules d'épaisseur) d'où la très grande capacité des condensateurs électrolytiques en fonction de leur volume. D'où aussi leur tension maximale limitée (quelques centaines de volts).
Cependant, la gelée n'est pas aussi bonne conductrice qu'un métal : un condensateur électrolytique a donc une résistance série non négligeable qui crée un « zéro » au sens des fonctions de transfert (filtre passe-bas) avec la capacité. De plus, un courant alternatif passant dans la gelée déforme les orbitales des électrons des couches de valence qui lient la gelée, créant une petite vibration mécanique dans la gelée, d'où : un effet d'inertie (inductance) important ; une mauvaise réponse aux hautes fréquences. À l'origine, ces condensateurs n'étaient pas conçus pour servir à des fins de découplage ou de filtrage de signaux.
Ils sont principalement utilisés dans la partie filtrage des circuits d'alimentation.
Condensateurs au tantale
Il existe deux techniques de condensateurs au tantale.
Les condensateurs au tantale à électrolyte solide sont des condensateurs où la première électrode est le tantale et la seconde du dioxyde de manganèse MnO. Le contact avec le dioxyde de manganèse est assuré par une couche de métallisation à base d'argent. Cette technologie apporte les avantages suivants : résistance série (ESR) réduite ; faibles inductances série ; faibles résonances ; pas de dégradation dans le temps, en stockage ou en utilisation ; coût faible.
Les condensateurs au tantale à électrolyte liquide (WET Tantalum) sont des condensateurs où la première électrode est le tantale et la seconde un gel conducteur. Ces condensateurs sont : plus de résistance série (ESR) que les modèles « solides » ; faibles inductances série ; faibles résonances ; capacité d'auto-cicatrisation élevée, d'où une grande fiabilité ; coût plus élevé. L'électrolyte liquide est capable d'oxyder le tantale en cas de défaut dans la couche d'oxyde, cette régénération en fait des condensateurs de grande fiabilité, ils sont souvent choisis pour des applications où la fiabilité est un critère déterminant ; exemple : utilisation dans un satellite. Par contre, cette possibilité signifie qu'un courant de fuite plus élevé est possible, à prendre en compte dans la conception.