Condensateurs: but, appareil, principe de fonctionnement

Dans tous les appareils radio et électroniques, à l'exception des transistors et des microcircuits, des condensateurs sont utilisés. Dans certains circuits, il y en a plus, dans d'autres moins, mais il n'y a pratiquement pas de circuits électroniques sans condensateurs.

Dans ce cas, les condensateurs peuvent effectuer diverses tâches dans les appareils. Tout d'abord, ce sont des conteneurs dans les filtres des redresseurs et des stabilisateurs. À l'aide de condensateurs, un signal est transmis entre les étages de l'amplificateur, des filtres basse et haute fréquence sont construits, des intervalles de temps dans les retards sont définis et la fréquence d'oscillation dans divers générateurs est sélectionnée.

Condensateurs au plomb de banques leidenqui au milieu du 18ème siècle a été utilisé dans leurs expériences par le scientifique néerlandais Peter van Mushenbrook. Il vivait dans la ville de Leiden, il est donc facile de deviner pourquoi cette banque a été appelée.

En fait, c'était un bocal en verre ordinaire, doublé à l'intérieur et à l'extérieur d'une feuille d'étain - staniol. Il était utilisé aux mêmes fins que l'aluminium moderne, mais l'aluminium n'était pas encore ouvert.

La seule source d'électricité à cette époque était une machine électrophore, capable de développer une tension pouvant atteindre plusieurs centaines de kilovolts. C'est d'elle qu'elle a chargé un pot de Leyde. Dans les manuels de physique, un cas est décrit lorsque Mushenbrook a déchargé sa boîte de conserve par une chaîne de dix gardes se tenant par la main.

À cette époque, personne ne savait que les conséquences pouvaient être tragiques. Le coup s'est avéré assez sensible, mais pas fatal. Cela n’est pas arrivé à cela, car la capacité du pot de Leyde était insignifiante, l’impulsion s’est avérée être de très courte durée, de sorte que la puissance de décharge était faible.

Comment est le condensateur

Le dispositif du condensateur n'est pratiquement pas différent du pot de Leyde: tout de même deux plaques, séparées par un diélectrique. C'est ainsi que les condensateurs sont représentés sur les circuits électriques modernes. La figure 1 montre une structure schématique d'un condensateur plat et la formule de son calcul.

Figure 1. Dispositif à condensateur plat

Ici S est la surface des plaques en mètres carrés, d est la distance entre les plaques en mètres, C est la capacité en farads, ε est la constante diélectrique du milieu. Toutes les valeurs incluses dans la formule sont indiquées dans le système SI. Cette formule est valable pour le condensateur plat le plus simple: vous pouvez simplement placer deux plaques métalliques à côté d'elles, desquelles des conclusions sont tirées. L'air peut servir de diélectrique.

Cette formule permet de comprendre que le condensateur est plus grand, plus la surface des plaques est grande et plus la distance entre elles est petite. Pour les condensateurs de géométrie différente, la formule peut être différente, par exemple, pour la capacité d'un seul conducteur ou câble électrique. Mais la dépendance de la capacité sur la surface des plaques et la distance entre elles est la même que celle d'un condensateur plat: plus la surface est grande et plus la distance est petite, plus la capacité est grande.

En fait, les plaques ne sont pas toujours rendues plates. Pour de nombreux condensateurs, par exemple le papier, les plaques sont des feuilles d'aluminium enroulées avec un diélectrique en papier dans une boule étanche, en forme de boîtier métallique.

Pour augmenter la résistance électrique, du papier de condensateur mince est imprégné de compositions isolantes, le plus souvent de l'huile de transformateur. Cette conception vous permet de fabriquer des condensateurs d'une capacité allant jusqu'à plusieurs centaines de microfarads. Les condensateurs avec d'autres diélectriques sont disposés de manière similaire.

La formule ne contient aucune restriction sur la surface des plaques S et la distance entre les plaques d.Si nous supposons que les plaques peuvent se propager très loin et en même temps rendre la surface des plaques assez insignifiante, alors une certaine capacité, bien que petite, restera. Ce raisonnement suggère que même seulement deux conducteurs situés dans le voisinage ont une capacité électrique.

Cette circonstance est largement utilisée dans la technologie haute fréquence: dans certains cas, les condensateurs sont fabriqués simplement sous la forme de pistes de circuits imprimés, ou même simplement deux fils torsadés ensemble dans une isolation en polyéthylène. Les nouilles ou les câbles ordinaires ont également une capacité et, avec une longueur croissante, ils augmentent.

En plus de la capacité C, tout câble a également une résistance R. Ces deux propriétés physiques sont réparties sur la longueur du câble et, lors de la transmission de signaux pulsés, elles fonctionnent comme une chaîne RC d'intégration, comme illustré à la figure 2.

Figure 2

Tout est simple sur la figure: voici le circuit, voici le signal d'entrée, mais ici c'est à la sortie. L'impulsion est déformée au-delà de la reconnaissance, mais cela est fait exprès, pour lequel le circuit est assemblé. En attendant, nous parlons de l'effet de la capacité du câble sur le signal impulsionnel. Au lieu d'une impulsion, une telle "cloche" apparaîtra à l'autre extrémité du câble, et si l'impulsion est courte, alors elle risque de ne pas atteindre du tout l'autre extrémité du câble, elle est complètement disparue.

Fait historique

Ici, il est tout à fait approprié de rappeler l'histoire de la pose du câble transatlantique. La première tentative en 1857 a échoué: les points télégraphiques - tirets (impulsions rectangulaires) ont été déformés pour que rien ne puisse être démonté à l'autre bout de la ligne des 4000 km.

Une deuxième tentative a été faite en 1865. À cette époque, le physicien anglais W. Thompson avait développé la théorie de la transmission de données sur de longues lignes. À la lumière de cette théorie, le routage des câbles s'est avéré plus efficace, nous avons réussi à recevoir des signaux.

Pour cet exploit scientifique, la reine Victoria a accordé au scientifique la chevalerie et le titre de Lord Kelvin. C'était le nom de la petite ville sur la côte de l'Irlande, où la pose des câbles a commencé. Mais ce n'est qu'un mot, et maintenant nous revenons à la dernière lettre de la formule, à savoir à la constante diélectrique du milieu ε.

Un peu sur les diélectriques

Ce ε est dans le dénominateur de la formule, par conséquent, son augmentation entraînera une augmentation de la capacité. Pour la plupart des diélectriques utilisés, tels que l'air, le lavsan, le polyéthylène, le fluoroplastique, cette constante est presque la même que celle du vide. Mais en même temps, il existe de nombreuses substances dont la constante diélectrique est beaucoup plus élevée. Si le condenseur à air est rempli d'acétone ou d'alcool, sa capacité augmentera tous les 15 ... 20.

Mais ces substances, en plus de ε élevées, ont également une conductivité suffisamment élevée, donc un tel condensateur ne tiendra pas bien une charge, il se déchargera rapidement à travers lui-même. Ce phénomène nocif est appelé courant de fuite. Par conséquent, des matériaux spéciaux sont développés pour les diélectriques qui, avec une capacité spécifique élevée de condensateurs, fournissent des courants de fuite acceptables. Cela explique la diversité des types et des types de condensateurs, chacun étant conçu pour des conditions spécifiques.

Condensateur électrolytique

La plus grande capacité spécifique (rapport capacité / volume) condensateurs électrolytiques. La capacité des "électrolytes" atteint jusqu'à 100 000 microfarads et la tension de fonctionnement peut atteindre 600 V. De tels condensateurs fonctionnent bien uniquement aux basses fréquences, le plus souvent dans les filtres des alimentations. Les condensateurs électrolytiques sont activés en polarité.

Les électrodes de ces condensateurs sont un mince film d'oxyde métallique, si souvent ces condensateurs sont appelés oxyde. Une fine couche d'air entre de telles électrodes n'est pas un isolant très fiable, par conséquent, une couche d'électrolyte est introduite entre les plaques d'oxyde. Le plus souvent, il s'agit de solutions concentrées d'acides ou d'alcalis.

La figure 3 montre l'un de ces condensateurs.

Figure 3. Condensateur électrolytique

Pour évaluer la taille du condensateur, une simple boîte d'allumettes a été photographiée à côté. En plus d'une capacité suffisamment grande sur la figure, vous pouvez également voir le pourcentage de tolérance: pas moins de 70% de la valeur nominale.

À l'époque où les ordinateurs étaient gros et appelés ordinateurs, ces condensateurs se trouvaient dans des disques (sur le disque dur moderne). La capacité d'information de tels disques ne peut désormais que faire sourire: 5 mégaoctets d'informations ont été stockés sur deux disques de 350 mm de diamètre et l'appareil lui-même pesait 54 kg.

Le but principal des supercondensateurs montrés sur la figure était le retrait des têtes magnétiques de la zone de travail du disque lors d'une coupure de courant soudaine. Ces condensateurs pouvaient stocker une charge pendant plusieurs années, ce qui a été testé dans la pratique.

Un peu plus bas avec des condensateurs électrolytiques sera proposé pour faire quelques expériences simples pour comprendre ce qu'un condensateur peut faire.

Pour fonctionner dans des circuits alternatifs, des condensateurs électrolytiques non polaires sont produits, il est très difficile de les obtenir pour une raison quelconque. Afin de contourner ce problème, les "électrolytes" polaires ordinaires incluent le contre-séquentiel: plus-moins-moins-plus.

Si le condensateur électrolytique polaire est inclus dans le circuit de courant alternatif, il chauffera d'abord, puis une explosion se fera entendre. Les anciens condensateurs domestiques dispersés dans toutes les directions, tandis que ceux importés ont un appareil spécial qui évite les coups bruyants. Il s'agit généralement soit d'une encoche croisée au bas du condensateur, soit d'un trou avec un bouchon en caoutchouc situé au même endroit.

Ils n'aiment pas les condensateurs électrolytiques de tension accrue, même si la polarité est observée. Par conséquent, vous ne devez jamais mettre d '"électrolytes" dans un circuit où une tension proche du maximum pour un condensateur donné est attendue.

Parfois, dans certains forums, même réputés, les débutants posent la question: "Le condensateur 470µF * 16V est indiqué sur le schéma, et j'ai 470µF * 50V, puis-je le dire?" Oui, bien sûr, mais le remplacement inversé n'est pas autorisé.

Le condensateur peut stocker de l'énergie

Pour faire face à cette déclaration, un simple diagramme illustré à la figure 4 vous aidera.

Figure 4. Circuit avec condensateur

Le protagoniste de ce circuit est un condensateur électrolytique C de capacité suffisamment grande pour que les processus de charge-décharge se déroulent lentement, voire très clairement. Cela permet d'observer visuellement le fonctionnement du circuit à l'aide d'une lumière conventionnelle issue d'une lampe torche. Ces lumières ont depuis longtemps cédé la place aux LED modernes, mais des ampoules pour elles sont toujours vendues. Par conséquent, il est très facile d'assembler un circuit et de mener des expériences simples.

Peut-être que quelqu'un dira: «Pourquoi? Après tout, tout est évident, et même si vous lisez la description ... » Il ne semble y avoir rien à discuter ici, mais tout, même le plus simple, reste dans la tête pendant longtemps si sa compréhension passe par les mains.

Ainsi, le circuit est assemblé. Comment fonctionne-t-elle?

Dans la position de l'interrupteur SA, illustré sur le schéma, le condensateur C est chargé à partir de la source d'alimentation GB via la résistance R du circuit: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Le courant de charge dans le diagramme est indiqué par une flèche avec l'indice iз. Le processus de charge d'un condensateur est illustré à la figure 5.

Figure 5. Processus de charge des condensateurs

La figure montre que la tension sur le condensateur augmente le long d'une courbe, en mathématiques appelée exposant. Le courant de charge reflète directement la tension de charge. À mesure que la tension aux bornes du condensateur augmente, le courant de charge devient de moins en moins. Et seulement au moment initial correspond à la formule montrée sur la figure.

Après un certain temps, le condensateur sera chargé de 0V à la tension de la source d'alimentation, dans notre circuit à 4,5V. Toute la question est: comment est-il temps de déterminer combien de temps attendre, quand le condensateur se chargera-t-il?

Constante de temps Tau τ = R * C

Dans cette formule, la résistance et la capacité d'une résistance et d'un condensateur connectés en série sont simplement multipliées.Si, sans négliger le système SI, substituez la résistance en Ohms, la capacité en Farads, alors le résultat sera en secondes. C'est ce temps qui est nécessaire pour que le condensateur charge jusqu'à 36,8% de la tension de la source d'alimentation. En conséquence, pour une charge de près de 100%, un temps de 5 * τ sera nécessaire.

Souvent, en négligeant le système SI, la résistance en Ohms est substituée dans la formule, et la capacité est en microfarads, puis le temps se passera en microsecondes. Dans notre cas, il est plus pratique d'obtenir le résultat en quelques secondes, pour lequel il suffit de multiplier les microsecondes par un million, ou, plus simplement, de déplacer la virgule de six caractères vers la gauche.

Pour le circuit illustré à la figure 4, avec un condensateur de 2000 μF et une résistance de résistance de 500 Ω, la constante de temps sera τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 microsecondes ou exactement une seconde. Ainsi, vous devrez attendre environ 5 secondes jusqu'à ce que le condensateur soit complètement chargé.

Si, après l'écoulement du temps spécifié, l'interrupteur SA est tourné à la bonne position, alors le condensateur C est déchargé à travers l'ampoule EL. À ce moment, un bref flash se produit, le condensateur se décharge et la lumière s'éteint. Le sens de décharge du condensateur est indiqué par une flèche d'indice ip. Le temps de décharge est également déterminé par la constante de temps τ. Le graphique de décharge est illustré à la figure 6.

Figure 6. Graphique de décharge du condensateur

Le condensateur ne passe pas de courant continu

Pour vérifier cette déclaration, un schéma encore plus simple, illustré à la figure 7, vous aidera.

Figure 7. Circuit avec un condensateur dans le circuit DC

Si vous fermez l'interrupteur SA, un bref éclair de l'ampoule suivra, ce qui indique que le condensateur C est chargé à travers l'ampoule. Le graphique de charge est également montré ici: au moment où l'interrupteur se ferme, le courant est maximum, car le condensateur se charge, il diminue et après un certain temps il s'arrête complètement.

Si le condensateur est de bonne qualité, c'est-à-dire avec un faible courant de fuite (auto-décharge), la fermeture répétée de l'interrupteur ne provoquera pas de flash. Pour obtenir un autre flash, le condensateur devra être déchargé.

Condensateur dans les filtres de puissance

Le condensateur est généralement placé après le redresseur. Le plus souvent, les redresseurs sont réalisés en demi-onde. Les circuits de redressement les plus courants sont illustrés à la figure 8.

Figure 8. Circuits redresseurs

Les redresseurs demi-onde sont également utilisés assez souvent, en règle générale, dans les cas où la puissance de charge est insignifiante. La qualité la plus précieuse de ces redresseurs est la simplicité: une seule diode et un enroulement de transformateur.

Pour un redresseur demi-onde, la capacité du condensateur de filtrage peut être calculée par la formule

C = 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, où C est le condensateur μF, Po est la puissance de charge W, U est la tension à la sortie du redresseur V, f est la fréquence de la tension alternative Hz, dU est l'amplitude d'ondulation V.

Un grand nombre au numérateur de 1 000 000 convertit la capacité du condensateur du système Farads en microfarads. Les deux dans le dénominateur représentent le nombre de demi-périodes du redresseur: pour une demi-onde à sa place, une unité apparaîtra

C = 1 000 000 * Po / U * f * dU,

et pour un redresseur triphasé, la formule prendra la forme C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercondensateur - Ionistor

Récemment, une nouvelle classe de condensateurs électrolytiques, les soi-disant ionistor. Dans ses propriétés, elle est similaire à une batterie, cependant, avec plusieurs limitations.

L'ionistor se charge à la tension nominale en peu de temps, littéralement en quelques minutes, il est donc conseillé de l'utiliser comme source d'alimentation de secours. En fait, l'ionistor est un appareil non polaire, la seule chose qui détermine sa polarité se charge en usine. Afin de ne pas confondre cette polarité à l'avenir, elle est indiquée par le signe +.

Un rôle important est joué par les conditions de fonctionnement des ionistors. À une température de 70˚C à une tension de 0,8 de la durabilité nominale garantie ne dépassant pas 500 heures.Si l'appareil fonctionne à une tension de 0,6 par rapport à la valeur nominale et que la température ne dépasse pas 40 degrés, un fonctionnement correct est possible pendant 40000 heures ou plus.

Les applications d'ionistor les plus courantes sont les sources d'alimentation de secours. Il s'agit principalement de puces mémoire ou d'horloges électroniques. Dans ce cas, le paramètre principal de l'ionistor est un faible courant de fuite, son auto-décharge.

L'utilisation des ionistors en combinaison avec des panneaux solaires est tout à fait prometteuse. Elle affecte également la non-criticité de l'état de la charge et un nombre presque illimité de cycles de charge-décharge. Une autre propriété précieuse est que l'ionistor est sans entretien.

Jusqu'à présent, il s'est avéré indiquer comment et où fonctionnent les condensateurs électrolytiques, et principalement dans les circuits CC. Le fonctionnement des condensateurs dans les circuits AC sera décrit dans un autre article - Condensateurs pour installations électriques AC.

Boris Aladyshkin 

P.S. Un cas d'utilisation intéressant pour les condensateurs: soudage par condensateur