Qu'est-ce qu'un condensateur et comment ça marche ? – Physique et Applications

Dans ce didacticiel, nous apprendrons ce qu'est un condensateur, son fonctionnement et examinerons quelques exemples d'application de base. Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le didacticiel écrit ci-dessous.

Aperçu

Il n'y a presque aucun circuit qui n'a pas de condensateur, et avec les résistances et les inductances, ce sont les composants passifs de base que nous utilisons en électronique.

Qu'est-ce qu'un condensateur ?

Un condensateur est un dispositif capable de stocker de l'énergie sous la forme d'une charge électrique. Comparé à une batterie de même taille, un condensateur peut stocker une quantité d'énergie beaucoup plus petite, environ 10 000 fois plus petite, mais suffisamment utile pour de nombreuses conceptions de circuits.

Construction du condensateur

Un condensateur est constitué de deux plaques métalliques, séparées par un matériau isolant appelé diélectrique. Les plaques sont conductrices et sont généralement en aluminium, en tantale ou en d'autres métaux, tandis que le diélectrique peut être constitué de tout type de matériau isolant tel que du papier, du verre, de la céramique ou tout ce qui obstrue la circulation du courant.

La capacité d'un condensateur, mesurée en farads, est directement proportionnelle à la surface des deux plaques, ainsi qu'à la permittivité ε du diélectrique, tandis que plus la distance entre les plaques est petite, plus la capacité est grande. Cela étant dit, voyons maintenant comment fonctionne un condensateur.

Comment fonctionne le condensateur

Tout d'abord, nous pouvons noter qu'un métal contient généralement une quantité égale de particules chargées positivement et négativement, ce qui signifie qu'il est électriquement neutre.

Si nous connectons une source d'alimentation ou une batterie aux plaques métalliques du condensateur, un courant essaiera de circuler, ou les électrons de la plaque connectée au fil positif de la batterie commenceront à se déplacer vers la plaque connectée au fil négatif de la batterie. Cependant, à cause du diélectrique entre les plaques, les électrons ne pourront pas traverser le condensateur, ils commenceront donc à s'accumuler sur la plaque.

Après un certain nombre d'électroniques accumulées sur la plaque, la batterie n'aura plus assez d'énergie pour pousser toute nouvelle électronique à entrer dans la plaque à cause de la répulsion de ces électroniques qui s'y trouvent déjà.

À ce stade, le condensateur est en fait complètement chargé. La première plaque a développé une charge négative nette, et la seconde plaque a développé une charge positive nette égale, créant un champ électrique avec une force d'attraction entre eux qui maintient la charge du condensateur.

Principe de fonctionnement diélectrique du condensateur

Voyons comment le diélectrique peut augmenter la capacité du condensateur. Un diélectrique contient des molécules polaires, ce qui signifie qu'elles peuvent changer leur orientation en fonction des charges sur les deux plaques. Ainsi, les molécules s'alignent avec le champ électrique de manière à attirer davantage d'électrons vers la plaque négative, tout en repoussant davantage d'électrons hors de la plaque positive.

Ainsi, une fois qu'il est complètement chargé, si nous retirons la batterie, il conservera la charge électrique pendant une longue période, agissant comme un stockage d'énergie.

Maintenant, si nous raccourcissons les deux extrémités du condensateur à travers une charge, un courant commencera à circuler à travers la charge. Les électrons accumulés de la première plaque commenceront à se déplacer vers la seconde plaque, jusqu'à ce que les deux plaques redeviennent électriquement neutres.

Voilà donc le principe de fonctionnement de base d'un condensateur et examinons maintenant quelques exemples d'application.

Applications de condensateur

Condensateurs de découplage (bypass)

Les condensateurs de découplage ou les condensateurs de dérivation en sont un exemple typique. Ils sont souvent utilisés avec des circuits intégrés et ils sont placés entre la source d'alimentation et la masse du CI.

Leur travail consiste à filtrer tout bruit dans l'alimentation, comme les ondulations de tension qui se produisent lorsque l'alimentation baisse de tension pendant une très courte période ou lorsqu'une partie d'un circuit est commutée, provoquant des fluctuations de l'alimentation. Au moment où la chute de tension se produit, le condensateur agira temporairement comme une alimentation électrique, en contournant l'alimentation principale.

Convertisseur CA à CC

Un autre exemple d'application typique est celui des condensateurs utilisés dans les adaptateurs CC. Pour convertir la tension alternative en tension continue, un redresseur à diode est généralement utilisé, mais sans l'aide de condensateurs, il ne pourra pas faire le travail.

La sortie du redresseur est une forme d'onde. Ainsi, pendant que la sortie du redresseur augmente, le condensateur se charge, et pendant que la sortie du redresseur diminue, le condensateur se décharge et lisse ainsi la sortie CC.

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Filtrage des signaux

Le filtrage de signal est un autre exemple d'application des condensateurs. En raison de leur temps de réponse spécifique, ils sont capables de bloquer les signaux à basse fréquence tout en laissant passer les fréquences plus élevées.

Ceci est utilisé dans les récepteurs radio pour éliminer les fréquences indésirables et dans les circuits de croisement à l'intérieur des haut-parleurs, pour séparer les basses fréquences pour le woofer et les hautes fréquences pour le tweeter.

Condensateurs comme stockage d'énergie

Une autre utilisation assez évidente des condensateurs est le stockage et la fourniture d'énergie. Bien qu'ils puissent stocker considérablement moins d'énergie par rapport à une batterie de même taille, leur durée de vie est bien meilleure et ils sont capables de fournir de l'énergie beaucoup plus rapidement, ce qui les rend plus adaptés aux applications nécessitant une forte rafale de puissance.

C'est tout pour ce tutoriel, n'hésitez pas à poser n'importe quelle question dans la section des commentaires ci-dessous.