Page sur les condensateurs

Condensateur : anciens marquages

Détail
Lire la valeur de la capacité, les codes de marquages ont évolués avec le temps, puis trouver la valeur normalisée la plus proche.
Déterminer la technologie du composant (chimique, mica, papier) et trouver son équivalent actuel.

vue éclatée condensateur filtrage

vue éclatée condensateur liaison
Unités de capacités exprimées en centimètres

structure d'un condensateur
Aujourd'hui l'unité de capacité d'un condensateur papier et mica est le Farad (F). Cette unité est issue système système internantional. Le farad, unité mal adaptée, est décliné à l'aide de ses sous multiples.
Détail
Le tableau ci-contre décrit les sous multiples les plus courants en TSF :
Le picofarad (pF) : 1F / 1 000 000 000 000 : accord, découplage et liaison hautes fréquences
Le nanofarad (nF) : 1F / 1 000 000 000 : découplage et liaison HF
Le microfarad (µF) : 1F / 1 000 000 : découplage basses fréquences et filtrage d'alimentation hautes tensions
Ancien marquage Unité Sigle Valeur mF microfarad µF 10-6 F mmF ou µF picofarad pF 10-12F 1/1000e nanofarad 1/1000 10-9F T (Tausend pF) nanofarad T(*) 10-9F
Quelques modèles anciens

Détail
Ce sont des condensateurs chimiques polarisés.
Plus ils sont gros, plus leur capacité et / ou leur tension est élevée ... et plus ils coûtent cher!
Ces condensateurs ont une valeur généralement comprise entre 0.1 micro Farad et 100000 micro Farads
Il y a des condensateurs axiaux (une patte de chaque coté)
Il y a des condensateurs radiaux (les deux pattes du même coté).
Remarque : polarisé signifie qu'il y a un sens pour brancher les condensateurs et que si vous les branchez à l'envers, ils peuvent exploser. Pour des raisons de sécurité, certains gros condensateurs sont munis de "soupapes de sécurité"
Détail
Ce sont des condensateurs chimiques de haute qualité
C'est a dire qu'ils ont une très faible résistance série
Ils sont capables de fournir un courant élevé
Ils ont un courant de fuite très faible
Détail
Condensateurs chimiques non polarisés.
Il y a généralement écrit sur leur boîtier "BP" ou "NP"
Détail
Condensateur "Gold-cap"
ce sont des condensateurs qui ont une capacité énorme dans une très petit volume
En contre partie ils ont une résistance série très élevée
Détail
Condensateurs chimique a électrolyte solide
Ce type de condensateur plutôt rare est surtout utilisé pour des aplications ou la fiabilité et la stabilité du condensateur sont indispensables
Les courants de charge et de décharge ne sont pas limités
Détail
Ce sont des condensateurs tantale.
L'anode de ce condensateur est de la poudre de tantale, qui a une surface de 1mm² / cm³
L'électrolyte est de l'acide sulfurique. La cathode est un boîtier en argent.
Ces condensateurs ont donc une grande capacité par unité de volume
Par contre les tensions nominales sont assez réduites
La panne principale de ce genre de condensateur est le court circuit.
Détail
Condensateurs non chimiques, famille MKT
Il existe quatre familles pour ce type de condensateur
Ils sont tous construits avec deux films métalliques et un isolant, entre ces films, chacune des patte étant reliée a l'un des film.
L'isolant était du papier et a maintenant été remplace par 4 sortes de plastiques, d'où les quatre familles
Ces famille ont des valeur généralement comprises entre 0.1 nano Farad = 0.0001 micro Farad, à 10 micro Farad.
MKT, réalisée avec du polyester (polyéthylène ou mylar®)
Ces condensateurs sont les plus courants de la catégorie, ils servent comme condensateurs de couplage (liaison) et de découplage
Détail
Condensateur non chimiques, famille MKP
condensateur réalisée avec du polypropylène
Leurs principales caractéristiques sont une très bonne stabilité en fréquence et leur excellent comportement en régime impulsionnel.
Ils sont entre autres utilisés pour faire des condensateurs de précision
Détail
Condensateur non chimique, famille MKS
Condensateur réalisée avec un isolant en polystyrène (polysulfone métallisé, styroflex, ...)
Ils sont très apprécies pour leur très grande stabilité, même a haute température (155°C).
Leur comportement en régime impulsionnel est excellent
Détail
Condensateur non chimique, famille MKC
Condensateur réalisée avec du polycarbonate
Leurs avantages sont: une grande stabilité et fiabilité, une très forte résistance d'isolement
Détail
Les condensateurs céramique
Ils sont constitués d'un disque de céramique, sur lequel une patte est connectée de chaque coté.
Ils servent plutôt pour des condensateurs de faible valeur(d'1 pico Farad = 0.000001 micro Farad, à 10000 pico Farads environ)
Ils sont plus ou moins stables et ils sont surtout utilisés pour le découplage
Détail
Ce sont des condensateurs céramique multi-couches
Ils sont caractérisés par de plus faibles dimensions
Détail
Ce sont des condensateurs céramique tubulaires
Détail
Ce sont des condensateurs céramique de type CMS
Ils n'ont pas de pattes, ils sont fait pour être montés directement du cote des pistes.
Détail
Condensateur céramique utilisé en haute fréquence
Ils s'insèrent dans une fente pratiquée dans la carte.
Détail
Condensateurs variable
Ils sont basés sur la formule C = cte * S, ou S est la surface en regard
En tournant la vis, on fait varier la surface en regard, donc la capacité.
Détail
Ce sont des condensateurs chimiques
Ils ont la même capacité et la même tension nominale
Détail
Condensateur chimiques

On définit la capacité par la relation

Q = C * U

Détail
Q est la charge stockée sur sa borne positive et s'exprime en Coulombs
U est la tension aux bornes du composant
C est la capacité électrique du condensateur.
Expression algébrique de la loi de comportement du condensateur

Q1 = C *(V1-V2)

Les indices 1 et 2 repérant chacune des bornes. Qk étant la charge de la borne k et Vk son potentiel électrique (k = 1 ou 2). La borne au potentiel le plus élevé (borne positive) est donc chargée positivement. La charge totale d'un condensateur Qt = Q1 + Q2 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 à borne 2, fixant ainsi le sens positif du courant i, on définit alors algébriquement la tension u dans le sens opposé (convention récepteur)

u = V1 à V2

Il devient alors possible de définir algébriquement une relation entre le courant circulant dans la branche et la dérivée temporelle de la tension:

i = dQ1 / dt = C * du / dt

Un condensateur est constitué fondamentalement de deux conducteurs électriques, ou armatures, très proches l'un de l'autre, mais séparés par un isolant ou diélectrique.
La charge électrique emmagasinée par un 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 électrique 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 est souvent utilisée pour estimer sa valeur:

C = ε S / e

Détail
S : surface des armatures en regard
e : distance entre les armatures
ε : permittivité du diélectrique
L'unité de base de capacité électrique, est le farad qui 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
Une des caractéristiques des condensateurs est leur tension de service limite, 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 apparaitre un violent courant de claquage qui entraine 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 coùt 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.
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:
Détail
les condensateurs non polarisés, de faible valeur nanofarad ou microfarad 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 technologie électrolytique 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 non polarisés ont une énorme capacité mais une faible tenue en tension (quelques volts). Ils ont été développés suite aux recherches effectuées pour améliorer les accumulateurs. La capacité qui peut dépasser la centaine de farads est obtenue grace 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.
Quand on rapproche les plaques, la capacité augmente rapidement, de même que le gradient de tension (i.e., le champ électrostatique). Par exemple, le champ dans un condensateur soumis à seulement 5volts et dont les plaques sont distantes de 5 micromètres est de 1 million de volts par mètre! L'isolant joue donc un role capital. L'isolant idéal aurait une résistance infinie et une transparence totale au champ, n'aurait aucun point d'éclair (gradient de champ ou apparait un arc), n'aurait aucune inductance (qui limite la réaction aux hautes fréquences: un condensateur idéal laisserait passer la lumière par exemple) etc. On doit donc choisir un isolant selon le but recherché, c'est-à -dire l'usage qu'on veut faire du condensateur.
Les condensateurs électrolytiques
Les condensateurs électrolytiques sont utilisés:
Détail
quand on a besoin d'une grande capacité de stockage
quand on n'a pas de besoin d'avoir un condensateur parfait
grande résistance en série
mauvaise réponse aux hautes fréquences
grande tolérance
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 électrolyse a lieu, ce qui crée une interface isolante à la surface du métal. évidemment, si tot 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). Cependant, la gelée n'est pas aussi bonne conductrice qu'un métal: un 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
Les condensateurs au tantale
Il existe 2 technologies de condensateurs au tantale:
Les condensateurs au tantale à électrolyte solide : Ce sont des condensateurs ou la première électrode est le tantale et la seconde du dioxyde de manganèse MnO2. Le contact avec le dioxyde de manganèse est assuré par une couche de métallisation à base d'argent. Cette technologie apporte les avantages suivants :
Détail
résistance série (ESR) réduite
faibles inductances série
faibles résonances
pas de dégradation dans le temps, en stockage ou en utilisation
coùt faible.
Les condensateurs au tantale à électrolyte liquide (WET Tantalum): Ce sont des condensateurs ou la première électrode est le tantale et la seconde un gel conducteur.
Détail
plus de résistance série (ESR) que les modèles solides
faibles inductances série
faibles résonances
capacité d'auto-cicatrisation élevée, d'ou une grande fiabilité
coùt plus élevé.
En effet, 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 ou la fiabilité est un critère déterminant
Les condensateurs à électrolyte liquide sont plus coùteux, en raison des matériaux utilisés: argent ou encore tantale massif pour le boitier (à cause de l'électrolyte acide), ainsi que des procédés de fabrication plus complexes (assemblage étanche), ils sont de fait réservés à des applications haut de gamme.
Les condensateurs au tantale solide présentent une résistance série extrêmement faible, ce qui en fait un composant préférentiel pour les découplages d'alimentation sur les cartes.
Les condensateurs au tantale ont toutefois un défaut: il présentent une légère non-linéarité, c'est pourquoi ces condensateurs sont déconseillés pour la transmission de signaux (création d'harmoniques paires) sauf lorsqu'ils sont associés à d'autres condensateurs non électrolytiques pour former un condensateur composite.
Les condensateurs au tantale solide ont également un autre défaut: le tantale risque de prendre feu en cas de dépassement du courant ou en cas de défaillance. C'est pourquoi ils sont peu utilisés dans des applications ou cela présente un danger pour l'utilisateur (automobile par exemple).
Condensateur ajustable à air (utilisés dans les postes récepteurs de radio pour le choix des stations).
Ils sont constitués d'armatures mobiles l'une par rapport à l'autre, les surfaces en regard déterminent la valeur du condensateur.
Détail
les avantages d'une inductance extrêmement faible et d'une très grande résistance série, c'est pourquoi les condensateurs à isolant de céramique sont largement utilisés:
dans les applications haute fréquence (jusqu'à des centaines de gigahertz
dans les applications haute tension (circuits à valves tubes
pour les composants de surface, car ils se prêtent bien à une miniaturisation.
Détail
les inconvénients:
d'être mécaniquement fragile
d'avoir un champ d'éclair pas très élevé. Ils nécessitent une certaine distance entre les plaques et se prêtent donc mal aux grandes capacités (Ce qui n'a pas d'importance dans les hautes fréquences).
Ils ont une légère hystérésis de charge et génèrent un tout petit peu de bruit lorsque le dV/dt (courant donc) est élevé (grande amplitude de signal ou très haute fréquence). Ce bruit étant un bruit blanc a peu d'effet sur les circuits haute fréquence, ceux-ci étant généralement accordés syntonisés sur une bande étroite.
Plusieurs classes de céramiques sont définies selon leur tenue en température:
Détail
les céramiques C0G ou NP0 présentent une grande stabilité et sont utilisées pour les applications de haute fréquence et chaque fois que l'on exige une bonne stabilité en température. Malheureusement, ces céramiques ne présentent pas une très grande constante diélectrique, ce qui limite la valeur de la capacité: classiquement quelques nanofarads au maximum, pour les composants de surface.
les céramiques X7R, de stabilité moindre: environ 10% de variation entre 10°C et 60°C. On réserve ces céramiques aux applications n'exigeant pas une haute stabilité. La constante diélectrique est plus élevée, ce qui permet d'atteindre en standard CMS des capacités de quelques centaines de nanofarads.
les céramiques Y4T et Z5U, ont des dérives en température de l'ordre de 50% dans les gammes citées plus haut et sont donc réservées aux fonctions de découplage. Par contre on peut obtenir des capacités en composants de surface, de plusieurs microfarads.
les céramiques particulières pour les hyperfréquences, de très haute stabilité et de très faible facteur de perte. Ces céramiques ont un coùt nettement supérieur, mais sont indispensables pour certaines applications.
Les condensateurs à isolant plastique polyéthylène,polystyrène,polypropylène sont les plus courants) ont été conç us spécifiquement pour fins de découplage de signaux et d'utilisation dans des filtres.
Leur hystérésis de charge est très faible (nul pour le polypropylène) et, de ce fait, ils sont précieux pour le traitement de très faibles signaux radiotélescopes, communications spatiales et audio de référence). Le polystyrène et le polypropylène n'ont pas d'effet de batterie (le polyéthylène en a un très faible).
Deux méthodes sont utilisées: soit par l'utilisation de feuilles conductrices et isolantes (film / foil construction), soit par dépot d'aluminium sur le diélectrique (metallized film capacitor). La deuxième méthode diminue le coùt, le volume, le poids des condensateurs, mais diminue également le courant admissible
Le polyester est principalement utilisé sous 2 de ses formes: le polyéthylène téréphtalate (PET) et le polyéthylène naphtalate (PEN).L'avantage du polyéthylène est qu'il peut être étiré ou laminé très mince et peut donc permettre des capacités appréciables dans un petit volume (pas comparables aux électrolytiques, quand même). Il est facile à manufacturer et à former et ces condensateurs sont donc peu coùteux. Les condensateurs à polyéthylène sont très employés dans les circuits audio de moyenne à bonne qualité et dans des circuits demandant une faible variation de capacité avec l'age et l'humidité. Ils sont faciles à reconnaitre à leur couleur jaune serin.
Le polystyrène n'est pas aussi facile à fabriquer avec précision que le polyéthylène. Il n'est pas coùteux en soi (des meubles de patio et des emballages sont faits de polystyrène) mais difficile à laminer précisément en couches minces. Pour cette raison, les condensateurs en polystyrène sont relativement encombrants pour une capacité donnée un 0,01 micro farad étant aussi volumineux qu'un électrolytique de micro farad). Ils sont aussi nettement plus coùteux que les polyéthylènes.
Le grand avantage des condensateurs en polystyrène est leur qualité. Ils sont très stables. Pour cette raison, ils sont employés la ou la précision est requise: circuits syntonisés à bande étroite, bases de temps etc. Leur bruit est pratiquement indécelable et très proche de la limite théorique limite de Johnson). Ils sont très peu sensibles à la température et à l'age et, pour autant qu'on reste en deç à des limites de courant et tension du manufacturier, insensibles à l'usage. Leur inductance parasite dépend du montage: certains sont faits de deux feuilles de métal et deux feuilles de polystyrène enroulées en spirale: ceux-là présentent une bonne précision de la capacité au prix d'une certaine inductance parasite (faible). D'autres sont faits de plaques moulées dans un bloc de polystyrène: ils sont moins précis pour la capacitance (ce qui n'est pas un problème pour les circuits de précision qui ont toujours un élément ajustable) mais ont une inductance parasite extrêmement faible.Leur comportement en audio est excellent.
Les condensateurs polypropylène (PP) sont très utilisés en audio. Résistance série extrême, aucun effet de batterie, aucune hystérésis de charge mesurable, bruit presqu'aussi faible que le polystyrène Ils sont aussi moins chers que les condensateurs au polystyrène.polypropylène est très connu des manufacturiers de plastique: beaucoup de jouets, de meubles de patio, boitiers divers, pièces automobiles, téléphones portables et autres accessoires, même les sacs d'épicerie sont faits de polypropylène). Ils sont à toutes fins pratiques aussi stables que le polystyrène (la différence peut prendre des siècles avant d'être appréciable). Ils sont moins précis en valeur nominale que les condensateurs au polystyrène mais, à part dans les circuits de référence (bases de temps ultra-précises), ceci n'a aucune importance. Ils sont aussi assez gros pour leur capacité, le polypropylène se prêtant mal, lui aussi, à un laminage très fin.
Ces condensateurs généralement de faible valeur sont utilisés en haute fréquences et en moyenne et haute tension. Ils ont une bonne stabilité, étalon de mesure etc; inconvénient ils coùtent environ deux fois plus cher qu'un condensateur céramique de tension et capacité égale par exemple.
On trouve également du polyphénylène sulfide (PPS), polycarbonate (PC), polyimide (PI), téflon (Polytetrafluoroéthylène PTFE)
Les condensateurs à film papier ont été utilisés dans les anciens récepteurs radio. Ils ont été abandonnés du fait de leur mauvais vieillissement, entrainant un important courant de fuite. On peut souvent en trouver chez des luthiers, les guitaristes adeptes de son "vintage" les utilisent parfois sur les guitares électriques.
Les condensateurs multicouches avec un diélectrique en verre sont utilisés pour leur stabilité en température et en durée de vie
La valeur des condensateurs électroniques est marquée sur leurs boitiers sous trois formes principales. Elle est en clair sur les condensateurs de grosseur suffisante pour accueillir l'inscription (exemple: 10 micro farad). Le caractère est parfois transformé en la lettre u comme dans 10uF. Le fabricant peut utiliser le code de couleurs relativement peu employé sauf sur certains condensateurs en boitier plastique. Le plus souvent sur les condensateurs de taille modeste et de précision normale, la valeur est notée en picofarads (pF) dans le format XXY ou XX correspond aux deux premiers chiffres de la valeur et Y à la valeur de l'exposant de dix en notation scientifique.

Deux supercondensateurs
Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques.
Ces composants permettent donc de stocker une quantité d'énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage et de la restituer plus rapidement qu'une batterie.

Principe de fonctionnement

La majorité des supercondensateurs commercialisés sont réalisés selon le procédé double couche électrochimique d'où le sigle anglosaxon EDLC (electrochemical double layer capacitator).
Le supercondensateur est constitué de deux électrodes poreuses, généralement en charbon actif et imprégnées d'électrolyte, qui sont séparées par une membrane isolante et poreuse (pour assurer la conduction ionique). La couche double électrique se développe sur chaque interface électrode-électrolyte, de sorte que l'on peut voir schématiquement un supercondensateur comme l'association série de deux condensateurs, l'un à l'électrode positive et l'autre à l'électrode négative. La mobilité des anions, beaucoup moins hydratés, est plus grande que celles des cations. Ils se déplacent plus facilement dans la structure du charbon actif et forment une couche d'épaisseur plus faible, de sorte que l'on observe une valeur de capacité d'anode supérieure à celle de cathode. En raison des lois d'association des condensateurs, la capacité de l'ensemble en série est toujours inférieure à la plus faible de ces deux capacités.
On sait que la capacité d'un condensateur est essentiellement déterminée par la géométrie des armatures (surface spécifique S et distance e) et de la nature du ou des isolants (le diélectrique). La formule suivante est souvent utilisée pour en estimer la valeur
C = ε * S / e
Ici, les molécules de solvant organique jouent le rôle de diélectrique de permittivité. Cela correspond à une faible épaisseur e d'isolant(inférieure au nanomètre) ce qui entraîne que la capacité par unité de surface de ces composants est élevée : de 0,1 F. m-2 à 0,3 F. m-2
D'autre part, grâce à l'usage d'un dépôt de charbon actif sur un film en aluminium qui présente des surfaces spécifiques S typiques de 2 000 à 3 000 m2 par gramme, la surface de contact entre électrode et électrolyte est immense, ce qui permet d'obtenir des valeurs de capacité considérables.
La tenue en tension est limitée par la décomposition du solvant organique. Elle est actuellement de l'ordre de 2,5 V.
Détail
La tension maximale par élément est actuellement d'environ 2,7 V (record détenu par Maxwell)
Ce type de condensateur n'est pas polarisé.
La résistance interne est très faible ce qui autorise une charge ou une décharge avec de forts courants
En conséquence, le temps de charge peut être de l'ordre de quelques secondes.
Comparaison des performances(ordres de grandeur)
- Pile à combustible Batterie Supercondensateur Condensateur électrolytique Densité de puissance (W / kg) 120 150 1000 - 5000 100000 Densité d'énergie (Wh / kg) 150 - 1500 50 -1500 4-6 0,1

Le condensateur :

Le condensateur est l'un des élément des plus intéressant utilisé en électricité.Composé des deux plaques conductrices ( Al, Ag, Cu, Au) séparées par un isolant ( diélectrique : papier, mica, polyester,etc..), il est capable d'accumuler des charges électriques. Il présente donc une sur l'une de ses plaques un défaut d'électrons (pôle positif) et sur l'autre un excès d'électrons ( pôle négatif).
La capacité d'un condensateur se note C et son unité est le farad F.
Marquage des condensateurs plastiques :
Comme les résistances, certains condensateurs sont marqués avec un code de couleurs (les couleurs correspondent aux mêmes coéficients).
couleur - 1er anneau 2ème anneau Multiplicateur Tolérance Isolation noir 0 0 x 1 pF 20% - marron - 1 x 10 pF 1% 100 V rouge 2 2 x 100 pF 2% 250 V orange 3 3 x 1 nF - - jaune 4 4 x 10 nF - 400 V vert 5 5 x 100 nF - - bleu 6 6 x 1 uF - 630 V violet 7 7 - - - gris 8 8 x 0,01 pF - - blanc 9 9 x 0,1 pF - - or - - x 0,1 pF 5% - argent - - x 0,01 pF 10% -

Régime transitoire du condensateur alimenté en tension continue:

Charge du condensateur :
La charge d'un condensateur ne peut pas être instantanée
Sa durée peut être calculée. Elle est de 5 t (tau).t est appelé constante de temps
t = R .C [s]
Pour la décharge, la courbe de la tension sera identique à celle du courant de charge
Pour la décharge du courant la courbe est la même que celle de la charge en courant mais en négatif
La forme de ces courbes sont de type exponentielle
décharge :u = U * e -t / t
charge : i = I * e -t / t

Couplage des condensateurs :

en monophasé:
Lors d'utilisation de plusieurs condensateurs on peut simplifier les circuits en différenciant deux mode de raccordements :
en série :
Q = Q1 = Q2 = Q3 = ..= Qn
C = 1 / (1 / C1 + 1 / C2 + ...+ 1 / Cn)
en parallèle :
Q = Q1 = Q2 = Q3 = ..= Qn
C = C1 + C2 + C3 + ..+ Qn
en triphasé:
Le couplage triphasé est principalement utilisé pour faire de la compensation (amélioration du facteur de puissance).
Théoriquement, on peut faire :
soit un couplage étoile
soit un couplage triangle.
Toutefois pour une puissance réactive équivalente, la capacité en triangle peut être trois fois plus petite qu'en étoile. Dons on choisi plutôt le coulage triangle.

Régime permanent du condensateur:

détail
la valeur ohmique du condensateur varie en fonction de la fréquence.Cette valeur s'appelle la réactance de capacité Xc.
Xc = 1 / ( 2*PI * f * C)
ce qui nous amène à deux conclusions:
à f = 0 (tension continue) Xc = infini = I = 0 [ A] (uniquement un transitoire de charge)
à f = infini Xc = 0 ohm note : sur le graphique ci-contre : C est en µF.
L'unité de la capacité est le farad F. La pratique montre que le farad est une valeur beaucoup trop grande. On utilisera donc préférentiellement le microfarad 10-6F = 1 µF
Pour un condensateur, la capacité dépend de sa construction :
C = A * Er * E0 / d
avec
C : capacité en F
A surface d'une des plaques en m2
Er : permittivité relative [ -]
E0 : permittivité du vide (4*PI* 10-7[ F / m] )
Note : E est en réalité Epsilon
Valeurs de permittivité relative :
Air : 1
Papier paraffiné 2
Verre 4 à 6
Mica 4 à 8

Le Farad :

Le Farad est l'unité de la capacité.
C = 1[ F] si la tension aux bornes du condensateur vaut 1 [ V] et qu'il est chargé d'un coulomb (Q=1[ C] )
C = Q / U
Les condensateurs de compensation d'énèrgie réactive afin de relever le facteur de puissance
L'énergie réactive
Les réseaux électriques à courant alternatif fournissent l'énergie apparente qui correspond à la puissance apparente (ou puissance appelée). Cette énergie se décompose en deux formes d'énergie : l'énergie active, transformée en énergie mécanique (travail) et en chaleur (pertes), l'énergie réactive, utilisée pour créer des champs magnétiques. Les consommateurs d'énergie réactive sont les moteurs asynchrones, les transformateurs, les inductances (ballasts de tubes fluorescents) et les convertisseurs statiques (redresseurs).
Le facteur de puissance
C'est le quotient de la puissance active consommée et de la puissance apparente fournie.
F = P (W) / S (VA) ≈ COS φ
Le cos φ est le facteur de puissance du fondamental et ne prend pas en compte la puissance véhiculée par les harmoniques. Un facteur de puissance proche de 1 indique une faible consommation d'énergie réactive et optimise le fonctionnement d'une installation.
Les représentations graphiques
S = √ P² + Q²
La tangente
Certaines factures d'électricité indiquent la valeur de tg j qui correspond à l'énergie réactive que le distributeur doit livrer pour fournir une puissance active donnée.
tg φ = Q (VAR) / P (W)
L'amélioration du facteur de puissance
Cette amélioration présente de nombreux avantages:
Détail
diminution de la facture d'électricité en évitant la consommation d'énergie réactive au delà de la franchise allouée par le distributeur (40% de l'énergie active consommée) pour les abonnés au tarif vert (S 250kVA)
réduction de la puissance souscrite pour les abonnés au tarif jaune (36kVA ; S 250kVA)
diminution de la section des câbles
diminution des pertes en ligne
réduction de la chute de tension
augmentation de la puissance disponible du transformateur
Pour améliorer le facteur de puissance, il faut installer des condensateurs(source d'énergie réactive). Cette opération est appelée "compensation"
En préalable à la compensation, il faut éviter le surdimensionnement des moteurs asynchrones et leur marche à vide (le facteur de puissance d'un moteur asynchrone est d'autant plus faible que le moteur fonctionne en deç à de sa puissance nominale).
Les différents types de compensation,La compensation d'énergie réactive peut se faire:
Détail
par condensateurs fixes(si la puissance des condensateurs est inférieure à 15% de la puissance du transformateur)
par batteries de condensateurs à régulation automatique (si la puissance des condensateurs est supérieure à 15% de la puissance du transformateur), qui permettent l'adaptation immédiate de la compensation aux variations de la charge
La compensation peut être :
Détail
globale, en tête d'installation
partielle, par secteur, au niveau du tableau de distribution
locale, aux bornes de chaque récepteur inductif
La compensation idéale est celle qui permet de produire l'énergie réactive à l'endroit même où elle est consommée et en quantité ajustée à la demande (compensation locale).
Calcul de la puissance des condensateurs de compensation
Sur une installation de puissance réactive Q et de puissance apparente S, on installe une batterie de condensateurs de puissance Qc.La puissance réactive passe de Q à Q'Q' = Q - Qc La puissance apparente passe de S à S'.La puissance apparente après compensation S'est donc diminuée.
La capacité des condensateurs se calcule par : Qc = 3 * U². C * w
C = Qc / 3 * U² * ω
Les harmoniques
La présence d'harmoniques se traduit
Détail
par une majoration du courant dans le condensateur qui provoque son échauffement et son vieillissement prématuré
par des résonances qui provoquent le claquage par surtension.
Pour neutraliser ces phénomènes, on utilise des selfs anti-harmoniques mises en série et on sur dimensionne les condensateurs en tension.
La protection des condensateurs
La mise en service d'un condensateur équivaut à un court-circuit pendant son temps de charge ou de décharge. Les disjoncteurs de protection sont donc choisis avec déclencheurs à seuil instantané élevé.
Exemples de matériel

Prédimensionnement des condensateurs de compensation


Compensation des transformateurs
Les pertes à vide et les pertes en charge d'un transformateur représentent une puissance réactive de type inductif.
On peut les compenser par des condensateurs raccordés aux bornes basse tension du transformateur.
Les données nécessaires au dimensionnement de la batterie de condensateur sont reprises dans la fiche technique du transformateur et sur la facture électrique (cas du remplacement d'un transformateur sur une installation existante).
Compensation des pertes à vide : Po
Po = (courant à vide x puissance) / 100[ kVAr]
Compensation des pertes en charge Pc
PC = X / 100 x puissance

X² = Ucc²-R²
R = (Pcc / puissance) x 0,1
Compensation centralisée de l'ensemble d'une installation
Valeurs connues
Détail
(valeurs relevées sur le compteur pendant un temps "t" et divisées par "t", ou valeurs lues sur la facture mensuelle)
la puissance active P en kW
la puissance réactive Q en kVAr
d'où, la valeur de tg phi de l'installation : Q / P appelée tg phi1
Puissance réactive nécessaire des condensateurs :
Qc = P x p

p = coefficient figurant sur le tableau ci-dessous
Facteur "p" pour le calcul de la puissance des condensateurs
cos φ
tg φ1 cos φ1 0,70 0,75 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 4,90 0,20 3,88 4,02 4,15 4,20 4,26 4,31 4,36 4,42 4,48 4,54 4,61 4,70 4,90 3,88 0,25 2,86 2,99 3,13 3,18 3,23 3,28 3,33 3,39 3,45 3,51 3,58 3,67 3,88 3,18 0,30 2,16 2,30 2,42 2,48 2,53 2,59 2,65 2,70 2,76 2,82 2,89 2,98 3,18 2,68 0,35 1,66 1,80 1,93 1,98 2,03 2,08 2,14 2,19 2,25 2,31 2,38 2,47 2,68 2,29 0,40 1,27 1,41 1,54 1,60 1,65 1,70 1,76 1,81 1,87 1,93 2,00 2,09 2,29 1,98 0,45 0,97 1,11 1,24 1,29 1,34 1,40 1,45 1,50 1,56 1,62 1,69 1,78 1,99 1,73 0,50 0,71 0,85 0,98 1,04 1,09 1,14 1,20 1,25 1,31 1,37 1,44 1,53 1,73 1,64 0,52 0,62 0,76 0,89 0,95 1,00 1,05 1,11 1,16 1,22 1,28 1,35 1,44 1,64 1,56 0,54 0,54 0,68 0,81 0,86 0,92 0,97 1,02 1,08 1,14 1,20 1,27 1,36 1,56 1,48 0,56 0,46 0,60 0,73 0,78 0,84 0,89 0,94 1,00 1,05 1,12 1,19 1,28 1,48 1,41 0,58 0,39 0,52 0,66 0,71 0,76 0,81 0,87 0,92 0,98 1,04 1,11 1,20 1,41 1,33 0,60 0,31 0,45 0,59 0,64 0,69 0,74 0,80 0,85 0,91 0,97 1,04 1,13 1,33 1,27 0,62 0,25 0,39 0,52 0,57 0,62 0,67 0,73 0,78 0,84 0,90 0,97 1,06 1,27 1,20 0,64 0,18 0,32 0,45 0,51 0,56 0,61 0,67 0,72 0,78 0,84 0,91 1,00 1,20 1,14 0,66 0,12 0,26 0,39 0,45 0,49 0,55 0,60 0,66 0,71 0,78 0,85 0,94 1,14 1,08 0,68 0,06 0,20 0,33 0,38 0,43 0,49 0,54 0,60 0,65 0,72 0,79 0,88 1,08 1,02 0,70 - 0,14 0,27 0,33 0,38 0,43 0,49 0,54 0,60 0,66 0,73 0,82 1,02 0,96 0,72 - 0,08 0,22 0,27 0,32 0,37 0,43 0,48 0,54 0,60 0,67 0,76 0,97 0,91 0,74 - 0,03 0,16 0,21 0,26 0,32 0,37 0,43 0,48 0,55 0,62 0,71 0,91 0,86 0,76 - - 0,11 0,16 0,21 0,26 0,32 0,37 0,43 0,50 0,56 0,65 0,86 0,80 0,78 - - 0,05 0,11 0,16 0,21 0,27 0,32 0,38 0,44 0,51 0,60 0,80 0,75 0,80 - - - 0,05 0,10 0,16 0,21 0,27 0,33 0,39 0,46 0,55 0,75 0,70 0,82 - - - - 0,05 0,10 0,16 0,22 0,27 0,33 0,40 0,49 0,70 0,65 0,84 - - - - - 0,05 0,11 0,16 0,22 0,28 0,35 0,44 0,65 0,59 0,86 - - - - - - 0,06 0,11 0,17 0,23 0,30 0,39 0,59 0,54 0,88 - - - - - - - 0,06 0,11 0,17 0,25 0,33 0,54 0,48 0,90 - - - - - - - - 0,06 0,12 0,19 0,28 0,48 0,43 0,92 - - - - - - - - - 0,06 0,13 0,22 0,43 0,36 0,94 - - - - - - - - - - 0,07 0,16 0,36

La capacité :
La capacité C est la quantité d'électricité Q (en coulomb [ C ], 1C = 1 ampère-seconde As) que le condensateur peut accumuler sous une tension donnée.
C = Q / U
L'unité de la capacité est le farad F . La pratique montre que le farad est une valeur beaucoup trop grande. On utilisera donc préférentiellement le microfarad 10 -6 F =1 µF
Pour un condensateur, la capacité dépend de sa construction :
C = A * e r * e 0 / d
avec
C : capacité en F
A surface d'une des plaques en m 2
e r : permittivité relative [ -]
e 0 : permittivité du vide (8,859 10-12[ F / m] ) ou constante d'influence
note : e est en réalité Epsilon

Valeurs de permittivité relative :

Détail
Air : 1
Papier paraffiné 2
Verre 4 à 6
Mica 4 à 8

Le supercondensateur FastCAP


Supercondensateur FastCAP ultra performant et ultra résistant, stocke 2 à 3 fois plus d'énergie (15,6 Wh / kg) et résiste à 150°C : 5 records du monde.
La société FastCAP Systems a été fondée en 2008 par John Cooley et Riccardo Signorelli, anciens étudiants diplômés en génie électrique et informatique, puis associés post-doctorat dans le laboratoire pour les systèmes électromagnétiques et électroniques du M.I.T.
Les associés ont créé cette société dans le but de commercialiser la technologie de supercondensateur à haute densité d'énergie qu'ils ont mis au point au MIT en 4 ans de recherches collaboratives. Un supercondensateur à base d'électrodes de nanotubes de carbone enduites ayant le potentiel pour stocker beaucoup plus d'énergie que les supercondensateurs à charbon actif du commerce.
Un début de commercialisation de ce supercondensateur ultra performant et ultra résistant a commencé en mars 2013 auprès de l'industrie d'exploration gazière et pétrolière. Cette industrie est très intéressée par ce moyen de stockage qui ne risque pas d'exploser dans un environnement de haute température.
Détail
FastCAP a obtenu 5 records du monde pour des supercondensateurs finalisés
La plus haute densité d'énergie pour une cellule : 18.69 Wh / L - 15.66 Wh / kg (2 à 3 fois plus que les supercondensateurs du commerce)
La plus haute densité de puissance pour une cellule : 120.44 kW / L (117.32 kW / kg)
La plus haute température de fonctionnement pour un supercondensateur : 150°C (2 fois plus que les supercondensateurs du commerce)
Fréquence la plus élevée pour un supercondensateur : 6,3V avec une fréquence de coupure de 500 Hz
La plus haute densité d'énergie et de puissance pour une même cellule : 14,93 Wh / L et 41,04 kW / L (13,50 Wh / kg et 37,12 kW / kg)
La dernière génération de supercondensateurs FastCAP stocke ainsi deux à trois fois plus d'énergie que ses concurrents et peut fournir 7 à 15 fois plus de puissance. Elle coûte aussi moins cher, car elle utilise des matières premières qui sont à la fois peu coûteuses et abondantes aux états-Unis. Le matériau de l'électrode, coûte environ un cinquantième de celui utilisé dans les condensateurs conventionnels.
Le processus de fabrication est basé sur les méthodes utilisées pour la production à grande échelle de composants solaires photovoltaïques. En conséquence, il est à la fois peu coûteux et évolutif et en prime, l'équipement et l'expertise nécessaire sont très développés et facilement disponibles.
La clé du stockage d'énergie, que ce soit dans une batterie ou un supercondensateur, est la capacité de transférer et de stocker les particules chargées appelées ions, explique Joel Schindall, professeur au département de génie électrique et informatique du MIT. Les deux appareils ont à leur base un électrolyte, un mélange d'ions positifs et négatifs. Dans une pile, les réactions chimiques déplacent les ions de l'électrolyte vers l'intérieur ou en dehors de la structure atomique de la matière composant l'électrode selon que la batterie est chargée ou déchargée. En revanche, dans un supercondensateur, un champ électrique entraîne les ions à se déplacer vers ou depuis la surface des électrodes. Vu que les ions ne font que s'accrocher puis se détacher des électrodes sans aucune réaction chimique, un supercondensateur peut être chargé et déchargé très rapidement, encore et encore. Mais tandis que les batteries emmagasinent les ions au sein même de ses électrodes avec une grande capacité de stockage, les supercondensateurs eux ne stockent les ions qu'à la surface des électrodes.
En théorie donc, la solution pour un bon stockage d'énergie par supercondensateur est simple : offrir plus de surface d'électrode pour qu'une grande quantité d'ions puissent s'y accrocher. Dans les supercondensateurs commerciaux d'aujourd'hui, les surfaces des électrodes sont recouvertes avec du charbon actif, un matériau qui est plein de pores fournissant une surface pour que les ions s'y accrochent. Mais le stockage d'énergie y est encore faible.
En 2004, Schindall a proposé une solution différente : recouvrir les électrodes avec des nanotubes de carbone alignés verticalement. Un réseau très serré de grands et minces nanotubes sur l'électrode pourrait fournir beaucoup de surface pour y accrocher les ions. En outre, alors que les pores du charbon actif sont irréguliers en taille et en forme, une forêt de nanotube offrirait des voies droites de sorte que les ions peuvent y entrer et sortir facilement. C'est comme aspirer de la peinture avec un pinceau plutôt qu'avec la surface d'une éponge, dit Schindall. Il a commencé à explorer le concept avec des collaborateurs, John G. Kassakian, professeur de génie électrique et Riccardo Signorelli, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique, puis associé post-doctoral dans le laboratoire pour les systèmes électromagnétiques et électroniques qui fait maintenant partie du laboratoire de recherche en électronique du MIT.
Le concept et les premiers pas
Schéma d'un supercondensateur avec nanotubes de carbone. On peut voir en haut et en bas du schéma les plaques d'électrodes avec des nanotubes de carbone orientées verticalement. Un électrolyte liquide remplit l'espace entre les deux électrodes et un séparateur poreux au milieu empêche les plaques de court-circuiter électriquement entre elles. Dans ce schéma, une tension à travers les deux plaques a induit un excès de charge négative sur la plaque supérieure et un excès de charge positive sur la plaque inférieure. Il en résulte que les nanotubes sont revêtus par des ions de charge opposée. Lorsque les deux plaques sont reliées en boucle extérieure par un fil électrique, les électrons s'écoulent à travers ce circuit extérieur à partir de l'électrode négative jusqu'à l'électrode positive en assurant l'alimentation d'un dispositif consommateur d'électricité en cours de route. Au fil du temps, les deux plaques vont perdre leur charge et les ions positifs et négatifs vont se mélanger de nouveau dans l'électrolyte.
L'équipe du MIT a alors effectué des études de simulation détaillées qui ont confirmé les avantages potentiels du concept proposé. Les simulations ont montré que le supercondensateur à nanotubes de carbones devrait être en mesure de stocker plus d'ions que ceux à charbon actif conventionnels, réalisant ainsi un stockage d'énergie plus efficace.
Encouragés par ces résultats, Schindall et Signorelli se sont lancés sur le défi suivant : réaliser des électrodes de nanotubes de carbone. En un an, ils avaient appris à faire croître des nanotubes de carbone sur du silicium. Mais le silicium n'est pas un bon conducteur. La croissance de nanotubes sur une surface conductrice s'est avéré plus difficile à faire. Après avoir testé de nombreux matériaux, différentes conceptions et méthodes, ils ont trouvé une combinaison qui fonctionne. Ils ont utilisé une couche de tungstène, puis une mince couche d'aluminium comme conducteur et enfin une couche supérieure d'oxyde de fer, le catalyseur pour le procédé. En utilisant un four spécialement conç u, ils ont chauffé leur échantillon jusqu'à ce que l'oxyde de fer se soit séparé en gouttelettes. Ils ont ensuite soufflé du gaz d'acétylène dilué sur la surface. Les gouttelettes d'oxyde de fer ont attrapé le carbone du gaz et les nanotubes de carbone ont commencé à pousser littéralement sur les gouttelettes. Chaque goutte a servi de follicule, presque comme un follicule pileux, pour la croissance des nanotubes, explique Schindall. Les expériences ont montré qu'une très fine couche d'oxyde de fer peut être utilisée pour former de petites gouttelettes à partir desquelles il est possible de faire croître des nanotubes grands, minces et serrés. Une configuration qui maximise la surface disponible sur l'électrode.
L'étape suivante a consisté à intégrer les électrodes de nanotubes dans un dispositif et de tester leur fonctionnement. Nous avons fait grandir des nanotubes aux bonnes dimensions sur un substrat conducteur, mais nous ne savions pas comment ils pourraient fonctionner électriquement, explique Schindall. Un certain nombre d'écueils pouvaient apparaître au moment où ils allaient tester le dispositif. Par exemple, l'électrolyte allait-elle descendre entre les nanotubes et recouvrir leur surface ? Les nanotubes de carbone sont connus pour être très hydrofuges. En outre, dans cette application, les nanotubes sont très rapprochés et donc cela fait un ensemble de nanotubes hydrofuges très serrés entre eux.
Les chercheurs ont réussi à fabriquer un prototype de cellule qui a apaisé ces inquiétudes. Les ions ont pu accéder et recouvrir toute la surface des nanotubes et les nanotubes ont ainsi été reliés électriquement. D'autres études ont montré que la base de chaque nanotube s'est prolongée au-delà des gouttelettes d'oxyde de fer d'où ils ont grandi. En fin de compte, le pied de chaque nanotube entoure et englobe la goutte, par conséquent, il est directement relié au substrat d'aluminium du dessous. Le prototype a ainsi prouvé la viabilité pratique du supercondensateur à nanotubes de carbone.
Par la suite, la société FastCAP Systems a réussi à lever des fonds pour améliorer le dispositif et créer des supercondensateurs capables de stocker 2 fois plus d'énergie que ses concurrents et capables de fournir des densités de puissance 7 à 15 fois plus importantes.
Un supercondensateur ultra résistant
Comme nous l'avons vu dans notre article Les recherches sur les supercondensateurs avancent très vite, malgré le fait que le supercondensateur FastCAP bat déjà tous les records des autres supercondensateurs du commerce, les possibilités d'améliorations son encore énormes. En théorie, la technologie à base de nanotubes de carbone utilisée par FastCAP Systems peut permettre d'atteindre la densité d'énergie des batteries Lithium-ion, c'est à dire 150 Wh / kg. Le supercondensateur FastCAP pourrait notamment augmenter sa densité d'énergie en densifiant la forêt de nanotubes de carbone et en les faisant croître de faç on plus monolithique de faç on à y accrocher encore plus d'ions. L'utilisation d'un liquide ionique peut aussi augmenter fortement cette densité d'énergie.

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