Condensateurs : les bases

Nous allons défricher le terrain pour expliquer ce qu'est un condensateur et à quoi il sert.

Un condensateur est un composant électrique que l'on retrouve dans presque tous les circuits électroniques. Il est schématiquement composé de 3 parties : 2 pôles (+ et -), souvent en plaques, et un diélectrique, isolant polarisable, entre ces pôles. Cette "paroi" peut être solide, liquide ou gazeuse (air).

La capacité d'un condensateur se mesure en Farad (F), mais on utilise généralement ses sous-divisions : microFarad (µF), nanoFarad (nF) voire picoFarad (pF).

Son fonctionnement est le suivant : avec un courant électrique, les électrons vont s'accumuler sur le pôle négatif. C'est la charge du condensateur, phase pendant laquelle le courant ne circule pas dans le circuit. Quand le pôle est saturé, il ne peut plus retenir ces électrons qui vont traverser le diélectrique, la "paroi" isolante entre les 2 pôles. C'est la décharge du condensateur, phase pendant laquelle le courant circule dans le circuit.

A quoi ça sert ?

Le condensateur est utilisé principalement pour stabiliser une alimentation électrique. Il peut aussi découpler (=séparer) le courant alternatif (signal audio) du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur, ou bien traiter des signaux périodiques (filtrage/EQ) voire stocker de l'énergie (supercondensateurs).

Les diodes permettent de rectifier le courant alternatif, c'est-à-dire que le courant fait des pics de 0 Volt à un max après les diodes. En branchant un condensateur entre le circuit actif et la masse, le courant continu ne passera pas mais les pics viendront charger le condensateur réduisant ainsi le courant et la tension effective dans le circuit. Dans l'autre sens, quand la tension des pics chute, le condensateur va se décharger en fournissant tension et courant, permettant ainsi un lissage de la tension et du courant. C'est pourquoi on implante un condensateur en amont d'un composant afin d'absorber les pics et de combler les creux et ainsi fournir une puissance constante au composant.

A quoi ça ressemble ?

Il existe plusieurs types de condensateurs (dans l'ordre de la photo) : les céramiques, les tantales, les film métal, les électrolytiques, les film PP. Ils ont des caractéristiques propres qui répondent à des besoins spécifiques.

Le condensateur électrolytique est de loin le plus habituel avec sa forme de chapeau haut-de-forme. Il est composé de 1 ou 2 feuille(s) de métal séparée(s) par le diélectrique, enroulée(s) sur elle(s)-même et mise(s) dans le boîtier. Efficace pour le filtrage simple, il n'est pas adapté aux hautes fréquences.

Ci-dessous c'est un condensateur électrolytique à quatre sections. Il y a donc 4 condensateurs de différentes valeurs dans un seul boîtier.

Le disque céramique est idéal pour les hautes fréquences mais ne fait pas un bon filtre car il lui faut une grande taille pour une grande valeur de capacité. Dans les circuits nécessitant impérativement une tension stable, on trouve généralement un grand condensateur électrolytique en parallèle à un disque céramique. L'électrolytique fait tout le boulot et le disque céramique écrête les hautes fréquences restantes.

Le condensateur tantale est petit, plus ou moins en forme de goutte, mais offre une meilleure capacité à taille égale que le disque céramique. Il est également plus onéreux mais est très utilisé dans les circuits des petits appareils électroniques.

Quoique non polarisé, le vieux condensateur à papier avait une bande noire d'un côté. La bande noire indiquait de quel côté était la feuille de métal (agissant comme un isolant). Ce côté était connecté à la masse (ou à la plus basse tension). Le but de cette feuille de métal était d'augmenter la durée de vie du condensateur à papier.

Nous arrivons aux condensateurs qui vous intéresseront le plus en termes d'iTrucs. Ils sont très petits en comparaison des condensateurs déjà évoqués, ce sont les condensateurs CMS ou SMD (Composant Monté en Surface = Surface Mounted Device). Malgré leur taille réduite, leur fonctionnalité est la même que celle des plus grands condensateurs. Au-delà de leur qualité, c'est le "boîtier" qui prime : il respecte un format standardisé, par exemple 0201 = 0,25 mm x 0,125 mm (0,01" x 0,005"). Le boîtier d'un condensateur CMS céramique suit les mêmes règles que celui d'une résistance CMS. Il est alors presque impossible de différencier d'un simple coup d'œil une résistance d'un condensateur.

CMS sur un circuit électronique

CMS agrandis

Déterminer la valeur d'un condensateur peut se faire de plusieurs façons. La première, bien sûr, est lire le marquage sur le composant.

Ce condensateur a une capacité de 220 µF avec une tolérance de 20 %, soit une capacité réelle comprise entre 176 et 164 µF. Sa tension maximale d'utilisation est de 160 V. L'implantation des pattes montre que c'est un condensateur radial : les deux pôles sortent du même côté. Un condensateur axial aurait ses pattes sortant chacune d'un côté du condensateur. La bande fléchée sur le côté du condensateur indique la polarité, les flèches pointant vers le "point négatif".

Maintenant la question est de savoir comment vérifier si un condensateur est à remplacer.

Pour faire une vérification sur un condensateur installé sur un circuit, il vous faudra un ESR-mètre. Si le condensateur est enlevé du circuit, on peut utiliser un multimètre réglé sur Ohmmètre pour un test "tout ou rien". Ce test ne montre que si le condensateur est complètement mort ou pas et absolument pas s'il est en bon état de marche ou pas. Pour déterminer si un condensateur fonctionne à sa valeur nominale, il faudra utiliser un capacimètre. Cela reste vrai pour déterminer la capacité d'un condensateur sans indication.

Le mesureur utilisé pour ce wiki est le moins cher de n'importe quelle grande surface. Pour ces tests nous pouvons avantageusement utiliser un multimètre analogique. Le mouvement de l'aiguille sera alors plus visuel que les nombres qui défilent rapidement. Ceci doit permettre à tout un chacun de mener ces tests sans dépenser une fortune dans un outil de mesure Fluke, par exemple.

Il faut toujours décharger un condensateur avant de le tester si on ne veut pas prendre un choc électrique. Les petits condensateurs peuvent être déchargés en reliant les 2 pattes à un tournevis. Une meilleure méthode consiste à décharger le condensateur à travers une charge, ce qui peut être fait avec des pinces croco et une résistance. Un petit tuto à ce sujet sur cet excellent site.

Pour tester un condensateur avec un multimètre, réglez ce dernier dans la gamme des résistances les plus élevées (10k Ohms ou plus). Connectez vos pointes aux pattes du condensateur correspondantes : rouge vers le + et noir vers le -. Si le multimètre va graduellement de zéro à l'infini, c'est que le condensateur fonctionne. S'il reste à zéro c'est que le condensateur ne se charge pas avec le multimètre et qu'il ne fonctionne donc pas.

Ceci fonctionne également avec des condensateurs CMS. Même test avec l'aiguille qui bouge doucement dans le même sens.

On peut également faire un test de tension sur un condensateur. Nous savons que le condensateur emmagasine une différence de potentiels de charge entre ses pôles, ce sont des tensions. Un condensateur a une anode avec une tension positive et une cathode avec une tension négative. Une façon de vérifier qu'un condensateur fonctionne est de le charger avec une tension puis de lire la tension entre les 2 pôles. Pour cela il est nécessaire d'appliquer un courant continu aux bornes du condensateur. Dans ce cas la polarité est très importante... si le condensateur est polarisé (électrolytique). La tension positive ira sur l'anode et la négative sur la cathode du condensateur. N'oubliez pas de vérifier les indications sur le condensateur à tester. Appliquez ensuite une tension - qui devrait être moindre que la tension d'utilisation indiquée - pendant quelques secondes. Dans cet exemple, le condensateur de 160 V sera chargé quelques secondes avec une pile 9 V.

Une fois la charge faite, déconnectez la pile du condensateur et lisez à l'aide du multimètre la tension entre les pattes du condensateur. On devrait lire autour de 9 V. La tension va rapidement baisser vers 0 V car le condensateur se décharge par le multimètre. Si la tension n'est pas maintenue par le condensateur, il est défectueux et doit être remplacé.

Le plus simple, bien sûr, est de mesurer la capacité avec un capacimètre. Ici nous avons un condensateur FRAKO axial GPF 1000 µF 40 V avec une tolérance de 5 %. Vérifier la capacité au capacimètre est évident. Sur ces condensateurs, la borne positive est marquée. Connectez la pointe positive (rouge) de l'outil à cette borne et la négative (noire) à l'autre. Ce condensateur affiche 1038 µF, ce qui est clairement dans la tolérance.

Pour tester un condensateur CMS, il peut s'avérer difficile de le faire avec les pointes fournies avec le multimètre. On pourra soit souder des aiguilles au bout de ces pointes, soit investir dans des pincettes adaptées, ce qui serait le mieux.

Certains condensateurs ne nécessitent aucun test pour établir leur mauvais état. Une inspection visuelle peut révéler des signes de boursoufflures sur le haut ("bulging tops" ci-dessous) ou de coulures en dessous, indiquant des condensateurs morts. C'est la panne la plus fréquente dans les alimentations électriques. Quand on remplace un condensateur, il est impératif de prendre un condensateur de valeur égale ou supérieure, mais jamais avec un condensateur de moindre valeur.

Si le condensateur à vérifier ou remplacer n'a aucune indication, il vous faudra un schéma. L'image ci-dessous, trouvée sur ce site, montre quelques-uns des symboles des condensateurs utilisés dans les schémas.

Cet extrait de schéma d'un iPhone montre le symbole des condensateurs ainsi que les valeurs associées (polarisation ou non, capacité, tolérance, boîtier, tension d'utilisation).

Ce wiki ne couvre que les bases sur quoi chercher sur un condensateur, il n'est en aucun cas complet. Pour en savoir plus sur n'importe quel composant électronique, il y a beaucoup de matériel online et offline.

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