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La valeur de autres appareils de traitement des gaz joue un rôle important dans la quantité d'énergie qu'ils peuvent stocker et dans leur rapidité à réagir aux changements dans les systèmes électroniques. Prenons par exemple ces types céramiques de 100 nF qui fonctionnent très bien pour éliminer le bruit dans les circuits numériques à haute fréquence. En revanche, lorsqu'on travaille sur des alimentations électriques, on utilise souvent des condensateurs électrolytiques de 10 µF car ils sont adaptés à la tâche de filtrage plus importante requise dans ce cas. Toutefois, lorsqu'il s'agit d'oscillateurs RF, les ingénieurs choisissent généralement des valeurs faibles comprises entre 1 et 10 pF afin d'ajuster précisément les fréquences. De légères variations de ces petites valeurs ont une grande importance pour obtenir des résultats précis. La dernière édition du Circuit Design Handbook datant de 2024 met en garde contre le fait que le choix de valeurs de condensateurs inadaptées à l'application peut provoquer des problèmes tels que des effets de résonance indésirables ou des chutes de tension dans les composants analogiques sensibles des circuits.
| Plage de capacitance | Impédance typique (1 MHz) | Bande de fréquence optimale |
|---|---|---|
| 1pF - 10nF | <1Ω | RF (50MHz) |
| 10nF - 1µF | 0,1Ω - 10Ω | Numérique (1-100MHz) |
| 10µF | 100mΩ | Puissance (<1kHz) |
| Les valeurs de capacitance plus faibles conservent un comportement capacitif jusqu'aux fréquences GHz, alors que les électrolytiques de forte valeur deviennent inductifs au-dessus de 100 kHz. Ce comportement influence le positionnement : céramiques petites près des circuits intégrés pour la suppression du bruit haute vitesse, tantales plus volumineux aux points d'entrée d'alimentation pour la stabilité à basse fréquence. |
Les condensateurs céramiques X7R ont tendance à perdre environ 15 à 25 pour cent de leur capacité lorsque la température atteint 85 degrés Celsius. Les variantes C0G et NP0 sont beaucoup plus performantes en termes de stabilité face aux variations de température, avec une variation d'environ plus ou moins 30 parties par million par degré. Pendant ce temps, les condensateurs électrolytiques en aluminium peuvent voir leur capacité chuter jusqu'à 20 % s'ils fonctionnent à 80 % de leur tension nominale. Pour les ingénieurs travaillant sur des projets dans des conditions difficiles, comme dans les voitures ou sur les lignes de production industrielles, il est généralement conseillé de réduire les caractéristiques nominales des composants de 20 à 50 % afin de prévoir une marge de sécurité contre les dégradations progressives dues à la chaleur et aux contraintes électriques dans le temps.
Lorsque l'on travaille avec des circuits de temporisation précis, les condensateurs film à faible tolérance, avec une variance d'environ 1 %, permettent de maintenir la stabilité et la précision. Pour les applications moins critiques où le stockage d'énergie est plus important que la précision des mesures, les condensateurs électrolytiques standards, avec leur plage de tolérance de 20 %, conviennent généralement bien. En ce qui concerne la durée de vie, les condensateurs polymères ont tendance à mieux résister à l'usure au fil du temps. Ils perdent typiquement environ 5 % de leur capacité après 10 000 heures de fonctionnement continu, alors que les électrolytiques traditionnels à base de liquide peuvent voir leur capacité chuter jusqu'à 30 %. De nombreux concepteurs de circuits confrontés à des conditions réelles connectent en réalité plusieurs condensateurs de valeurs différentes en parallèle. Cette pratique permet de lutter contre les facteurs environnementaux imprévisibles ainsi que contre l'usure progressive des composants. La plupart des manuels de conception de réseaux de distribution d'énergie recommandent aujourd'hui spécifiquement cette technique afin de créer des systèmes d'alimentation plus fiables et durables.
Les MLCC, ou condensateurs céramiques multicouches, sont utilisés partout, des circuits de découplage aux applications de contournement, car ils sont suffisamment petits pour s'insérer presque n'importe où et sont disponibles en tailles standard allant de 100 nF jusqu'à 10 microfarads. Les condensateurs situés à l'extrémité inférieure de cette plage, généralement entre 0,1 et 1 microfarad, permettent de réduire les bruits hautes fréquences indésirables qui affectent les processeurs et les modules radiofréquence. En revanche, les plus gros MLCC, compris entre 4,7 et 22 microfarads, jouent un rôle différent en maintenant la stabilité des alimentations dans les objets connectés et l'électronique automobile. Selon une étude récente de Future Market Insights, la demande de MLCC destinés spécifiquement à l'infrastructure 5G a connu une forte hausse, avec une croissance annuelle d'environ 11 pour cent. Ces composants excellent dans ce domaine grâce à leur inductance série équivalente extrêmement faible, inférieure à un nanohenry, ce qui les rend particulièrement efficaces contre les problèmes de bruit à des fréquences supérieures à 1 gigahertz.
| Caractéristique | C0G/NP0 (classe 1) | X7R (classe 2) | Y5V (classe 2) |
|---|---|---|---|
| Stabilité thermique | ±30 ppm/°C | ±15 % (-55 °C à +125 °C) | +22 % / -82 % (-30 °C à +85 °C) |
| Dépendance à la tension | <1 % ΔC | 10-15 % ΔC | 20 % ΔC |
| VSG | 5-10 mΩ | 50-100 mΩ | 200-500 mΩ |
| Applications | Oscillateurs, filtres RF | Découplage de l'alimentation | Tamponnage non critique |
Les condensateurs C0G/NP0 offrent une précision et une stabilité élevées pour les applications de temporisation et RF, tandis que le X7R assure un compromis économique pour une utilisation générale dans les convertisseurs DC/DC. Les types Y5V, bien qu'ils varient fortement selon la tension et la température, conviennent bien à l'électronique grand public où une tolérance large est acceptable.
Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) dont la densité dépasse 10 microfarads subissent souvent une chute d'environ 30 à 60 pour cent de leur capacité nominale lorsqu'ils sont soumis à des tensions continues supérieures à la moitié de leur valeur maximale admissible. Cette perte de capacité s'explique par l'alignement des grains diélectriques dans les matériaux à base de titanate de baryum utilisés dans ces composants. Fait intéressant, les types X7R présentent des baisses beaucoup plus marquées que leurs homologues X5R. Pour faire face à ce problème, la plupart des ingénieurs réduisent la tension de fonctionnement d'environ moitié ou connectent plusieurs condensateurs de plus faible valeur en parallèle. Cela permet de préserver le niveau de capacité requis malgré les limitations inhérentes de ces composants céramiques en conditions de charge.
Lorsqu'on travaille avec des condensateurs, une faible résistance série équivalente est très importante pour réduire les pertes de puissance dans ces circuits de régulation à découpage. Prenons par exemple un condensateur standard de taille 1206, 10 microfarads, type X7R, qui présente typiquement une ESR inférieure à 10 milliohms. Mais il existe un autre facteur à prendre en compte : l'inductance parasite, généralement d'environ 1,2 nanohenry, qui peut fortement nuire aux performances à hautes fréquences. Ce phénomène concerne également les composants plus petits. Un simple condensateur 100nF en boîtier 0402 commence à entrer en résonance vers 15 mégahertz et devient pratiquement inutile dès que l'on dépasse 50 MHz. Les ingénieurs expérimentés connaissent bien cette limitation et combinent donc souvent des condensateurs céramiques multicouches (MLCC) avec des types à film ou en mica. Cette association permet de maintenir l'impédance globale du système en dessous d'un ohm sur plusieurs plages de fréquence, ce qui est absolument essentiel pour un fonctionnement stable dans les conceptions électroniques modernes.
Les condensateurs électrolytiques stockent une quantité appréciable d'énergie, généralement entre 10 microfarads et jusqu'à 47 000 microfarads. Ils sont très importants pour éliminer les fluctuations de tension gênantes et filtrer les bruits à basse fréquence dans les systèmes d'alimentation en courant continu. En ce qui concerne les alimentations à découpage, les ingénieurs optent généralement pour des valeurs comprises entre 100 et 2 200 microfarads afin de maintenir une sortie stable. Pour les espaces réduits où un filtrage local du bruit est nécessaire, on utilise des condensateurs au tantale. Ces composants compacts offrent des valeurs allant de 1 à 470 microfarads et occupent beaucoup moins de place. La majorité des concepteurs préfèrent les électrolytiques en aluminium lorsque le coût est un facteur déterminant et qu'une grande capacité de stockage d'énergie est requise. Toutefois, lorsque l'espace est limité et que la stabilité à différentes températures est essentielle, le tantale devient le choix privilégié, malgré son prix plus élevé.
Les condensateurs électrolytiques et au tantale présentent des exigences de polarité, ce qui implique une installation correcte en fonction du sens de la tension. Lorsque les électrolytiques à base d'aluminium subissent une polarisation inverse, leur électrolyte a tendance à se dégrader rapidement, ce qui peut réduire considérablement leur durée de vie — parfois jusqu'à 70 %. En ce qui concerne la gestion du courant de ripple, des différences apparaissent entre ces composants. Les versions en aluminium gèrent généralement des courants de ripple plus élevés, environ 5 ampères efficaces, bien qu'elles s'user plus vite lorsqu'elles sont exposées à la chaleur. Les condensateurs au tantale offrent des avantages tels qu'un courant de fuite plus faible et de meilleures caractéristiques de stabilité, mais les concepteurs doivent souvent appliquer des stratégies de déclassement de tension pour les protéger contre les surtensions. Le vieillissement reste un problème pour les deux types de condensateurs. Par exemple, les électrolytiques à l'aluminium connaissent généralement une diminution de leur valeur de capacité comprise entre 20 et 30 % après avoir fonctionné en continu pendant environ 5 000 heures à des températures proches de 85 degrés Celsius.
Les concepteurs équilibrent trois paramètres clés lors du choix de condensateurs à haute capacité :
Un condensateur au tantale de 100 μF/25 V occupe 30 % de surface imprimée en moins que son homologue en aluminium, mais coûte environ cinq fois plus cher.
Les condensateurs en tantale fonctionnent très bien dans les circuits audio et les appareils mobiles car ils maintiennent une ESR constante à différentes fréquences. Cela permet de préserver les relations de phase dans ces conceptions de filtres analogiques. Les condensateurs électrolytiques en aluminium dominent encore lorsqu'il s'agit de filtrer les alimentations dans les amplificateurs, en traitant efficacement la plage de bruit allant de 100 Hz à environ 10 kHz. Mais il y a un inconvénient : leur ESR plus élevée commence à provoquer une distorsion notable dès que les signaux dépassent environ 1 kHz. De nos jours, les ingénieurs combinent de plus en plus l'aluminium pour la capacité de stockage principale, tout en ajoutant des composants en tantale ou en céramique pour gérer les problèmes de bruit haute fréquence. Le domaine du matériel médical présente également des données intéressantes. Les composants solides en tantale ont tendance à durer environ deux fois plus longtemps que les composants électrolytiques humides en conditions de fonctionnement continu, ce qui en fait un choix judicieux lorsque la fiabilité est primordiale.