Condensateurs

Le condensateur (en anglais capacitor) est probablement le composant électronique le plus produit au monde : on en compte des dizaines sur chaque carte, des centaines dans une alimentation, et il n'existe guère d'appareil qui s'en passe. Son rôle de fond est de stocker des charges électriques — peu, comparé à une pile, mais de façon quasi instantanée et restituable en une fraction de microseconde. C'est ce mélange de patience et de vitesse qui en fait la pièce maîtresse de tout ce qui doit être lissé, filtré, temporisé ou couplé : alimentations, signaux audio, minuteries, flashs d'appareils photo. Cette page explique ce qu'il y a vraiment entre ses deux bornes, la physique de la charge Q = C × U, les familles qui cohabitent dans une même carte, et les deux calculs que tout électronicien refait sans fin : la temporisation RC et l'ondulation après redressement.

1. C'est quoi ?

Un condensateur est, dans sa forme la plus simple, deux plaques conductrices face à face, séparées par un isolant appelé le diélectrique (en anglais dielectric). Branché sur une source de tension, il voit les électrons s'accumuler d'un côté de l'isolant et faire défaut de l'autre : un champ électrique s'établit entre les plaques, et l'énergie se stocke dans ce champ, immobile. Dans un condensateur idéal, rien ne traverse jamais le diélectrique : pas un électron, pas un courant.

Sa philosophie est l'inverse de celle du fusible. Le fusible est un consommable sacrifié qui passe des années à ne rien faire ; le condensateur est un composant de service qui travaille en permanence, par petites touches invisibles. C'est un petit réservoir de charges — une éponge électrique. Il ne stocke presque rien face à une pile, mais il l'absorbe et le rend mille fois plus vite : la pile débite en minutes, le condensateur en nanosecondes. Et contrairement à la pile, qui stocke par réaction chimique et s'use à chaque cycle, il stocke par pur dépôt de charges : des millions de cycles charge-décharge sans fatigue notable.

L'unité de capacité est le farad (F), en hommage à Michael Faraday. Un farad est énorme : un composant de 1 F est un supercondensateur, pas un composant banal. Le quotidien se joue en sous-multiples — le microfarad (µF, 10⁻⁶ F), le nanofarad (nF, 10⁻⁹ F) et le picofarad (pF, 10⁻¹² F). Trois repères suffisent : le découplage standard autour d'une puce = 100 nF ; le barilot de filtrage d'une alimentation = 1 000 µF ; une antenne accordée = quelques pF.

On en croise partout, sans les voir :

• dans les alimentations : un ou deux gros barilots après le redresseur, et des dizaines de petites pastilles céramiques autour de chaque puce ;
• dans le flash d'un appareil photo : un condensateur chargé pendant des secondes, puis déchargé en un millième de seconde dans le tube ;
• dans les minuteries : essuie-glaces intermittents, minuteries d'escalier, clignotants des automobiles anciennes ;
• dans les enceintes : un condensateur de couplage qui empêche la composante continue d'atteindre le haut-parleur ;
• dans les télécommandes et claviers : déparasitage des contacts, anti-rebond.

2. Comment ça marche ?

Tout part de la séparation des charges. La plaque reliée à la borne négative reçoit un excès d'électrons ; celle reliée au positif en perd autant ; entre les deux, le diélectrique (air, céramique, film plastique ou oxyde d'aluminium) subit le champ électrique et interdit tout passage. Pendant la charge, un courant circule bien dans les fils — des électrons s'empilent d'un côté et sont aspirés de l'autre — mais dès que la tension du condensateur égale celle de la source, tout s'arrête : le condensateur chargé se comporte comme un circuit ouvert. C'est pourquoi, en continu établi, on dit qu'il « bloque ».

La charge stockée est proportionnelle à la capacité et à la tension appliquée :

Q = C × U

La capacité dépend d'abord de la géométrie : C = εr × ε0 × S / e. Plus les plaques sont vastes (S), plus elles sont proches (e petit), plus la capacité monte ; le matériau compte autant, via sa permittivité relative εr. Les familles de condensateurs sont d'ailleurs d'abord des choix de diélectrique. L'astuce des électrolytiques est d'empiler les trois leviers : une couche d'oxyde d'aluminium ultra-mince (quelques micromètres) comme diélectrique, des armatures de grande surface, le tout enroulé en cylindre — d'où les gros barilots. À l'opposé, les céramiques modernes empilent des micro-plaques en couches successives (d'où leur nom MLCC, multilayer ceramic capacitor).

SchémaLes entrailles d'un condensateur

L'énergie stockée suit une loi en carré — c'est elle qui explique les flashs photo :

E = ½ × C × U²

Branché directement aux bornes de la source, le condensateur se charge presque instantanément — limité seulement par les fils, et par l'arc d'entrée : c'est un court-circuit passager. En série avec une résistance, la charge devient graduée. Le produit des deux donne la constante de temps τ = R × C : au bout de τ, la tension du condensateur vaut 63 % de celle de la source ; les 37 % restants se comblent de moitié au τ suivant, et ainsi de suite. À 5τ, la charge est considérée terminée. La même loi gouverne la décharge, à l'envers :

Temps écoulé	Charge	Décharge (il reste)
1τ	63 %	37 %
2τ	86 %	14 %
3τ	95 %	5 %
5τ	99 %	1 %

3. Dans le vrai monde

Chaque famille mise sur un compromis différent entre capacité, précision, tension et endurance :

Famille	Capacités courantes	Polarité	Usages et points forts
Céramique (MLCC)	1 pF à 100 µF	aucune	découplage près des puces, haute fréquence, prix dérisoire
Film (polyester, polypropylène)	1 nF à 10 µF	aucune	précision, audio, liaisons 230 V
Électrolytique aluminium	0,47 µF à 47 000 µF	oui	lissage des alimentations, barilots de créneaux ; vieillit
Tantale	0,1 µF à 470 µF	oui	compact, stable en température ; craint les pointes
Supercondensateur	0,1 F à 3 000 F	oui	tampon d'énergie, sauvegarde de mémoire ; proche des piles de la couche 1

Leurs rôles dominants, dans l'ordre de fréquence d'apparition :

• Découplage d'alimentation : une puce qui calcule tire des pointes de courant en nanosecondes ; le câble vers l'alimentation est trop long et trop lent pour suivre. D'où un 100 nF céramique soudé au plus près de chaque broche d'alimentation : c'est lui qui fournit la pointe, et l'alimentation ne fait que recharger ce petit réservoir. On en met des dizaines par carte, sans même y réfléchir.
• Filtrage après redressement : un pont de diodes sur le secteur fournit du courant pulsé ; le gros électrolytique maintient la tension entre deux crêtes (exercice 2 ci-dessous). C'est le rôle historique, hérité des radios à lampes.
• Temporisation RC : résistance plus condensateur graduent la montée d'une tension — minuteries, clignotants, temporisations de démarrage, fondus de LED.
• Couplage audio : monté en série dans une ligne, le condensateur bloque le continu et laisse passer l'alternatif — il isole le haut-parleur de la composante continue de l'ampli (2 200 µF pour passer les basses, un film pour la précision).

En alternatif, la « résistance » fictive du condensateur porte un nom, la réactance capacitive : Xc = 1/(2πfC) — elle diminue quand la fréquence monte. C'est le teaser de la couche courant alternatif : le condensateur est un fil pour les hautes fréquences, un mur pour le continu.

Le talon d'Achille des électrolytiques est le vieillissement. Leur électrolyte est un liquide qui s'évapore lentement à travers le joint, d'autant plus vite que la température est élevée (règle des datasheets : 10 °C de plus divise approximativement la durée de vie par deux, et inversement). La capacité baisse, la résistance série (ESR) monte, la pression interne pousse le sommet : la croix gravée sur l'aluminium s'ouvre, parfois le fluide suinte. Une alimentation qui vibre, décroche en charge ou bruite a souvent son coupable déjà gonflé — visible à l'œil avant même la mesure.

La tension gravée sur le corps est un plafond absolu, jamais une consigne de travail : on garde 30 à 50 % de marge (12 V réels → 16 V ; 400 V réels → 450 V), et une précaution supplémentaire pour les céramiques, dont la capacité s'effondre quand on s'approche du plafond (effet de polarisation continue). Prix indicatifs : céramique et film de 0,02 à 0,30 euro ; électrolytique classique de 0,10 à 2 euros ; barilot 400 V de 3 à 15 euros ; supercondensateur de 1 à 30 euros.

4. Exemple pratique

Voici le montage à câbler une fois dans sa vie, sur plaque d'essai : une source 12 V, une résistance de 100 kΩ, un électrolytique de 100 µF vers la masse, et une LED avec sa résistance de 470 Ω branchée en parallèle du condensateur. À la mise sous tension, la LED monte en fondu pendant une dizaine de secondes : la constante de temps devient visible à l'œil nu.

Exercice résolu — une temporisation de LED

La LED s'allume en fondu. Combien de temps dure réellement la charge ?

1. Constante de temps : τ = R × C = 100 000 Ω × 0,0001 F = 10 s.
2. Chronologie : à 1τ (10 s), le condensateur tient 63 % de 12 V, soit 7,6 V — la LED brille déjà nettement ; à 3τ (30 s), 95 % ; à 5τ (50 s), 99 % — on considère la charge terminée. Le fondu observable dure donc une bonne minute.
3. Ajustement : pour une temporisation de 5 s, on garde C et on recalcule R : R = τ / C = 5 / 0,0001 = 50 000 Ω — la valeur normalisée la plus proche est 47 kΩ, qui donne τ = 4,7 s.
4. Limite : au-delà de 1 MΩ, les courants de fuite du condensateur rivalisent avec le courant de charge et la temporisation devient imprécise ; pour aller plus long, on augmente C ou on passe au temporisateur NE555.

Le visuel interactif ci-dessous rejoue cette physique : déplacez R et C, lisez τ, et comparez la charge à la décharge.

Exercice résolu — dimensionner le lissage après un pont de Graëtz

Un chargeur consomme 1 A en continu, derrière un pont de diodes sur le secteur 50 Hz (voir diodes). On a sous la main un condensateur de 1 000 µF. Quelle sera l'ondulation ?

1. Cadence de recharge : le pont redresse les deux alternances, donc recharge le condensateur 100 fois par seconde — toutes les 10 ms. Entre deux crêtes, c'est le condensateur qui alimente seul la charge.
2. Estimation de l'ondulation : ΔU ≈ I × Δt / C = 1 × 0,010 / 0,001 = 10 V.
3. Lecture : 10 V d'ondulation sur une alimentation 12 V, c'est intenable — la tension plonge presque jusqu'à 2 V entre les crêtes.
4. Correction : avec 4 700 µF, ΔU ≈ 1 × 0,010 / 0,0047 ≈ 2,1 V — acceptable pour un chargeur. Règle de concepteur à 100 Hz : 1 000 µF par ampère donne environ 10 V d'ondulation ; viser 2 200 à 4 700 µF par ampère, davantage encore pour l'audio.

5. Vérifier sa compréhension

Réfléchissez avant de dérouler les réponses.

1. On passe un condensateur de 100 µF de 12 V à 24 V : de combien augmente son énergie stockée ?
2. Pourquoi l'électrolytique porte-t-il une bande « − » et un culot cranté, quand la céramique s'installe dans n'importe quel sens ?
3. Avec R = 10 kΩ et C = 10 µF : que vaut τ, et au bout de combien de temps la charge est-elle « terminée » ?
4. Un condensateur monté en série dans une ligne : que fait-il du courant continu ? Et de l'alternatif à 1 kHz, puis à 100 kHz ?
5. Pourquoi soudet-on des dizaines de petits 100 nF autour des puces, alors que l'alimentation a déjà son gros barilot de filtrage ?

6. Pour aller plus loin

• IEC 60384 (série) — « Condensateurs fixes pour utilisation en électronique » : codes, essais et plages de tension des céramiques (partie 8), films (partie 2), électrolytiques aluminium (partie 4) et tantales (partie 3), sur le catalogue de l'IEC.
• Kemet — datasheets, notes d'application et simulateur de courbes K-SIM pour céramiques et tantales, sur kemet.com.
• Nichicon — datasheets des électrolytiques aluminium, avec les courbes de durée de vie à 105 °C qui permettent de calculer la durée de service réelle, sur nichicon.com.
• Murata — notes d'application sur le découplage des alimentations : nombre de condensateurs, valeurs et placement près des puces, sur murata.com.
• Cornell Dubilier — « Aluminum Electrolytic Capacitor Application Guide », la référence des pratiques de conception (ondulation, durée de vie, montage), sur cde.com.