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Les composants passifs : le condensateur

L’électronique pour le musicien partie 2

Nous continuons notre approche basique des éléments nécessaires pour débuter une pratique DIY en nous intéressant à un seul composant, mais un de taille (dans tous les sens du terme) : le condensateur.

Accéder à un autre article de la série...

Avec les conden­sa­teurs (les « condos » comme disent les jeunes…), nous sommes toujours dans la caté­go­rie des compo­sants passifs : c’est-à-dire qu’ils ne peuvent pas être employés pour ampli­fier un signal, et qu’ils peuvent très bien fonc­tion­ner sans courant d’ali­men­ta­tion. En revanche, dans le cadre des circuits de trai­te­ment du son, ils ont trois fonc­tions cruciales. Mais avant d’en arri­ver là, posons la ques­tion : c’est quoi un conden­sa­teur ?

2 conduc­teurs, 1 isolant

Un conden­sa­teur est formé de deux maté­riaux conduc­teurs (c’est-à-dire qui laisse passer le courant, on les appelle « arma­tures »), sépa­rés entre eux par un isolant (qui empêche le courant le passer, on l’ap­pelle le « diélec­trique »). Chaque arma­ture est reliée à l’une des « pattes » du compo­sant.

Cette struc­ture est très claire lorsque l’on regarde son symbole sché­ma­tique :

Art2 PHOTO 1

Voici trois symboles de conden­sa­teur, il en existe encore d’autres, corres­pon­dant à des normes et à des époques diffé­rentes.

À quoi ça sert ?

Dans un circuit de trai­te­ment du signal audio, un conden­sa­teur peut avoir diverses fonc­tions, selon son appli­ca­tion.

La première, c’est celle pour laquelle il a été conçu (déjà au XVIIIe siècle !) : stocker du courant. En effet, lorsqu’on applique du courant continu (souvent nommé par son sigle anglais DC) à un conden­sa­teur, il va se char­ger de ce courant, un peu comme une batte­rie. Il peut ensuite se déchar­ger, et ainsi four­nir le courant qu’il a stocké.

À ce stade de cette série d’ar­ticle, avant d’avoir traité les notions de courant, de tension et d’in­ten­sité, il est diffi­cile d’abor­der de façon vrai­ment satis­fai­sante le fonc­tion­ne­ment d’un conden­sa­teur. Il vous suffit pour l’ins­tant de savoir qu’un conden­sa­teur a une capa­cité de charge qui lui est propre : on la note en « farads » (symbole : F).

NB : comme 1 farad est déjà une valeur très forte, on note souvent en micro­fa­rad (μF), voire nano- (nF) ou pico- (pF).

Indiquons toute­fois rapi­de­ment deux éléments impor­tants :

  1. Lorsqu’un conden­sa­teur reçoit à ses bornes une tension conti­nue (imagi­nez par exemple la tension aux bornes d’une pile +9V), il se charge en courant. Dès que sa charge maxi­male est atteinte, plus aucun courant n’a lieu dans le circuit. Le conden­sa­teur bloque le courant continu.

  2. Un conden­sa­teur a un temps de charge et de décharge. En cela, s’il voit à ses bornes une tension conti­nue fluc­tuante (tension instable), il mettra un temps à se char­ger lorsque la tension augmen­tera et à se déchar­ger dès que la tension faiblira. En cela, un conden­sa­teur s’op­pose aux varia­tions rapides de tension.

Nous explo­re­rons plus longue­ment les impli­ca­tions de ces phéno­mènes, lorsque nous nous penche­rons sur les alimen­ta­tions et les étages d’am­pli­fi­ca­tions dans les circuits.

Il convient de signa­ler qu’un conden­sa­teur a une tension admis­sible maxi­male (indiqué dessus). S’il est soumis trop long­temps à une tension plus élevée, un arc élec­trique peut se former entre les deux arma­tures, et l’en­dom­ma­ger.

Un dernier point dans cette intro­duc­tion : un conden­sa­teur possède une impé­dance. Pour les plus débu­tants, expli­ca­tion très courte : on nomme résis­tance le phéno­mène d’op­po­si­tion au courant continu, et impé­dance le phéno­mène d’op­po­si­tion au courant alter­na­tif. Les signaux audio sont consti­tués de signaux alter­na­tifs : un conden­sa­teur oppose donc une impé­dance au signaux sonores. Mais atten­tion, son impé­dance n’est pas égale pour toutes les fréquences : elle tend vers l’in­fini pour les fréquences basses, et vers zéro pour les fréquences hautes. Dis en termes vulga­ri­sés : un conden­sa­teur oppose une plus grande impé­dance aux basses qu’aux aigus. Pour cette raison, en théo­rie, un conden­sa­teur a les carac­té­ris­tiques d’un filtre passe-haut. En pratique, dans des circuits, on pourra le faire inter­agir avec les impé­dances d’autres compo­sants (résis­tances, induc­tances) pour géné­rer divers types de filtres (passe-haut, passe-bas, passe-bande). C’est sur ce prin­cipe que se fondent la plupart des étages de tona­lité dans les ampli­fi­ca­teurs et le réglage de « tone » des guitares et des basses.

Apprendre à repé­rer un conden­sa­teur

Art2 PHOTO 2
David et Goliath

L’ap­pa­rence des conden­sa­teurs varie énor­mé­ment. Cette dispa­rité s’ex­plique mieux lorsqu’on sait qu’ils sont formés selon diffé­rentes tech­no­lo­gies (diffé­rents diélec­triques, diffé­rents conduc­teurs) et qu’ils sont souvent le fruit de compro­mis entre leur taille, leur capa­cité et leur tension admis­sible.

En effet, plus un conden­sa­teur a une capa­cité élevée, plus il sera gros. Pourquoi ? Parce que leur capa­cité est propor­tion­nelle (entre autres facteurs) à la taille des deux conduc­teurs : ils prennent la forme de deux feuilles (d’une matière conduc­trice) extrê­me­ment fines sépa­rées entre elles par une autre feuille d’une matière isolante. Ces trois feuilles super­po­sées sont roulées ou pliées comme un mille-feuille, à l’in­té­rieur du conden­sa­teur.

Plus on souhaite obte­nir une grande capa­cité, plus il faut de matière, donc plus le conden­sa­teur sera gros.

Il existe deux grandes familles : les pola­ri­sés et les non pola­ri­sés.

Conden­sa­teurs pola­ri­sés

Les conden­sa­teurs pola­ri­sés ont un pôle posi­tif et un néga­tif, comme leur nom l’in­dique. Ils ont donc un sens de montage dans les circuits (basé sur la pola­rité du courant d’ali­men­ta­tion du circuit). On les symbo­lise ainsi :

Art2 PHOTO 3

NB : les deux symboles UE peuvent parfois se trou­ver sans le +, mais leur morpho­lo­gie indique toute­fois la pola­rité (bande blanche = posi­tif). En revanche, il arrive qu’on trouve le symbole US sans le + : il symbo­lise alors géné­ra­le­ment un conden­sa­teur non pola­risé.

Leur pola­ri­sa­tion est indiquée à l’aide de diffé­rents signes :

Art2 PHOTO 4

De gauche à droite : pola­rité indiquée par une bande grise avec signe -, un signe +, un point noir (sur borne néga­tive)

Un conden­sa­teur installé à l’en­vers claquera : c’est-à-dire qu’il finira par explo­ser, avec un son sec, de la fumée et une mauvaise odeur.

Il existe deux sous-genres de conden­sa­teur pola­risé :

1. Le conden­sa­teur élec­tro­ly­tique

vous en rencon­tre­rez souvent, car ils offrent le meilleur rapport taille/capa­cité. Ils sont parfois nommés « chimiques », mais ce n’est pas le terme tech­nique.

Art2 PHOTO 5

Il est rare de les trou­ver sur des valeurs infé­rieures à 1μF et ils peuvent aller jusqu’à des valeurs élevées (dans les appa­reils du commerce, jusqu’à des dizaines de milliers de micro­fa­rads, mais il existe de plus grosses capa­ci­tés). Ils ont une implan­ta­tion radiale (à gauche ci-dessus) ou axiale (à droite). Dans le cas d’un conden­sa­teur axial, le pôle + est toujours celui où la canette forme une colle­rette et se termine par un embout en matière isolante (souvent en matière plas­tique, comme sur la photo au-dessus).

Ils possèdent plusieurs défauts, dont le plus impor­tant est d’avoir un temps de vie limité (souvent entre 10 et 20 ans selon l’usage qui en est fait). Un conden­sa­teur élec­tro­ly­tique fati­gué peut parfois être « reformé » de façon à lui donner une nouvelle vie, mais ce proces­sus n’est pas à la portée de tous et ne réus­sit pas toujours.

De plus, étant donné que leur isolant est basé sur un élec­tro­lyte liquide, ils peuvent couler ou sécher en vieillis­sant. Ainsi, lorsqu’ils sont placés près d’un compo­sant qui chauffe (tran­sis­tor, résis­tance, diode…), ils ont tendance à vieillir préma­tu­ré­ment.

Toute­fois, ils restent une des meilleures solu­tions pour leur rapport capa­cité/taille/prix.

2. Les conden­sa­teurs au tantale

Il en existe deux types :

Ceux à élec­tro­lyte solide. On les trouve sur une large gamme de capa­cité. Pour les plus petites valeurs, ils prennent souvent la forme que l’on dit « goutte » (voir à gauche ci-dessous) qui se limite à des tensions admis­sibles et des capa­ci­tés assez faibles. Pour des valeurs au-delà de 100μF, on les trouve plus souvent sous la forme scel­lée hermé­tique­ment (voir à droite ci-dessous). Ils sont plus onéreux que les élec­tro­ly­tiques.

Les Mains dans le Cambouis : Art2 PHOTO 6

Tantale solide « goutte », tantale solide en canette

Ceux à élec­tro­lyte géli­fié, dits « wet tanta­lum » en anglais. Ils sont très résis­tants et souvent utili­sés dans des maté­riaux néces­si­tant une grande fiabi­lité dans le temps (maté­riel scien­ti­fique, mili­tai­re…). Ils sont encore plus onéreux.

Les conden­sa­teurs au tantale ont une répu­ta­tion variable dans le domaine de l’au­dio : les géli­fiés sont bien plus appré­ciés que les solides, les tantales « gouttes » étant les moins appré­ciés du lot. En effet, on les trouve par dizaines dans certains vieux appa­reils euro­péens (Revox, Studer, Philips, QUAD, Uher…) et ils vieillissent assez mal, causant régu­liè­re­ment des courts-circuits.

Conden­sa­teurs non pola­ri­sés

Leur sens de montage est indif­fé­rent. Pour une même capa­cité et une même tension admis­sible, ils seront toujours beau­coup plus gros qu’un conden­sa­teur élec­tro­ly­tique.

Les maté­riaux mis en jeu dans les non pola­ri­sés sont trop nombreux pour faire l’objet d’une liste exhaus­tive ici. On en nommera seule­ment quelques grandes caté­go­ries. Ils portent géné­ra­le­ment le nom de leur diélec­trique (céra­mique, poly­pro­py­lène, mica…).

1– Les conden­sa­teurs à diélec­trique synthé­tique

Ils existent en de très nombreux types.

Art2 PHOTO 7

Mylar, Poly­sty­rène (Styro­flex), 3 Poly­es­ter métal­lisé : MKL, MKT, MKT

On les appelle de façon commune « plas­tique » ou « à film ». Ils sont très perfor­mants en audio, sur le trajet du signal, mais ils ont le défaut prin­ci­pal de leur taille. Au-delà de 1μF, il commencent à deve­nir très gros.

2– Conden­sa­teur élec­tro­ly­tique non-pola­ri­sés

Art2 PHOTO 8

Ils ressemblent assez forte­ment aux conden­sa­teurs pola­ri­sés, mais portent souvent l’ins­crip­tion« BP » (bipo­lar) ou « non-pola­ri­sed ». Les axiaux ont deux colle­rettes, et deux embouts plas­tiques. Si vous n’en avez pas sous la main vous pouvez en « fabriquer » un en montant deux pola­ri­sés en série de la façon suivante :

Art2 PHOTO 9

3– Conden­sa­teur à diélec­trique céra­mique.

Art2 PHOTO 10

Son utili­sa­tion en audio se limite à certaines appli­ca­tions bien spéci­fiques, car il est assez limité dans le grave. Toute­fois, il est parti­cu­liè­re­ment bien adapté aux hautes tensions, ce qui explique qu’on le trouve beau­coup dans les ampli­fi­ca­teurs à tubes. Il est parti­cu­liè­re­ment utilisé dans les circuits de réglage de tona­lité des ampli­fi­ca­teurs.

Assez peu effi­cace dans le rapport capa­cité/taille, on le réserve aux petites capa­ci­tés, et assez souvent aux utili­sa­tions en haute fréquence. Les conden­sa­teurs céra­miques sont peu coûteux.

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