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Les composants passifs : le condensateur

L’électronique pour le musicien partie 2
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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.

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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