Les condensateurs sont un composant essentiel des circuits modernes et ils sont présents dans quasiment tous les appareils électriques. Ces composants passifs se trouvent dans des sous-systèmes électroniques fondamentaux tels que les circuits RC (résistance/condensateur), les circuits RLC (résistance/inductance/condensateur), les circuits de puissance, les blocs d’alimentation, et bien plus encore.
Les trois types de condensateurs les plus courants sont les condensateurs en céramique, à couche mince et électrolytiques, en raison de leur polyvalence, de leur rentabilité et de leur fiabilité. Cet article examine comment ces trois types de condensateurs sont fabriqués et met en évidence certaines différences essentielles.
Comment sont constitués les condensateurs ?
Fondamentalement, les condensateurs sont constitués de deux électrodes (conducteurs, souvent métalliques) séparées par un diélectrique (isolant). Lorsqu’un signal électrique est appliqué à l’une des électrodes, l’énergie est stockée dans le champ électrique entre les deux électrodes séparées. La quantité d’énergie stockée est appelée « capacité ». Lors de la conception d’un condensateur, la capacité peut être contrôlée par trois caractéristiques essentielles :
La taille des plaques d’électrodes. Plus la surface des électrodes est grande, plus l’énergie peut être stockée dans cette zone, ce qui augmente la capacité.
La proximité des plaques les unes par rapport aux autres. Lorsque deux électrodes sont relativement éloignées, leur capacité à créer un champ électrique (par induction) est réduite. Plus les deux électrodes se rapprochent l’une de l’autre, plus la capacité à former un champ électrique augmente, et la capacité peut être beaucoup plus importante.
Le matériau d’isolation entre les électrodes. Divers matériaux diélectriques peuvent augmenter la capacité en réduisant le champ électrique entre les électrodes, ce qui permet de stocker plus de charge sur les électrodes à la même tension.
Compte tenu de ces trois variables fondamentales des condensateurs, de nombreuses techniques de fabrication sont couramment utilisées pour créer des condensateurs dont la capacitance, la capacité de tension, les seuils de température, la fiabilité, le coût, la sécurité, la taille et la perte de dissipation varient.
Apprenez-en davantage sur l’utilisation des diélectriques dans les condensateurs.
Comment sont fabriqués les condensateurs électrolytiques
Les condensateurs électrolytiques à l’aluminium sont réputés pour leur faible coût et leur capacité à contenir de grandes quantités d’énergie dans un petit boîtier, par rapport aux condensateurs en céramique ou à film. Bien que les condensateurs électrolytiques soient très populaires, ils sont plus sensibles aux tensions indésirables et à la température que les autres condensateurs, et présentent des fuites de courant relativement élevées.
Le processus de fabrication des condensateurs électrolytiques en aluminium commence par la gravure d’une fine feuille d’aluminium par un procédé de bain chimique. Ce processus de gravure forme une fine couche d’oxyde d’aluminium sur l’anode. Cette couche oxydée sert de couche diélectrique entre l’anode et la cathode, qui est une autre couche de fine feuille d’aluminium.
L’anode en feuille d’aluminium anodisé est ensuite enroulée avec la feuille de cathode en aluminium, séparées par une fine couche de papier. Les bornes sont connectées aux couches de l’anode et de la cathode au niveau du « pont » des bornes qui sera éventuellement utilisé pour se connecter aux circuits externes.
L’enroulement feuille-papier-film est ensuite placé dans le boîtier externe de l’unité de condensateur, souvent appelé « boîte ». Ensuite, une solution électrolyte est acheminée à travers l’enroulement via la couche de papier. La boîte du condensateur est ensuite scellée avec le pont et est vieillie thermiquement pour réparer tout défaut diélectrique et contrôler les propriétés électriques. Une fois vieilli et testé, le condensateur est prêt à être utilisé.
Consultez notre guide pour obtenir de l’aide au sujet de la sélection du bon condensateur électrolytique à l’aluminium.
Comment sont fabriqués les condensateurs en céramique
Les condensateurs céramiques (communément appelés MLCC) sont les condensateurs les plus courants dans l’électronique moderne. Ces condensateurs utilisent un matériau céramique comme diélectrique isolant entre les plaques anodiques et cathodiques. La poudre de céramique, telle que le titanate de baryum, est mélangée à un matériau liant pour former une bouillie. Cette bouillie est ensuite appliquée en couche mince sur une fine feuille de métal. On peut également appliquer une pâte métallique sur la bouillie de céramique.
Les couches de céramique et de métal sont ensuite empilées, pressées mécaniquement à haute température et découpées en petits disques ou rectangles pour former des « copeaux » de condensateur. Les dimensions extérieures des copeaux, ainsi que les distances entre les couches, déterminent les valeurs de capacitance du condensateur.
Ces copeaux sont cuits dans un four à haute température pour éliminer le liant, ne laissant que les matériaux céramiques et métalliques dans les copeaux. Le processus de cuisson peut réduire la taille des copeaux non cuits de 30 % ou plus, selon les matériaux utilisés dans le processus de fabrication.
Une fois cuits, les copeaux sont frittés avec des extrémités de terminaison qui relient des couches alternées d’électrodes à chaque borne. Ces bornes sont électroplaquées afin de fournir une surface appropriée pour la soudure d’utilisation finale et le placement sur une carte de circuits imprimés. Après la galvanisation, les condensateurs sont prêts à subir une vérification de leur capacité.
Apprenez-en davantage sur le fonctionnement des condensateurs en céramique et sur leur rôle.
Comment sont fabriqués les condensateurs à films
Les condensateurs à film ont tendance à être plus chers que les condensateurs en céramique, mais ils ont une durée de vie beaucoup plus longue et une propension aux applications haute tension. De plus, les condensateurs à film ont des températures de fonctionnement maximales beaucoup plus élevées que les condensateurs céramiques et électrolytiques, ce qui les rend adaptés à de nombreux environnements industriels et commerciaux.
Les condensateurs à film utilisent une couche de film plastique, comme le polyester, le polypropylène ou le papier poly-imprégné, comme isolant diélectrique entre les électrodes du condensateur. Le film est associé à du métal, soit par métallisation à la vapeur, soit par superposition sur une feuille de métal très fine.
Le film métallisé est ensuite « découpé » et enroulé. Le film refendu est mesuré avec précision en longueur et en largeur pour garantir la capacité requise. Ces rouleaux de bobine sont ensuite combinés dans un processus de co-bobinage pour former les deux couches d’électrodes indépendantes.
Une fois enroulés, ces bobines sont comprimées et traitées en température pour former une structure solide. Les bobines sont masquées et encapsulées pour être isolées électriquement de l’environnement, et les fils sont fixés. La bobine de condensateur encapsulé est ensuite insérée dans une structure en plastique et enrobée de résine pour assurer sa longévité et sa protection contre les éléments. Une fois placés, ces condensateurs sont terminés et prêts à subir des contrôles qualité et des tests.
Fabrication des différents types de condensateurs
Comme c’est le cas dans tous les secteurs de l’électronique, le coût et la fonctionnalité d’un appareil sont déterminés par les matériaux utilisés, le processus de fabrication employé et les capacités de l’appareil. Ces divers procédés permettent d’obtenir différents types de condensateurs aux caractéristiques variées. Le meilleur type de condensateur dépend de l’application.
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