Après avoir appris les bases de l'électricité, nous allons nous intéresser à des composants plus intéressants que des résistances. Ce chapitre et le suivant vous proposent d'étudier les condensateurs et les bobines, éléments de base des circuits électroniques.
Le condensateur.
Un condensateur est formé de deux armatures métalliques en vis-à-vis, isolées électriquement par un matériau "diélectrique". Il a la particularité d'être capable d'accumuler les électrons (donc de se charger) et de les restituer par la suite (donc de se décharger) : il se comporte comme un réservoir de charges électriques.
Essayons par exemple de soumettre un condensateur à un premier échelon de tension positif et mesurons la tension à ses bornes (cas A sur la figure) : nous observons nettement un retard à l'établissement de la tension, dû au temps de charge du condensateur. Les électrons, plutôt que de poursuivre dans le circuit, s’emmagasinent dans le dipôle. Puis, si on coupe l'alimentation, on constate un retard au retour à une tension nulle : le condensateur est en train de se décharger et de déverser les charges qu'il a accumulées dans le circuit jusqu'à ce qu'il soit entièrement vide.
Le condensateur fonctionne grâce à l'effet électrostatique. Son explication complète est complexe, dépasse le cadre de l'ouvrage et n'est pas exigible à l'examen : nous ne nous y attarderons pas.
La capacité du condensateur à emmagasiner l'énergie, appelée... capacité, se note formula_1 et se mesure en farads (symbole formula_2). Le farad étant une unité très grande, ses sous-multiples sont largement utilisés (picofarad formula_3, nanofarad formula_4, microfarad formula_5) ; la capacité est notée sur le condensateur. Plus la capacité est grande, plus le condensateur peut stocker des charges et « s'opposer » aux variations de tension à ses bornes. C'est-à-dire qu'un condensateur, placé dans un circuit, permet d'atténuer les éventuelles variations subites de la tension : si celle-ci baisse, il se décharge ; si à l'inverse, elle augmente, il se charge pour maintenir une tension quasi-constante.
Le dipôle est, outre la capacité, caractérisé par une distance entre ses lames (ou épaisseur du diélectrique) notée formula_6, une surface des armatures formula_7 (ou formula_8) et une constante formula_9 propre au diélectrique. On définit formula_10 comme la quantité de charges électriques emmagasinée sur une des armatures métalliques (en coulombs). On a alors les relations suivantes :
De ces formules, on déduit que plus la tension formula_11 est grande, plus la quantité formula_10 de charges électriques emmagasinées est grande.
Les condensateurs peuvent se monter en série comme en parallèle. Dans ces situations, il est demandé de savoir calculer la capacité équivalente (notée formula_13) :
Il est possible de déterminer la capacité formula_1 d'un condensateur grâce à la formule formula_17, dans laquelle formula_18 est la "permittivité" du diélectrique, formula_7 est l'aire en vis-à-vis et formula_9 la distance séparant les deux armatures.
Différents modèles de condensateurs sont proposés par les fabricants. Un premier modèle est variable et peut donc être réglé en capacité. Un second présente un diélectrique chimique. Des précautions particulières sont à observer lors de la manipulation de ce dernier type : un condensateur chimique est polarisé, et peut chauffer voire exploser si ses bornes sont inversées dans le circuit.
Altération des condensateurs.
La capacité des condensateurs varie avec la température : on parle de déviation en température. Cette variation dépend entièrement du type de condensateur ; elle est représentée par le coefficient de température.
En outre, chaque condensateur (sauf les condensateurs à air) présente un courant de fuite. En effet, si on charge un condensateur avant de le déconnecter, il se décharge lentement.
Charge du condensateur initialement déchargé.
Considérons le montage ci-contre, avec un condensateur initialement déchargé. Lorsque l'inverseur est en position formula_7, le condensateur est relié au générateur et se charge. Lorsque l'inverseur est basculé en position formula_22, le condensateur va se décharger dans la résistance. Quel peut être le temps de charge ? Partons des formules vues dans le chapitre sur les puissances, nous déduisons que formula_23. Or, formula_24 et formula_25. En remplaçant dans l'expression du temps, on trouve formula_26. Cette quantité est appelée constante de temps du condensateur et se note formula_27 (en secondes). Connaître le temps caractéristique permet d'esquisser le graphe de charge du condensateur : au bout d'un temps formula_27, le condensateur est chargé aux 2 tiers de la tension à ses bornes (63 % de E) (et donc la tension traversant la résistance vaut 63 % de E) ; au bout de formula_29 le condensateur est chargé à 87 % de la tension à ses bornes ; au bout de formula_30, le condensateur est chargé à 95 % de la tension à ses bornes. On le considère chargé au bout de formula_31.
Décharge du condensateur initialement chargé.
On reprend le circuit du paragraphe précédent, mais en considérant le condensateur comme initialement chargé sous une tension formula_6. On bascule l'interrupteur sur formula_22 afin de le décharger dans la résistance. La décharge se passe inversement à la charge : au bout d'un temps formula_27, le condensateur est déchargé à 63 % (la tension aux bornes de la résistance vaut 37 % de E) ; au bout de formula_29 le condensateur est déchargé à 87 % (la tension aux bornes de la résistance vaut 13 % de E) ; le condensateur est considéré comme déchargé au bout de formula_31 (la tension aux bornes de la résistance est nulle).
Familles de condensateurs.
Nous avons évoqué plus haut l'existence de familles de condensateurs en fonction de leur composition : nous allons maintenant en étudier quelques-unes. Il ne s'agit pas de faire la liste de tous les types, mais seulement de présenter les plus courants demandés pour l'examen.
Impédance du condensateur.
L'impédance du condensateur parfait (notée formula_37) varie avec la fréquence du courant traversant le dipôle. L'impédance du condensateur est donnée par la formule formula_38. Comment évolue l'impédance quand on fait varier la fréquence ?
Exercices.
Calculs de capacités équivalentes.
Pour chaque circuit ci-dessous, calculez sa capacité équivalente formula_13.
Étude d'un condensateur.
On considère le condensateur ci-contre. Fréquence du signal : 230 MHz.

Photographie/Personnalités/D/Carl Dihm
Carl Dihm était un photographe allemand (1793 – 1882).

Photographie/Sociétés et Organisations/Éditeurs de cartes postales/Pérez et Lévy

Perez et Lévy était un éditeur de cartes postales installé à Saint-Laurent-du-Maroni (Guyane française).