Différences entre les condensateurs électrolytiques et les condensateurs à film

Les condensateurs sont des composants essentiels dans divers circuits électroniques et électriques, jouant un rôle fondamental dans le stockage d'énergie, la stabilisation de la tension et le filtrage. P.....armi les différents types de condensateurs, condensateurs électrolytiques et condensateurs à film sont largement utilisés, mais ils diffèrent considérablement en termes de construction, de performances et d’applications. Dans ce blog, nous explorerons non seulement les principales différences, mais nous plongerons également dans certains calculs techniques pour mieux comprendre leur comportement dans les circuits.

1. Matériaux de construction et diélectriques

• Condensateurs électrolytiques :
  Les condensateurs électrolytiques sont construits à l'aide de deux plaques conductrices (généralement en aluminium ou en tantale), avec une couche d'oxyde servant de diélectrique. La deuxième plaque est généralement un électrolyte liquide ou solide. La couche d'oxyde offre une capacité élevée par unité de volume en raison de sa structure extrêmement fine. Ces condensateurs sont polarisés, ce qui nécessite une polarité correcte dans le circuit.

• Condensateurs à film :
  Les condensateurs à film utilisent des films plastiques minces (tels que le polypropylène, le polyester ou le polycarbonate) comme matériau diélectrique. Ces films sont enroulés ou empilés entre deux couches métallisées qui font office de plaques. Les condensateurs à film sont apolaires, ce qui les rend utilisables dans les circuits UNC et DC.

2. Calcul de capacité

La capacité ( $C$ ) d'un condensateur à plaques parallèles, qui s'applique à la fois aux condensateurs électrolytiques et aux condensateurs à film, est donné par la formule :

$$C = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r UN}{d}$$

Où:

• $C$ = capacité (farads, F)

• $\varepsilon_0$ = permittivité de l'espace libre ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = permittivité relative du matériau diélectrique

• $A$ = superficie des plaques (m²)

• $d$ = distance entre les plaques (m)

Exemple de calcul : Pour un condensateur électrolytique utilisant un diélectrique à oxyde ( $\varepsilon_r = 8,5$ ), avec une surface de plaque de $10^{-4} \, \text{m}^2$ et une séparation de $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$C = \frac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 7.53 \times 10^{-9} \, \text{F} = 7.53 \, \text{nF}$$

Pour un condensateur à film utilisant du polypropylène ( $\varepsilon_r = 2,2$ ), la même surface de plaque et une épaisseur diélectrique de $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$C = \frac{8.854 \times 10^{-12} \times 2.2 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 1.95 \times 10^{-9} \, \text{F} = 1.95 \, \text{nF}$$

Comme le montre le calcul, les condensateurs électrolytiques fournissent une capacité nettement plus élevée pour la même surface de plaque et la même épaisseur diélectrique en raison de la permittivité relative plus élevée du matériau oxyde.

3. R....ésistance série équivalente (RSE)

• Condensateurs électrolytiques :

  Les condensateurs électrolytiques ont tendance à avoir des valeurs plus élevées Résistance série équivalente (RSE) par rapport aux condensateurs à film. L'ESR peut être calculé comme suit :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi f C Q}$$

Où :

• $f$ = fréquence de fonctionnement (Hz)

• $C$ = capacité (F)

• $Q$ = facteur de qualité

Les condensateurs électrolytiques ont souvent des valeurs ESR comprises entre 0,1 et plusieurs ohms en raison de leur résistance interne et de leurs pertes d'électrolyte. Cet ESR plus élevé les rend moins efficaces dans les applications haute fréquence, entraînant une dissipation thermique accrue.

• Condensateurs à film :

  Les condensateurs à film ont généralement un ESR très faible, souvent de l'ordre du milliohm, ce qui les rend très efficaces pour les applications haute fréquence, telles que les alimentations de filtrage et de commutation. L'ESR inférieur entraîne une perte de puissance et une génération de chaleur minimales.

Exemple ESR :
Pour un condensateur électrolytique avec $C = 100 \, \mu F$ , fonctionnant à une fréquence de $f = 50 \, \text{Hz}$ et un facteur de qualité $Q = 20$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 20} = 0.159 \, \Omega$$

Pour un condensateur à film avec la même capacité et la même fréquence de fonctionnement mais un facteur de qualité supérieur $Q = 200$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 200} = 0.0159 \, \Omega$$

Cela montre que les condensateurs à film ont une ESR beaucoup plus faible, ce qui les rend plus adaptés aux applications hautes performances et haute fréquence.

4. Courant d’ondulation et stabilité thermique

• Condensateurs électrolytiques :
  Les condensateurs électrolytiques sont connus pour avoir des capacités limitées de gestion du courant ondulatoire. Le courant d'ondulation génère de la chaleur en raison de l'ESR, et une ondulation excessive peut provoquer l'évaporation de l'électrolyte, entraînant une défaillance du condensateur. Le courant nominal d'ondulation est un paramètre important, en particulier dans les alimentations électriques et les circuits de commande de moteurs.

  Le courant d'ondulation peut être estimé à l'aide de la formule :

$$P_{\text{perte}} = je_{\text{ondulation}}^2 \times ESR$$

Où:

• $P_{\text{perte}}$ = perte de puissance (watts)

• $I_{\text{ripple}}$ = courant ondulatoire (ampères)

Si le courant d'ondulation dans un condensateur électrolytique de 100 µF avec une ESR de 0,1 ohms est de 1 A :

$$P_{\text{loss}} = 1^2 \times 0.1 = 0.1 \, \text{W}$$

• Condensateurs à film :

  Les condensateurs à film, avec leur faible ESR, peuvent gérer des courants d'ondulation plus élevés avec une génération de chaleur minimale. Cela les rend idéaux pour les applications CA, telles que les circuits d'amortissement et les condensateurs de fonctionnement des moteurs, où de grandes fluctuations de courant se produisent.

5. Tension nominale et panne

• Condensateurs électrolytiques :
  Les condensateurs électrolytiques ont généralement des tensions nominales inférieures, allant généralement de 6,3 V à 450 V. Une surtension peut entraîner une panne diélectrique et éventuellement une panne. Leur construction les rend plus sujets aux courts-circuits si la couche d'oxyde est endommagée.

• Condensateurs à film :
  Les condensateurs à film, en particulier ceux dotés d'un diélectrique en polypropylène, peuvent supporter des tensions beaucoup plus élevées, dépassant souvent 1 000 V. Cela les rend adaptés aux applications haute tension, telles que les circuits de liaison CC, où la stabilité de la tension est essentielle.

6. Espérance de vie et fiabilité

• Condensateurs électrolytiques :
  La durée de vie d'un condensateur électrolytique dépend de la température, du courant d'ondulation et de la tension de fonctionnement. La règle générale est que pour chaque augmentation de température de 10°C, l’espérance de vie est réduite de moitié. Ils sont également soumis à vieillissement des condensateurs , à mesure que l'électrolyte sèche avec le temps.

• Condensateurs à film :
  Les condensateurs à film sont très fiables et ont une longue durée de vie, dépassant souvent 100 000 heures dans les conditions nominales. Ils résistent au vieillissement et aux facteurs environnementaux, ce qui les rend idéaux pour les applications à long terme et de haute fiabilité.

7. Candidatures

• Condensateurs électrolytiques :

  • Filtrage de l'alimentation

  • Circuits audio (lissage du signal)

  • Circuits de démarrage du moteur

  • Stockage d'énergie dans les circuits basse tension

• Condensateurs à film :

  • Circuits AC/DC haute tension

  • Circuits amortisseurs pour la protection contre les surtensions

  • Condensateurs de fonctionnement du moteur

  • Suppression EMI/RFI

Donc, Quel condensateur choisir ?

Le choix entre des condensateurs électrolytiques et à film dépend des besoins spécifiques de l'application. Les condensateurs électrolytiques offrent une capacité élevée dans un format compact et sont économiques pour les applications basse tension. Cependant, leur ESR plus élevé, leur durée de vie plus courte et leur sensibilité à la température les rendent moins idéaux pour les applications haute fréquence et haute fiabilité.

Les condensateurs à film, avec leur fiabilité supérieure, leur faible ESR et leur manipulation haute tension, sont préférés dans les applications qui exigent des performances et une durabilité élevées, telles que les circuits de moteurs à courant alternatif, les onduleurs et les commandes industrielles.

En comprenant les principales différences et en effectuant les calculs techniques nécessaires, vous pouvez prendre des décisions plus éclairées pour la conception de votre circuit.