Condensateurs électrolytiques : Polarisation, applications et symboles

Polarité des condensateurs électrolytiques expliquée

Pourquoi utiliser un tel condensateur et pourquoi est-il polarisé ? Le rôle principal de ce condensateur est d'agir comme un réservoir de stockage d'énergie électrique pour la charge, même si la sortie de l'alimentation elle-même—généralement une alimentation AC/DC—a des ondulations à 60/120 Hz (50/100 Hz dans certaines régions du monde) en raison de la nature du circuit de régulation de puissance.

Un condensateur en aluminium de 33uF de Lelon Electronics.

Le condensateur est analogue à un réservoir : le cœur de l'alimentation électrique pompe de l'énergie (eau) dans le réservoir, mais pas à un débit constant. La charge (les utilisateurs) prélève l'eau à des débits variables, parfois avec des changements lents et parfois avec des augmentations soudaines et transitoires de la demande. Ils doivent faire cela malgré les fluctuations dans la canalisation principale menant de l'usine de purification d'eau. Ils ne veulent pas voir de fluctuations de pression d'eau (tension) malgré les changements du débit (courant) à la source ou à la charge. 

Le condensateur est un tampon ou amortisseur d'énergie électrique et remplit donc deux fonctions : il lisse les ondulations dans la sortie du régulateur de base lorsque la charge est constante, et il fournit de l'énergie selon les besoins lorsque la charge elle-même varie. Pour ces raisons, les condensateurs électrolytiques de grande valeur utilisés à la sortie des alimentations sont souvent appelés composants de "stockage en vrac", et agissent comme des filtres de base contre les fluctuations indésirables de la tension d'alimentation de sortie malgré les variations de la tension d'entrée du régulateur ou de la demande de charge.

Comment sont fabriqués les condensateurs électrolytiques ?

En principe, un condensateur est formé par deux surfaces conductrices séparées par un diélectrique. Ce diélectrique peut être de l'air, du papier, de la céramique ou un film chimique électrolytique spécialisé. La plupart des condensateurs électrolytiques sont construits à partir de deux couches très fines de feuille de métal (aluminum, tantalum, ou niobium) avec une couche d'oxyde diélectrique qui est appliquée sur une couche, puis l'ensemble est enroulé (Figure 2). 

L'unité finale est scellée avec un revêtement spécialisé qui peut être en plastique, époxy, métal, ou autre matériau pour empêcher l'humidité de pénétrer tout en confinant le matériau électrolytique à l'intérieur en cas de "fuite" chimique ou de défaillance de l'enveloppe (Figure 3). 

Pourquoi nous utilisons un condensateur électrolytique dans l'alimentation électrique

Avec un diélectrique non chimique, le condensateur résultant n'est pas polarisé et peut être utilisé avec des formes d'onde CA ; de plus, il peut être inséré dans le circuit dans n'importe quel sens. Cependant, en raison de la nature chimique du film et de la construction utilisés pour les condensateurs électrolytiques, il existe une polarité d'installation et d'utilisation. Inverser la tension sur un tel dispositif le dégradera puis l'endommagera.

Compte tenu de cette contrainte, pourquoi utiliser des condensateurs électrolytiques polarisés ? La réponse est simple : pour obtenir une densité capacitive élevée et une valeur associée. La plupart des alimentations AC/DC nécessitent une capacité de l'ordre de plusieurs centaines à dix mille microfarads (μF), et cela ne peut être atteint dans un composant de taille raisonnable qu'en utilisant une construction de condensateur électrolytique. Utiliser de la céramique ou de l'air comme diélectrique nécessiterait un volume de condensateur facilement 100× à 1000× plus grand. 

Le coût est également un facteur à prendre en compte : un condensateur plus grand nécessiterait plus de matières, ce qui entraînerait un coût direct plus élevé ainsi qu'un coût plus important lié à l'utilisation de davantage d'espace sur le circuit imprimé ou à une alimentation globale plus volumineuse. Les supercondensateurs pourraient sembler être une alternative meilleure et plus petite car ils peuvent facilement fournir des valeurs de plusieurs farads, mais ils ne peuvent pas gérer le courant de ondulation ou la nature de charge/décharge d'un régulateur d'alimentation et de sa charge.

Choisir un condensateur électrolytique : paramètres de conception

Le principal paramètre de ces dispositifs de stockage en vrac est bien sûr leur capacité. Les valeurs des condensateurs électrolytiques commencent autour de 1 μF et vont jusqu’à des milliers de μF. Si une plus grande capacité est nécessaire qu'un seul composant ne peut fournir, les condensateurs peuvent bien sûr être utilisés en parallèle.

Le prochain paramètre que le concepteur doit sélectionner est la tension de fonctionnement, habituellement désignée par WVDC (tension de fonctionnement DC). C'est la valeur maximale de tension DC à laquelle le condensateur fonctionnera de manière fiable, et elle dépend de la conception et du boîtier. Un WVDC plus élevé nécessite un dispositif de taille physique plus grande pour résister aux arcs internes et aux perforations, et coûte plus cher, donc le concepteur doit veiller à ne pas spécifier cette valeur de manière excessive. La plupart des concepteurs utilisent une marge de sécurité de 2× sur le WVDC pour accommoder toute ondulation ou transitoire sur le condensateur provenant de l'alimentation ; ainsi, un condensateur de 25 V WVDC serait utilisé avec une alimentation nominale de 12 V DC.

Bien qu'idéalement un condensateur ne devrait être que cela ; en réalité, chaque condensateur a une certaine résistance série équivalente (ESR) et une auto-inductance. L'ESR d'un condensateur de haute qualité est de l'ordre de 0,1 à 1 Ω ; plus l'ESR est élevé, moins le condensateur se comportera comme un dispositif idéal, et cela peut même entraîner le dysfonctionnement du circuit régulateur. Dans les condensateurs électrolytiques de moindre qualité, l'ESR augmentera avec le temps et la température, et peut même atteindre des dizaines d'ohms, avec des conséquences délétères. Les condensateurs ont également un faible courant de fuite en raison du diélectrique imparfait.

De plus, chaque composant réel possède bien sûr une inductance parasite ; pour les condensateurs, cette inductance est de l'ordre de quelques millihenrys (mH). Bien que cette faible valeur ne pose généralement pas de problème aux fréquences de ligne CA, elle peut devenir problématique à mesure que la fréquence de fonctionnement de l'alimentation augmente, et peut entraîner une instabilité dans le circuit et même une défaillance. 

Tolérance du condensateur électrolytique

Les condensateurs électrolytiques ont également des cotes de tolérance, comme tous les composants; une tolérance de ±20 pour cent est courante, bien que certains soient spécifiés avec des tolérances plus étroites. Bien que cela puisse sembler être une tolérance importante, elle est acceptable dans l'application.

Pour soutenir l'analyse de performance et de stabilité du concepteur, la plupart des fournisseurs de condensateurs fournissent des modèles qui incluent l'ESR, l'inductance, la résistance de fuite et tout autre attribut non idéal (Figure 4). Ils peuvent les montrer à la fréquence du réseau ainsi qu'à des fréquences plus élevées, et aussi à différentes températures. 

Dégradation des condensateurs électrolytiques

Les condensateurs électrolytiques sont généralement censés fonctionner selon les spécifications pendant plusieurs milliers d'heures, bien qu'ils soient souvent utilisés au-delà de leur durée de vie maximale "selon les spécifications" avec des résultats acceptables. (Pensez à une alimentation dans un PC de bureau fonctionnant en continu qui est "allumée" une grande partie du temps.) 

En plus d'une utilisation manifeste en dehors des évaluations établies, chaque composant électronique est soumis à des facteurs qui affectent sa fiabilité et sa durée de vie, et les condensateurs électrolytiques ne font pas exception. 

La chaleur est le facteur le plus courant dans la réduction de leur durée de vie : un condensateur qui est évalué pour 10 000 heures à 25⁰C nécessitera un déclassement à mesure que la température augmente, et peut n'être évalué que pour 1 000 heures à 85⁰C et encore moins à 105⁰C. Étant donné que la plupart de ces condensateurs sont utilisés avec des alimentations électriques, qui fonctionnent généralement chaudes et ont une élévation de température localisée supérieure à celle de l'ensemble du boîtier, ces dispositifs de stockage en vrac auront une durée de vie plus courte. Les vendeurs proposent des condensateurs évalués pour une longue durée de vie à des températures plus élevées pour surmonter ce problème. (Notez que la température de stockage non opérationnelle élevée est également un problème affectant leur durée de vie, mais cela est un scénario différent et a une spécification différente.) 

Le deuxième facteur qui raccourcit la durée de vie des condensateurs électrolytiques est le courant d'ondulation qu'ils doivent supporter. Ce courant est la fluctuation inévitable dans la sortie du régulateur de tension que le condensateur est chargé de lisser. Pour des raisons électrochimiques complexes, le courant d'ondulation dégrade la durée de vie du condensateur et de son électrolyte ; plus le courant d'ondulation est élevé, plus la dégradation est importante et rapide. La sensibilité au courant d'ondulation dépend de la construction et des matériaux utilisés ; les fournisseurs spécifient la durée de vie en opération avec différentes valeurs de courant d'ondulation.  

Il y a un facteur non technique que les concepteurs doivent également garder à l'esprit, après avoir sélectionné le condensateur approprié et le modèle de fournisseur correspondant. Il est relativement facile que des pièces de qualité inférieure, de substitution ou carrément contrefaites s'intègrent dans le flux de production et d'assemblage. En effet, il est relativement facile de fabriquer un condensateur adéquat qui fonctionnera suffisamment bien, du moins pendant un certain temps. Cependant, le produit lui-même aura une durée de vie réduite sur le terrain, mais à ce moment-là, il sera trop tard et deviendra un sérieux casse-tête. 

N'oubliez pas qu'il est également tentant pour le groupe d'achats de l'unité de production de remplacer un condensateur « similaire » à celui spécifié sur la nomenclature par le concepteur, mais avec les mêmes spécifications de haut niveau : capacité, WVDC et taille. Pourtant, il peut avoir des spécifications secondaires différentes mais néanmoins importantes telles que l'ESR ou la tolérance au courant d'ondulation, et le changement de la nomenclature peut affecter les performances ou la fiabilité du système. Il est essentiel que les ingénieurs travaillent avec la chaîne d'approvisionnement de production pour garantir l'intégrité et la traçabilité du condensateur jusqu'au fournisseur source spécifié. 

Les condensateurs électrolytiques situés entre le régulateur d'alimentation et la charge peuvent sembler banals et même routiniers. Néanmoins, ils sont essentiels pour fournir un rail DC stable au circuit. Par conséquent, les concepteurs doivent les spécifier et les sélectionner en fonction de leurs paramètres primaires et secondaires et de la situation de fonctionnement, tout en gardant à l'esprit les problèmes de chaîne d'approvisionnement moins évidents.