Condensateurs dans la conception de PCB : guide complet de tous les types

Les condensateurs sont des composants indispensables dans la conception de PCB (circuits imprimés), offrant des fonctions allant du stockage d’énergie et du filtrage du bruit à la régulation de tension. Que vous conceviez un circuit simple ou une carte multicouche complexe, comprendre les différents types de condensateurs et leurs applications est essentiel. La structure de base d’un condensateur consiste en deux plaques métalliques séparées par une couche diélectrique. Les condensateurs peuvent être de type fixe ou variable.

La capacité du condensateur à stocker une charge électrique s’appelle la capacité et se mesure en Farads. Comme les résistances, les condensateurs peuvent être disposés en série ou en parallèle, ce qui permet de modifier la capacité effective. Plusieurs types de condensateurs ont été développés pour être utilisés dans les circuits électroniques. Dans ce guide complet, nous explorerons le rôle des condensateurs dans la conception de PCB, discuterons des différents types disponibles et verrons comment choisir le bon pour vos projets. Découvrez également les autres types de composants nécessaires sur un PCB.

Qu’est-ce qu’un condensateur et quel est son principe de fonctionnement ?

Les condensateurs sont des composants électriques passifs qui stockent et libèrent de l’énergie électrique sous forme de champ électrique. Ils sont constitués de deux plaques conductrices séparées par un matériau isolant appelé diélectrique. Lorsqu’une tension est appliquée, les plaques stockent une charge électrique. Les charges stockées sur les plaques sont complémentaires l’une de l’autre. Les condensateurs jouent de nombreux rôles dans les circuits électroniques. Les bornes du condensateur sont reliées aux plaques métalliques afin de permettre les connexions externes.

La capacité de la structure peut être donnée par l’équation suivante :

Où :

• ε\varepsilonε est la perméabilité (constante diélectrique) mesurée en
• CCC est la capacité mesurée en farads
• DDD est la distance entre les plaques
• AAA est la surface superposée entre les deux plaques

La capacité est le rapport entre la charge (Q) et la tension (V), et son expression mathématique est la suivante :

Où :

• CCC est la capacité mesurée en farads
• QQQ est la charge accumulée sur les plaques
• VVV est la tension appliquée au condensateur

Facteurs influençant la capacité :

La capacité d’un condensateur peut être modifiée en faisant varier les paramètres suivants :

- Surface de la plaque : La capacité augmente en augmentant la surface de la plaque.

- Superposition des plaques (A) : Plus la surface de superposition des plaques parallèles est grande, plus la valeur de la capacité augmente.

- Distance entre les plaques (D) : Plus les plaques parallèles sont rapprochées, plus la valeur de la capacité est élevée.

- Nature du diélectrique (ε) : Le choix d’un matériau diélectrique à forte permittivité augmente la valeur de la capacité.

Classification des condensateurs en fonction de la polarité :

Condensateurs polarisés : Ce sont des condensateurs qui possèdent deux bornes distinctes, positive et négative. Les exemples courants incluent les condensateurs électrolytiques en aluminium et les condensateurs électrolytiques au tantale. Ces condensateurs ont des bornes clairement identifiées, et il est crucial de connecter la borne positive au côté positif de la source d’alimentation et la borne négative au côté négatif.

Condensateurs non polarisés : Ces condensateurs peuvent être connectés dans n’importe quel sens sans se soucier de la polarité. Ils sont souvent utilisés dans les applications où la direction de la tension change fréquemment.

Utilisation des condensateurs dans un circuit :

- Découplage et dérivation : Ils empêchent le bruit de se propager dans le circuit en agissant comme de petits réservoirs de charge.

- Filtrage : Les condensateurs lissent les fluctuations de tension, souvent utilisés dans les circuits d’alimentation pour filtrer les ondulations AC.

- Circuits temporisés : Associés à des résistances, les condensateurs servent à créer des intervalles de temps.

- Stockage d’énergie : Ils stockent temporairement l’énergie électrique et la libèrent lorsque nécessaire, notamment dans les applications de secours.

Types de condensateurs et leurs applications dans la conception de PCB :

Les condensateurs existent sous diverses formes, tailles et matériaux, chacun adapté à des applications spécifiques. Ci-dessous un aperçu complet des types de condensateurs les plus couramment utilisés dans la conception de PCB.

1. Condensateurs céramiques

- Matériau : Fabriqué avec de la céramique comme diélectrique.

- Types : Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont les plus couramment utilisés.

- Plage de capacité : Typiquement de quelques picofarads (pF) à des microfarads (µF).

- Tensions nominales : Disponibles dans une large gamme de tensions.

- Applications : Les condensateurs céramiques sont utilisés dans les circuits haute fréquence pour le dérivatif et le découplage, grâce à leur faible résistance série équivalente (ESR) et faible inductance.

- Avantages : Faible coût, petite taille et bonne stabilité.

- Inconvénients : Capacité limitée par rapport à d’autres types de condensateurs.

2. Condensateurs électrolytiques

- Matériau : Aluminium ou tantale avec un électrolyte comme diélectrique.

- Plage de capacité : Valeurs de capacité élevées, généralement de 1 µF à plusieurs milliers de µF.

- Tensions nominales : Tensions moyennes à élevées.

- Applications : Couramment utilisés pour le stockage d’énergie en grande quantité et le filtrage dans les alimentations, grâce à leur grande capacité.

- Avantages : Grande capacité dans un format compact.

- Inconvénients : ESR plus élevé, polarisés (doivent être correctement connectés en respectant la polarité).

3. Condensateurs au tantale

- Matériau : Tantale avec un diélectrique solide.

- Plage de capacité : Généralement de quelques microfarads (µF) à plusieurs centaines de microfarads.

- Tensions nominales : Faibles à moyennes tensions.

- Applications : Utilisés pour le découplage, le filtrage et les applications nécessitant une capacité stable dans un petit format.

- Avantages : Petite taille, stabilité élevée et faible fuite de courant.

- Inconvénients : Polarité stricte (doit être correctement connectée), coût plus élevé que les condensateurs électrolytiques classiques, sensible aux surtensions.

4. Condensateurs à film

- Matériau : Film plastique, souvent polyester, polypropylène ou PTFE.

- Plage de capacité : Généralement faible à moyenne, de quelques nanofarads (nF) à plusieurs microfarads (µF).

- Tensions nominales : Tensions élevées.

- Applications : Préférés dans les circuits audio, le couplage de signaux et les applications de filtrage, grâce à leur faible distorsion et leur grande précision.

- Avantages : Très stables, faible ESR, grande fiabilité.

- Inconvénients : Taille plus grande comparée aux condensateurs céramiques.

5. Supercondensateurs (Ultra-condensateurs)

- Matériau : Technologie électrochimique à double couche.

- Plage de capacité : Mesurée en Farads (F), bien plus élevée que celle des condensateurs traditionnels.

- Tensions nominales : Généralement basse tension.

- Applications : Stockage d’énergie dans des applications nécessitant des cycles de charge et décharge rapides, comme les alimentations de secours et le lissage de puissance.

- Avantages : Capacité extrêmement élevée.

- Inconvénients : Tension nominale faible, nécessitant souvent des associations en série pour les applications à haute tension.

Marquages sur un condensateur de PCB :

Les marquages d’un condensateur fournissent des informations cruciales pour son utilisation dans l’assemblage et le test des PCB. Ces marquages incluent :

- Valeur de capacité : Indique la capacité de charge, généralement en µF, nF ou pF.

- Tension nominale : La tension maximale que le condensateur peut supporter, souvent notée par exemple « 5V5 » pour 5,5 V.

- Tolérance : La variation acceptable de la capacité, typiquement ±1 %, ±5 % ou ±10 %.

- Coefficient de température : Indique comment la capacité varie avec la température.

- Code de date : Indique la date de fabrication ou de lot.

- Polarité : Pour les condensateurs polarisés, les bornes positive et négative sont indiquées.

- Logo : Marque du fabricant et parfois le numéro de pièce.

Certains condensateurs indiquent également le matériau isolant, le courant de ondulation et les heures de durée de vie.

Comment choisir le bon condensateur pour votre conception :

Lors de la sélection d’un condensateur pour la conception de PCB, prenez en compte les facteurs suivants :

1. Valeur de capacité : Déterminez la capacité nécessaire pour votre application, qui peut varier de quelques picofarads à plusieurs farads.

2. Tension nominale : Choisissez un condensateur dont la tension nominale est au moins 1,5 fois supérieure à la tension de fonctionnement prévue.

3. Coefficient de température : Pour les circuits de précision, un faible coefficient de température est important pour maintenir la stabilité.

4. Taille et format : Les limitations d’espace peuvent nécessiter l’utilisation d’un composant plus petit, comme un MLCC, plutôt que des types plus volumineux comme les condensateurs à film.

5. ESR (résistance série équivalente) : Une faible ESR est cruciale dans les applications haute fréquence et d’alimentation où l’efficacité est primordiale.

6. Type de matériau diélectrique : Le matériau diélectrique d’un condensateur détermine sa capacité et sa stabilité thermique.

7. Tolérance : La valeur de tolérance indique dans quelle mesure un condensateur peut s’écarter de sa valeur nominale, dans les deux sens.

8. Types de montage des condensateurs : Utilisez les SMD pour les conceptions compactes et les trou traversant lorsque plus de capacité est nécessaire et que l’espace n’est pas limité.

9. Considérations sur le fournisseur : Lors de l’approvisionnement en condensateurs, choisissez toujours des fournisseurs réputés pour éviter les composants contrefaits dont les spécifications peuvent être incorrectes.