Guide des diélectriques des condensateurs céramiques et autres types

Les condensateurs occupent une place importante dans la plupart des circuits électroniques. Mais que font-ils réellement, et qu'est-ce qui leur permet de fonctionner ainsi ? Ce sont des composants passifs qui stockent de l'énergie potentielle électrique sous forme de tension entre deux conducteurs chargés, séparés par un diélectrique isolant. Ce matériau isolant bloque le courant continu et permet au courant alternatif d'induire un courant de déplacement entre les deux armatures, par l'intermédiaire de la polarisation qui apparaît lorsqu'une tension est appliquée. On retrouve ces composants partout, des réseaux de filtres analogiques aux alimentations, en passant par les composants numériques rapides.

Qu'est-ce qui permet aux condensateurs de remplir leur fonction ? L'intensité du champ électrique dans le diélectrique détermine la façon dont le courant de déplacement traverse le composant : on peut donc classer les condensateurs selon leur diélectrique isolant. Dans cet article, nous présentons cette classification, avec une section consacrée aux diélectriques des condensateurs céramiques.

Diélectriques de condensateurs courants

Il existe plusieurs types de diélectriques de condensateurs, chacun disponible dans différentes tailles de boîtier. Certains matériaux ont une constante diélectrique bien plus élevée que d'autres : on peut considérer qu'ils offrent une plus grande « densité de capacité », c'est-à-dire une capacité plus élevée dans un boîtier plus petit. Si vous avez déjà regardé l'intérieur d'une alimentation, vous avez sûrement vu de gros condensateurs radiaux montés verticalement sur la carte : ce sont des condensateurs électrolytiques, qui nécessitent un boîtier de cette taille pour atteindre des valeurs de capacité aussi élevées.

D'autres diélectriques présentent d'autres avantages que la densité de capacité. Ils peuvent avoir une tension de claquage très élevée, être très utiles en courant alternatif car ils n'imposent pas de polarité, ou avoir un coefficient de température très faible qui en fait un meilleur choix pour les applications de précision. C'est l'une des raisons pour lesquelles les fiches techniques et les notes d'application recommandent de choisir un condensateur selon son matériau diélectrique plutôt que selon sa valeur de capacité. Dans ces applications, la valeur du condensateur peut compter moins que les avantages propres à son diélectrique. Gardez-le en tête lorsque vous lisez des recommandations de condensateurs dans une fiche technique ou une note d'application.

Types de diélectriques de condensateurs

Céramiques

La capacité des condensateurs céramiques varie avec la température et la tension appliquée. Ils présentent aussi un courant de fuite en continu plus faible et une résistance série équivalente (ESR) plus basse. Les condensateurs céramiques sont généralement non polarisés et peuvent donc être orientés dans n'importe quel sens lors de l'implantation du PCB ; c'est l'une des raisons pour lesquelles on les privilégie dans les applications haute fréquence en courant alternatif et dans les alimentations. Leur faible ESR peut toutefois laisser passer de forts transitoires dans les systèmes d'alimentation, ce qu'un condensateur à ESR contrôlé permet d'éviter.

Les condensateurs céramiques sont fabriqués en recouvrant les deux faces d'un petit disque céramique d'un film métallique (de l'argent, par exemple), puis en empilant ces disques dans le boîtier du condensateur. Un seul disque céramique d'environ 3 à 6 mm permet d'obtenir une très faible capacité. La constante diélectrique (Dk) des céramiques est très élevée, ce qui permet d'obtenir une capacité relativement élevée dans un petit boîtier.

Électrolytiques (tantale, aluminium, etc.) ou à oxyde

Ces condensateurs sont utilisés dans les circuits qui demandent une capacité très élevée. Une solution électrolytique semi-liquide, sous forme de gel ou de pâte, y remplace la très fine couche de film métallique qui sert de cathode. Ils sont plus stables en capacité (tolérances plus serrées, variation en température plus faible, par exemple) et plus stables à haute tension. Leur ESR est plus élevé que celui des condensateurs céramiques, et ils sont non polarisés.

Film plastique

Ces diélectriques ont généralement une valeur Dk plus faible, d'où une taille bien plus importante, mais ils sont très utiles dans les circuits haute fréquence. Les condensateurs à film sont le type de condensateur le plus couramment disponible : ils forment une famille assez large, aux caractéristiques diélectriques variées. Les spécifications des matériaux peuvent donc beaucoup varier d'un condensateur à l'autre.

Substrats de PCB

Techniquement, un PCB devient un grand condensateur dès qu'il comporte de grandes couches de plans adjacentes. Les plans d'un PCB peuvent fournir environ 50 pF par pouce carré (soit environ 7,75 pF/cm²) avec une ESL très faible. C'est pourquoi les condensateurs formés par les plans sont souvent la solution la plus efficace pour découpler les transitoires induits par les boîtiers dans le PDN d'un PCB haute vitesse.

Classes de diélectriques céramiques selon la rigidité diélectrique

La classe d'un condensateur céramique dépend de sa rigidité diélectrique, qui détermine la tension de claquage de son diélectrique.

• Classe 1 : les condensateurs céramiques de classe 1 sont couramment fabriqués à partir d'additifs d'oxydes de Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co et Sr. On les choisit pour des circuits AC qui doivent rester relativement insensibles aux variations de température, par exemple des circuits résonants comme les filtres ou les réseaux d'adaptation, lorsqu'un produit doit garder une grande précision dans des conditions de fonctionnement difficiles.
• Classe 2 : ces condensateurs céramiques sont fabriqués à partir d'un diélectrique à base de titanate de baryum, sensible à la température. Ils offrent une densité de capacité élevée : on peut atteindre une forte capacité dans un petit volume. Les condensateurs céramiques de classe 2 sont généralement utilisés pour le lissage, le bypass, le couplage et le découplage.
• Classe 3 : ce groupe de diélectriques céramiques offre une capacité élevée par rapport aux céramiques de classe 2. Les condensateurs de classe 3 sont considérés comme obsolètes et ne sont plus normalisés par la CEI (IEC). Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) modernes de classe 2 offrent des capacités plus élevées, avec une meilleure stabilité et une précision plus serrée, dans un boîtier plus compact.

Ces définitions sont normalisées par les normes IEC/EN 60384-1 et IEC/EN 60384-8/9/21/22. L'EIA a sa propre définition, avec quatre classes de diélectriques céramiques, chacune notée en chiffres romains. Gardez-le en tête si une page produit indique « Classe 3 » ou « Classe III » : ces deux désignations ne sont pas équivalentes.

Qu'est-ce qu'un condensateur MLCC ?

Un MLCC (multilayer ceramic capacitor, ou condensateur céramique multicouche) est la forme la plus répandue de condensateur céramique sur les cartes modernes. Au lieu d'un seul disque, il empile de nombreuses couches très fines de diélectrique céramique, séparées par des électrodes métalliques internes. Ces électrodes sont reliées alternativement aux deux terminaisons du composant, ce qui revient à mettre en parallèle un grand nombre de petits condensateurs dans un même boîtier.

Plus les couches sont nombreuses et fines, plus la capacité obtenue dans un volume donné est élevée. C'est ce qui permet aux MLCC d'atteindre plusieurs microfarads dans des boîtiers CMS de quelques millimètres (codes impériaux 0402, 0603, 0805, etc.).

Les MLCC existent avec des diélectriques de classe 1 (C0G/NP0, par exemple), pour les applications de précision, et de classe 2 (X5R, X7R, etc.), pour le découplage et le filtrage lorsqu'il faut une forte capacité dans peu de place.

Système de codage des condensateurs

Les condensateurs céramiques sont désignés par un code alphanumérique à trois caractères, dont le système dépend de la classe de céramique. D'autres marquages sur le boîtier peuvent indiquer la tension nominale de fonctionnement, les tolérances et le coefficient de température.

Par exemple, les condensateurs céramiques de classe 2 sont classés selon leurs limites de température de fonctionnement et la sensibilité de leur capacité aux variations de température. Cette sensibilité est spécifiée entre les limites de température basse et haute, et n'est pas garantie au-delà. Notez que ces codes ne désignent pas les matériaux diélectriques eux-mêmes : les composés céramiques peuvent porter un nom commercial propriétaire ou un nom chimique. Ces codes servent plutôt à associer un domaine d'application au niveau de tolérance requis.

Le tableau ci-dessous présente les caractères du code à trois caractères des condensateurs céramiques de classe 2 (X5R, X7R, etc.).

Comment trouver des condensateurs avec un diélectrique précis

Si vous cherchez des condensateurs à diélectrique électrolytique, plastique ou même polyester, il suffit de les rechercher dans vos outils de bibliothèque de composants PCB. Un service comme Octopart propose de nombreuses références, avec des diélectriques, des tailles de boîtier, des types de montage, etc. variés. Voici les principaux critères à prendre en compte pour choisir un diélectrique :

1. Capacité et coefficient de température : ces deux critères doivent être considérés ensemble lors d'une recherche de composant par diélectrique.
2. Tolérances : à ne pas confondre avec le coefficient de température ; il s'agit de l'écart autour de la valeur de capacité nominale (comme pour les autres composants passifs).
3. Durée de vie : les diélectriques ont une durée de vie limitée ; la capacité diminue lentement avec le temps et finit par sortir de la plage définie par la tolérance du composant.
4. Éléments parasites : l'ESL et l'ESR comptent pour les applications haute fréquence, pour certaines applications de puissance à commutation rapide, ou pour l'intégrité de puissance des systèmes numériques.
5. Taille du boîtier : pour les condensateurs CMS et les électrolytiques radiaux ou axiaux, un boîtier plus grand offre une capacité plus élevée. Les tailles peuvent suivre une désignation standard, comme les codes de boîtier CMS des condensateurs chip. Un boîtier plus petit a des pastilles plus petites, donc une ESL plus faible.

Pour les condensateurs céramiques, seuls les points 1 et 2 sont normalisés par le code à trois caractères. Si vous savez qu'un code donné convient à votre application, vous pouvez donc chercher directement par code. Les autres types de condensateurs n'ont pas de système de désignation normalisé comparable à celui des céramiques : en cherchant des électrolytiques par lettres de code, vous risquez de ne pas trouver ce qu'il vous faut.

Enfin, pour les applications de puissance, la tension de claquage est importante. Les diélectriques des condensateurs sont caractérisés par leur rigidité diélectrique, c'est-à-dire l'intensité du champ électrique nécessaire pour provoquer leur claquage. La tension de claquage, elle, est propre à chaque composant, et c'est la spécification déterminante pour concevoir un système de puissance. Pensez à en tenir compte lorsque vous concevez une alimentation, et vérifiez si la valeur nominale s'applique à une tension AC ou DC : c'est une erreur courante, qui peut entraîner la défaillance de votre système !

Que vous conceviez une alimentation ou un appareil sans fil, vous aurez besoin de condensateurs, et vous devrez peut-être les choisir en fonction de leur diélectrique. Une fois les bons condensateurs trouvés, utilisez les outils de conception de PCB d'Altium pour préparer vos schémas et l'implantation de votre PCB. Tous les utilisateurs peuvent créer des schémas, des implantations de PCB et la documentation de fabrication nécessaire pour passer de l'idée à la production. Ils disposent aussi d'un espace de travail personnel où stocker leurs données de conception dans le cloud et consulter facilement leurs projets depuis un navigateur web, sur une plateforme sécurisée.