Ce qu'ils ne vous apprennent pas sur les condensateurs
Dans le domaine de l'ingénierie, nous adoptons souvent des centaines de raccourcis mentaux afin de maintenir la complexité des sujets que nous abordons à un niveau gérable.
Si nous devions exécuter une simulation de physique quantique chaque fois que nous faisons clignoter une LED, nous ne finirions jamais rien. Pourtant, bon nombre de ces raccourcis et règles empiriques ont été créés dans le passé, à une époque où l'industrie électronique était radicalement différente de ce qu'elle est aujourd'hui.
Aujourd'hui, nous allons désapprendre ce qu'est un condensateur. De plus, nous discuterons de comment utiliser les condensateurs, en prenant en considération l'électronique contemporaine.
Ce qu'un condensateur n'est plus
L'une des hypothèses courantes est que le rôle principal d'un condensateur est de stocker la charge, comme un seau d'eau qui serait rempli par une tasse et vidé par une autre en même temps.
Si vous avez déjà eu une discussion sur « si le courant passe à travers un condensateur » et que cela a dérivé plus vers la politique que la physique, vous savez que les analogies typiques n'ont pas beaucoup de sens lorsque le courant alternatif est impliqué. Un condensateur est simplement deux conducteurs séparés par un diélectrique, et nulle part dans les explications de physique de base de ses propriétés vous ne trouverez une explication de ce que vous devriez en faire.
Stocker de l'énergie n'est qu'une des nombreuses utilisations d'un condensateur, tout comme filtrer, former ou modifier les signaux électriques et les impédances. Nous avons tendance à penser à cela comme à son utilisation principale parce que c'était sa première utilisation à l'aube de l'électricité continue et de l'électroscope de William Gilbert — inventé au 15ème siècle.
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Le Rôle d'un Condensateur
Des termes comme condensateur de découplage et condensateur de bypass sont souvent utilisés de manière interchangeable — j'ai moi-même fait cette erreur d'innombrables fois.
Cela conduit à beaucoup de confusion, car différentes utilisations nécessitent souvent des condensateurs avec différents paramètres électriques et physiques, tels que le conditionnement, les notations de tension, l'ESR (Résistance Série Équivalente), l'ESL (Inductance Série Équivalente) et le profil de résonance propre.
Les condensateurs prennent des noms différents non seulement en fonction des technologies sur lesquelles ils sont construits (céramique, électrolytique), mais aussi en fonction de leurs rôles.
Les sections suivantes contiennent certains des rôles les plus courants assumés par les condensateurs.
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Condensateur de Bypass
Le rôle d'un condensateur de bypass est de transférer l'énergie RF (fréquence AC raisonnablement élevée) d'une partie de votre carte à une autre. Comme vous venez de le lire, il n'est absolument pas question de stockage. Aucun ! Un condensateur de bypass concerne tout sur la conduction, pas sur le stockage.
Pour que cela se produise, il faut sélectionner avec soin le condensateur avec l'impédance la plus faible possible aux fréquences d'intérêt. Cela peut être réalisé en accordant sa fréquence de résonance propre au signal RF autant que possible.
La fréquence de résonance propre est la fréquence à laquelle la capacité et l'inductance parasite du condensateur résonnent, et le condensateur présente l'impédance la plus faible possible. Mathématiquement, c’est comme si la capacité et l’inductance disparaissaient, ne laissant que la résistance série équivalente.
Pour des fréquences supérieures à la fréquence de résonance propre, le condensateur commence à se comporter de moins en moins comme un condensateur et plus comme une inductance.
Ce qu'il faut surveiller
L'une des erreurs les plus courantes commises lors de l'utilisation de condensateurs de découplage pour contrôler les émissions électromagnétiques (surtout lorsqu'on essaie de découpler sur les plans de masse), est de limiter leur placement uniquement à la source du bruit que nous voulons adresser.
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En courant continu, cela aurait du sens : court-circuiter le signal aussi près que possible de la source pour obtenir ses valeurs aussi basses que possible, minimisant la résistance (impédance) entre le court-circuit électrique (le condensateur) et la source.
Dans le courant alternatif, et particulièrement dans le domaine RF, en raison de la nature ondulatoire des signaux électriques, l'augmentation rapide de l'impédance entre la zone proche de votre source de bruit et le reste du plan de masse peut être une source de réflexions. Cela peut également se produire sur les pistes, car les impédances plus élevées des vias peuvent refléter l'énergie RF.
C'est ce que sont les réflexions : de l'énergie réfléchie en raison d'une impédance non adaptée. Encore une fois, cela entre en conflit avec la description traditionnelle de « l'énergie réfléchie en raison de lignes non terminées », qui n'est que partiellement correcte.
Lors de l'utilisation de condensateurs de découplage, vous devriez essayer de réduire l'impédance des plans d'alimentation et de masse en répartissant les condensateurs sur vos cartes. Selon la fréquence que vous souhaitez adresser, l'empilement des couches et le matériau diélectrique du PCB, vous pourriez envisager des condensateurs dans la gamme des picofarads à nanofarads.
Condensateur de découplage
Les régulateurs linéaires comme le très répandu 7805 ont une boucle de rétroaction interne qui compare la tension de sortie à une référence de tension et régule le courant en conséquence pour maintenir une sortie stable.
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En théorie, les régulateurs linéaires pourraient être utilisés sans un condensateur externe — du moins si nous ignorons tout problème d'oscillation auto-induite. Pour obtenir une sortie stable, le courant demandé devrait changer à une vitesse de montée assez lente pour que le régulateur linéaire puisse suivre. Étant donné que la plupart d'entre eux sont basés sur la technologie BJT du début des années 80, ces vitesses de montée ne sont pas rapides du tout.
De même, les convertisseurs DC-DC à commutation ont une fréquence de commutation fondamentale et ne peuvent pas réguler la sortie plus rapidement que cette fréquence.
De nombreux dispositifs numériques modernes génèrent des transitoires de courant avec des composantes de fréquence de centaines de mégahertz, bien plus que ce que tout régulateur peut suivre (à moins que nous parlions de pilotes de diodes laser exotiques).
Les condensateurs de découplage opèrent à la limite entre les tensions stables régulées par le circuit d'alimentation DC et la consommation de courant intermittente des dispositifs numériques modernes.
Même une petite impédance entre l'alimentation et le dispositif, face à un pic de courant, conduira rapidement à une tension d'alimentation en dehors des plages acceptables.
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Les condensateurs de découplage agissent comme un stockage d'énergie localisé temporaire, réduisant efficacement l'impédance source pour des valeurs entre quelques mégahertz et quelques centaines de mégahertz.
Pour les fréquences supérieures à quelques centaines de MHz, la plupart des condensateurs CMS présentent une haute impédance et sont inefficaces, des techniques comme la capacité enterrée dans l'empilement des couches doivent être utilisées à la place.
À surveiller
Les condensateurs de découplage ne sont utiles que dans une bande de fréquences relativement étroite, principalement en raison des limitations introduites par leurs propriétés parasites.
Le principal paramètre à surveiller est, une fois de plus, la fréquence de résonance propre. Les condensateurs de découplage ne sont efficaces qu'à des fréquences inférieures à leur fréquence de résonance propre.
Les règles suivantes sont souvent utiles pour choisir quel condensateur utiliser :
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- De DC à ~Khz : aucun condensateur n'est nécessaire, l'alimentation électrique peut suivre par elle-même.
- De ~Khz à ~Mhz : les valeurs élevées des condensateurs électrolytiques sont bénéfiques pour la gamme de fréquences inférieures, mais leur haute impédance en série limite leur performance en induisant une basse fréquence de résonance propre. Dans la gamme des Mhz, de nombreux condensateurs électrolytiques sont déjà fortement inductifs.
- De ~Mhz à 200Mhz : le condensateur céramique, en fonction du diélectrique, de la taille du boîtier et de la technologie de construction, couvre généralement cette gamme.
- Au-dessus de 200Mhz : les condensateurs céramiques commencent à devenir inefficaces. Dans ce scénario, il serait préférable d'utiliser des techniques de capacité enterrée à la place.
Condensateur de masse
Les condensateurs de bulk sont utilisés pour maintenir la tension stable pendant les coupures de cycle d'alimentation et pour supporter la demande de courant de pointe, et sont généralement électrolytiques en raison de la grande capacité nécessaire pour ce rôle.
Pensez à eux comme à de minuscules, adorables UPS (Uninterruptible Power Supply) cylindriques.
Ce qu'on ne vous apprend pas sur les condensateurs céramiques
Les condensateurs céramiques sont sans aucun doute le composant passif par excellence dans l'industrie électronique d'aujourd'hui, et leur capacité volumétrique s'est améliorée à un rythme comparable à celui de la densité des transistors dans le silicium, permettant une grande partie de la conception haute densité moderne.
Ils sont en effet une merveille de la technologie, mais ils ont aussi quelques particularités dont vous devriez être conscient.
Plus petit est mieux
La céramique est un matériau merveilleux, mais elle est également fragile. Les condensateurs céramiques peuvent se fissurer en raison de la flexion de la carte PCB, par exemple lors de l'assemblage de grandes planches (ou panneaux), en cassant mal les cartes à v-coupe, ou si les produits sont mal manipulés pendant le transport.
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La fissuration par flexion est un phénomène dangereux : si le condensateur est utilisé sur des lignes électriques capables de courants élevés, il peut souvent se court-circuiter et provoquer un incendie.
Contrairement à la sagesse populaire, un condensateur plus petit présente à la fois de meilleures performances électriques et mécaniques. Ils sont moins susceptibles de se fissurer et ont une fréquence de résonance propre plus élevée.
Si votre produit nécessite une haute fiabilité sous contraintes mécaniques, il existe quelques techniques que vous pouvez utiliser pour réduire ce type de défaillance.
- Ne placez pas les condensateurs avec le côté long dans la même direction que celle dans laquelle la carte se plie.
- Utilisez des condensateurs plus petits comme les 0402
- Utilisez des condensateurs à terminaison souple qui ne se court-circuitent pas sous contrainte, et/ou des condensateurs céramiques classés X2/Y2 qui se coupent en cas de court-circuit
- Routez autour de vos condensateurs pour soulager la contrainte mécanique
- En supposant que vous avez choisi des condensateurs qui s'ouvrent en cas de rupture, utilisez toujours au moins deux d'entre eux en parallèle, afin que votre circuit puisse avoir suffisamment de capacité pour continuer à fonctionner normalement lorsqu'un d'eux se brise
Le diélectrique compte, beaucoup
C0G, X7R… les diélectriques ont des noms étranges et un mélange de propriétés. Voici leurs caractéristiques et quand ils brillent.
- C0G/NP0 : Ce sont les condensateurs céramiques les plus sophistiqués du marché. Ils sont généralement disponibles de 1pF à 100nF et ont une tolérance de 5%. NPO signifie positif-négatif-zéro, la forme du graphique du coefficient du condensateur, qui semble plat sur la plage de température. Ils sont ce que vous devriez utiliser lorsque des valeurs précises et une stabilité sont requises.
- X7R : Le cheval de bataille moderne. Ils ont d'excellents coefficients de tension et de température et sont populaires entre 100pF et 22uF. Ils sont les plus largement utilisés pour les applications de découplage et ont une large plage de température de -55°C à 125°C.
- X5R : Similaire à X7R mais classé pour 85°C au lieu de 125°C.
- Y5V : Peut atteindre une valeur de capacitance extrêmement élevée mais avec de faibles notations de tension et de température (jusqu'à une perte de 82% de la capacitance autorisée).
- Z5U : De manière similaire à Y5V, les condensateurs Z5U affichent de mauvaises performances de tension et de température et sont extrêmement bon marché. Notés seulement jusqu'à -10°C. Utilisés uniquement dans les équipements de consommation à bas coût pour le découplage.
À surveiller
Associer des condensateurs avec différents diélectriques peut conduire à des résultats inattendus.
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Par exemple, les condensateurs Z5U sont très abordables et utilisent un diélectrique en titanate de baryum. Ce matériau possède une constante diélectrique élevée, permettant un excellent rapport capacitance-volume, et une fréquence de résonance propre généralement comprise entre 1MHZ et 20 MHZ.
Les NPO offrent de meilleures performances aux fréquences supérieures à 10Mhz, alors pourquoi ne pas les combiner pour obtenir une performance à large fréquence ?
Malheureusement, lorsque les condensateurs Z5U et NP0 sont connectés en parallèle, le matériau à constante diélectrique plus élevée amortit la fréquence de résonance du NPO, et la combinaison résulte en une performance globale pire que celle d'un Z5U de bonne qualité.
Le « pourquoi », cependant, est définitivement au-delà de mes compétences. Si vous comprenez ce phénomène, veuillez m'écrire une lettre.
Absorption Diélectrique
Si vous court-circuitez la sortie d'un condensateur chargé, vous vous retrouverez avec un condensateur complètement déchargé posé sur votre établi et vous regardant avec des yeux attristés. Cependant, ce n'est pas toujours le cas. Presque tous les condensateurs, à l'exception notable des condensateurs à vide, conservent une partie de leur charge après avoir été déchargés.
Le phénomène se produit parce que les dipôles moléculaires, orientés de manière aléatoire, sont alignés au fil du temps par le champ électrique, et leur nouvelle orientation est conservée même en son absence.
Les condensateurs céramiques peuvent retenir jusqu'à 0,6 % de la tension chargée pour les NP0 et 2,5 % pour les X7R.
Capacité dépendante de la tension
Les condensateurs Y5V peuvent perdre jusqu'à 82 % de leur capacité à la tension nominale, tandis que les condensateurs NP0 ont une réponse presque plate.
Si vous avez des applications où vous devez varier la tension de sortie, par exemple à travers la source de tension configurable requise par la norme USB-PD dont Mark Harris a discuté dans son article récent, vous pourriez vous retrouver avec des performances de circuit apparemment imprévisibles.
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