Qu'est-ce qu'un condensateur céramique ? Le condensateur céramique est l'un des types de condensateurs les plus couramment utilisés dans la plupart des instruments électriques en raison de sa grande fiabilité et de son faible coût. Sous cette forme, les disques en céramique ou en porcelaine sont utilisés pour fabriquer des condensateurs non polarisés et sont utilisés dans diverses industries. La faible conductivité des matériaux céramiques en fait d'excellents  diélectriques, ainsi que des supports efficaces des champs électrostatiques.

Notions de base sur les condensateurs céramiques

Les condensateurs céramiques sont des condensateurs à valeur fixe en matériau céramique comme diélectrique. Il est composé de deux ou plusieurs couches de céramique et d'une couche de métal servant d'  électrodes. Le comportement électrique et donc les applications des matériaux céramiques sont déterminés par la composition du matériau céramique. Les céramiques sont des composés inorganiques, non métalliques, cristallins d'oxyde, de nitrure ou de carbure tels que le carbone et le silicium. Un condensateur céramique, en particulier un condensateur céramique multicouche (MLCC), est l'un des composants électriques les plus courants d'aujourd'hui.

Les condensateurs céramiques ont généralement une plage de capacité de 10 pF à 0,1 μF.

La figure suivante montre le symbole d'un condensateur céramique :

Symbole d'un condensateur céramique (Référence : elprocus.com)

Le condensateur céramique à trois chiffres, 101, 102, 103, etc., indique qu'il est mesuré en pico-farads. Cependant, lorsque le même condensateur utilise des alphabets au lieu de chiffres, la valeur est AB x 10C Picofarad.

Types de condensateurs céramiques

Il existe quatre principaux types de condensateurs céramiques :

Condensateurs céramiques de classe 1

Ces condensateurs sont très stables et ont de faibles pertes dans les circuits résonnants. En raison de leur faible perte, ils peuvent être utilisés dans des oscillateurs et des filtres. Leurs coefficients de température stables les rendent adaptés aux condensateurs à haute tolérance.

Condensateurs céramiques de classe 2

En fonction de la tension appliquée, les condensateurs ont une certaine capacité. Le coefficient de température des diélectriques de classe 2 est non linéaire. Les applications de ces condensateurs comprennent le couplage et le découplage.

Condensateurs céramiques de classe 3

Les diélectriques de classe 3 ont des valeurs de permittivité jusqu'à 50 000 fois supérieures à celles des diélectriques de classe 2. Les condensateurs dépendent de la tension et ont des pertes élevées.

Condensateurs céramiques de classe 4

Les condensateurs de classe 4 sont également appelés condensateurs à couche barrière.

La polarité des condensateurs céramiques 

La polarité d'un condensateur est l'une des considérations les plus importantes lors de la connexion de condensateurs dans un circuit électrique. Sur la base de leur polarité, les condensateurs peuvent être divisés en deux groupes :

Condensateurs polarisés 

Les condensateurs polarisés ont deux bornes, appelées anode et cathode.

Condensateurs non polarisés 

Contrairement aux condensateurs polarisés, les condensateurs non polarisés ont une borne et peuvent donc être utilisés dans les deux sens. Le dispositif de non-polarité fait référence à l'absence de polarité sur le condensateur.

Construction de condensateurs céramiques

Les condensateurs céramiques sont constitués de granulés de matériaux paraélectriques ou  ferroélectriques  , qui sont combinés avec d'autres matériaux pour produire le comportement souhaité. À des températures élevées, ces mélanges de poudres sont frittés en céramique. Les céramiques diélectriques sont utilisées pour servir de supports aux électrodes métalliques. Une granulométrie de poudre céramique détermine l'épaisseur minimale de la couche diélectrique. Pour les condensateurs avec des tensions plus élevées, la rigidité diélectrique du condensateur détermine l'épaisseur du diélectrique.

Une température élevée est appliquée après la stratification et le matériau est fritté, ce qui donne un matériau céramique aux propriétés souhaitées. En conséquence, un condensateur est formé en connectant de nombreux condensateurs plus petits en parallèle, ce qui entraîne une augmentation de la capacité.

Un condensateur céramique se présente sous trois formes de base bien que d'autres types existent :

Condensateurs céramiques à disque au plomb 

Ils sont recouverts de résine pour un montage traversant. Les disques en céramique sont recouverts des deux côtés de contacts en argent. Les condensateurs à disque ont des valeurs de capacité comprises entre 10pF et 100μF avec des tensions nominales allant de 16V à 15KV. Les dispositifs peuvent être constitués de plusieurs couches pour obtenir des capacités plus élevées.

Le type de disque de condensateur céramique se compose de deux disques conducteurs de chaque côté de l'isolant en céramique. Ces plaques sont recouvertes d'une composition céramique étanche à l'eau sur laquelle sont fixés les plombs. Ce type de condensateur céramique est disponible jusqu'à la valeur de 0,01 F. Ils peuvent supporter une tension continue de 750 volts et une tension alternative de 350 volts.

Condensateur céramique disque plombé (Référence : electronics-notes.com)

Condensateurs céramiques multicouches (MLCC) 

Les MLCC sont des blocs rectangulaires composés d'un mélange de composants paraélectriques et ferroélectriques recouverts de contacts métalliques et conçus pour un montage en surface. Plus de 500 couches sont présentes dans les MLCC, avec une épaisseur de couche minimale d'environ 0,5 micron. Il est technologiquement possible de diminuer l'épaisseur de la couche tout en augmentant la capacité dans le même volume.

Structure d'un condensateur céramique multicouche (Référence : passive-components.eu)

Les condensateurs MLCC ont une capacité (C) qui utilise une formule de condensateur à plaques avec un nombre de couches augmenté.

Dans l'équation ci-dessus, ε représente la permittivité diélectrique ; A représente la surface d'électrode ; n est le nombre de couches et d représente la distance entre les électrodes.

Condensateurs céramiques à disque sans plomb

Les condensateurs céramiques micro-ondes spécialement conçus s'insèrent dans les fentes des circuits imprimés.

Types de diélectriques en céramique 

Contrairement aux condensateurs au tantale et électrolytiques, les condensateurs céramiques peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux diélectriques. Différents diélectriques confèrent des propriétés très différentes aux condensateurs. Ainsi, outre le choix d'un condensateur céramique, une deuxième décision peut également être nécessaire concernant le type de diélectrique à utiliser. De nombreux diélectriques de condensateurs céramiques sont mentionnés dans les listes de distributeurs, notamment C0G, NP0, X7R, Y5V, Z5U et bien d'autres. Le meilleur type, cependant, nécessite une enquête plus approfondie.

Applications des condensateurs céramiques 

Les condensateurs céramiques ont de nombreuses applications, notamment :

• Dans les stations émettrices du circuit résonant
• Dans Alimentations laser haute tension
• Fours à induction
• Disjoncteurs de puissance
• Cartes de circuits imprimés
• Applications haute densité
• Ces condensateurs peuvent également être utilisés comme condensateurs à usage général et comme balais pour les moteurs à courant continu afin de réduire le bruit RF.

Avantages des condensateurs céramiques

Les condensateurs céramiques présentent les avantages suivants :

• Il est fiable et possède de bonnes caractéristiques de réponse en fréquence même lorsqu'il fonctionne à des fréquences plus élevées.
• Ils peuvent supporter des tensions plus élevées allant jusqu'à 100 volts.
• Ils pèsent moins que les autres condensateurs.
• Les coûts sont faibles pour ces articles.
• Une variété de formes et de tailles sont disponibles.
• Ils ont une faible ESR (Effective Series Resistance) et une faible ESL (Effective Series Inductance) par rapport aux autres condensateurs.

Inconvénients des condensateurs céramiques 

Voici quelques-uns des inconvénients des condensateurs céramiques :

• Avec sa conception, il n'est pas possible de construire des condensateurs de valeurs supérieures. Il existe une valeur de capacité maximale de 150 µF.
• Les condensateurs en céramique avec des constructions similaires à celles ci-dessus ne sont pas disponibles dans des tensions plus élevées. Les condensateurs céramiques de puissance sont construits avec des formes et des tailles plus grandes. Ils peuvent supporter des tensions de 2 kV à 100 kV.
• Ils ont un coefficient de température plus élevé.
• Les valeurs de tolérance des condensateurs céramiques sont plus élevées.
• Certains circuits d'alimentation peuvent avoir des problèmes avec des condensateurs en céramique comme condensateurs de sortie.
• Une série de condensateurs plus petits sont utilisés en parallèle car les unités plus grandes se fissurent avec la flexion du PCB.

Source : Linquip