Composant électronique

Un composant électronique est un élément destiné à être assemblé avec d'autres afin de réaliser une ou plusieurs fonctions électroniques. Les composants forment de très nombreux types et catégories, ils répondent à divers standards de l'industrie aussi bien pour leurs caractéristiques électriques que pour leurs caractéristiques géométriques. Leur assemblage est préalablement défini par un schéma d'implantation.

Composant actif/passif

Un composant actif est un composant électronique qui permet d'augmenter la puissance d'un signal (tension, courant, ou les deux). La puissance supplémentaire est récupérée au travers d'une alimentation. On peut citer en majorité des semi-conducteurs, on y classe : transistor, circuit intégré¹.
Il existe généralement une connexion électrique interne entre deux bornes du composant où le courant et la tension sont de même signe (orientés dans le même sens sur le schéma). C'est la convention générateur.
Au contraire un composant est dit passif lorsqu'il ne permet pas d'augmenter la puissance d'un signal (dans certains cas, il s'agit même de réduire la puissance, souvent par effet Joule) : résistance, condensateur, bobine, filtre passif, transformateur, diode, ainsi que les assemblages de ces composants.
Dans l'ensemble des connexions internes le courant et la tension sont de signe inverse. Convention récepteur.
De plus en plus apparaissent des composants qui sont des modules ou assemblages de composants actifs et passifs. On les compte soit dans les actifs, soit on les exclut des composants électroniques (en les considérant comme des circuits électroniques à part entière).

Classification par type d'intégration

Un composant électronique discret est un composant ne réalisant qu'une fonction (resistance, condensateur, ...). Il s'oppose au circuit intégré ou au circuit hybride qui regroupent un certain nombre de fonctions actives ou passives dans un même boîtier. Le besoin de miniaturisation imposé par l'industrie de l'électronique et les progrès de l'industrie des semi-conducteurs engendrent progressivement la disparition de plus en plus des composants discrets. Ceux-ci sont cependant toujours utilisés dans les domaines réclamant de fortes tensions/ puissances comme l'électronique de puissance, l'électrotechnique, etc. Leur emploi se justifie également dans la réalisation de prototypes et des petites séries ou dans l'éducation.

Article détaillé : Composant discret.

Classification par boîtier

Parmi les composants à monter sur circuit imprimé, on distingue deux catégories principales : les composants montés en surface, également appelés CMS ou SMD (pour Surface-Mount Device), et les composants traversants (ou trad pour Traditional). La différence est importante du point de vue de la fabrication du circuit imprimé support, (la 2^e catégorie nécessite le perçage du PCB et impose d'autres contraintes de routage), ainsi que de l'assemblage (l'utilisation de composants CMS nécessite des contraintes d'assemblage différentes). Une troisième catégorie, pratiquement disparue aujourd'hui, est la catégorie des composants à wrapper.
Parmi ces catégories figurent de nombreuses sous-sous-catégories de problèmes mathématiques équationnels ou de boîtiers, que le concepteur doit choisir en fonction de diverses contraintes d'intégration, de prix, d'accessibilité des signaux, de classe de fabrication, de dissipation thermique...

Article détaillé : Boîtier de circuit intégré.

Certaines branches de l'électronique telles que l'électronique de puissance utilisent également des boîtiers avec des connexions à visser ou à sertir. Les contraintes de puissance, d'isolation et d'ergonomie ne permettent pas dans certains cas l'utilisation de circuits imprimés.

Domaines d'application

On peut lister les composants électroniques en fonction de leur domaine d'application de prédilection. Cette classification est donnée à titre indicatif, car les domaines de l'électronique sont en général interdépendants.

Condensateur (électricité)

Un condensateur est un composant électronique ou électrique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F). La relation caractéristique d'un condensateur idéal est :

$i = C{du\over dt}$

où :

i est l'intensité du courant qui traverse le composant, exprimée en ampères (symbole : A) ;
u est la tension aux bornes du composant, exprimée en volts (symbole : V) ;
C est la capacité électrique du condensateur, exprimée en farads (symbole : F) ;
$\textstyle{{du\over dt}}$ est la dérivée de la tension par rapport au temps.

Les signes sont tels que l'électrode par laquelle entre le courant (dans le sens conventionnel du courant) voit son potentiel augmenter.
Le condensateur est utilisé principalement pour :

stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ;
traiter des signaux périodiques (filtrage…) ;
séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ;
stocker de l'énergie, auquel cas on parle de supercondensateur

Loi de comportement du condensateur

Articles détaillés : Capacité électrique et Décharge d'un condensateur.

Symbole d'un condensateur non polarisé dans un circuit.

On définit la capacité par la relation :

$Q = C\times U$

où :

Q est la charge stockée sur sa borne positive et s'exprime en coulombs ;
U est la tension aux bornes du composant ;
C est la capacité électrique du condensateur.

Expression algébrique de la loi de comportement du condensateur :

$\textstyle{Q_1 = C\times (V_1-V_2)}$

Les indices 1 et 2 repérant chacune des bornes. Q_k étant la charge de la borne k et V_k son potentiel électrique (k = 1 ou 2). La borne au potentiel le plus élevé (borne positive) est donc chargée positivement. La charge « totale » d'un condensateur Q_t = Q₁ + Q₂ est donc nulle. Procédant par influence électrostatique, le courant « pénétrant » par une borne ressort à l'identique par l'autre borne, bien que les armatures soient séparées par un isolant.
Si l'on oriente la branche de circuit contenant le condensateur dans le sens : borne 1 → borne 2, fixant ainsi le sens positif du courant i, on définit alors algébriquement la tension u dans le sens opposé (convention récepteur)

$u = V_1 - V_2$

Il devient alors possible de définir algébriquement une relation entre le courant circulant dans la branche et la dérivée temporelle de la tension :

$i= \frac{dQ_1}{dt} \,$ $= C \cdot \frac{du}{dt} \,$

La valeur de la tension aux bornes du condensateur en régime transitoire en fonction du temps pour un système du premier ordre est définie par la relation suivante:

$_ V(t)=V_{\infty} +(V_0 - V_{\infty} )e^{-t/\tau}$ , $V_0$ est la tension initiale et $V_{\infty}$ est la tension en régime permanent

et $\tau$ est la constante de temps qui équivaut à

$\tau = R \cdot C$

dans un circuit ayant un condensateur en série avec une résistance. En connaissant les valeurs de tension initiales et finales, on peut en déduire le temps $t$ .

Composant électrique ou électronique

Plusieurs types de condensateurs. De gauche à droite : céramique multicouche, céramique disque, film polyester multicouche, céramique tubulaire, polystyrène, film polyester métallisé, électrolytique aluminium. Unité de mesure en centimètres.

Le mot condensateur peut désigner spécifiquement un composant électrique ou électronique conçu pour pouvoir emmagasiner une charge électrique importante sous un faible volume ; il constitue ainsi un véritable accumulateur d'énergie.
En octobre 1745, le physicien Ewald Georg von Kleist de Poméranie en Allemagne, invente le premier condensateur. Peu de temps après en janvier 1746, le physicien hollandais Pieter van Musschenbroek le découvre aussi de façon indépendante. Il l'appelle bouteille de Leyde car Musschenbroek travaillait alors à l'université de Leyde.

Un condensateur est constitué fondamentalement de deux conducteurs électriques, ou « armatures », très proches l'un de l'autre, mais séparés par un isolant, ou « diélectrique ».

La charge électrique emmagasinée par un condensateur est proportionnelle à la tension appliquée entre ses deux armatures. Aussi, un tel composant est-il principalement caractérisé par sa capacité, rapport entre sa charge et la tension.
La capacité électrique d'un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante est souvent utilisée pour estimer sa valeur :

$C = \varepsilon {S \over e}$

avec S : surface des armatures en regard, e distance entre les armatures et ε la permittivité du diélectrique.

L'unité de base de capacité électrique, le farad représente une capacité très élevée, rarement atteinte (à l'exception des supercondensateurs) ; ainsi, de très petits condensateurs peuvent avoir des capacités de l'ordre du picofarad.
Une des caractéristiques des condensateurs est leur tension de service limite, qui dépend de la nature et de l'épaisseur de l'isolant entrant dans leur constitution. Cet isolant présente une certaine rigidité diélectrique, c'est-à-dire une tension au-delà de laquelle il peut apparaître un violent courant de claquage qui entraîne une destruction du composant (sauf pour certains d'entre eux, dont l'isolant est dit auto-cicatrisant).

La recherche de la plus forte capacité pour les plus faibles volume et coût de fabrication conduit à réduire autant que possible l'épaisseur d'isolant entre les deux armatures ; comme la tension de claquage diminue également dans la même proportion, il y a souvent avantage à retenir les meilleurs isolants.

Désignation	Capacité	Champ électrique
Condensateur plan	$C = \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \cdot \frac{A}{d}$	$E = \frac{Q}{\varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} A}$
Condensateur cylindrique	$C=2\pi \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \, \frac{l}{\ln\!\left(\frac{R_2}{R_1}\right)}$	$E(r) = \frac{Q}{2\pi r l \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}}$
Condensateur sphérique	$C=4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} \left( \frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2}\right)^{-1}$	$E(r) = \frac{Q}{4\pi r^2 \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}}$
Sphère	$C = 4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} R_1$

où $\varepsilon_0$ représente la permittivité électrique du vide (8,84 10-12 Fm-1) et $\varepsilon_\mathrm{r}$ la permitivité relative de l'isolant.

Les différentes catégories de condensateurs

De nombreuses techniques, souvent issues de la chimie, ont permis d'améliorer sensiblement les performances des condensateurs, que l'on relie à la qualité du diélectrique employé. C'est donc la nature du diélectrique qui permet de classer les condensateurs :

les condensateurs non polarisés, de faible valeur (nanofarad ou microfarad) sont essentiellement de technologie « mylar » ou « céramique » ;
les condensateurs dits polarisés sont sensibles à la polarité de la tension électrique qui leur est appliquée : ils ont une borne négative et une positive. Ce sont les condensateurs de technique « électrolytique » (également appelée, par abus de langage, « chimique ») et « tantale ». Une erreur de branchement ou une inversion accidentelle de la tension conduit généralement à leur destruction, qui peut être très brutale, voire explosive ;
les supercondensateurs non polarisés ont une énorme capacité mais une faible tenue en tension (quelques volts). Ils ont été développés suite aux recherches effectuées pour améliorer les accumulateurs. La capacité qui peut dépasser la centaine de farads est obtenue grâce à l'immense surface développée d'électrodes sur support de charbon actif ;
les condensateurs à capacité variable, employés par exemple pour la réalisation des filtres RLC réglables.

Quand on rapproche les plaques, la capacité augmente rapidement, de même que le gradient de tension (c'est-à-dire le champ électrostatique). Par exemple, le champ dans un condensateur soumis à seulement 5 volts et dont les plaques sont distantes de 5 micromètres est de 1 million de volts par mètre. L'isolant joue donc un rôle capital. L'isolant idéal aurait une résistance infinie et une transparence totale au champ, n'aurait aucun point d'éclair (gradient de champ où apparaît un arc), n'aurait aucune inductance (qui limite la réaction aux hautes fréquences : un condensateur idéal laisserait passer la lumière par exemple), etc. On doit donc choisir un isolant selon le but recherché, c’est-à-dire l'usage qu'on veut faire du condensateur.

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