Condensateur : ripple courant

Le ripple courant d'un condensateur est une donnée importante mais souvent négligée pour un condensateur. En effet, on ne peut pas charger et décharger trop vite un condensateur, sinon il va surchauffer et se détruire prématurément. Le ripple courant (ripple current) est le courant efficace (RMS) d'ondulation (charge et décharge) que peut supporter le condensateur. Chaque condensateur a son maximum.

Les fabricants donnent ce ripple courant (ripple current) dans leurs documentations techniques. En voici un exemple que nous reverrons après :

Ripple courant en fonction de la valeur du condensateur

Pourquoi le ripple courant est-il limité ?

L'ESR et le ripple courant

Rien n'est idéal dans ce monde, sauf peut-être les idées philosophiques. Un condensateur réel présente toujours une résistance série qui est due à la résistance électrique des matériaux conducteurs. Cette résistance s'appelle l'ESR (equivalent series resistance, en anglais). On modélise cette résistance par une résistance en série avec le condensateur :

Résistance série ESR d'un condensateur

On peut aussi modéliser l'inductance série (ESL) d'un condensateur en série avec l'ESR, mais ici, elle ne nous intéresse pas.

Cette résistance est traversée par le courant de charge et décharge et dissipe de la chaleur. La puissance dissipée en chaleur par un condensateur vaut :

P = ESR x courant de ripple²

C'est la classique formule RI² de l'effet Joule, avec R = ESR et I = courant de ripple (valeur efficace)

Lorsqu'on dépasse le ripple courant maximum autorisé, le condensateur surchauffe de l'intérieur, sa durée de vie est réduite et il peut même gonfler ou exploser. C'est typique des cartes mères de PC fixes bas de gamme. En voici un exemple :

Condensateurs HS sur carte mère de PC

Ce qu'il faut retenir, c'est que la température, c'est l'ennemi de l'électronique. Placé dans un environnement frais, le condensateur aura une durée de vie bien plus grande. Soumis à un ripple courant trop grand, il chauffe excessivement de l'intérieur et se dégrade vite !

Les condensateurs plastique et autres condensateurs non polarisés ont aussi un ripple courant maximum, souvent nettement plus élevé que les condensateurs chimiques.

Ripple courant des condensateurs

Chaque fabricant donne des spécifications sur le ripple courant (ripple current) maximum des condensateurs. Ces données ne figurent pas sur le composant, il faut les chercher dans les documentations techniques (datasheet souvent en pdf).

- Condensateurs chimiques (ripple current)

Ci dessous, un exemple de gamme de condensateur chimique. On voit que si on souhaite maximiser le ripple courant, il vaut mieux mettre plusieurs condensateurs plus petits en parallèle qu'un seul plus gros :

Mieux vaut mettre 3 condensateurs 1000uF que 1 condensateur 3300uF

On voit que 3 condensateurs 1000uF permettent un ripple courant total de 1920mA alors qu'un seul condensateur de 3300uF ne permet que 1400mA.

Un autre exemple sur des condensateurs Panasonic :

Mieux vaut mettre 5 condensateurs 470uF que 1 condensateur 2200uF

Ici, 5 condensateurs offrent un ripple courant total de 4750mA au lieu de 2600mA pour un condensateur 2200uF unique. C'est un constat valable sur l'immense majorité des condensateurs !

Bien sur, toutes les applications ne nécessitent pas un fort ripple courant ! Si le condensateur sert par exemple de réserve d'énergie et qu'il reste chargé en permanence, le ripple courant n'a aucune importance. En revanche, si ce condensateur sert dans le filtrage d'une alimentation à découpage, le ripple courant est un critère important.

- Condensateurs film

Pour les condensteurs non polarisés, il existe aussi un courant ripple maximum, qu'on peut déterminer par calcul en fonction de la fréquence par exemple. Si ces condensateurs sont utilisés sur des réseaux de tension (type 230V ou 400V), il est plus intéressant de parler de tension maximum à ses bornes. Ci dessous, un exemple de condensateur polypropylène chez TDK :

Condensateur polypropylène et tension max

Ces condensateurs supportent leur tension maxi jusqu'à une certaine fréquence. Au delà, le rythme de charge décharge serait trop rapide et le courant ripple serait trop grand. On peut aussi calculer ce courant en déterminant l'impédance Z du condensateur en fonction de la fréquence : Z = 1 / (C.w)

L'impédance du condensateur

Température des condensateurs

On peut placer sur un radiateur certains condensateurs prévus à cet effet. Leur vis permet une fixation sur un radiateur qui évacue la chaleur qu'ils dissipent, comme des transistors de puissance par exemple. Eh oui, un condensateur peut chauffer ! Exemple de condensateur à visser sur dissipateur :

Condensateur à vis

Calcul du ripple courant

Le ripple courant n'a pas de relation directe avec le courant de sortie. Il dépend du fonctionnement du circuit (alimentation à découpage, redressement et filtrage du 50Hz, etc) qui l'utilise. Un exemple de calcul de courant efficace dans le cas d'une alimentation à découpage :

Courant efficace dans le primaire d'une alimentation Flyback

On peut simuler avec un logiciel de simulation ou entreprendre des calculs pour déterminer le ripple courant (valeur efficace).

Protection contre les surtensions

On peut utiliser des varistances pour protéger une installation électrique (ventilateur de plafond, moteurs, éclairage, etc). La varistance se monte entre phase et neutre. Pour un réseau 230V phase neutre (230V / 400V), il faut choisir des varistances de 275VAC, pour prendre en compte la tolérance du réseau électrique (qui peut monter à 253V s'il est à +/-10%) et la tolérance de la varistance (une varistance 275V est peut-être 265V ou 280V...). La taille de la varistance donne l'énergie qu'elle peut absorber.

Fin de vie des varistances

Si la foudre tombe à proximité de votre installation, la varistance peut écrêter les surtensions, mais elle finira par claquer. Sa fin de vie est souvent catastrophique et difficile à prévoir. Lorsque la varistance cassera, il sera impératif de la remplacer :

Fin de vie d'une varistance : parfois catastrophique !

pour d'autres infos sur les varistances, voir cet article :

La varistance : utiliser les courbes

Dans les parafoudres, on trouve des varistances et des éclateurs à gaz pour protéger contre les surtensions.

Conclusion sur le ripple courant

Le ripple courant (ripple current) est le courant d'ondulation qui correspond aux charges et décharges successives et périodiques dans le fonctionnement d'un condensateur. C'est ce courant qui fait chauffer le condensateur de l'intérieur car il comporte une résistance série appelée ESR.