Fuite des Condensateurs Chimiques (électrochimiques ou électrolytiques)
Fuite des Condensateurs Chimiques
(électrochimiques ou électroly
tiques)
1 Les principes
2 La capacité
2.1 La méthode de mesure
3 La tension de service
4 Les autres caractéristiques
5 L'incontournable résistance de fuite
6 Quelle utilisation ?
7 Quelles solutions
8 La correction du vieillissement
9 Conclusions
10 Un essai de régénération
11 Un cas oublié
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Introduction
Suite à quelques récentes mésaventures avec des condensateurs chimiques, je me suis dit qu'il ne serait pas inutile de rappeler aux utilisateurs de microprocesseurs RISC de type PIC ou autres ATMEGA, ATTINY etc, qu'il faut parfois chercher dans les à-côtés, les raisons d'un courant élevé qui pourrait faire craindre un "manque de SLEEP éventuel".
A cela il faut ajouter que lorsqu'un processeur est censé "dormir", non seulement il ne ronfle pas, maison ne peut pas facilement se rendre compte de son état effectif.
Il y a donc plusieurs possibilités, ou le processeur n'est pas en "SLEEP", ou il y a des courants parasites DU processeur (horloges, watch_dog, sorties actives) ou il y a d'autres courants insoupçonnés ... Résistances, fuites de condensateurs etc...?
1 Les principes
Les noms du titre sont à peu près équivalents et dénotent simplement des condensateurs dont le principe capacitif est basés sur un procédé chimique, bien qu'il y ait certainement beaucoup de races de chimiques, assez différentes….
Pas question de refaire un cours magistral, d'autres personnes plus compétentes on déjà très bien traité ce sujet (Voir les références ci-après).
Aussi je passerai très rapidement sur la théorie
pour me consacrer à la seule pratique, et à un point qui me semble important surtout aujourd'hui, qui est un des paramètres de ces condensateurs (Le courant de fuite causé par la résistance Rf // à la réactance), vu essentiellement pour l'aspect pratique.
A ce jour, on est aux économies d'énergie et je viens d'en faire l'expérience malgré moi. En effet dans les montages électroniques on chasse aujourd'hui les nA (Nano Ampère)
(Pour des informations théoriques sur les condensateurs chimiques, voyez ces sites très bien documentés).
http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_condensateur.html
http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM24/RM24G/RM24G19.html
http://www.epsic.ch/cours/electronique/techn99/elnthcomp/CMPTHCONDO.html
Un condensateur chimique c'est principalement cette représentation ci dessus, qui est tout de même assez lointaine d'un condensateur parfait. On verra que notre plus gros problème réside dans cette résistance Rf, dite de fuite.
Pour la suite du texte, je simplifierai peut-être la dénomination de ces condensateurs chimiques en parlant simplement de "chimiques", cela évitera les répétitions fastidieuses.
2 La capaci
té
L'intérêt des condensateurs chimiques est de concentrer sous un faible volume une capacité élevée.
C'est leur principal avantage, et c'est ce qui les fait utiliser, le plus souvent au niveau des alimentations en courant continu seulement, puisque ces condensateurs sont polarisés.
Les valeurs s'échelonnent de 0.1µF à frôler les 1 farad ou un peu plus.
De nouvelles technologies permettent de concurrencer les piles en dépassant le Farad. (Voir photo ci contre, d'un très petit condensateur spécial de 0.22 Farad sous 5.5V)
Ces condensateurs on une capacité assez incroyable.
Je me suis amusé à en charger un, puis à le laisser ainsi sans autre consommation que ses propres fuites et à part quelques accidents de courbe que je ne sais pas expliquer autrement que par le fait qu'il y avait au moins 20 ans qu'il n'avait pas servi et que j'ai peut être aussi déraillé un peu...?
Le maintien d'une charge "honorable" est tout de même surprenant au bout de 5 jours. (Voir aussi §8 le problème de la régénération qui n'avait pas été faite).
Notez que pour ne pas trop perturber les mesures,
il n'est pas possible de laisser les pointes de touche du voltmètre en permanence, car le courant consommé serait trop élevé.
On effectue seulement la mesure durant un court instant et on retire la pointe de touche !
Il serait pourtant vain de ne regarder que la capacité sans tous les autres inconvénients que l'on évoquera quelque peu dans les paragraphes qui suivent.
Le procédé chimique est incontournable pour l'obtention de fortes capacités, dans un volume restreint (et à un coût raisonnable), mais pose plusieurs problèmes techniques dont certains sont facilement contournés, mais d'autres, beaucoup plus difficilement…
2.1 La méthode de mesure
J'ai découvert une particularité que je ne soupçonnais guère, longtemps après la mise en ligne de cet article, et c'est l'objet de ce nouveau petit paragraphe.
Lors de la réalisation d'un capacimètre rapide, je me suis aperçu que les valeurs mesurées étaient très différentes des valeurs relevées avec un pont de mesure.
La raison est je pense, le principe retenu pour cette mesure qui est la charge unique durant un temps très court avec un TS555 équivalent d'un NE555 bien connu. Aussi ce mode assez inhabituel d'utilisation crée des harmoniques nombreux dont les fréquences les plus hautes vont réagir avec la partie selfique du condensateur et donner ainsi des valeurs différentes.
Ceci confirme donc à la fois l'utilisation des chimiques pour l'aspect maintient d'une énergie basse fréquence (continu) et leur manque d'utilité face à des fréquences beaucoup plus élevées que le 50Hz.
Parallèlement je pense qu'au moment de la charge, les phénomènes sont également un peu plus complexes qu'on ne le suppose !
3 La tension de service
La tension de service est une caractéristique importante de l'emploi de tous les condensateurs (chimiques y compris). Elle va avoir une incidence sur l'autre caractéristique qui nous intéresse qui est le courant de fuite.
Cette tension représente la tension continue à laquelle le condensateur est apte à travailler de façon permanente sans qu'il y ait claquage.
Cette tension de service va avoir une incidence, pour une part seulement, sur le courant de fuite.
On trouve toute une gamme de tensions de service depuis quelques volts jusqu'à 550 V environ.
Voici un point souvent oublié, et qui est dû à la résistance de fuite qui peut varier d'un condensateur à un autre.
Si vous désirez filtrer en haute tension, avec plusieurs condensateurs en série, alors il faut admettre que la résistance de fuite est différente d'un condensateur à un autre. On place donc dans ce cas les condensateurs en SERIE, mais cela ne suffit pas....
Aussi il y a lieu d'équilibrer chaque condensateur par une résistance de valeur largement plus faible que la résistance de fuite la plus faible, de sorte que les tensions aux bornes de chaque condensateur soient imposées par la résistance ajoutée (et non par la résistance de fuite) ce qui rendra les tensions à peu près identiques sur chaque condo.
(En pratique c'est quelques mégohms le plus souvent)
Ainsi pour filtrer avec des chimiques, du 900 Volts par exemple; 
on utilisera deux condensateurs mis en série, de tension de service 500 V (valeur maximale en général) que l'on équilibrera par deux résistances de 1 ou 2.2 Mohms.
(D'autre part on fera en sorte que chaque résistance n'ait pas une trop forte tension aux bornes, et dans ce cas on les doublera de préférence)
Si cela n'est pas réalisé ainsi, il est fort probable qu'un premier condensateur va avoir une tension supérieure à 500 V à ses bornes, l'autre ayant moins de 400V !
Le premier chimique va donc lâcher (peut-être par court-circuit) et entraînera peut être le deuxième qui pourrait se retrouver avec les 900 V aux bornes, ce qui "ne lui plaira pas du tout" !
Dans les cas actuels, on est pratiquement toujours avec des tensions faibles et la question de fortes tensions ne se pose que pour les nostalgiques de la pentode de puissance en audio, ou dans certains appareils de mesures (oscillo par exemple)
Notez que je ne savais pas que les électrons libres d'un barreau de silicium n'avaient pas le même "parfum" que ceux qui virevoltent dans la charge d'espace autour de la cathode... Bref on s'écarte du sujet !!!
4 Les autres caractéristiques
Outre l'importante caractéristique du courant de fuite, causée par la résistance parallèle, il y a la résistance série, la self.
Pour toutes ces autres caractéristiques, je vous renvoie vers les sites cités en début d'article. Ces autres paramètres sont très bien identifiés, et causent des problèmes que l'on connaît depuis longtemps, et que l'on sait corriger assez facilement. (Découplage en HF par exemple)
Dans les grandes "batteries" de condensateurs (Comprendre "de nombreux condensateurs" et non des batteries) comme dans les lasers de puissance pour l'usinage, il y a aussi un phénomène qui n'est pas dû à des défauts des condensateurs, bien au contraire.
En effet sur des valeurs importantes de capacité, le courant d'appel lors de la charge intiale est si élevé qu'il y a lieu de le limiter par des résistances additionnelles série en plus de celle existante (Rs). La charge est donc un peu plus lente, mais cela évite le déclenchement du disjoncteur qui comprend mal qu'un courant puisse dépasser son calibre de 30 ou 60 ampères…
(Voir également l'article sur les alimentations sans transformateur avec la résistance R1)
(Parfois dans d'autres applications, pour limiter ce courant on ajoute une très petite self qui atténue l'appel de courant lors d'une première mise sous tension).
5 L'incontournable résistance de fuite
Cette résistance Rf en // sur le condensateur lui-même, crée un courant de fuite qui est très gênant à ce jour, car les puissances et les courants tendent à se réduire et cette résistance devient parfois plus faible que celle du circuit qui lui est attaché. (C'est un comble !)
C'est donc un double problème qui crée un petit échauffement du condensateur par effet Joule (peu gênant leplus souvent).
Mais c'est aussi et surtout un courant inutile et cette résistance pose un véritable problème sur les éléments alimentés par des piles, car dans ce cas le courant de fuite peut aller jusqu'à être plus de mille fois supérieur au courant de repos d'un processeur PIC en veille (SLEEP mode)
Alors là ce n'est plus tolérable lorsque l'on est alimenté sur piles !
Un PIC 12F629 a un courant typique de repos de 1 nA (1 Nano Ampère ou 10E-9 A)
Un condensateur (récent) de 470µF sous 10 V a un courant de fuite de 1 µA soit 1000 fois plus que celui du PIC en mode SLEEP (veille)
Alors que faire ?
J'ai oublié depuis longtemps mes cours de technologie, mais un élément important est de signaler que cette résistance de fuite diminue avec l'augmentation de la capacité (en µF).
(En d'autres termes le courant de fuite est d'autant plus important que la capacité est élevée)
Ce point aura dorénavant comme conséquence d'ajuster au plus fin la valeur des condensateurs chimiques pour limiter les fuites sur les montages alimentés par une pile (ou batterie).
Le temps est révolu dans lequel on utilisait des condensateurs de façon très "généreuse" avec un surplus de µF, car on ne regardait pas à la consommation pour se prémunir de l'ondulation résiduelle du secteur redressé.
C'est donc bien différent aujourd'hui et principalement avec les applications sur batterie ou sur pile ou mixtes piles/secteur.
On ne compte plus les montages sur piles ou batteries ayant 10 à 15 années d'autonomie (tête HF pour compteurs d'eau radio par exemple, portables etc...).
Malheureusement ces montages sont réputés "foutus" à cette issue. C'est très regrettable à mon humble avis, même si les filières de recyclage fonctionnent correctement (?), car on a dépensé de l'énergie pour fabriquer un équipement électronique complet qui sera finalement détruit et seulement partiellement recyclé. (C'est le problème du siècle et de la réparation des équipements que l'on refuse de réparer)
Le principal problème à ce niveau tient seulement à la possibilité effective des piles d'assurer leur mission aussi longtemps.
Ce courant de fuite "semble" augmenter aussi avec la tension de service. (C'est vrai pour les fortes tensions, mais c'est beaucoup plus flou pour de faibles tensions entre 10 et 35V, alors je ne saurais me prononcer sur ce point…Peut-être des spécialistes le pourront-ils ?)
6 Quelle utilisation ?
Les condensateurs chimiques sont des réservoirs d'énergie chargés le plus souvent de "réguler" la tension secteur redressée ou autre application nécessitant une résistance interne d'un (pseudo) générateur équivalent très faible (ou impédance suivant les cas). Ils sont utilisés principalement dans les alimentations des équipements électroniques.
(J'ai dit "réguler", et ce n'est pas à proprement parlé une régulation puisqu'il n'y a pas de retour de l'information, et c'est plus linéariser la tension moyenne et réduire la résist
ance interne dynamique et c'est un peu comparable à un volant d'inertie)
Voici le schéma d'une utilisation qui peut poser problème à cause de la résistance de fuite.
Si la pile a une résistance interne suffisamment faible, alors il est possible de supprimer ce condensateur (en rouge).
Si, comme on le verra ultérieurement dans un futur montage, il est nécessaire d'avoir le plus d'énergie acquise par le secteur avant coupure, alors ce condensateur devra être présent et devra être choisi pour son faible courant de fuite.
A noter aussi au passage que les diodes 1N4148 ne sont pas des "petites saintes" non plus et que pour être pur, il faudrait des diodes un peu meilleures en courant inverse. Mais les constructeurs maitrisent bien en général, et font mieux que les spécifications aussi, je n'ai pas été embêté par ce sujet
7 Quelles solutions
En théorie il serait tout à fait possible de multiplier les régulations en réduisant cette fois la valeur de ces chimiques aux valeurs recommandées par les constructeurs de ces circuits régulateurs.
Il ne faut pas oublier non plus qu'un régulateur de tension consomme "pour son propre compte" de nombreux µA et qu'il n'est pas véritablement possible de réguler la tension d'une pile justement à cause de la consommation du régulateur lui-même (Quiescent current).
Ainsi pour un régulateur LP2950-CZ05 de dernière génération, il est recommandé un condensateur de 1µF (Ou +) pour 5V. (Pour 3.3 V il est recommandé cette fois 2.2µF (Ou +))
On remarquera le faible Quiescent current de ce régulateur à 80 µA. C'est intéressant, mais il peut cependant augmenter fortement suivant la charge.
Le constructeur indique que pour des courants faibles il est possible de mettre seulement 0.33µF voire 0.1µF pour des courants inférieurs au mA. Cela rend possible les autres types de condensateurs ayant une forte résistance de fuite.
Un autre exemple, pour un 78L05 un simple 0.1µF suffirait, mais il faut prendre en compte le Quiescent current de 6 mA, ce qui n'est pas anodin pour une alimentation sur pile ! Cela ferait presque regretter le courant de fuite d'un chimique !!!
Cette solution de plusieurs régulateurs serait tout de même onéreuse et augmenterait considérablement les coûts et les volumes des appareils sans apporter de véritable solution.
Dans l'immédiat et pour ce qui me concerne, j'ai été un peu rapide dans les conclusions sur les variations des courants de fuites, et les indications technologiques que j'ai pu trouver sur internet indiquent de façon très claire le vieillissement des chimiques, car le procédé d'isolation fonctionnerait à l'envers en cas de non utilisation.
En effet après plusieurs essais d'un même condensateur, j'ai fini par tourner en boucle car je ne retrouvais jamais les mêmes valeurs de courant de fuite…!
Alors voici ce que j'ai appris sur ces éléments : C'est l'objet du paragraphe suivant.
8 La correction du vieillisseme
nt
Appelée aussi régénération, le principe de fabrication que j'avais largement oublié, permet de "remettre à flot" un condensateur n'ayant pas fonctionné depuis pas mal de temps.
Cela est tout à fait habituel à tous les bricoleurs, car les tiroirs sont toujours achalandés de beaucoup de composants non utilisés depuis de nombreuses années.
Alors il faut régénérer la couche d'oxydes isolants qui les caractérise et qui va diminuer petit à petit les fuites. Cette régénération se fait par la simple utilisation, ou spécifiquement si besoin il y a. (Schéma ci dessus)
Il n'y a qu'à partir de plusieurs heures de cet antidote à la tension nominale, que le ch
imique retrouvera de bonnes performances en termes de courant de fuite.
Les pleines performances ne seront atteintes qu'après plusieurs jours de fonctionnement, ce qui ne devrait en tout état de cause ne jamais s'arrêter !!!
A cette issue, le condensateur retrouvera alors ses performances d'origine.
J'avais des condensateurs (Des vieux"condos" rouges) jamais utilisés depuis plus de 20 ans et j'ai voulu en avoir le cœur net, aussi, j'ai fait le test du courant de fuite depuis l'instant zéro jusqu'à ce que celui-ci ne bouge pratiquement plus.
Le résultat est éloquent, mais je crois qu'il y a aussi d'autres paramètres à analyser notamment l'impédance interne équivalente, mais je ne suis pas outillé pour cette mesure un peu plus compliquée à mettre en œuvre.
J'ai encore "poussé un peu l'expérience" pour vérifier la différence ent
re une première mise sous tension assez longue et une deuxième mise sous tension (après décharge) ! Alors là j'ai été subjugué!
(Voir les courbes ci contre, à ouvrir dans une nouvelle fenêtre pour bien évaluer les courants de fuite )
Je me contenterai donc du simple courant de fuite qui m'intéresse dans l'immédiat. J'ai remarqué cependant des éléments que je ne sais pas expliquer et qui sont des hystérésis mal définis lors de reprises de charge après un arrêt.
A cela, je ne sais pas répondre, car il faudrait véritablement faire des campagnes de mesures, toutes plus délicates et précises car on entre alors dans le domaine de la chimie, et de la mesure et cela ne vaudrait que pour un certain type de chimique et pas nécessairement pour tous les cas.
Vous pourrez consulter l'article suivant qui m'a servi de référence à ces essais.
http://www.egloff.eu/index.php?option=com_content&view=article&id=9:regeneration-de-condensateurs&catid=8:la-technique&Itemid=123&lang=fr
La régénération des condensateurs chimiques. (C'est le site très intéressant d'un OM).
J'ai remarqué aussi des phénomènes étranges de "petites sautes" du courant. Je m'explique :
J'ai remarqué parfois de petites variations en plus ou en moins de part et d'autre de la valeur moyenne du courant à un instant donné. Ces variations sont faibles mais réelles et je les imagerais comme des craquements d'oxydes qui se détachent du support puis qui se reforment ? Est-ce la réalité ? Aucune idée !
9 Conclusions
Je crois qu'il faut tirer la leçon de ce vieillissement des chimiques et avant d'utiliser un tel condensateur dans des utilisations pointues à très faibles courants, il faut commencer non seulement par un premier tri de ces chimiques, mais aussi par les mettre en charge un temps suffisamment long avec une petite résistance en cas de CC pour les régénérer.
Seulement à partir de ce moment, on peut espérer raisonnablement que les courants de fuites retrouveront leurs valeurs d'origine (Que l'on ne connaît pas d'ailleurs !) mais qui doivent "rester très faibles". La sélection finale se fera à cette issue de régénération.
(J'ai d'ailleurs remis sans le vouloir le condensateur d'origine sur mon montage qui sera décrit ultérieurement - compteur horaire électronique- et qui présente les plus faibles fuites)
Un condensateur chimique qui ne sert pas s'abîme, mais peut se régénérer facilement ! Ceci est peut être un parallèle à faire lors de la remise en marche d'appareils électroniques n'ayant pas été utilisés depuis de longs mois, voire des années…
Cette grande variabilité des courants de fuite est la raison pour laquelle, j'avais fini par ne plus trop comprendre ce qui se passait dans mes mesures de courant sur mon appareil alimenté par une petite pile bouton.
Alors pour tout ce qui est sur pile attention ! (Et surtout s'il s'agit comme dans mon cas avec de petites piles de type CR2016 ou CR2032. De plus ces petites piles boutons ont une résistance interne assez élevée, qui fait que la tension que l'on croit avoir est en réalité beaucoup plus faible !)
Vous aurez peut être trouvé cet article un peu "bateau" mais la réalité des faibles courants et consommations révèle pourtant des situations très inhabituelles et pour lesquelles, nous les petits utilisateurs du dimanche, n'étions pas très au fait, car l'énergie facile des années "glorieuses" nous a fait oublier les micro Ampères et les NANO Ampères.
Ce n'est plus tout à fait pareil lorsqu'un condensateur chimique consomme 1000 fois plus (voire plus encore) de courant qu'un processeur en sommeil (SLEEP) et parfois même encore plus qu'un processeur en fonctionnement à 4 Mhz.
Ce problème existe-il avec une alimentation uniquement sur pile ? Pas nécessairement si l'on considère que la pile en question a une résistance interne faible et que sa tension est bien stable. Dans ce cas le chimique n'est plus nécessaire et c'est la pile qui assure le travail par ses seules performances de réservoir d'énergie à faible impédance interne.
Cependant la pile n'est pas un générateur ayant une impédance interne faible au niveau des hautes fréquences, alors il faudra faire comme avec les chimiques et découpler avec des petits condensateurs à film plastique pour les fréquences moyennes et mica ou céramique pour les hautes fréquences.
Dans ce cas, plus besoin de chimiques !
Dernière information, si vous vous trompez de polarité sur un chimique, ne soyez pas surpris si vous entendez un coup de canon ! PAN ! Ça réveille si vous vous étiez un peu endormi (sleep !)…
10 Un essai de régénération
Ce paragraphe est ajouté en date du 27/02/2015...
(J'en profite également pour rappeler le paragraphe 11 suivant pour le cas oublié, car effectivement, qui ne stocke pas au moins une lampe LBC de secours ?)
Depuis que je fais beaucoup de CMS et tout en très faible tension et très longue durée, je viens de me faire rappeler à l'ordre par ces fuites de chimiques...
En effet lorsque les PIC sont en SLEEP (sommeil), j'avais déjà remarqué des fluctuations assez faibles du courant d'alimentation, et souvent des courants qui ne correspondent pas, mais maintenant, je confirme que les chimiques n'ont jamais été vérifiés en termes de courant de fuite.
Alors comme cela présente un peu plus d'acuité maintenant, je viens de refaire un test un plus long cette fois sur le courant de fuite au fil du temps, et donc de la régénération.
(Pour moyenner j'ai placé 3 chmiques de 47µF 16V en // branchés directement sur 5V)
Je livre donc la courbe et les valeurs et on voit donc qu'il faut au moins 24 heures avant d'avoir des courants inférieurs au µA. Lorsqu'un PIC consomme de 2 nA à 1µA suivant les modèles et en mode SLEEP, on comprend tout l'intérêt de vérifier ces chimiques.
La régénération est donc importante avant l'utilisation de tout chimique (récupéré ou neuf).
11 Un cas oublié
Ce cas est la conséquence d'un commentaire de "cfort" sur les lampes basses consommation (LBC)...En effet la structure d'une LBC est constituée d'un pont de diodes 1N4004 (ou 4007 pour les meilleures) et d'un chimique de 3.3µF à 10µF suivant les types et puissances...
Ce chimique haute tension 350V (ou 400V pour les meilleurs) est placé à la suite du pont de diode et fournit l'énergie au convertisseur. Ce chimique n'est ni plus ni moins sensible au vieillissement que les autres, et il y a donc lieu de faire attention aux durées de stockage de ces LBC, tout autant qu'à la remise en place d'une nouvelle LBC sortie du stock datant de plusieurs années !
Le risque est surtout un complément d'échauffement dû à la résistance de fuite plus faible, mais plus rarement du claquage toujours possible suite à une réduction de l'isolant.
Ce cas se manifestera le plus souvent par un petit "clic", puis plus rien ! La rupture sera dûe le plus souvent à la chaleur et aux transistors qui lâchent, alors que la rupture franche du chimique sera certainement beaucoup plus rare. (Je n'en ai pas encore constaté !)
(Ce cas rejoint finalement le cas général de la remise en fonctionnement d'appareils électroniques n'ayant pas été utilisés depuis longtemps. Il a cependant plus d'acuité à cause de l'espace réduit pour l'évacuation de la chaleur).
Alors voilà l'oubli est réparé...
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