Fiche de référence
ESR et ondulation des condensateurs
Ce que l'ESR vous coûte, famille par famille
Guide ESR et courant d'ondulation des condensateurs
Tout condensateur réel possède une petite résistance en série avec sa capacité, due aux électrodes, à l'électrolyte ou au diélectrique, aux connexions internes et aux pattes ou terminaisons. Cette résistance est l'ESR (résistance série équivalente), une spécification distincte de la valeur de capacité elle-même et de la famille de diélectrique décrite dans la fiche Types de condensateurs - deux condensateurs de même capacité en microfarads et de même tension peuvent avoir des ESR très différentes selon leur construction interne.
Dans un condensateur de liaison ou de découplage traversé par un petit signal, l'ESR est presque sans importance - les courants en jeu sont minuscules, donc l'échauffement en I au carré R et la petite chute de tension série qu'elle cause sont à peine perceptibles. Dans le filtre de sortie d'une alimentation à découpage, le même condensateur porte en permanence tout le courant d'ondulation de l'inductance, à la fréquence de découpage, couramment de 100 kHz à quelques MHz. L'ESR a alors deux effets importants : elle dissipe une vraie puissance en chaleur dans le condensateur, et elle ajoute sa propre marche de tension courant × ESR à l'ondulation capacitive, ce qui, aux fréquences de découpage élevées, est souvent la plus grande des deux contributions à la tension d'ondulation de sortie.
Le courant d'ondulation admissible, généralement donné en ampères ou milliampères efficaces à une fréquence et une température ambiante données, est la spécification associée : c'est le courant maximal que la pièce peut supporter avant que l'auto-échauffement n'élève sa température interne au point de réduire sa durée de vie ou, au pire, de provoquer un emballement thermique. Ces deux valeurs se dégradent avec l'âge et la chaleur sur les électrolytiques humides, et les fabricants publient généralement une courbe de déclassement du courant d'ondulation en fonction de la fréquence et de la température plutôt qu'un chiffre unique ; la valeur phare d'une fiche technique doit donc être lue au point de fonctionnement réel, pas aux conditions de 1 kHz et 25 degrés où elle a probablement été mesurée.
| Famille de condensateur | ESR typique (~100 kHz, 25°C) | Tenue au courant d'ondulation | Remarque pratique |
|---|---|---|---|
| Électrolytique aluminium d'usage général | ~0.3–3 Ω pour les pièces radiales courantes (varie beaucoup selon les µF et la taille du boîtier) | Faible à modérée | L'ESR grimpe de 2–3x quand l'électrolyte sèche avec l'âge et la chaleur - la cause classique d'une alimentation à découpage autrefois silencieuse qui bourdonne ou chauffe désormais |
| Électrolytique aluminium faible ESR / « spécial découpage » | ~0.02–0.2 Ω | Modérée à élevée (centaines de mA à quelques A) | Conçu pour le filtrage de sortie des alimentations à découpage ; cherchez un marquage explicite "Low ESR", une tenue à 105°C et une valeur d'ondulation en mA efficaces sur la fiche technique |
| Aluminium polymère (p. ex. OS-CON, POSCAP) | ~0.005–0.05 Ω | Élevée (plusieurs A) | Électrolyte polymère solide, donc l'ESR reste stable dans le temps et en température ; généralement limité à ≤25–35 V et plus cher qu'un électrolytique humide de même capacité en µF |
| Tantale (MnO2 solide) | ~0.1–3 Ω, dépend fortement de la taille du boîtier et de la tension nominale | Modéré | Déclassez à environ 50 % de la tension nominale en conception réelle - un tantale défaillant tend à finir en court-circuit franc, parfois avec une étincelle, pas en séchage progressif comme un électrolytique |
| Tantale polymère | ~0.01–0.1 Ω | Élevé | Défaille bien plus souvent en circuit ouvert ou en haute résistance qu'en court-circuit violent comme le tantale MnO2 ; de plus en plus le choix par défaut là où le tantale est utilisé sur un rail d'alimentation |
| MLCC céramique (X7R / X5R) | ~0.002–0.02 Ω, pratiquement négligeable | Très élevée | La capacité elle-même peut chuter de 20–80 % sous polarisation DC - vérifiez la courbe de déclassement en polarisation avant de compter sur les µF imprimés pour le filtrage d'ondulation ; l'ESR est rarement le facteur limitant ici |
| Céramique C0G / NP0 | Négligeable, similaire au X7R | Élevée, mais seulement pour de petites valeurs (pF à quelques nF) | Pas un composant de filtrage d'ondulation de masse - inclus ici surtout pour l'écarter de ce rôle ; utilisé pour la temporisation et la RF, pas pour le filtrage d'alimentation |
| Film (polypropylène, PET) | ~0.01–0.1 Ω | Élevée, très stable dans le temps et en température | Plus encombrant et plus cher par µF qu'un électrolytique ; généralement ajouté en parallèle d'un électrolytique de masse plutôt qu'utilisé seul |
| Supercondensateur / EDLC | Faible en DC ou à 1 kHz, augmente fortement au-delà de quelques kHz | Médiocre aux fréquences de découpage | L'ESR basse fréquence de sa fiche technique n'est pas représentative à 100 kHz et plus - c'est un composant de stockage d'énergie, pas un substitut à un condensateur de filtrage d'alimentation à découpage |
Les valeurs d'ESR et de courant d'ondulation des fiches techniques sont mesurées à une fréquence et une température précises - consultez la courbe de déclassement pour votre fréquence de découpage réelle et la pire température ambiante, car les deux valeurs peuvent être nettement moins bonnes que la spécification phare. Quand la tenue d'un seul condensateur est insuffisante, en mettre deux ou trois plus petits en parallèle vaut souvent mieux que chercher une pièce plus grosse : les ESR se combinent comme des résistances en parallèle et le courant d'ondulation se répartit entre eux, donc les deux problèmes diminuent à la fois.
