Résistance interne et linéarité des condensateurs

[Epoxy]

Bonjour,

Il y a quelques semaines, nous avions discuté de la réalisation d'un "amplificateur de charge" dans une gamme allant de 130pC à 18.000pC environ.
La valeur des condensateurs nécessaire devra être dans la gamme 100pF à 6800pF. 4 condensateurs différents soit 100pF, 330pF, 1500pF et 6800pF.

J'ai beaucoup cherché pour trouver des condensateurs qui conviendraient, notamment quant à leur diélectrique.
Jusqu'ici mon choix s'est porté sur les condensateurs Vishay de la série 564R-565R pour 100 et 330pF et la série 125L pour 1500 et 6800pF.

Mais je reste quand-même sur ma faim : Ceux de la série 564R-565R ont une résistance interne de 50GΩ ce qui ne serait pas suffisant. La série 125L c'est déjà beaucoup mieux, ça va jusqu'à 667GΩ pour la valeur de 1500pF.

Question : Connaissez-vous un meilleur modèle de condensateur quant à sa résistance interne ?

Ensuite, je me pose la question (soulevée par l'un d'entre-vous dans un fil précédent) de la linéarité de ces condensateurs par rapport à la tension ?
Sont-ils vraiment linéaires ? (par rapport à ce paramètres seulement - on ne se tracasse pas de la température, on reste autour de 22°C)

Merci pour vos éclairages
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[jiherve]

bonjour,
je crains que tu n’aie pas bien saisi : la resistance interne de ces condensateurs est très très supérieure à ce que leur liaisons pourront offrir quant à la linéarité cela va dépendre du matériau du diélectrique, les céramiques sont mauvais à cet égard. L’idéal c'est un condensateur à lames mais dans le vide.
Les condensateurs dit "de calcul" étaient des condensateurs à air , valeurs faible mais linéaires et sans hystérésis diélectrique.
JR

[f6bes]

Je n'ose savoir le prix !!
https://www.google.com/url?sa=t&sour...r91SGS0_PTHYTO Il ya aussi la marque Jenning sous vide et variable mais ne dépasse guére les 1000 pf plusieurs kV.
mais c'est pas donné
A+

[Antoane]

Bonjour,

Attetion au vocabulaire : "résistance interne" est typiquement utilisé pour désigner la résistance série équivalente (ESR). La "résistance de fuite", ou résistance "d'isolement" ou "parallele" Rp est celle qui t'interesse ici. Typiquement, on pourra écrire que l'impédance totale du condensateur est Z = ESR + 1/(C*s + 1/Rp)

Une manière de choisir le condensateur qui-va-bien, ou plutot qui suffit, considérant le courant de fuite pour ton application, est de regarder non la résistance de fuite, ni le courant de fuite, mais plutôt la constante de temps du composant : Rp*C, qui charactérise le vitesse d'auto-décharge. Connaissant la durée pendant laquelle tu dois conserver la tension au bornes du condensateurs, et quelle chute de tension est acceptable pendant cette durée, tu peux aisément calculer (à partir de l'équation Vout(t) = V° * exp(-t/C*Rp)) quelle est la valeur de Rp*C dont tu as besoin.

Pense aussi à l'ESR : sur certains composants, en particulier céramique de faible capacité, elle peut dépasser 10Ohm, voire beaucoup plus. L'ESR est aussi fortement dépendente de la fréquence, i.e. time-dépendente.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Il faut aussi que tu sois conscient des limitations de ce genre de charactéristiques dans les datasheet : sauf si le composant est spécialement optimisé pour une forte Rp, les valeurs spécifiées ont une très très forte incertitute, et seront a priori très conservatives. Rien ne dit alors qu'un composant dont la datasheet indique >50G sera moins bon qu'un dont la datasheet indique >100G.

A un momemt, il faut passer au labo, sauf si analyser les datasheet ainsi se rappelle à ton souvenir lorsque tu es sous la douche et t'aide à aller plus vite (ce qui serait tout à fait compréhensible).

[Epoxy]

Merci à tous pour vos réponses. Désolé pour le délai mais les fêtes de fin d'années prennent le pas sur ceci
Je vais essayer de répondre à chacun d'entre vous.

jiherve message #2 : Si si je comprends bien que les résistances de liaisons, sur le PCB, seront plus faibles que celles, d'isolement, des condensateurs. Je prévois de faire un montage électrique par bouts de fils dans l'air qui ne passent pas par le PCB.

Sait-on quelles sont les valeurs typiques de non-linéarité des condensateurs céramiques type X5F, X7R, Y5V ? tels que ceux des séries 564R-565R ou 125L de chez Vishay ?

Question encore plus importante : Est-ce que ces non-linéarités sont stables dans le temps - sur 12 mois par exemple ? (à température et humidité constantes - entre 2 étalonnages de l'appareil ?)

f6bes message #3 : J'ai regardé les condensateurs sous vide, de marque Jennings et autres.

• Effectivement il y en a qui sont coûteux mais d'autres ça va. 50 ou même 100,-€ ça va. Par contre 2000,-€ ça commence à être cher. Mais je crois que dans l'application ici, où nous n'aurons que 4 condensateurs je le rappelle : 100pF, 330pF, 1500pF et 6800pF, ce sont surtout les deux de faibles valeurs 100pF et 330pF qui sont problématiques en terme de résistance d'isolement. En effet, alors que pour des valeurs 1500pF et 6800pF, la constante de temps τ=RC vaut 1000 secondes (série 125L Vishay) cette constante pour les valeurs 100pF et 330pF n'est plus que de 5 ou 16 secondes (série 564R-565R Vishay) On ne devrait alors envisager des Jennings sous vide que pour les valeurs 100pF et 330pF ce qui est déjà plus facile point de vue prix et encombrement.
• Je me pose en effet aussi la question de l'encombrement des condensateurs à tube en verre sous vide ? Ainsi que comment on les fixe mécaniquement et comment on les raccorde électriquement ? Je n'ai pas vraiment trouvé de renseignements utiles sur Internet à ce sujet.
• J'ai été mis en contact avec un vendeur hollandais, comme d'habitude dès lors qu'on vit en Belgique… Et il m'énerve déjà. Pose plein de questions indiscrètes histoire de qualifier le client et surtout voir comment il va pouvoir le plumer au maximum de l'indécent et se remplir les poches… Cela me gêne d'autant plus que ce n'est pas une application où on va pouvoir gagner sa vie, 2 ou 3 appareils par an, du dilettante ou presque. J'eusse ainsi préféré faire l'appro de ces condensateurs sous vide, pas nécessairement Jennings, chez des fournisseurs plus aptes à faire ça que ces Hollandais… genre Farnell ou Digikey. Mais je n'ai rien trouvé chez eux. Ou alors j'ai mal regardé ?
• A propos de Jennings, je vois aussi qu'ils ont été rachetés par ABB ce qui ne facilite pas les choses non plus pour les appro. Est-ce qu'on se rend bien compte de ce que c'est ABB ?!! C'est une énorme multinationale suédoise (chez qui j'ai travaillé donc je connais…) qui joue avec les milliards de dollars et n'en n'a rien à caler du petit amateur qui fait 2 trucs dans son garage avec 3 francs 6 sous !
• Enfin, plus techniquement, ces tubes en verre, j'ai un peu peur qu'ils n'explosent ! On est en effet dans un environnement fort bruyant (ça peut dépasser 150 dB - largement au-dessus du seuil de la douleur !) et j'ai un peu peur des chocs acoustiques dans cet environnement. Ça ne facilite pas les choses, j'en conviens.

Donc en résumé, les tubes sous vide oui mais…

Antoane messages #4 et #5 : Merci de le rappeler, on parle effectivement ici de résistance d'isolement. Je ne comprends par contre pas trop la formule Z = ESR + 1/(C*s + 1/Rp) ?
C'est surtout τ=RC que je regarde, voir les valeurs auxquelles j'arrive dans ma réponse à f6bes ci-dessus.
A priori, le ESR ne me préoccupe pas trop. Car c'est à courant nul qu'on mesure finalement la tension aux bornes du condensateur. C'est le pic qu'on mesure et il reste stable quelques instants, quelques µs. Faisons néanmoins le calcul. Dans le pire des cas, on charge 19000pC pendant 1ms. Sachant que Q=It, nous avons un courant pendant la charge de I=Q/t=19000 x E-12 / E-3 = 19µA. Dans 10Ω, U=RI, ça ne fait jamais que 10 x 19µA = 190µV Sachant qu'on est dans une gamme 0-3V, à mi-échelle, à 1,5V, cela nous fait une erreur de mesure de 0,013%. Ce qui est tout à fait acceptable encore que, comme je viens de le dire, la forme de la montée du signal nous intéresse moins, c'est surtout la valeur du pic qui compte, où là le courant est nul. Donc ESR ce n'est pas un problème

Quant au passage au labo oui, pour chacun des 4 condensateurs on pourra mesurer son temps de décharge, disons 1 fois tous les 12 mois. L'essentiel est que ce temps de décharge reste stable d'un étalonnage à l'autre. C'est-à-dire que sa résistance d'isolement reste stable ? (sachant en outre qu'on est à température et humidité constante dans un environnement de laboratoire)
Ensuite, quand on connait ce τ=RC, comme on connait aussi toujours le temps de montée en tension (1ms comme indiqué ci-avant) on peut, grâce au microcontrôleur qui est sur la carte (un ARM STM32F407) corriger cette erreur due à la décharge, par software. Ce qui simplifie déjà beaucoup de choses

Il n'en reste pas moins que, si pour les valeurs de 100 et 330pF évoquées ci-dessus, on a un τ=RC supérieur à ces 5 ou 16 secondes, c'est évidemment mieux.
C'est l'objet essentiel de la question sur ce fil.

Merci pour vos réponses

[Epoxy]

Antoane,

Dans ta formule Z = ESR + 1/(C*s + 1/Rp) c'est le terme C*s que je ne comprends pas.

[Antoane]

Bonjour,

Le C0G/NP0 est stable, les autres céramiques le sont (a priori) beaucoup moins. Murata et d'autres on de bons outils donnant des charactéristiques typiques détaillés de leurs composants :
https://www.murata.com/en-us/product...5C1C101GE01%23
https://product.tdk.com/en/search/ca...X7R1E475K125AC => https://ds.murata.co.jp/simsurfing/m...rue&lcid=en-us

Prendre en compte le vieillissement :
https://www.kemet.com/en/us/capacito...amics-faq.html (voir aussi d'autres paragraphes) et https://www.kemet.com/en/us/aging-ca...-ceramics.html (je n'ai pas testé)
https://www.we-online.com/catalog/me...0SN011c_EN.pdf
TDK dit la meme chose : https://product.tdk.com/en/contact/f...tors-0043.html

(~nul avec un condensateur air ou vide, ou même plastique utilisé relativement loin de sa tension de service après burn-in)

"non-linéarité" s'applique un peu dans tous les sens... https://www.vishay.com/docs/45263/ti...dcbiasvolt.pdf



Pour un composant ayant une constante de temps intrinsèque de 16s, en 1.0ms, la tension chute de 0.006% (ou 0.06% en 10ms).
Le premier composant de la liste chez mouser, à 1cts : https://www.mouser.de/datasheet/2/44...MD-3316496.pdf a une constante de temps de 10 s, ou 680s en 6.8nF.


Pour un condensateur à air, le dielectrique change avec les conditions atmosphériques (incl. pression), a voir si c'est significatif ou non dans ton cas. Par exemple : https://physics.stackexchange.com/qu...the-atmosphere

Dans ta formule Z = ESR + 1/(C*s + 1/Rp) c'est le terme C*s que je ne comprends pas.

s est la variable de Laplace : s ~ jω

[bobflux]

Sait-on quelles sont les valeurs typiques de non-linéarité des condensateurs céramiques type X5F, X7R, Y5V ? tels que ceux des séries 564R-565R ou 125L de chez Vishay ?

Les 2 types de céramiques fonctionnent selon des principes totalement différents et il ne faut pas les confondre.

Céramiques classe 2 (tous sauf C0G et NP0) : matériaux à très forte constante diélectrique pour mettre une grosse capacité dans un petit volume. Parler de linéarité est abusif, la dépendance C(V) est énorme ainsi que la variation en température et la tolérance assez large pour y faire passer un bus, de plus ils sont piézoélectriques, ces diélectriques ne sont utilisables que pour du découplage, où ils sont excellents.

Céramiques classe 1 (C0G, NP0) : Constante diélectrique faible. Excellents sur tous les facteurs de performance (stabilité de la capacité vs tension, température, temps) ; non microphonique, pas cher, compact. Distortion difficilement mesurable, en fractions de ppm.

Si tu veux mesurer la charge en mesurant la tension sur le condensateur, alors la stabilité de la capacité est importante.

Si tu veux mesurer la charge en mesurant combien de temps il faut pour décharger le condensateur sous un courant constant, alors la stabilité de la capacité n'est pas importante.

Si l'objectif est de stocker une charge, la stabilité du condensateur ne joue pas*. Quoi qu'il arrive, à la décharge il sortira la même quantité de Coulombs qu'à la charge, moins les pertes à cause de la résistance d'isolement. L'absorption diélectrique me semble un facteur important.

* = sauf pour les céramiques type 2 qui sont piézoélectriques : ils produisent de la charge quand on les déforme...

On est en effet dans un environnement fort bruyant (ça peut dépasser 150 dB - largement au-dessus du seuil de la douleur !)

TOUS les composants électroniques sont sensibles aux vibrations, à des degrés divers.

Certains le sont de façon extrême, comme les céramiques classe 2. D'autres moins.

Concernant les condensateurs, le mouvement des plaques l'une par rapport à l'autre modifie la capacité. Plus le condensateur est gros plus ça se voit. Les meilleurs sont les céramiques C0G/NP0 car le condensateur est un bloc de céramique rigide. Il y a aussi la porcelaine. Ça reste sensible aux flexions du circuit imprimé mais assez peu. Les condensateurs film sont moins rigides donc plus faciles à écraser donc plus sensibles. Pour le condensateur à vide, rien n'empêche les armatures de vibrer.

Si tu mesures la tension sur le condensateur, une mesure moyennée sur un certain temps devrait éliminer le bruit dû aux vibrations.

Les puces sont aussi sensibles aux vibrations, ta référence de tension et tes ampli ops aussi. Il faudra soigneusement éviter tout condensateur céramique classe 2 à n'importe quel emplacement susceptible de perturber quoi que ce soit.

Les câbles aussi, bien entendu. Il y a deux effets : tribo électricité entre les conducteurs et l'isolant, et variation de capacité quand le câble se déforme.

Si ton machin est relié par un câble à ce qui génère la charge à mesurer ces effets sont importants. Inutile de mettre un condensateur super stable et cher en parallèle avec un câble qui produit de la charge quand on le plie légèrement.

Fais l'essai : prends n'importe quel coax, branche le sur ton oscillo (impédance d'entrée élevée donc sensible aux petites variations de charge), laisse l'autre bout ouvert, et tapote le câble avec ton doigt ou plie le, tu vas voir.

Il existe des câbles conçus pour les environnements à forte vibration ou à très haute impédance. Voir "low noise cable", ou dans le médical, pour les électrocardiogrammes.

[bobflux]

Perso je mettrais un convertisseur delta sigma à pompe de charge.

Donc on a le condensateur de mesure C qui intègre la charge à mesurer.

Ensuite on a une horloge. À chaque cycle :

- Si la tension sur le condensateur est supérieure à zéro, on enlève une charge Q du condensateur, et on fournit un bit 0 sur la sortie

- Si la tension sur le condensateur est inférieure à zéro, on ajoute une charge Q sur le condensateur, et on fournit un bit 1 sur la sortie

Le résultat est le nombre de bits 1 dans la sortie.

Inconvénients :

- Il faut une pompe de charge précise, ou du moins qui pompe la même charge dans un sens et dans l'autre.
- Mesure pas instantanée

Avantages :

- Pas de dépendance à la stabilité de l'horloge (à cause des vibrations, ton quartz va dériver à mort) car chaque cycle pompe une certaine charge, qui ne dépend pas de la longueur du cycle d'horloge
- Pas de référence de tension précise car la mesure se fait en déchargeant le condensateur : on compare la tension avec zéro
- Pas de dépendance sur la stabilité du condensateur
- Intégration automatique du bruit et filtrage simple en sortie
- Sortie facile à utiliser (numérique)