Hard du hard • Condensateur d’alimentation, une histoire de taille

On en parle souvent, mais jamais on ne les explique. Parfois électrolytique, parfois en film ou en plastique, entre deux plaques, l’électricité ils immobilisent. Qui sont-ils ? Les condensateurs bien entendu. Ces composants passifs - ils n’ont pas besoin d’être alimentés par une source externe pour jouer leur rôle au sein d’un circuit - basiques et primordiaux se retrouvent partout dans nos machines avec pour souvent des buts de filtrages ou de lissage de tensions. Aujourd’hui nous allons donc parler des condensateurs pour l’alimentation (parce que ce serait trop long sinon) de type électrolytique. Important : les condensateurs d’alimentations ne sont pas uniquement présents dans votre distributeur de Watt mais se trouvent aussi sur la plupart des autres modules : VRM, découplage de puces, lissage des tensions.

Les fondements d’une tension bien propre

Pour commencer, nos cours de physiques de fin du lycée sont incomplets. Parce qu’un condensateur électrolytique, aussi bon soit-il, n’est pas parfait. Il est constitué d’une électrode métallique baignant dans une gelée conductrice qui par électrolyse – d’où le nom – permet de créer une légère isolation. Cette isolation supprime ainsi le courant continu mais conserve les variations de tension : on obtient donc un condensateur. Les condensateurs tantales font partie des électrolytiques, la différence étant que le conducteur n’est pas une gelée mais un solide. Cependant, cela créé 2 paramètres parasites : une résistance nommée ESR – Equivalent Serial Resistance - et une inductance – comme une bobine ou self - détériorant les capacités hautes fréquences du condensateur. Ce qui veut dire qu’en plus de sa capacité de base, il se retrouve avec ces deux nuisibles comme sur la figure suivante :

Un p'tit schéma de condensateur réel : C la capacité, Rs l’ESR et Ls l’inductance série

Alors pourquoi les utiliser s’ils ne sont pas parfaits ? Parce qu’ils permettent d’obtenir de grandes capacités sur des faibles tensions à prix et taille réduite, et puis parce qu’un condo parfaitement parfait, ça n’existe pas. A savoir, les autres technologies de condensateurs - film plastique, papier huilé, céramique… - ne peuvent pas fournir d’aussi grosse capacité sans ressembler à des grosses piles à coût exorbitant. Il y a bien d’autres parasites comme l’hystérésis de charge – ce qui fait que les faibles signaux ne passent pas – mais ils ne sont pas influents dans notre cas.

C’est bien beau mais ça fait quoi au juste ?

Ce genre de condensateur est surtout utilisé pour filtrer et lisser les tensions de sortie de nos alimentations. Comme leur capacité est de stocker cette tension, ils vont compenser ces fluctuations, acceptant des variations d’autant plus fortes ou lentes que leur capacité est élevée. Pour le filtrage, il s’agit d’une combinaison avec d’autres composants qui laisse passer que certaines fréquences selon le bon vouloir de l’électronicien.

Démonstration du lissage : en gris, la tension sans condensateur, en rouge la tension "lissée"

Mais la vie réelle n’est pas aussi simple : si l’alimentation génère des signaux de trop haute fréquence, ceux-ci ne seront pas forcément amortis à cause de l’inductance parasite. Ce souci est particulièrement dérangeant sur les alimentations à découpage – car elles hachent la tension sur plusieurs centaines de kilohertz pour améliorer l’efficacité des régulateurs - de nos chers composants informatiques. Quant à l’ESR, elle va absorber tous les pics de courant qui sont fréquents sur les gros condensateurs, plus un condensateur compense en tension, plus il génère de gros pics de courant en conséquence. En passant à travers cette résistance, ces pics génèrent une dissipation d’énergie qui augmente la chauffe du condensateur. De plus, lors d’utilisation avec d’autres composants, cette résistance peut amener à des instabilités et des interférences une fois le condo placé dans un circuit plus complexe.

On voit que pour une intensité donnée de 50 mA, on obtient des pics de courant 8x plus élevés durant la charge du condensateur. Ces pics sont dissipés dans l'ESR via la relation suivante : Puissance dissipée = ESR x (Intensité pics)²

A cela il faut rajouter un dernier point vital pour nos condensateurs : la tension et la température. Vous avez du remarquer que le marketing gaming les fabricants sortent souvent des chiffres sur la durée de vie. Et bien il ne s’agit que de la durée standard en sortie d’usine. Car cette durée varie de beaucoup en fonction de la tension : plus on a une tension maximale du composant élevée par rapport à celle de fonctionnement plus la durée de vie augmente. Pareil pour la chaleur : il faut à tout prix éloigner les condensateurs de la chaudière centrale du PC ou penser à les refroidir avec votre moulin favori. Un bête refroidissement via une petite brise peut doubler leur durée de vie et stabilité.

Un exemple de mauvais élève (MSI MEG X399 Creation) : les condensateurs se retrouvent entre les VRM et le processeur sans être dans le flux d'air

Et comment on identifie tout ça doc ?

Un premier constat simple : la taille. Un condensateur de qualité se remarque souvent par une taille plus imposante. Cependant, ces dernières années les fabricants s’améliorent et ont optimisé le rapport taille/performance de ces bestioles. Mais dans le cas de gros courant – par exemple ceux goinfrés par les VRM – plus c’est gros plus c’est bon. Dans l’idéal, un couplage en parallèle avec un condensateur à film – qui est petit, carré et plus stable en fréquence - est un luxe non négligeable permettant d’éliminer les parasites hautes fréquences.

Exemple d'une alimentation bien construite (NZXT base seasonic) qui ne met pas les condensateurs au milieu de flux d'air chaud

De même, la capacité et la tension sont marquées sur les condensateurs. Parfois une loupe s’impose, mais c’est toujours lisible. De même, certaines dénominations – gold, military grade – sont signes d’un ESR plus faible et d’une durée de vie améliorée. Par contre l’appellation Japan ne veut rien dire car elle indique juste un pays. C’est comme ramener chez des Anglais du vin Français en disant qu’il est bon parce que Français, alors que c’est en fait du Beaujolais pas très nouveau : ça peut piquer. Enfin, on vérifiera surtout le positionnement des condensateurs : éviter de les laisser trop proches des parties qui chauffent (radiateurs, processeurs, unités de calculs…) et assurer qu’ils sont dans le flux de circulation de l’air.

Il n’est pas beau mon petit Panasonic ?