Comment sonne un condensateur ?

Vous avez peut-être remarqué l’omniprésence du condensateur dans les circuits que vous avez rencontrés. Mais à quoi servent-ils ? De quelle manière agissent-ils sur le bon fonctionnement du circuit ? Et une question peut être plus importante pour nous musiciens, quelle influence ont-ils sur le son ? Cet article donne des éléments de réponse à ces quelques questions.

En première partie nous verrons ce qu’est physiquement un condensateur et un modèle très simple pour comprendre son comportement en fonction de la fréquence du signal. En deuxième partie nous verrons trois cas d’utilisation des condensateurs. Puis nous utiliserons ces connaissances pour voir en pratique l’effet du changement des condensateurs sur le son dans un circuit simple. Tout cela avec une vidéo de démo !

1 Qu’est-ce qu’un condensateur ?

Un condensateur est formé par un isolant ou diélectrique entouré de deux couches de métal appelées armatures. Il est conçu pour pouvoir emmagasiner une grande quantité de charge, portée par les électrons. Ainsi, il peut accumuler de l’énergie électrique. La capacité d’un condensateur se mesure en Farad et donne la quantité de charge que peut accumuler un condensateur pour une tension donnée.

Afin d’optimiser la charge accumulée, on va soit changer la géométrie des armatures et de l’isolant, soit changer le matériel diélectrique. On va alors trouver des condensateurs électrolytiques, en céramique, en papier, en polyester, en polystyrène, au tantale, etc. Vous trouverez des informations très complètes sur les différents types de condensateur sur ce site [1].

Comportement en régime continu :

Sur la figure suivante je montre un condensateur relié à un générateur de tension continu, que j’ai appelé Vdc. Par continu on veut dire que la tension délivrée ne varie pas avec le temps. Les lettres DC sont l’acronyme de « Direct Current » en anglais et signifient courant continu.

Lorsque l’on connecte le condensateur au générateur de tension il va y avoir un mouvement d’électrons – donc un courant – durant un laps de temps très court, durant lequel les armatures du condensateur vont se charger. D’un côté les électrons donc des charges « – » s’accumulent. De l’autre côté les électrons s’en vont. Si de ce côté des charges « – » s’en vont, on peut considérer que des charges « + » s’accumulent.

Puis, au-delà d’un temps court dépendant du circuit (que j’ai nommé t0 sur la figure 1), le condensateur est complètement chargé. Dès lors, il n’y a plus de circulation d’électrons, comme on peut le voir sur la figure.

En conclusion, on considère qu’un condensateur ne laisse pas passer le courant continu.

Comportement en régime alternatif :

Considérons maintenant le même condensateur relié à un générateur de tension alternative. Sur la figure suivante je l’ai noté Vac. Les lettres AC sont l’acronyme de « Alternating Current » en anglais et signifient courant alternatif. En régime alternatif, la tension varie donc périodiquement avec le temps. Et la période c’est tout simplement le temps le plus petit que nécessite la tension pour réaliser un motif complet.

Dans le cas d’une tension alternative de type sinusoïdale, si on choisit bien le condensateur, celui-ci ne sera jamais complètement chargé. Du coup un côté du condensateur va se charger positivement puis négativement et inversement pour l’autre côté du condensateur. Les électrons ne passent pas à travers le diélectrique, mais leur mouvement crée un courant qui suit les oscillations du générateur de tension.

En conclusion, on dit que le courant alternatif « passe au travers » du diélectrique du condensateur.

C’est cette propriété des condensateurs que l’on va utiliser : le condensateur laisse passer le signal AC mais pas le signal DC. On va s’en servir par exemple pour filtrer les différentes fréquences que constituent un signal audio, pour stabiliser une alimentation ou pour séparer le courant continu et le courant alternatif. Nous allons voir tout ceci un peu plus en détail dans la suite de cet article.

Par conséquent le modèle simple que l’on peut considérer pour le condensateur et que l’on va utiliser est que :

• pour les signaux basses fréquences le condensateur est un interrupteur ouvert,
• pour les signaux hautes fréquences c’est un interrupteur fermé.

2 Utilisation pratique du condensateur

Regardons le circuit électrique ci-dessus (d’après la ref [2]). Nous voyons qu’il y a relativement beaucoup de composants, dont beaucoup sont des condensateurs. Nous allons décrire le rôle de certains d’entre eux.

2.1 Condensateur de découplage

Il peut arriver que l’alimentation de nos pédales, ou de tout circuit électrique soit source de bruit ou de pics de courants. Ceci peut être fâcheux pour le bon fonctionnement du circuit et pour les composants. Une manière de palier ce problème est d’introduire un condensateur entre l’alimentation et la masse. Sur le circuit ci-dessus, c’est le rôle des condensateurs C11 et C12.

Que se passe-t-il lorsqu’il y a un pic de courant ? Nous avons vu que le condensateur laisse passer les variations de courant, mais pas le courant continu. Par conséquent, le pic de courant, qui est une variation brusque va passer par le condensateur et aller à la masse. Le bruit, qui est un courant qui varie avec une certaine fréquence ira aussi à la masse. En revanche, le courant continu est bloqué par le condensateur et est donc bien acheminé vers le composant qui nous intéresse. On appelle les condensateurs qui remplissent cette fonction des condensateurs de découplage.

En général on mettra un ou deux condensateurs de capacité différente afin de couvrir le spectre des fréquences nuisibles. Avec 10 uF on élimine les basses fréquences, 100 nF les fréquences moyennes et 100 pF les hautes fréquences (d’après [3]).

2.2 filtres passifs RC

Dans la référence [2], d’où sort le circuit de la figure 3, la pédale de distortion RAT est analysée. Cette pédale contient un filtre passif RC pour régler la tonalité, donc convient bien pour expliquer ce que c’est. Je donne ici un peu plus de détails que dans la ref [2].

L’association d’une résistance et d’un condensateur crée un filtre passif. Mais qu’est-ce qu’un filtre ? C’est comme un filtre à café : il laisse passer l’eau imbibée de café, mais il bloque le café moulu. Et bien un filtre audio c’est pareil : il laisse passer certaines fréquences et en bloque d’autres. Et par passif on veut dire qu’il n’y a pas besoin de l’alimenter. C’est donc un filtre très simple.

Un mot sur le spectre et le timbre

Considérons un « la » grave. Sa fréquence est de 110 Hz, c’est sa fréquence fondamentale. Mais il est également composé d’autres fréquences plus aiguës donc plus grandes, que l’on appelle harmoniques. La fréquence fondamentale et les harmoniques ont un poids, ou coefficient. C’est comme les coefficients au bac pour les maths, la physique, le sport, la philo, etc. Donc pour le son la fréquence fondamentale a un coefficient très élevé, on n’entend quasiment que elle, la 1ere harmonique un coefficient plus réduit, la 2e harmonique encore plus réduit. Le graphique qui donne le poids de chaque fréquence s’appelle le spectre et le son résultant de toutes ces fréquences s’appelle le timbre. Le filtre va permettre de jouer sur le spectre donc sur le timbre en laissant passer certaines fréquences seulement. Si vous êtes impatient vous pouvez voir la vidéo plus bas et revenir aux explications !

Sur la figure 3, Rtone et R7 sont en série, donc leur résistance s’additionnent. On a donc une résistance équivalente Rtone+R7 associée à un condensateur C8 qui va à la masse. Ce couple forme un filtre que nous allons examiner de plus près !

2.2.1 Couple (Rtone+R7)/C8

J’ai représenté sur la figure 4 de gauche non pas Rtone+R7 mais seulement R7 pour rendre l’écriture plus légère. Mais ceci ne change rien au raisonnement et nous ré-introduirons Rtone à la fin de l’explication. On a également C8, qui va à la masse. Vi est la tension du signal d’entrée, Vo la tension du signal de sortie résultant. Considérons le cas basse fréquence (BF) donc le cas d’un signal dans les graves (figure 4 du milieu).

Nous avons vu que le condensateur bloque le courant continu et par extension, il bloque les très basses fréquences. Par conséquent, tout le signal basse fréquence est bloqué par C8 et se dirige vers la sortie. On trouve alors qu’on a à peu près Vo=Vi.

Maintenant voyons le cas haute fréquence (HF) représenté sur la figure 4 de droite. On a vu que le condensateur laisse passer les hautes fréquences, la sortie est donc connectée à la masse. Par conséqent Vo=0.

En conclusion : les basses fréquences passent et les hautes fréquences non. On appelle ce filtre un filtre passe-bas.

De manière plus concrète, à partir de quelle fréquence considère-t-on que les fréquences sont filtrées? On peut calculer que cette fréquence, dite fréquence de coupure vaut pour une résistance de résistance R et un condensateur de capacité C:

Appliquons cette formule à notre cas et revenons à la résistance totale qui vaut Rtone+R7. On a que R7= 1,5kohms, C8=3,3nF et Rtone varie de 0 à 100 kohms. On entre ces données dans fc pour Rtone=0 :

Et pour Rtone=100kohms:

En jouant avec Rtone, on fera varier la fréquence de coupure. Ainsi lorsque Rtone=0, fc=fc1=32kHz. Par conséquent tout le spectre audible humain passe. On peut dire que le filtre n’a pas vraiment de conséquences audibles pour nous humains. Par contre, pour Rtone=100k, seules les fréquences inférieures à 475 Hz sortiront. Le son sera par conséquent beaucoup plus grave et sourd.

Je vous ai fait une figure pour résumer tout ça :

On voit en rouge et en vert l’allure du filtre. Prenons la courbe rouge par exemple. Ici, Rtone=0. Pour les fréquences plus petites que fc1 donc à gauche de fc1, le gain vaut 1, c’est-à-dire que le signal n’a pas changé d’amplitude. Par contre, pour les fréquences plus grandes que fc1 le gain vaut 0. Pour la courbe verte, Rtone=100 kohms. C’est le même raisonnement, mais dans ce cas il y a beaucoup plus de fréquences aigus filtrées.

2.2.2 Couple R8-C9

La fonction de C9 n’est pas de filtrer, c’est un condensateur de liaison, comme nous allons le voir plus bas. Mais vu qu’il y a une résistance derrière, on a un filtre. À des fins pédagogiques, nous allons mener le même raisonnement avec les mains que précédemment et voir si ce composant va affecter le son. Ici la configuration est différente, car c’est la résistance qui est à la masse. J’ai isolé le couple R8-C9 sur la figure suivante :

On a donc à gauche C9, R8 à la masse et Vi et Vo les tensions d’entrée et de sortie respectivement. Plaçons nous à basse fréquence. Le condensateur va bloquer ce signal. Par conséquent, la sortie voit un chemin de moindre résistivité à la masse que vers Vi et son potentiel est donc nul : Vo=0. Maintenant regardons ce qui se passe à haute fréquence. Dans ce cas-là, le condensateur est équivalent à un fil, et donc Vo=Vi.

Conclusion : dans cette configuration le filtre RC est un filtre passe-haut.

On peut calculer la fréquence de coupure :

Comme on l’a dit, cette association R-C n’est pas là à des fins de filtrage, mais elle agit quand même comme un filtre. Cependant, elle laisse passer les fréquences supérieures à 7,23 Hz. Donc dans le cas de la guitare, pas de problème ! Mais cela nous aura permis de voir que suivant la disposition de la résistance et du condensateur on aura soit un filtre passe-bas, soit un filtre passe-haut.

Voyons maintenant un autre rôle important joué par les condensateurs.

2.3 Condensateurs de liaison

Nous avons vu plusieurs fois maintenant qu’un condensateur bloque le signal continu et laisse passer le signal alternatif. Par exemple sur la figure suivante j’ai dessiné le circuit d’une pédale de boost à transistor. Le collecteur du transistor (C) est relié à la tension d’alimentation continue de 9 V à travers la résistance Rc. En C, il y a donc une tension constante que l’on peut calculer connaissant le courant qui passe en Rc. Ce sera une tension inférieure à la tension d’alimentation (9 V), elle est d’environ 4,5 V.

À cette tension continue en (C) s’additionne la tension alternative du signal, qui vient de l’entrée In, arrive à la base (B) puis sort amplifiée au collecteur (C). La tension continue délivrée par la pile sert à polariser le transistor pour que celui-ci amplifie, mais on ne la veut pas en sortie de la pédale, on ne veut que le signal de la guitare amplifiée. C’est pour cela qu’après le collecteur (C) apparaît le condensateur Cout. Avant ce condensateur se superposent le signal alternatif et la composante continue de 4,5 V. Après lui, seul se transmet le signal alternatif c’est-à-dire le signal de la guitare.

Sur ce circuit, il y a un autre condensateur de liaison qui est Cin. Ce condensateur a le même rôle que Cout, il est là pour isoler cette pédale des tensions de polarisation éventuelles de la pédale précédante.

Voyons maintenant l’effet des condensateurs de liaison Cin et Cout sur le son.

3 Effet sur le son des condensateurs

Ici nous nous proposons une petite expérience basique. Nous avons vu que les condensateurs de liaison sont là pour supprimer la tension de polarisation des différents circuits. Mais ces condensateurs sont reliés à des résistances dans le circuit. Et cette association R-C joue aussi le rôle voulu ou non de filtre.

Les couples R-C en question sont Rin-Cin et Rvol-Cout. Le condensateur n’est pas à la masse, donc si on reprend les explications de la section 2.2.2, on voit que ce sont des filtres passe-haut. Dans cette expérience, je vais jouer de la guitare en utilisant les condensateurs d’origine de 100 nF. Puis je vais les changer par des condensateurs de 2,2 nF.

Calculons la fréquence de coupure en entrée pour C=100 nF, On rappelle que Rin=1 Mohms=10e6 ohms :

Puis la fréquence de coupure pour C=2,2 nF :

On voit qu’avec le condensateur d’origine, la pédale amplifie au-dessus de 1,59 Hz. Par conséquent, tout le spectre de la guitare sera amplifiée et le son sera plein avec de bonnes basses. Par contre, avec 2,2 nF les fréquences les plus graves ne sont pas amplifiées. De plus, en sortie la valeur de Rvol étant de quelques dizaines de kohms, la fréquence de coupure sera plus grande en sortie. Par conséquent, en remplaçant Cin et Cout par des condensateurs de 2,2 nF, le son global sera plus aigu, voire nasillard. Il sera aussi moins fort que la version 100 nF, car on n’amplifie alors qu’une partie du spectre. Ceux qui suivent me diront que l’on a fabriqué un filtre actif passe-haut :). Un treble boost quoi !

Vérifions tout cela en musique !

4 Conclusion

Nous avons vu dans cet article que les condensateurs sont on ne peut plus utiles. En pratique, on a vu par une expérience basique que le choix du condensateur est primordial pour le son. Il y a bien sûr d’autres manières d’utiliser le condensateur, dans cet article vous trouverez une manière de concevoir un filtre actif.

J’espère que cet article vous a plu. J’ai essayé d’être au plus clair, mais s’il y a des mots ou des concepts qui restent flous pour vous, n’hésitez pas à me le dire dans les commentaires !

Références

[1] https://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_condensateur.html

[2] https://www.electrosmash.com/proco-rat

[3] https://fr.wikipedia.org/wiki/Condensateur_de_d%C3%A9couplage