Condensateur (électricité)

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µF pour une tension de service de 35 V, le 2eme est de 10 µF pour 160 V Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est proportionnelle à la tension. Il se caractérise par sa capacité électrique. Son comportement électrique idéal est donc : ::I = CdU\over dt où :
- I est le courant qui traverse le composant ;
- U est la tension au
Condensateur (électricité)

µF pour une tension de service de 35 V, le 2eme est de 10 µF pour 160 V Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est proportionnelle à la tension. Il se caractérise par sa capacité électrique. Son comportement électrique idéal est donc : ::I = CdU\over dt où :
- I est le courant qui traverse le composant ;
- U est la tension aux bornes du composant ;
- C est la capacité électrique du condensateur.
-\textstyledU\over dt est la variation de tension avec le temps. Les signes sont tels que la tension augmente dans le terminal par lequel entre le courant. Il est utilisé principalement pour :
- stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ;
- traiter des signaux périodiques ;
- stocker de l'énergie, auquel cas on parle de supercondensateur.

Loi de comportement du condensateur

On définit la capacité par la relation : ::Q = C\times U où :
- Q est la charge stockée sur sa borne positive ;
- U est la tension aux bornes du composant ;
- C est la capacité électrique du condensateur. Symbole d'un condensateur non polarisé dans un circuit Expression algébrique de la loi de comportement du condensateur : ::\textstyleQ_1 = C\times (V_1-V_2) Les indices 1 et 2 repérant chacune des bornes. Qk étant la charge de la borne k et Vk son potentiel électrique (k = 1 ou 2). La borne au potentiel le plus élevé (borne positive) est donc chargée positivement. La charge "totale" d'un condensateur Qt = Q1 + Q2 est donc NULLE. Ce qui fait que le courant "pénétrant" par une borne ressort à l'identique par l'autre borne alors que les armatures sont séparées par un isolant ! Si l'on oriente la branche de circuit contenant le condensateur dans le sens : borne 1 -> borne 2 , fixant ainsi le sens positif du courant i, on définit alors algébriquement la tension u dans le sens opposé (convention récepteur) ::u = V_1 - V_2 Il devient alors possible de définir algébriquement une relation entre le courant circulant dans la branche et la dérivée temporelle de la tension : ::i= \frac \, = C \cdot \frac \,

Composant électrique ou électronique

Plusieurs types de condensateurs. De gauche à droite : céramique multicouches, céramique disque, ?, ajustable, ?, ?, électrochimique Le mot condensateur peut désigner spécifiquement un composant électrique ou électronique conçu pour pouvoir emmagasiner une charge électrique importante sous un faible volume ; il constitue ainsi un véritable accumulateur d'énergie. En Octobre 1745, Ewald Georg von Kleist de Pomerania inventa le premier condensateur. Le physicien hollandais Pieter van Musschenbroek le découvrit de façon indépendante en janvier 1746. Il l'appella la bouteille de Leyde car Musschenbroek travaillait à l'Université de Leyde.
- Un condensateur est constitué fondamentalement de deux conducteurs électriques, ou "armatures", très proches l'un de l'autre, mais séparés par un isolant, ou "diélectrique". La charge électrique emmagasinée par un condensateur est proportionnelle à la tension appliquée entre ses 2 armatures. Aussi, un tel composant est-il principalement caractérisé par sa capacité, rapport entre sa charge et la tension. La capacité électrique d'un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante est souvent utilisée pour estimer sa valeur : :C = \varepsilon S \over e avec S : surface des armatures en regard, e distance entre les armatures et ε la permittivité du diélectrique.
- L'unité de base de capacité électrique, le farad représente une capacité très élevée, rarement atteinte (à l'exception des super-condensateurs) ; ainsi, de très petits condensateurs peuvent avoir des capacités de l'ordre du picofarad.
- Une des caractéristiques des condensateurs est leur tension de service limite, qui dépend de la nature et de l'épaisseur de l'isolant entrant dans leur constitution. Cet isolant présente une certaine rigidité diélectrique, c'est-à-dire une tension au-delà de laquelle il peut apparaître un violent courant de claquage qui entraîne une destruction du composant (sauf pour certains d'entre eux, dont l'isolant est dit auto-cicatrisant). La recherche de la plus forte capacité pour les plus faibles volume et coût de fabrication conduit à réduire autant que possible l'épaisseur d'isolant entre les deux armatures ; comme la tension de claquage diminue également dans la même proportion, il y a souvent avantage à retenir les meilleurs isolants. | class="prettytable" style="margin:auto" |-style="background-color:
-ABCDEF" ! Désignation ! Capacité ! Champ électrique ! width="200" | Représentation |- |Condensateur plan || bgcolor="
-FFFFFF" | C = \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm \cdot \frac|| bgcolor="
-FFFFFF" | E = \frac\varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm A | align="center" | 155px |- |Condensateur cylindrique || bgcolor="
-FFFFFF" | C=2\pi \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm \, \frac\ln\!\left(\frac\right) | bgcolor="
-FFFFFF" | E(r) = \frac2\pi r l \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm | align="center" | 160px |- |Condensateur sphérique || bgcolor="
-FFFFFF" | C=4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm \left( \frac-\frac\right)^ | bgcolor="
-FFFFFF" rowspan="2" | E(r) = \frac4\pi r^2 \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm | align="center" rowspan="2" | 100px |- |Sphère || bgcolor="
-FFFFFF" | C = 4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm R_1 |

Les différentes catégories de condensateurs

De nombreuses techniques, souvent issues de la chimie, ont permis d'améliorer sensiblement les performances des condensateurs, que l'on relie à la qualité du diélectrique employé. C'est donc la nature du diélectrique qui permet de classer les condensateurs:
- les condensateurs non polarisés, de faible valeur (nanofarad ou microfarad) sont essentiellement de technologie « mylar » ou « céramique » ;
- les condensateurs dits polarisés sont sensibles à la polarité de la tension électrique qui leur est appliquée : ils ont une borne négative et une positive. Ce sont les condensateurs de technologie « électrolytique » (également appelée, par abus de langage, « chimique ») et « tantale ». Une erreur de branchement ou une inversion accidentelle de la tension conduit généralement à leur destruction, qui peut être très brutale, voire explosive ;
- les super-condensateurs (ultracapacitor) non polarisés ont une énorme capacité mais une faible tenue en tension (quelques volts). Ils ont été développés suite aux recherches effectuées pour améliorer les accumulateurs. La capacité qui peut dépasser la centaine de Farad est obtenue grâce à l'immense surface développée d'électrodes sur support de charbon actif ;
- les condensateurs à capacité variable, employés par exemple pour la réalisation des filtres RLC réglables (utilisés ainsi dans les postes récepteurs de radio pour le choix des stations). Ils sont constitués d'armatures mobiles l'une par rapport à l'autre ; les surfaces en regard déterminent la valeur du condensateur. 100px Quand on rapproche les plaques, la capacité augmente rapidement, de même que le gradient de tension (i.e., le champ électrostatique). Par exemple, le champ dans un condensateur soumis à seulement 5 volts et dont les plaques sont distantes de 5 micromètres est de 1 million de volts par mètre ! L'isolant joue donc un rôle capital. L'isolant idéal aurait une résistance infinie et une transparence totale au champ, n'aurait aucun point d'éclair (gradient de champ où apparaît un arc), n'aurait aucune inductance (qui limite la réaction aux hautes fréquences : un condensateur idéal laisserait passer la lumière par exemple), etc. On doit donc choisir un isolant selon le but recherché, c’est-à-dire l'usage qu'on veut faire du condensateur.

Les condensateurs électrolytiques

Utilisation
Les condensateurs électrolytiques sont utilisés :
- quand on a besoin d'une grande capacité de stockage
- quand on n'a pas de besoin d'avoir un condensateur parfait
- grande résistance en série
- mauvaise réponse aux hautes fréquences
- grande tolérance
Fabrication
Contrairement à tout autre condensateur, lorsqu'on les fabrique, on ne met pas d'isolant entre les deux conducteurs. D'ailleurs, un électrolytique neuf conduit le courant continu ! En fait, un des conducteurs est métallique, l'autre est une gelée conductrice : le conducteur métallique est simplement inséré dans la gelée. Lorsqu'on applique une tension pour la première fois, une réaction chimique (appelée électrolyse, d'où le nom) a lieu, ce qui crée une interface isolante à la surface du métal. Évidemment, sitôt formée, cette couche empêche le courant de passer et donc sa propre formation. Il en résulte une couche isolante très mince (quelques molécules d'épaisseur) d'où la très grande capacité des électrolytiques. D'où aussi leur tension maximale limitée, ce qui en fait néanmoins son utilité pour les blocs d'alimentation basse tension (moins de 200 volts). Cependant, la gelée n'est pas aussi bonne conductrice qu'un métal : un électrolytique a donc une résistance série non négligeable qui crée un "zéro" au sens des fonctions de transfert (filtre passe-bas) avec la capacité. De plus, un courant alternatif passant dans la gelée déforme les orbitales des électrons des couches de valence qui lient la gelée, créant une petite vibration mécanique dans la gelée, d'où :
- un effet d'inertie (inductance) important ;
- une mauvaise réponse aux hautes fréquences. Disons simplement qu'à l'origine, ces condensateurs n'étaient tout simplement pas conçus pour servir à des fins de découplage ou de filtrage de signaux.
Les condensateurs au tantale
Les condensateurs au tantale sont des électrolytiques où la gelée est plus dense et meilleure conductrice. Il en résulte des caractéristiques meilleures :
- moins de résistance ;
- moins d'inductances parasites ;
- de plus de petites résonances. C'est pourquoi ces condensateurs sont déconseillés pour la transmission de signaux sauf lorsqu'ils sont associés à d'autres condensateurs non électrolytiques pour former un condensateur composite.
Modélisation
Un condensateur électrolytique se modélise de façon plus ou moins réaliste.
- En première approximation, on décrit les caractéristiques essentielles du composant :
- la valeur de la capacité ;
- la résistance série ;
- la inductance série ;
- la résistance parallèle ;
- En faisant une modélisation plus sophistiquée, on accède à des caractéristiques plus fines :
- l'hystérésis de charge ;
- l'effet de batterie ;
- autres (influence de la température, le vieillissement des matériaux, etc...) L'hystérésis de charge est un effet qui fait que, en deçà d'une tension seuil (faible), la gelée ne laisse pas passer de courant. (Par exemple, un gros condensateur électrolytique de 1 farad soumis à une tension de 5 microvolts n'accumulera pas une charge de 5 microcoulombs). Il en résulte donc que les faibles signaux alternatifs en ressortent avec une distorsion qui ressemble à celle d'un amplificateur classe B pure, quoique beaucoup moindre. L'effet de batterie, moins négligeable, est dû à l'existence d'une réaction d'électrolyse et une d'électrosynthèse parasites qui ont lieu en présence d'un signal alternatif ou d'une tension continue. Cette charge et décharge de batterie est à ne pas confondre avec une charge et décharge de condensateur, car sa constante de temps est beaucoup plus grande. Pour l'observer, on peut charger un condensateur électrolytique, le laisser chargé quelques minutes (ce qui provoque le phénomène) puis le décharger brusquement en le court-circuitant pendant un court moment. Au moyen d'un voltmètre, on observera alors aux bornes la réapparition d'une tension : c'est la charge de batterie. Un autre effet de cette technologie est que la couche isolante n'a pas toujours la même épaisseur, même pour un même modèle. L'épaisseur dépend de plusieurs facteurs : la température, les micro-aspérités microscopiques du métal, les vibrations, l' humidité lors de la fabrication, l'âge du condensateur, l'usage auquel il a été soumis, etc. C'est pourquoi la capacité des électrolytiques est toujours présentée avec une grande tolérance (typiquement -20% à +100% pour les gros), ce qui en fait des mauvais candidats pour faire des filtres précis ou des bases de temps.

Les non électrolytiques

Ils sont fabriqués selon la définition classique du condensateur : un conducteur métallique séparé d'un isolant. Comme toujours, l'isolant, choisi en fonction du l'usage qu'on veut en faire, déterminera la nature du condensateur.
Air
Cette catégorie comprend les condensateur variables et certaines capacités de faible valeur réalisées à l'aide du circuit imprimé lui même. Ses caractéristiques d'isolation sont relativement faibles et sensibles à l'humidité ambiante.
Céramique
La céramique présente :
- les avantages d'une inductance extrêmement faible et d'une très grande résistance série, c'est pourquoi les condensateurs à isolant de céramique sont largement utilisés :
- dans les applications haute fréquence (jusqu'à des centaines de gigaHertz)
- dans les applications haute tension (circuits à valves (tubes) par exemple)
- les inconvénients :
- d'être mécaniquement fragile
- d'avoir un champ d'éclair pas très élevé. Ils nécessitent une certaine distance entre les plaques et se prêtent donc mal aux grandes capacités (Ce qui n'a pas d'importance dans les hautes fréquences).
- Ils ont une légère hystérésis de charge et génèrent un tout petit peu de bruit lorsque le dV/dt (courant donc) est élevé (grande amplitude de signal ou très haute fréquence). Ce bruit étant un bruit blanc a peu d'effet sur les circuits haute fréquence, ceux-ci étant généralement "tuned" (syntonisés) sur une bande étroite.
Matériaux synthétiques
Les condensateurs à isolant plastique (polyéthylène, polystyrène et polypropylène) ont été conçus spécifiquement pour fins de découplage de signaux et d'utilisation dans des filtres. Leur hystérésis de charge est très faible (nul pour le polypropylène) et, de ce fait, ils sont précieux pour le traitement de très faibles signaux (radio-télescopes, communications spatiales et... audio de référence). Le polystyrène et le polypropylène n'ont pas d'effet de batterie (le polyéthylène en a un très faible).
Polyéthylène
L'avantage du polyéthylène est qu'il peut être étiré (ou laminé) très mince et peut donc permettre des capacités appréciables dans un petit volume. (Pas comparables aux électrolytiques, quant même.) Il est facile à manufacturer et à former, et ces condensateurs sont donc peu coûteux. Les condensateurs à polyéthylène sont très employés dans les circuits audio de moyenne à bonne qualité et dans des circuits demandant une faible variation de capacité avec l'âge et l'humidité. Ils sont faciles à reconnaître à leur couleur jaune serin.
Polystyrène
Le polystyrène n'est pas aussi facile à fabriquer avec précision que le polyéthylène. Il n'est pas coûteux en soi (des meubles de patio et des emballages sont faits de polystyrène) mais difficile à laminer précisément en couches minces. Pour cette raison, les condensateurs en polystyrène sont relativement encombrants pour une capacité donnée (un 0.01µF étant aussi volumineux qu'un électrolytique de 200µF). Ils sont aussi nettement plus coûteux que les polyéthylènes. Le grand avantage des condensateurs en polystyrène est leur qualité. Ils sont très stables. Pour cette raison, ils sont employés là où la précision est requise : circuits syntonisés à bande étroite, bases de temps, etc. Leur bruit est pratiquement indécelable et très proche de la limite théorique (limite de Johnson). Ils sont très peu sensibles à la température et à l'âge et, pour autant qu'on reste en-deça des limites de courant et tension du manufacturier, insensibles à l'usage. Leur inductance parasite dépend du montage : certains sont faits de deux feuilles de métal et deux feuilles de polystyrène enroulées en spirale : ceux-là présentent une bonne précision de la capacité au prix d'une certaine inductance parasite (faible). D'autres sont faits de plaques moulées dans un bloc de polystyrène : ils sont moins précis pour la capacitance (ce qui n'est pas un problème pour les circuits de précision qui ont toujours un élément ajustable) mais ont une inductance parasite extrêmement faible. Leur comportement en audio est excellent.
Polypropylène
En audio, c'est LA référence. Résistance série extrême, aucun effet de batterie, aucune hystérésis de charge mesurable, bruit presqu'aussi faible que le polystyrène... Ils sont aussi moins chers que les condensateurs au polystyrène. (Le polypropylène est très connu des manufacturiers de plastique : beaucoup de jouets, de meubles de patio, boîtiers divers, téléphones portables et autres accessoires, même ...les sacs d'épicerie sont faits de polypropylène). Ils sont à toutes fins pratiques aussi stables que le polystyrène (la différence peut prendre des siècles avant d'être appréciable). Ils sont moins précis en valeur nominale que les condensateurs au polystyrène mais, à part dans les circuits de référence (bases de temps ultra-précises), ceci n'a aucune importance. Ils sont aussi assez gros pour leur capacité, le polypropylène se prêtant mal, lui aussi, à un laminage très fin.

Séries de valeurs normales

La liste des valeurs disponibles est définie par la norme CEI 60063.

Calcul des circuits comportant un ou des condensateur(s)

L'intensité qui traverse un condensateur ne dépend pas directement de la tension à ses bornes, mais de la variation de cette tension. Ainsi, on écrit généralement l'équation (en convention récepteur, q étant la charge de l'armature sur laquelle arrive i ): i= \frac \, q étant la charge de l'armature en coulomb. q= C \cdot u \, i= C \cdot \frac \, C étant la capacité du condensateur en farad. On peut ainsi en déduire l'impédance du condensateur alimenté par une tension fonction sinusoïdale du temps : Z = U \over I = 1 \over C\omega \, où U et I sont les valeurs efficaces des grandeurs u et i La transformation complexe appliquée à la tension et à l'intensité permet de déterminer l'impédance complexe : \underline Z = \frac\underline U\underline I = 1 \over jC\omega = -\fracC\omega\, Ces relations montrent bien qu'un condensateur se comporte comme un circuit ouvert (impédance infinie) pour une tension continue et tend à se comporter comme un court-circuit (impédance nulle) pour les hautes fréquences. Pour ces raisons, ils sont utilisés pour réaliser des filtres, parfois en association avec des inductances.

Energie stockée Puissance échangée

Un condensateur stocke de l'énergie sous forme électrique. Cette énergie Ue s'exprime en fonction de sa capacité C et de sa charge q (ou de sa tension u ) selon : Ue =\fracCu^2 = \frac \frac On remarque que cette énergie est toujours positive (ou nulle) et qu'elle croît comme le carré de la charge ou de la tension. Ces propriétés sont analogues à celles de l'énergie cinétique d'une masse m animée d'une vitesse v. Démonstration : P=\frac dE=P\times dt dE=uI\times dt dE=u\times\frac\times dt dE=u\times dq On sait que q=Cu dE=u\times d(Cu) dE=u\times Cdu \frac=\fracu\times Cdu\Leftrightarrow \frac=u\times C E=\fracCu^2 La puissance électrique P reçue par le condensateur est la dérivée par rapport au temps de cette énergie. P = \fracd(C\times u^2/2) \ = u \cdot C \frac \ = u\times i, On reconnaît dans la dernière égalité, l'expression générale de la puissance électrique reçue par un dipôle (en convention récepteur). Si la puissance est positive (puissance reçue) cette énergie augmente, le condensateur se charge. Inversément lorsque le condensateur se décharge, l'énergie diminue, la puissance est négative : elle est cédée par le condensateur au monde extérieur. Il en résulte qu'il est difficile de faire varier rapidement la tension aux bornes d'un condensateur et ceci d'autant plus que la valeur de sa capacité sera élevée. Cette propriété est souvent utilisée pour supprimer des variations de tension non désirées (filtrage). Inversément, une décharge très rapide d'un condensateur dans une utilisation de faible résistance électrique est possible. Une énergie importante est délivrée dans un temps très court (donc avec une très forte puissance). Cette propriété est entre autres exploitée dans les flashs électroniques et dans les alimentations de lasers pulsés. Notons qu'il est préférable de parler de puissance reçue (ou cédée) plutôt que de puissance consommée. Ce dernier qualificatif laisse à penser que la puissance reçue est "perdue" ou du moins dissipée. Ce qui est le cas d'une résistance qui "consomme" de la puissance électrique, toujours positive par Effet Joule, la puissance Joule "consommée" s'écrivant : P_ = R\times i^2,

Lois d'association

Association en parallèle

Lorsque deux condensateurs sont placés en parallèle, donc soumis à la même tension, le courant à travers cet ensemble est la somme des courants à travers chacun des condensateurs. Ceci a pour conséquence que la charge électrique totale stockée par cet ensemble est la somme des charges stockées par chacun des condensateurs qui le composent : Q = Q_1 + Q_2 = C_1 U + C_2 U = (C_1 + C_2) U = C_ U \, donc : C_ = (C_1 + C_2) \, Ce raisonnement est généralisable à n condensateurs en parallèle. Le condensateur équivalent à n condensateurs en parallèle a pour capacité la somme des capacités des n condensateurs considérés. Précaution : La tension maximale que peut supporter l'ensemble est celle du condensateur dont la tension maximale est la plus faible.

Association en série

Lorsque deux condensateurs sont en série, donc soumis au même courant, il en résulte que la charge stockée par chacun d'eux est identique. Q = Q_1 = Q_2 = C_1 U_1 = C_2 U_2 = C_ U \, ou U = \frac = U_1 + U_2 = \frac + \frac \, d'où \frac = \frac + \frac \, Ce raisonnement étant généralisable à n condensateurs, on en déduit : Le condensateur équivalent à n condensateurs en série a pour inverse de sa capacité la somme des inverses des capacités des n condensateurs considérés. Remarque : Cette association est généralement une association de n condensateurs identiques ayant pour but d'obtenir un ensemble dont la tension maximale qu'il peut supporter est égale à n fois celle des condensateurs utilisés, ceci au prix d'une division de la capacité par n.

Voir aussi


-Capacité électrique
-Supercondensateur
-Circuit RC
-Circuit LC
-Circuit RLC
-Décharge d'un condensateur Catégorie:Composant passif Catégorie:Électronique de puissance af:Kapasitor ar:مكثف bg:Кондензатор bs:Kondenzator ca:Condensador cs:Kondenzátor da:Elektrisk kondensator de:Kondensator (Elektrotechnik) el:Πυκνωτής en:Capacitor eo:Kondensatoro es:Condensador eléctrico et:Kondensaator fa:خازن fi:Kondensaattori he:קבל hr:Kondenzator hu:Kondenzátor ia:Capacitor id:Kondensator io:Kondensatoro it:Condensatore ja:コンデンサ ko:축전기 la:Capacitor lv:Kondensators mk:Кондензатор nl:Condensator nn:Kondensator no:Kondensator (elektrisk) pl:Kondensator pt:Capacitor ro:Condensator ru:Электрический конденсатор simple:Capacitor sk:Kondenzátor sl:Kondenzator sr:Кондензатор su:Kapasitor sv:Kondensator ta:மின்தேக்கி th:ตัวเก็บประจุ tr:Kondansatör uk:Конденсатор vi:Tụ điện zh:电容器 zh-yue:電容
Sujets connexes
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