Elektronik Devre Elemanları 2 – Kondansatör

Serimizin ilk yazısında, pasif devre elemanlarının en sevileni olan dirençten biraz bahsetmiştik. Şimdi, pasif devre elemanlarından kondansatör hakkında biraz bilgi verelim. Kondansatörler, elektrik yükünü depolayabilen devre elemanlarıdır. Depolanan bu yük ihtiyaç olduğunda tekrar kullanılabilir. Birden fazla kondansatör çeşidi vardır. Kullanılan devreye göre kondansatör ihtiyacı değişmektedir. Gelin öncelikle kondansatör çeşitlerinden başlayalım.

Kondansatör Çeşitleri 

Dirençte olduğu gibi kondansatörde de çok fazla çeşit vardır. Üzerinde çalışacağımız devreye uygun kapasitans değerini belirlemek çok önemlidir. Aksi takdirde, devrede kullandığımız kondansatör patlar. Ve emin olun, patladığı zaman ufak çaplı bir kalp krizine sebep olabilecek kadar insanı korkutuyor 🙂 

• Seramik kapasitör: Sahip olduğu şekilden dolayı, aynı zamanda mercimek kapasitör ismiyle de anılır. Ses ve radyo frekans devrelerinde tercih edilmektedirler. Yoğunlukla, 1nF ila 1μF aralığında kullanılmaktadır. Kutupsuz kondansatörlerdir. AC gerilimde kullanılabilmektedir. Yüksek frekans cevabına ve düşük parazit etkisine sahiptir. By-pass, tampon ve kuplaj uygulamalarında yüksek verim sağlar. Hem ucuz hem güvenilir oldukları için en sık tercih edilen tipteki kapasitörler arasındadırlar.

• Elektrolit kapasitör: Kutuplu (+ – kutbu bulunan)  kapasitörlerdir. Elektrolit, sıvı ya da jel olarak yüksek konsantrasyonda iyon içerir. Yüksek kapasite değerlerini sağlayabilirler (çoğunlukla 1µF ve üzeri). Bu tür kondansatörlerin, yüksek kapasiteye sahip olmaları avantaj sağlarken; bir yandan da dezavantaları bulunmaktadır. Yüksek sızıntı akımı, tolerans değerleri ve eşdeğer seri direnç değerleri kondansatörün ömrünü kısaltmaktadır. Silindirik yapıdadır. Genellikle güç kaynağı devreleri ve ses devrelerinde ayırma (decoupling) gibi düşük frekans işlerinde kullanılırlar. SMD (yüzeye montaj edilebilen) tipte çeşitleri mevcuttur. 

• Tantalyum kapasitör: Elektrolit kondansatörlerde olduğu gibi tantal kapasitörler de kutuplu yapıdadır. Boyutlarına oranla yüksek kapasite değerleri sunabilirler. Kapasiteleri gerilim ve sıcaklık değişimine duyarsızdır. Bu tip kapasitörlerin ters gerilime karşı toleransları çok düşüktür, yüksek dalgalanma akımları ve gerilimlerine maruz kaldıklarında veya yüksek stres altında patlayabilirler. Patladığında yanında bulunan elemanlara zarar vermezler. Bu kapasitörler de SMD ve standart tipte üretilebilirler.

• Mika kapasitör: Doğal mineral grubudur. Mika kapasitörler nispeten küçük değerli, güvenilir ve istikrarlıdır. Günümüzde çok fazla kullanılmamakla birlikte, yüksek kararlılığa sahip olmaları ve yüksek frekansta çalışabilmeleri nedeniyle boyut kısıtı olmayan radyo frekans devrelerinde kullanılırlar. Maksimum 1000 pF civarlarında kapasiteye sahiptirler. 

• Trimer kapasitör: Kapasite değeri ayarlanabilir kondansatörlerdir. Baskı devre üzerine lehimlenerek kullanılırlar. Genellikle ekipmanların kalibrasyonu için kullanılırlar. Hassasiyet ve toleransları oldukça düşük olduğundan son kullanıcı ürünlerinde tercih edilmezler. Genellikle, en düşük 0.5 – 10 pF ve en yüksek  1 – 120pF arasında değişen kapasiteye sahip tiptir.

• Süper kapasitör: Süper kapasitörler çok büyük miktarlarda elektriksel şarj depolayan elektronik aygıtlardır. Ultrakapasitör ya da çift katmanlı kondansatör olarak anılırlar. Standart bir elektrolitik kondansatörün birim hacimde depoladığı enerjinin yaklaşık 10 ila 100 katı kadarını depolayabilirler. Ultrakapasitörler şarj edilebilir bataryaların yerini alması için tasarlanmıştır. Yaygın şekilde kullanılmaya başlayan elektrikli araçlarda, rejeneratif frenleme ile üretilen enerjiyi depolamak amacıyla kullanılırlar. 

Kullanım Amaçları – Özellikleri 

Güç kaynaklarında filtreleme, ses yükselteçlerde katmanlar arasında kuplaj sağlama ve etkin topraklama için sık sık kullanılır. Elektriği plakalar arasında depolayabilme, kısa devre anında enerjiyi çok hızlı boşaltabilme, DC akımı engelleyip AC akımı geçirme, faz kayması oluşturma ve reaktif gücü depolayabilme gibi özellikleri vardır. 

İç Yapısı ve Sembolü

Yukarıda bulunan şekli inceleyip depolama olayını anlamaya çalışırsak :

1-Kapasitansı oluşturan iki iletken plaka arasına sabit bir V gerilimi uygulanır. Bu durumda bir elektrik alan oluşur.

2-Oluşan elektrik alan sonucunda, kapasitans plakasındaki elektronlar kaynağın pozitif tarafına doğru çekilir.

3- Elektronların, bu alanı dengelemek amacıyla çekilmesi yük akışına sebep olur.

4-Belirli bir süre sonra, iki plaka arasında alanı dengeleyen Q yükü birikir.

5- Biriken Q yükünün, uygulanan V gerilimine oranı, kondansatörün ‘’sığası’’ ya da ‘’kapasitesi’’ olarak adlandırılır. C ile gösterilir. Birimi ‘’Farad’’ dır.  Aşağıda çeşitli kondansatörlerin sembolleri verilmiştir.

Şarj-Deşarj Devresi

Şekildeki devrelerde, kondansatörün şarj-deşarj durumları gösterilmektedir. 

Anahtar 1 konumunda iken; kondansatör, E gerilim kaynağı ve R direncinin belirleyeceği hızda dolar. ilk durumda boş olan ideal kondansatör, potansiyel fark sonucu akan akımla yavaş yavaş dolmaya başlar. Belirli bir süre sonunda ise kondansatör gerilimi, kaynak değerine (E) ulaşacağından dolayı akım akmaz. Kapasitör gerilimi, bu değerde sabitlenir. Bu değere ulaştıktan sonra kondansatör depolama yapmaz.

 Yani basit bir şekilde anlatmak istersek devreye bağlı olan kondansatör, kaynak gerilimine eşitleninceye kadar akım akar. Kondansatörün gerilimi kaynak gerilimden daha fazla gerilime sahip olamayacağı için akım geçemez. Kondansatör dolmuş olur.

Anahtar 2 konumunda iken; öncesinde elektrik alanı sonucu kapasitörün üst tarafında birikmiş olan yükler, R direncinin kapasitör plakaları arasında köprü olmasıyla iki tarafta dengelenir. Kapasitör bu şekilde boşalmış olur. 

Kapasitans 

Kondansatörün kapasite birimi Farad’dır. 1F’lık kapasiteye sahip olan bir kondansatör, saniyede 1V’luk gerilim değişimine maruz bırakıldığında üzerinden geçen elektrik yükü, 1A’dir. Kondansatörden geçen akım, kondansatörün kapasitesiyle ( C ) ve kondansatöre uygulana gerilimin değişim değeriyle (dv/dt) doğru orantılıdır. 

Örnek: Kondansatör uçlarındaki gerilim, 0.3 sn’lik periyotta; 20 volttan 80 volta çıkan bir devrede, kapasite değeri 20 μF ise akım değerini hesaplayalım. 

Yukarıda verilen formüle bakarsak; dv yani voltajdaki değişim 80V – 20V=60V’tur. Periyot yani dt ise 0.3sn olarak verilmiş. Bu durumda;

dv/dt=200  

i=(dv/dt)*c= 200*20*10^-6  = 0.004 A olarak bulunur. 

Elektrik Yükü

Elektrik yükü ya da şarj, kondansatörün plakaları arasındaki elektrik alanına depolanır ve kondansatörün kapasitesine ve uygulana gerilime bağlıdır.  

Q=C*V    (Q=Elektrik yükü) 

Örnek: 10 μF’lık bir kondansatöre 150V’luk bir gerilim uygulanmaktadır. Kondansatörün depoladığı elektrik yükünü hesaplayalım. 

Q=150*10*10^–6  = 0.0015 C 

Enerji Depolama 

Bir kondansatörün depoladığı enerji kondansatörün kapasitesine ve uygulanan gerilimin karesine bağlıdır.W enerjiyi temsil etmektedir, birimi joule’dür. 

Örnek: 22 μF’lık bir kondansatörün 1J enerji depolaması için uygulanması gereken gerilimi hesaplayalım. 

V² = 2E/C = (2*1)/(22*10^-6 ) =90,909.09 V 

V=301.511 V değerini buluruz.  

Kondansatörlerin Değerlerinin Okunması 

Kondansatör değerlerini okurken sıklıkla üzerinde yazan değerlerden faydalanırız. Kullanılan yöntem üç basamak kodlamadır. İlk iki basamak kondansatörün değerini belirlerken üçüncü basamak ise çarpanını verir. Rakamlar ile yapılan kodlamalarda bazı kısaltmalardan yararlanılır. Örneğin sıfır yerine yalnızca , (virgül) konulmaktadır. Tolerans değerleri de dirençte anlattığımız gibi harfler ile gösterilir. Bu durumda; 
B : % 0,1 
C : % 0,25 
D : % 0,5 
F:%1 
G:%2 
J:%5 
K : % 10 
M : % 20  

Aşağıda kondansatör değerlerinin okunmasıyla ilgili örnekleri inceleyebilirsiniz.