1.7 KONDANSATÖRLER (KAPASİTÖR)

Transkript

1 1.7 KONDANSATÖRLER (KAPASİTÖR) Kondansatör, elektronların kutuplanarak elektriksel yükü elektrik alanın içerisinde depolayabilme özelliklerinden faydalanılarak, bir yalıtkan malzemenin iki metal tabaka arasına yerleştirilmesiyle oluşturulan temel elektrik ve elektronik devre elemanıdır. Piyasada kapasite, kapasitör, sığa gibi isimlerle anılan kondansatörler, 18. yüzyılda icat edilmiştir. geliştirilmeye başlanmış ve günümüzde teknolojinin ilerlemesinde büyük önemi olan elektrik - elektronik dallarının en vazgeçilmez unsurlarından biri olmuştur. Elektrik yükü depolama, reaktif güç kontrolü, bilgi kaybı engelleme, AC/DC arasında dönüşüm yapmada kullanılırlar ve tüm entegre elektronik devrelerin vazgeçilmez elemanıdırlar. Kondansatörlerin karakteristikleri olarak plakalar arasında kullanılan yalıtkanın cinsi çalışma ve dayanma gerilimleri, depolayabildikleri yük miktarı sayılabilir. Bu kriterler göz önünde bulundurulduktan sonra gereksinime uygun olan kondansatör tercih edilir. Kondansatörlerin fiziksel büyüklükleri, çalışma gerilimleri ve depolayabilecekleri yük miktarına bağlıdır. Tasarım açısından ise çeşitlilik boldur, hemen hemen her boyut ve şekilde kondansatör temin edilebilir

2 Temel Elektrik Teknolojisi Kapasitör, elektrik alanı a [m 2 ] biçiminde enerjiyi depolayan pasif bir elemandır. Basit bir + l kapasitör Şekil 1.17 de görüldüğü gibi bir dielektrik - malzeme ile ayrılan paralel bir çift iletken levhadan meydana gelir. Dielektrik malzeme, malzemedeki elektrik Şekil 1.17 Elektrostatik sistem dipollerinin indüksiyonu veya kalıcılığının bir sonucu olarak kapasiteyi arttıran bir yalıtkandır. DC akımı kesinlikle kapasite boyunca akmaz, buna karşılık yükler, kapasitörün bir ucundan iletken devrenin diğer ucuna, bir elektrik alanı kurarak, yer değiştirir. Yükün bu yer değiştirmesi, aygıtta akımın anlık olarak görülmesiyle, yer değiştirme akımı adını alır. Bununla birlikte birleşik alan yaklaşımı, elektrostatik sistemlerin davranışını iyi bir şekilde ifade eder. Şekil 1.17, boşluk tarafından ayrılan iki paralel iletken metal levhayı göstermektedir. Ters işaretli bir potansiyel fark, eşit şiddette yük oluşana kadar uygulanır. Kondansatörler çeşitli amaçlarla bir çok kullanım alanı bulur. Bu kullanım alanları; i) Elektrik Enerjisi Depolama, Fotoğraf makinesi flaşlarının çalışması için enerji depolayan araçlar kondansatörlerdir. Flaşa bağlanmış olan kondansatör önce pil tarafından doldurulur ardından çekim anında devreye sokulur ve depolanmış yüksek enerji bir anda boşaltılır. [9] ii) Bilgi Kaybının Önlemek, Kondansatörler, elektronik alet herhangi bir sebeple kaynaktan ayrılırsa aletin bir süre daha işlev görmesini sağlamakta da kullanılır. Bunlara örnek olarak hoparlörler verilebilir. Dinlenilen sesin önemli olabileceği düşüncesiyle hoparlörlerde bulunan kondansatörler, kaynak gerilimi kesildiği zaman birkaç saniyeliğine de olsa hoparlörün çalışmasını ve ses kaybı olmamasını sağlarlar. Hoparlörün çalıştığı süre boyunca depolanan kondansatör, kaynağın kesintiye 2

3 Elektrik ve Elektroniğin Temelleri Ders Notu Öğr. Gör. Dr. Gürsel ŞEFKAT uğramasının ardından depoladığı yükü hoparlöre verir ve böylece ses bir süreliğine kesilmez. Kondansatör, kendisini besleyen kaynak tükendiği zaman hafızasındaki bilgiyi kaybeden elektronik aletler için geçici de olsa çözüm oluşturur. Dijital kol saatleri, bazı bilgisayar parçaları, cep telefonları bu tür aletlere örnek olarak verilebilir. Dijital saatler ve cep telefonlarında bulunan kondansatör, pil tükendiği zaman devreye girer ve özellikle saat ve bazı önemli bilgilerin kaybolmaması için yüklerini harcarlar. Kondansatör belli bir süre sonra yeniden depolanmadığından boşalacaktır ve bulunan çözüm geçici olacaktır. Bazı cep telefonlarının pillerinin birkaç saniyeliğine çıkarılıp geri takıldığında açılışta saati hatırlaması, daha uzun süreli pilsiz bırakmada ise açılışta saati yeniden sormasının sebebi de budur. Çünkü kondansatör o hafızayı sadece birkaç saniyeliğine tutacak şekilde tasarlanmıştır iii) Reaktif güç depolama ve faz kaydırma, Anlık güç ifadesinde de anlatıldığı üzere kondansatörler aktif güç harcamazlar ve reaktif güç depolayıcı olarak çalışırlar. Endüktif devreler ise çalışmalarının başlangıcı için reaktif güce ihtiyaç duyarlar ve çalışırken reaktif güç oluştururlar. Kondansatörler reaktif güç depolarken endüktanslar da çalışmak için reaktif güç harcıyorlar. Bu harcayacakları güç de kondansatörler tarafından sağlanabilir. Ayrıca endüktif devrelerin faz kayması akımın geri kalması yönündeyken, kapasitif devrelerin faz kayması akımın önde gitmesi yönündedir. Bu da faz açısının ayarlanması için bize olanak sunar. Motorlara yol verme ve kompanzasyon amacı ile yaygın olarak kullanılırlar. iv) Doğrultma Devreleri, olarak sıralanabilir. 3

4 Temel Elektrik Teknolojisi Bu elektrostatik sistem için, (1) nolu Akı genel ifadesi yazılırsa; ε0a Q= (19) l burada Q= toplam yük, C (coulomb) ε 0 = boşluğun geçirgenliği, (Farads/m), yani alan karakteristiği a= levhaların kesit alanı, m 2 l= levhalar arası mesafe, m = uygulanan potansiyel fark, ( ε0al ) Sistemin kapasitesi olarak adlandırılır. Genellikle C ile gösterilir ve Farad (F) birimi cinsinden ölçülür. Böylece; Q=C (20) Farad (F) çok büyük olduğundan, yaygın olarak mikrofarad (µf) veya pikofarad (pf) cinsinden ölçülür µf = 10 F 1 pf = 10 F Eğer levhalar boşluktan farklı bir diğer yalıtkan ortam tarafından ayrılırsa, farklı geçirgenliğe sahip dielektrik ortam olarak adlandırılır. Gerçekleşen geçirgenlik, bu dielektrik malzemenin izafi geçirgenliği ile boşluğun geçirgenliği ile ilişkilidir, yani, ε=ε0ε r burada ε r dielektriğin izafi geçirgenliğidir. Boşluğun geçirgenliğinin sayısal değeri, 4πx10-7 dir. Yaygın olarak kullanılan dielektrik malzemelerin bazılarının izafi geçirgenlik değerleri Tablo 1.5 de verilmiştir. Tablo 1.5 Bazı tipik dielektrik malzemelerin izafi geçirgenlik değerleri Malzeme İzafi geçirgenlik Hava 1 Kağıt Porselen 6-7 Mika 3-7 4

5 Elektrik ve Elektroniğin Temelleri Ders Notu Öğr. Gör. Dr. Gürsel ŞEFKAT Kapasite Değerlerinin Okunması Kondansatörlerde temel olarak iki değişken, tüketici için seçme olanağı sunar ve kondansatörler arasındaki farkları oluşturur. Bunlar, kondansatörün çalışma - dayanma gerilim değeri ve depolayabileceği yük miktarıdır ve bunlar her kondansatörün üzerinde belirtilmiş olmak zorundadır. Kimi kondansatörlerin üzerinde çalışma değerleri doğrudan yazılı iken kiminde rakamlar ve renkler kullanılır. Direk değerleri yazılı olanlar kolay okunmasına karşın, rakam ve renk kodlu olanların okunması belli standartlara bağlıdır. Bu notlarda rakam kodları verilecektir. Kondansatörün üzerinde kapasite değeri 3 rakam ve toleransı ise bir harf ile belirtilir Rakam kodlu kondansatörlerde son rakam kadar sıfır, ondan önce gelen rakamların yanına eklenir ve değer piko Farad (pf) olarak bulunur. Yandaki resimde 103 yazan kondansatörün kapasitesi hesaplanırken, son rakam 3 kadar sıfır, kalan diğer sayı olan 10'un yanına eklenir ve kapasite10000 pf = 10nF olarak bulunur Eğer rakam kodları arasında nokta (.) kullanılıyorsa, yazılan sayı kapasiteyi doğrudan mikro Farad (µf) olarak verir. Resimde ortadaki kondansatörde görülen 0.1 yazısı kapasitenin 0.1 µf olduğunu gösterir Rakam kodlarının arasında p, n, µ, m harflerinden biri kullanılıyorsa, harfin olduğu yerde ondalık kısım devreye girer ve değer de harfin cinsinden okunur. Örneğin resimde alttaki kondansatörde yazan 5n6 ifadesi, kapasitenin 5.6 nf olduğunu belirtir Üçüncü rakam bazı istisnai durumlarda farklı anlamlar taşır. Üçüncü rakam, 1-5 arasında koyulması gereken sıfır sayısını belirtirken, hiç bir zaman 6 & 7 değerlerini alamaz. 8 & 9 sayıları ise sırayla 0.01 & 0.1 çarpanlarını belirtir 5

6 Temel Elektrik Teknolojisi Basit Kapasite Devreleri i) Paralel bağlı kapasite devresi; Q 1 C 1 Q 2 C 2 C eş Q Q 3 C 3 Q Şekil 1.18 Paralel bağlı kapasite devresi Şekil 1.18, paralel bağlı üç kapasiteden oluşan devreyi göstermektedir. Devredeki toplam yük; Q=Q 1+Q 2+Q 3 ifadesinden elde edilir. (20) nolu ifadeyi kullanarak; Q=(C1+C2+C3)=(C 1+C 2+C 3 ) dolayısıyla tek bir denk kapasitörden oluşan bir devre olarak temsil edilir yani, Q=C, böylece e C=C+C+C e (21) burada C e toplam denk kapasite değeridir. (16) nolu ifade, eşdeğer tek bir kapasite değerinin, paralel bağlı kapasitelerin cebirsel toplamı olduğunu gösterir. ii) Seri bağlı kapasite devresi; Şekil 1.19 da seri bağlı kapasite devresi görülmektedir. Toplam denk kapasite, seri bağlı kapasitelerin tersleri ile ilişkilidir. Şekildeki üç kapasitede de yük aynıdır, yani; 6

7 Elektrik ve Elektroniğin Temelleri Ders Notu C 1 C 2 C 3 Öğr. Gör. Dr. Gürsel ŞEFKAT C eş Q Q Şekil 1.19 Seri bağlı kapasite devresi Q=C1 1=C2 2=C3 3 ve = yani Q Q Q = + + = + + Q C1 C2 C3 C1 C2 C3 dolayısıyla tek bir denk kapasite; Q = C e bu iki ifadenin karşılaştırılmasından; = + + C C C C eş (22) (21) ve (22) nolu ifadeler sırasıyla paralel ve seri bağlı kapasite devrelerinde eşdeğer kapasite değerinin ifadesini verir. 7

8 Temel Elektrik Teknolojisi Örnek 1.7 Şekil 1.20 de gösterilen devrede, aynı boyutlara sahip paralel plaka kapasitörler kullanılmıştır. Plakaların kesit alanı 1000 cm 2 ve 5 mm aralıklıdırlar. C 1, C 2 ve C 3 için kullanılan dielektrik ortamın izafi geçirgenliği 2 ve C 4, C 5 ve C 6 için kullanılan dielektrik ortamın izafi geçirgenliği 4 dür. 10 k DC gerilimi uygulandığında C 3 boyunca oluşan elektrik gerilimini k/mm cinsinden bulunuz. Kapasite değeri; C=ε0εal r olarak verilir. C 1, C 2 ve C 3 ün kapasitesine C dersek, C 4, C 5 ve C 6 nın kapasite değeri 2C olur. C 5 ve C 6 seri bağlı olduğundan indirgersek; 1 C= 7 =C C 2C elde ederiz. C 7 kapasitesi ile C 4 kapasitesi paralel bağlı olduğundan, denk kapasite değeri; C 8=(2C+C)=3C bulunur. C 8 kapasitesi ile C 3 kapasitesi seri bağlı olduğundan; 1 3 C= 9 = C C C C 3 C 5 C 1 C 4 =10 k C 2 C 6 8 Şekil 1.20 Kapasite devresi

9 Elektrik ve Elektroniğin Temelleri Ders Notu Öğr. Gör. Dr. Gürsel ŞEFKAT olur. C 9 kapasitesi C 2 kapasitesi ile paralel bağlı olduğundan; 3C 7C C 10= +C = 4 4 bulunur. Son olarak C 10 kapasitesi C 1 kapasitesi ile seri bağlı olduğundan; 1 7C C 11= = C C eş değer kapasite elde edilir. (20) nolu yük ifadesine göre; 4 Q=C=( 7C 11)x10 C 1 ve C 10 seri bağlı olduğundan aynı yük C 10 da da oluşacağından; Q 7C = = x10 x = x10 C C 11 elde edilir. C 10 kapasitesi C 9 ve C 2 nin paralel bağlanmasından elde edildiği için 10 gerilimi C 9 a da uygulanır. 3 3C 40x10 3C Q=C= = elde edilir. C 9 kapasitesi C 3 ve C 8 in seri bağlanmasından elde edildiği için Q 9 yükü C 3 de de aynıdır. Q 3C = = x10 x =2.727x10 =2.727 k C3 11 C Buradan C 3 kapasitesi üzerindeki elektrik gerilimi; 4 bulunur =0.545 k/mm 5 9

10 Temel Elektrik Teknolojisi C 3 C 3 C 1 C 4 C 7 C 1 C 8 C 2 C 2 C 9 C 1 C 1 C 10 C 11 C 2 Şekil 1.21 İndirgenen devre Çözümde kullanılan indirgemelere göre devrenin aldığı yeni durumlar Şekil 1.21 de gösterilmiştir. Farklı dielektrik ortamlara sahip kompozit kapasitörlerde seri bağlı olarak düşünülür ve benzer mantıkla çözülür Bir Kapasitenin Yüklenmesi Kondansatör bir DC kaynağına (örneğin pil) bağlandığında elektron bazında gerçekleşen olaylar şöyledir; Kondansatörün pilin (-) ucuna bağlı olan ucu, pilin ürettiği elektronları kabul eder ve kendine çeker. Kondansatörün pilin (-) ucuna bağlı olan ucu, pilin ürettiği elektronları kabul eder ve kendine çeker. Kondansatörün uçları arasında oluşan bu elektron sayıları farkı, uçlar arasında gerilim farkına yol açar. Bu gerilim farkı, kondansatör uçlarına bağlanan DC kaynağın veya pilin gerilimine eşittir. 10

11 Elektrik ve Elektroniğin Temelleri Ders Notu Öğr. Gör. Dr. Gürsel ŞEFKAT Kondansatör DC kaynağa bağlandığı zaman kapasitesini doldurana dek devreden bir akım geçer. Şekil 1.22, batarya olan emk kaynağa anahtarla bağlı bir dirençle seri bağlı olan paralel bir plaka kapasitörünü göstermektedir. + - S R C + - A B Şekil 1.22 Kapasitenin yüklenmesi Başlangıçta, anahtar kapatılmadan önce kapasite yüksüz durumdadır. Anahtar kapatıldığı zaman, kapasitede oluşan potansiyel fark kaynaktan uygulanan emk ya eşit olana kadar akım akacaktır. Yüklenme işlemi, elektronları A dan alarak, dış metal B plakasına aktarmayı içerir. Bunun için gerekli olan enerji bataryadan sağlanır. Bataryanın negatif ucundan kapasitörün B levhasına elektronların geçişi, plakalar arasında bir dielektrik akıya sebep olur ve pozitif yük dengesini A plakası üzerinde oluşturur. Dielektrik akı değiştiği sürece akım dışardan akacaktır. Sonunda bir denge durumuna ulaşılacaktır. Plakalar arası yalıtkan olduğundan elektronlar, dielektrik ortam boyunca geçmezler. 11

12 Temel Elektrik Teknolojisi Yüklenme sırasındaki ani akım değeri; i= dq dt (14) nolu ifadeyi kullanarak yeniden yazarsak; dq d d i= = (C)=C dt dt dt burada ani gerilim değeridir. Bu yüzden ani güç ifadesi; d p=iv=c v dt herhangi bir t zamanında uygulanan enerji; Cv( dv dt )dt=cvdv (23) böylece toplanan uygulanan enerji; 1 2 Cvdv= C (24) Kapasitör Tipleri Kapasitörler kullandıkları dielektrik malzemenin ismini alırlar. Belli başlı kapasitör tipleri ve özellikleri Tablo 1.6 da verilmiştir. Tablo 1.6 Kapasitörler Malzeme Kapasite Aralığı Maksimum Frekans Gerilim [] Aralığı [Hz] Mika 1 pf - 0,1 µf Seramik 10 pf - 1 µf İnce Poliester 0, µf Kağıt 1000 pf - 50 µf Elektrolit 0,1 µf 0,2 F Bunların dışında hava ve polikarbon kapasitör türleri de kullanılır. 12