A. DENEYİN AMACI : Laboratuvar ortamında kondansatör elemanı ile tanışılması, kondansatörün geçici hal ve kalıcı hal davranışlarının incelenmesi. B. KULLANILACAK ARAÇ VE MALZEMELER : 1. Multimetre 2. DC Güç Kaynağı 3. Değişik değerlerde dirençler, kondansatörler ve bağlantı kabloları 4. LCR metre C. DENEY İLE İLGİLİ ÖN BİLGİ: Kondansatör: İki iletken arasına bir yalıtkan (dielektrik) madde konularak imal edilen ve elektriği depo etmek için kullanılan devre elemanına kondansatör denir. Kapasite, kapasitör ve sığa şeklinde de adlandırılan kondansatörler, 18. yüzyılda keşfedilip geliştirilmeye başlanmış ve günümüzde elektrik-elektronik teknolojisinin vazgeçilmez unsurlarından biri olmuştur. Kondansatör elemanı, 18. yüzyılda yapılan statik elektrik çalışmalarının bir sonucu olarak bulunmuştur. 1745 yılında Ewald von Kleist, elektriği küçük metal bir şişede depolamayı başarmıştı. Daha sonra Pieter van Musschenbroek adlı bilim adamı içi ve dışı metalle kaplı cam bir şişe tasarladı. Leiden şişesi olarak adlandırılan bu şişenin bir kısmı suyla doldurulmuş ve ağzı hava geçirmeyecek şekilde bir mantarla tıkanmıştı. Mantarın ortasından bir iletken bir ucu şişe dışında bir ucu suyun içinde olacak şekilde yerleştirilmişti. İletkene statik elektrik üretici temas ettiğinde Leiden şişesi yük depolamakta, elektriği ileten başka bir malzeme temas ettiğinde boşalmaktaydı. Leiden şişesi bilim tarihinde karşılaşılan ilk kondansatördür. Hatta, şu anda Farad olan kapasite birimi ilk zamanlarda jar (şişe) olarak kabul edilmişti ve bu birim bugün 1 nf kapasiteye tekabül etmekteydi. Leiden Şişesi 1
Denemeler sonucunda metal kaplamalar arasındaki camın kalınlığı inceldikçe, kaplamalar arasında kıvılcım meydana geldiği ve bu kıvılcımın büyüdüğü gözlendi. Leiden şişesinde depolanan yük büyük değerler alabiliyordu ve birbirine tellerle bağlanmış Leiden şişelerinden boşalan elektriğin hayvanları öldürebileceği gözlenmişti. Amerikalı bilim adamı Benjamin Franklin ise cam yalıtkanın Leyden şişesinden farklı olarak oval değil plaka şeklinde düzlemsel olmasının da aynı işlevi gördüğünü bulmuş, Franklin'in düzlemsel cam yalıtkanlı kondansatörüne Franklin Düzlemleri adı verilmiştir. Ardından Alessandro Volta ve Nikola Tesla gibi birçok bilim adamı tarafından incelenen kondansatör geliştirilerek günümüzdeki şeklini almıştır. Kondansatörler ismini, İtalyanca condensatore kelimesinden alır. Kapasite birimi ise jar'dan sonra, İngiliz bilim adamı Michael Faraday'ın isminden hareketle Farad seçilmiştir. Kondansatörler çeşitli şekillerde sınıflandırılırlar. Kullanılan dielektrik maddenin cinsine göre kondansatör çeşitleri şu şekilde adlandırılırlar: Vakumlu kondansatörler: İki metal plakanın arasında havasız ortam oluşturularak üretilen kondansatörlerdir. Daha çok düşük kapasitans değerleri (10-1000pF) sağlarlar ve yüksek voltaja (10kV'a kadar) dayanıklıdırlar. Genellikle radyo vericilerinde ve yüksek voltaj uygulamalarında kullanılırlar. Havalı kondansatörler: Metal plakalar arasında hava boşluğu bırakılarak üretilen kondansatörlerdir. Genellikle ayarlanabilir kondansatör imalinde kullanılırlar. Radyolarda radyo frekansı ayarlama işleminde havalı kondansatörlerden faydalanılır. Ayrıca yüksek kapasitans değerleri sağlarlar. Plastik Film Kondansatörler: Yüksek kaliteli polimer (polikarbonat, polyester, polipropilin ve yüksek kalite için polisülfon) tabakalarından üretilen plastik film kondansatörler sinyal ve filtre devrelerinde kullanım alanı bulurlar. Mikalı Kondansatörler: Mikalı kondansatörler çoğunlukla yüksek gerilim için kullanılırlar. Kapasitans değerleri daha çok 50 pf ile 20 nf arasındadır. Tolerans değerleri yüksektir ve yüksek frekansta çalışabilme özelliğine sahiptirler. Kağıtlı Kondansatörler: İki metal tabakanın arasına yağ emdirilmiş kâğıtların yerleştirilmesiyle elde edilir. 300 pf ile 4 µf arasında kapasitans değerleri alırlar Eskiden radyo devrelerinde kullanılan bu kondansatör çeşidi, artık yeni devrelerde fazla kullanılmamaktadır. Camlı Kondansatörler: Yüksek gerilim uygulamalarında kullanılırlar ve maliyetleri çok yüksektir. Bunun sebebi yüksek kararlılıkta çalışmaları ve kapasitans değerinin sıcaklık değişimlerine karşı yüksek güvenilirliğe sahip olmasıdır. 2
Seramikli Kondansatörler: Sırayla dizilmiş metal ve seramik tabakalarından oluşur. Yüksek hassasiyet gerektirmeyen kuplaj ve filtreleme işlemlerinde geniş kullanım alanına sahiptirler. Yüksek frekans çalışmaları için uygundurlar. Alüminyum Elektrolitik Kondansatörler: Kutuplu olarak imal edilirler. Yapısı plastik filmli kondansatöre benzemekle birlikte, daha fazla alan kaplamaması açısından alüminyum plakalar asitle yakılır. Yalıtkan malzeme ise elektrolitle ıslatılır. Düşük sıcaklıklarda kapasitans değerleri düşebilir. Frekans karakteristiklerinin kötü olması yüksek frekanslarda kullanımlarını kısıtlamaktadır. Tantalum Elektrolitik Kondansatörler: Alüminyum elektrolitik kondansatörle benzer özellikleri gösterir, ancak daha düzgün frekans ve sıcaklık karakteristiklerine sahiptir. Kaçak akımı büyüktür ve düşük sıcaklıklarda performansı daha yüksektir. OSCON (OS-CON) Kondansatörler: Yalıtkan olarak polimerleştirilmiş organik yarıiletken katı elektrolitik bulundururlar. Yüksek fiyatını uzun ömürleriyle telafi ederler. Süper Kondansatörler: Karbon Aerojelinden imal edilir. Büyük değerli kapasitans değerleri sağlarlar. Bazı uygulamalarda şarj edilebilir piller yerine kullanılabilirler. Tablo. En çok kullanılan ve yalıtkanları farklı olan dört tip kondansatörün karşılaştırılması Tantalum Alüminyum Seramik Plastik Film Yalıtkan Dielektrik katsayısı Avantajları Dezavantajları Tantalum pentaoksit (Ta 2O 3) Alüminyum oksit (Al 2O 3) Baryum titanat türevleri Polyester, polipropilin vb. 27 8 ~ 10 1500 ~ 15000 2.1 ~ 3.1 Küçük boyutta yüksek kapasitans değeri Kısıtlı çalışma voltajı yelpazesi, kutupluluk Ucuz, küçük boyutta yüksek kapasitans Sıcak ortamda kısa çalışma ömrü, kutupluluk Küçük boyut, kutupsuzluk Kapasitans değerinin sıcaklığa ve gerilime bağımlı olması İyi karakteristik, geniş bir çalışma voltajı yelpazesi, yüksek güvenilirlik Boyutta büyüklük 3
Kondansatörlerin dc devrelerde kullanım alanları: Kondansatörler, dc devrelerde genellikle enerji depolama amacıyla kullanılırlar. Kondansatöre bir DC kaynak bağlandığı zaman, kısa sürede yükü depolar ve dolar. Bu şekilde devreden ayrılan bir kondansatör yüklüdür ve plakaları arasında bir gerilim değeri okunur. Bu şekliyle kondansatörler bir pile benzetilebilir. (Konsansatörün pilden farkı: Kondansatör deşarj olduktan sonra üzerinde biriken yük miktarı, pil içinde depolu olarak bulunan yük miktarı yanında ihmal edilecek kadar azdır. Bu nedenle yüklü bir kondansatör bir devreye bağlandığında, üzerindeki yük kısa bir süre sonra boşalır. Bununla birlikte, pilin yükünün boşalması ise çok daha uzun sürer.) Kondansatörler, hem enerjiyi depolama hem de yükü aniden devreye sokma özelliklerinden dolayı kaynağın devre dışı kalacağı durumlarda ve ani yük akışına ihtiyaç olan alanlarda kullanılabilirler. Buna ait birkaç örnek aşağıda verilmiştir: 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, böylece anlık olarak yüksek aydınlık elde edilmiş olur. Flaşın biriktirdiği yüksek enerjiyi bir anda harcaması kondansatör sayesinde olmaktadır. Kondansatörün aniden boşalması flaş ışığının parlak olmasını sağlar. Kondansatörler, bir elektronik alet herhangi bir sebeple kaynaktan ayrılırsa aletin bir süre daha işlev görmesini de sağlar. Buna örnek olarak hoparlörler verilebilir. Hoparlörlerin besleme devresinde 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 uğramasının ardından depoladığı yükü hoparlöre verir ve böylece ses bir süreliğine kesilmez. Fişten çekilen hoparlörden hala ses gelmesinin nedeni budur. 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 kısa bir süre tutacak şekilde tasarlanmıştır. Kondansatör, ani yük boşalmaları yapabildiğinden laboratuvar ortamında yapay yıldırım oluşturma amacıyla da kullanılır. Bir yapay yıldırımda aktarılan yük miktarı ve oluşan gerilim o kadar büyüktür ki, bu yükü depolamak için metrelerce uzunlukta büyük kondansatör blokları ve bu kondansatörleri doldurmak için dakikalar gerekmektedir. 4
Depolanan enerji bir anda kısa devre edilir ve bir noktaya hedeflendirilir, böylece yapay bir yıldırım oluşturulabilir. Kondansatör kullanımında güvenlik: Kondansatörler enerji depolayan elemanlardır ve içlerindeki elektriksel yükü uzunca bir süre saklayabilirler. Yüksek kapasite değerine sahip veya yüksek voltajda çalışan kondansatörlerle çalışılırken dikkatli olmak gerekir. Bu özellikteki kondansatörlerin tamamen boşalmış olduğundan emin olduktan sonra temas etmek sağlık açısından faydalıdır. Örneğin görünüşte zararsız olan ve 1.5 Volt ile çalışan fotoğraf flaşları içlerinde 300 Volt'a kadar yük depolayabilen kondansatörlere sahiptirler, bu kondansatörlerde depolanan enerji bir insanı kolayca çarpabilir ve şoklara yol açabilir. Ayrıca televizyon tüpü ile ilgili bakım-onarım yapmadan önce tüpe bağlı olan ve yüksek voltaj depolayan kondansatörler güvenli bir şekilde boşaltılmalıdır. Yüksek voltajlı kondansatörlerin üzerindeki elektriksel yükü boşaltmak için sönümlendirici direnç adı verilen ve değeri akımı zararsız hale getirecek kadar yüksek, ancak çok uzun olmayan bir sürede kondansatörü boşaltacak kadar da düşük olan bir direnç kondansatörün uçları arasına temas ettirilir ve tam boşalmanın sağlandığından emin oluncaya kadar beklenir. Yapısı gereği eski yağ emdirilmiş olan kağıtlı kondansatörler, poliklorlanmış bifenil (PCB) içerirler. PCB bileşikleri topraktan yeraltı sularına karışabilmektedir. PCB'ler içme suyuyla çok az bir miktarda tüketilse bile kanserojen etki göstermektedir. PCB lerin insan vücuduna karışması aşağıdaki yollarla olabilmektedir; Yiyecek veya içeceğe karışması, Deri yoluyla emilmesi, Buharının solunması yoluyla. Bu nedenlerden dolayı eski büyük tip yağ emdirilmiş kondansatörler için çeşitli önlemler alınmalı, akıntı yapmış kondansatörler kesinlikle güvenli bir şekilde yok edilmelidirler. Kondansatörde delinme olayı: Bir kondansatörde, metal plakalar arasında bulunan dielektrik madde belli bir voltaj değerine kadar yalıtkan karakteristiğini koruyabilmektedir. Bir kondansatörde dielektrik malzemenin, yalıtkanlığını yitirip deforme olduğu voltaj değerine delinme voltajı yada bozulma voltajı adı verilir. Kondansatör üzerinde yazan kapasitans değerinin yanında verilen voltaj değeri, o kondansatörün dayanma voltajını ifade etmektedir. Örneğin yukarıda görülen 1000 F lık kondansatörün delinme voltajı 50V tur. Delinme voltajı kondansatörler için önemli bir değerdir. Kondansatörlere delinme voltajından daha büyük bir voltaj kesinlikle uygulanmamalıdır. Aksi taktirde dielektrik madde delinir ve delindiği bölgede elektronlar 5
karşı plakaya geçerek pozitif ve negatif olarak yüklenmiş plakaları nötrleştirir. Böylece kondansatör elemanı iletken haline gelerek işlevsiz kalır. Yönlü (Kutuplu) Kondansatörler: Elektrolitik kondansatörlerin en önemli özelliklerinden birisi de yönlü (veya kutuplu ) olmalarıdır. Üretim teknolojisinden kaynaklanan bu durumun devre kurulumu esnasında göz önüne alınması gerekir. Yönlü kondansatörlerin gövdesinde -şekilde de görüldüğü gibi- bir bacağının hizasında - işareti bulunur. Bu bacak genellikle diğerine göre daha kısadır. Bu durum, diğer bacağın + işaretli olduğunu ifade eder (gövde üzerine bu işaret bulunmaz). Bu bacak da genellikle diğerine göre daha uzundur. Devre kurulumu esnasında, kondansatörün + ucu kaynağın pozitif tarafına, - ucu ise kaynağın negatif tarafına bağlanmalıdır. Eğer tersi yapılırsa kondansatör patlayabilir. Dikkat!! Şekilde verilen elektrolitik kondansatörler genellikle üst taraflarından yukarı doğru patlarlar. Bu nedenle, bu yönde kimsenin bulunmamasına (siz dahil) özen gösteriniz. Kondansatör değerinin ölçülmesi: Kondansatör değerini ölçmek için ya dijital multimetre ya da LCR metre olarak adlandırılan ölçü aletlerinden faydalanılır. Dijital multimetre ile kapasitans ölçümü şu sıra ile yapılır: 1. Multimetrenin ortadaki ayar kademesi kondansatör kısmına getirilir. Bu durumda ekranda F harfi görülmelidir. 2. Multimetre kabloları ohmmetre bağlantısındaki gibi çıkış uçlarına bağlanmalıdır: Kırmızı kablo çıkışına, siyah kablo COM çıkışına. 3. Aynen ohmmetre ile direnç ölçer gibi kondansatörün bir bacağı çıkarılır ve multimetre kondansatöre paralel bağlanır. Eğer yönlü kondansatör ölçülüyorsa, bağlantı sırasında ölçü aletinin kırmızı kablosu kondansatörün + ucuna, siyah kablosu ise kondansatörün - ucuna bağlanmalıdır. LCR metreler, üç pasif elemanın ( bobin (L), kondansatör (C) ve direnç (R) ) değerini ölçen ölçü aletleridir. LCR metrelerin şekli aslında multimetrelere oldukça benzerdir: üstte dijital ekran, ortada kademe tuşları ve altta çıkış uçları. Önce sol üst köşedeki yeşil tuşa basılarak LCR metre açılır. Sonra ortadaki kademe tuşlarından 2 nolu tuş L/C/R kullanılarak ne ölçümü yapılacağı (indüktans, kapasitans veya direnç) belirlenir. Tuşa her basıldığında ekranın sol tarafında sırası ile R, L ve C harfleri görünür. Alttaki iki çıkış ucuna bağlanan problar elemanın uçlarına paralel bağlanarak (elemanın bir ucu devreden ayrılmış olmalı) istenen ölçüm gerçekleştirilir. Yalnızca 6
yönlü kondansatörlerde yön önemli olduğundan, bu tür kondansatörlerde ölçü aletinin kırmızı probu kondansatörün + ucuna, ölçü aletinin siyah probu ise kondansatörün - ucuna bağlanır. Direnç, bobin ve diğer tip kondansatörlerde yön olmadığından problar rastgele uçlara bağlanabilir. Çıkış uçlarının üzerinde iki tane çıkış yuvası bulunur. Bu yuvalara elemanın uçları batırılarak da eleman ölçümü yapılabilir (dolayısı ile probları kullanmaya gerek kalmaz). Ortadaki kademe tuşlarından kullanacağımız bir diğer tuş ise 0 nolu FREQ tuşudur. Bu tuş eleman değerinin hangi frekansta ölçüleceğini ifade eder. Tuşa basıldığında ekranın sağ tarafında sırası ile 120Hz ve 1kHz değerleri görünür. Bu değerler aslında daha çok 2. dönem ac deneyleri ile ilgilidir. Bizim burada dikkat edeceğimiz husus, dc devrelerde frekans olmadığından (yani sıfır), ölçümlerimizi daha küçük frekans değeri olan 120Hz e göre yapmamızın daha uygun olacağıdır. (Kaynakça: Wikipedi) D. DENEY BASAMAKLARI: 1. Kondansatör değerinin ölçülmesi: a) Malzeme kutusunda bulunan kondansatörden üç tanesini dijital multimetre ve LCR metre kullanarak ölçünüz. Sonuçları Tablo 1 e kaydediniz. 7
Tablo 1 Üzerinde yazan değeri Dijital multimetre ile ölçülen değer LCR metre ile ölçülen değer (120 Hz de) C 1 C 2 C 3 b) Kondansatörün üzerinde yazan değer ile yapılan ölçümler arasında fark var mıdır? Varsa nedenlerini önce kendi aranızda sonra asistan hocanızla tartışarak aşağıya yazınız. c) Kondansatörleri birbiri ile seri, paralel ve seri-paralel karışık bağlayarak en az beş farklı durum için eşdeğer kondansatör hesabı ve ölçümü yapınız. Bağlantı şekillerini, hesaplama ve ölçme işlemlerini bu sayfanın arkasına ayrıntılı olarak yazınız. 2. Kondansatörün şarj ve deşarj evresinin incelenmesi: Aşağıda verilen devreyi göz önüne alınız. Ön Çalışma Adımı: Anahtarın hangi konumu için kondansatörün şarj evresinde ve hangi konumu için deşarj evresinde olduğunu Tablo 2 ye kaydediniz. Tablo 2 S anahtarının konumu 1 Kondansatörün durumu 2 8
Devrenin Çalışma Biçimi: Devredeki anahtarın çalışma işlevi iki farklı şekilde tanımlanıyor: A-) Tam şarj olan bir kondansatörün deşarjı: Anahtar t=0s anında 1 konumuna alınır, t=8 anında 2 konumuna alınır. B-) Tam şarj olmamış bir kondansatörün deşarjı: Anahtar t=0s anında 1 konumuna alınır, t=2 anında 2 konumuna alınır. Buna göre hesap, ölçme ve PSPICE adımları bu iki farklı çalışma biçimine göre gerçekleştirilecektir. A ) Hesaplama Adımı - 1: (Tam şarj olan bir kondansatörün deşarjı) a) Şarj Evresi: Kondansatörün şarj evresi için S anahtarını uygun konuma getirerek devreyi minimum şekilde yeniden çiziniz. Şarj evresi için V C, I C, V R ve I R nin matematiksel ifadelerini yazarak grafiklerini çiziniz. Grafikleri çizerken t=0,, 2, 3.., 8 anlarına ait değerleri hesaplayarak grafik üzerinde gösteriniz. RC devresinin şarj evresi eşdeğeri V C, I C, V R ve I R nin matematiksel ifadeleri: (Değerler yerine konacak) V C, I C, V R ve I R nin grafikleri: (Her bir değeri için ilgili değerler hesaplanarak Şekil 1 deki grafik üzerinde gösterilecek) (Not: Grafikleri renkli kalemle, düzgün ve ölçekli olarak çiziniz) 9
V C ( ) Anahtarlama anı 10
I C= I R ( ) Anahtarlama anı V R ( ) Anahtarlama anı Şekil 1 11
b) Deşarj Evresi: Kondansatörün deşarj evresi için t=8 anında S anahtarını uygun konuma getirdiğinizde oluşan yeni devreyi minimum şekilde yeniden çiziniz. Deşarj evresi için V C, I C, V R ve I R nin matematiksel ifadelerini yazarak grafiklerini çiziniz. Grafikleri çizerken t=8, 9, 10, 11, 12 ve 13 anlarına ait değerleri hesaplayarak grafik üzerinde gösteriniz. RC devresinin deşarj evresi eşdeğeri V C, I C, V R ve I R nin matematiksel ifadeleri: (Değerler yerine konacak) V C, I C, V R ve I R nin grafikleri: (Her bir değeri için ilgili değerler hesaplanarak Şekil 1 deki grafik tamamlanacak) (Not: Grafikleri renkli kalemle, düzgün ve ölçekli olarak çiziniz) 12
A ) Ölçme Adımı - 1: (Tam şarj olan bir kondansatörün deşarjı) Yukarıda verilen devreyi protoboard üzerine kurunuz. Devreyi kurarken anahtar yerine basit ince bir tel kullanınız. Bunun için, telin sağdaki ucunu devrede ilgili yere sabitleyip, soldaki ucunu ise istenen zamanlarda 1 ve 2 konumlarına getirerek anahtarlama işlemini basit bir şekilde gerçekleştirebilirsiniz. Not: Yönlü kondansatörü doğru bağladığınıza emin olun ve bağlantınızı asistan hocanıza kontrol ettirin. Kondansatörün üst kısmını kendinizden ve arkadaşlarınızdan uzak tutunuz. a) t=0s de anahtarı 1 konumuna getirme: Devreyi protoboard üzerine kurduktan sonra, voltmetreyi kondansatör uçlarına bağlayınız. Bunun için voltmetrenin uçlarına tel sarınız ve telin diğer ucunu protoboard üzerinde uygun yere batırarak voltmetreyi sabitleyiniz. (Bu işlem gereklidir çünkü deney sırasında bir elinizle kronometreyi kontrol edecek ve diğer elinizle de voltmetredeki değeri kaydedeceksiniz). Deneye başlamadan önce voltaj kaynağı kapalı olmalı ve anahtarın sol ucu boşta bulunmalıdır. Deneye başlayacağınız zaman, önce voltaj kaynağını açın ve daha sonra anahtarı 1 konumuna getirin. Anahtarı 1 konumuna getirme anını t=0s olarak kabul ediniz. Voltmetreden V C nin değişimini gözleyiniz. Değişimin üstel değişen bir fonksiyon şeklinde olduğunu ve bir süre sonra V C=E olduğunu görünüz. Güç kaynağını kapatınız. Anahtarı 1 konumundan alarak boşta bir yere bağlayınız. Şimdi, aynı işlemi tekrar ederek voltaj değerlerini kaydedeceğiz. Yukarıda yapılan işlem sonunda kondansatör kaynak değerine şarj olmuştur. Deneyi tekrarlamak için önce kondansatörün uçlarına bir teli kısa devre ederek hızlı deşarj ediniz. Kondansatör tam olarak boşaldıktan sonra, güç kaynağını açınız. Hazır olduğunuz bir anda anahtarı 1 konumuna getiriniz ve o anda cep telefonunuzdaki kronometreyi başlatınız. t=0,, 2, 3,, 8 13
anlarında voltmetreden V C değerlerini ölçerek Tablo 3 e kaydediniz. Not: Tam ölçüm yapamadığınız anlarda, güç kaynağını kapatıp, anahtarı boşa alıp, kondansatörü hızlı deşarj ederek yukarıdaki işlemi tekrar edebilirsiniz. Benzer bir işlemi direnç üzerine voltmetre bağlayarak V R için gerçekleştiriniz ve ölçüm sonuçlarını Tablo 3 teki uygun yerlere kaydediniz. Son olarak ampermetreyi devreye bağlayarak kondansatör akımı için aynı işlemleri gerçekleştiriniz ve ölçümleri Tablo 3 e kaydediniz. Tablo 3 V C ( ) V R ( ) I C=I R ( ) t=0s t= t=2 t=3 t=4 t=5 t=6 t=7 t=8 b) t=8 anında anahtarı 2 konumuna getirme: Kondansatörü tam şarj ediniz. t=8 anında anahtarı 2 konumuna alınız. Voltmetreden V C nin değişimini gözleyiniz. Değişimin üstel azalan bir fonksiyon şeklinde olduğunu ve bir süre sonra V C=0V olduğunu görünüz. Güç kaynağını kapatınız. Anahtarı 2 konumundan alarak boşta bir yere bağlayınız. Şimdi, aynı işlemi tekrar ederek voltaj değerlerini kaydedeceğiz. Yukarıda yapılan işlem sonunda kondansatör tam olarak deşarj olmamış olabilir. Deneyi tekrarlamak için önce kondansatörün uçlarına bir teli kısa devre ederek hızlı deşarj ediniz. Kondansatör tam olarak boşaldıktan sonra, güç kaynağını açınız. Anahtarı 1 konumuna getirip, cep telefonunuzdaki kronometreyi başlatınız ve kondansatörü tam şarj ediniz. t=8 anında sonra anahtarı 2 konumuna alınız ve t=8, 9, 10, 11, 12 ve 13 anlarında voltmetreden V C değerlerini ölçerek Tablo 4 e kaydediniz. Not: Tam ölçüm yapamadığınız anlarda, yukarıda anlatılan işlemi tekrar ederek ölçümünüzü tamamlayabilirsiniz. Benzer bir işlemi direnç üzerine voltmetre bağlayarak V R için gerçekleştiriniz ve ölçüm sonuçlarını Tablo 4 teki uygun yerlere kaydediniz. Son olarak ampermetreyi devreye bağlayarak kondansatör akımı için aynı işlemleri gerçekleştiriniz ve ölçümleri Tablo 4 e kaydediniz. Tablo 4 t=8 t=9 t=10 t=11 t=12 t=13 V C V R I C=I R 14
B ) Hesaplama Adımı - 2: (Tam şarj olmamış bir kondansatörün deşarjı) a) Şarj Evresi: Kondansatörün şarj evresi için V C, I C, V R ve I R nin matematiksel ifadelerini yazarak grafiklerini çiziniz. Grafikleri çizerken t=0, ve 2 anlarına ait değerleri hesaplayarak grafik üzerinde gösteriniz. V C, I C, V R ve I R nin matematiksel ifadeleri: (Değerler yerine konacak) V C, I C, V R ve I R nin grafikleri: (Her bir değeri için ilgili değerler hesaplanarak Şekil 2 deki grafik üzerinde gösterilecek) (Not: Grafikleri renkli kalemle, düzgün ve ölçekli olarak çiziniz) V C ( ) Anahtarlama anı 15
I C= I R ( ) Anahtarlama anı 16
V R ( ) Anahtarlama anı Şekil 2 b) Deşarj Evresi: Kondansatörün deşarj evresi için t=2 anında S anahtarını uygun konuma getirdiğinizde V C, I C, V R ve I R nin matematiksel ifadelerini yazarak grafiklerini çiziniz. Grafikleri çizerken t=2, 3, 4, 5, 6 ve 7 anlarına ait değerleri hesaplayarak grafik üzerinde gösteriniz. Not: V i, I i, I i * ve V Ri değerlerini hesaplayarak grafik üzerinde gösteriniz. V C, I C, V R ve I R nin matematiksel ifadeleri: (Değerler yerine konacak) V C, I C, V R ve I R nin grafikleri: (Her bir değeri için ilgili değerler hesaplanarak Şekil 2 deki grafik tamamlanacak) (Not: Grafikleri renkli kalemle, düzgün ve ölçekli olarak çiziniz) 17
B ) Ölçme Adımı - 2: (Tam şarj olmamış bir kondansatörün deşarjı) a) t=0s de anahtarı 1 konumuna getirme: Kondansatörün tam boş olduğundan emin olarak, önce voltaj kaynağını açın ve daha sonra anahtarı 1 konumuna getirin. Anahtarı 1 konumuna getirme anını t=0s olarak kabul ediniz. t=0, ve 2 anlarında voltmetreden V C değerlerini ölçerek Tablo 5 e kaydediniz. Not: Tam ölçüm yapamadığınız anlarda, güç kaynağını kapatıp, anahtarı boşa alıp, kondansatörü hızlı deşarj ederek yukarıdaki işlemi tekrar edebilirsiniz. Benzer bir işlemi direnç üzerine voltmetre bağlayarak V R için gerçekleştiriniz ve ölçüm sonuçlarını Tablo 5 teki uygun yerlere kaydediniz. Son olarak ampermetreyi devreye bağlayarak kondansatör akımı için aynı işlemleri gerçekleştiriniz ve ölçümleri Tablo 5 e kaydediniz. 18
Tablo 5 t=0s t= t=2 V C ( ) V R ( ) I C=I R ( ) b) t=2 anında anahtarı 2 konumuna getirme: Anahtarın 1 konumu için kondansatör şarj olurken, t=2 anında anahtarı 2 konumuna alınız ve t=2, 3, 4, 5, 6 ve 7 anlarında voltmetreden V C değerlerini ölçerek Tablo 6 ya kaydediniz. Not: Tam ölçüm yapamadığınız anlarda, yukarıda anlatılan işlemi tekrar ederek ölçümünüzü tamamlayabilirsiniz. Tablo 6 t=2 t=3 t=4 t=5 t=6 t=7 V C V R I C=I R Benzer bir işlemi direnç üzerine voltmetre bağlayarak V R için gerçekleştiriniz ve ölçüm sonuçlarını Tablo 6 daki uygun yerlere kaydediniz. Son olarak ampermetreyi devreye bağlayarak kondansatör akımı için aynı işlemleri gerçekleştiriniz ve ölçümleri Tablo 6 ya kaydediniz. SORULAR: A durumu için: 1. Anahtar 1 konumunda iken, kondansatörün geçici hal davranışı sergilediği süre kaç saniyedir? 2. Anahtar 1 konumunda iken, kondansatör kalıcı hale ulaştıktan kaç saniye sonra anahtar 2 konumuna alınmıştır? 3. Anahtar 1 konumunda iken kondansatör voltajının ve akımının kalıcı hal değerleri nelerdir? 19
B durumu için: DENEY 11: 1. Anahtar 1 konumunda iken, kondansatör kalıcı ulaşmış mıdır? 2. Anahtar 2 konumunda iken, kondansatör kalıcı hale kaç saniye sonra ulaşmıştır? 3. Anahtar 1 konumunda iken kondansatör voltajının 7.6V değerine ulaşması istense, bir sonraki anahtarlama işlemi kaçıncı saniyede yapılmalıdır? PSPICE Adımı: a) Yalnızca şarj evresi için simülasyon yapılması: Yalnızca şarj evresi için PSPICE devresi: - Kondansatör için part list ten C/Analog seçimini yapınız. Kondansatörün başlangıç değerini belirlemek için kondansatör şekli üzerine iki kere tıklayınız, gelen listede IC etiketi altında default değer olarak 0 yazar. Bu başlangıç şartının V C(0)=0V olduğu anlamına gelir. Bu değer istenen değere değiştirilebilir. - Anahtar için part list ten SW_tClose seçimini yapınız. Bu anahtar normalde t=0s anında kapanır. Eğer istenirse, TCLOSE=0 üzerine çift tıklanarak anahtarlama zamanı değiştirilebilir. Devreyi PSPICE ortamında kurunuz, 8 luk süre için V C, I C ve V R yi Şekil 3 teki grafiklere çiziniz. Not: PSPICE da geçici hal cevabını görebilmek için, Simulation Profile da SKIPBP kısmı seçilmelidir. (Bakınız: Aşağıdaki şekil.) 20
V C ( ) I C= I R ( ) 21
V R ( ) Şekil 3 b) Yalnızca deşarj evresi için simülasyon yapılması: Yalnızca deşarj evresi için PSPICE devresi: - Kondansatör için başlangıç şartı olarak V C=E=8V seçmelisiniz. PSPICE da başlangıç şartı ters olarak kullanılır. Bu nedenle IC kısmına -8V değerini giriniz. Devreyi PSPICE ortamında kurunuz, 5 luk süre için (çünkü anahtar kullanmıyoruz, bu nedenle deşarj işleminin başlangıç anını t=0s olarak kabul ederiz) V C, I C ve V R yi Şekil 4 teki grafiklere çiziniz. V C ( ) 22
I C= I R ( ) V R ( ) Şekil 4 c) Hem şarj ve hem de deşarj evresi için simülasyon yapılması: Hem şarj ve hem deşarj evresi için PSPICE devresi: - Kaynak için part list ten VPULSE seçimini yapınız. VPULSE ile şarj ve deşarj konumları şu şekilde ayarlanır: V1 = Deşarj durumu voltajı (0V) V2 = Şarj durumu için kaynak voltajı PW = Şarj evresi süresi PER = Toplam şarj+deşarj süresi TD = 0s TR = 0s TF = 0s Yukarıdaki PSPICE devresindeki değerler t=0-5 şarj ve t=5-10 deşarj sürelerine göre belirlenmiştir. Siz bu değerleri t=0-8 şarj ve t=8-13 deşarj sürelerine göre yeniden 23
belirleyiniz ve devreyi bu değerlere göre simüle ediniz. 13 luk süre için V C, I C ve V R yi Şekil 5 teki grafiklere çiziniz. V C ( ) I C= I R ( ) V R ( ) Şekil 5 24
Aynı işlemi, t=0-2 şarj ve t=2-7 deşarj sürelerine göre yeniden gerçekleştiriniz. 7 luk süre için V C, I C ve V R yi Şekil 6 daki grafiklere çiziniz. V C ( ) I C= I R ( ) V R ( ) Şekil 6 25
E. DENEY SONRASI ÖDEV: 1. Kondansatörler için Ön Bilgi kısmında verilen sınıflandırmadan başka ne tür sınıflandırmalar yapılabilir? Araştırınız. 2. Kondansatör ile pil arasındaki farkları araştırınız. 3. Elektrolitik kondansatörler haricindeki kondansatörlerin değeri, ya üzerindeki rakamlardan ya da varsa- renk kodlarından belirlenir. Buna göre bir araştırma yaparak bu kondansatörlerin değerinin ölçü aleti kullanmadan- nasıl tespit edileceğini ayrıntılı olarak anlatınız. 4. Küçük değerli ve küçük kapasitansa sahip kondansatörleri hızlı deşarj etmek için kondansatörün uçlarını bir telle kısa devre etmek yeterlidir. Bununla birlikte, büyük değerli veya yüksek voltaj kapasiteli kondansatörleri bu şekilde hızlı deşarj etmek sakıncalıdır. Bunun nedenini yazınız. Böyle kondansatörler güvenli olarak nasıl deşarj edilebilir? Yorumlayınız. 26