Kondansatörler

1. Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Dersi Kondansatörler

2. Kondansatör, elektronların kutuplanarak elektriksel yüküelektrik alanın içerisinde depolayabilme özelliklerinden faydalanılarak, bir yalıtkan malzemenin iki metal tabaka arasına yerleştirilmesiyle oluşturulan temel elektrik ve elektronikdevre elemanıdır.

3. Piyasada kapasite, kapasitör, sığa gibi isimlerle anılan kondansatörler, 18. yüzyılda icat edilip 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.

4. Kondansatörlerin karakteristikleri olarak; • plakalar arasında kullanılan yalıtkanın cinsi, • çalışma ve dayanma gerilimleri, • depolayabildikleri yük miktarı sayılabilir.

5. Küçük boyutlu kondansatörler BÜYÜK boyutlu kondansatörler • Üstte solda 8'li grup entegre devrelerde kullanılan SMD tipi seramik, • altta solda 4'lü grup SMD tipi tantalum, • üstte sağda batırma tipi tantalum, • altta sağda ise batırma tipi elektrolitik kondansatörleri • Dört BÜYÜK kondansatör, kapasite ve çalışma gerilimleri yüksek elektrolitik kondansatörlerdir.

6. Kapasite değerinin 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.

7. Kapasite birimi • Kondansatörler, elektrik yükünü yalıtkan malzemesinin içerisinde elektrik alanı olarak depolar. • Kapasite C, bir kondansatörün yük depolayabilme yeteneği olarak tanımlanır ve birimi (Michael Faraday'ın anısına) Farad' olarak belirlenmiştir. • C Farad = Qcoulomb / VVolt • Kondansatörlerde 1 Farad kapasite pratikte çok büyük bir değerdir. Bundan dolayı uygulamada Farad biriminin alt katları daha yaygındır. • Kapasite değeri metal tabakaların alanına ve yalıtkan malzemenin dielektrik katsayısına doğru orantılı, metaller arası uzaklığa ters orantılı bağlıdır.

8. Zaman domeni ifadesi • Kondansatörün uçları arasına bir gerilim farkı uygulandığı zaman, devreden akım geçer. • Eğer kondansatörün uçları arasında gerilim değişikliği olmazsa bir süre sonra kondansatör dolar ve akım geçirmemeye başlar. • Gerilimde bırakılıp dolmuş ve akım geçirmeyen bir kondansatörün uçları arasındaki gerilim değiştirildiği anda ise devreden yeniden akım geçmeye başlar. • Yani kondansatör akımı, uçları arasına uygulanan gerilimin değişimine bağlıdır. Bu durum aşağıdaki gibi gösterilir.

9. Frekans domeni ifadesi • Bir devre elemanının ifadesi, eğer sinüsoidal bir kaynağa bağlanırsa frekans domeninde yazılabilir.

10. Seri bağlama

11. Paralel bağlama

12. Kondansatörlerin Dolma Boşalma Durumları

13. Kapasitif Reaktans ???? • Ödev • Ödev • Ödev • Ödev • Ödev

14. Rakam Kodları • Kapasite, kondansatör üzerindeki rakam kodlarından hesaplanabilir. • Rakam kodlarının standartları bir liste şeklinde verilebilir. • 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 pikoFarad (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 = 10 nF olarak bulunur. • Eğer rakam kodları arasında nokta (.) kullanılıyorsa, yazılan sayı kapasiteyi doğrudan mikroFarad (µF) olarak verir. Resimde ortadaki kondansatörde görülen 0.1 yazısı kapasitenin 0.1 µF olduğunu gösterir.

15. 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 sırayla0.01 & 0.1 çarpanlarını belirtir.

16. Kapasite, bazı durumlarda tam yazılan değerde olmaz, bu sebeple belli oranlarda oynamalar olacağı göz önünde bulundurulur ve rakam kodlarının sonuna büyük harfler koyulur. Bu harfler de bize toleransın oranını belirtir. Aşağıdaki tabloda bu harflerin hangi tolerans değerini belirttiği sıralanmıştır. Simetrik olmayan tolerans ifade eden kodlar Simetrik tolerans ifade eden kodlar

17. ÖDEV: • Renklerle kondansatörlerin kapasite değerleri nasıl belirlenmektedir? • Kapasite değeri sıcaklığa bağlı olarak nasıl değişmektedir?

18. KONDANSATÖR ÇEŞİTLERİ • Yalıtkanın cinsine göre • Kapasite değerine göre • Kutup durumuna göre

19. Kondansatör Çeşitleri (Yalıtkan cinsine göre) • Kondansatörleri sınıflandırmanın en çok kullanılan yöntemi yalıtkan maddesine göre sınıflandırmadır. Malzemelerin bağıl yalıtkanlık katsayısı ve delinme gerilimleri yalıtkanlar arasındaki farklılıkları oluşturur ve bunlar kondansatörlerin özelliklerini belirleyip uygulama alanlarındaki çeşitliliği genişletir. • Yandaki resimde farklı kondansatörlerin sahip oldukları farklı kapasite ve çalışma gerilim değerleri aralıkları görülmektedir. Belli başlı kondansatör çeşitlerinin aldıkları kapasite değerleri ve çalışma gerilimleri

20. (Yalıtkan cinsine göre) • Vakumlu kondansatör: İki metal plakanın arasında havasız ortam bırakılır ve genelde cam veya seramik kaplanarak oluşturulur. Özellikleri olarak düşük yük kapasitesi ( 10 ~ 1000 pikoFarad ) ve yüksek gerilime( 10000 V'a kadar ) dayanması gösterilebilir. Genelde radyo vericilerinde ve yüksek gerilim gerektiren uygulamalarda kullanılırlar. • Havalı kondansatör:Metal plakaları arasında hava boşluğu bırakılmasıyla oluşturulan bu kondansatörlerde, plakalar genelde alüminyum ve gümüş kaplamalı olarak tasarlanır. Hava yalıtkanının dielektrik kaybı düşüktür. Hemen hemen tüm hava aralıklı kondansatörler ayarlanabilir olarak imal edilirler ve radyo frekansı ayarlamada kullanılırlar. Ayrıca yüksek kapasite değerleri sunarlar. • Plastik Film Kondansatör: Yüksek kaliteli polimer (polikarbonat, polyester…) tabakalarından üretilen plastik film kondansatörler sinyal ve filtre devrelerinde kullanım alanı bulurlar.Genelde kutupsuz olurlar. • Mikalı Kondansatör: Tasarım olarak metal filmli kondansatöre benzeyen mikalı kondansatör, çoğunlukla yüksek gerilim için kullanılır. Kapasite değerleri 50 pF ile 20 nF arasındadır. tolerans değerleri yüksektir ve yüksek frekansta çalışabilme özelliği vardır.

21. (Yalıtkan cinsine göre) • Kağıtlı Kondansatör: İki uzun metal tabakanın arasına yağ emdirilmiş kâğıtların yerleştirilmesiyle elde edilir. 300 pF ile 4 µF arasında kapasite değerleri alırlar ve delinme gerilimleri, çalışma gerilimlerinin 100 - 600 katı arasındadır. Eskiden radyo aksamlarında kullanılan bu kondansatör çeşidi görece yüksek gerilimlerde de kullanılır ancak kullanımı nerdeyse tamamen terk edilmiştir. • Camlı Kondansatör:Yüksek gerilimde kullanılır ve pahalıdır. Pahalı olmasının sebebi yüksek kararlılıkta çalışması ve kapasite değerinin yüksek güvenilirliğe sahip olmasıdır. Geniş bir sıcaklık aralığında kararlı bir sıcaklık katsayısı vardır. • Seramikli Kondansatör: Sırayla dizilmiş metal ve seramik tabakalarından oluşur. yüksek hassasiyet gerektirmeyen kuplaj ve filtreleme işlemlerinde geniş bi kullanım alanı bulurlar. Yüksek frekans için uygundurlar. • Alüminyum Elektrolitik Kondansatör: Kutuplu olarak imal edilirler. Yapısı metal filmli kondansatöre benzemekle birlikte, daha fazla alan kaplaması açısından alüminyum plakalar asitle yakılır. Yalıtkan malzeme ise elektrolitle ıslatılır. Düşük sıcaklıklarda kapasite kaybına eğilim gösterir. Frekans karakterinin kötü olması yüksek frekanslarda kullanımını kısıtlamaktadır.

22. (Yalıtkan cinsine göre) • Tantalum Elektrolitik Kondansatör: 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) Kondansatör: Yalıtkan olarak polimerleştirilmişorganikyarıiletken katı elektrolitik bulundururlar. Yüksek fiyatını uzun ömürleriyle telafi ederler. • Süper Kondansatör: Karbon Aerojelinden imal edilir. Gayet fazla kapasite değerleri sunarlar. Bazı uygulamalarda şarj edilebilir piller yerine kullanılırlar.

23. Yalıtkanları farklı olan kondansatörlerin karşılaştırılması

24. Kapasite değerine göre • Kimi kondansatörlerin kapasiteleri değiştirilemez ve sabit kapasiteli olarak üretilirken, kimi kondansatörlerin kapasite değerleri üzerinde oynama, değişikliğe gitme imkânı vardır. • Sabit kondansatörler • Sabit kondansatörlerin üretim aşamasında belli olan kapasiteleri sonradan kullanıcı eliyle değiştirilemediğinden devreye ince ayar yapma imkânı yoktur. Sabit kondansatörlerin devre şemasında aldığı simgeler.

25. Ayarlanabilir Kondansatörler • Kapasiteleri çeşitli yöntemlerle değiştirilebilen kondansatörlere ayarlanabilir kondansatör adı verilir. Bu halleriyle ince ayar yapmaya imkân tanırlar. Üç çeşit ayarlanabilir kondansatörden bahsedilebilir. • Ayarlanabilir kondansatör çeşitleri... • Varyabl Kondansatörler • Trimer Kondansatörler • Varaktörler

26. 1. Varyabl Kondansatör • Birçok plakanın birbiri içine geçecek şekilde bağlanmasıyla elde edilen varyabl kondansatörler, iki parçadan oluşurlar (sabit parça stator, hareketli parça rotor). • Rotora bağlı olan mil sayesinde plakalar birbiri içine doğru hareket eder veya uzaklaşır. • Bu şekilde plakalar arası yüzey alanı kontrol edilir ve kapasite değerinde değişim olur. • Varyabl kondansatörler, çok büyük kapasite değerlerine ulaşamasalar da yüksek gerilim ve yüksek frekans değerlerinde çalışabilme olanağı sunarlar.

27. 2.Trimer Kondansatör • Trimerler, varyabl kondansatörlerden farklı olarak plakaların birbirine yaklaştırılması yöntemiyle kapasite değişimi sağlarlar. Küçük güç ve küçük boyutlu olup tornavida ile kontrol edilen trimerlerin kullanım alanı genel olarak telekomünikasyon devreleridir. 3.Varaktör: (ÖDEV)

28. Kutup durumuna göre • Kondansatörler üretim aşamasında kutupları belirlenmiş olarak da tasarlanabilirler. Bu duruma göre kondansatörler iki gruba ayrılır. • Kutupsuz kondansatör • Kutuplu kondansatör

29. Kutupsuz kondansatör • Üretim aşamasında kutuplanmamış ve devreye bağlanma yönü önem taşımayan kondansatörlerdir. • Seramik ve mika yalıtkanlı kondansatörlerlerin dahil olduğu bu grup, birkaç pikoFarad'dan mikroFarad değerlerine kadar bir yelpazede değer alır. • Devre şemalarında aldığı semboller yandadır. Kutupsuz Kondansatör Devre Simgeleri

30. Kutuplu kondansatör • Bu kondansatörler üretilirken kutuplu olarak tasarlanır. Kondansatörün bir ve bir ucu vardır. Bu uçların devreye düzgün şekilde bağlanması gerekir. Aksi halde ciddi hasarlar oluşur çünkü ters bağlama halinde bu kondansatörler patlarlar. • Kutuplu kondansatörler grubuna yalıtkanlarına göre kondansatörler bölümünde de anlatılan alüminyum elektrolitik ve tantalum kondansatörler girerler. Bu kondansatörlerin kapasiteleri birkaç pikoFarad'dan başlar Farad ve üzerine kadar uzanan geniş bir yelpazede değer alır. Devre şemalarında aldıkları semboller yanda gösterilmiştir. Kutuplu Kondansatör Devre Simgeleri

31. Kullanım ve uygulama alanları • Kondansatörün matematiksel ifadeleri ve pratik anlamda bu ifadelerin ne anlamlara geldiği bilgilerinin ışığında, kondansatörler çeşitli amaçlarla bir çok kullanım alanı bulur. Bu kullanım alanlarını belirleyen özellikler; • elektrik enerjisini plakaları arasındaki depolayabilmek, • AC gerilimden DC gerilim elde etmek için (doğrultma devrelerinde), • AC akımı geçirip DC akımı engellemek, • faz kayması oluşturmak ve reaktif gücü depolayabilmek olarak sıralanabilir.