Kondansatörler

Önbilgiler:

Kondansatör, DC akımı geçirmeyip, AC akımı geçiren devre elemanıdır.

Kondansatörün Yapısı:

Kondansatör şekil 1.6 'da görüldüğü gibi, iki iletken plaka arasına yalıtkan bir maddenin yerleştirilmesi veya hiç bir yalıtkan kullanılmaksızın hava aralığı bırakılması ile oluşturulur. Kondansatörler yalıtkan maddenin cinsine göre adlandırılır. Kondansatörün sembolü: Değişik yapılı kondansatörlere göre, kondansatör sembollerinde bazı küçük değişiklikler vardır.	Şekil 1.16 - Kondansatör Yapısı

Harf Olarak " C "

Kondansatörün Çalışma Prensibi:

Kondansatörün bir DC kaynağına bağlanması ve şarj edilmesi:

Şekil 1.17(a) 'da görüldüğü gibi kondansatör bir DC kaynağına bağlanırsa, devreden Şekil 1.17(b) 'de görüldüğü gibi, geçici olarak ve gittikçe azalan I_C gibi bir akım akar. I_C akımının değişimini gösteren eğriye kondansatör zaman diyagramı denir.

Akımın kesilmesinden sonra kondansatörün plakaları arasında, kaynağın V_k gerilimine eşit bir V_C gerilimi oluşur.

Bu olaya, kondansatörün şarj edilmesi, kondansatöre de şarjlı kondansatör denir.

"Şarj" kelimesinin Türkçe karşılığı "yükleme" yada "doldurma" dır.

Şekil 1.17- Kondansatörün DC kaynağına bağlanması a) Bağlantı devresi b) Zaman diyagramı c) Vc gerilim oluşumu

Kondansatör Devresinden Akım Nasıl Akmalıdır?

Şekil 1.17(a)' daki devrede, S anahtarı kapatıldığında aynı anda kondansatör plakasındaki elektronlar, kaynağın pozitif kutbu tarafından çekilir, kaynağın negatif kutbundan çıkan elektronlar, kondansatöre doğru akmaya başlar. Bu akma işlemi, kondnsatörün plakası daha fazla elektron veremez hale gelinceye kadar devam eder.

Bu elektron hareketinden dolayı devreden bir I_C akımı geçer. I_C akımının yönü elektron hareketinin tersi yönündedir.

Devreden geçen I_C akımı, bir DC ampermetresi ile gözlenebilir. S anahtarı kapanınca ampermetre ibresi önce büyük bir sapma gösterir. Sonra da, ibre yavaş yavaş sıfıra gelir. Bu durum devreden herhangi bir akım geçmediğini gösterir. I_C akımına şarj akımı denir.

Devre akımının kesilmesinden sonra yukarıda da belirtildiği gibi kondansatör plakaları arasında V_C=V_k oluşur.

V_C gerilimine şarj gerilimi denir.

V_C geriliminin kontrolü bir DC voltmetre ile de yapılabilir. Voltmetrenin "+" ucu, kondansatörün, kaynağın pozitif kutbuna bağlı olan plakasına, "-" ucu da diğer plakaya dokundurulursa V_C değerinin kaç volt olduğu okunabilir. Eğer voltmetrenin uçları yukarıda anlatılanın tersi yönde bağlanırsa voltmetrenin ibresi ters yönde sapar.

Kondansatörde Yük, Enerji ve Kapasite;

Şarj işlemi sonunda kondansatör, Q elektrik yüküyle yüklenmiş olur ve bir E_C enerjisi kazanır.

Kondansatörün yüklenebilme özelliğine kapasite (sığa) denir. C ile gösterilir.

Q, E_C, C ve uygulanan V gerilimi arsında şu bağlantı vardır.

Q=C.V          E_C=CV²/2

1. Q: Coulomb (kulomb)
2. V: Volt
3. C: Farad (F)
4. E_C: Joule (Jul)

Yukarıdaki bağlantıdan da anlaşıldığı gibi, C kapasitesi ve uygulanan V gerilimi ne kadar büyük ise Q elektrik yükü ve buna bağlı olarak devreden akan I_C akımı da o kadar büyük olur.

Kondansatörün kapasite formülü:

C = ε₀.ε_r.(A/d)

ε₀: (Epsilon 0): Boşluğun dielektrik katsayısı (ε₀=8.854.10^-12)

ε_r: (Epsilon r): Plakalar arsında kullanılan yalıtkan maddenin İZAFݹ dielektrik (yalıtkanlık) sabiti.(Tablo 1.6)

1. A: Plaka alanı
2. d: Plakalar arası uzaklık

A ve d değerleri METRİK sistemde (MKS) ifade edilirse, yani, "A" alanı (m) ve "d" uzaklığı, metre (m²) cinsinden yazılırsa, C' nin değeri FARAD olarak çıkar.

Örneğin:
Kare şeklindeki plakasının her bir kenarı 3 cm ve plakalar arası 2 mm olan, hava aralıklı kondansatörün kapasitesini hesaplayalım.

A ve d değerleri MKS' de şöyle yazılacaktır:

A=0,03*0,03=0,0009m² = 9.10^-4 m²

d=2mm=2.10^-3m      ε₀ = 8,854.10^-12

Hava için ε_r=1 olup, değerler yerlerine konulursa:

C=8,854.10^-12.4,5.10^-1=39,843.10^-13      F=3,9PF (Piko Farad)¹ olur.

NOT:
¹ İZAFİ kelimesi, yalıtkan maddenin yalıtkanlık özelliğinin boşluğunkinden olan farkını göstermesi nedeniyle kullanılmaktadır. İzafinin, öz türkçesi, "göreceli" dir.

Tablo 1.6. Bazı yalıtkan maddelerin r sabitleri

CİNSİ	İzafi Yalıtkanlık Katsayısı (εr)	CİNSİ	İzafi Yalıtkanlık Katsayısı (εr)
Hava	1	Mika	5-7
Lastik	2-3	Porselen	6-7
Kağıt	2-3	Bakalit	4-6
Seramik	3-7
Cam	4-7

AC Devrede Kondansatör:

Yukarıda DC devrede açıklanan akım olayı, AC devrede iki yönlü olarak tekrarlanır. Dolayısıyla da, AC devredeki kondansatör, akım akışına karşı bir engel teşkil etmemektedir. Ancak bir direnç gösterir.

Kondansatörün gösterdiği dirence kapasitif reaktans denir.

Kapasitif reaktans, X_C ile gösterilir. Birimi Ohm(Ω) dur.

X_C = (1/ωC) = (1/2πfC) 'Ohm olarak hesaplanır.

1. X_C = Kapasitif reaktans (Ω)
2. ω = Açısal hız (Omega)
3. f = Frekans (Hz)
4. C = Kapasite (Farad)

Yukarıdaki bağlantıdan da anlaşıldığı gibi, kondansatörün X_C kapasitif reaktansı; C kapasitesi ve f  frekansı ile ters orantılıdır. Yani kondansatörün kapasitesi ve çalışma frekansı arttıkça kapasitif reaktansı, diğer bir deyimle direnci azalır.