Kondansatör/Kapasitör Nedir?

Kondansatörler, bir voltaj kaynağına bağlandığında plakalarında elektrik yükü depolayabilen basit pasif cihazlardır.

Kondansatör, küçük bir şarj edilebilir pil gibi, plakaları arasında potansiyel bir fark ( Statik Voltaj ) üreten bir elektrik yükü şeklinde enerji depolama yeteneğine veya “kapasitesine” sahip bir bileşendir.

Rezonans devrelerinde kullanılan çok küçük kapasitör boncuklarından büyük güç faktörü düzeltme kapasitörlerine kadar birçok farklı kapasitör türü mevcuttur, ancak hepsi aynı şeyi yapar, yük depolarlar.

Temel biçiminde, bir kapasitör birbirine bağlı olmayan veya birbirine değmeyen, ancak hava veya mumlu kağıt, mika, elektrolitik kapasitörlerde kullanılan seramik, plastik veya bir tür sıvı jel kullanılır. Bir kapasitör plakaları arasındaki yalıtım katmanına yaygın olarak Dielektrik denir.

Bu yalıtım katmanı nedeniyle, DC akımı kapasitörden akamaz, çünkü onu bloke eder, bunun yerine plakalar arasında bir elektrik yükü şeklinde bir voltajın bulunmasına izin verir.

Bir kapasitörün iletken metal plakaları kare, dairesel veya dikdörtgen olabilir veya uygulamaya ve voltaj derecesine bağlı olarak paralel plakalı bir kondansatörün genel şekli, boyutu ve yapısı ile silindirik veya küresel bir şekilde olabilir.

Bir doğru akım devresinde kullanıldığında, bir kapasitör besleme voltajına kadar şarj olur, ancak bir kondansatörün dielektrik iletkeni olmadığı ve temelde bir yalıtkan olduğu için içinden geçen akımı engeller. Bununla birlikte, bir alternatif akıma veya AC devresine bir kapasitör bağlandığında, akımın akışı, çok az dirençle veya hiç direnç olmadan doğrudan kapasitörden geçiyor gibi görünür.

Proton biçimindeki pozitif yük ve Elektron biçimindeki negatif yük olmak üzere iki tür elektrik yükü vardır. Bir kondansatöre bir DC voltajı yerleştirildiğinde, pozitif (+ve) yük bir plaka üzerinde hızla birikir, diğer plaka üzerinde karşılık gelen ve zıt bir negatif (-ve) yük birikir. Bir plakaya gelen +ve yüklü her parçacık için, -ve plakasından aynı işaretli bir yük ayrılacaktır.

Daha sonra plakalar yüksüz kalır ve bu yükten dolayı iki plaka arasında potansiyel bir fark oluşur. Kondansatör kararlı duruma ulaştığında, plakaları ayırmak için kullanılan dielektrikin yalıtım özelliklerinden dolayı bir elektrik akımı kapasitörün içinden ve devrenin etrafından akamaz.

Elektronların plakalar üzerindeki akışı, her iki plaka (ve dolayısıyla kapasitör) üzerindeki voltaj uygulanan voltaj Vc’ye eşit olana kadar akmaya devam eden kapasitör Şarj Akımı olarak bilinir. Bu noktada kapasitörün elektronlarla “tam şarjlı” olduğu söylenir.

Bu şarj akımının gücü veya hızı, plakalar tamamen boşaldığında (başlangıç ​​durumu) maksimum değerindedir ve plakalar, kapasitör plakaları arasında kaynak voltajına eşit bir potansiyel farkına kadar şarj olurken, değeri yavaşça sıfıra düşer.

Kondansatör boyunca mevcut olan potansiyel fark miktarı, kaynak voltajı tarafından yapılan iş tarafından plakalara ne kadar yük bırakıldığına ve ayrıca kapasitörün ne kadar kapasitansa sahip olduğuna bağlıdır ve bu aşağıda gösterilmiştir.

Paralel plakalı kapasitör, kondansatörün en basit şeklidir. Farad cinsinden kapasitans değeri iletken plakaların yüzey alanı ve aralarındaki mesafe ile sabitlenerek birbirine paralel mesafede iki metal veya metalize folyo plaka kullanılarak yapılabilir. Bu değerlerden herhangi ikisinin değiştirilmesi, kapasitansının değerini değiştirir ve bu, değişken kapasitörlerin çalışmasının temelini oluşturur.

Ayrıca, kapasitörler elektronların enerjisini plakalar üzerinde bir elektrik yükü biçiminde depoladığından, plakalar ne kadar büyükse ve/veya aralarındaki ayrım ne kadar küçük olursa, kapasitörün plakaları boyunca verilen herhangi bir voltaj için taşıdığı yük o kadar büyük olacaktır. Başka bir deyişle, daha büyük plakalar, daha küçük mesafe, daha fazla kapasitans.

Bir kapasitöre voltaj uygulayarak ve plakalar üzerindeki yükü ölçerek, Q yükünün V voltajına oranı kapasitörün kapasitans değerini verecektir ve bu nedenle şu şekilde verilir: C = Q/V bu denklem aynı zamanda yeniden olabilir. -plakalardaki yük miktarı için bilinen formülü verecek şekilde düzenlenmiştir: Q = C x V

Yükün bir kapasitörün plakalarında depolandığını söylemiş olsak da, yükün içindeki enerjinin iki plaka arasında bir “elektrostatik alan” içinde depolandığını söylemek daha doğrudur. Kondansatöre bir elektrik akımı aktığında, şarj olur, böylece plakalar arasında daha fazla enerji depoladığı için elektrostatik alan çok daha güçlü hale gelir.

Aynı şekilde, kondansatörden akan akım onu ​​boşalttıkça, iki plaka arasındaki potansiyel fark azalır ve enerji plakalardan dışarı çıktıkça elektrostatik alan azalır.

Bir kapasitörün plakalarında elektrostatik alan şeklinde yük depolama özelliğine kapasitörün kapasitansı denir. Sadece bu değil, aynı zamanda kapasitans, üzerindeki voltaj değişimine direnen bir kapasitörün özelliğidir.

Bir Kondansatörün Kapasitesi

Kapasitans, bir kapasitörün elektriksel özelliğidir ve bir kapasitörün , İngiliz fizikçi Michael Faraday’ın adını taşıyan Farad (kısaltması F ) olan kapasitans birimi ile iki plakasına bir elektrik yükü depolama yeteneğinin ölçüsüdür.

Kapasitans, Bir Coulomb yükü bir voltluk bir voltajla plakalar üzerinde depolandığında, bir kapasitörün Bir Farad kapasitansına sahip olması olarak tanımlanır . Kapasitans, C’nin değer olarak her zaman pozitif olduğunu ve negatif birimi olmadığını unutmayın. Bununla birlikte, Farad kendi başına kullanılacak çok büyük bir ölçüm birimidir, bu nedenle Farad’ın alt katları genellikle örneğin mikro faradlar, nano faradlar ve piko faradlar gibi kullanılır.

Standart Kapasite Birimleri

• Mikrofarad (μF)    1μF = 1/1.000.000 = 0.00001 = 10 ^-6 F
• Nanofarad (nF) 1nF    = 1/1.000.000.000 = 0.000000001 = 10 ^-9 F
• Picofarad (pF)    1pF = 1/1.000.000.000.000 = 0.000000000001 = 10 ^-12 F

Daha sonra yukarıdaki bilgileri kullanarak, gösterildiği gibi pico-Farad (pF), nano-Farad (nF), mikro-Farad (μF) ve Farads (F) arasında dönüştürmemize yardımcı olacak basit bir tablo oluşturabiliriz.

Paralel Plaka Kondansatörünün Kapasitesi

Bir paralel plaka kondansatörün kapasitans alanı ile orantılıdır. Paralel plaka kondansatörleri, elektronik devrelerde enerji depolama, sinyal filtreleme, güç düzenleme ve frekans ayarlama gibi birçok işlev için kullanılır. Kapasiteleri, plakaların alanı, mesafesi ve aradaki yalıtkanın özellikleri değiştirilerek ayarlanabilir, bu da çeşitli uygulamalarda ideal değerlerin elde edilmesini sağlar.

Paralel plakalı bir kondansatörün kapasitansı için genelleştirilmiş denklem şu şekilde verilir: C =  ε (A/d) burada ε , kullanılan dielektrik malzemenin mutlak geçirgenliğini temsil eder. Dielektrik sabiti, ε _o “boş alanın geçirgenliği” olarak da bilinir, sabit 8.84 x 10 ^-12 Farad/metre değerine sahiptir.

Matematiği biraz daha kolaylaştırmak için, 1/(4π x 9×10⁹ ) şeklinde yazılabilen bu boş uzay dielektrik sabiti, ε _o , sabit olarak metre başına pikofarad (pF) birimlerine de sahip olabilir. Ortaya çıkan kapasitans değerinin farad cinsinden değil pikofarad cinsinden olacağına dikkat edin.

Genel olarak, bir kapasitörün iletken plakaları, mükemmel bir vakum yerine bir tür yalıtkan malzeme veya jel ile ayrılır. Bir kapasitörün kapasitansını hesaplarken, havanın ve özellikle kuru havanın geçirgenliğini, çok yakın oldukları için vakumla aynı değer olarak düşünebiliriz.

Kapasitans Örneği No1

Bir kondansatör, birbirinden 6mm aralıklı 30cm x 50cm’lik iki iletken metal plakadan yapılmıştır ve tek dielektrik malzemesi olarak kuru hava kullanır. Kondansatörün kapasitansını hesaplayın:

Daha sonra hava ile ayrılmış iki plakadan oluşan kondansatörün değeri 221pF veya 0.221nF olarak hesaplanır.

Kondansatörde Dielektrik

İletken plakaların toplam boyutunun ve birbirlerinden uzaklıklarının veya aralıklarının yanı sıra, cihazın genel kapasitansını etkileyen bir başka faktör de kullanılan dielektrik malzemenin tipidir. Diğer bir deyişle , dielektrikin “geçirgenliği” ( ε ).

Bir kapasitörün iletken plakaları genellikle elektronların ve yükün akışına izin veren bir metal folyodan veya bir metal filmden yapılır, ancak kullanılan dielektrik malzeme her zaman bir yalıtkandır. Bir kapasitörde dielektrik olarak kullanılan çeşitli yalıtım malzemeleri, bir elektrik yükünü bloke etme veya iletme yetenekleri bakımından farklılık gösterir.

Bu dielektrik malzeme bir dizi yalıtım malzemesinden veya bu malzemelerin en yaygın kullanılan türleri olan kombinasyonlarından yapılabilir: hava, kağıt, polyester, polipropilen, Mylar, seramik, cam, yağ veya çeşitli diğer malzemeler.

Dielektrik malzemenin veya yalıtkanın havaya kıyasla kapasitörün kapasitansını artırma faktörü, Dielektrik Sabiti olarak bilinir, yüksek dielektrik sabiti olan bir dielektrik malzeme, daha düşük bir dielektrik sabiti olan bir dielektrik malzemeden daha iyi bir yalıtkandır. Dielektrik sabiti, boş alana göreli olduğu için boyutsuz bir niceliktir.

Plakalar arasındaki dielektrik malzemenin gerçek geçirgenliği veya “karmaşık geçirgenliği”, bu durumda, dielektrik olarak kullanılan malzemenin boş alanın geçirgenliğinin ( ε _o ) ve bağıl geçirgenliğinin ( ε _r ) çarpımıdır ve şu şekilde verilir:

Karmaşık Geçirgenlik

Başka bir deyişle, serbest uzayın geçirgenliğini, ε _o temel seviyemiz olarak alır ve onu bire eşit yaparsak, boş uzayın vakumu başka bir tür yalıtkan malzeme ile değiştirildiğinde, bunların dielektrik geçirgenliği referans alınır. “bağıl geçirgenlik”, ε _r olarak bilinen bir çarpma faktörünü veren boş uzayın temel dielektrik değeri. Dolayısıyla karmaşık geçirgenliğin değeri, ε her zaman göreli geçirgenliğin çarpı bire eşit olacaktır.

Yaygın malzemeler için tipik dielektrik geçirgenlik, ε veya dielektrik sabiti birimleri şunlardır: Saf Vakum = 1.0000, Hava = 1.0006, Kağıt = 2.5 ila 3.5, Cam = 3 ila 10, Mika = 5 ila 7, Ahşap = 3 ila 8 ve Metal Oksit Tozlar = 6 ila 20 vb. Bu bize bir kapasitörün kapasitansı için son bir denklem verir:

Boyutunu küçük tutarken bir kapasitörün genel kapasitansını artırmak için kullanılan bir yöntem, tek bir kapasitör gövdesi içinde daha fazla plakayı “araya sokmaktır”. Sadece bir takım paralel plakalar yerine, bir kapasitör birbirine bağlı birçok ayrı plakaya sahip olabilir, böylece plakaların yüzey alanı A artar.

Yukarıda gösterildiği gibi standart bir paralel plakalı kapasitör için, kapasitör A ve B olarak etiketlenmiş iki plakaya sahiptir . Bu nedenle kapasitör plakalarının sayısı iki olduğundan, n = 2 olduğunu söyleyebiliriz , burada “n” plaka sayısını temsil eder.

O zaman, tek bir paralel plakalı kapasitör için yukarıdaki denklemimiz gerçekten şöyle olmalıdır:

Bununla birlikte, kondansatör iki paralel plakaya sahip olabilir, ancak her plakanın sadece bir tarafı ortadaki dielektrik ile temas halindedir, çünkü her plakanın diğer tarafı kapasitörün dışını oluşturur. Plakaların iki yarısını alıp onları birleştirirsek, dielektrik ile temas halinde olan yalnızca “bir” bütün plakaya sahip oluruz.

Şimdi, 9 aralıklı plakadan oluşan bir kondansatörümüz olduğunu varsayalım;

Çok Plakalı Kapasitör

Şimdi bir kabloya ( A ) bağlı beş plakamız ve diğer kabloya ( B ) dört plakamız var . O zaman B ucuna bağlı dört plakanın HER İKİ tarafı dielektrik ile temas halindeyken, A’ya bağlı dış plakaların her birinin yalnızca bir tarafı dielektrik ile temas halindedir. O zaman yukarıdaki gibi, her bir plaka grubunun faydalı yüzey alanı sadece sekizdir ve bu nedenle kapasitansı şu şekilde verilir:

Modern kapasitörler, yalıtkan dielektriklerinin özelliklerine ve özelliklerine göre sınıflandırılabilir:

• Mika, Düşük K Seramik, Polistiren gibi Düşük Kayıp, Yüksek Kararlılık .
• Orta Kayıp, Kağıt, Plastik Film, Yüksek K Seramik gibi Orta Kararlılık .
• Elektrolitik, Tantalum gibi Polarize Kapasitörler .

Kondansatörün Gerilim Derecesi

Tüm kapasitörlerin maksimum voltaj derecesi vardır ve bir kapasitör seçerken kapasitöre uygulanacak voltaj miktarına dikkat edilmelidir. Kondansatöre, dielektrik malzemesine zarar vermeden uygulanabilecek maksimum voltaj miktarı, genel olarak bilgi föylerinde: WV , (çalışma voltajı) veya WV DC , (DC çalışma voltajı) olarak verilmektedir.

Kondansatöre uygulanan voltaj çok büyük olursa, dielektrik bozulur (elektrik arızası olarak bilinir) ve kondansatör plakaları arasında kısa devre ile sonuçlanan ark meydana gelir. Kondansatörün çalışma voltajı, kullanılan dielektrik malzemenin tipine ve kalınlığına bağlıdır.

Bir kapasitörün DC çalışma voltajı, belirtilen değerin yalnızca DC voltajına yönelik olduğunu ifade eder. Örneğin, 100 volt DC derecesine sahip bir kapasitör, maksimum güvenli DC voltajı 100 volt olarak kullanılabilir. Ancak, bu kapasitör 100 voltluk bir AC voltaja güvenli bir şekilde maruz bırakılamaz, çünkü AC voltajının RMS değeri 100 volt olsa da, tepe değeri yaklaşık şu şekilde hesaplanır:

Bu nedenle, 100 volt AC ile çalışacak bir kapasitör seçerken, kapasitörün çalışma voltajı en az 200 volt olmalıdır. Uygulamada, kapasitör seçimi yapılırken hem DC hem de AC çalışma voltajının, uygulanacak en yüksek etkin voltajdan en az %50 daha yüksek olmasına dikkat edilmelidir.

Bir kondansatörün çalışmasını etkileyen diğer bir faktör de Dielektrik Sızıntıdır. Dielektrik malzeme içinden akan istenmeyen bir kaçak akımın sonucu olarak bir kapasitörde dielektrik sızıntısı meydana gelir.

Genel olarak, dielektrik direncinin son derece yüksek olduğu ve kondansatörden geçen DC akımının (mükemmel bir kapasitörde olduğu gibi) bir plakadan diğerine akışını engelleyen iyi bir yalıtkan olduğu varsayılır.

Bununla birlikte, dielektrik malzeme aşırı voltaj veya aşırı sıcaklık nedeniyle hasar görürse, dielektrikten geçen kaçak akım, plakalar üzerinde hızlı bir yük kaybıyla ve kapasitörün aşırı ısınmasıyla sonuç olarak kapasitörün erken arızalanmasına neden olacak şekilde aşırı derecede yüksek olacaktır. Bu durumda, kondansatörün nominal değerinden daha yüksek voltajlı bir devrede asla kapasitör kullanmayın, aksi takdirde ısınabilir ve patlayabilir.

Kapasitör Özetine Giriş

Bu derste, bir kapasitörün işinin elektrik yükünü plakalarında depolamak olduğunu gördük. Bir kapasitörün plakalarında depolayabileceği elektrik yükü miktarı, Kapasite değeri olarak bilinir ve üç ana faktöre bağlıdır.

• Yüzey Alanı  – kapasitörü oluşturan iki iletken plakanın yüzey alanı, A , alan ne kadar büyükse, kapasitans o kadar büyük olur.
• Mesafe  – iki plaka arasındaki mesafe, d , mesafe ne kadar küçükse kapasitans o kadar büyük olur.
• Dielektrik Malzeme  – “dielektrik” olarak adlandırılan iki plakayı ayıran malzeme türü, dielektrik geçirgenliği ne kadar yüksek olursa kapasitans o kadar büyük olur.

Bir kondansatörün birbirine değmeyen, ancak dielektrik adı verilen bir malzeme ile ayrılan metal plakalardan oluştuğunu da gördük. Bir kapasitörün yalıtkanı hava veya hatta bir vakum olabilir, ancak genellikle mumlu kağıt, cam, mika farklı plastik türleri vb. gibi iletken olmayan bir yalıtkan malzemedir. Dielektrik aşağıdaki avantajları sağlar:

• Dielektrik sabiti, dielektrik malzemenin özelliğidir ve kapasitansı k faktörü kadar artıran bir malzemeden diğerine değişir .
• Dielektrik, iki plaka arasında mekanik destek sağlayarak plakaların birbirine dokunmadan daha yakın olmasını sağlar.
• Dielektrik geçirgenliği kapasitansı artırır.
• Dielektrik, havaya kıyasla maksimum çalışma voltajını arttırır.

Kondansatörler, ses sinyallerini, darbeleri veya alternatif akımı veya diğer zamanla değişen dalga formlarını geçerken DC akımını bloke etmek gibi birçok farklı uygulamada ve devrede kullanılabilir. DC akımlarını bloke etme yeteneği, kapasitörlerin güç kaynaklarının çıkış voltajlarını yumuşatmak, aksi takdirde yarı iletkenlerin veya dijital bileşenlerin hasar görmesine veya yanlış tetiklenmesine neden olabilecek sinyallerdeki istenmeyen ani yükselmeleri ortadan kaldırmak için kullanılmasına olanak tanır.

Kondansatörler aynı zamanda bir ses devresinin frekans tepkisini ayarlamak veya DC akımının iletiminden korunması gereken ayrı amplifikatör aşamalarını birleştirmek için de kullanılabilir.

DC’de bir kondansatörün sonsuz empedansı vardır (açık devre), çok yüksek frekanslarda bir kondansatörün empedansı sıfırdır (kısa devre). Tüm kapasitörlerin maksimum çalışma gerilimi vardır, WV DC’si bu nedenle besleme geriliminden en az %50 daha yüksek bir kapasitör seçin.

Çok çeşitli kapasitör stilleri ve türleri vardır ve her birinin kendine özgü avantajı, dezavantajı ve özelliği vardır. Tüm türleri dahil etmek bu eğitim bölümünü çok büyük hale getirecektir, bu nedenle Kondansatörlere Giriş hakkındaki sonraki öğreticide bunları en yaygın kullanılan türlerle göre sınırlayacağız.