Kondansatör nasıl çalışır ?

Kondansatör, iki iletken plaka arasına dielektrik malzeme yerleştirilmesi ile elde edilen temel elektrik ve elektronik devre elemanıdır. Reaktif güç kontrolü, elektrik yükü depolama gibi özellikleri olan kondansatörler nasıl çalışır? Ayrıntılar yazımızda.

Bu bölümde öncelikle kondansatörün tarihçesinden, kondansatör çeşitlerinden ve kapasite değerlerinin okunmasından bahsedeceğiz.
 

 

Şekil 1: Kondansatör Genel Yapısı

 

 

Kondansatörün Tarihçesi

Kondansatör 1745 yılında, elektrik yükünü depolama çalışmaları yapan Hollandalı fizikçiPieter van Musschenbroek tarafından icat edilmiştir. İlk kondansatör ise iç ve dış kısmı metal folyo ile kaplı, ipek yalıtkan iplerle asılmış, içi su dolu Leyden şişesidir. Bu yüzden, kapasite birimi olarak ilk zamanlarda jar (şişe) kullanılmıştır. 1 jar yaklaşık olarak 1 nanoFarad'a eşittir.

 

 

Şekil 2: İlk Kondansatör Leyden Şişesi

 

Kondansatör 'C' harfi ile sembolize edilir ve birimi Farad'dır. Piyasada sığaç, kapasitör gibi isimlerle de anılmaktadır ve özelliklerine göre birçok sınıflandırma yapılmaktadır. En çok kullanılan sınıflandırma yöntemi ise dielektrik maddeye göre sınıflandırmadır.
 

 

Yalıtkan Malzeme Türüne Göre Kondansatörler

İki iletken plaka arasındaki yalıtkan maddenin seçimindeki en önemli unsur, kondansatörün kullanılacağı devredeki gerilim ve frekans değeridir.

1) Mikalı kondansatörler: Yüksek gerilimli devrelerde kullanılır ve çalışma voltajları 100V-2500V aralığındadır.

2) Seramik kondansatörler: Kapasite değerleri çok küçüktür ve sıcaklık değişimlerinden çok kolay etkilenir. Enerji kayıpları azdır ve bu sayede yüksek frekanslı devrelerde kullanılabilirler.

3) SMD kondansatörler: Çok küçük elektronik devrelerde kullanılmaktadır.

4) Elektrolitik kondansatörler: sıvılı ve kuru tip olmak üzere iki çeşittir. Bu tip kondansatörlerde + ve – kutuplanma mevcuttur ve çalışma voltajlarının üstünde bir gerilime maruz kaldıklarında ısınıp patlayabilirler.

Ayrıca sıvılı tip kondansatörler sadece doğru akım devrelerinde kullanılabilmektedir. Elektrolitik kondansatörlerin piyasada en çok kullanılan çeşitleri alüminyum elektrolitik kondansatör ve tantalum elektrolitik kondansatördür.

Alüminyum elektrolitik kondansatörün, düşük sıcaklıklarda kapasite kaybı eğilimi vardır ve yüksek frekanslarda kullanılamaz.

Tantalum elektrolitik kondansatör, düşük sıcaklıklarda yüksek performans gösterir. Kaçak akımı fazladır.

 

 

Şekil 3: Kondansatör Çeşitlerinin Çalışma Gerilimleri ve Kapasite Değerleri

 

Kutuplarına Göre Kondansatörler

1) Kutupsuz kondansatörler: Kapasiteleri pikoFarad – mikroFarad aralığındadır ve üretim aşamasında kutuplanmıştır. Devreye bağlanma şekli önemli değildir. Seramik ve mika kondansatörler bu grupta yer alır.

2) Kutuplu kondansatörler: Üzerinde + ve – işaret bulunmaktadır. Devreye bağlanma şekli çok önemlidir ters bağlanmaları durumunda bu kondansatörler patlar. Değerlikleri pikoFarad’dan başlar ve çok yüksek değerlere kadar devam eder.
 

Şekil 4: Kutuplarına Göre Kondansatör Çeşitleri




 

Kapasite Değişimine Göre Kondansatörler

Kondansatörler, kapasite değerlerinin değişimine göre sabit değerlikli kondansatör veayarlanabilir kondansatör olmak üzere ikiye ayrılır.
 

 

Şekil 5 : Ayarlanabilir Kondansatörlerin Gösterimi

1) Sabit değerlikli kondansatörler: Üretim aşamasında belirlenen kapasite değerinde sonradan değişiklik yapmak mümkün değildir ve bu nedenle devrede daha sonra ince ayar yapma imkanı yoktur.

2) Ayarlanabilir kondansatörler: Plakaların uzaklaştırılıp yakınlaştırılması ile kapasite değerlerinde değişiklik yapmak mümkündür. Bu kondansatörler varyabl, trimer ve varaktörolmak üzere üç çeşittir. Bunlar arasındaki fark ise plakaların hareket ettirilme yöntemidir.

 

Şekil 6: Dünden Bugüne Kondanstörler

 

Kondansatörlerin Kapasite Değerlerinin Belirlenmesi

Kullanıcı için kondansatördeki en önemli iki değer: kondansatör çalışma gerilimi ve kondansatör kapasite değeridir.

Bazı kondansatörlerin çalışma değerleri üzerinde yazılıdır. Çalışma değerleri yazılı olmayan kondansatörlerde ise rakam ve renk kodları kullanılmaktadır.

Rakam kodlu kondansatörlerde son rakam kadar sıfır, kendisinden önce gelen rakamlara eklenir ve bulunan değer pikoFarad'dır. Örneğin üzerinde 202 yazan bir kondansatörün kapasitesi 2000 pF olarak bulunur.

Eğer rakamlar arasında nokta kullanılmışsa kondansatör üzerinde yazan sayı kapasiteyi mikroFarad olarak verir. Yani kondansatör üzerinde 0.5 yazıyorsa bu kondansatörün kapasitesi 0.5 mikroFarad'dır.

Şekil 7: Rakam Kodlu Kondansatör

 

Özellikle tantulum ve seramik kondansatörlerde renk kodları kullanılmaktadır. Renk kodlamasında her renk bir rakama karşılık gelmektedir. Bu kodlamada 1. ve 2. renkler anlamlı sayı dizisini oluşturur ve bu renklerin karşılık geldiği rakamlar aynen yazılır. Üçüncü renk ise anlamlı ilk iki rakamın yanına kaç tane sıfır ekleneceğini gösterir. Dördüncü renk kondansatörün toleransını yüzde olarak belirtir.
 

Şekil 8: Kondansatör Renk Kodları

Bu bölümde kondansatörün tarihçesinden, kondansatör çeşitlerinden ve değerliklerinin okunmasından bahsettik. Daha sonraki bölümlerimizde kondansatörlerin doğru akım ve alternatif akım analizlerinden, kullanım alanlarından, imalat ve tasarımlarından bahsedeceğiz.

Günlük Hayatımızda Kondansatörler

Kondansatör, iki iletken plaka arasına yalıtkan bir malzeme konulması ile elde edilen devre elemanıdır. Aradaki yalıtkan maddenin görevi ise iletkenler arasında oluşabilecek istenmeyen sıçramaları engellemektir.
 

Resim 1: Kondansatörün İç Yapısı

 

Kondansatör devrelerde frekans ayarlamak, yük depolamak, depoladığı enerjiyi hızlıca serbest bırakmak gibi çeşitli görevler üstlenebilir. Bu görevleri günlük hayatta kullandığımız cihazlardan örnek vererek açıklayalım.

Fotoğraf makineleri, kameralar, cep telefonlarındaki flaşlar ani ve çok kısa süreli olarak ışık verir. Bu cihazlarda kullanılan kondansatörler, depoladıkları enerjiyi pillerin aksine çok hızlı bir şekilde serbest bırakır. Bu özellikleri sayesinde kondansatörlerin flaş tipi uygulamalarda kullanımları çok yaygındır.

Resim 2: Fotoğraf Makinesindeki Flaş Uygulamasındaki Kondansatörler

 

Radyo dinlerken, başka bir radyo kanalına geçmek istediğimizde frekans değişimi yaparız. Bu uygulamalarda ise ayarlanabilir kondansatörler kullanılır. İlk bölümde bahsettiğimiz bu modelde iletken levhalar arasındaki uzaklık değişimi frekans değişimini sağlar.

 

Resim 3: Radyolarda Frekans Değiştirmek İle Görevli Kondansatörler

 

Laptop şarj cihazımızın fişini çektiğimizde adaptörün ışığı bir süre daha yanmaya devam eder. Işığın sönmesine kadar geçen süre kondansatörün boşalma süresidir.

 

Doğadaki Dev Kondansatörler: Yıldırımlar

Elektrik devrelerinde kullandığımız kondansatörler küçüktür fakat bazı durumlarda etkisi çok büyük olabilir. Yıldırımlar, doğadaki kondansatörlere en iyi örnek olarak gösterilebilir.
 

 

Resim 4: Doğadaki Dev Kondansatörler Yıldırımlar

Yıldırımlar, bulutlar ile yeryüzü arasında oluşan bir şimşek türüdür. Şimşek çakması esnasında yeryüzünde pozitif yükler birikir ve negatif yükler bulutların altında toplanır. Gerilimin artması ile yeryüzü ve bulut arasında aynı kondansatörün levhaları arasında olduğu gibi bir elektrik boşalması olur.

 

Kondansatörün Akım-Gerilim Değişimi

Kondansatörü güç kaynağınıa bağladığımızda akım tüm devre boyunca akar ve kondansatörün iletken plakalarında + ve –yük birikimi olur. Güç kaynağı devreden kaldırıldığında elektrik alan yok olmaz ve kondansatör elektrik enerjisi depolamış olur. Bu durum için beklenmedik bir olgu diyebiliriz. Aynı laptop şarj cihazı örneğinde olduğu gibi.
 

 

Resim 5: Kondansatör Ve Pil

 

Çalışma konusunda biraz daha ayrıntıya inerek kondansatörlerin doğru akım ve alternatif akım altındaki davranışlarından bahsedelim.

 

►Kondansatörün DC Kaynağa Bağlı Olması Durumu

Kondansatör DC kaynağa bağlandığında devreden logaritmik olarak azalan bir Ic akımı geçer. Bu durumda kondansatör üzerindeki Vc gerilimi artmaya başlar. Buna kondansatörün dolması denir. Kondansatör dolana kadar devreden sadece sızıntı akımı geçer.

Kondansatör dolduktan sonra Ic akımı artmaya,  Vc gerilimi azalmaya başlar ve bu duruma kondansatörün boşalması denir.

Resim 6: DC Kaynağa Bağlı Kondansatörün Dolup-Boşalma Grafiği

Kondansatör dolana kadar iletim, boşalana kadar ise yalıtımdaymış gibi davranır.

 

►Kondansatörün AC Kaynağa Bağlı Olması Durumu

 

Kondansatör AC kaynağa bağlandığı zaman, DC devrede açıklanan olayın iki yönlü olarak gerçekleştiği gözlemlenir. AC devrelerinde kondansatörler, akım akışına karşı engel olmaz ancak bir direnç gösterir. Bu dirence kapasitif reaktans denir ve Xc ile gösterilir.
 

Resim 7: AC Kaynağa Bağlı Kondansatörün Gerilim Değişimi İle Dolup-Boşalma Grafiği

 

Kondansatörler gerilime duyarlıdır ve gerilim grafiklerinde sıçramalar olmaz. Ancak akım grafiklerinde sıçramalar yaşanabilir.

Kondansatörlü devrelere müdahele ederken kondansatörün yüksüz olduğundan emin olunmalıdır. Aksi durumlarda çarpılma riski ortaya çıkabilmektedir.

İç Yıldırımlık Sistemlerinin Önemi

Bir yapıyı yıldırımdan korurken, aynı zamanda yıldırım sonucu oluşabilecek yangın riskini azaltmak ve canlıları korumak için dış yıldırımlık sistemi, elektronik cihazları korumak için ise iç yıldırımlık sistemi o yapıda olmak zorundadır. Bu yazımızda iç yıldırımlık sistemlerinin öneminden bahsedeceğiz.

Yıldırımdan korunma sistemleri; Türk standartları ve ulusal standartlar göz önüne alındığında dört sistem (dış yıldırımlık, iç yıldırımlık,topraklama ve eşpotansiye sistem) birbirleriyle entegre olacak şekilde kurulmalıdır.

Sektörde yapmış olduğumuz araştırmalar sonucunda birçok mühendis ve teknisyen tarafından yıldırımdan korunma sisteminin sadece dış yıldırımlık;

► Faraday kafesi,
► Yakalama ucu,
► Gergi teli,
► Paratoner uygulamaları olarak algılandığı sonucuna ulaştık.

Ancak bir yapıda bulunması gereken yıldırımdan korunma sistemleri arasında dış yıldırımlık uygulamaları bu entegrasyonun sadece dört ayağından biridir. Nitekim nasıl bir masa tek ayak üzerinde duramayıp yıkılır ise bina/tesis de yıldırım darbesine aldığında yıldırım deşarjının etkileri karşısında zarar görecektir.

Yıldırımdan korunma sistemleri dört sistemin bütünleşmesi sonucu oluşturulmalıdır. Bunlar;

► İyi bir topraklama sistemi,
► Doğru projelendirilmiş bir eş potansiyel sistem, ,
► Binamızın dışında yer alacak yapı tipine göre seçilmiş dış yıldırımlık sistemi
► Kademeli olarak yerleştirilmiş iç yıldırımlık (ani aşırı gerilim koruyucu ) sistemi olarak sıralanmaktadır. 

Bu sistemler bir yapıda standartlar ve teknik açıdan değerlendirdiğimizde olmak zorundadır. Eğer bir yapıya iç yıldırımlık sistemi kurulmayacaksa, dış yıldırımlık sistemi kurarak tüm enerji, veri hatlarımızı ve elektronik cihazlarımızı riske atmış oluruz.

Diğer taraftan bir yapıda topraklama sistemi yok ise iç yıldırımlık sistemini o yapıya entegre edemeyiz, ayrıca eş potansiyeli eksik olan bir tesis dış yıldırımlık sisteminin kuplaj etkilerinden dolayı zarar görebilmektedir. Bu entegrasyon basamakları daha da arttırılabilir.

Özet olarak bir yapıyı yıldırımdan korumak istiyorsak binalardaki yangın riskini azaltmak ve canlıları korumak için, dış yıldırımlık sistemi, elektronik cihazları korumak için ise iç yıldırımlık sistemi o yapıda olmak zorundadır.

Aşırı Gerilimler

Ani Aşırı Gerilimler birkaç mikro saniye ile birkaç mili saniye arasında meydana gelen ve tedbir alınmadığı zaman can ve mal kaybına sebebiyet veren gerilimlerdir. Bu tür gerilimleri oluşum bakımından başlıca iki grupta inceleyebiliriz.

► Yıldırım Etkili Ani Aşırı Gerilimler

Yıldırım Deşarjı sırasında 2 ile 200 kA arasında bir akım meydana gelmektedir. Bu değerler yaklaşık olarak 2 km mesafeye kadar bir alanda bulunan enerji iletim hatları, haberleşme hatları, güvenlik sistemleri vb. gibi tesisler üzerinde direk yıldırım deşarjı veya manyetik alan etkisi ile bir gerilim oluşmasına sebep olurlar. Meydana gelen bu gerilimler tesisat veya cihaz dayanım sınırlarının üstünde ise izolasyon bozulmaları, yanmalar, patlamalar şeklinde açığa çıkmaktadır.

►  Şekil 1: Siz bu yazıyı okumayı bitirdiğinizde Dünya'ya ortalama 25000 yıldırım düşecektir.

► Elektriksel Anahtarlama ile Oluşan Ani Aşırı Gerilimler

Bir iletkenden geçen akım, manyetik alan oluşturur ve akım akışı bittiğinde manyetik alan aniden azalır. İletken üzerinde biriken enerji indüklenme yolu ile gerilim olarak sistem içerisine dağıtılır. Bu tür gerilimler çok yaygın olarak görülmektedir.

Yıldırım deşarjı toprağa ulaştıktan sonra 2 km'lik bir alan içerisinde daireler şeklinde yayılarak direncin düşük olduğu noktaya doğru hareket etmektedir. Bu nedenle yukarıda belirtmiş olduğum iç yıldırımlık sistemlerini binamızda dış yıldırımlık sistemi olmasa da kullanmak zorundayız.

►  Şekil 2:Yıldırım ve Aşırı Gerilimlerden Korunma Uygulamaları yazımıza buradan ulaşabilirsiniz.

Günümüzde sanayi, ticaret ve hizmet, sağlık insan yaşamındaki çoğu sosyal aktivite kuvvetli bir biçimde elektrikli ve elektronik cihaz ve sistemlerin doğru bir şekilde çalışmasına bağlıdır. Bu sistemlerin en sık bozulma nedeni ise veri iletimini aksatan ve bu donanımlarınhasara uğramasına sebep olan ani aşırı gerilimlerdir. Birçok şirket kesintisiz güç kaynakları UPS’leri bir aşırı gerilim koruma sistemi gibi görebilir. Fakat UPS'ler devrelerde meydana gelen değişmeleri düzenlemek için konuyorsa da herhangi bir aşırı gerilim koruma sistemi içermez. İçerdiği söylenilen cihazların  çoğunda ise sadece ufak bir alçak geçiren süzgeç bulunur.

Ani Aşırı Gerilimden Korunma Nasıl Olmalıdır? 

Alçak gerilim tesislerinde fazlarla-toprak ve nötr-toprak arasına bağlanan aşırı gerilimparafudrları, darbe gelmesi durumunda iletime geçerek aşırı gerilimi kendi üzerinden söndürürler. Yani sistemimizin maruz kalacağı aşırı gerilimleri üzerine alarak sistemin zarar görmesini engeller. Bunun için DIN-IEC normlarında bir kademeli koruma öngörülmektedir. Her kademe darbe gerilimini bir derece azaltarak neticede sistem için zararsız hale getirir.

► Dışardan gelen yıldırım darbeleri için B sınıfı koruma,
► Sistem içerisindeki ani aşırı gerilimler için C sınıfı koruma,
► Hassas koruma için D sınıfı koruma kullanılır.

Sınıflandırmalarda;

► B sınıfı Class 1 ya da Tip 1,
► C sınıfı Class 2 ya da Tip 2,
► D sınıfı parafudrlar ise Class 3 ya da Tip 3 olarak da adlandırılabilmektedirler.

►  Şekil 3: Parafudrlar koruma bölgelerine göre sınıflandırılırlar.

   

Binaya enerjinin giriş yaptığı ilk noktada genellikle ana panolarımıza B sınıfı ürünler, enerjinin bina içerisinde dağıldığı tali panolarda C sınıfı ürünler ve server, kamera, harici hat, data, bilgisayar ve diğer elektronik cihazların korunması içinde cihaz önlerine D sınıfı ürünleryerleştirilmelidir. Eğer bir yapıda dış yıldırımlık sistemi var ise doğrudan yıldırım deşarjına karşı koruma sağlayacak B sınıfı ürünün ana panoda kullanılması zorunlu olarak görülmektedir.

Dış yıldırımlık sistemimizden 200 kA'lik bir yıldırım darbesinin geldiği varsayılırsa bunun 100 kA'i toprakta sönümlenecek geriye kalan 100 kA'lik kısım binamıza giriş yapacaktır. B sınıfı ürünlerde faz başına 50 kA'lik bir koruma seviyesi oluşturularak bu darbenin cihazlarımıza ulaşması engellenmektedir.

B sınıfı ürün ile darbe akımlarının ana besleme noktasında 4,5 kV - 2,5 kV -1,5 kVmertebelerinde sınırlandırılarak sistemimizin zarar görmesini engeller. Bu koruma ana pano seviyesinde yapılmaktadır.

Enerjinin bina içerisinde dağıldığı tali panolarda ise C sınıfı koruma öngörülmektedir. Dış yıldırımlık olan bir yapıda B sınıfı kullanılmadan C sınıfı ürün kullanılır ise sistemimiz zarar görecektir. C sınıfı ürünler sistem içerisinde oluşan ani aşırı gerilimlerin hat üzerindeki cihazlara zarar vermesini engeller, faz başına 40 kA’e kadar olan aşırı gerilim akımlarını 2,3 kV, 1,5 kV, 1 kV mertebesinde sınırlandırır.

Genelde tali pano seviyesinde yapılan korumadır. C sınıfı koruyucunun sisteme uygulana bilmesi için B sınıfı koruyucuyla arasındaki mesafenin minimum 5 m olması gerekmektedir. Ancak yeni geliştirilen teknoloji ile üretilen B+C sınıfı ürünler bu sorunu ortadan kaldırmaktadır.

D sınıfı koruyuculardan muhtelif cihazların korunmasına uygun olarak geliştirilmiştir. Direk cihaza yönelik koruma olduğu için hassas koruma olarak nitelendirilir priz tipleri ve pano tipleri mevcuttur. Kullanıldığı alana göre birçok seçenekleri vardır. Ancak B ve C sınıfı ürünler kullanılmadan kullanılan D sınıfı ürünler işlev görmemektedir.

►  Şekil 4: TV sistemlerinde kullanılan D sınıfı, hassas koruma sağlayanparafudr.

Özet

Yıldırımdan korunmak için ayrıca ani gerilim darbelerine yol açan anahtarlamaelemanlarının, harmoniklerin, gerilim dalgalanmalarının etkilerinden korunabilmemiz için iç yıldırımlık (ani aşırı gerilim önleyici-parafudr) sistemlerini kullanmamız gerekmektedir.

Gelişen teknoloji ile hassaslaşan cihazlarımızın zarar görmemesi, kritik önem taşıyan verilerin kaybolmaması, milyar dolarlık tesislerin zarar görmemesi için bu sistemleri tesislerimize ve binalarımıza kurdurmalıyız. Bu konuda uzman mühendislerden ve konuya hakim firmalardan ürün seçimi konusunda destek almamız oldukça önemlidir.

Unutmayalım ani aşırı gerilim darbesi gibi küçük bir etkinin büyük zararlara yol açmaması bizim elimizdedir!