Kondansatör, elektronların kutuplanarak elektriksel yükü elektrik alanın içerisinde depolayabilme özelliklerinden faydalanılarak, bir yalıtkan malzemenin iki metal tabaka arasına yerleştirilmesiyle oluşturulan temel elektrik ve elektronik devre elemanıdır. Piyasada kapasite, kapasitör, sığaç 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.

Kondansatörlerin karakteristikleri olarak;

sayılabilir. Bu kriterler göz önünde bulundurulduktan sonra gereksinime uygun olan kondansatör tercih edilir. Kondansatörlerin fiziksel büyüklükleri, çalışma gerilimleri ve depolayabilecekleri yük miktarına bağlıdır. Tasarım açısından ise çeşitlilik boldur, hemen hemen her boyut ve şekilde kondansatör temin edilebilir.

Elektrik konusunun gelişmesi 18. yüzyılda statik (durgun) elektriğin incelenmesiyle başlamıştır.^[1] Statik elektriğin bir ip boyunca iletilebilmesi, elektrik yükünün temasla paylaşılabilmesi ve depolanabilmesi özellikleri araştırmacı bilim adamları tarafından keşfedilmeye başlanmıştı. 1745 yılında Ewald von Kleist elektriği küçük metal bir şişede depolamayı başarmıştı. Ancak kondansatörün asıl gelişmesi, Leiden’de elektrik üzerinde deneyler yapan Pieter van Musschenbroek’in çalışmaları sonucu gerçekleşmişti. Musschenbroek bir rastlantı sonucu Kleist’in çalışmalarını doğrular nitelikte sonuçlara erişti. Musschenbroek içi ve dışı metalle kaplı cam bir şişe tasarladı. Şişenin bir kısmı suyla doldurulmuş ve ağzı hava – sıvı 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.^[2] Bu şişeler aynı zamanda ilk kondansatörlerdi.^[1] Öyleki, şu anda Farad olan kapasite birimi ilk zamanlarda jar (şişe) olarak kabul edilmişti ve bu birim bugün 1 nF kapasiteye tekabül eder.^[3]

Denemeler sonucunda metal kaplamalar arasındaki cam inceldikçe yayılan kıvılcımın büyüdüğü gözlendi. Leiden şişelerinde depolanan yük büyük değerler alabiliyordu ve birbirine tellerle bağlanmış Leiden şişelerinden boşalan elektriğin hayvanları öldürebileceği gözlenmişti.^[1] Bu ilginç alet Ewald von Kleist’in keşfi, Pieter van Musschenbroek’in geliştirmesiyle ortaya çıkmıştır. Amerikalı devlet ve bilimadamı Benjamin Franklin, cam yalıtkanın Leyden şişesinden farklı olarak oval değil düzlemsel olmasının aynı işlevi gördüğünü bulmuş, Franklin’in düzlemsel cam yalıtkanlı kondansatörüne Franklin Düzlemleri adı verilmiştir.^[2] 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.

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.

Rakam kodlarının standartları bir liste şeklinde verilebilir.

Simetrik tolerans ifade eden kodlar

Rakam kodlarından başka, bazı kondansatör çeşitlerinde de renk kodları kullanılır. Özellikle seramik, tantalum ve polyester kondansatörlerde renk kodları yaygındır. Aşağıdaki liste renk kodlarının anlamlarını sıralarken, yandaki resimlerde de çeşitli örnekler görülebilir.

Renk kodları standardı

Harf kodları kondansatörler üzerinde toleransı veya sıcaklık katsayısını belirtmek için kullanılırlar. Tolerans değeri için rakam kodunun yanına bir büyük harf yerleştirilir. Bu harflerin anlamı rakam kodları bölümünde yazmaktadır. Sıcaklık katsayısını belirtmek için ise harflerden oluşan bir dizi kullanılır.

Yalıtkan malzemelerin çoğunda sıcaklıkla kapasite değişmemesine rağmen bazı malzemelerde değişim olur. Sıcaklık katsayısı, bir malzemenin sıcaklıkla kapasite değişimini belirten katsayıdır. İngilizcesi temperature coefficient (tempco) olan bu katsayının birimi ‘dir. Uygulamada ise ifadesiyle karşılaşılır. ppm sözcüğü milyonda bir katsayısının ingilizce baş harflerinden oluşturulmuştur.

Çoğu yalıtkan malzemenin sıcaklıkla kapasite değişimi eğrisi düz kabul edilebilecek şekildedir. Ancak seramik yalıtkanının kapasitesi sıcaklık değişimine çok duyarlıdır ve büyük değişimler gösterir, öyle ki seramik kondansatörlerin üstünde belirtilen değerler sadece oda sıcaklığında (25 °C ~ 77 °F) geçerlidir. Sıcaklık katsayısı kondansatörlerin üzerinde bir harf dizisi kodla belirtilir ve aşağıdaki liste bu harflerin anlamını belirtir. Yandaki resimde ise bazı sıcaklık katsayısı kodlarının anlamları ve okunuş şekilleri verilmiştir.

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. Aşağıdaki listede ise yalıtkanları farklı olan kondansatörlerin birbirlerine göre farkları sıralanır.

Yalıtkanları farklı olan kondansatörlerin karşılaştırılması

Kimi kondansatörlerin kapasiteleri değiştirilemez ve sabit kapasiteli olarak üretilirken, kimi kondansatörlerin kapasite değerleri üzerinde oynama, değişikliğe gitme imkânı vardır.

Sabit kondansatörlerin üretim aşamasında belli olan kapasiteleri sonradan kullanıcı eliyle değiştirilemediğinden devreye ince ayar yapma imkânı yoktur. Kullanıcı önceden ihtiyacı olan çalışma değerlerini belirler, ardından ona göre uygun bir kondansatör temin eder. Sabit kondansatör olarak üstteki beş örnek sayılabilir. Bu kondansatör çeşitlerinin daha ayrıntılı anlatımları yalıtkanlarına göre kondansatörler bölümünde bulunabilir. Devrede gösteriliş şekilleri ise yandadır.

Kapasiteleri çeşitli yöntemlerle değiştirilebilen kondansatörlere ayarlanabilir kondansatör adı verilir. Bu halleriyle ince ayar yapmaya imkân tanırlar. Yandaki resim, devre üzerinde ayarlanabilir kondansatörlerin alabileceği simgelerdir. Üç çeşit ayarlanabilir kondansatörden bahsedilebilir.

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.

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.

Varaktör

Diyot kullanılarak oluşturulmuş bir kondansatör çeşididir. Gerilim kontrollüdürler, uygulanan gerilim değeri büyüdükçe kapasite değerleri düşer. Yüksek frekansta çalışabilip telekomünikasyon alanında frekans kontrolünde kullanılırlar.

Kondansatörler üretim aşamasında kutupları belirlenmiş olarak da tasarlanabilirler. Bu duruma göre kondansatörler iki gruba ayrılır.

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.

Elektrik, elektron hareketlerinin incelendiği, en küçük yapıtaşı elektron olan bir bilimken,hidrolik sıvıların mekanik özelliklerini inceleyen bir mühendislik ve bilim dalıdır.^[4] Elektrik ile hidrolik arasındaki benzetim yöntemi hesaplama ve elektriğin gözde canlanması açısından oldukça faydalıdır. Kondansatör analizi için gereken elektriksel birimlerin hidrolikteki karşılıkları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Kondansatör, elektrik yükünü depolayan bir eleman olma özelliğiyle hidrolik bilimindeki sıvı tanklarına eşdeğerdir. Her yalıtkan malzemenin farklı yük depolama kapasitesi ve farklı bozulma gerilimi olduğu gibi, her sıvı tankının da bir basınç dayanımı ve sıvı miktarı kapasitesi vardır. Kondansatörlerde yalıtkan malzeme ne kadar önemliyse, sıvı tanklarında da sıvı ve tank çeşidi o kadar önemlidir.

Kondansatör kapasitesi, uygulanan gerilim başına depolanan yük miktarı olarak tanımlanır. Sıvı tankı kapasitesi ise tanka uygulanan basınç başına depolanan sıvı miktarıdır. Kondansatör uçları arasındaki gerilim farkı, sıvı tankına bağlı iki borudan geçen sıvıların basınç farkı olarak temsil edilir. Yandaki resimde kondansatörün ucu 25 Volt, ucu ise 10 Volttur ve 15 Volt fark, kondansatöre uygulanan gerilim farkıdır. Yine aynı resimde sıvı tankına sıvı basan pompanın basıncı 5 N/m², sıvıyı çeken pompanın basıncı ise 3 N/m²‘dir, aradaki basınç farkı ise tankın uçları arasındaki basınç farkıdır. Kondansatör uçları arasındaki gerilim farkının plakalar arasında yük biriktirmesi gibi, tankın uçları arasındaki basınç farkı da tankta sıvı biriktirir. Tankın deforme olmaması için dış maddesinin, uçlar arasındaki basınç farkına dayanabilecek sağlamlıkta olması gerekir. Kondansatörlerin çalışma gerilimlerinin üzerindeki gerilimlerde deforme olmaları gibi, sıvı tankları da fazla basınçta patlarlar.

Hidrolikte DC kaynak, içinden geçen sıvının basıncının, hızının ve yönünün hiç değişmediği sıvı pompasına benzetilebilir. Basınç farkı, bir tanka giren sıvı basıncıyla çıkan sıvı basıncı arasındaki farktır. Uçları arasında P sıvı basıncı olan bir tankın çıkış borusu kapalı farzedilip giriş borusundaki sıvı basıncı P olarak verilmesi benzetimi ve gerçekleşecek olaylar yandaki animasyonda verilmiştir.

Uçları arasında sıvı basınç farkı olan tankın içinde sıvı birikmesi başlar. İlk anda tank boş olduğundan, pompadan gelen sıvı basıncının önünde bir engel yoktur ve sıvı akış hızı en büyük halindedir. Tank dolmaya başladıkça biriken sıvı, ağırlığı dolayısıyla pompaya ters yönde ve zamanla artan bir basınç uygular, net basınç pompa sıvı basıncı ile tankta biriken sıvı basıncı arasındaki fark olduğundan ve basınç farkı zamanla azalır. Basınç farkının azalması, tanka sıvı giriş hızının azalması anlamı da taşıdığından tankın sıvıyla dolma hızı gittikçe yavaşlar.

1. Tank dolu ve pompa basıncı sıvı basıncından büyüktür…

2. Tank dolu, pompa basıncı ile sıvı basıncı eşit, ancak sıvı miktarı az…

3. Pompa basıncı ile sıvı basıncı eşit, ancak sıvı tankı tamamen dolmadı…

Hidrolikte AC kaynak, sıvı akış yönü, hızı ve basıncı belli bir frekansa göre değişen pompa olarak düşünülebilir. Kondansatör eşdeğeri olan sıvı tankına bağlanmış bir pompadan, periyodun bir yarısında tanka sıvı verildiği diğer yarısında tanktan sıvı çekildiği, basınç değişiminin de sinüsoidal şekilde olduğu benzetimi ile AC kaynağa bağlanmış bir kondansatör gözde daha kolay canlanır. Sıvı akış yönünün değiştiği sistemlerde sıvı tankı sürekli dolup boşalma hareketi yapar, sıvı akışı durmaz ancak sıvı akışına karşı bir direnç oluşur. Bu direncin bağlı olduğu büyüklükler şöyle sıralanabilir.

Üstteki formülasyon bir sıvı tankının basıncı sinüsoidal şekilde değişen pompadan sıvı girişine gösterdiği direncin nelere bağlı olduğunu ifade eder. Hidrolikteki eşdeğerleriyle yer değiştirdiğinde ise kondansatörün AC kaynakta elektron ve akım akışına gösterdiği direnç elde edilir. Formülasyonlar arasındaki tek fark olan çarpanı, kondansatörün AC direnci ifadesinde açısal frekansın kullanılmasından kaynaklanır. Kapasite değeri ve çalışma frekansının artması kondansatör direncinin düşmesine neden olur.

Sıvı pompası basıncının sinüsoidal şekilde olması, bir periyotun yarısında tanka sıvı gönderip diğer yarısında sıvı çektiği anlamına gelir. Sıvı gönderme sürecinin sonlarına doğru sinüsoidal grafikten kaynaklanan nedenle, sıvı tanka doğru itilmesine karşın pompa basıncı oldukça düşer ve sıfıra yaklaşır. Ancak tankta birikmiş sıvının basıncı pompa basıncından büyük hale gelir ve basınç farkı pompa sıvıyı tanka doğru itmesine karşın negatif çıkar. Yani, pompa basıncı tanka doğrudur ancak sıvı akışı tanktan dışarıya doğru gerçekleşir, dolayısıyla sıvı akışı faz olarak pompa basıncından ileridedir. Kondansatör benzetiminde eşdeğer büyüklükler kullanılırsa akım fazörü gerilim fazöründen ileridedir denilir.

Kondansatörler, elektrik yükünü yalıtkan malzemesinin içerisinde elektrik alanı olarak depolar. Kapasite , bir kondansatörün yük depolayabilme yeteneği olarak tanımlanır ve birimi (Michael Faraday’ın anısına) Farad’ olarak belirlenmiştir. Uluslararası MKS birim sisteminde , uçları arasına gerilim uygulandığında elektron depolayabilen kondansatörün kapasitesine eşittir. Matematiksel formdaki ifadesi ise aşağıdadır.

Kondansatör – sıvı tankı benzetiminde elektronun karşılığının sıvı damlası olduğu göz önüne alınırsa kapasitenin çok büyük bir değer olduğu anlaşılır. Bundan dolayı uygulamada biriminin alt katları daha yaygındır. Kapasite değeri metal tabakaların alanına ve yalıtkan malzemenin dielektrik katsayısına doğru orantılı, metaller arası uzaklığa ters orantılı bağlıdır.

Sıvı tankı benzetiminde de belirtildiği üzere kapasite, bir kondansatörün bir kaynağı ne kadar besleyebileceğinin de ölçütüdür, kapasite değeri arttıkça kondansatörün yükü besleyebileceği süre de artar.

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.

Bu ifadenin pratik olarak anlamları şöyle sıralanabilir:

Aşağıdaki ifade ise bize kondansatör geriliminin, akım cinsinden değerini söyler. Akımın integrali, kondansatörde depolanan elektrik yükünü verdiğinden, kapasiteye oranı bize uçlar arasındaki gerilimi verir.

Bir devre elemanının ifadesi, eğer sinüsoidal bir kaynağa bağlanırsa frekans domeninde yazılabilir. Bu hesaplamalarda, özellikle de türev ifadesinin yok edilmesinde çok kolaylık sağlayacaktır. Bunun için ise fazör yöntemini kullanacağız. Gerilim ve akım fazörleri aşağıdaki gibidir ve büyük harflerle belirtilirler.

Kondansatörlerin seri bağlanmasında öncelikle uçların doğru bağlanıp bağlanmamış olması sonrasında da kondansatörlerin yüklü olup olmaması göz önüne alınır. Her bir kondansatörün ucu sonraki kondansatörün ucuna bağlandığında seri bağlama sağlanmış olur. Yandaki resimde düzgün olarak seri bağlanmış 3 adet kondansatör bulunmaktadır. Kondansatörler seri bağlandığı zaman, kaynak akımı her bir kondansatörden geçen akıma eşit olur, kaynak gerilimi ise her bir kondansatörün gerilimlerinin toplamı olur.

Paralel bağlı elemanların uçları aynı noktaya, yine uçları da aynı noktaya bağlanır. Kondansatörlerin paralel bağlanmış şekli yandadır. Paralel bağlamada her bir kondansatörün gerilimi kaynak gerilimine eşittir, kaynak akımı ise her bir kondansatöre giden akımların toplamıdır.

Kondansatörün uçları arasına gerilim uygulandığı anda plakalar arasındaki yalıtkan malzemenin elektronları kutuplanırlar. Elektronlar tarafa doğru yönlenmeye çalışırken, uç elektronları kendinden uzaklaştırır ve yalıtkan malzemenin kutuplanması böylece sağlanmış olur. Kutuplaşmanın ve gerilim farkının olduğu bir bölgede elektrik alanın varlığından bahsedebilir. Kondansatörde depolanan enerji, pil tarafından yapılan iş yoluyla bulunabilir. Bir yükünün noktasından noktasına taşınmasıyla birlikte, kondansatörün kapasitesi ‘ye göre bir gerilimi oluşur.

Aşağıdaki ifade oldukça küçük bir yükünün noktasından noktasına taşınması sırasında yapılan çok küçük işi gösterir.

Aşağıdaki formül ise yük miktarını ‘dan ‘ya entegre ederek, kapasitesi olan bir kondansatörde geriliminde kadar yükü depolamak için gereken enerji miktarını verir.

Kondansatörde Depolanan Enerji

Sinüsoidal bir kaynakta anlık güç ifadesi aşağıdaki gibi bulunmuştur. Formülasyonda simge kalabalığı olmaması açısından faz farkı olarak tanımlanmıştır.

Kapasitif yük, empedansının sanal kısmında kapasitif reaktansın etkisinin baskın olduğu yüktür. Kapasitif yüklerde sanal kısım değer alır. Faz diyagramı çizildiğinde de kapasitif reaktansın etkisi sebebiyle sanal kısım aşağı doğru yönlenmiştir. Bunun nedeni, kapasitif yüklerde akım fazörünün gerilim fazörüne göre önden gitmesidir. Dolayısıyla faz farkı olarak tanımlanan ifadesi negatif değer alır.

Anlık gücün genel ifadesi her türlü yük için geçerlidir. Kapasitif yüklerde faz farkı negatif olduğundan bu durum ele alınabilir, yerine koyulursa üstteki anlık güç ifadesi az da olsa değişikliğe uğrar. Faz farkının işareti hesaba katılınca, ve trigonometrik eşitliklerinden anlık güç aşağıdaki hali alır.

Genel anlık güç ifadesinden farklı olarak kapasitif yüklü bir devrede güç ifadesinde, reaktif gücün işareti olur. Reaktif gücün pozitif olmasının anlamı şudur: Kapasitif bir yükte reaktif güç pozitif çıkar, kondansatör bu sebeple bir reaktif güç depolama elemanı olarak görülebilir. İlerleyen zamanla birlikte kondansatör, reaktif gücü kendinde toplamaktadır. Kapasitif yükler saf kapasitif yüklerden farklı olarak bir direnç (resistans) kısmı da bulundurduklarından devrede aktif güç harcaması da yaparlar. Bu aktif güç tamamen dirençler üzerinde harcanır, kondansatörde depolanan ise tamamen reaktif güçtür. ^[6]

Saf kapasitif yükte, kapasitif yükten farklı olarak resistif kısım bulunmaz. En basitinden bu, üzerine kondansatör haricinde hiç bir devre elemanı bağlı olmayan bir devre olarak düşünebilir. Dolayısıyla bulanacak anlık güç, bir kondansatörün sinüsoidal devreye bağlandığında depolayabileceği reaktif güce eşit olur. Saf kapasitif yüklerde akım fazörü gerilim fazörüne göre kadar önde ilerler. Yani faz farkı ifadesi değerini alır. Bu değer, anlık güç ifadesinin içinde bulunan faz farkı kısmına yerleştirip aşağıdaki formülasyona ulaşılır.

Saf kapasitif yükte anlık güç ifadesi oldukça basitleşir ve formülde sadece reaktif güç kısmı kalır. Bu formülasyonun anlattığı şudur: Saf kapasitif bir yükte reaktif güç pozitif çıkar ve kondansatör bir reaktif güç depolayıcısı olarak çalışır. Devrede direnç bulunmadığından aktif güç harcanması olmaz ve anlık güç tamamen reaktif güçten oluşur. Yani reaktif güç alabileceği en büyük değerini alır ve kondansatör bu gücü depolama yönünde çalışır.

Kondansatörler akkü olarak da kullanılmaktadırlar, çünkü gerilimi U yavaş şekilde azalabilecek şekilde devrelere takılabilirler.

Kaydedilen elektriksel yük elektrik akımı olarak boşalır. Dolayısıyla:

ve de

ile

Yani:

Bu diferansiyel denklemin çözümü dir.

Böylece gerilim dirençle oynanarak yavaş veya hızlı şekilde boşaltılabilir.

Kondansatör bir DC kaynağına (örneğin pil) bağlandığında elektron bazında gerçekleşen olaylar şöyledir;

Kondansatörün uçları arasında oluşan bu elektron sayıları farkı, uçlar arasında gerilim farkına yol açar. Bu gerilim farkı, kondansatör uçlarına bağlanan DC kaynağın veya pilin gerilimine eşittir. Kondansatör DC kaynağa bağlandığı zaman kapasitesini doldurana dek devreden bir akım geçer. Bu akımın analizi, DC gerilime bağlanmış kondansatör ve lambadan oluşan bir devre üzerinden yapılabilir.

İçinde yük barındırmayan bir kondansatörün başlangıç anı gerilimi olur. Bu kondansatörün ucuna doğru gerilimi uygulandığı zaman devrede oluşan gerilim farkı aşağıdaki gibi ifade edilir.

Bu gerilim farkının önündeki dirençler ise kondansatörün iç direnci ile lambanın direncidir. Lamba direncine , kondansatör iç direncine de adı verilir.

Devre tamamlandığı ilk anda elektronlar akmaya başlar ve hızlıca kondansatörün kutuplanmasını sağlarlar. Bağlanmanın gerçekleştirildiği ilk an olan anında elektronlar harekete geçerler, bu öyle kısa bir an sayılır ki kondansatörde o ana kadar hiç yük birikmez. Yani gerilim farkı hala DC kaynağın gerilimine eşittir. Bu anda akımın değeri aşağıdaki gibi elde edilir.

DC gerilime bağlı bir kondansatör ve lamba devresinin üzerinden geçen akımın alabileceği en yüksek değer budur. Çünkü zaman ilerledikçe kondansatör dolmaya başlar ve kutuplandıkça DC kaynağa ters bir DC kaynak gibi davranır. Zamanın sonsuza doğru gittiği varsayılırsa, kondansatör kaynağın değerinde ve kaynağa ters bağlı bir DC kaynak haline gelir. Yeterli zaman geçtikten sonra haline gelir ve devrede oluşan gerilim farkı olur.

Açıktır ki, gerilim farkının oluşmadığı bir devreden akım geçmez. Kondansatör başlangıç anında boştur ve yük biriktirmeye başlar, devreden akım geçer; dolduktan sonra ise bir pil gibi davranır ve devreyi tıkar, akım akmasını engeller. Bu iki zaman aralığında ise akım değişimi şöyle incelenir. İlk anda olan kondansatör gerilimi, hızlıca kutuplaşmanın sağlanmasıyla birlikte, ulaşacağı değer olan gerilimine doğru artış gösterir. Elektronların hareketi olduğu sürece kondansatörün gerilimi artar, devrenin net gerilim farkı zaman ilerledikçe düşer. Buna bağlı olarak da akım değeri başlangıç değerinden sürekli bir azalma gösterir. Nitekim zaman yeteri kadar ilerledikten sonra da akım olur. Akımdaki bu düşüşün grafiği çıkarıldığı zaman azalmanın doğal logaritmik bir şekilde gerçekleştiği görülmektedir. Kutuplanması sağlanmış bir kondansatör devreden sökülüp kullanılabilir. Bu anda artık kondansatörün başlangıç gerilimi olarak hesaplamaya katılır.

DC kaynak, bir adet lamba ve kondansatör devresinin pratik hayattaki incelemesi yandaki animasyonda görülür. Kondansatör ilk anda yüksüzdür, bir DC kaynağı olan pile bağlanırsa yük depolar, bu arada üzerinden zamanla doğal logaritmik azalan bir akım geçer. Tam dolu haldeki kondansatör bir anahtar yardımıyla pilden ayrılır ve lambaya bağlanır. Kondansatör bu haliyle bir DC kaynak gibi davranır ve lambaya bağlandığının ilk anında akım en yüksek değerinden akmaya başlar. Yani lamba en parlak halindedir. Lamba yanmaya devam ettikçe kondansatörün depoladığı yük düşer ve lamba parlaklığı azalır. Depolanan yük tükendiğinde ise lamba tamamen söner. Lambanın yanma süresinin artırılması için, daha yüksek kapasiteli bir kondansatöre ihtiyaç olur.

Örneğin 5 V ile çalışan bir lambanın saniyede kullanacağı elektrik yükünün değeri 1 nanoFarad kabul edilirse, bu lambanın ucuna 5 V çalışma gerilimine sahip 10 nanoFarad ‘lık yükü depolamış bir kondansatör bağlandığında, lambamız 10 saniye boyunca yanar. Bu süreyi artırmak için kondansatörün kapasitesi artırılır, ancak kondansatörün boyutları ve maliyeti de artar.

DC kaynak, kondansatör ve lamba eğer seri olarak bağlanırsa, empedans değerine göre devreden bir akım akmaya başlar, bu akımın alabileceği en yüksek değerdir. Çünkü henüz kondansatör kutuplanmaz ve gerilim biriktirmez. DC kaynağa bağlı bir kondansatörün karakteristiğine göre kutuplanmaya başlayan kondansatör, ters bağlı bir DC kaynak gibi davranır ve lambanın uçları arasındaki net gerilimin düşmesine neden olur. Lambanın parlaklığı doğal logaritmik olarak azalır. Kondansatör kutuplanmasını tamamladığında ise, devrenin net gerilimi sıfır olur ve lamba tamamen söner.

Kondansatörün çalışma gerilimine uygun değerde bir DC gerilime tabi tutulmasına dikkat edilmelidir. Anma gerilimdeğerinin çok üstünde bir gerilime tabi tutulan plakalar arasındaki yalıtkan malzeme deforme olur ve üzerinden akım kaçırmaya başlar. Bu kaçak akımı çok büyürse kondansatörün kapasitesine göre büyüklüğü değişen bir patlama gerçekleşir. Çünkü gerilim farkının önünde olan kondansatör direnci oldukça küçüktür, bu da akımın büyümesine neden olur.

Kondansatörün DC akıma göre davranışı, AC akımda değişiklik gösterir. AC akım, gerilim ve akım yönünün belli bir frekansa göre yön değiştirdiği elektrik enerjisidir. Gerilimin yönü ve genliği sürekli değiştiğinden kondansatörde depolanan elektrik yükü ve uçları arasındaki gerilim de sürekli değişim içindedir. Kondansatör dolup boşalma hareketini frekans sıklığında gerçekleştirir. Kondansatör bağlı bulunan bir AC devrede, akım bir süre sonra kesilmez. Sonuç olarak: AC devredeki kondansatör, akım akışına karşı bir engel oluşturmaz, ancak bir direnç gösterir denilebilir. Kondansatörün gösterdiği bu dirence Kapasitif Reaktans denir. Kapasitif reaktans, ile gösterilir, birimi dirençle aynı olup Ohm’dur.

Bu ifadeden hareketle kondansatörün kapasitif reaktansının; kapasitesi ve frekansı ile ters orantılı olduğu söylenebilir. Kondansatörün kapasitesi ve çalışma frekansı arttıkça kapasitif reaktansı, diğer bir deyimle direnci azalır.

Kondansatörün AC akıma karşı gösterdiği bu direnç, resistif (omik – saf direnç) dirençten farklıdır. Saf dirençte gerilim farkı ile akım arasında direnç değeri kadar bir oran olmasına rağmen, kondansatör ve endüktans gibi değişken ifadelere sahip elemanların dahil olduğu bir devrede bu oran değişir. Kondansatör AC akımda dirence dolaylı yönden etki etmektedir. Açıklamak için empedans kavramını tanımlanır.

Empedans yukarıdaki gibi tanımlanırken saf direnç eşdeğerini, reaktansın eşdeğerini belirtir. Kondansatörün ve kapasitif bir sistemin reaktansı ‘dir. Dolayısıyla empedansın sanal kısmı frekans domeni ifadesine göre aşağıdaki gibi olur.

Bir direnç ve bir kondansatörün bağlı olduğu devre göz önüne alındığında empedans, aşağıdaki gibi olur.

Empedansın sanal kısmında işaret ‘ye dönüştü. Bu da yandaki empedans diyagramında olduğu gibi kapasitif reaktansın ters yönde dönmesine neden olur. Dolayısıyla, kondansatör empedansının faz açısı negatif yönde çıkar. Aşağıdaki grafikten de kapasitif bir yükün empedansının fazör diyagramı görülür.

Bu ifadeden anlaşılan, gerilimin faz değerinin, akımla empedansın faz değerlerinin toplamı olduğudur. Kapasitif devrede empedansın faz değeri negatif olduğundan aşağıdaki eşitlikler çıkartılır.

Son ifade akımın faz açısının gerilimin faz açısından büyük olduğunu ifade etmektedir. Yani akım fazörü, gerilim fazörüne göre önde ilerler. Kapasitif devrelerde akım gerilimden ileridedir ve empedansın sanal kısmı negatif değer alır.

AC devrelerinde reaktif güç devreye girer ve hesabı için faz farkına ihtiyaç vardır. Kondansatör plakaları arasında depoladığı elektrik enerjisini kaynak kesildikten sonra devreye verdiğinden faz kayması oluşturur. Kapasitif devrelerde empedansın sanal kısmı negatif değer alır, bu da empedansın faz değerinin negatif olması anlamına gelir.

Akım – Gerilim – Empedans arasındaki ilişki kullanılır;

Bu ifadeler, gerilimin faz açısının, akımla empedansın faz açılarının toplamına eşit olduğunu belirtir. Kapasitif devrede empedansın faz değeri negatif olduğundan, aşağıdaki eşitlikler çıkarılır.

Grafikte akım ile gerilim grafiklerinin ekseni kestiği noktalar görülüyor ve akım grafiği x eksenini daha önce keser. Yani akım faz olarak gerilimden daha ileridir. Bu da tanıma göre kapasitif yüklerde faz farkı açısının negatif olduğunu ifade eder.

Faz farkı gözlem yoluyla da anlaşılabilir; kondansatör, üzerine gerilim uygulandığı anda dolmaya başlar, frekans değerine göre üzerinden akım geçirme düzeyi artar. Kapasitif bir devreye herhangi bir anda bakıldığında, bazı anlarda gerilim olmasına rağmen akımın hala akmaya devam ettiği görülür. Çünkü kaynak kesildiğinde bile, kondansatör depoladığı yüklerle devreden bir süre akım geçmesini sağlar. Bunlar faz farkının varlığına işarettir.

Reaktif güç elektriksel güçte görünür gcün bir bileşeni olup iş yapabilme ve işe dönüştürülebilme özelliği yoktur. Bu güç, kondansatörlerde plakalar arasında elektriksel alan olarak saklanır. Kaynak kapandığında ise devreye geri verilir. Anlık gücün yukarıda bulunan tanımında içinde faktörünün bulunduğu kısım bize reaktif güç değerini verir. Reaktif gücün frekansı da normal frekanstan farklıdır, iki katına çıkar.

Güç ifadesi, elemandan geçen akımla elemanın uçları arasındaki gerilimin çarpımından oluşur. Empedans kavramının verdiği bilgiler eşiğinde aşağıdaki eşitlikler sağlanır. Akım fazörünün üstündeki yıldız , fazörün transpozesinin alındığını, daha basit anlamıyla genliğinin sabit kalması şartıyla faz açısının terse dönüp işaret almasını anlatır. Ayrıca fazörlerin altında bulunan ifadesi de fazörlerin efektif yani etkin değerlerinin alındığını gösterir. Sinüsoidal bir dalgada efektif değer, genliğin 2′nin kareköküne bölünmüş halidir. Matematiksel olarak aşağıdaki ifadeler kullanılabilir.

Bu formüller ışığında kondansatörde depolanan reaktif güç aşağıdaki gibi bulunur.

Kondansatör her ne kadar direnç gibi pasif, yani kontrolsüz elemanlardan da olsa dirence göre farklılıklar taşır. Matematiksel ifadesi direnç gibi doğru orantılı değildir, türev ifadesi içerir. Kondansatör akımının akması, zaman domeni ifadesinden anlaşıldığı gibi, kondansatörün uçları arasındaki gerilimin değişmesine bağlıdır. Alternatif akımda kaynak gerilimi sürekli değişir, kondansatöre uygulanan gerilim değeri de değişime uğrar. Bu da kondansatörden sürekli akım geçmesini sağlar.

Kondansatör AC akımın geçmesini engellemez. Direnç elemanı gibi olmasa da akıma karşı bir tepki gösterir, direnç uygular. Omik dirençten farklı olarak akımın hem değerini düşürür, hem de fazının gerilime göre kaymasına neden olur. Kondansatörün AC gerilime karşı koyma eşdeğerine kapasitif reaktans adı verilir. Kapasitif reaktans, kaynak frekansı ve kondansatör kapasitesine bağlıdır. Frekans ve kapasite yükseldikçe reaktans düşer. Reaktansın düşmesi;

Empedans diyagramı incelendiğinde görülür ki, kapasitif yüklerde empedansın sanal kısmı negatif, direncin yönü sürekli pozitif yönde olur. Reaktans negatif yönde olduğundan bu iki fazörün bileşiminin açı değeri negatif çıkar. Empedansın açısı kapasitif yüklerde negatif değer alır ve dolayısıyla akım fazörü gerilim fazörünün önünden ilerler. Kondansatör, çalışmaya başladığında sürekli olarak dolup boşalma hareketi yapar, belli bir yerde kaynak akımı kesilirse kondansatör depolamış olduğu yükleri devreye verir ve kısa süre de olsa akım geçmesini sağlar. Yani akım fazörü gerilim fazöründen ilerdedir denir.

Kondansatör reaktif güç depolayan bir elemandır. Reaktif güç işe dönüştürülmemesine rağmen motorlar endüktif ve bobin yapısında olduğundan çalışmaya başlamaları için bir manyetik alana ve reaktif güce ihtiyaç duyarlar, endüktif devrelerin çalışması için gereken reaktif güç de kondansatörlerden karşılanır. Ancak şebeke durumundan bakarsak reaktif gücün ihtiyaçtan fazla bulunmasının istenmeyen bir durum olduğu unutulmamalıdır. Bunun için kompanzasyon yapılır ve reaktif gücün düşürülmesi yoluna gidilir.

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;

Aşağıdaki liste hangi uygulamanın ne kadar kapasiteli kondansatörlerle gerçekleştirildiği ve bu kondansatörlerin ne gibi özelliklere sahip olması gerektiği hakkında bilgi sunar.^[8]

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. İçindeki yükü ise kendisine bağlanan direnç değerine göre belli bir sürede boşaltan kondansatörler, devreye bağlandığı zaman kısa süre içinde yüklerini tüketirler, çünkü içlerindeki yük pile göre hem azdır hem de yeni yük üretimi yapamaz. Kondansatöre kısa devre yapıldığında bu yükün kıvılcım çıkartacak derecede hızlı aktığı görülür. Hem enerjiyi depolama hem de yükü aniden devreye sokma özelliklerinden dolayı, kaynağın devre dışı kalacağı durumlarda ve ani yük akışına ihtiyaç olan alanlarda kondansatörler kullanılabilir.

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.^[9]

Kondansatörler, 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 höparlörün 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. Bu kullanım şekli daha da genişletilebilir, farklı farklı kullanım alanları bulunabilir.

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 birkaç saniyeliğine tutacak şekilde tasarlanmıştır.

Kondansatör ani yük boşalmaları yapabildiğinden laboratuvar ortamında deney ve 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. Depolanan enerji bir anda kısa devre edilir ve bir noktaya hedeflendirilir, böylece yapay bir yıldırım oluşturulabilir.

Anlık güç ifadesinde de anlatıldığı üzere kondansatörler aktif güç harcamazlar ve reaktif güç depolayıcı olarak çalışırlar. Endüktif devreler ise çalışmalarının başlangıcı için reaktif güce ihtiyaç duyarlar ve çalışırken reaktif güç oluştururlar. Kondansatörler reaktif güç depolarken endüktanslar da çalışmak için reaktif güç harcıyorlar. Bu harcayacakları güç de kondansatörler tarafından sağlanabilir. Ayrıca endüktif devrelerin faz kayması akımın geri kalması yönündeyken, kapasitif devrelerin faz kayması akımın önde gitmesi yönündedir. Bu da faz açısının ayarlanması için bize olanak sunar.

Elektrik makineleri veya daha bilinen adıyla motorlar büyük bobin sarımlarından oluştuğundan endüktif devrelere sahiptirler. Endüktif devrelerin anlık güçlerinin ifadeleri çıkarıldığında görülecektir ki endüktanslar harekete geçmeleri için reaktif güç harcayıp çevrelerinde manyetik alan oluştururlar. Bu reaktif güç şebekeden de çekilebilir. Ancak birçok fabrikanın, bir çok motorun ve endüktif devrenin bulunduğu bir bölgede çekilen reaktif güç verimin oldukça aşağı düşmesine neden olacaktır. Bunun için motorların devrelerine reaktif güç yüklü kondansatörler bağlanır ve motora yol verilmesi yani motorun harekete geçirilebilmesi için gereken reaktif güç bu kondansatörlerden sağlanır. Bu kondansatörler elektronik devrelerde kullanılan kondansatörlere göre fiziksel olarak oldukça büyüktür. Çünkü motorlar 220 veya 380 Volt ile çalışırlar ve fazla miktarda reaktif güce ihtiyaçları vardır, bunu depolayacak kondansatörler de tabii ki büyük olacaktır.

Reaktif güç ile aktif gücün bileşiminden oluşan görünür güçte, aktif gücün maksimum hale getirilip, güç faktörünün düzeltilmesi ve verimin en büyük halini alması işlemine kompanzasyon denir.

Uygulamada fabrikalar, elektrik makineleri, iş makineleri ve motorlar endüktif çalıştıklarından bağlandıkları şebekeye reaktif güç verirler. Verilen reaktif güç aktif gücün dolayısıyla verimin oldukça düşmesine neden olur. İki eş sistemin kompanze edilmiş ve edilmemiş halleri karşılaştırıldığında çekilen akımın değişmediği, ancak aktif gücün arttığı görülür. İşte verimin artması ve şebekenin reaktif güçten kötü etkilenmemesi için endüktif sistemin girişine bir kompanzasyon kondansatörü bağlanır ve devrede üretilen rekatif güç şebekeye verilmeden kondansatörlerde depolanır. Motor devreye girerken de bu kondansatörler depoladıkları reaktif gücü motorlara geri verirler. Dolayısıyla şebeke sistemi saf resistif bir sisteme yakın olarak görür ve şebekeyle sistem arasında reaktif güç alışverişi olmaz.

Havai nakil kablolarının her biri farklı bir fazı taşır, her bir kablonun sahip olduğu gerilim değeri anlık olarak değişmektedir ve kablolar arasında gerilim farkları oluşur. Kablolar kondansatör plakaları, aralarındaki mesafe yalıtkan kalınlığı ve aradaki yalıtkan da hava olarak hayal edilirse, havai nakil hatlarının oldukça büyük ve uzun bir kondansatör olduğu varsayalabilir. Her ne kadar kablolar arası mesafenin çok açık olması kapasite değerinde düşmeye yol açsa da bu kabloların kilometrelerce ilerlerdiği düşünüldüğünde, toplamdaki kapasite değeri hattın varış noktasında çıkış noktasına göre faz farkının oluşmasına neden olacaktır. Yani havai nakil hatlarının da bir kapasitesi vardır ve hesaba katılır.

Havai hatların kapasite değerleri kablonun cinsine, kablo aralığına göre değişir. Havai hatlar çekilirken kullanılacak kablonun kilometre başına kapasite (F/km) değeri kataloğundan okunur. Buna göre hesaplama yapılır.

Kondansatörler içlerinde biriktirdikleri enerjiyi yüke boşaltmak suretiyle doğrultucu devrelerinde de kullanılabilirler. En basit doğrultuculardan olan yarım dalga doğrultucuda yüke ulaşan gerilimin grafiği alttaki resimde görülür. Ancak DC gerilimle çalışan bir alet için elde edilen bu gerilim grafiği uygun değildir. Çünkü aletin istediği, bir pilden elde edilebilecek kadar düz ve pürüzsüz bir gerilimdir.

Yandaki şemada yarım dalga doğrultucuya bağlı bir yüke paralel kondansatör bağlanması örneği görülür. Gerilim artarken yük depolayan kondansatör, gerilimin düşmeye başlayınca, yani ifadesinde bulunan gerilimin türevi negatif değer alınca içindeki elektrik yükünü, yüke iletmeye başlar. Bu noktadan itibaren AC gerilim azalırken, kondansatör bir kaynak gibi davranır ve içindeki yükü önündeki empedans değerine göre boşaltır. Yüke iletilen gerilimin grafiği yandaki resimde üstteki gerilim grafiği haline gelir. İlk duruma göre bu grafik DC gerilime daha yakındır. Bu da DC gerilimle çalışan bir aletin düzgün şekilde çalışması için daha uygundur.

Kararlılığa ulaşmış bir kondansatörlü doğrultma devresi göz önüne alındığında, üstteki grafikte gerilimin bir maksimum ve bir minimum değerleri olduğunu görürüz. Bu iki değer arasındaki fark dalgacık (ripple) olarak adlandırılır. Bu dalgacıkların genliği ne kadar düşük olursa o kadar doğru gerilim değerini yakalanmış olur.

Doğrultucuda kullanılan kondansatörlerin kapasite değerleri de elde edilen gerilim grafiğini etkiler. Kapasiteleri farklı 3 kondansatör aynı doğrultucu devresine bağlandığında grafikte olduğu gibi kapasite değeri arttıkça yük geriliminin DC gerilime yaklaştığı görülür. Bunun nedeni ise kondansatörün kapasitesinin arttıkça depoladığı yük miktarının artması ve bu elektrik yükünün daha uzun süre yükü beslemesidir. Yani kısaca, doğrultucu kondansatörlerinin kapasite değerleri arttıkça, DC gerilime yaklaşım sağlanır ve dalgacık genliği düşer.

RC filtreler bir direnç ve bir kondansatörün bağlanmasıyla oluşturulur. Bu filtrelerin görevleri adlarında belirtilir. Görevleri belli frekansların geçmesini belli frekansların ise söndürülmesini sağlamaktır. Aynı şekilde bu devrelerin matematiksel analizi yapıldığında bir matematiksel operatörün ifadesi elde edilir. Yani RC devreleri frekans geçirme görevlerinin yanında matematiksel işlev operatör elde edilmesi için de kullanılan devrelerdir.

Bu RC devresinin görevi isminden de belli olduğu üzere alçak frekansları geçirmektir. Yandaki devre şemasında da görüldüğü gibi bir direnç ile bir kondansatör birbirine seri halde bağlanıp, AC kaynak altında kondansatörün uçları arasındaki gerilim değeri okunur ve toplam gerilim ile çıkış gerilimi arasında frekans analizi yapılırsa bu sistemin belli bir frekans değerinden düşük frekansları aynen geçireceği, bu frekans değerinin üzerindeki frekansları ise hızlı bir şekilde söndüreceği görülür.

Ayrıca aynı sistemin gerilim analizi zaman domenine göre yapıldığında görülecektir ki kondansatörün uçları arasındaki gerilim, giriş geriliminin integrali alınmış ve bir sabitle çarpılmış haline eşittir. Dolayısıyla bu devre aynı zamanda integral alıcı devre olarak da anılır. İntegral ifadesinin önündeki sabit de bağlanan elemanların direnç ve kapasite değerlerine bağlıdır.

Yine aynı şekilde bu RC filtresinin görevi de isminden bellidir. Yanda şeması gösterilen devreden de anlaşıldığı gibi bir direnç ve bir kondansatör seri bağlanır ancak bu sefer direncin uçları arasındaki gerilim değeri okunur. Ardından yapılan frekans analizinde görülür ki bu devre bir frekans değerinden düşükte kalan frekansları geçirmeyip söndürmekte, o frekans değerinden yüksek frekansları ise aynen geçirmektedir.

Gerilim analizi zaman domeninde yapıldığı zaman ise direncin uçları arasındaki gerilimin giriş gerilimin türevi alınmış ve bir sabitle çarpılmış haline eşit olduğu görülür. Bu sabit yine direnç ve kapasite değerlerine bağlıdır. Bu sebeple bu devreye türev alıcı devre adı da verilebilir. dalgana bak

Yalıtkan bir malzemenin içinde depolayabileceği yük miktarı o malzemenin bir karakteristiğidir, yani farklı malzemelerin aynı koşullarda depolayabilecekleri yük miktarı da farklı olur. Bir malzemenin üzerinde yük depolayabilme yeteneği yalıtkanlık (dielektrik) sabiti adı verilen katsayı ile ölçülür ve bu katsayı her malzemede farklı değer alır. Hesaplama kolaylığı açısından her malzemenin dielektrik katsayısı, boşluğun dielektrik katsayısına göre oranlanır ve ortaya çıkan yeni katsayıya bağıl dielektrik (yalıtkanlık) sabiti adı verilir, kısaca vakumun yalıtkanlığı temel alınarak diğer malzemelerin yalıtkanlığı buna göre kıyaslanır. ^[10] Bir yalıtkan malzeme bağıl dielektrik sabiti oranında, vakuma göre daha fazla yük depolar. Alttaki kutuda vakumun dielektrik sabiti verilmiştir.

Hakkında Bilgi

Yalıtkan malzemelerin karakteristikleri arasında gerilime dayanıklılık da sayılmalıdır. Bir malzemenin yalıtkanlığını yitirip deforme olduğu gerilim değerine bozulma – delinme gerilimi adı verilir ve yalıtkanlar için önemli bir göstergedir. Kondansatörlere delinme gerilimlerinden büyük bir gerilim kesinlikle uygulanmamalıdır, çünkü bu şekilde kondansatör iletken haline gelir ve işlevsiz kalır. ^[10]

Bazı yalıtkanların bağıl dielektrik sabitleri ve delinme gerilimleri^[11]

Çeşitli fiziksel yapılarda kondansatörler temin edilebilir. Elektronik ve metalürji bilimlerinin gelişmesi, oldukça küçük ve farklı yapılarda kondansatör üretimini mümkün kılmıştır. Örneğin entegre devrelerin üzerinde mercimek ve pil şeklinde görülebilirler. Farklı yapıdaki kondansatörlerin kapasite değerleri belli başlı formülasyonlara göre hesap edilir. İki düz metal tabakadan üretilen kondansatör ile silindir veya daire şeklinde olan kondansatörün kapasiteleri farklı şekilde hesap edilir. Her ne kadar düzlemsel kondansatörün hesabı kolay olsa da 3 boyutluluk, silindiriklik ve küresellik devreye girdiğinde formulasyonlar oldukça karışık hale gelir.

Uygulamada oldukça fazla karşılaşılan bir kondansatör tipidir. Düzlemsel iki metal tabaka arasında belli bir dielektrik katsayısına sahip olan bir yalıtkanın yerleştirilmesiyle elde edilir.

Düzlemsel koordinatlarda gerilim değişimi bir boyutta gerçekleşir. Değişimin sadece x ekseninde olduğu yandaki şekilden görülür. İki kalın çizgi metal tabakaları belirtirken, aradaki kadar uzaklık içerisine yalıtkan bir malzeme yerleştirilir. Metal tabakaların alanları olup, birinin gerilimi iken diğer tabakaya gerilimi uygulandığında elektrik alanı , yüksek gerilimden düşük gerilime doğru olur.

Tabaka üzerinde herhangi bir noktada gerilim yani ve ekseni üzerinde gerilim değişmez. Yalıtkan malzeme gerilime karşı bir direnç gösterir ve bu sebeple gerilim düşümü ekseni üzerinde olur, bir tabakadan diğerine geçerken gerilim değerinden değerine düşer. Kondansatörün gerilim uygulanmayan plakasının , gerilim uygulanan plakasının konumlarında bulunduğu göz önüne alınır ve hesaplamalar sonucunda düzlemsel kondansatörün kapasite değerinin nelere bağlı olduğu bulunur.

Bu ifadeye göre düzlemsel kondansatörlerde kapasiteyi değiştiren etmenler, aradaki malzemenin dielektrik katsayısı, malzemenin kalınlığı ve metal plakaların yüzey alanıdır. Yüzey alanı, dielektrik katsayısı arttıkça ve aradaki mesafe azaldıkça kapasite artar.

Küresel kondansatörler iki metal kürenin içiçe konulup aralarına bir yalıtkanın yerleştirilmesiyle oluşturulur. Gündelik hayatta fazla kullanım alanı yoktur, genellikle yüksek gerilim tekniğinde benzetim yapmak için kullanılır ve kolaylık sağlar. Farklı çeşitleri mevcuttur, kürelerin merkezleri birbirindek ayrık, küreler birbiriyle ilişkisiz olabilir. Ancak hesaplamada kolaylık olması açısından eşmerkezli küresel kondansatörler kullanılacaktır.

İç küre yarıçapının , dış küre yarıçapının olduğu kabul edilir. Kondansatör ekseninde ise yine ve uzaklıkları arasında yer alır. İç küreye gerilim uygulanıp, dış küreye gerilim uygulanmadığında, sistem belli bir değerde yük depolama özelliğine sahip olur. Eşmerkezli küresel kondansatörlerde kapasite değerinin ifadesi aşağıdaki gibi yazılabilir.

Bu ifadede kesin olan tek şey, aradaki malzemenin dielektrik katsayısının kapasite değerini doğru orantılı etkilediğidir. ve yarıçapları ise alacakları değerlere göre kapasite değerini etkilerler, bu oran tasarım açısından çeşitlilik olanağı sunar.

Silindirsel kondansatörler iki metal silindir tabakanın birbirinin içine yerleştirilmesi ve aralarına yalıtkan bir malzemenin koyulmasıyla tasarlanır. Bu tip kondansatörlerin günlük hayatta kullanımı çoktur. Kablolar, yüksek gerilim havai hatları veya geçit izolatörleri bu kullanım alanlarına örnek olarak verilebilir.^[12] Benzetim açısından da kolaylık sağlayan silindirsel kondansatörlerin incelenmesinde eşeksenli olanları kullanılır.

İç silindir yarıçapı , dış silindir yarıçapı iken, silindir uzunlukları olarak alınır. Gerilim iç silindire uygulanır, dış silindir ise gerilimsiz bırakılır. Bu durumda sistem yalıtkan malzeme üzerinde yük depolar. Kapasite değeri ise aşağıdaki gibi bulunur.

Eşeksenli silindirsel kondansatörlerde kapasite değeri, yalıtkan malzemenin dielektrik sabitinden ve silindir uzunluğundan doğru orantılı olarak etkilenir, bu ikisinin artması kapasiteyi artırmaktadır. Doğal logaritmik ifadenin içerisinde gelen yarıçaplar oranı ise ters orantılı bir etki yapar. Yarıçaplar arasındaki oranda oynama yapılarak çeşitli değerlerde silindirsel kondanstörler elde edilebilir.

Kondansatörlerde elektrotların birbirlerine göre konumları düzlemsel, küresel ve silindirsel olmaları hakkında bilgi verir, farklı fiziksel yapılar farklı ihtiyaçlar için geliştirilmiştir ve seçenekleri artırıp uygulama çeşitliliğine uyum sağlarlar. Kondansatör imalatında asıl önemli olan, kullanıcıların isteklerini karşılayacak şekilde, farklı uygulamalar için farklı ürünler imal etmek, bunları imal ederken de kapasite değeri ve çalışma gerilimi üzerinde ayarlamasında farklı yalıtkan malzemelerin farklı yalıtkanlık özelliklerinden faydalanılır.

Kapasite değeri, yalıtkan malzemenin incelmesi (elektrotların birbirine yaklaşması) ve elektrot alanının artmasıyla artar fakat yalıtkanların incelmesi malzeme açısından üretimde zorluk yarattığı gibi çalışma geriliminin azalmasına yol açtığından çok da avantajlı değildir. Ayrıca elektrot alanının artması da kondansatör büyüklüğünün artmasına neden olacağından bir yerden sonra kullanışsızlığı peşinden getirmektedir. Dolayısıyla imalat ve tasarım aşamasında bir optimizasyona gidilmelidir. İstenen kapasite ve çalışma değerleri en küçük ve kullanışlı boyuta nasıl getirilebilir tasarlanmalıdır. Bu tasarlama çalışmaları farklı yalıtkanların kullanıldığı farklı kondansatörlerde yalıtkanların özellikleri göz önüne alınarak yapılır.

Kondansatörlerde alüminyum, gümüş veya kurşun elektrotlar kullanılır ancak alüminyum elektrot kullanımı en yaygın olanıdır. Yalıtkan farklılıkları ise kondansatörler arasındaki temel farkı oluşturur. Yalıtkan ile alüminyum film iletkenlerinin oluşturduğu kondansatöler ise bir kabın içerisine yerleştirilir ve enerjili kısım yalıtılmış olur.

Kondansatörlerde küçük boyutta istenen kapasite değerini elde etmenin yollarından bir tanesi elektrot alanında artırım yapmaktır, ancak elektrotlar düzlemsel olarak kullanıldığında alan arttıkça kondansatör boyutu de artmaktadır. Kondansatörlerde sargı yöntemi, elektrot alanında artma elde ederken boyutlardaki artmanın daha kabul edilebilir seviyede kalması için uygulanan bir yöntemdir.

Sargı yöntemi düzlemsel kondansatörlerin küçük boyuta sığdırılması amacını taşıyan bir yöntemdir. Uygulanması için (yandaki resimden takip edilebilir) boy olarak makul ancak en olarak uzun elektrot ve yalıtkan malzeme seçilir. Elektrot ve yalıtkan malzemelerin kolayca bükülebilir olması sargı yöntemi için şarttır. Dıştan içe doğru sırayla yalıtkan – elektrot – yalıtkan – elektrot dizilimi sağlanacak şekilde malzemeler üstüste yerleştirilir. Ardından bir rulonun etrafına, oluşturulan bu kondansatör sarılmaya başlanır. Tamamen sargı haline gelmiş kondansatör yalıtkan bir kabın içerisine yerleştirilerek dış ortamdan izole edilir. Görünüş olarak silindirsel kondansatöre benzese de temelde tasarlanan düzlemsel bir kondansatörün sarılmış halidir. Yandaki resimde görülen kondansatör, içteki alüminyum elektrot yani anota artı (pozitif) kutup bağlandığında çalışmaya başlayacaktır.

Kondansatörün kullanım alanına göre terminallerinin yani uçlarının yerleri tasarlanmalıdır. Radyal bir kondansatörde uçlar aynı kenardan aynı yöne doğru çıkarlar. Aksiyal kondansatörlerde ise bir uç tavandayken diğer uç taban kısmında olur ve ters yönlere doğru çıkarlar. Sargı işlemi gerçekleştirilmeden önce düzlemsel elektrotların aynı yöne bakan kenarlardan uzatılan uçlar radyal kondansatör, ters yöne bakan kenarlardan çıkarılan uçlar ise aksiyal kondansatör elde edilmesini sağlar.

Sargı yöntemiyle, düzlemsel kondansatör halinde bırakılsa kullanışsız olacak derecede büyük boyutlara ulaşabilecek kondansatör, çok küçük bir boyutta aynı işlevi görmüş olur. Kağıtlı (yağ emdirilmiş), alüminyum film gibi çeşitli kondansatörler bu şekilde elde edilirler.

Kondansatörlerde kullanılan yalıtkan malzemenin bükülmez olması durumunda sargı yöntemi gerçekleştirilemez. Elektrot alanının artırılması birçok elektrotun birbiri içine geçirilip, elektrotlar arasına esnek olmayan yalıtkan malzemeden yerleştirilmesiyle çok katlı elektrot yöntemi uygulanmış olur.

Birçok elektrot – yandaki resimden de takip edilebildiği gibi – ardışık olarak (bir tarak gibi) birbirlerinin içine geçirildiğinde, toplam elektrot sayısının bir eksiği kadar kondansatör paralel bağlanmış olarak elde edilir. Kondansatörün iki elektrot arasındaki mesafesi , malzemenin yalıtkanlık katsayısı , elektrotların birbirine bakan alanları ve toplam elektrot sayısı olduğu düşünülürse çok katlı elektrota sahip bir kondansatörün kapasite değeri aşağıdaki gibi bulunur.

Mika ve seramik, esnek olmayan ancak elektriği iyi yalıtan ve kolayca inceltilebilir malzemeler olduklarından, seramik ve eski tip mikalı kondansatörler bu yöntemle imal edilirler.

Kondansatörler enerji depolayan elemanlardır ve içlerindeki elektriksel yükü uzunca bir süre saklayabilirler. Güç girişi kesilmiş bir devrede bulunan kondansatör bile depo ettiği yükü boşaltarak devrenin diğer elemanlarının zarar görmesine yol açabilir. Devreden ayrılmasına rağmen uçları arasına herhangi bir yük bağlanmayan kondansatör depoladığı yükü uçları kısa devre edildiği an hızla boşaltır ve bazen öldürücü olabilen şoklara, elektrik yanıklarına neden olabilir. 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.

Yüksek kapasite değerine sahip veya yüksek gerilimde çalışan kondansatörlerle çalışılırken dikkatle davranılır, kondansatörün tamamen boşaldığından emin olduktan sonra temas etmek sağlık açısından faydalıdır. Kondansatörler devreden söküldükleri anda yük depolamış halde bulunurlar, bu sebeple içlerindeki elektriksel yükünü boşaltmak için sönümlendirici direnç adı verilen, 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. Yüksek gerilim kondansatörleri istiflenirken uçları arasına bir yalıtkanla kesinlikle kısa devre yapılır, çünkü bu tip kondansatörler cidden büyük zararlara yol açabilecek yükleri içlerinde depolayabilirler.

Eski yağ emdirilmiş büyük kondansatörler poliklorlanmış bifenil (PCB) içerirler. PCB bileşikleri artıkları topraktan yeraltı sularına karışabilmektedir. PCB’ler içme suyuyla çok az bir miktarda tüketilse bile kanserojen etki göstermektedir. PCBlerin insan vücuduna karışması aşağıdki yollarla olabilmektedir;

Bu nedenlerden dolayı eski büyük tip yağ emdirilmiş kondansatörler için çeşitli önlemler alınmalı, akıntı yapmış kondansatörler kesinlikle güvenli bir şekilde yok edilmelidirler. Bu sağlık risklerinden dolayı artık PCB içeren kondansatörler üretilmemekte ve kullanımda olanlar tedavülden kaldırılmaktadır.

İnsanlığın iki metal tabaka arasına bir yalıtkan malzeme yerleştirmek suretiyle icat ettiği kondansatörler, büyük bir sanayi alanı oluşturmuş ve günümüzde milyonlarca doların döndüğü bir pazar haline gelmiştir. Öyle ki farklı uygulamalar için farklı büyük alt kollara ayrılmış, pazar içinde birçok pazar oluşturmuştur. Kondansatör sanayisi, diğer teknolojik gelişmelerden fazla etkilenmemiş, yapımında kullanılan malzemelerin çeşitliliğinden ziyade yapı ve fiziksel boyutunda gelişmeler görülmüştür.

Alüminyum hala elektrotlarda kullanılan yegane malzemedir. Yağ emdirilmiş kâğıtların yalıtkan malzeme olmaktan çıkması ise 1960′lı yıllara rastlar. Plastik filmlerin yalıtkan olarak kullanılmasıyla beraber kondansatör teknolojisinde en büyük ilerleme kaydedilmiş, kâğıtlı kondansatörler tedavülden kalkmaya başlamış ve kuru yalıtkanlı kondansatörler ortaya çıkmıştır. Yine bu ilerlemeyle birlikte kondansatör imalatında devrim niteliğinde gelişmeler olmuş, çok küçük boyutlu ve ucuz kondansatörlerin üretimi mümkün olmuştur.

Modern kondansatör sanayisindeki büyüme, II. Dünya Savaşı’nda elektronik bilimindeki gelişmelerle tetiklenmiştir. Barışın sağlanmasının ve elektronik bilimine yeni alt dalların eklenmesinin ardından dünya genelinde kondansatör ihtiyacı inanılmaz bir şekilde artış göstermiştir. Ancak yandaki grafikte de görüldüğü gibi, üreticiler açısından şanssız bir durum olarak, kondansatör sanayisi dünya ticaretindeki ihtiyaç artış ve azalmalarından oldukça fazla etkilenmiştir, bu da tüketicilerin kondansatör ihtiyacında büyük değişikliklere yol açmıştır. Bu sebeple de kondansatör üreticileri öngörü yapmakta zorlanmış ve ağzı sıkılığı tercih etmiştir.

Kondansatör pazarında 2000 yılında rekor kırılmasının ardından 2001 – 2002 yıllarında piyasa düşüşe geçmişti ve piyasanın yeniden hayat belirtisi göstermesi için 2003 yılının ikinci yarısına kadar beklenmesi gerekiyordu. Bu canlanış 2004′ün ilk yarısında gelen yüksek talep ve sabit fiyat sayesinde ivme kazandı. Ancak bazı ekonomik sebepler yüzünden 2005 yılında başlayan düşüş 2006 yılına kadar devam etti. Günümüzdeki ekonomi çevrelerindeki beklentiler kondansatör piyasasının 2009 yılına kadar büyük bir büyüme içerisine gireceği yönündedir.

2000 yılının sonunda haberleşme ve telekom teknolojileri piyasasında meydana gelen çöküşün ardından kondansatör sanayisi yeni bir yapılanmanın içine girdi ve farklı alanlarda mücadele etmek zorunda kaldı. Günümüzde kondansatör piyasası fiyatlandırma, malzeme fiyatlandırması ve ulaşılabilirlik, kondansatör teknolojileri arasındaki yarış, kapasite değerleri, Çin ve Tayvan gibi ucuz üretim yapan ülkeler hakkında acil önlemler, üretimin yıllar geçtikçe bu ülkelere kayması, kondansatörlerden kurşun gibi zararlı malzemelerin temizlenmesi ve daha zararsız malzemelerin kullanılması gibi alanlarda mücadele vermektedir.

Pasif elektronik elemanlar piyasasında Avrupa’da birinci, dünya genelinde ikinci büyük firma olan EPCOS’un kondansatör piyasası ile ilgili verileri kullanılarak piyasanın bugünü ve geleceği daha iyi takip edilebilir. Merkezi Almanya’da bulunan firma kondansatörler, seramik elemanlar (seramik kondansatörler dahil), ferrit ve endüktanslar gibi alanlarda söz sahibidir. EPCOS kondansatör fabrikası alüminyum, tantalum, film, güç kondansatörü ve ultrakondansatör üretimi yapmaktadır.

Firmanın kondansatör satışlarında 2004 yılında bir önceki yılın aynı dönemine göre % 1.1 artış gözlenmiştir ve satış 350 milyon €’dan 354 milyon €’ya çıkmıştır. Yılın son çeyreğinde ise yine geçen yılın son çeyreğine göre % 7′lik bir satış artışı görülmüş ve satış 83 milyon € olmuştur. Bu artışı otomotiv ve endüstriyel elektronik alanında ortaya çıkan alüminyum kondansatör ihtiyacı sağlamıştır. Tüketicilerin film kondansatör ihtiyacındaki artış yine satışı artırmıştır ancak tantalum kondansatörlerin bu artışta payı yok denebilecek düzeydedir.

Aşağıdaki iki liste EPCOS firmasının 2003 yılında yaptığı kondansatör satışlarının hangi endüstriye yüzde olarak ne kadar yapıldığını ve kondansatör çeşitlerinin toplam satış içerisindeki payını göstermektedir.

Kaynak: http://tr.wikipedia.org/wiki/Kapasit%C3%B6r