DONANIM KURSU-2

• Kurslar ve dersler

Kursumuzun ilk bölümünde elektronik ölçümlerin nasıl yapıldığını görmüş ve en basit devre elemanlarından dirençleri tanımıştık. Bu ay ise kondansatörleri ele alacağız. Doğru akım (d.c.) olarak düşünüldüğünde bir kondansatör, d.c. akımların akmasına engel olan bir kesiklikten farksızdır. Fakat bu kesikliğe gelen akım yok olmamakta, tam tersine burada depolanmaktadır. Tabii bu işin fiziksel açıklaması bu kadar basit olmamakla birlikte yine de bir fikir vermektedir. Kondansatörlerin atası olarak “Leyden Kavanozu” gösterilebilir (Resim 1). Bu kavanozun içi ve dışı metal plakalar ile kaplanmıştı ve iç-dış plakalar arasında herhangi bir elektriksel bağ bulunmamaktaydı. Bu basit düzenek ile insanları çarpacak miktarda elektrik depolamak mümkün oluyordu. Sonraki yıllarda bilim adamlarının bu konunun üzerine eğilmeleriyle birlikte bugün kullanılan kondansatörler ortaya çıktı. Bilim adamlarının gözlemleri sırasında karşılaşılan ilk gerçek şuydu: Kavanozdaki metal yüzeyi ne kadar büyük olursa, depo edilen şarj miktarı da o kadar fazla oluyordu. Diğer ilginç bir özellik ise, ince kavanozların aynı ebatlarda, fakat kalın kavanozlardan daha fazla elektrik depolayabilmeleriydi. Daha sonraları, iki metal arasındaki maddenin de çok önemli olduğu ortaya çıktı. Cam havaya göre, sülfürde cama göre daha iyi netice verebiliyordu. Günümüzde ince bir yalıtkan şeridin iki tarafına yine ince metal şeritler konulmak suretiyle çok çeşitli kondansatörler yapılmaktadır. Bu düzenekle elde edilen bir kondansatörün değeri “Farad” adı verilen birim ile belirtilmekte, bir kondansatörün farad cinsinden değeri ise Resim 2'de görülen formül ile hesaplanmaktadır. Bu formülde alan m² cinsinden, plakalar arasındaki mesafe ise metre, e ile gösterilen çokluğa ise “permitivite” adı verilir ve değeri yalıtkan olarak kullanılan maddeye göre değişir. Örneğin havanın permitivitesi oldukça düşük, buna karşılık seramiğinki ise oldukça yüksektir. Yine yapılan deney ve gözlemlerin sonuçlarına göre kondansatörün iki ucu arasına ne kadar yüksek gerilim tatbik edilirse o kadar fazla şarj depolandığı görülmüş ve bu şekilde çok sık kullanılan bir bağıntı ortaya çıkmıştır: C=Q/V. Kondansatörlerin değerlerinin farad birim sistemi ile ölçüldüğünü daha önce belirtmiştik, fakat 1 farad oldukça büyük bir değerdir ve bu değerde bir kondansatör ile pek karşılaşılmaz. Elektronikte pek sık kullandığımız kondansatörler için daha küçük kapasitans birimleri kullanılır ki bunlar, mikrofarad (Faradın milyonda biri olup sembolü µF'dir), nanofarad (mikrofaradın binde biri olup sembolü nF'dir), pikofarad'dır (mikrofaradın milyonda biri olup sembolü pF'dir). Bir kondansatörü elimize aldığımızda bunun değeri yukarıdaki birimlerden biri ile üzerine yazılmış olabilir.

ANIL GÜL mızda bunun değeri yukarıdaki birimlerden biri ile üzerine yazılmış olabilir. Ancak eğer renk kodu ile işaretlenmişse, kesinlikle pikofarad cinsindendir. Ayrıca Japon malı birçok kandansatörün üzerinde “k” işareti bulunur ve bu “k” kondansatörün değerinin nF cinsinden olduğunu gösterir. Örneğin üzerinde 10Ok kondansatörün değeri 10 nF demektir.

Resim 2: Paralel levhalı kondansatör.

Kondansatörlerin iç yapıları:

Kondansatörlerin imalatı hemen hemen aynı prensiplerle gerçekleşmektedir. Kısaca arada yalıtkan bir madde, bunun iki yanında metal iletken film şeritler ve buna bağlı uçlar. Yalıtkan olarak birçok madde kullanılmakla birlikte bunların içinde en ideali seramik ve mikadır. Mika mükemmel bir yalıtkandır ve çok ince şeritler haline getirilebilir. Daha önce de belirttiğimiz gibi yalıtkan madde ne kadar ince olursa, kondansatörün kapasistansı da (depolayabildiği yük miktarı) o kadar yüksek olmaktadır. Çok ince şeritler haline getirilen mikanın her iki yüzeyine yine çok ince olarak kimyasal yöntemlerle gümüş veya altın gibi çok iyi iletkenler kaplamak suretiyle kondansatör elde edilmektedir.

Mika ve seramik tipler:

Hangi metodla yapılırsa yapılsınlar mika ve seramik tipler her zaman aranılan kondansatörlerdir. Özellikle mika-gümüş tipler kaliteli yüksek frekans devrelerinin vazgeçilmez elemanlarıdır, zira bunların değerleri oldukça kararlıdır. Seramik kondansatörlerin değerleri ise sıcaklığa ve tat küçüktürler, hem de oldukça yüksek değerlidirler. Elektrolitik tipler:

tipler:

Üçüncü önemli kondansatör tipi, çok miktarda kullanılan elektrolitik tiplerdir. Yapılışları oldukça farklıdır. Elektrolitik kondansatörlerde metal olarak genellikle alüminyum kullanılır. Alüminyumun yalıtkan madde ise alüminyum-oksittir.

a) ÜSTTEN GÖRÜNÜŞ

b) YANDAN GÖRÜNÜŞ

c) ÇOK KATLI TİP

çe SE

METAL

N

METAL

METAL METAL METAL

bağlı uç kesinlikle (—) uçtur.

Her ne kadar elektronik devrelerde değişken dirençler olduğu kadar değişken kondansatörlere ihtiyaç yoksa da birkaç durumda bunlar gerçekten gereklidir. Bunlardan belki en önemlisi, radyo ve televizyon devrelerinin akort katlarıdır. Bildiğiniz gibi bu tip cihazlarda istasyon arama işlemleri değişken kondansatörlerle yapılmaktadır. Bu amaçla kullanılan kondansatörler iç içe geçmiş plakalardan oluşmuştur ve bir şafta bağlı olanlar döndürülmek sureti ile (birbirlerine değmeden) değer değiştirilmektedir (Resim 5). Trimerler değişken kondansatörlerin daha küçük tipleri olup daha sık kullanılırlar.

AYAR VİDASI,

YALITKAN.

Resim 3: Mika kondansatörün iç yapısı.

tik edilen gerilime göre değişebilir (Resim 3).

Sarmal tipler:

Yine oldukça sık kullanılan bir kondansatör çeşidi ise sarmal tiptir. Uzun bir yalıtkan şerit (genellikle kağıt), iki tarafı iletken bir madde ile kaplandıktan sonra yerden tasarruf amacı ile araya diğer bir yalıtkan madde konularak rulo şeklinde sarılır (Resim 4). Bu şekilde elde edilen kondansatörler hem ebat olarak kü-

METAL PLASTİK. METAL PLASTİK.

Resim 4: Sarmal kondansatör. 44

Bir alüminyum şerit saf asit ile temas ettirilir ve aralarından elektrik akımı geçirilirse, alüminyumun üzerinde çok ince bir film halinde alüminyum oksit oluşur. Bu metodla 1 Farad'a kadar değeri olan kondansatörler nispeten küçük ebatlarda elde edilebilir. Elektrolitik kondansatörlerin dezavantajları ise polarizasyon ve düşük çalışma gerilimleridir. Polarizasyon demek, kondansatörün devreye bir yönde bağlanabilmesi demektir. Bu amaçla elektrolitik kondansatörlerin uçları (+) ve (-) olarak işaretlenmiştir. Eğer ters bağlantı yapılırsa alüminyum-oksit yalıtkan tabakayı oluşturan işlem tersine döner ve yalıtkan tabaka yok olur. Sonuçta kondansatör normal bir iletken haline gelir, bu şekilde herhangi bir sınırlama yapılmadan gerilim verilmeye devam edilirse patlar. Eğer elektrolitik bir kondansatörün polaritesini bilmiyorsanız bir avometre ile hangi bacağın dış metal kılıfa bağlı olduğunu bulun. Buraya

Resim 5: Trimerin çalışma prensibi.

Şarj-Deşarj:

Kondansatörlerde gerçekleşen enerji depolama işlemini gözleyebilmek için kendimiz oldukça basit bir deney yapabiliriz. Öncelikle Resim 6'da görüldüğü gibi bir kondansatörü, bir direnç ve şalter ile seri olarak gerilim kaynağına bağlayalım. Şalteri kapattığımızda kondansatörün plakaları arasında bağlantı olmadığı için devreden akım geçmez. Şimdi devreye bir ölçü aleti bağlayalım. Bu sefer şalteri kapattığımızda ölçü aletinin göstergesinin çok kısa bir süre için hareket edip tekrar sıfır konumuna geldiğini göreceğiz.

Resim 6: Kondansatör ve direncin seri bağlantısı.

Burada olup bitenleri daha iyi anlayabilmek için şimdi gözümüzde Resim 7'de görülen düzeneği canlandıralım: Eşit kefeli bir terazi üzerinde yarıya kadar dolu iki kova olsun. Bunlar bir hortum ile birbirlerine bağlanmış durumdalar. Hortum üzerinde ayrıca su akışını sağlayacak bir pompa ve suyun akışını gösteren bir çark mevcut. Şimdi pompayı çalıştırdığımızda bir kovadan diğerine su akımı olacak ve bu arada çarkımız da hareket edecektir. Yalnız bu işlem her iki kovada da su olduğu müddetçe devam edecektir. Kovalardan birinde su tükendiğinde ise çarkımız duracaktır. Yukarıdaki elektronik devremiz de yine aynı şekilde işlemektedir. Kovalar kondansatörün iki plakası, pompa güç kaynağı ve dönen çark ise ölçü aletinin yerini almaktadır. Devrede akan elektronların görevini ise su üstlenmektedir. Kondansatör plakaları metalden olduğu için burada yeteri kadar yük depolayabilecek serbest elektron mevcuttur. Devreden akım akmaya başladığında kondansatör plakalarının birinden elektronlar emilecek ve diğerine getirilecektir. Bu işlem plakalardan birinde hiç serbest elektron kalmayana dek devam edecektir. Yukarıdaki benzetmemizde kovalardan birinin boşalması, plakalardan birinde serbest elektron kalmamasıyla eş değerlidir. Bu andan itibaren elektrik veya “su” akışı gerçekleşmez. Eğer devredeki kondansatöre paralel olarak bir gerilim ölçer bağlarsak bu, yukarıda tasavvur ettiğimiz sistemdeki çift kefeli terazi ile aynı görevde olacaktır. Aynen terazide olduğu gibi kondansatörün yükü arttıkça gerilim ölçerin ibresi hareket edecek ve tamamen yüklendiğinde bile geri dönmeyecektir. Eğer iki iletken arasında potansiyel farkı varsa gerilim ölçerin ibresi sapar. Kondansatörün plakalarının birinde negatif yüklü elektronlar çoklukta olduğu için iki plaka arasında bir potansiyel farkı mevcuttur ve bu nedenle göstergenin ibresi sapar. Resim 8'de bir kondansatörün şarj ve deşarj işlemi bir grafik üzerinde gösterilmiştir. Şimdi bu grafiği inceleyelim. Kondansatörün son durumuna göre %63'ünün dolması için harcanan süre t'dir. Bu t süresini devrede kullanılan direncin ve kondansatörün değerlerinin çarpımından (t=C*R) hesaplayabiliriz. 5 t'lik bir süre sonunda kondansatör %99 oranında dolmuştur.

Resim 7: Şarj - deşarj işleminin kolay anlaşılması için tasavvur ettiğimiz düzenek.

Resim 8: Şarj ve deşarj grafiği.

Alternatif akım ve kondansatörler:

Bu ay son olarak kondansatörlerin alternatif akıma gösterdiği tepkileri inceleyeceğiz. Bir A.C. (alternatif akım) gerilim devamlı olarak değiştiği için devredeki bir kondansatörde devamlı şarj ve deşarj olur (Resim 9). Bu ise devrede bir A.C. akım oluşmasına yol açar, yani kondansatör A.C. gerilimler karşısında bir direnç görevi yapmaya başlar. Hatta Volt/akım oranını bulmak için Ohm Kanunu bile kullanılabilir. İşte kondansatörlerin alternatif akım karşısında gösterdiği dirence “reaktans” adı verilir. Burada “reaktansın normal dirençten farkı nedir” diye bir soru yöneltebilirsiniz. Bir kere reaktans sadece A.C. gerilimler için söz konusudur. Halbuki normal dirençler hem A.C. hem de D.C. gerilimler için aynı değerdedir. Diğer bir husus da, reaktansın sabit bir değere sahip olmamasıdır. Frekansı yüksek bir A.C. gerilim, kondansatörü saniyede daha çok şarj ve deşarj edeceği için oluşacak akım, frekansı daha düşük bir A.C. gerilimin oluşturduğu akıma göre daha yüksek olacaktır. Bu ise daha küçük bir reaktans değeri demektir. Reaktans Xc ile gösterilir ve aşağıdaki formülle hesaplanır: (Xc=1 / 2*pi*f*C) Burada f Hertz olarak frekans, C ise farad olarak kapasitanstır. Belirtilmesi gereken son bir husus da kondansatör üzerinde A.C. gerilim ve akım arasında bir faz farkının bulunmasıdır. Gelecek ay bobinler ve diyotları incelemek üzere şimdilik hoşçakalın...

Resim 9: Alternatif akımın etkisi. 45