Tüm Yönleriyle Kondansatörler

Elektrik yüklerini kısa süreliğine depo etmeye yarayan devre elemanları olan kondansatörler, elektronik
tasarımlarda en çok kullanılan malzemelerin başında geliyor. Bu yazımızda kondansatörlerin yapısından,
çeşitlerinden ve uygulama alanlarından bahsedeceğim. Kondansatörler iki iletken plakanın arasına bir yalıtkan malzeme yerleştirilerek üretilir ve bu iki iletken plakaya gerilim uygulandığında oluşan elektrik alan neticesinde kondansatör, elektrik yükünü depolar. İletken plakaların genişliği kondansatörün kapasitesini, yalıtkan malzemenin cinsi ve kalınlığı, çalışma gerilimini etkiler. Kondansatörler elektrik devrelerinde seri veya paralel olarak bağlanabilir. Ölçü birimi Farad’dır. Kondansatörler oldukça geniş bir kullanım alanına ve çeşide sahiptir. Tasarımın uzun ömürlü, istikrarlı olması ve doğru çalışması için yapılacak olan uygulamaya uygun kondansatör seçilmelidir. Kondansatör seçimi yapılırken aşağıdaki parametreler göz önünde bulundurulabilir.

Kutuplu veya Kutupsuz olması:

Kutupsuz kondansatörler her iki yönde de devreye bağlanabilirken, kutuplu kondansatörler tek bir yönde bağlanabilmektedir. Kutuplu kondansatörlerin ters bağlanması durumunda patlayarak çevreye ve insanlara zarar vermesi mümkündür.

Uygulama alanı:

Kondansatörler yapılacak uygulamaya göre farklı materyaller ile ve farklı fiziksel yapılarda üretilmektedir. Başlıca uygulama alanları aşağıdaki gibidir.

Decoupling Capacitor,Bypass Capacitor:

En yaygın kullanıma sahip kondansatörlerdir. Elektronik devrelerde faklı malzemeler veya devreler birbirlerine bağlandığında, besleme geriliminde salınımlar meydana gelebilir. Decoupling kondansatörler
bu parazitleri yok ederek stabil bir gerilim oluştururlar. Özellikle entegreler parazitten çok etkilendikleri için besleme pinlerine yakın kondansatör konulmalıdır.

Coupling Capacitor:

DC gerilim uygulandığında akım geçirmezler, AC gerilim uygulandığında ise iletken olurlar. Uygulanan AC gerilimin frekansı arttıkça kondansatörün seri direnci düşmektedir. Kondansatörlerin bu özelliği kullanılarak AC ve DC sinyal birbirinden ayrılabilmektedir. Örnek bir uygulama olarak ses yükselteçlerini gösterebiliriz. Bu devrelerin sinyal girişine bağlanan seri kondansatör DC sinyalleri hiç geçirmez düşük frekanslarda yüksek direnç gösterir, böylelikle hem ses girişi ani DC sinyallerden korunmuş olur hem de sesteki düşük frekanslı gürültüler temizlenmiş olur.

Low pass and high pass filter capacitor:

Kondansatörler yüksek ve alçak frekansı filtrelemek için kullanılabilir.

“Kondansatörler oldukça geniş bir kullanım alanına
ve çeşide sahiptir. Tasarımın uzun ömürlü, istikrarlı
olması ve doğru çalışması için yapılacak olan
uygulamaya uygun kondansatör seçilmelidir. “

Snubber Capacitor:

Endüktif yüklerin kullanıldığı uygulamalarda, anahtarlama esnasında ortaya çıkan zıt EMK’dan dolayı anlık yüksek gerilim sıçramaları olabilir. Bu sıçramalar anahtarlama elemanlarının bozulmasına, ortama manyetik gürültü yayılmasına neden olabilir. Bu sıçramaları sönümlemek için snubber kondansatörler kullanılır. Genellikle bu kondansatöre bağlanan düşük dirençli direnç oluşan fazla enerji kendi üzerinde tüketir. Yüksek güç uygulamaları için özel olarak üretilmiş snubber tipi kondansatörler mevcuttur.

EMI/RFI Suppression Capacitors:

EMI (electro magnetic interference) RFI (radio frequency interference) sinyallerini sönümlemek için kullanılır. RFI yüksek frekanslı EMI sinyalleridir. Genellikle AC şebeke hattına bağlanan cihazlarda kullanılır.
X ve Y olmak üzere iki farklı standart grubu vardır. X tipi kondansatörler faz ile nötr arasına bağlanır şebekeden gelen ve şebekeye verilen parazitleri sönümler. Y tipi kondansatörler faz veya nötr ile toprak veya ground arasına bağlanır. Cihazın kasası ile şebeke arasındaki parazitleri sönümlemek için veya SMPS devrelerinde parazit yayılımını engellemek için kullanılır. X tipi kondansatörler X1, X2, X3 olmak üzere sınıflara ayrılır; bunlar arasındaki fark dayanım gerilimleridir. Eğer bu gerilimler aşılırsa kondansatör kısa devre olabilir. Yangın riskini engellemek için bu devrelerde sigorta kullanılmalıdır. Y tipi kondansatörlerde güvenlik gereksinimleri daha yüksektir. Kısa devre olması durumunda, cihazın kasasına elektrik verebileceği için bu tip kondansatörler yüksek gerilim uygulandığında açık devre olur. Bu kondansatörler safety tip kondansatör olarak anılır. Dayanım gerilimlerine göre Y1, Y2, Y3, Y4 gibi sınıfları vardır. X tipi kondansatör polyester, polypropylene, ceramic ve metallized paper materyalleri ile üretilir. Y tipi kondansatörler ise genellikle seramic disc yapısında üretilir.

Puls Capacitor:

Genellikle kondansatörün devreye seri bağlandığı yüksek gerilim ve frekans uygulamalarında kullanılır. Örnek uygulama olarak floresan sürücü devreleri gösterilebilir.

Trimmer Capacitor:

Gövdesindeki vida çevrilerek kapasitesi değiştirilebilen kondansatörlerdir. Günümüzde kullanımı azalmıştır.

Motor Starter Capacitor:

İndüksiyon tipi tek fazlı motorların dönmeye başlayabilmesi için faz farkı oluşturmak gerekir. Yardımcı sargıya seri bağlanan kondansatör, faz farkı oluşturarak motorun dönmesini sağlar.

Timer:

Kondansatörler zamanlama yapmak için de kullanılabilir. Bu devreler RC olarak bilinir. Kondansatöre seri bağlı olan direncin değerine göre kondansatörün şarj olması belli bir süre alacaktır. Transistor veya opamp yardımı ile bu şarj süresi zamanlayıcı olarak kullanılabilir.

Super Capacitors:

Çok yüksek kapasiteli kondansatör çeşididir, genellikle RTC (real time clock) uygulamalarında pil yerine tercih edilir. Depolamış olduğu elektrik enerjisini uzun süre tutabilir.

Kondansatör Çeşitleri:

Farklı ihtiyaçları karşılamak için kondansatörler çok farklı yalıtkan malzemeler kullanılarak farklı fiziksel
formlarda üretilir. Başlıca kondansatör çeşitleri aşağıdaki gibidir.

Seramic Capacitor:

Seramiğin yalıtkanlık katsayısı çok yüksek olduğu için küçük boyutlarda, yüksek gerilim ve kapasite imkanı sunmaktadır. Kutupsuzdur. Fiziksel yapı olarak MLCC (muti layer ceramic capacitor) ve seramic disc olarak iki guruba ayrılır. MLCC kondansatörler birden fazla katmamın üst üste konulması ile elde edilir. En yaygın kullanılan kondansatör tipidir ve çok küçük boyutlarda üretilebilir. Seramic disc, iki iletken diskin arasına seramik malzeme konulması ile elde edilir. Seramik kondansatörler çalışma sıcaklığı aralığı ve toleransına, çalışma istikrarına göre üç farklı klasa ayrılmıştır.

Class 1: Yüksek doğruluk ve düşük kayıp oranına sahiptir. Sıcaklık ile kapasite değişimi düşüktür. Özellikle rezonans devrelerinde tercih edilir. NP0, N33, N75 gibi kodları vardır.
Class 2: Yüksek değerli kapasiteye sahiptir, tolerans aralığı ±15%’den daha düşüktür. Çalışma sıcaklığı aralığı -55 +125 dereceyi geçebilir. Coupling, decoupling uygulamaları için tercih edilir. X7R, X5R gibi kodları vardır.
Class 3: Class 2’ye göre daha yüksek değerli kapasite olanağı sunar, toleransı daha yüksek ve sıcaklık aralığı daha düşüktür.

Class 2 ve class 3 seramik kondansatörlerin film kondansatörlere göre dezavantajı, frekansa ve uygulanan gerilime bağlı olarak, kapasitesinin daha fazla değişmesidir. O yüzden bazı uygulamalarda tercih edilmemektedir.

Film Capacitor:

Film kondansatörler plastik film üzerine alüminyum veya çinko kaplama yapılarak üretilen kutupsuz kondansatörlerdir. Üzerine metal kaplama yapılan plastik film, rulo haline getirilerek rulonun iki ucundan metal plakalara bağlanır. Bu şekilde birçok paralel kondansatör birbirlerine bağlanmış gibi olur. İletken yolun kısa olmasından dolayı iç dirençleri oldukça düşüktür. Plastik film Polypropylene (PP), Polyester (PET), Polyphenylene sulfide (PPS), Polyethylene naphthalate (PEN) veya Polytetrafluoroethylene gibi maddelerden üretilir. Kullanım amacına göre her bir materyalin farklı avantajları vardır. Yapısal olarak üç gruba ayrılır.

“Her kondansatörün bir iç direnci ve indüktansı vardır. Özellikle SMP S ve benzeri devrelerde doğrulma amaçlı kullanılan kondansatörlerin low ESR olması gerekir. “

a. Single-sided metalized film capacitor: Metal kaplama plastik filmin sadece bir yüzeyine yapılır. Akım dayanımı düşüktür.
b. Double-sided metalized film capacitor: Metal kaplama plastik filmin her iki yüzeyine yapılır. Akım dayanımı daha yüksektir. Yüksek frekanslı puls uygulamalarında tercih edilir.
c. Film/foil capacitor: Metal kaplama yerine iki plastik film arasına metal folyo eklenerek yapılır. Akım dayanımı çok daha yüksektir.

Power Film Capacitor:

Yapı olarak film kondansatör ile oldukça benzerdir. Yüksek güç uygulamaları için özelleştirilmiştir, yüksek gerilim ve akıma dayanıklıdır.

Electrolytic Capacitor:

Anot görevi gören metalin yüzeyi oksitlendirilerek yalıtkan haline getirilir. Bu şekilde anot metali ile katot arası yalıtkan bir malzeme ile kaplanmış olur. Anot metalinin yüzeyi pürüzlendirilerek temas yüzeyi genişletilir, böylelikle daha yüksek kapasitelere ulaşmak mümkündür. Katot kısmında ise katı ve sıvı olmak üzere iki farklı materyal grubu kullanılır. Kutuplu bir kondansatör çeşididir, ters bağlanması durumunda patlayabilir. Yüksek kapasite değerlerine ulaşabilmesi sayesinde birçok uygulamada kullanılmaktadır. Kullanılan anot materyaline göre üç gruba ayrılır.

a. Aluminum electrolytic capacitors: Anot metali olarak alüminyum folyo kullanılır. Yüzeyi yalıtkan olan aluminum oxide ile kaplanır. Katot tarafında iletken sıvı veya iletken katı malzemeler kullanılır. Farklı ihtiyaçlara göre bu materyal seçilmektedir, maliyeti düşük olduğu için iletken sıvı yoğun olarak kullanılmaktadır. Low ESR modellerinde conductive polymere kullanılmaktadır.
b. Tantalum electrolytic capacitors: Anot metali olarak tantalum maddesi kullanılır, yüzeyi yalıtkan olan tantalum pentoxide ile kaplanır. Katot tarafında ise iletken sıvı veya katı malzemeler kullanılır. Low ESR modellerinde conductive polymere kullanılmaktadır. Aluminuma göre üç kat daha fazla kapasiteye sahiptir. Küçük alanlarda daha çok tercih edilir.
c. Niobium electrolytic capacitors: Günümüzde kullanımı oldukça azalmış bir üründür.

ESR (Equivalent Series Resistance) ve ESL (Equivalent Series Inductance):

Kondansatörler için göz önünde bulundurulması gereken parametrelerdir. Her kondansatörün bir iç direnci ve indüktansı vardır. Özellikle SMPS ve benzeri devrelerde doğrultma amaçlı kullanılan kondansatörlerin low ESR olması gerekir. Doğrultma esnasında ripple gerilimlerini kondansatör sönümleyerek, kendi üzerinden ripple akımları geçmesine neden olur. Eğer ESR direnci yüksek ise bu durum kondansatörün ısınmasına neden olur.

Çalışma Sıcaklığı:

Kondansatör seçiminde çalışma sıcaklığına özellikle dikkat edilmelidir. Her kondansatör tipinin sıcaklığa verdiği tepki farklı seviyelerdedir. Kondansatörler uzun süre ısıya maruz kaldığında kapasite değerlerini kaybedebilir.

Çalışma Akımı:

Kondansatörler genel olarak yüksek ve sürekli akım geçişine uygun malzemeler değillerdir, eğer bu şekilde bir ihtiyaç var ise bu amaca uygun tip bir kondansatör seçilmeli ve datasheet’de verilmiş olan akım değerleri incelenmelidir. Olması gerektiğinden fazla akım geçmesi ve fazla gerilim uygulanması durumunda, kondansatör kısa devre yapabilir veya deforme olabilir. Bu durum güvenlik açıklarının oluşmasına neden olabilir.