DEVRE ANALİZİ - Ünite 5: Kondansatör ve Bobin Özeti :
PAYLAŞ:Ünite 5: Kondansatör ve Bobin
Ünite 5: Kondansatör ve Bobins
Giriş
Bobin ve kondansatör enerji depolayabilme özelliğine sahip pasif devre elemanlarıdır. Bu iki doğrusal devre elemanın akım-gerilim ilişkisi zamana bağlıdır. Kondansatör, doğru akıma zorluk gösterir, alternatif akımı ise kolaylıkla geçirir. Bobin, doğru akımı geçirir, alternatif akıma zorluk gösterir.
Kondansatör ve bobin genellikle filtre ve frekans elemanı olarak kullanılır.
Kondansatör
31İki iletken plaka arasına dielektrik adı verilen bir yalıtkan malzeme konarak elde edilen ve elektrik enerjisini depolayabilen devre elemanına kondansatör denir.
Kondansatörlerin elektrik yükü taşıyabilme yeteneğine kapasite veya sığa denir ve C ile gösterilir. Bir kondansatörün kapasitesi, levhalarda birikmiş elektrik yükünün levhalar arasındaki potansiyel farkına oranına eşittir. Kapasite (sığa):
31
Burada Q: elektrik yükü, Coulomb (C), V:levhalar arasındaki potansiyel fark, Volt (V), C: kapasite, Farad (F). Farad’ın alt katları:
1 µF (l mikro Farad) = 10–6 F
1 nF (l nano Farad) = 10–9 F
1 pF (l piko Farad) = 10–12 F
Kondansatörün Kapasitesini Etkileyen Faktörler
Bir kondansatörün kapasitesi:
31
A: plaka yüzey alanı ($m^2$), d: levhalar arasındaki uzaklık (m), ?0: boşluğun dielektrik katsayısı (F/m), ?r: bağıl dielektrik katsayısı.
Bir maddenin dielektrik katsayısı ne kadar büyük ise o madde o kadar iyi yalıtkandır.
Kondansatörün Çalışma Prensibi
Kondansatörün DA Kaynağına Bağlanması: Kondansatör bir DA kaynağına bağlandığında, kapasitesi doluncaya kadar kondansatörün plakaları arasında gittikçe artan bir vC gerilimi oluşurken, üzerinden geçen akım azalır.
31
Kondansatör tamamen dolduğunda vC gerilimi kaynağın gerilimine eşit olur, kondansatör açık devre gibi davranır ve devreden akım geçmez. Bu duruma kondansatörün şarjı veya dolması denir. Kondansatör tamamen dolduğunda kondansatör üzerindeki gerilim, DA kaynağının gerilimine eşit olur. Devreye bağlı kaynak devreden çıkarılırsa kondansatör sahip olduğu elektrik enerjisini devreye verir. Bu duruma kondansatörün deşarjı veya boşalması denir.
31Kondansatörün AA Kaynağına Bağlanması: Kondansatör bir AA kaynağına bağlandığında, AA gerilim kaynağının genliğine bağlı olarak kondansatör üzerindeki vC gerilimi artar ve azalır, dolayısıyla kondansatör dolar ve boşalır.
Kondansatör üzerinden geçen akım ise gerilimin büyüklüğüne bağlıdır. Kondansatör üzerinden geçen akımın en yüksek olduğu an AA gerilimin pozitif alternanstan negatif alternansa geçtiği veya negatif alternanstan pozitif alternansa geçtiği andır.
Kondansatörün AA akımına gösterdiği zorluğa kapasitif reaktans denir. XC ile gösterilir. Birimi ohm (?)’dur.
31
?: açısal hız (rad/sn), f: frekans (Hz)
Kondansatörde Akım-Gerilim İlişkisi
Herhangi bir t anında kapasitesi C olan bir kondansatör üzerinden geçen akım (iC(t)), uçlarına uygulanan potansiyel farkın (vC(t)) zamana göre değişimi ile orantılıdır.
31
Herhangi bir t anında kondansatörün harcadığı güç:
31
Kondansatör tarafından depo edilen enerji:
31
Kondansatörün Kullanım Alanları
Kondansatörlerin özellikleri:
Enerji depolama,
Reaktif güç kontrolü ve faz kayması oluşturma,
Bilgi kaybı engelleme,
AA ve DA sinyaller arasında dönüşüm yapma,
AA sinyalin geçişine izin verme,
DA sinyali engelleme,
Sistemde oluşabilecek istenmeyen parazit sinyalleri durdurma, ani sıçramaları engelleme,
Kondansatörler bu özellikleri ile filtreleme, doğrultma, kompanzasyon, gerilim çoklayıcı, motorlara yol verme, zamanlama vb. gibi uygulamalarda kullanılmaktadır.
Yalıtkanın cinsi, kondansatörün kapasitesini ve dayanma gerilimini etkiler. Bir malzemenin yalıtkanlığını yitirip deforme olduğu gerilim değerine dayanma gerilimi denir ve yalıtkanlar için önemli bir göstergedir.
Kondansatör Çeşitleri
Kondansatörler:
Kutuplarına,
Kapasite değerine,
Kullanılan yalıtkana göre sınıflandırılır.
Kutuplarına Göre Kondansatörler: Kondansatörlerde pozitif ve negatif bacak uçları kutup olarak bilinir. Kutuplarına göre kondansatörler, kutuplu ve kutupsuz olarak iki farklı türde üretilir.
Kutupsuz kondansatörler: Üretim aşamasında kutuplanmamış ve devreye bağlanma yönü önem taşımayan kondansatörlerdir. Hem DA hem de AA devrelerinde kullanılır.
Kutuplu kondansatörler: Üretim aşamasında bacak uçları kutuplanmış ve hangi bacağının pozitif (+) veya negatif (–) olduğu belli olan kondansatör türüdür. DA ile çalışan devrelerde kullanılır ve devreye ters bağlanmaları durumunda zarar görürler.
Kapasite Değişimine Göre Kondansatörler: Sabit değerlikli kondansatör ve ayarlanabilir kondansatör olmak üzere ikiye ayrılır.
\1. Sabit değerlikli kondansatörler: Kapasite değerinin üretim aşamasında belirlendiği ve bu değerde değişiklik yapmanın mümkün olmadığı kondansatörlerdir.
\2. Ayarlanabilir kondansatörler: Kapasitesi çeşitli yöntemlerle değiştirilebilen kondansatörlerdir. En yaygın çeşitleri varyabl kondansatör ve trimmer kondansatör ’dür. Varyabl kondansatör: Kapasite değeri elle ayarlanır, dielektrik madde olarak hava ve ender olarak mika ya da fiber kullanılır. Trimmer kondansatör: Sığası tornavida gibi bir aletle ayarlanır. Boyutları ve kapasite değeri küçüktür. Dielektrik madde olarak mika, hava veya seramik kullanılır.
Kullanılan Yalıtkana Göre Kondansatörler:
Mikalı kondansatörler: Yalıtkan malzemesi olarak dielektrik katsayısı çok yüksek olan mika kullanılan bu kondansatörlerin enerji kayıpları düşüktür. Rezonans ve yüksek frekans devrelerinde kullanılırlar.
Seramik kondansatörler: Yalıtkan malzemesi olarak titanyum veya baryum kullanılır. Kapasite değerleri çok küçüktür ve sıcaklık değişiminden çok kolay etkilenirler.
Kağıtlı kondansatörler: Yalıtkan malzemesi olarak kuru kağıt, yağlı kağıt, metalize kağıt vb. gibi ince kağıt malzemeler kullanılır. Düşük kondansatör boyutunda, kapasitesi yüksek kondansatörlerdir.
Plastik kondansatörler: Yalıtkan malzeme olarak polyester, polistren veya polipropilen kullanılır. Kutupsuz olarak imal edilir. Zamanlama, filtre ve sinyal devrelerinde kullanılırlar.
Elektrolitik kondansatörler: Yalıtkan malzeme olarak asit-borik eriyiği kullanılır. Kutuplu olarak imal edilirler. Büyük kapasiteli ve düşük maliyetlidirler. Doğrultucularda, filtre devrelerinde, gerilim yükselticilerde, ses frekans yükselteçlerinde ve zamanlama devrelerinde çok sık kullanılırlar. Alüminyum plakalı ve tantalyum plakalı olmak üzere iki çeşidi vardır. Alüminyum elektrolitik kondansatörün, düşük sıcaklıklarda kapasite kaybı eğilimi vardır ve yüksek frekanslarda kullanılamaz. Tantalyum elektrolitik kondansatör, düşük sıcaklıklarda yüksek performans gösterir. Kaçak akımı fazladır.
SMD kondansatörler: Çok katmanlı elektronik devre kartlarına yüzey temaslı olarak monte edilmeye uygundur. Seramik, mika veya elektrolitik kondansatöre uygun yapıda ancak daha küçük boyutta üretilirler.
Kondansatörlerin Devreye Bağlanması
Kondansatörler devreye seri, paralel veya karışık olarak bağlanabilir.
31Seri Bağlama: İki ya da daha fazla kondansatörün aynı yük kolu üzerinde bağlanmasıdır. Kutuplu kondansatörler, birinin eksi levhası diğerinin artı levhasına gelecek şekilde seri olarak bağlanır. Kutupsuz kondansatörlerin seri bağlanmasında levhaların bağlanma yönü önemli değildir.
Seri bağlı kondansatörlerde yükler birbirine eşittir:
Q = $Q_1$ = $Q_2$ = … = $Q_n$
Kondansatörlerin uçları arasındaki gerilimlerin toplamı, devreye uygulanan potansiyel farka eşittir:
V = $V_1$ + $V_2$ + ... + $V_n$
Eşdeğer sığa:
31
31Paralel Bağlama: İki ya da daha fazla kondansatörün şekildeki gibi bağlanmasıdır. Kutuplu kondansatörleri paralel bağlamak için hepsinin artı uçları bir noktaya eksi uçları da diğer bir noktaya bağlanır.
Paralel bağlı kondansatörlerin yüklerinin toplamı eşdeğer sığanın yüküne eşittir:
Q = $Q_1$ + $Q_2$ + ... + $Q_n$
Paralel bağlı kondansatörlerin uçları arasındaki potansiyel farklar eşittir:
V = $V_1$ = $V_2$ = ... = $V_n$
Eşdeğer sığa:
$C_{eş} = C_1 + C_2 + ... + C_n$
Bobin
31İçerisinde hareketli veya sabit bir nüve bulunan mandren üzerine, dışı izole edilmiş iletken telin sarılmasıyla elde edilen devre elemanına bobin, bobindeki her bir sarıma spir denir.
Bobinlerin elektrik akımının değişimine karşı gösterdikleri tepkiye endüktans denir ve L ile gösterilir. Endüktans birimi Henry (H)’dir. Henry’nin alt katları:
1 mH (1 milihenry) = 10–3 H
1 µH (1 mikrohenry) = 10–6 H
1 nH (1 nanohenry) = 10–9 H
1 pH (1 pikohenry) = 10–12 H
Bobinin Endüktansını Etkileyen Faktörler
Bir bobinin endüktansı:
31
L: bobinin endüktansı (H), µ: manyetik geçirgenlik (H/m veya H/cm), N: sarım sayısı, A: nüve kesit alanı (cm2 ) ve l: tel uzunluğu (cm)
Bobinin Çalışma Prensibi
Bobinin DA Kaynağına Bağlanması: Bobin bir DA kaynağına bağlandığında üzerinde sabit bir manyetik alan meydana gelir. İdeal bir bobin, DA devresinde kısa devre gibi davranır ancak gerçekte bobinin sarımında kullanılan telin direnci kadar bir direnç gösterir.
31Bobinin AA Kaynağına Bağlanması: Bobin bir AA kaynağına bağlandığında bobin içinden bir AA akım geçer. Bu AA akım bobin üzerinde akıma bağlı olarak değişken bir manyetik alan oluşturur.
Bobin gerilimi devrenin toplam gerilimine, bobin akımı da devrenin akımına eşittir. Bobin üzerinden geçen akımın en yüksek olduğu an AA gerilimin pozitif alternanstan negatif alternansa geçtiği veya negatif alternanstan pozitif alternansa geçtiği andır.
Bobinin AA akıma karşı gösterdiği zorluğa endüktif reaktans denir. XL ile gösterilir. Birimi ohm (?)’dur.
$X_L$ = ?.L = 2.?.f.L
?: açısal hız (rad/sn), f: frekans (Hz)
Bobinde Akım-Gerilim İlişkisi
Herhangi bir t anında endüktansı L olan bir bobin üzerinde indüklenen gerilim vL(t), üzerinden geçen akımın zamana göre değişimi ile orantılıdır ve şu şekilde hesaplanır:
31
Herhangi bir t anında bobinde harcanan güç:
31
Bobinde depo edilen enerji:
31
Bobinin Temel Özellikleri
Bobinler, manyetik alan yardımıyla elektrik enerjisini kısa süreliğine depolama, elektrik akımındaki ani değişimlere karşı koyma, DA akıma kolaylık gösterip AA akımın geçişine zorluk gösterme gibi özellikleriyle doğrultucu, ısıtıcı, yüksek frekans devresi, transformatör, jeneratör, ısıtıcı devresi, endüktif motor devresi, elektromıknatıs vb. gibi birçok uygulamada kullanılır.
Bobin Çeşitleri
Bobinler, endüktans değerlerinin değişimine göre ikiye ayrılır:
\1. Sabit bobinler
\2. Ayarlı bobinler
Sabit Bobinler: Değeri değiştirilemeyen bobinlerdir. Nüve olarak kullanılan malzemeye göre ferrit nüveli, demir nüveli ve hava nüveli bobinler olarak ayrılırlar.
Ferrit nüveli bobinler: Manyetik geçirgenliği yüksek olan malzemeler nüve olarak kullanılır. Yüksek frekanslı devrelerde ve radyo alıcı-vericilerinde kullanılır. Ferrit nüveli bobinlerin düşük güçlü devrelerde kullanılan içi dolu ferrit nüveli bobinler ve yüksek güçlü devrelerde tercih edilen içi oyulmuş ferrit nüveli bobinler olmak üzere iki türü mevcuttur.
Demir nüveli bobinler (Şok bobinler): Birer yüzleri yalıtılmış ince demir saçların ard arda birbirlerine yapıştırılmasıyla elde edilen malzeme nüve olarak kullanılır. AA geriliminin düşürülmesinde, filtreleme ve ses frekans devrelerinde kullanılırlar.
Hava nüveli bobinler: Nüve olarak hava kullanılır. Genellikle yüksek frekanslı devrelerde kullanılırlar.
Ayarlı Bobinler: Endüktansları değişebilen bobinlerdir. Endüktans değiştirme yöntemlerine göre farklı çeşitleri vardır:
Nüvesi hareketli bobinler: Bobin içindeki nüvenin hareket ettirilmesiyle manyetik alanın ve dolayısıyla endüktansın değiştirilebildiği bobinlerdir.
Sargı ayarlı bobinler: Bobin üzerine sürtünen bir uç aracılığıyla endüktans değerinin ayarlanabildiği bobinlerdir.
Çok uçlu (kademeli) ayarlı bobinler: Bobinden alınan uçların çok konumlu bir anahtara bağlanmasıyla farklı endüktanslar elde edilebilen bobinlerdir.
Bobinin endüktans ayarı tornavida ile bir kez yapılıyorsa, trimmer ayarlı bobin olarak adlandırılır.
Bobinlerin Devreye Bağlanması
Bobinler devreye seri, paralel veya karışık olarak bağlanabilir.
Seri Bağlama: İki ya da daha fazla bobinin aynı yük kolu üzerinde bağlanmasıdır.
31
Eşdeğer endüktans:
$L_{eş} = L_1+ L_2 + . . . + L_n$
Bobinlerin uçları arasındaki gerilimlerin toplamı uygulanan gerilime eşittir:
$V = V{L1}+ V{L2} + . . . + V_{Ln}$
Paralel Bağlama: İki ya da daha fazla bobinin şekildeki gibi bağlanmasıdır.
31
Eşdeğer endüktans:
31
Bobinlerin üzerinden geçen akımların toplamı, toplam akıma eşittir.
$IL = I{L1} + I{L2} + . . . + I{Ln}$