Kondansatör Nedir, Nasıl Çalışır?

Kondansatör ya da diğer adıyla kapasitör, elektrik devrelerinde; elektrik enerjisinin depolanması, filtrelenmesi, doğrultulması, zamanlama ve farklı tipte sinyal dalgalarının oluşturulması amacıyla kullanılan pasif devre elemanıdır.

Birimi Farad (F) ve sembolü C’dir. Besleme yöntemine göre sabit kapasite değerli kutuplu-kutupsuz ve değişken kapasite değerli kapasitör olarak sınıflandırılır.

Kullanılan malzemeye göre alüminyum-polimer, alüminyum-elektrolitik, seramik, süperkapasitör, film kapasitör, tantalyum-polimer, tantalyum olarak çeşitlendirilmiştirler.

Kondansatör, çeşitli boyutlarda birbirine paralel, silindirik veya küresel olarak yerleştirilen iki iletken plaka ve arasında kalan yalıtkan malzemeden oluşur.

Kondansatör yüklenmemiş durumdayken, iletken plakalardaki pozitif ve negatif yük sayısı birbirine eşittir.

Şekil-1’de görüldüğü gibi kutuplu veya kutupsuz kondansatörün iletken plakalarına uygulanan elektrik enerjisi, besleme ucunun pozitif tarafındaki iletkenden negatif tarafındaki iletkene yük taşınmasına ve böylece iletkenlerden birinin pozitif diğerinin negatif yüklenmesine sebep olur.

Şekil-1 Paralel iletken levhalı kondansatör iç yapısı

Yüklenen iki iletken plaka arasında, gerilim farkı (ΔV) ve elektrik alan (E) oluşur.

Şekil-2’deki şarj-deşarj eğrisinde olduğu gibi kondansatör tam şarj olduğunda kaynaktan kondansatöre akan akım 0, gerilim ise kaynak gerilimine eşit olur.

Kaynak kesilip kondansatör bir direnç üzerinden deşarj durumuna geçirildiğinde ise tersi yönde akım akarak negatif plakadaki yükler pozitif plakaya hareket eder. Böylece deşarj işlemi gerçekleşerek akım ve gerilim sıfırlanır.

Şekil-2 Kondansatörün şarj ve deşarj durumlarında gerilim ve akım değişimi

Gerilim farkı, elektrik alan ve kapasite-yük ilişkisine ait formülasyonlar aşağıdaki gibidir;

Birbirine paralel iki iletken ve arası yalıtkan olan kapasitörün kapasitesi:

L uzunluğunda a yarıçapında iç iletken ve b yarıçapında dış iletken olan silindirik kapasitörün kapasitesi:

İç iletken yarıçapı a ve dış iletken yarıçapı b olan küresel kapasitörün kapasitesi:

Kondansatörlerde kullanılan ideal olmayan malzeme özelliklerine bağlı olarak Şekil-3’te görülen kondansatör eşdeğer devresindeki ESR (Eşdeğer seri direnç), ESL (eşdeğer seri endüktans) ve dielektrik malzeme direnç (Rp) değerleri değişkenlik gösterir.

Şekil-3 Kondansatörün eşdeğer devresi

Alternatif akımla (AC) beslenen kondansatörlerde frekansa bağlı olarak endüktif reaktans (XL) ve kapasitif reaktans (XC) değerleri değişmektedir.

AC ile beslenen kondansatör yüksek frekansta beslenirse endüktif reaktansı artarken kapasitif reaktansı azalır.

Düşük frekansta ise endüktif reaktansı düşerken kapasitif reaktansı artar. Eşdeğer empedans değeri hesaplanırken XL ve XC  reaktanslarının empedans değerleri (ZC, ZL) birbirine ters büyüklükler olduğu için birbirinden çıkarılmaktadır.

Rezonans frekansında yani XL=XC olduğu durumda iki aynı değer birbirini yok edeceğinden, eşdeğer empedansı sadece ESR oluşturur.

Birbirine paralel bağlanan kondansatörlerin eşdeğer kapasitesi;

Birbirine seri bağlanan kondansatörlerin eşdeğer kapasitesi ise;

Kondansatör seçimi yapılırken anma gerilimi, ripple akımı (anlık yüksek akım), ESR ve dielektrik malzeme sabiti değerleri önemlidir. Uygulama ve maliyete göre seçimi yapılan farklı elektriksel değerlere sahip kondansatörler bulunmaktadır.

LED sürücü devrelerinde, girişten çıkışa kadar devrenin pek çok yerinde farklı kullanım yöntemleri ile kondansatörler kullanılmaktadır.

Kondansatörler, devrede doğrultma öncesi-sonrası, anahtarlama, filtreleme, güç faktörü düzenleme, harmonik distorsiyon azaltma aşamaları gibi farklı bölümlerde oluşabilecek anlık ripple akımları, uygun anma gerilimi, anahtarlama frekansının ayarlanması, gerekli bölgelerde filtrelemenin yapılması ile devrenin çalışma kararlılığının arttırılıp sürücü çalışma ömrünün uzamasında büyük rol oynamaktadır.

İnsan sağlığına etkisi örneklendirilecek olursa, kondansatörler devre çıkışındaki LED yükünün istenmeyen flicker yüzdesi etkisinin azaltılmasıyla doğru aydınlatmaya yardımcı olur. Bu gibi devre üzerinde farklı bölümlerde seçimi doğru yapılan kapasitörler ve diğer komponentler dolaylı olarak insan sağlığının korunmasına yardımcı olmaktadır.