Kondansatör seçiminde sıklıkla kapasite ve gerilim değeri temel kriterler olarak kabul edilir. Basit uygulamalarda, bu temel parametreler genellikle yeterli olabilir. Ancak, dikkate almadığımız diğer önemli faktörler, devrenin kararsız davranışlara yol açmasına neden olabilir. Örneğin, sıcaklık parametresi göz ardı edildiğinde, seçilen bir kondansatörün beklenenden çok daha kısa bir süre içinde şişip kullanılamaz hale geldiğini görebiliriz.
Ayrıca, ripple akımı göz önüne alınmadan seçilen bir kondansatör, fazla akım çekildiğinde hızla delinip hasar görmesine neden olabilir. Bu nedenle, profesyonel bir yaklaşımla kondansatör seçimi yapmak önemlidir.
İlk olarak, hangi tür kondansatörü seçeceğinize karar vermeliyiz. Yaygın olarak kullanılan kondansatör tipleri seramik, polimer, elektrolitik ve tantalum kondansatörlerdir. Bu çeşitler arasındaki farkları inceleyelim:
1) Seramik Kondansatörler
Hızlı şarj - deşarj gerektiren
Yüksek gerilim seviyesinin yüksek olduğu
Kapasitelerin pF - nF mertebelerinde olduğu
ESR'nin kritik olduğu uygulamalarda kullanılır.
Seramik kondansatörlerin kapasitesi µF değerlerine çıktıkça gerilim seviyesi düşmektedir ve maliyeti artmaktadır. 10 µF değerinde 500 V - 700 V arası gerilime kadar çıkabilirken 100 µF'da 100 V'a kadar düşebilmektedir.
İç dirençleri çok küçüktür bu nedenle kolay kolay ısınmazlar. Kapasite değerleri düşük olduğu için depolama kondansatörü olarak kullanılmazlar. Dekuplaj ve filtre devrelerinde kullanımı yaygındır.
2) Elektrolitik Kondansatörler
Gerilim seviyesinin yüksek olduğu
Kapasitelerin µF, mF mertebelerinde olduğu
ESR'nin kritik olmadığı
Enerji depolaması yapılması gereken uygulamarda kullanılır.
Elektrolitik kondansatörlerin kapasitesi mF değerlerine çıktıkça gerilim seviyesi düşmektedir. 3-4 mF'a kadar 500V-700V gerilime çıkabilirler. 4mF - 2F aralığında gerilim seviyesi kademeli olarak düşer.
İç dirençleri tantanyum kondansatörlere göre daha yüksektir. İç dirençleri yüksek olduğu için de ısınırlar. Kapasiteleri yüksek olduğundan genellikle depolama kondansatörü olarak kullanılırlar. AC/DC güç kaynaklarında, DC/DC dönüştürücülerde ve entegrelerin girişinde depolama kondansatörü olarak görülmektedirler.
2) Tantalyum Kondansatörler
Gerilim seviyesinin düşük olduğu
Kapasitelerin µF, mF mertebelerinde olduğu
ESR'nin kritik olduğu
Enerji depolaması yapılması gereken uygulamarda kullanılır.
Gerilim seviyesi en fazla 100 V civarındadır. İç dirençleri elektrolitik kondansatörlere göre çok daha düşüktür. Kutupludurlar. Dekuplaj devrelerinde ESR'nin düşük olması istenen enerji depolama uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır.
2) Polimer Film Kondansatörler
Gerilim seviyesinin yüksek olduğu
Kapasitelerin pF, µF mertebelerinde olduğu
ESR'nin kritik olduğu
Hızlı şarj- deşarj uygulamalarında kullanılır.
Gerilim seviyesi en fazla 2-5kV civarındadır. İç dirençleri çok düşüktür. Kutupludurlar. Dekuplaj devrelerinde ESR'nin düşük olması istenen enerji depolama uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Kutupsuzdurlar ve kapasiteleri düşük olduğu için depolama uygulamalarında tercih edilmezler.
AC devrelerde ve DC-DC dönüştürücü devrelerinde filtre amaçlı kullanılırlar. Ayrıca güç kaynaklarının giriş kısmındaki EMI filtrelerinde sıklıkla kullanılmaktadır.
Kapasitans Nasıl Seçilir ? Nasıl Hesaplanır ?
Kapasite değeri belirlemeninin uygulamadan uygulamaya farklı yöntemleri vardır. Kondansatörü enerji depolamak, dekuplaj-kuplaj yapmak, reaktif güç sağlamak gibi farklı amaçlar için kullanmamız gerekebilir. Her biri için farklı bir hesaplamaya gideceğiz.
Depolama Kondansatörü Seçimi
Depolama kondansatörünün amacı besleme kaynağında yaşanacak problemlerden devrenizin etkilenmemesini sağlamaktır. Örneğin ani bir gerilim düşümü olduğunda devreniz depolama kondansatörü üzerinden beslenmeye devam etmelidir.
★★ Çalışma gerilimi 5V - 12V (DC) aralığında ve 12 kΩ eş değer direnci sahip bir devremiz olsun. Devremizi 12V ile çalıştırırken ani bir gerilim düşümü olduğunu varsayalım.
1 saniyelik bir enerji kesintisinden etkilenmemek için kapasite değerimiz ne olmalıdır ?
Bu durumda 100 uF'lik bir kondansatör işimizi görüyor mu bir bakalım:
1 saniye sonunda kondansatörümüzün üzerindeki gerilimin 5.2 V olduğunu görüyoruz. Yani devremiz kesintisiz bir şekilde çalışmaya devam edecektir.
★★ Bir devreyi besleyen kondansatör, 12 V DC gerilim ile çalışmaktadır. Kondansatör, 12 kΩ direnç üzerinden 1mA akım ile şarj edilmektedir. Devrenin gerilimi 5 V'u geçtiğinde devreye çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bu durumda, 1 saniye sonunda devrenin çalışabilmesi için kondansatörün kapasite değeri ne olmalıdır?
Bu durumda 150 uF'lik bir kondansatör işimizi görüyor mu bir bakalım:
1 saniye sonunda kondansatörümüzün üzerindeki gerilimin 5.1 V olduğunu görüyoruz. Yani devremiz kesintisiz bir şekilde çalışmaya devam edecektir.
Dekuplaj Kondansatörü Seçimi
Devrenizde entegre veya mikrodenetleyici bulunuyorsa, kullanmanız gereken dekuplaj kondansatörü, genellikle , entegre üreticisi tarafından belirlenmiştir. Bu bilgiyi genellikle entegrenin datasheet'inde bulabilirsiniz.
Dekuplaj kondansatörleri, entegrenin besleme pinleri arasında, yani VDD ve VSS arasında bağlanır.
Entegre üreticileri genellikle 2 aşamalı bir dekuplaj önerir. İki aşamalı dekuplaj için yüksek değerli (mikrofarad cinsinden) bir kondansatör ve düşük değerli (nanofarad cinsinden) bir kondansatör kullanılır.
Peki, neden 2 aşamalı bir dekuplaj yapmalıyız?
Birinci aşamada, genellikle mikrofarad cinsinden bir büyük değerli kondansatör kullanılır. Bu kondansatör düşük frekanslı gürültülerin filtrelenmesine yardımcı olur. İkinci aşamada ise nanofarad cinsinden küçük bir kondansatör kullanılır. Bu kondansatör ise yüksek frekanslı gürültülerin filtrelenmesine odaklanır. İki kondansatörün bir arada kullanılması, geniş frekans aralığında daha etkili bir filtreleme sağlar. Böylece devremiz üzerindeki gürültüler entegremize ulaşmamaktadır.
Gerilim Seviyesini Nasıl Seçeceğiz ?
Kondansatörün gerilim seviyesi devrenin gerilim seviyesinden gerilim daha yüksek bir değerde olmalıdır. Örneğin devreniz 12 V DC ile çalışıyorsa seçeceğiniz kondansatörün gerilim seviyesi de 12 V’tan daha büyük olmalıdır. Kondansatörün daha uzun ömürlü olmasını istiyorsanız kondansatör gerilim seviyenizi çalışma geriliminin 2 katı bir değerde seçmelisiniz. Kondansatörün ömrü uygulanan gerilim seviyesiyle ters orantılıdır. Örneğin ömrü 1.000 saat olan 63 voltluk bir kondansatöre 60 volt gerilim uygularsak 1.000 saat ya kullanırsınız ya da kullanamazsınız.
Bu kondansatörü 30 volt gerilim seviyesinde çalıştırırsak 2.000 saate kadar sorunsuz bir şekilde kullanabiliriz. güç kaynakları inverterler gibi güç elektroniği devrelerinde kondansatörlerin gerilimleri devreye uygulanacak gerilimin genellikle 2 ya da 3 katı olarak seçilir. Böylece kondansatörün ısınması engellenir ve ömrü uzatılır. NOT: Özellikle, kondansatörün ömrünü uzatmak istiyorsanız, çalışma geriliminin 2 katı bir değerde bir kondansatör seçmek iyi bir pratiktir. Ancak, bu durumda dikkat edilmesi gereken bir diğer önemli faktör de, kondansatörün nominal gerilim seviyesinin uygulanan gerilimden çok daha yüksek olmamasıdır. Aşırı yüksek gerilimde çalıştırmak, kondansatörün performansını düşürebilir veya hasara yol açabilir.
Tolerans Hakkında
Seramik kondansatörlerde -%20 +%80
Elektrolitik kondansatörlerde +%10 - +%20
Tantalyum kondansatörlerde ±( %5 - %20 )
Polimer film kondansatörlerde ±( %1 - %20 )
aralığında değişken toleranslar bulunur. Tolerans her devrede önemli bir parametre değildir fakat hassas süre ayarı yaptığınız bir rezonatör devresi kuruyorsanız kapasite toleranslarına dikkat etmeniz gerekir. Sızıntı Akımı ( Leakage Current ) Hakkında
Bir DC devrede kondansatör kaynak gerilimine eşit olduğunda kondansatör üzerinden hiç akım akmasını beklemeyiz fakat bu ideal durumda böyledir. Gerçekte ise DC devrede kapasitör kaynak gerilimine eşit olduğunda bir kaçak akım akmaktadır. Bunun sebebi kapasitörün bir iç dirence sahip olmasıdır. Devrenizde transistör veya bir opamp varsa, kondansatörün sızıntı akımı bu devre elemanlarını tetikleyebilir. Bu yüzden kondansatörlerin datasheetinde bulunan Leakage Current değerlerine dikkat edilmelidir.
Kondansatörlerin İç Direnci
Kondansatörlerin iç direnci, yani ESR (Equivalent Series Resistance) frekansa bağlı olarak değişir. ESR, bir kondansatörün devredeki enerji kayıplarından sorumlu olduğu durumlarda önemli bir faktördür. Bu, kondansatörler alternatif akım sinyalleriyle nasıl tepki verdiğini ve bu sinyaller üzerinden geçen akımların direncini belirleyen bir özelliktir.
Özellikle yüksek frekansta çalışan devrelerde, ESR'nin etkisi daha belirgin hale gelir. Düşük ESR'ye sahip kondansatörün, özellikle yüksek frekansta çalışan devrelerde daha etkili olabilir ve bu şekilde enerji kayıplarını azaltabilir. Bu nedenle, güç kaynakları, radyo frekans devreleri ve benzeri yüksek frekansta çalışan uygulamalarda düşük ESR'ye sahip kondansatörler tercih edilir. ESR değeri genellikle datasheetinde belirtilir.
Sıcaklık - Ömür İlişkisi
Sıcaklık arttıkça kondansatörlerin ömrü kısalır. Gerçekleştireceğiniz uygulamada sıcaklığı göz önünde bulundurmalısınız. Datasheetlerde genel olarak Endurance - Damp heat koşulları altında ne kadar süre çalışabileceğinin bilgisi verilir. Örneğin aşağıdaki datasheetde,
"Damp heat" (Nemli Sıcaklık) karşısında, 85 derece Celsius sıcaklıkta ve %85 nem oranında 1000 saat; Endurance karşısında 135 derece Celsius sıcaklıkta 5500 saat çalışabileceği bilgisi verilmiştir.
Peki kondansatörler neden ısınıyor ? Belli başlı sebepleri şunlardır:
Gerilim seviyesinin kondansatör gerilim seviyesine yakın olması
Kondansatör üzerindeki ripple akımının yüksek olması
Kondansatörün etrafında bulunan diğer komponentlerin ısınması
Ripple Akımı Hakkında
Ripple akımı, bir kondansatör üzerinden geçen dalgalanan veya değişken akım bileşenidir. Genellikle bu terim, doğrultma devrelerinde ve güç kaynaklarında kullanılır. Ripple akımı, voltajdaki dalgalanmaların neden olduğu akımdır. Örneğin, bir doğrultma devresinde DC çıkışındaki voltaj düz değil, hafif dalgalı bir formdadır. Bu dalgalanma, DC çıkışında bir voltaj dalgalanması veya ripple voltajı olarak adlandırılır.
Bu dalgalanmanın akım bileşeni de ripple akımını oluşturur. Ripple akımı, kondansatör tarafından düzeltilmeye çalışılır. Kondansatör, yüksek frekanslı AC bileşenleri emerek, DC çıkışında daha düzgün bir voltaj sağlamaya yardımcı olur.
Ripple akımı genellikle bir kondansatörün datasheet'inde belirtilir. Bu değer, kondansatörün belirli bir frekansta ve belirli bir iş yükünde ne kadar iyi ripple akımı emebildiğini gösterir. Ripple akımı düşükse, kondansatör daha etkili bir şekilde dalgalanmaları düzeltebilir. Ripple akımı şarj-deşarj akımından küçük olmalıdır.
Comments