Instagram: @lentark
Kondansatör Seçimi & Uygulamaları
Kondansatörler elektroniğin hemen hemen her alanında, aynı prensiple ancak birçok farklı görevde ve türde kullanılmaktadır. Devre tasarım sürecinin bir parçası olan kondansatör seçimi bu sürecin önemli bir parçasıdır. Doğru kondansatör türünü seçebilmek için, uygulamanın temel gereksinimlerinin ve kondansatörün uygulamadaki kullanım amacının doğru anlaşılması gerekmektedir.
Kondansatörlerin her bir türünün kendine has özellikleri vardır. Seçilecek olan kondansatörün uygulama içerisindeki görevini en iyi performans ile gerçekleştirebilmesi için türler arasındaki bu farklı özellikler göz önünde bulundurulmalıdır.
1. Kondansatörün Görevleri
Kondansatörlerin; kapasite değeri, fiziksel boyutu, toleransı, anma gerilimi, çalışma sıcaklığı aralığı, sıcaklık kararlılığı, uygulanan voltaja karşı olan kararlılığı, anlık akım yeteneği, eş değer seri direnci gibi birçok özelliği bulunmaktadır. Her kondansatör türü, bu özelliklerin birinde veya birkaçında diğer kondansatör türlerine göre daha iyi performans göstermektedir. Örneğin bir kondansatör türü fiziksel boyutların küçük olması ile ön plana çıkarken, başka bir kondansatör türü uygulanan voltaja karşı kararlılığı ile ön plana çıkar. Ancak, farklı kondansatör türleri bazı özellikler için avantaj sağlarken bazı özelliklerde de dezavantaja sebep olabilmektedirler. Bu nedenle, devre şeması üzerinde kullanılacak kondansatörlerin üstlendiği görevin tam olarak anlaşılması ve bu görevi en iyi performans ile yerine getirebilecek en uygun kondansatörün seçilmesi gerekir.
Kondansatörler temel olarak iki farklı görevde kullanılırlar. Bunlar; Kuplaj (Coupling) ve Dekuplaj (Decoupling) görevleridir. Ancak bu görevlerde kullanılacak olan kondansatörün bağlanacağı iletim hatlarının empedansları, voltaj seviyeleri, gürültü seviyeleri gibi özellikleri her durum için farklılık gösterdiği gibi kondansatörden beklenen performans da farklı olabilmektedir. Örneğin; Dekuplaj görevinde kullanılan iki kondansatörün biri MCU besleme girişine yakın bir konumda besleme hattına bağlanmıştır, diğer kondansatör ise bir DC-DC Çeviricinin anahtarlama çıkışına bağlanmıştır. İşte bu durumda kondansatör türlerinin birbirlerine göre sağladığı avantajların önemi ön plana çıkmaktadır. Kondansatörlerin birbirleri arasındaki farkları anlamak, uygulama içerisinde kullanılacak olan kondansatörün doğru seçilmesini ve devre tasarımını içerisinde en iyi performansı göstermesini sağlamaktadır.
1.1. Kuplaj (Coupling) Görevinde Kullanılması
Kuplaj kondansatörleri, bir devre yolundan diğerine yalnızca AC sinyali iletmek için kullanılır. Diğer bir deyiş ile kuplaj kondansatörü, birbirine bağladığı iki devre yolunu statik(sabit) voltajdan etkilenmeden değişken voltaj bakımından birbirine bağlamaktadır.
Şekil 1: (A) Kuplaj görevinde kullanılan bir kondansatörün gösterilmesi. (B) Birbirlerine bir noktada referanslanmış iki devre şemasının arasında kuplaj görevini gerçekleştiren bir kondansatörün gösterilmesi.
Bilindiği üzere bir kondansatöre uygulanan gerilim değiştirildiğinde kondansatörün uçları arasındaki gerilim farkının uygulanan gerilim seviyesine ulaşabilmesi için zaman gerekir. Bu, şarj/deşarj süresi olarak isimlendirilir. Kondansatörün içerisinde karşılıklı bulunan iletkenlerin elektrik yükleri birbirlerini dengelemelidir. Bu dengelemenin bazen hızlı bazen yavaş gerçekleşmesi istenir. Eğer enerji kaynağı, iletim yolu ve kondansatör ideal olabilseydi enerji kaynağının gerilimi değiştirildiği anda kondansatörün iç iletkenleri arasındaki potansiyel fark enerji kaynağının gerilimi ile eşitlenecekti, yani elektrik yüklerinin dengelenmesi an içerisinde gerçekleşecekti. Tabi, bu olayın gerçekleşebilmesi için kondansatörün şarj olması durumunda, enerji kaynağı an içerisinde ihtiyaç duyulan elektrik yükünü kondansatöre iletebilmek için sonsuz akım sağlayacak ve iletim yolu bu akımı taşıyacaktı. Diğer bir durumda, kondansatörün deşarj olabilmesi için fazla elektrik yükünün aynı an içerisinde enerji kaynağına geri dönebilmesi için kondansatör sonsuz akım oluşturacak ve yine iletim yolu bu akımı taşıyacaktı.
Kuplaj kondansatörünün özellikleri belirlenirken şarj/deşarj süreleri göz önünde tutulmalıdır. Kondansatörün bir ucundaki gerilim değişimi statik durumda bulunan diğer uçta elektron hareketine sebep olur, yani şarj/deşarj sürecini başlatır. Ancak ikinci ucunda bulunan yüksek empedans bu süreci oldukça uzatır. Birinci taraftaki gerilimin artması (elektron kaybetmesi) durumunda, ikinci tarafta, enerji kaynağının bir an önce negatif elektrik yükü sağlaması gereken boşlukları meydana getirir ve bu da ikinci tarafın referans voltajına göre pozitif bir gerilim kaynağı gibi davranmasına sebep olur. Diğer bir durumda, birinci taraftaki gerilimin azalması (elektron kazanması), ikinci tarafta, bir an önce enerji kaynağına dönmek üzere biriken negatif elektrik yüklerini meydana getirir ve bu da ikinci tarafın referans voltajına göre negatif bir gerilim kaynağı gibi davranmasına sebep olur. Akımın yönü ile elektron hareketinin yönlerinin birbirine zıt olduğu unutulmamalıdır.
Kondansatörün uçları arasındaki sabit voltajdan ziyade bir ucun bağlı bulunduğu iletim yolundaki voltaj değişiminin önemli olduğu uygulamalarda kuplaj kondansatörleri kullanılır. Bu uygulamalara örnek olarak ses sinyallerinin ve radyo frekansındaki sinyallerin işlendiği uygulamalar gösterilebilir. Bu uygulamalar gibi voltaj değişiminin takip edildiği uygulamalarda, genellikle, kuplaj kondansatörünün bir ucu voltaj değişiminin bulunduğu iletim hattına diğer ucu ise yüksek empedanslı bir analog amplifikatörünün girişine (gerekli ise bazı filtreler ve ofset voltajı uygulanarak) bağlanır. Böylece takip edilmesi arzu edilen sinyal hem güçlendirilir hem de farklı voltaj seviyeleri arasına ölçeklenebilir. Bu da sinyal işleme uygulamalarında kolaylık sağlamaktadır.
AC sinyali ileten kuplaj kondansatörünün ilettiği sinyali olduğu gibi geçirmesi düşünülemez. Kuplaj görevinde kullanılan kondansatörünün ideal özellikler göstermeyeceği unutulmamalıdır. Ancak ideale en yakın davranış gösterebilmesi ve ilettiği sinyalinin en az deformasyona maruz kalmasını sağlamak için genellikle düşük empedanslı kondansatörler tercih edilir. Ancak bazı deformasyonların veya sinyaldeki güç kayıplarının kasıtlı gerçekleştirildiği uygulamalar da vardır.
| PARAMETRELER | NOTLAR |
|---|---|
| Anma Gerilimi | Bu değerin, kondansatörün çalışması sırasında, üzerine düşecek potansiyel farktan çok daha büyük olması gerekmektedir. Genelde kondansatörler anma geriliminde de güvenilir bir şekilde çalışmaya devam etmektedir, ancak Class 2 MLCC kondansatörler gibi uygulanan voltaja karşı kapasite kararlılığını yitiren kondansatör türlerinde bu değerin çok daha yüksek seçilmesi, kondansatörün, dolayısı ile uygulamanın kararlılığını arttıracaktır. |
| Kapasite Değeri | Kuplaj kondansatörü kullanım itibari ile yüksek geçiren filtre özelliği gösterdiği unutulmamalıdır. Bu nedenle, örneğin, sinyalin en az güç kaybına uğraması için yeteri seviyede yüksek, gerek görülmeyecek kadar düşük frekanstaki voltaj değişimlerini geçirmeyecek kadar düşük kapasite değeri kullanılabilir. |
| Tolerans | Kapasite değerinin kesin olması gereken uygulamalarda düşük tolerans değerine sahip kondansatörler tercih edilmelidir. |
| Dielektrik Malzeme | Kondansatörlerin içinde kullanılan dielektrik malzeme, kondansatörün frekans tepkisi ve sızıntı akımı ile ilişkilidir. Örneğin elektrolitik kondansatörlerin frekansa tepkisi maksimum 100 KHz seviyelerinde ve sızıntı akımı da oldukça yüksektir. Sızıntı akımının, sinyalin iletildiği ikinci tarafta voltaj ofsetine sebep olduğu ve frekans tepkisinin yetersiz olduğu durumda, yüksek frekans sinyallerin iletilmediği düşünüldüğünde kondansatör türü ve özellikleri seçilirken bu iki önemli kriterin yeterliliğini göz önünde tutularak dielektrik malzeme seçimi yapılmalıdır. |
1.2. Dekuplaj (Decoupling) (Bypass) Görevinde Kullanılması
Bu kullanım şeklinde ise, dekuplaj kondansatörleri, bir hat üzerindeki voltaj dalgalanmalarını (AC sinyalleri) sönümlemek için kullanılırlar. Kullanım yerlerine örnek olarak; güç hatları, DC düğüm noktaları, PCB sinyal girişi filtreleri verilebilir.
Şekil 2: Dekuplaj görevinde kullanılan bir dizi kondansatörün gösterilmesi.
Şekil 2 ’de gösterilen kondansatörlerin tamamı dekuplaj görevi üstlenmiştir. Kuplaj kondansatörlerinden farklı olarak kondansatörün en az bir ucu daima sıfıra yakın empedans değerine sahip olan iletim hattına, genellikle de elektrik yükü dengelenmesinin hızlıca gerçekleşebileceği enerji hatlarına (VDD, GND) bağlıdır.
Dekuplaj görevinde kullanılan kondansatörler, bağlandığı iletim hattındaki voltaj dalgalanmalarına karşı dayanıklı olabilmesi için yeterli anma gerilimine sahip olmalıdır. Bunun yanında, bu dalgalanmaları sönümleyebilmesi için yeterli akım itme/çekme (anlık akım) özelliğine sahip olmalıdır. Örnek olarak Şekil 2 ‘de C4 kondansatörünün sahip olması gereken akım itme/çekme (anlık akım) özelliğinin seviyesi C1,2,3 kondansatörlerininkinden çok daha fazladır. Bunun nedenini C3 ve C4 kondansatörlerini karşılaştırarak inceleyebiliriz. Transistorun kesimde bulunduğu zaman diliminde A noktasındaki voltaj seviyesi VDD seviyesindedir. Bu zaman diliminde C3 ve C4 kondansatörlerinin uçlarına aynı voltaj seviyeleri uygulanmaktadır. Ancak A noktasında bulunan voltaj dalgalanmasının enerjisi düşüktür çünkü enerji R3 direnci tarafından sınırlandırılır ve C3 kondansatörü çok daha az akım iterek/çekerek A noktasındaki dalgalanmayı sönümleyebilir. Ancak C4 kondansatörünün sönümlemesi gereken dalgalanmanın enerjisini sınırlandıracak bir direnç bulunmadığı için C4 kondansatörü daha yüksek akım itme/çekme (anlık akım) özelliğine sahip olmalıdır. Dolayısı ile C4 kondansatörü için tantal kondansatörler uygun değildir.
Dekuplajın, kondansatör ve dirençlerin birlikte kullanılarak sağlandığı durumlarda (C1-R1, C2-R2, C3-R3), kondansatörün devre üzerindeki davranışını anlayabilmemiz için zaman sabitini göz önünde tutulmalıdır. Örneğin R3, transistor için bir empedans oluştururken, C3, kolektörün oluşturduğu sinyalin tekrar güç hattına sızmaması için kullanılır. Burada zaman sabitinin göz önünde bulundurulması C3 kondansatörünün görevini tam anlamıyla yerine getirebilmesi için önem arz eder ve zaman sabiti transistorun en uzun anahtarlama periyodundan daha uzun olacak şekilde seçilir.
| PARAMETRELER | NOTLAR |
| Anma Gerilimi | Bu değer, kondansatörün çalışması sırasında, üzerine düşecek potansiyel farktan çok daha büyük olması gerekmektedir. Genelde kondansatörler anma geriliminde de güvenilir bir şekilde çalışmaya devam etmektedir, ancak MLCC kondansatörler gibi uygulanan voltaja karşı kapasite kararlılığını yitiren kondansatör türlerin de bu değerin çok daha yüksek seçilmesi, kondansatörün, dolayısı ile uygulamanın kararlılığını arttıracaktır. |
| Kapasite Değeri | Dekuplaj kondansatörü kullanım itibari ile düşük geçiren filtre özelliği gösterdiği unutulmamalıdır. Bu nedenle, sinyalin en az güç kaybına uğraması için yeteri seviyede düşük, sadece en düşük frekansları geçirecek kadar yüksek kapasite değeri kullanılır. Ancak bu prensip ile yola çıkıldığında, her ne kadar frekansın korunmak istediği iletim hatlarında kapasite değeri düşük olarak seçilebilse de genelde düşük frekans gereksinimin sağlanması gerektiği uygulamalarda çok yüksek kapasite değerinde kondansatörlere ihtiyaç duyulur. Bunun için genelde elektrolitik kondansatörlere başvurulur bu da devre şemasında fazladan sızıntı akımlarına ve fazladan alan işgaline sebep olur. Eğer düşük akım uygulaması ise tantal kondansatörler seçilerek bu dezavantajlar ortadan kaldırılabilir. |
| Tolerans | Kapasite değerinin kesin olması gereken uygulamalarda düşük tolerans değerine sahip kondansatörler tercih edilmelidir. |
| Dielektrik Malzeme | Yüksek frekanstaki voltaj dalgalanmalarını sönümleyebilmek için frekansa tepki seviyesinin yüksek olduğu kondansatörler seçilir. Örneğin Elektrolitik kondansatörlerin frekans tepki hızı düşük seviyelerde olmasından dolayı kapasite değerinden feragat edilerek frekans tepki hızı yüksek seviyelerde olan seramik kondansatörler ile birlikte paralel olarak kullanılır. |
2. Uygulamalarda Kondansatör Kullanımı
2.1. RF Uygulamalarında Kullanılması
Radyo Frekansında kullanılacak olan kuplaj ve dekuplaj kondansatörleri yukarıda bahsedilen kurallar dikkate alınarak seçilir. Biz, bu başlık altında radyo frekansında çalışacak olan kondansatörler için önemli olan özellikleri inceleyeceğiz.
Kondansatörlerin performansının ve çalışma frekansın doğrudan ilişkili olduğu unutulmamalıdır. Örneğin RF uygulamalarında elektrolitik kondansatör seçiminden kaçınılır. Çünkü bu kondansatörlerin çalışma frekans yükseldikçe performansı azalır ve genellikle 100 kHz frekansının altındaki uygulamalarda kullanılır. RF uygulamalarında genellikle frekans tepki hızı yüksek seviyelerde olan ve RF frekansında iyi performans gösteren seramik kondansatörler (SMD: MLCC) kullanılır.
Bir kondansatörün RF uygulamasındaki performansı genelde kendi eşdeğer RLC devresindeki indüktif empedansı ile ilişkilidir. İndüktif empedansı yüksek olan bir kondansatörün rezonans frekansı da düşüktür ve bu istenmeyen bir durumdur. Çünkü kondansatörün rezonans frekansında çalışması, o kondansatörün sadece kendi indüktif empedansının indüklediği enerjiyi soğurabildiği noktadır. Ve bu noktada kondansatör sabit bir direnç işlevi gösterir. Rezonans frekansından daha yüksek frekansta çalışan bir kondansatör kondansatörden çok indüktans özelliği gösterir. Bu sebeple kondansatörün fiziksel boyutları ve bağlantı yüzeylerinin ve olabildiğince küçük olması tercih edilir.
RF uygulamalarında birçok kondansatör çeşidi tercih edilebilir. Ancak genel olarak MLCC kondansatörleri fiziksel boyutları ve yüksek frekans tepki hızı seviyesi sebebi ile tercih edilir.
2.2. Doğrultma (Smoothing) Görevinde Kullanılması
Kondansatörün bu görevde kullanılması dekuplaj görevinde kullanılmasına bir örnektir. Ancak bu ifade genelde güç hatlarında kullanılan kondansatörler için kullanılır. Bu başlık altında ise bu kondansatörlerin seçiminde dikkat edilecek parametreleri inceleyeceğiz.
Şekil 3: Doğrulma görevinde kullanılan bir dizi dekuplaj kondansatörün gösterilmesi.
Şekil 3 ‘de gösterilen devre şemasında bir AC enerji kaynağının enerjisi T1 transformatöründen, B1 tam köprü doğrultucusundan ve C1, C2 doğrultma kondansatörlerinden geçirilmiştir. Bilindiği üzere, C1 ve C2 kondansatörlerinin bu devre şeması üzerindeki görevi B1 doğrultucusundan geçen AC sinyali DC seviyesinde sabit tutmaktır. DC seviyesinde sabit tutma görevi AC sinyalin tepe değere çıktı anlar için ne kadar kolay olsa da AC sinyalin taban değere indiği anlar için oldukça zordur. Çünkü AC sinyalin en düşük değere indiği anlar kondansatörün en çok akım sağlaması gereken anlardır. Bu sebeple doğrultma görevinde kullanılan kondansatörler nispeten yüksek kapasite değerlerinde ve yüksek anlık akım yeteneğinde seçilir. Genellikle elektrolitik kondansatörler kullanılır.
| PARAMETRELER | NOTLAR |
| Anma Gerilimi | Bu değer, kondansatörün üzerine düşen maksimum voltaj seviyesinden daha büyük olmalıdır. Oluşabilecek voltaj sıçramaları anma gerilimi seçilirken göz önünde tutulmalıdır. |
| Kapasite Değeri | Enerji sağlayacağı DC yükün akım ihtiyacına göre seçilir. Ancak genelleme yapmak gerekirse birkaç mili farad seçilir. |
| Tolerans | Minimum ihtiyaç duyulan kapasite değeri hesaplandıktan sonra bu değerin altına düşmeyecek olan geniş tolerans aralığı bulunan kondansatörler tercih edilebilir. |
| Dielektrik Malzeme | En yüksek kapasite değerini sunan ve yüksek anlık akım yeteneği gösteren elektrolitik kondansatörler genelde tercih edilir. Tantal kondansatörler de yüksek kapasite değerleri sunmasına karşın yeterli anlık akım yeteneği bulunmamasından dolayı bu amaç için kullanıma uygun değildir. |
| Anlık Akım Yeteneği | Bu kondansatörlerin şarj kapasitenin, yani üzerinde tutabileceği elektrik yükünün maksimum seviyesinin yüksek olması önemlidir. Bunun ile birlikte bu üzerindeki elektrik yükünü ne kadar hızlı serbest bırakabildiği ve tekrar ne kadar hızlı elektrik yükü toplayabildiği de önemlidir. Bu yetenek, anlık akım (Ripple Current) yeteneği olarak isimlendirilir. Bu görev için en uyumlu olan kondansatör çeşidi elektrolitik kondansatörler bile olsa seçimi yapılırken üreticinin belirttiği anlık akım yeteneği seviyesi kontrol edilmelidir. Aksi halde yetersiz anlık akım seviyesi bulunan bir kondansatör ısınmaya başlayacaktır. |
2.3. Zamanlama Görevinde Kullanılması
Rezonans veya zamanlama devreleri olarak bilinen uygulamalarda kondansatörler, dirençler ve indüktörler sıklıkla kullanılır. Genel olarak, bu devrelerde kullanılan kondansatörün görevi filtreleme, osilasyon veya zamanlama olabilir. Bu kullanım görevlerinde her zaman kondansatörün ne kadar sürede şarj/deşarj olacağı ön planda tutulur.
LC, RC ve RLC filtreleri, osilatörleri ve zamanlayıcıları birçok devre tasımında yaygın olarak kullanılır. Bu tür uygulamalarda kullanılan kondansatörlerin en önemli özellikleri düşük tolerans özelliğine sahip olması ve sıcaklık kararlılığıdır. Çünkü zaten hassas bir görevde kullanılan kondansatörün zamanla kendiliğinden veya sıcaklık gibi dış etkenlerden dolayı farklı performans göstermesi kabul edilemez.
| PARAMETRELER | NOTLAR |
| Anma Gerilimi | Bu değer, kondansatörün üzerine düşen maksimum voltaj seviyesinden daha büyük olmalıdır. Her kullanıldığı yer için ayrıca belirlenmelidir. Ancak çoğu durumda besleme geriliminin üzerinde bir seviyeye çıkmamaktadır. |
| Kapasite Değeri | Gerekli olan çalışma frekansını elde edebilmek için kullanılan indüktöre ve dirence bağlıdır. |
| Tolerans | İstenilen çalışma frekansında işlev gösterebilmesi için düşük toleranslı kondansatörler tercih edilir. Ayrıca yıllık yaşlanma toleransı da göz önünde bulundurulur. |
| Dielektrik Malzeme | Birçok zamanlama uygulamasında kondansatör kayıpları sorun teşkil eder. Bu sebeple kayıpların en az seviyelerde olduğu kondansatör çeşitleri tercih edilir. Seramik, plastik film, gümüş mika kondansatörler bunlara örnektir. |
| Sıcaklık Kararlılığı | Bu uygulamalarda, değişen ortam koşulları veya kayıplardan meydana gelen sıcaklık artışları ile performansın etkilenmemesi için sıcaklık kararlılığının yüksek olduğu kondansatörler tercih edilir. |
2.4. Kısa Süreli Enerji Kaynağı (Hold-up) Görevinde Kullanılması
Bu görevde kullanılan kondansatörler üzerinde tuttuğu enerjiyi bir devreye bir süreliğine enerji sağlama amacıyla kullanır. Genellikle bu görev için, çok yüksek kapasite değeri ve uzun süre yük koruma özelliği sunan süper kondansatörler kullanılır. Bu sayede ana gücün kesilmesinden sonra devrenin tamamlaması gereken operasyonlar için yeterli süre sağlanmış olur.
| PARAMETRELER | NOTLAR |
| Anma Gerilimi | Anma geriliminin uygulanacak olan voltaj seviyesinden daha fazla değerde seçilmesi güvenlik ve uzun ömürlü kullanım gerçekleştirmesi açısından önem arz etmektedir. |
| Kapasite Değeri | Enerjinin kesilmesi ile DC yüke tanınacak süreye göre belirlenir. Genel olarak süper kondansatörlerin tercih edilmesi ile birkaç mili farad kapasite değeri birçok düşük voltaj uygulaması için bir dakikadan fazla süre tanımaktadır. |
| Tolerans | Süper kondansatörlerin tolerans aralığı geniş olabilse de en kötü durumda yaşanacak süre kaybı hesaplanarak bunun önlemi alınabilir. |
3. Uygulamalar İçin Kondansatör Seçimi
Seçilmesi planlanan kondansatörün uygulama içerisindeki davranışını ön görebilmek büyük önem arz etmektedir. Kondansatör parametrelerinin uygulama gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığı kontrol altında tutulmalıdır.
Kondansatör seçimi devre tasarımının ihtiyaçları esas alınarak gerçekleştirilir. Kondansatörün hangi görevde kullanılacağı bilmek, bu görevi en iyi performans ile yerine getirebilmesi için sahip olması gereken asgari özellikleri belirlemek seçimin başlangıcında tamamlanması gereken aşamalardır. Daha sonrasında ise devre tasarımına bütüncül bir yaklaşım gerçekleştirilir ve diğer devre elemanları ile olan ilişkileri kontrol edilir. Bundan sonraki aşamalar ise fiyat/performans gibi ticari hedeflere ulaşılmaya çalışılan aşamalardan oluşmaktadır.
