Elektronik devrelerin en önemli elemanlarından olan sığaçlar, elektrik yüklerini depolama özelliğine sahiptirler. Bü özelliğiyle sığaçların kullanım alanlarından bazıları şunlardır.
Anlık akım kesilmesi (elektrik kesintisi gibi) sırasında elektronik devre elemanlarının zarar görmemesi için kısa süreliğne devreye akım sağlar.
Elektronik devrelerde verilerin sıfırlanmaması için kullanılan pillerin tükenmesi durumunda, sığaçlar devreye girerek verilerin kısa süreliğine (pil değişinceye kadar) silinmesini/sıfırlanmasını önler.
Cep telefonları, televizyon, ses sistemi... gibi elektronik cihazların çalışması için doğru akıma ihtiyaç duyar. Evlerimizin pirizlerindeki alternatif akım elektronik devrelerin çalıştırılması için kullanışlı bir akım değildir. Yapısındaki sığaçlar sayesinde adaptörler alternatif akımı (AC) doğru akıma (DC) dönüştürerek elektronik cihazların ihtayacı olan akım sağlanmış olur.
Yük depo ettiğinden elektrik enerjisini de depo etmiş olur.
Fotoğraf makinelerinin dflaşlarındaki gibi anlık güçlü ışık elde edebilmek için kondansatörlerden (sığaç) faydalanılır.
Elektrikli aletlerde gerilim düşmesi durumunda devreye girerek, devrelelerin düzenli çalışmasını sağlar.
Sığaçlar elektrik/elektronik devrelerde sembolik gösterimi veya şeklindedir. Yük miktarı değiştirilebilir sığaçların sembolik gösterimi ise; veya şeklindedir.
Günlük hayatta kullandığımız kondansatörler(sığaçlar) yapısal olarak küresel, düzlem ve silindirik olmak üzere üç şekilde kullanılırlar.
Küresel Sığaçların Sığası
Yüksüz iletken kürenin elektrisel potansiyeli sıfırdır. "+q" yüklü iletken bir çubuğu kürenin iç yüzeyine dokundurduğumuzda, küre +q kadar yüklenirken aynı zamanda kürenin elektrisel potansiyelide "V" kadar olduğu ölçülür. Kürenin iç yüzeyine tekrar "+q" kadarlık yüklü çubuk dokundurulduğunda, kürenin elektriksel potansiyelinin 2V kadar olduğu ölçülür. Büyük küre "+3q" ile yüklendiğinde , elektriksel potansiyelinde 3V olduğu ölçülür.
Burada iletken kürenin yükünün artma miktarı ile orantılı olarak elektriksel potansiyelinde arttığı gözlenmektedir. Yani her durumdaki yükün, potansiyele oranı bir birine eşit ve sabit bir değere karşılık geldiği görülmektedir.
Bu sabit değer kürenin sığasını (kapasitesini) verir ve "C" sembolü ile gösterilir. Birimi "Farad" dır.(farad = coulomb / volt)
Yükü "q" yarıçapı "r" olan iletken elektriksel potansiyelini veren bağıntı;
olduğuna göre, potansiyel ifadesi yukardaki bağıntıda yerine yazılırsa;
sonucuna ulaşılır. Burda kürenin kapasitesinin yarıçapı ile doğru orantılı olduğu görülmektedir. (k : coulomb sabiti)
Düzlem Sığaçların Sığası
Aralarında "d" kadar uzaklık bulunan birbirine paralel duran düzlem levhaları, bir üretecin kutuplarına bağlandığında levhalar elektrik yüküyle yüklenerek yük depo ederler.
Düzlem sığaların sığası(C), levhaların arasında bulunan maddenin dielektrik katsayısı(𝜺) ve levhaların yüzey alanları ile doğru, levhalar arasındaki uzaklıkla ters orantalıdır.
Paralel levhaların yüzey alanları farklı büyüklükte ise, yüzey alanı küçük olana göre işlem yapılır.
Kondansatörde karşılıklı levhalar eşit büyüklükte ancak zıt yükle yüklenirler. Yani levhalardan biri "-q" ile yüklenirken diğeride aynı miktarda "+q" ile yüklenir. Bu durumda sığacın yükü "q" dur.
Bir kondansatör gerilim değeri V olan bir üretece bağlandığında bağıntısına göre, kondansatörün kapasitenin bağlı olduğu "A", "𝜺" ve "d" değerlerinin değişmesi kapasiteyi aynı zamanda kondansatörün yük değerini değiştirir.Yani "V" değeri sabit olduğundan "C" nin değerinin büyümesi "q"nun değerinide arttıracaktır. "C" nin azalması "q" nun değerinin de azalmasına neden olacaktır.
Kondansatör üreteçle yüklendikten sonra üreteçten ayrılırsa, kondansatörün yük miktarı artık sabit olur. kondansatörün kapasitenin bağlı olduğu "A", "𝜺" ve "d" değerlerinin değişmesi kapasiteyi ve kondansatörün uçları arasındaki gerilim değerini değiştirir. Yani q = C.V bağıntısına göre "q" değeri sabit kaldığından "C" nin artması, "V" değerinin azalmasına neden olur.
Ortak Potansiyel Fark
Ayrı ayrı elektrik yükü ile yüklenmiş iki kondansatör paralel bağlandığında, her iki kondansatörün potansiyel farkı eşit olana kadar yük akışı olur. Potansiyeller eşit olduğunda yük akışı durur. Bu durumda kondansatörtler arasındaki potansiyel farka "ortak potansiyel fark" denir.
İki Yüklü Sığac; Aynı Kutuplar Birbirine Paralel Bağlandığında
Kapasiteleri C1 ve C2 olan kondansatörleri üreteçlerle q1 ve q2 olarak yükledikten sonra, aynı kutuplar bir araya gelecek şekilde bağlandığında, aynı kutuplar arasında ortak potansiyel sağlanıncaya kadar yük akışı olur, yani aynı kutuplar arasında toplam yük kapasiteleri oranında paylaşılır. Kondansatörlerin ortak potansiyeli;
Yandaki animasyonda şekil-1 de eşit kapasiteye sahip "K" ve "L" kondansatörlei farklı gerilim değerine sahip üreteclerle yükleniyorlar. Kondansatörler yüklendikten sonra üreteçlerinden ayrılarak, aynı kutuplar bir araya gelecek şekilde paralel bağlandığında toplam yük, eşit kapasiteye sahip kondansatörlerde eşit paylaşılırlar.
Benzer biçimde şekil-2 de toplam yük kapasiteleri oranında yani 2'ye 1 oranında paylaşılır.
İki Yüklü Sığac; Zıt Kutuplar Birbirine Paralel Bağlandığında
Kapasiteleri C1 ve C2 olan kondansatörleri üreteçlerle q1 ve q2 olarak yükledikten sonra, zıt kutuplar bir araya gelecek şekilde bağlandığında, zıt kutuplar arasındaki toplam yük kondansatörlerin kapasiteleri oranında paylaşılır. Kondansatörlerin ortak potansiyeli;
Yandaki animasyonda şekil-1 de eşit kapasiteye sahip "K" ve "L" kondansatörlei farklı gerilim değerine sahip üreteclerle yükleniyorlar. Kondansatörler yüklendikten sonra üreteçlerinden ayrılarak, zıt kutuplar bir araya gelecek şekilde paralel bağlandığında toplam yük, eşit kapasiteye sahip kondansatörlerde eşit paylaşılırlar.
Bir Kondansatötün (Sığaç) Enerjisi
Bir kondansatör yüklenirken elektriksel kuvvetlere karşı iş yapılır. Yapılan iş kondansatörde enerji olarak depolanır. Şekildeki gerilim (V) - yük (q) grafiğinde eğrinin altında kalan alan, kondansatörde depolanan enerjiyi verir. Bu durumda depolanan enerji bağıntısı;
yukardaki denklemde yerine yazılırsa,
KONDANSATÖRLERİN (SIĞAÇLARIN) BAĞLANMASI
Kondansatörlerin (sığaçların) Seri Bağlanması
Seri bağlama Birden fazla sığacın aynı hat üzerinde yerleştirilmesi ile oluşturulan bağlanma şekline denir. Şekildeki seri kondansatör devresinde, üretecin "eksi(-)" kutbuna bağlı kondansatör levhası "eksi(-)" ile yüklenirken, karşısındaki levhada bulunan "eksi(-)" yükleri iterek eşit miktarda "art(+)" yükle yüklenmesine neden olur. İlk yüklenen kondansatörden uzaklaşan eksi yükler ikinci kondansatörün levhasının "eksi(-)" yükle yüklenmesini sağlar. "Eksi(-)" yüklenen levha, ilk kondansatörde olduğu gibi karşısındaki levhadki eksi yükleri iterek, eşit miktarda "artı(+) yükle yüklenmesini sağlar. Diğer seri kondansatörlerde de aynı durumlar gerçekleşir.
Seri bağlı kondansatörlerin bu şekilde yüklenmesi, her bir kondansatörün eşit yükle yükleneceğini söyleyebiliriz. Yani; q1 = q2 = q3 olur. Kondansatörlerin yük miktarı, seri bağlı kondasatörlerin eşdeğeri sığası bulunduktan sonra q = C.V bağıntısına göre yük değeri bulunur. Bu durumda seri bağlı kondansatörlerin yük durumu;
q1 = q2 = q3 = ... = q olur.
Seri bağlı her bir kondansatörün potansiyel farkının toplamı, devreye bağlı üretecin gerilim değerine İç direnç sıfır olduğunda) eşittir. Bu durumda;
V1 + V2 + V3 + ... = V olur.
Seri kondansatörlerin eşdeğer sığasını (seri kondansatörlerin tek bir kondansatöre karşılık değeri) veren bağıntı;
Kondansatörlerin Paralel Bağlanması
İki veya daha fazla kondansatörün şekildeki gibi sağ ve sol kolları ortak olacak şekilde bağlanmasına paralel bağlanma denir. Adının paralel olması kondansatörlerin (veya devre elemanlarının) geometri anlamda paralel olması ile karıştırılmamalıdır.
Paralel bağlı kondansatörlerin uçları arasındaki potansiyel fark değeri bir birine eşit ve büyüklüğü devreye bağlı doğru akım üretecinin potansiyel fark büyüklüğüne eşittir.
V1 = V2 = V3 ... = V
Paralel bağlı kondansatörlerin eşdeğer sığası yani toplam değeri, kondansatörlerin kapasitelerinin cebirsel toplamı ile bulunur.
C1 + C2 + C3 + ... = Ceş
Her bir kondansatörün depolayacağı yük miktarı q = C.V bağıntısıyla bulunur. Paralel bağlı kondansatörlerin depoladıkları yüklerin toplamı, devrenin eşdeğer sığasının yükü kadardır. Devrenin ilk önce eşdeğer sığası bulunur, sonra q = Ceş.V bağıntısına göre yük değeri bulunur.
q1 + q2 + q3 + ... = q
Sığaçlar doğru akım (DC) altında enerji depolama özelliğine sahipken, alternatif akımda daha farklı davranış sergilemektedir. Doğru akım kaynaklarında akım sürekli bir yönde sabit değerdeyken, alternatif akımda akımda akımın hem yönü hemde değeri sürekli değişmektedir. Bu da alternatif akıma bağlı kondansatörün belirli aralıklarla dolup tekrar boşalacağı anlamına gelir. Aşağıdaki akım-zaman grafiğinde durumu daha detaylı inceleyelim.
Alternatif akımda akım ile gerilim arasında 900 lik faz açısı bulunur yani akım maksimum değerini aldığı anda gerilim sıfırdır. Sığaçlar üzerinden akan akım doğrudan gerilimin büyüklüğüne bağlıdır. Sığaçlar üzerinden akan akımın en yüksek olduğu an alternatif gerilimin pozitif durumdan negatif duruma geçtiği veya negatif durumdan pozitif duruma geçtiği andır. Bu durumda AC gerilim kaynağına bağlı sığaç 1 ve 3 nolu bölgelerde yüklenirken, 2 ve 4 nolu bölgelerde boşalma eğilimndedir. Yani bir periyotluk sürede sığaç 2 kez şarj olurken iki kez de deşarj olur.