Kuplaj Kondansatörü
Kuplaj kondansatörü, yalnızca AC sinyalini bir devre elemanından diğerine bağlamak veya aktarmak için kullanılan bir kondansatördür. Kuplaj kondansatörü, DC sinyalinin ikinci elemana girmesini engeller ve böylece yalnızca AC sinyalini iletir.
Kuplaj Kondansatörü Kullanım Alanları
Kuplaj kondansatörleri, AC sinyallerinin çıkması istenen sinyaller olduğu ve DC sinyallerinin sadece devredeki belirli bileşenlere güç sağlamak için kullanıldığı ancak çıkışta görünmemesi gereken birçok devre türünde kullanılır.
Örneğin, bir mikrofon devresi gibi bir ses devrelerinde normalde bir kuplaj kapasitörü kullanılır. DC gücü, çalışması için DC gücüne ihtiyaç duyan mikrofon gibi devre parçalarına güç vermek için kullanılır. Bu nedenle, güç sağlamak için devrede DC sinyalleri bulunmalıdır. Ancak, bir kullanıcı mikrofona konuştuğunda, konuşma bir AC sinyalidir ve bu AC sinyali, sonunda iletilmesini istediğimiz tek sinyaldir. AC sinyallerini mikrofondan çıkış cihazına, örneğin çalınacak hoparlörlere veya kaydedilecek bir bilgisayara ilettiğimizde, DC sinyalini iletmek istemiyoruz; unutmayın, DC sinyali sadece devrenin parçalarına güç vermek içindi. Çıkış kaydında görünmesini istemiyoruz. Çıkışta sadece AC konuşma sinyalini istiyoruz. Bu nedenle, DC sinyali bloke edilirken yalnızca AC’nin geçtiğinden emin olmak için devreye bir kuplaj kondansatörü yerleştiririz.
Kuplaj Kondansatörü Devreye Nasıl Bağlanır?
AC kuplaj sağlamak için kondansatör yüke seri olarak bağlanır.
Kondansatör, reaktif bir cihaz olduğu için DC gibi düşük frekansları bloke eder ve AC gibi yüksek frekansları geçirir. Farklı frekanslara farklı şekillerde yanıt verir. Düşük frekanslı sinyallere karşı çok yüksek bir empedansa veya dirence sahiptir, bu nedenle düşük frekanslı sinyallerin geçmesi engellenir. Yüksek frekanslı sinyaller için düşük bir empedansa veya dirence sahiptir, bu nedenle yüksek frekanslı sinyaller kolayca geçirilir.
Kuplaj Kondansatörü Seçimi
Artık bir kuplaj kondansatörünün ne olduğunu ve kuplaj için bir devreye nasıl yerleştirileceğini bildiğimize göre, sıradaki şey kuplaj kondansatörü için uygun bir değerin nasıl seçileceğidir.
Kuplaj kondansatörünün değeri, geçmekte olan AC sinyalinin frekansına bağlıdır.
Kondansatörler reaktif cihazlardır, yani farklı frekanslardaki sinyallere farklı empedans (veya direnç) sunarlar. 0Hz frekanslı DC gibi düşük frekanslı sinyallere karşı kapasitörler çok yüksek direnç sunar. Bu, kapasitörlerin DC sinyallerinin içinden geçmesini nasıl engelleyebildiğidir. Bununla birlikte, sinyalin frekansı arttıkça kondansatör giderek daha az direnç sunar. Kondansatör reaktansı, reaktans= 1/2πfC formülüne göre değişir, burada f frekans ve C kapasitanstır. Böylece kapasitörün sunduğu reaktansın frekans ve kapasitans ile orantılı olduğunu görebilirsiniz.
Kondansatörler daha yüksek frekanslarda daha az reaktans sunduklarından, geçmelerine izin vermek için çok düşük bir kapasitans değerine ihtiyaç vardır. Bu nedenle, çok yüksek frekanslı sinyaller, yalnızca picofarad (pF) aralığında olduğu gibi çok küçük kapasitörlere ihtiyaç duyar.
Kondansatörler, daha düşük frekanslarda daha fazla reaktans sunar. Bu nedenle, bu düşük frekanslı sinyallerin geçmesine izin vermek için çok daha büyük kapasitans değerlerine ihtiyaç duyarlar. Bu nedenle, düşük frekanslı sinyaller, mikrofarad aralığında kapasitörler gerektirecektir.
Bu nedenle kuplaj kondansatörleri birçok farklı uygulamada kullanılmaktadır. En yaygın uygulamalardan biri amplifikatörler içindir. Bununla birlikte, radyo frekansı (RF) uygulamaları gibi AC kuplaj ile DC blokajı gerektiren hemen hemen her devrede kullanılabilirler.
Ses frekansı ve radyo frekansı uygulamaları, hertz’den megahertz’e kadar olan frekansları içeren geniş bir frekans aralığına uyduğundan, bu, kuplaj uygulamaları için gerekli olan tüm frekansları kapsar.
Aşağıda, çeşitli frekanslar için kullanılabilecek kondansatörlere ilişkin temel bir kaba kılavuz yer almaktadır.
- 100Hz sinyali bağlamak için 10μF kondansatör kullanılabilir.
- 1000Hz sinyal için 1μF kondansatör kullanılabilir.
- 10KHz’lik bir sinyal için 100nF’lik bir kondansatör kullanılabilir.
- 100KHz sinyal için 10nF kondansatör kullanılabilir.
- 1MHz sinyali için 1nF kondansatör kullanılabilir.
- 10MHz sinyal için 100pF kondansatör kullanılabilir.
- 100MHz sinyal için 10pF kondansatör kullanılabilir.
Bu, çoğu zaman etkili olacak kaba bir tahmindir. Yukarıdaki değerleri etkileyebilecek tek değişken kondansatöre paralel olan dirençtir.
Kondansatöre paralel direnç yaklaşık 10KΩ veya daha az ise, tüm değerler doğru olacaktır. Genellikle direnç bu miktardan çok daha azdır.
Bununla birlikte, direnç daha büyükse, örneğin 10KΩ ve 100KΩ arasında, yukarıdaki kondansatörü 10’a bölebilirsiniz; yani daha küçük bir kapasitör bile kullanabilirsiniz. Yukarıdaki kondansatörü kullanırsanız gayet iyi, kuplaj da aynı şekilde çalışacaktır. Ancak daha küçük bir kondansatör bile kullanabilirsiniz, çünkü paraleldeki direnç daha büyükse, bu, AC sinyalinin kondansatör yolunu direnç yolundan çok daha kolay seçmesini sağlar, çünkü kondansatör yolu, direnç varsa dirence kıyasla çok daha az dirence sahiptir, daha büyüktür. Yani direnç arttıkça kapasitans değeri düşebilir. Ancak yine de, gerekenden daha büyük bir kondansatör değeri kullanmak asla zarar vermez. Daha küçük bir kondansatör kullanmak olabilir.
Dolayısıyla bu, bir kuplaj kondansatörünün değerini seçmek için etkili bir yöntemdir. Düşük frekanslı veya yüksek frekanslı bağlantıya izin verir.
Kuplaj kondansatörleri AC sinyallerinden çıkışa geçerken, dekuplaj kondansatörleri hemen hemen tam tersini yapar; dekuplaj kondansatörleri, AC sinyallerini toprağa şönt eder ve bir devredeki DC sinyalinden geçer. Dekuplaj kondansatörleri, DC sinyallerini AC gürültüsünden arındırmak için tasarlanmıştır.
[sc name=”kapasitor” ][/sc]Sözlük anlamı olarak Kuplaj bağlantı demektir. Ama neden sözlükteki anlamı olan bağlantı değil de kuplaj terimini kullanırız? Kuplaj genel bir terimdir. Yani tam olarak bağlantı değil. Burada iki parça arasında bu bağlantıyı sağlayan bir ara eleman bulunur. Mekanikten örnek verecek olursak mesela bir pompamız var ve buna bir motor bağlayacağımızı düşünelim. Motorun milini pompanın miline “kuple” ederiz. Bu yaptığımız işe “kuplaj” denir. Arada bağlantıyı sağlayan elemana da “kuplaj elemanı”, “kuplaj parçası” denir.
Aslında bir şeyi bir şeye doğrudan bağlarsanız buna “bağlantı” (connection) denir. Ama bağlarken doğrudan bağlayamıyorsanız, arada bir “şey” oluyorsa (kaplin ya da kuplaj kondansatörü gibi) o zaman buna kuplaj denir. Tabii bu aradaki “şey”, sadece bağlantıyı gerçekleştirmek için ise, ona “coupling” değil, “connector” (konnektör) denir.
Neden kuplaj kondansatörü kullanılır?
Yukardaki örneğimizi ele alırsak eğer motoru pompaya kaplin ile değil de, doğrudan bağlarsak; ya motor ya da pompa kısa sürede kırılır, bozulur. Çünkü titreşimlerini birbirine aktarmaya kalkarlar. Ancak arada lastikten yapılma bir ara bağlantı elemanı koyarsak, bu eleman oluşacak titreşimleri emerek düzgün bir “kuplaj” yapılmasını sağlar.
Elektronikte de, DC olarak birbirine uymayan (yani aynı eksende olmayan) iki devreyi birbirine bağlamak için DC olarak birbirinden yalıtmamız gerekir. Eğer doğrudan bağlarsak arada bize gereği olmayan akımlar akacaktır, bu da devremizin bozulmasına sebep olacaktır.
Bu yüzden DC akımı akıtmadan işaretimizi sorunsuzca karşıya geçirmek için araya bir kondansatör koyarız. Bunun için işaretimizi boğmayacak kadar küçük, ama direnç göstermeyecek kadar da büyük bir “kuplaj” kondansatörü seçeriz.
Dekuplaj ise Türkçeye girmiş haliyle akuple yani ayırma, bağlantıyı bozma/kesme anlamına gelir. İstenmeyen sinyallerin şaseye iletilmesini sağlar. Hassas elektronik devre elemanlarının gerilim dalgalanmalarından etkilenmemesi için besleme uçları bir kondansatörle toprağa bağlanır. Bu kondansatöre dekuplaj (by-pass) kondansatörü denir.
Hidrolikte DC kaynak, içinden geçen sıvının basıncının, hızının ve yönünün hiç değişmediği sıvı pompasına benzetilebilir. Basınç farkı, bir tanka giren sıvı basıncıyla çıkan sıvı basıncı arasındaki farktır. Uçları arasında P sıvı basıncı olan bir tankın çıkış borusu kapalı farzedilip giriş borusundaki sıvı basıncı P olarak verilmesi benzetimi ve gerçekleşecek olaylar yandaki animasyonda gösterildiği gibidir.
Uçları arasında sıvı basınç farkı olan tankın içinde sıvı birikmesi başlar. İlk anda tank boş olduğundan, pompadan gelen sıvı basıncının önünde bir engel yoktur ve sıvı akış hızı en büyük halindedir. Tank dolmaya başladıkça biriken sıvı, ağırlığı dolayısıyla pompaya ters yönde ve zamanla artan bir basınç uygular, net basınç pompa sıvı basıncı ile tankta biriken sıvı basıncı arasındaki fark olduğundan basınç farkı zamanla azalır. Basınç farkının azalması, tanka sıvı giriş hızının azalması anlamı da taşıdığından tankın sıvıyla dolma hızı gittikçe yavaşlar.
1. Tank dolu ve pompa basıncı sıvı basıncından büyüktür...
- Tank tamamen dolduğu anda pompa basıncı tankın içindeki sıvı basıncından büyükse oluşan basınç farkı tank çeperlerini zorlamaya başlar. Basınç farkı tank çeperinin dayanabileceği şiddette olursa sıvı akışı durur ve denge sağlanır, eğer çeperler basınç farkına dayanamıyorsa bu zorlama bir süre sonra çeperleri deforme eder ve sonuçta tank patlar.
- Çözüm: Pompa basıncını dengelemesi için daha yüksek bir sıvı tankına ihtiyaç vardır. Eğer tankın aldığı sıvı miktarı değişmeyecekse taban alanı daha küçük ancak boyu daha uzun bir tank tercih edilir. Böylece sıvı miktarı sabit kalır, basınç dengelenir ve tank çeperleri zorlanmaz.
- Yani, kondansatörler çalışma gerilimlerinin üzerinde bir gerilime maruz bırakılmamalıdır. Yalıtkan malzeme dayanamayacağı gerilimler altında deforme olur ve patlamaya yol açar. Bunun yerine daha yüksek gerilimlere dayanabilen ve kullanılan yük miktarında değişim olmaması için kapasitesi nispeten düşük kondansatörler tercih edilir.
2. Tank dolu, pompa basıncı ile sıvı basıncı eşit, ancak sıvı miktarı az...
- Tank tamamen dolduğu anda sıvı basıncı pompa basıncını dengeliyorsa, net basınç sıfır olur ve tank çeperlerinde bir zorlanma olmaz. Ancak sıvı miktarının az olması, sıvının kullanılırken daha önceden bitmesine ve işte verimsizliğe yol açar.
- Çözüm: Basınç dengesinin bozulmaması amacıyla sıvı tankının yüksekliği değiştirilmez, ancak taban alanı artırılarak aynı basınç değerinde daha fazla sıvı depolanabilir. Taban alanının artışıyla tank hacmi ve maliyet artar.
- Yani, nominal gerilimde çalıştırılan bir kondansatörün daha büyük elektriksel yükü depolaması ve daha uzun süre devreye enerji sağlaması için hidrolikte taban alanı eşdeğeri olan kapasitesi artırılır. Yandaki resimde sıvı tankının hacmi ve iş görme süresi iki katına çıktığı gibi, kapasitesi iki katına çıkan kondansatör de iki kat yük depolar ve iki kat süre dayanım gösterir.
3. Pompa basıncı ile sıvı basıncı eşit, ancak sıvı tankı tamamen dolmadı...
- Tank tamamen dolmadan içindeki sıvı basıncı pompa basıncına eşit olursa sıvı akışı durur ve tankın üstünde boş kısımlar kalır. Bu durum eldeki tankın gereğinden büyük olduğunu gösterir ve fazladan maliyet getirir.
- Çözüm: Sıvı basıncının pompa basıncını dengelediği yükseklikte bir sıvı tankı tercih edilir. Sıvı tankının gereğinden büyük olması verimsiz kullanıma örnektir.
- Yani, kondansatörler ya tam uygulanacak gerilim değerine ya da aşırı olmayacak şekilde yüksek gerilim değerlerine göre tercih edilir. Uygulanan gerilimin çok üstünde olan çalışma gerilimi, maliyeti fazla olan kondansatör anlamına gelir ve elemanın verimsiz kullanılmasıdır.