Saf Bir Kondansatör Devresi
Yalnızca C (farad cinsinden ölçülen) kapasitanslı bir saf kondansatörden oluşan bir devre, Saf Kondansatör Devresi olarak adlandırılır. Kondansatörler, elektrik alanları içinde elektrik enerjisi depolar, bu özellik kapasitans olarak bilinir (ayrıca "kondansatör" olarak da adlandırılır). Yapısal olarak, bir kondansatör iki iletken plakadan ve bunları ayıran bir dielektrik ortamdan oluşur—sıklıkla kullanılan dielektrik malzemeler cam, kağıt, mika ve oksit tabakalarıdır. İdeal bir AC kondansatör devresinde, akım voltajdan 90 derece faz açısı ile önderlik eder.
Bir kondansatöre gerilim uygulandığında, plakalar arasında bir elektrik alanı oluşur, ancak dielektrikten herhangi bir akım geçmez. Değişen bir AC gerilim kaynağı ile, kondansatörün sürekli şarj ve deşarj süreçleri nedeniyle sürekli akım akışı gerçekleşir.
Kondansatör Devresinin Açıklaması ve Türetimi
Bir kondansatör, iki yalıtılmış plaka ve onları ayıran bir dielektrik ortamdan oluşur, elektrik yükü için bir enerji depolama cihazı görevi görür. Güç kaynağına bağlandığında şarj olur, bağlantısı kesildiğinde deşarj olur. DC kaynakla bağlı olduğunda, uygulanan potansiyele eşit bir gerilime şarj olur, bu da gerilim değişikliklerine karşı direnç gösteren pasif bir elektrik bileşeni olarak rolünü gösterir.
Devreye uygulanan alternatif gerilim denklemi ile verilsin:
Herhangi bir zaman anındaki kondansatördeki yük şu şekilde verilir:
Devrede akan akım şu denklem ile verilir:
Denklem (2)'den q değerini denklem (3)'e koyduğumuzda elde ederiz:
Şimdi, denklem (1)'den v değerini denklem (3)'e koyduğumuzda elde ederiz:
Burada Xc = 1/ωC, saf bir kondansatör tarafından alternatif akım akışına karşı çıkan direnci ifade eder, bu kapasitif reaktans olarak bilinir. Akım, sin(ωt + π/2) = 1 olduğunda maksimum değere ulaşır. Böylece, maksimum akım Im şu şekilde ifade edilir:
Im değerini denklem (4)'e koyduğumuzda elde ederiz:
Fazör Diyagramı ve Güç Eğrisi
Saf bir kondansatör devresinde, kondansatörden geçen akım voltajdan 90 derece faz açısı ile önderlik eder. Fazör diyagramı ve gerilim, akım ve güç dalga formları aşağıda gösterilmiştir:
Yukarıdaki dalga formunda, kırmızı eğri akımı, mavi eğri gerilimi ve pembe eğri gücü temsil eder. Gerilim arttıkça, kondansatör maksimum değere şarj olur, pozitif yarım döngüyü oluşturur; gerilim azaldıkça, kondansatör deşarj olur, negatif yarım döngüyü oluşturur. Eğrinin dikkatli bir incelemesi, gerilim zirvesine ulaştığında, akım sıfıra düşer, bu an için hiçbir akım akışının olmadığını gösterir. Gerilim π'ye düştüğünde ve negatif olduğunda, akım zirve değerine ulaşır, kondansatörü deşarj etmeye başlar—bu şarj-deşarj döngüsü devam eder.
Gerilim ve akımın 90° faz farkı nedeniyle aynı anda zirvelerine ulaşmaması, fazör diyagramında akım (Im) gerilim (Vm)'den π/2 önde olduğu gibi gösterilir. Bu saf kondansatör devresinde anlık güç p = vi ile tanımlanır.
Bu denklem üzerinden, kapasitif devrede ortalama güçün sıfır olduğunu çıkarabiliriz. Dalga formunun simetrisi nedeniyle, yarı döngü boyunca ortalama güç sıfırdır, çünkü pozitif ve negatif döngü alanları eşittir.
İlk çeyrek döngüde, kaynağın sağladığı güç, kondansatör plakaları arasındaki elektrik alanında depolanır. Sonraki çeyrek döngüde, elektrik alan dağılırken, depolanan enerji kaynağa geri döner. Bu enerji depolama ve dönüşüm döngüsü sürekli olarak gerçekleşir, bu nedenle kondansatör devresi net bir güç tüketimi yapmaz.
