Kondansatörlü Filtre

Kondansatöre gerilim uygulandığında, plakaları arasında, uygulanan gerilime eşit bir gerilim oluşur. Bu gerilim oluşuncaya kadar, devreden giderek azalan bir akım akar.
Bu olaya Şarj etme (yükleme) işlemi denmektedir.

Kondansatör şarj olduktan sonra uçları arasına bir direnç bağlanırsa o direnç üzerinden de boşalır (deşarj olur).

Kondansatörlü filtrelerde, kondansatörün şarj-deşarj özelliğinden yararlanılmaktadır.

Şöyle ki:
Şekil 1 ‘de, kondansatörün filtre görevi yaptığı köprü tipi bir doğrultucu ve dalga şekillerindeki değişim gösterilmiştir.

Şekil 1(a) ‘da doğrultucu girişine, tepe değeri, V_m=14V olan bir AC bir gerilim uygulanmıştır. Şekil girişinde gösterilmiş olan 10V AC efektif değerdir. Bilindiği gibi AC ölçü aletleri efektif değerleri göstermektedir.

Kodansatör bir anahtar yardımı ile devreye sokulup çıkarılabilmektedir.

Şekil 1(b) ‘de kondansatörsüz doğrultucu çıkışındaki, yani anahtar açık haldeki, R_L yük direnci üzerinde oluşan alternanslar görülmektedir.

 

Şekil 1 – Kondansatörlü filtre ve gerilimdeki değişimler

 

Şarj İşlemi:

İlk alternansta kondansatör şarj olur.
Şarj işlemi, V_m tepe değerine, yani 14V ‘a kadar devam eder.

Deşarj İşlemi:

İlk alternans gerilimi inişe başladığı zaman, kondansatör de R_L yük direnci üzerinden deşarja başlar. Deşarj nedeni ile, kondansatörün ve dolayısıyla da R_L yük direncinin uçları arasındaki gerilim,maksimum değerden başlayarak yavaş yavaş düşer. Kondansatör ne kadar büyük olursa, gerilimdeki düşme o oranda az olur.

Bir yandan kondansatör gerilimi düşerken, öbür taraftan, ikinci alternansın gerilimi yükselmektedir.
Kondansatörün deşarj işlemi, “V_D” deşarj gerilimi, ikinci alternans gerilimine eşit oluncaya kadar devam eder.
Bu eşitlikten sonra, kondansatör ikinci alternans geriliminin tepe değerine kadar tekrar şarj olur. Bu alternansın gerilimi de tepe değerinden düşmeye başlayınca, kondansatör de deşarja başlar. Ve bu olay tekrarlanarak devam eder.

Ripl gerilimi:

Kondansatörün sürekli olarak şarjı ve deşarjının etkisiyle, R_L yük direnci uçları arasında Şekil 1(d) ‘de görüldüğü gibi dalgalı bir gerilim oluşur. Bu dalgalanmaya Ripl (Ripple) denir.
Gerilimdeki dalgalanma miktarı da “V_r” Ripl gerilimidir.

Burada iki önemli hususa dikkat etmek gerekir:

1. Kullanılan kondansatörün kapasitesi (C) ne kadar büyük olursa çıkıştaki dalgalanmada (Ripl) o kadar az olur.
2. Kondansatör gerilimi, Ripl gerilimi kadar düşerse V_D değerine gelinceye kadar geçen zaman içerisinde, AC devresinden ve dolayısıyla da diyotlardan akım akmaz.

Bunun nedeni,
Kondansatör deşarja başladığında, Şekil 1(c) ‘den de görüldüğü gibi, AC alternansı maksimumdan sıfıra kadar inmekte ve tekrar yükselerek V_D değerine geldiğinde kondansatör gerilimine eşitlenmektedir. Bu zaman aralığında, kondansatör gerilimi AC gerilimden daha büyük olduğundan diyotlardan akım akışına engel olmaktadır.

Ancak V değerinden sonra, AC gerilim kondansatör geriliminden daha büyük olduğundan, Şekil 1(e) ‘de görüldüğü gibi diyotlardan akım akmaya başlamakta ve kondansatörde tekrar şarj olmaktadır.

Diyottan akım akışı AC gerilimin V_m tepe değerine ulaşmasına kadar devam ettiğinden bu akıma diyot akımı denir.

Kondansatörlü filtrenin dezavantajları:

Diyottan bu şekilde darbeli akımın akışı diyodu yıpratacaktır. Bu durum, kondansatörlü filtre için önemli bir sakınca teşkil etmektedir.

Kondansatörlü filtrenin avantajları:

Kondansatörlü filtrenin şu iki avantajı vardır.

1. Bir miktar ripl olsa da, düzgün bir DC gerilimin elde edilmesini sağlar.
2. Kondansatörsüz hale göre büyük DC gerilim elde edilmesini sağlar.

Şekil 1(a) çıkışında, gösterilmiş olduğu gibi anahtar kapalı iken, yani kondansatör devrede iken, voltmetre ile V_CM=14V okunmaktadır. Bu değer AC gerilimin maksimum değeridir.

AC gerilimin maksimumu şöyle bulunmaktadır:

V_m = V_ef/0,707  =  10/0,707 =1,414*10 =14,14 =≈ 14Volt

DC voltmetreden okunan değer, aslında tam 14 Volt değildir. Nedeni de, her ne kadar kondansatör tepe değerine şarj olsa da, bir taraftan da  yük direnci üzerinden deşarj olmaktadır. Yani gerilimi V_r ripl gerilimi kadar düşmektedir. Voltmetre bu ani şarj ve deşarj olayını gereği gibi takip edemeyeceğinden orta noktalarda bir yerde duracaktır.
Ancak V_r deşarj miktarı küçük olduğundan, Voltmetre 14V ‘u gösteriyor denebilecektir.

Çıkış gerilimi hassas olarak şöyle hesaplanır:

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi çıkış geriliminin, maksimum ve ortalama değerlerine, sıra ile V_RLmak, V_RLordiyelim. Ripl gerilimi de V_r olsun.

V_RLor = V_RLmak – (V_r / 2) ‘dir

 

 

Yük akımına (I_RL), AC frekansına (f) ve kondansatör kapasitesine (C) bağlı olarak V_r ripl gerilimi şöyle hesaplanmaktadır: V_r = I_RL / F_C

V_RLmak değeri AC gerilimin V_m maksimum değerine eşittir.
Bu durumda;

V_RLor = V_m – (I_RL / 2F_C) olur.

Bu bağıntıda, C farad, I_RL amper, f Herz olarak yazılır.

Eğer, çıkışta kondansatör bağlanmamış olsaydı DC ölçü aleti ile, R_L uçları arasında ölçülecek olan gerilim şu ortalama değerde olacaktı.

V_or = 0,637 V_m bağıntısına göre: V_or = 0,637*14 = 9Volt

V_or = 9V değeri de, yine Şekil 1(a) ‘da voltmetre üzerinde gösterilmiştir.