Kondansatörler bir çok devre, özellikle de güç elektroniği için vazgeçilmez elemanlardandır. Yalnız bu kadar elzem olmasına karşın tasarım yapılırken üzerine en az düşünülen malzemelerden olduğu da bir gerçek. Piyasa incelendiğinde oldukça fazla kondansatör tipi olduğu görülebilir; seramik, alüminyum, film, tantalyum vb.
Özellikle sığa ve gerilim değerlerinin yüksekliği istendiğinde ise karşımıza fiyat/performans açısından tek tip bir kondansatör tipi çıkar: elektrolitik.

Elektrolitik kapasitelere girmeden önce güç elektroniği devrelerinde hata sebepleri incelendiğinde karşımıza aşağıdaki gibi bir sonuç ortaya çıkmaktadır.
Cihazlarda kullanılan yarı iletken elemanlarının değerleri çok net belli olduğu için özellikle spekt dışı uygulamalarda hemen zarar görmektedirler ve kullanıldıkları cihazı kullanılamaz hale getirebilirler. Daha sonrasında ise karşımıza konumuz olan kapasitörler çıkmaktadır. Bunun yanında az da görülse yanlış manyetik eleman seçimi, mekanik ya da PCB hataları ve kontrol elemanlarının uygun seçilmemesi de hata nedenleri olarak sayılabilir.

Bu sonuçlardan da görüleceği üzere devreler tasarlanırken uygun kondansatör seçimi oldukça önem arz etmektedir. Bunun yanında güç elektroniği devrelerinin vazgeçilmezi sayılabilecek elektrolit kondansatörlerin hata nedenleri araştırıldığında aşağıdaki sonuç ortaya çıkmaktadır.Elektrolitikik kondansatörün içindeki sıvının kurumasını etkileyen en önemli faktörlerden birinin sıcaklık olduğu dikkate alındığında, ortam sıcaklığının ömür ile direkt alakası olduğu görülebilir. Elbette uzun süre kullanım sonucu yine aynı sıvının kuruması söz konusu olduğundan hata oranı büyük olmaktadır. Genellikle cihazlarda gerilim stresleri az olmak ile birlikte, anlık gerilim yüksekliğine dayanamayan kondansatörler cihazın arızalanmasına yol açabilmektedirler. Mekanik sarsıntı ise tasarım sırasında en az düşünülen konulardan olsa da nakliye sırasında oluşan titreşimden dahi kırılan/kopan kondansatörler ile her gün karşılaşmak mümkün. Tüm bunların yanında sahte ürünler ise üreticilerin oldukça fazla başını ağrıtmaktadır.

Sahte ürünler konusunda küçük bir parantez açarsak; bu konuda şebekeye direkt bağlı çalışan cihazlar tasarlayan firmalar (UPS, Motor Sürücü, Power Suply, Battery Chargers gibi) oldukça risk altındadır; bu tür kondansatörler kapasite/gerilim/akım ripple değerlerinin yüksek olmasından dolayı yüksek fiyattan satılırlar ve bu da sahte ürün üreten ya da dağıtan firmalara kapı aralar. Bu konuda özellikle Türkiye’nin önde gelen bir çok dağıtıcı firması maalesef kullanıcıları çok mağdur edebilmektedirler. Bu yüzden firmaların giriş kalite departmanları oldukça titiz ve dikkatli davranmalıdır; zor bir süreç de olsa gerekirse her parti ürün için, tedarik zinciri takip edilerek ilgili kuruluştan teyit alınmalıdır.

Bir cihaz tasarlandığında, bu cihazın uzun süreli çalışması garanti şartlarının yerine gelmesi açısından çok önemlidir. Şu an bir çok üründe iki ile üç yıl arasında garanti süreleri verilse de yenilenebilir enerji alanında bu süreler 20-25 seneye ya da ömür boyuna kadar çıkabilmektedir.

Yukarıdaki tablolar incelendiğinde, kondansatör seçiminin garanti şartlarının yerine gelmesi açısından önemli olduğu görülür. Elbette yalnızca süreler açısından değil, teknik spektlerin yerine gelmesi açısından da kullanılacak kondansatör önem kazanır. Tüm bunlar dikkate alındığında tasarımcının, kullanacağı kondansatör spektlerini çok iyi belirlemesi gerekmektedir.

Kondansatör ömür hesaplarına girmeden önce, büyük kondansatör üreticilerinin (Panasonic, Epcos, Nichicon, Kemet, Rubycon, Chemi-Con, Vishay) birbirinden çok farklı olmasa da kendilerine ait hesap tabloları bulunduğunu hatırlatmak isterim. Her birinin hesapları ampirik olduğundan ömür hesabı yapılırken hepsi ayrı ayrı incelendiğinde üç farklı noktaya dikkat çektikleri gözükmektedir. Bunlar sıcaklık, gerilim stresi ve ripple akım değeridir.

1) Sıcaklık Etkisi

Elektrolitik bir kondansatörün ömrünü etkileyen en önemli etmenlerden biri sıcaklıktır. PCB üzerine yerleştirilmiş kondansatör üç şekilde soğuyabilir. Bunlar ısıl iletim, hava akışı ve radyasyondur. Bu tarz mekanik bir yerleşimde ısı öncelikle PCB’ye kondansatör bacakları ile aktarılır. Daha sonrasında ise ısınan havanın yükselmesiyle, kondansatör bu hava akışıyla bir nebze soğur ve dengeye oturur.

Sıcaklık hesaplarından önce, en yüksek ortam sıcaklığında yapılan tam yük testlerinde bulunan kondansatörün en yüksek çalışma sıcaklığı ile aşağıdaki formül kullanılarak Kt katsayısı bulunur.

Buradaki tüm sıcaklıklar Kelvin cinsindendir.

2) Gerilim Stresi

Kondansatör fiyatını ve boyutunu etkileyen en önemli unsurlardan biri de gerilimdir. Dolayısı ile tasarımlarda kullanılabilecek en düşük gerilimli kondansatör seçimi fiyat açısından avantaj yaratmaktadır. Gerilim ile ömür ilişkisi arasındaki katsayı aşağıdaki gibi hesaplanır. Buradaki Ur kondansatörün nominal gerilim değerini, Ua ise çalışma gerilimidir. Ua/Ur oranına göre ise n katsayısı seçilerek formül işletilir.

3) Ripple Akım Değeri
Bir kondansatörün eşdeğer devresi aşağıda görülebilir.Kondansatörlerin spektlerinde verilen ripple akım değeri, özellikle yüksek güçlü sistemlerinde ESR de ele alınarak bir ısı kaybı oluşturur. Dolayısı ile sistem tasarlanırken akım ve gerilim ripple değerlerine göre ESR ve ESL değerleri oldukça önem arz etmektedir. Bu değerler küçüldükçe kondansatör fiyatları aşırı derecede artmaktadır. Bu değerler ayrıca gerilim ripple değerleri gibi bir çok etmende rol oynadıklarından simülasyonlar ve deneylerle kondansatör üzerinden geçecek RMS akım değeri bulunmalıdır. Daha sonra seçilen kondansatöre göre ömür hesabına katkısı aşağıdaki gibi olmaktadır.Bu formülde Ia uygulamadaki, Io kapasitenin spektinde verilen ripple akım değeri, ΔT değeri ise ısı artış miktarı (85°C kondansatörler için ~10K, 105°C kondansatörler için ~5K alınabilir) ve Ki ise ampirik güvenlik faktörü olarak alınmalıdır.

Ömür Hesabı

Yukarıdaki tüm katsayılar hesaplandıktan sonra aşağıdaki formülle ömür hesabı tamamlanır.Burada verilen Lo değeri, kondansatörün spektlerinde verilen çalışma saati, Lx ise sonuç olarak çıkan ömür süresidir.

Yukarıdaki tüm hesaplar ekstrem durumlar gözetilerek yapılmalıdır, fakat cihazlar her zaman bu ekstrem koşullarda çalışmayabilir. Dolayısı ile kondansatörlerin gerçek ömürleri için sıcaklık/ripple faktör/gerilim streslerine göre adımlara bölüp hesaplamalar yapılarak, fiyat konusunda daha iyi çalışmalar yapılabilir.

Örnek Uygulama

Yukarıdaki tanımlamaları bir örnek üzerinde irdeleyelim.
Elimizde 4W Led Ampül uygulaması olduğunu varsayalım. Led ampül uygulamalarında herhangi bir izolasyon ihtiyacı olmadığından “Akım Regüleli Buck Converter” topolojisi tercih edilmektedir. Ledlerin 100mA akım çekmesi gerektiğini ve en kötü şart olan %50 duty cycle ile çalışıyor varsayalım. Bu şartlarda giriş kondansatöründeki ripple akımın RMS değeri yaklaşık 50mA olacaktır. Çalışma maksimum gerilimi 275Vac sıcaklığı ise 70°C alınabilir.
Ben bu konuda ürün kodu “UVK2G2R2MPD1TD” olan Nichicon marka, aşağıda spektleri görülebilecek kondansatörü örneğim için seçtim. Elbette bu konuda başka firmaların da uygun kondansatörleri bulunabilir.Yukarıdaki değerleri ben ilgili ürünün spektlerinden bir araya getirdim. Bu konuya yeni adım atacak arkadaşlar özellikle kondansatör spektlerini okurken oldukça dikkat etmeliler çünkü yarı iletken malzemelerde olduğu gibi maalesef değerler sıcaklığa, frekansa ve daha bir çok detaya bağlı.

Spekte verilen değerleri, yukarıda incelediğimiz formüllere dökersek aşağıdaki sonucu elde ederiz.
En zor çalışma koşulları ele alındığında seçilen kondansatörün kendi ömründen iki kat daha fazla süre çalışabileceği gözükmektedir.

Yazıyı sonlandırmadan önce yukarıda hesaplanan sürelerin kondansatörün tamamen kullanılamaz hale gelme süreleri olduğu unutulmamalı, gerçek ömür hesabının ise hesaptan ziyade testlerle çıkacağı unutulmamalıdır.

Dip Notlar: İstatistiksel veriler konusunda Dr. Ray Ridley’den yararlanılmıştır.