Kondansatör şarj deşarj deneyinde bir kondansatör direnç üzerinden doldurulup boşaltılır ve gerilimi zamanla ölçülür. Dolma hızını zaman sabiti τ = R · C belirler; 100 kΩ ve 100 µF için τ = 10 saniyedir. Bir τ sonunda kondansatör kaynak geriliminin yaklaşık %63'üne dolar, beş τ sonunda neredeyse tamamen dolar.
Kondansatörün nasıl dolup boşaldığını görmek için bir direnç ve bir kondansatör yeterlidir. Bu yazıda RC devresiyle şarj ve deşarj deneyini adım adım anlatıyoruz. Zaman sabitini hesaplamayı, %63 kuralını ve multimetreyle ölçüm tablosu hazırlamayı öğreneceksiniz. Sonda LED'in yavaşça söndüğü ikinci bir deney de var.
Kondansatör şarj deşarj deneyi nedir?
Kondansatör şarj deşarj deneyi, bir kondansatörün direnç üzerinden dolarken ve boşalırken geriliminin zamanla nasıl değiştiğini ölçen temel bir elektrik deneyidir. Kondansatör, elektrik yükünü kısa süre depolayan bir devre elemanıdır. Kapasitesi farad (F) ile ölçülür; okul deneylerinde mikrofarad (µF) kullanılır ve 1 µF = 0,000001 F'tır.
Direnç ve kondansatörden oluşan devreye RC devresi denir. Direnç akımı sınırladığı için kondansatör bir anda değil, yavaş yavaş dolar. Gerilim önce hızlı, sonra giderek yavaşlayarak artar. Kondansatörün yapısını kondansatör nedir yazısında anlattık.
RC zaman sabiti nasıl hesaplanır?
RC zaman sabiti, direnç değeri ile kapasitenin çarpılmasıyla hesaplanır: τ = R · C. τ "tau" diye okunur ve saniye cinsindendir; R ohm, C farad olarak yazılır. Örneğin 100 kΩ ve 100 µF için τ = 100.000 Ω × 0,0001 F = 10 s olur.
Zaman sabiti, kondansatörün kaynak geriliminin yaklaşık %63'üne dolması için geçen süredir; buna %63 kuralı denir. Boşalırken de bir τ sonunda gerilim başlangıç değerinin yaklaşık %37'sine düşer. Beş τ sonunda kondansatör pratikte dolmuş ya da boşalmış sayılır. Aşağıdaki tablo 6 V kaynak ve τ = 10 s için hesaplanmıştır.
| Süre | τ cinsinden | Dolma oranı | Şarjda gerilim | Deşarjda gerilim |
|---|---|---|---|---|
| 0 s | 0 | %0 | 0 V | 6,00 V |
| 10 s | 1τ | %63,2 | 3,79 V | 2,21 V |
| 20 s | 2τ | %86,5 | 5,19 V | 0,81 V |
| 30 s | 3τ | %95,0 | 5,70 V | 0,30 V |
| 40 s | 4τ | %98,2 | 5,89 V | 0,11 V |
| 50 s | 5τ | %99,3 | 5,96 V | 0,04 V |
Bu değerler şarj için V = 6 × (1 − e^(−t/τ)), deşarj için V = 6 × e^(−t/τ) formülünden gelir. Buradaki e, yaklaşık 2,718 olan bir matematik sabitidir. Formülü bilmeseniz de tabloyu "beklenen değer" olarak kullanabilirsiniz.
Hangi malzemeler gerekir?
Bu deney için 100 µF kondansatör, 100 kΩ direnç, 4'lü AA pil yatağı, multimetre, breadboard ve kronometre yeterlidir. LED deneyi için ayrıca 1000 µF kondansatör, 1 kΩ direnç ve kırmızı LED gerekir.
Malzeme listesi
| Malzeme | Adet | Ne işe yarar? |
|---|---|---|
| 100 µF 35 V kondansatör | 1 | Ana deneyde yük depolar |
| 100 kΩ direnç | 1 | Akımı sınırlar ve τ'yu belirler |
| 1000 µF 25 V kondansatör | 1 | LED deneyinde enerji depolar |
| 1 kΩ direnç ve kırmızı LED | 1'er | Kondansatör boşalırken ışık verir |
| 4'lü AA pil yatağı ve 4 AA pil | 1 | Yaklaşık 6 V kaynak |
| DT830B dijital multimetre | 1 | Kondansatör gerilimini ölçer |
Elektrolitik kondansatörün bacakları kutupludur: uzun bacak artı (+), gövdesinde şerit olan taraf eksi (−) uçtur. Kondansatörün gerilim değeri, besleme geriliminden yüksek olmalıdır; 35 V ve 25 V, 6 V için uygundur.
Şarj ve deşarj deneyi adım adım nasıl yapılır?
Deney, kondansatörü önce boşaltıp pil bağlandığı anda kronometreyi başlatarak ve her 5 saniyede gerilimi okuyarak yapılır. İki kişi çalışmak işinizi kolaylaştırır: biri süreyi söyler, diğeri değeri yazar.
- Kondansatörü boşaltın: iki bacağını 1 kΩ dirençle birkaç saniye birleştirin.
- Kondansatörü breadboard'a takın ve eksi (−) bacağını pilin eksi hattına bağlayın.
- 100 kΩ direncin bir ucunu kondansatörün artı (+) bacağına, diğer ucunu boş bir sıraya takın.
- Multimetreyi DC 20 V kademesine alın. Kırmızı probu artı, siyah probu eksi bacağa krokodil uçla tutturun.
- Pilin artı kablosunu direncin boştaki ucuna taktığınız anda kronometreyi başlatın. 50 saniye boyunca her 5 saniyede gerilimi yazın.
- Deşarj için pilin artı kablosunu çıkarın, direncin boştaki ucunu eksi hattına takın ve aynı ölçümü tekrarlayın.
- Her ölçümü üç kez yapıp ortalamasını alın.
Ölçümlerinizi tablodaki beklenen değerlerle karşılaştırın. Elektrolitik kondansatörlerin kapasitesi etiket değerinden genellikle ±%20 farklı olabilir; bu yüzden τ 8 ile 12 saniye arasında çıkabilir. Multimetre kullanımını multimetre nasıl kullanılır yazısında anlattık.
Multimetre ölçümü neden biraz farklı çıkar?
Multimetre ölçümü biraz farklı çıkar, çünkü multimetrenin kendisi de devreye bir direnç gibi bağlanır. DT830B gibi multimetrelerin DC gerilim kademesindeki iç direnci genellikle 1 MΩ civarındadır. Bu direnç kondansatöre paralel durduğu için onu bir miktar boşaltır.
Hesaplarsak kondansatör en fazla 6 × 1 / (0,1 + 1) ≈ 5,45 V'a dolar ve zaman sabiti yaklaşık 9,1 s olur. Yani 10. saniyede 3,79 V yerine yaklaşık 3,6 V okumanız normaldir. Farkı azaltmak için 10 kΩ direnç ile 1000 µF kondansatör kullanabilirsiniz; τ yine 10 s olur, multimetrenin etkisi ise yüzde 1 civarına iner.
LED sönme deneyi nasıl yapılır?
LED sönme deneyinde dolu bir kondansatör bir LED ve dirençle boşaltılır; LED önce parlak yanar, sonra yavaşça söner. Bu deney zaman sabitini gözle görmenin en kolay yoludur.
- 1000 µF kondansatörü 1 kΩ dirençle pile bağlayıp 5-6 saniye doldurun. Burada τ = 1 kΩ × 1000 µF = 1 s'dir.
- Pil kablolarını çıkarın.
- Kondansatörün artı bacağını 1 kΩ direnç üzerinden LED'in uzun bacağına, LED'in kısa bacağını kondansatörün eksi bacağına bağlayın.
- LED'in sönme süresini kronometreyle ölçün. Sonra deneyi 100 µF kondansatörle tekrarlayın.
1000 µF ile LED birkaç saniyede yavaşça söner; 100 µF ile ise yalnızca kısa bir an parlar. Kapasite 10 kat azalınca süre de yaklaşık 10 kat kısalır. Kırmızı LED yaklaşık 1,8 V'un altında yanmadığı için kondansatör tamamen boşalmadan söner.
Hangi güvenlik kurallarına dikkat edilmeli?
Bu deney pil ile yapıldığında güvenlidir; yine de şu kurallara uyun:
- Yalnızca pil kullanın; 220V şebeke elektriğine bağlanan cihazları açmayın. Flaş, mikrodalga fırın ve televizyon kartlarındaki büyük kondansatörler fişten çekildikten sonra da tehlikeli yük taşıyabilir.
- Elektrolitik kondansatörü ters takmayın; ters gerilimde ısınıp şişebilir, hatta patlayabilir.
- Pilleri kısa devre etmeyin, ısınan pili hemen çıkarın ve deney bitince pilleri yataktan alın.
- Deneyi bir öğretmen ya da yetişkin gözetiminde yapın.
Ödevinizi nasıl sunarsınız?
Ödevinizi, ölçtüğünüz gerilim değerlerini hesapladığınız değerlerle aynı grafikte göstererek sunun. Ölçüm ile teori arasındaki farkı yorumlamak, deneyin en değerli kısmıdır.
- Ölçülecek: 0-50 s arasında her 5 saniyede kondansatör gerilimi, şarjda ve deşarjda.
- τ'yu bulma: Gerilimin 6 V'un %63'üne, yani yaklaşık 3,8 V'a ulaştığı süreyi grafikten okuyun.
- Değişken: 100 µF yerine 47 µF ya da 220 µF, 100 kΩ yerine 47 kΩ kullanın.
Örnek hipotez: "Kapasite iki katına çıkarsa %63'e dolma süresi de iki katına çıkar." Sonuçta ölçtüğünüz τ ile hesapladığınız τ arasındaki yüzde farkı yazın. Diğer değerleri µF kondansatör kategorisinde bulabilirsiniz. Seçim için elektrolitik kondansatör seçimi yazısına bakın.
Sık sorulan sorular
Zaman sabiti neden %63'e karşılık gelir?
Çünkü şarj formülünde t = τ olduğunda gerilim, kaynak geriliminin 1 − 1/e katına ulaşır; bu da yaklaşık 0,632, yani %63,2'dir. e sayısı yaklaşık 2,718'dir ve 1/e yaklaşık 0,368'dir. Bu yüzden bir τ sonunda şarjda %63, deşarjda %37 değeri görülür. Bu oran direnç ve kapasite değerinden bağımsızdır; her RC devresinde aynıdır.
Kondansatör neden yavaşlayarak dolar?
Kondansatör doldukça uçlarındaki gerilim artar ve dirence düşen gerilim azalır. Direnç üzerindeki gerilim azaldıkça akım da azalır, kondansatör de daha yavaş dolar. Başlangıçta akım en büyüktür: 6 V ve 100 kΩ için 6 / 100.000 = 0,00006 A, yani 60 µA. Bu yüzden gerilim eğrisi önce dik, sonra giderek yatay olur.
Deney için hangi multimetre kademesi kullanılmalı?
6 V'luk bir deney için multimetreyi DC 20 V kademesine alın. 2 V kademesi bu gerilim için küçük kalır, 200 V kademesi ise yalnızca 0,1 V hassasiyet verir. 20 V kademesinde 0,01 V'a kadar okuyabilirsiniz. Kırmızı prob V işaretli girişe, siyah prob COM girişine takılı olmalıdır. Ölçüm sırasında probların bacaklardan kaymaması için krokodil uç kullanın.
Kondansatörü ters takarsam ne olur?
Elektrolitik kondansatör ters takılırsa içindeki ince yalıtkan katman bozulur ve kondansatör ısınmaya başlar. Düşük gerilimde hemen bir şey görmeyebilirsiniz, ama zamanla şişebilir ya da sızdırabilir. Daha yüksek gerilimde patlama riski vardır. Uzun bacağı artıya, şeritli tarafı eksiye bağlayın ve ters takıldığını fark ettiğiniz kondansatörü bir daha kullanmayın.
Deneyi Arduino ile yapabilir miyim?
Evet, kondansatör gerilimini Arduino'nun A0 girişine bağlayarak saniyede birçok ölçüm alabilirsiniz. Bu durumda kaynak olarak 6 V pil yerine Arduino'nun 5V pinini kullanın; analog girişe 5 V'tan yüksek gerilim verilmemelidir. Değerleri Seri Monitör'den tabloya aktarabilirsiniz. Arduino girişinin direnci çok yüksek olduğu için multimetredeki yükleme etkisi neredeyse görülmez.
Özet
- RC devresinde kondansatör direnç üzerinden yavaş yavaş dolar ve boşalır.
- Zaman sabiti τ = R · C'dir; 100 kΩ × 100 µF = 10 s.
- Bir τ sonunda şarjda %63, deşarjda %37 değeri görülür; 5τ sonunda işlem bitmiş sayılır.
- Multimetrenin yaklaşık 1 MΩ iç direnci 100 kΩ'luk devrede ölçümü biraz düşürür.
- Kapasite 10 kat azalınca LED de yaklaşık 10 kat kısa sürede söner.
- Yalnızca pil kullanın, elektrolitik kondansatörü ters takmayın.