Виды управления емкостью переменных конденсаторов

Переменные конденсаторы обычно изготавливаются с механическим и электрическим управлением емкости.

С механическим управлением емкости конденсатор содержит две системы параллельных пластин, одна из которых подвижна ее называют ротор. При этом ротор заходит в зазор между пластинами это перемещение изменяет активную площадь, а следовательно и емкость. Неподвижную пластину называют статором.

В качестве изолятора может использоваться воздушный зазор или полимерная пленка (что чаще всего).

Пластина ротора может иметь разную форму, это позволяет получать нужную зависимость от угла поворота (прямолинейная, логарифмическая зависимость). Механически можно изменять емкость за счет изменения зазора между пластинами — т.е. изменение емкости на небольшое значение.

По последнему варианту (зазор между пластин) изготавливают подстроечные конденсаторы, распространенные в ЭА. Конденсаторы переменной емкости с механическим управлением успешно заменяют в ЭА обычные переменные конденсаторы т.к. у конденсаторов с электрическим управлением более малые габариты, они не чувствительны к вибрации, их можно применять как для дистанционного управления, так и для автоматического регулирования.

Недостатки переменных конденсаторов с электрическим управлением:

· Невысокая добротность;

· Стабильность ниже, чем у механических конденсаторов.

2.8.2. Виды переменных конденсаторов с электрическим управлением:

· Варикапы;

· Варакторы;

· Вариконды.

В первых двух видах используется емкость обратно–смещенного p–n перехода и ее зависимость от приложенного напряжения (используется барьерная емкость p –n перехода).

В варикондах используется зависимость диэлектрической проницаемости от приложенного напряжения. Вариконды характеризуются низкой стабильностью и применяются реже.

Варикапы и варакторы отличаются уровнем переменного сигнала.

Варакторы работают в режиме большого сигнала, где резко проявляется нелинейность вольт–фарадной характеристики (ВФХ). Варакторы используют в умножителях частоты.

Варикапы работают в режиме малых сигналов и их используют для перестройки колебательных контуров, последние используются чаще других.

Барьерная емкость обратно–смещенного p–n перехода определяется как:

где — емкость p–n перехода при нулевом смещении, зависящая от площади p–n перехода и концентрации примеси.

— напряжение смещения ( <0).

— контактная разность потенциалов для Si 0,7÷1 В.

n — показатель степени, зависящий от распределения примеси вблизи p–n перехода.

Зависимость барьерной емкости (С_б) от обратно–смещенного напряжения (U_обр) для варикапа представлена на рис. 30.

ВФХ на рис. 30. приводиться для разных значений n, n=1/3 характерна для плавного перехода получаемая диффузией, n=1/2 характерна для резкого перехода, с резким различием концентрирующиеся примеси в p–n областях (что характерно для сплавных переходов или с использованием эпитаксии).

Схема образования барьерной емкости (С_б) представлена на рис. 31.

На рис 31.: 1 – Технологическая граница; 2 – граница области объемного носителя; 3 – ионы; 4 – внешние выводы.

При положении U_обр вблизи технологической границы перехода образуется объединенная подвижными носителями заряда область. В этой области остаются два слоя положительно–отрицательных ионов, они служат обкладками конденсатора. Чем больше U_обр тем шире объединенная область, т.е. больше расстояние между обкладками и меньше емкость. Из этого следует что зависимость С_б от U_обр для сверх резкого перехода будет иметь самый крутой характер.

2.8.3. Параметры варикапов:

· Номинальная емкость при номинальном напряжении (U_н≈4В);

· Минимальная емкость (С_min) при максимально допустимом обратном напряжении (U_обр≈20÷50В);

· Коэффициент перекрытия по емкости

· Добротность варикапа ().

Частотная зависимость , и зависимость от U_обр представлена на рис. 32.

Поскольку добротность характер потери варикапа, то важно рассмотреть эквивалентную схему рис. 33. которая содержит два источника потерь: проводимость утечки – G и последовательное сопротивление – r связанная с сопротивлением p–n областей и выводов. Типичное значение G составляет сотые доли микросименс, а r десятые доли или единицы Ом. На низких частотах предполагает влияние G на высоких r.

Внешне варикап похож на миниатюрный диод и имеет размеры 3–4 мм.

Применяется варикап на частоте до 100 МГц, емкость 20÷600 пФ, добротность 25÷500.

Вариконды отличаются от варикапов и варакторов тем, что с их помощью можно получить емкости до сотен ГГц, при частотном диапазоне от сотен кГц до 10ГГц.

Вапиконды изготавливаются на основе сегнетокерамики, которая в определенном интервале температуру или напряжений обладает самопроизвольной поляризацией.

Сегнетокерамика производиться на основе титанов, церконатов, станатов, щелочных щелочноземельных и других материалов. Для них характерно низкий tg δ, высокое удельное сопротивление > 10¹⁰Ом см, где прочностное от 4 до 10 кВ мм и изменение диэлектрической проницаемости в широком пределе ε=BaTiO₃ = 1000 при температуре 20 ⁰С, при 120 ⁰С ε=20000.

Сегнетоэлектрики проявляют нелинейную зависимость емкости от напряжения электрического поля и от приложенного напряжения.

Технология изготовления варикондов более дешевая, керамическая, толстопленочная технология реже тонкопленочная технология. Чаще всего используют керамику на основе BaTiO₃.

Что касается конденсаторов на основе органических материалов, то их существует большое разнообразие с использованием полярных и неполярных материалов диэлектрика. Полярные обычно используют для низкочастотных цепей, а неполярные используют в СВЧ целях.