Kapazitätsdiode

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Die Kapazitätsdiode oder Varicap, auch Varaktor oder Abstimmdiode genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauteil. Durch Änderung der angelegten Spannung lässt sich eine Variation der Kapazität von 10:1 erreichen. Somit steht eine elektrisch steuerbare Kapazität zur Verfügung, die die früher üblichen, erheblich größeren Drehkondensatoren weitgehend ersetzt hat.

Schaltzeichen (alte Norm)
Baugröße einer SMD-Kapazitätsdiode

Funktion[Bearbeiten]

Der p-n-Übergang einer Diode hat eine Kapazität, die von der Breite der Raumladungszone abhängig ist. Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben, so entsteht am p-n-Übergang eine Ladungsträgerverarmungszone, an der sich auch ein elektrisches Feld, bedingt durch die fehlenden Ladungsträger, aufbaut. Mit steigender Spannung vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, damit nimmt die Kapazität ab. Durch geeignete Dotierung können Kapazitäten im Bereich von 3 pF bis 300 pF erreicht werden. Die maximale Sperrspannung beträgt etwa 30 V.

Anwendung[Bearbeiten]

Die Kapazitätsdiode wird zur Abstimmung von Schwingkreisen in Filtern und Oszillatorschaltungen, zum Beispiel anstelle von Drehkondensatoren oder veränderbaren Induktivitäten (Variometer) zur Frequenzwahl in Funkempfängern (z. B. Radios, Fernsehempfänger) eingesetzt.

Zusätzlich an LC-Schwingkreise geschaltete Kapazitätsdioden werden zur Automatischen Feinabstimmung (AFC) in Empfängern oder zur Frequenzmodulation in FM-Sendern eingesetzt.

Die schnelle Frequenzregelung in Phase-locked loop-Schaltungen (PLL) nutzt oft Kapazitätsdioden. Diese PLL sind Kernbestandteil aller fernbedienbaren Funkgeräte und Handys.

Bevor etwa im Jahr 1970 Transistoren entwickelt wurden, mit denen man auch oberhalb von 200 MHz Leistungen von einigen Watt erzeugen konnte, behalf man sich mit kühlbaren Kapazitätsdioden (Varaktoren) zur Frequenzvervielfachung von beispielsweise 140 MHz auf 420 MHz. Dabei wurden die Verzerrungen einer sinusförmigen Spannung durch die stark nichtlineare Kennlinie ausgenutzt, die beim Betrieb von Kapazitätsdioden mit mehr als 20 V Wechselspannung auftritt. Durch geeignete Verwendung von Schwingkreisen konnte man die gewünschte Oberwelle aussieben.

Abstimmung von LC-Schwingkreisen[Bearbeiten]

Schaltung zur Frequenzabstimmung mit einer Kapazitätsdiode.
Schaltung zur Frequenzabstimmung mit zwei Kapazitätsdioden.

Zur Frequenzabstimmung von LC-Schwingkreisen wird mit der Spannung U_e (in Sperrrichtung gepolt) die Kapazität der Diode eingestellt, die mit dem Koppelkondensator C_K zum Kondensator C parallelgeschaltet ist. Durch die Induktivität L_B ist der Schwingkreis wechselstrommäßig von der Spannungsquelle abgetrennt. Sie kann meist durch einen hochohmigen Widerstand von etwa 100 kOhm ersetzt werden. Um einen großen Variationsbereich zu erzielen, soll die Wechselspannung am Schwingkreis nur wenige Volt betragen. Andernfalls wird die Kapazitätsdiode die Wechselspannung gleichrichten, eine eigene Vorspannung von etlichen Volt erzeugen und deshalb nie eine große Kapazität erreichen.

Der Koppelkondensator trennt die Steuerspannung der Diode vom Schwingkreis.

Damit sich L_B nicht auf die Resonanzfrequenz f_R auswirkt muss L_B \gg L gewählt werden. Hierbei gilt:


{\omega}_R = 2 \pi \, f_R = \frac{1}{\sqrt{L \, \left( C + \frac{C_S(U_a) \, C_K}{C_S(U_a) + C_K} \right) }} {\begin{matrix} {C_K \gg C_S(U_a)} \\ {\approx} \\ {} \end{matrix}} \frac{1}{\sqrt{L \, \left( C + C_S(U_a) \right)}}

Bei der Reihenschaltung von zwei Sperrschichtkapazitäten parallel zum Schwingkreis wird keine zusätzliche Koppelkapazität benötigt, da immer eine der beiden Dioden den Gleichstrom sperrt.

Bei dieser Schaltung gilt die einfachere Formel:

{\omega}_R = 2 \pi \, f_R = \frac{1}{\sqrt{L \, \left( C + \frac{C_S(U_A)}{2} \right)}}

Allerdings ist nur die halbe Sperrschichtkapazität aktiv, weshalb man entweder die Sperrschichtkapazität oder die Induktivität doppelt so groß wählen müsste. Der Vorteil liegt jedoch in der besseren Linearität der Schaltung im LC-Schwingkreis bei großen Amplituden. Der Pegel der Arbeitswechselspannung an Kapazitätsdioden muss meist sehr klein gehalten werden, damit keine ungewollte Kapazitätsmodulation durch diese erfolgt, da diese ja die kapazitätseinstellende Gleichspannung überlagert.

Kapazitätsdioden können nicht zur Abstimmung von Schwingkreisen mit hohen Wechselspannungen verwendet werden, weil ihre Kapazität spannungsabhängig ist und die maximale Sperrspannung beschränkt ist. Auch ist ihre Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen.

Literatur[Bearbeiten]

  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Kapazitätsdioden – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien