Varaktori - Kapasitanssidiodi



Yleistä:


Varaktori on diodi, jonka kapasitanssia voidaan säätää estosuunataisella tasajännitteellä. Varaktoria kutsutaan tämän takia myös kapasitanssidiodiksi tai varaktoridiodiksi. [1]
Varaktorit ovat suunniteltu käytettäväksi estosuuntaisina ja ne ovat optimoitu antamaan haluttu kapasitanssi. Tyhjennysalueen väliset seinämät ovat verrattavissa kondensaattorin levyihin.




varicap2x.JPG

Kuva 1. Varaktorin kaksi erilaista piirrosmerkkiä.


Toiminta:


Varaktoria käytetään estosuuntaisena, jolloin katodin ja anodin välille muodostuu estojännitteestä riippuvainen tyhjennysalue. P alueen puolella virtaa kuljettavat vapaat elektronit ja N alueen puolella taas aukot.Tyhjennysalue muodostuu P- ja N-tyypin puolijohteiden välille, niinkuin diodillakin.



PN_liitos.JPG
Kuva 2. PN liitos.

P-tyypin puolijohtessa käytetään usein booriatomeja epäpuhtautena, jolloin on osalle atomeista tulee vain kolme ulkoista elektronia neljän sijasta. Puolijohteeseen tulee näin aukkoja. N-tyypin puolijohteenssa voidaan käyttää fosforiatomeja, koska sillä on viisi ulkoista elektronia. Näin n-tyypin puolijohteeseen muodostuu vapaita elektroneja. Kun p ja n-tyypin puolijohteet laitetaan vierekkäin, n-tyypin vapaat elektronit pyrkitvät p-tyypin puolijohteen alueelle täyttämään vapaita aukkoja. N- ja p-tyypin puolijohteiden välille muodostuu tyhjennysalue, jossa ei ole vapaita elektroneja eikä aukkoja. N-tyypin puolella atomit ovat varautuneet positiivisesti ja p-tyypin puolella atomit ovat varautuneet negatiivisesti.

Tyhjennysalueen läpi ei kulje virtaa, joten se toimii kondensaattorin levyjen välisenä eristeenä. P- ja n-alueiden välille muodostuu sähköinen potentiaaliero. Kapasitanssin suuruus, on muutaman pikofaradin (40-110pF) suuruinen, toisinaan se voi kyllä olla paljon suurempikin. Kapasitanssi määritellään C = Q/U, missä Q on sähkövaraus ja U on sähköinen potentiaaliero eli jännite. Kun estojännite kasvaa, samalla kasvaa myös tyhjennysalue. Samaan aikaan kapasitanssi pienenee, sillä sen arvo on kääntäen verrannollinen levyjen väliseen etäisyyteen. Varaktorin tuotetunnus on euroopplaisittain muotoa BB110. [2] [3] [4]


Kapasitanssin suuruus


Kapasitanssin suuruus määräytyy monista tekijöistä PN-liitoksen seinämien ( "kondensaattorin levyjen") suuruudesta, dieletrisyysvakiosta, jännitteen tuottamasta tyhjennysalueesta sekä sen materiaalista ja tyhjennysalueen seinämien välisestä etäisyydestä.


Varaktorin Q arvo:


Q on varaktorin hyvyysarvo, joka määritellään seuraavasti

Q = 1/2 Pi * Cv * R.

Cv on kapasitanssisuuruus tietyllä jännittellään ja R on varaktorin sisäinen resistanssi. Yleensä sisäinen resistanssi halutaan pitää pienenä, jotta hyvyyarvo saadaan mahdollsisimman suureksi.[5]

Sovellukset:


Kapasitanssidiodeja hyödynnetään useimmiten radiotekniikan puolella ja muissa sovelluksissa, joissa halutaan säätää kapasitanssia jännitteen mukaan. Varaktoria käytetään kun halutaan korvata resonanssipiirin mekaaninen säätökondensaattori. [6]


Varaktorin tyypillinen käyttö:




tyypillinen_piiri.gif


Kuva 3. Varaktori tyypillisessä käytössä.

Tässä kytkennässä kondensaattori on korvattu varaktorilla. Tässä tyypillisessä kytkennässä varaktorin katodi on maapotentiaalissa. Kytkennässä on myös muistettava, että varaktori kytketään estosuuntaisesti. Muuttamalla varaktorin estosuuntaista jännitettä, saadaan varaktorin kapasitanssin arvoa muutettua. Tällä tavoin voidaan vaikuttaa oskillattorin taajuuden suuruuteen. C1 estää jännitteen kulun varaktorille ja R1 saa aikaan varaktorilla sen estosuuntaisen jännitteen. [7]




Varaktori: BB131




GE2SOD12307-40.jpg


Kuva 4. Varaktori BB131 [8]

Kuvassa 4 on varaktori joka on tyypiltään BB131. Kuva ei ole itse valokuvattu. Varaktorin kotelo on muovia ja se on tyyppiä SMD (Surface Mounted Devices) eli pintaliitoskomponentti. Tämän varaktorin normaali käyttölämpötila on +25 °C astetta.



Arvoja varaktorille BB131:


[9]
Symbooli
Parametrit
Minimi
Maksimi
Yksikkö
V(R)
varaktorin yli oleva jännite
-
30
V
I(F)
varaktorin läpi menevä virta
-
20
mA
T(stg)
varastoinnin lämpötila
-55
+150
°C
T(j)
käyttölämpötila
-55
+125
°C










I(R)
estosuuntainen virta
-
10
nA
R
sisäinen resistanssi
-
3
Ohm
C(d) (VR=0.5V,f=1MHz)
varaktorin kapasitanssi
8
17
pF








  1. ^ http://wiki.ham.fi/Diodi, viitattu 4.2.2010
  2. ^ Neil Storey, Elektronics A system Approach 3rd Edition, Prentice Hall
  3. ^ http://www.tokem.fi/teku/virt_amk/elko/Kurssin_sisalto/Aktiiviset/Diodit/body_diodit.html, viitattu 4.2.2010
  4. ^ http://www.tekniikka.info/articles/29813.htm, viitattu 4.2.2010

  5. ^ http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/diodes/varactor-varicap.php, viitattu 4.2.2010
  6. ^ http://koti.mbnet.fi/~huhtama/ele/index.php?si=ml21.sis&pa=, viitattu 23.1.2010
  7. ^ http://www.electronics-radio.com/articles/electronic_components/diode/varactor-varicap-diode.php, viitattu 5.2.2010
  8. ^ http://fi.farnell.com/jsp/search/results.jsp?N=500008+1004181&Ntk=gensearch_001&Ntt=capacitance+diode+BB110&Ntx=mode+matchallpartial&isGoback=false, viitattu 4.2.2010
  9. ^ http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BB131.pdf, viitattu 4.2.2010