Переменный конденсатор — это конденсатор , емкость которого может быть намеренно и многократно изменена механически или электронно. Переменные конденсаторы часто используются в цепях L/C для установки резонансной частоты, например, для настройки радио (поэтому его иногда называют конденсатором настройки или конденсатором настройки ), или в качестве переменного реактивного сопротивления , например, для согласования импеданса в антенных тюнерах .
В механически управляемых переменных конденсаторах расстояние между пластинами или величину площади перекрывающейся поверхности пластин можно изменять.
Наиболее распространенная форма размещает группу полукруглых металлических пластин на вращающейся оси (« ротор »), которые располагаются в зазорах между набором неподвижных пластин (« статор ») таким образом, что область перекрытия может быть изменена путем вращения оси. В качестве диэлектрического материала могут использоваться воздушная или пластиковая фольга. Выбирая форму вращающихся пластин, можно создавать различные функции емкости в зависимости от угла, например, для получения линейной шкалы частот. Различные формы механизмов редукторов часто используются для достижения более точного управления настройкой, т. е. для распространения изменения емкости на больший угол, часто на несколько оборотов. Максимальная емкость достигается, когда пластины «зацеплены» вместе, то есть они переплетены. Минимальная емкость достигается, когда пластины «не зацеплены», то есть они не переплетены.
Вакуумный переменный конденсатор использует набор пластин, изготовленных из концентрических цилиндров, которые могут вставляться или выдвигаться из противоположного набора цилиндров [1] (втулка и плунжер). Затем эти пластины запечатываются внутри непроводящей оболочки, такой как стекло или керамика, и помещаются под высокий вакуум . Подвижная часть (плунжер) устанавливается на гибкой металлической мембране, которая герметизирует и поддерживает вакуум. К плунжеру прикреплен винтовой вал; когда вал поворачивается, плунжер перемещается в или из втулки, и значение конденсатора изменяется. Вакуум не только увеличивает рабочее напряжение и токовую емкость конденсатора , но и значительно снижает вероятность искрения на пластинах. Наиболее распространенное использование вакуумных переменных - в мощных передатчиках, таких как те, которые используются для вещания , военной и любительской радиосвязи , а также в мощных сетях настройки радиочастот . Вакуумные переменные также могут быть более удобными; Поскольку элементы находятся под вакуумом, рабочее напряжение может быть выше, чем у воздушного конденсатора того же размера, что позволяет уменьшить размер вакуумного конденсатора.
Очень дешевые переменные конденсаторы изготавливаются из слоистой алюминиевой и пластиковой фольги, которые по-разному сжимаются вместе с помощью винта. Однако эти так называемые сжиматели не могут обеспечить стабильную и воспроизводимую емкость. Также используется вариант этой структуры, который допускает линейное перемещение одного набора пластин для изменения площади перекрытия пластин, и его можно назвать слайдером . Это имеет практические преимущества для самодельных или домашних конструкций и может быть найдено в резонансных петлевых антеннах или кристаллических радиоприемниках.
Небольшие переменные конденсаторы, управляемые отверткой (например, для точной установки резонансной частоты на заводе и последующей ее регулировкой), называются подстроечными конденсаторами. Помимо воздуха и пластика, подстроечные конденсаторы могут быть изготовлены с использованием твердого диэлектрика, например, слюды .
Очень часто несколько секций статора/ротора располагаются друг за другом на одной оси, что позволяет настраивать несколько настроенных контуров с помощью одного и того же элемента управления, например, преселектор, входной фильтр и соответствующий генератор в схеме приемника. Секции могут иметь одинаковые или разные номинальные емкости, например, 2 × 330 пФ для фильтра AM и генератора, плюс 3 × 45 пФ для двух фильтров и генератора в секции FM того же приемника. Конденсаторы с несколькими секциями часто включают подстроечные конденсаторы параллельно переменным секциям, используемые для настройки всех настроенных контуров на одну и ту же частоту.
Конденсатор типа «бабочка» представляет собой разновидность вращающегося переменного конденсатора с двумя независимыми наборами пластин статора, расположенных друг напротив друга, и ротором в форме бабочки , расположенным таким образом, что поворот ротора будет изменять емкости между ротором и каждым статором в равной степени.
Конденсаторы типа «бабочка» используются в симметричных настроенных схемах, например, каскады усилителей мощности ВЧ в двухтактной конфигурации или симметричные антенные тюнеры , где ротор должен быть «холодным», т. е. подключенным к потенциалу земли ВЧ (но не обязательно постоянного тока ) . Поскольку пиковый ток ВЧ обычно течет от одного статора к другому, не проходя через контакты движка, конденсаторы типа «бабочка» могут выдерживать большие резонансные токи ВЧ, например, в антеннах с магнитной рамкой .
В конденсаторе-бабочке статоры и каждая половина ротора могут охватывать максимальный угол только 90°, поскольку должно быть положение без перекрытия ротора/статора, соответствующее минимальной емкости, поэтому поворот всего на 90° охватывает весь диапазон емкости.
Близкородственный переменный конденсатор с разделенным статором не имеет ограничения угла в 90°, поскольку он использует два отдельных пакета роторных электродов, расположенных аксиально друг за другом. В отличие от конденсатора с несколькими секциями, роторные пластины в конденсаторе с разделенным статором установлены на противоположных сторонах оси ротора. В то время как конденсатор с разделенным статором выигрывает от более крупных электродов по сравнению с конденсатором-бабочкой, а также от угла поворота до 180°, разделение роторных пластин влечет за собой некоторые потери, поскольку ток высокой частоты должен проходить через ось ротора вместо того, чтобы протекать прямо через каждую лопасть ротора.
Дифференциальные переменные конденсаторы также имеют два независимых статора, но в отличие от конденсатора-бабочки, где емкости с обеих сторон увеличиваются одинаково при повороте ротора, в дифференциальном переменном конденсаторе емкость одной секции будет увеличиваться, а другой — уменьшаться, сохраняя сумму двух емкостей статора постоянной. Поэтому дифференциальные переменные конденсаторы можно использовать в емкостных потенциометрических цепях.
Переменный конденсатор с воздушным диэлектриком был изобретен венгерским инженером Дежё Кордой . Он получил немецкий патент на изобретение 13 декабря 1893 года. [1]
Толщина обедненного слоя обратносмещенного полупроводникового диода изменяется в зависимости от постоянного напряжения, приложенного к диоду. Любой диод демонстрирует этот эффект (включая p/n-переходы в транзисторах), но устройства, специально продаваемые как диоды переменной емкости (также называемые варакторами или варикапами ), разработаны с большой площадью перехода и профилем легирования, специально разработанным для максимизации емкости.
Их использование ограничено низкими амплитудами сигнала, чтобы избежать очевидных искажений, поскольку емкость будет зависеть от изменения напряжения сигнала, что исключает их использование во входных каскадах высококачественных приемников радиочастотной связи, где они добавят неприемлемые уровни интермодуляции . На частотах VHF / UHF , например, в FM-радио или ТВ-тюнерах, динамический диапазон ограничен шумом, а не большими требованиями к обработке сигнала, и варикапы обычно используются на пути сигнала.
Варикапы используются для частотной модуляции генераторов, а также для создания высокочастотных генераторов, управляемых напряжением (ГУН), основного компонента синтезаторов частот с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), которые широко распространены в современном коммуникационном оборудовании.
Устройства BST основаны на титанате бария-стронция и изменяют емкость, подавая на устройство высокое напряжение. Они имеют выделенный аналоговый управляющий вход и поэтому вносят меньше нелинейностей, чем варакторные диоды, особенно для более высоких напряжений сигнала. Ограничениями для BST являются стабильность по температуре и линейность в требовательных приложениях.
Цифрово настроенный конденсатор — это переменный конденсатор IC , работающий на основе нескольких технологий. Устройства MEMS , BST и SOI / SOS доступны у ряда поставщиков и различаются по диапазону емкости, добротности и разрешению для различных приложений настройки RF.
Устройства MEMS имеют самый высокий коэффициент качества и высокую линейную чувствительность, поэтому подходят для настройки апертуры антенны, динамического согласования импеданса, согласования нагрузки усилителя мощности и регулируемых фильтров. MEMS для радиочастотной настройки все еще являются относительно новой технологией и пока не получили широкого распространения.
Устройства настройки SOI/SOS сконструированы как твердотельные переключатели FET, построенные на изолированных пластинах CMOS, и используют конденсаторы MIM, расположенные в двоично-взвешенных значениях для достижения различных значений емкости. Переключатели SOI/SOS имеют высокую линейность и хорошо подходят для приложений с низким энергопотреблением, где нет высоких напряжений. Для обеспечения высокой стойкости к высоким напряжениям требуется несколько устройств FET последовательно, что добавляет последовательное сопротивление и снижает добротность.
Значения емкости рассчитаны для согласования импеданса антенн в многодиапазонных сотовых телефонах LTE GSM / WCDMA и мобильных телевизионных приемниках, работающих в широких диапазонах частот, таких как европейские системы мобильного телевидения DVB-H и японские системы мобильного телевидения ISDB-T . [2]
Переменная емкость иногда используется для преобразования физических явлений в электрические сигналы.
