www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Varaktör

Varaktör simgesi
Resim 1: Varaktör simgesi

Varaktör (varactor /varicap diode) değişken kondansatör gibidir. Adını bu özelliğinden almaktadır. pn-kavşağının kıtlık bölgesi (depletion region) bir dielektrik ortam ve burada bulunan yük taşıyıcıları ise kondansatör plakaları gibi çalışır. Uygulanan ters ön gerilimine bağlı olarak kıtlık bölgesinin eni ve bunun sonucunda kapasitansı da değişir. Resim.1 de varaktör simgesi bulunmaktadır. Varaktörler rezonans devrelerinde ve yüksek frekans yükselteç devrelerinde kullanılırlar.

Kıtlık
bölgesi
Kıtlık bölgesi
normal sınırı
Akım

Resim 2: Doğru yönde ön gerilimlenmiş bir pn–kavşağı

İleri yönde ön gerilimlenmiş pn-kavşak
Kıtlık
bölgesi
Kıtlık bölgesi
normal sınırı
Akım

Resim 2: Doğru yönde ön gerilimlenmiş bir pn–kavşağı

Bir pn-kavşağının kıtlık bölgesinin büyüklüğü bu kavşağa uygulanan ön gerilime bağlıdır. Doğru ön gerilim uygulandığında bu bölgenin eni azalır ve belirli bir gerilimden itibaren (silisyumda 0.7 Volt) elektronlar bu bölgeyi geçebilirler, iç direnç azalır ve doğru yönde akım akmaya başlar. (bakınız Resim.2) Fakat, Resim.3 te gösterildiği gibi, pn-kavşağına ters ön gerilim uygulandığında yük taşıyıcıları elektrik alanının etkisi ile kavşaktan uzaklaşacak ve kıtlık bölgesinin eni artacaktır. Kıtlık bölgesi yük taşıyıcıları bakımından fakirleşecek, uygulanan ters ön gerilimin büyüklüğüne bağlı olmaksızın eni artacaktır. Varaktör bu ön gerilim koşulları altında çalışan bir özel pn-kavşağından başka bir şey değildir.

Grafiklerde gösterildiği gibi, ters ön gerilimi uygulanması sonucu yük taşıyıcıları arasındaki oluşan dielektrik bölgenin eni kondansatörün plakaları arasındaki mesafedir. Kondansatörlerde olduğu gibi kapasitans aşağıdaki formülle hesaplanır:

Kıtlık bölgesi
Kıtlık bölgesi
normal sınırı

Resim 3: Ters yönde ön gerilimlenmiş bir pn-kavşağı

Ters yönde ön gerilimlenmiş pn-kavşak
Kıtlık bölgesi
Kıtlık bölgesi
normal sınırı

Resim 3: Ters yönde ön gerilimlenmiş bir pn-kavşağı

C = k · A Formülde: A = Kondansatör plaka alanı
k = Sabit bir katsayı
d = Plakalar arası mesafe
(1)

d

Plakalar arası mesafe için kıtlık bölgesinin enidir. Kondansatör plakalarının alanı yapıya bağlıdır ve keza sabit varsayılabilir. Sadece uygulanan ters ön gerilime bağlı olarak, kondansatör plakaları arasındaki mesafe değişebilmektedir. Gerilim arttıkça, mesafe artacak ve kapasitans azalacaktır. Yani kapasitans gerilimle ters orantılıdır.

Dielektrik ortam
Dielektrik ortam
Kondensatör-
plakaları
Kondensatör-
plakaları
Kıtlık bölgesi
Kıtlık bölgesi

Resim 4: Ters ön gerilimle ve kapasitans arasındaki ilişki.

Dielektrik ortam
Dielektrik ortam
Kondensatör-
plakaları
Kondensatör-
plakaları
Kıtlık bölgesi
Kıtlık bölgesi

Resim 4: Ters ön gerilimle ve kapasitans arasındaki ilişki.

Bir varaktörde gerilimdeki değişmenin, kapasitansta ki değişmeye oranı 10 a 1 gibi olabilir. Resim.4 te bu ilişki görülüyor: Üstteki devrede 3 Voltluk bir ters ön gerilimleme ile örneğin 20 piko farad elde ediliyor. Alttaki devrede gerilim iki katına, yani 6 Volta çıkarılıyor. Fakat kapasitans sadece 5 piko farad olabiliyor. Buradan şu sonucu çıkarıyoruz: Her bir voltluk gerilim azalması 5 piko farada tekabül ediyor. Yani oran bu durumda 5 e 1 oluyor. Varaktör diyotlarda elde edilebilen kapasitans değerleri sadece piko farad mertebesinin altındadır.

Varaktörler ayarlı kondansatörlerin ve trimpot kondansatörlerin yerini almaya başlamıştır. Kapasitansının uygulanan ön gerilim ile değişebilmesi özelliği sayesinde rezonans devrelerinin frekansları uzaktan ve otomatik ayar edilebilmektedir. Resim.5 te böyle ayarlanabilir bir rezonans devresi örneği yer alıyor.

Resim 5. Varaktörlü bir rezonans devresi

Varaktörlü bir rezonans devresi

Resim 5. Varaktörlü bir rezonans devresi

Resim.5 de ki devrede potansiyometrenin orta ucundan alınan değişken gerilim bobin üzerinden varaktöre besleniyor. Dr1 ve Dr2 bobinleri doğru akımda çok küçük direnç gösterirler ve böylece bu değişken gerilim varaktöre bir ters yönde ön gerilim olarak uygulanır. C2 varaktör kondansatörü, C1 ve C3 kondansatörleri ile seri bağlıdır. Potansiyometrenin orta ucundan alınan gerilimde ki değişme varaktörün kapasitansını değiştirecek, buda rezonans devresinin frekansını değiştirecektir. Bu iki bobin rezonans devre frekansında çok yüksek direnç gösterir, böylece potansiyometrenin direnci rezonans devresini yükleyemez. Varaktörle seri bağlı C1 ve C3 kondansatörlerin iki görevi vardır: İlki, dalgalı akım devresini bir doğru gerilim olan ön gerilimden ayırmak; ikincisi, rezonans devresinin frekans ayar bölgesini belirlemek ve sınırlamak.

Varaktör diyot (varicap) değişken bir kondansatör gibi davranan, yük taşıyıcıların bir kondansatörde olduğu gibi plakaları arasında bulunan dielektrik katmanda, bir p-n kavşak (junction) gibi, taşındığı bir tür diyottur. Yük taşıyıcılar arasındaki aralık ters polarma (reverse bias) uygulanmış bir yalıtkan yalıtkan dielektriğin kalınlığı ile kıyaslanabilir. Aşağıdaki kapasitans formülü (1) hem varaktör diyot hemde kondansatör için geçerlidir.

Yukarıdaki formülde kondansatör aralığı için yük taşıyıcılar arasında ki mesafeyi alırız. Ters polarma gerilimindeki değişme aynı zamanda yük taşıyıcılar arasındaki mesafeyi de değiştirir. Daha yüksek bir ters polarma gerilimi, d mesafesini arttırır ve p-n kavşağındaki C kapasitansını azaltır. Yani bir varaktörün C kapasitansı ters polarma geriliminin büyüklüğüne bağlıdır.

Ters polarma gerilimi ile kapasitans arasında ki oran 10:1 gibi olabilir. Yukarıda ki resimde 3 V luk bir ters polarma gerilimi ile 20 pF kapasitans elde edilmektedir. Bu gerilim 6 V a çıktığında kapasitans 5 pF a düşer. Her bir volt yükselimi 5 pF lık bir düşüşe yol açmakta, yani kapasitans-ters polarma gerilimi oranı 5:1 dir. Elbette bu olayın terside mümkündür, yani gerilim azaltıldığında kapasitans artar. Fakat ulaşılabilen kapasitans değerleri ancak piko farad mertebesindedir!

Varaktörler alışılmış trimpot kapasitörlerin yerinede kullanılabilir ve birçok radar cihazında bulunur. Sağladığı en önemli avantaj ise, yüksek frekanslı osilasyon devreleri frekanslarının otomatik ayarı gibi işlevlerin uzaktan doğru gerilim kontrol edilerek yapılabilmesidir.