Kapazitätsdiode
Bild 1: Schaltsymbol einer Kapazitätsdiode
Die Kapazitätsdiode erhielt ihren Namen wegen ihrer Eigenschaften, die es erlauben, mit ihr einen einstellbaren Kondensator ersetzen zu können. Die Raumladungszone (Sperrschicht) des pn Überganges wirkt als Dielektrikum und die Ladungsträger als Platten eines Kondensators. Die Größe der Sperrspannung verändert die Breite der Sperrschicht und somit die Kapazität. Bild 1 zeigt das Schaltsymbol einer Kapazitätsdiode. Kapazitätsdioden werden in Resonanzkreisen und in Verstärkern der Hochfrequenztechnik eingesetzt.
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Bild 2: Durchlasspolung eines pn- Überganges.
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Bild 2: Durchlasspolung eines pn- Überganges.
Die Größe der Raumladungszone eines pn Überganges ist abhängig von der angelegten Spannung. Eine Durchlasspolung verringert die Sperrschichtdicke und ab einer bestimmten Spannung (bei Silizium etwa 0,7 Volt) können die Elektronen die Sperrschicht überwinden, der Innenwiderstand sinkt und es beginnt ein Durchlassstrom zu fließen (siehe Bild 2). Wenn aber die Vorspannung des pn Überganges in Sperrrichtung gepolt ist, wie im Bild 3 gezeigt wird, dann vergrößert sich die Sperrzone, weil die Ladungsträger durch das elektrische Feld von der Sperrschicht weg bewegt werden. Die Sperrschicht wird also noch ärmer an Ladungsträgern und verbreitert sich in Abhängigkeit von der Größe der Sperrspannung. Unter dieser Vorspannungsbedingung wird die Kapazitätsdiode betrieben, die also auch nichts weiter als ein spezieller pn Übergang ist.
Wie in den Grafiken gezeigt wird, ist die durch die in Sperrrichtung gepolte Vorspannung verursachte Dicke der isolierenden Sperrschicht zwischen den Ladungsträgern der Abstand zwischen zwei Kondensatorplatten. Wie bei einem Kondensator kann auch die Kapazität berechnet werden:
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Bild 3: Sperrpolung eines pn Überganges
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Bild 3: Sperrpolung eines pn Überganges
| C = k · | A | mit | A = Fläche der Kondensatorplatte k = ein konstanter Faktor d = Abstand zwischen den Kondensatorplatten |
(1) |
| d |
Als Abstand zwischen den Kondensatorplatten wird die Dicke der Sperrschicht eingesetzt. Die Fläche der Kondensatorplatten ist konstruktiv bedingt und ebenfalls als konstant anzunehmen. Somit ist nur der Abstand zwischen den Kondensatorplatten variabel und direkt von der Sperrspannung abhängig. Je größer die Spannung, desto größer der Abstand, desto kleiner die Kapazität. Die Kapazität ist also umgekehrt proportional zur Spannung.
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Bild 4: Zusammenhang Sperrspannung und Kapazität.
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Bild 4: Zusammenhang Sperrspannung und Kapazität.
In einer Kapazitätsdiode kann das Verhältnis Spannungsänderung zur Kapazitätsänderung bis zu 10 zu 1 betragen. Bild 4 zeigt den Zusammenhang: In der oberen Schaltung mit vielleicht 3 Volt Sperrspannung wird eine Kapazität von z.B. 20 Pikofarad erreicht. In der unteren Schaltung wird die Spannung verdoppelt. Die angenommene Spannung ist also 6 Volt. Wenn die Kapazität nun z.B. nur noch 5 Pikofarad beträgt, dann verringert jedes Volt Sperrspannungserhöhung die Kapazität um 5 Pikofarad und das Verhältnis Spannungsänderung zur Kapazitätsänderung beträgt in diesem Fall 5 zu 1. Die mit Kapazitätsdioden erreichbaren Kapazitäten liegen übrigens alle nur im unteren Pikofaradbereich.
Kapazitätsdioden haben die früher üblichen Dreh- und Trimmkondensatoren ersetzt. Durch die Spannungssteuerung ist eine komfortable Fernsteuerung und sogar automatische Frequenzeinstellungen an Resonanzschaltungen möglich. Ein Beispiel für einen Einsatz einer Kapazitätsdiode in einem abstimmbaren Schwingkreis zeigt Bild 5.
Bild 5: abstimmbarer Schwingkreis mit Kapazitätsdiode.
Bild 5: abstimmbarer Schwingkreis mit Kapazitätsdiode.
Im Bild 5 wird vom Schleifer eines Potenziometers eine variable Spannung abgegriffen. Die Drosseln Dr1 und Dr2 bieten dem Gleichstrom einen geringen Widerstand und die Spannung liegt als Sperrspannung an der Kapazitätsdiode an. Deren Kapazität C2 ist in Serie mit den Kondensatoren C1 und C3 geschaltet. Somit bewirkt eine Änderung der Sperrspannung mit dem Potenziometer eine Kapazitätsänderung und somit eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Die Drosseln Dr1 und Dr2 bieten der Resonanzfrequenz des Schwingkreises eine sehr hohen Widerstand, so dass der Widerstand des Potenziometers den Schwingkreis nicht belastet. Die in Serie geschalteten Kondensatoren C1 und C3 erfüllen zwei Aufgaben: einerseits trennen sie den Gleichstromkreis der Vorspannung vom Wechselstromkreis und zweitens wirken sie frequenzbestimmend im Schwingkreis mit und begrenzen hier den Regelbereich der Kapazitätsdiode.
Die Kapazitätsdiode (Varactor-diode, Varicap) ist eine Diode, welche Eigenschaften eines Kondensators aufweist indem der Abstand zwischen den Ladungsträgern wie das Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten wirkt. Der Abstand zwischen den Ladungsträgern ist bei Anliegen einer Sperrspannung mit der Dicke eines isolierenden Dielektrikums vergleichbar. Die Formel (1) zur Berechnung der Kapazität gilt also sowohl für die Kapazitätsdiode als auch für den Kondensator. Die Größe des Ladungsträgerabstandes ersetzt in der Formel den Abstand von den Kondensatorplatten. Bei einer Veränderung der Größe der Sperrspannung verändert sich auch der Abstand der Ladungsträger. Bei einer höheren Sperrspannung vergrößert sich der Abstand d und verkleinert somit die Kapazität C des pn-Überganges. Das heißt, die Kapazität C einer Kapazitätsdiode ist indirekt proportional der Höhe der Sperrspannung.
Das Verhältnis zwischen der Sperrspannung und der Kapazität kann bis zu 10 zu 1 betragen. Das Beispiel in der Grafik zeigt, dass im oben dargestellten Fall eine Sperrspannung von 3 V eine Kapazität von 20 pF bewirkt. Wenn die Sperrspannung auf 6 V erhöht wird, fällt die Kapazität auf einen Wert von 5 pF. Also jedes Volt Sperrspannungserhöhung bewirkt einen Abfall um 5 pF - das heißt, diese Kapazitätsdiode hat also ein Kapazitäts- Sperrspannungs- Verhältnis von 5 zu 1. Selbstverständlich ist dieser Vorgang auch umkehrbar, eine Sperrspannungsverringerung erhöht die Kapazität. Die erreichbaren Werte für die Kapazität liegen aber immer im Pikofaradbereich!
Kapazitätsdioden können also herkömmliche Trimmkondensatoren ersetzen und werden in den meisten Radargeräten verwendet. Ein großer Vorteil ist die durch die Gleichspannungsregelung mögliche Fernbedienung bzw. automatische Abstimmfunktion von hochfrequenten Schwingkreisen.