VarCap-Diode

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

Baugröße einer SMD-Kapazitätsdiode

Funktion

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

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.

Eine schnelle Frequenzregelung in Phase-locked loop-Schaltungen (PLL) kann nicht ohne Kapazitätsdioden konstruiert werden, weil sich die Kapazität von mechanisch bedienten Drehkondensatoren erheblich zu langsam ändern lässt. 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

Schaltung zur Frequenzabstimmung mit einer Kapazitätsdiode.

Schaltung zur Frequenzabstimmung mit zwei Kapazitätsdioden.

Zur Frequenzabstimmung von LC-Schwingkreisen wird mit der Spannung U_e (in Sperrichtung 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 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:

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

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:

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

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.

Siehe auch

• en:Heterostructure barrier varactor diode (HBV)

Literatur

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