Переменный конденсатор

— Переменный конденсатор это конденсатор , емкость которого можно намеренно и неоднократно изменять механически или электронно. Переменные конденсаторы часто используются в цепях L/C для установки резонансной частоты, например, для настройки радио (поэтому его иногда называют настроечным конденсатором или настроечным конденсатором ) или в качестве переменного реактивного сопротивления , например, для согласования импеданса в антенных тюнерах .

Емкость с механическим управлением

В конденсаторах переменной емкости с механическим управлением расстояние между пластинами или величина перекрывающейся поверхности пластин может быть изменена.

Наиболее распространенная форма представляет собой группу полукруглых металлических пластин на вращающейся оси (« ротор »), которые расположены в зазорах между набором неподвижных пластин (« статор ») так, что площадь перекрытия можно изменить путем вращения оси. . можно использовать воздух или пластиковую фольгу В качестве диэлектрического материала . Выбирая форму вращающихся пластин, можно создать различные зависимости емкости от угла, например, для получения линейной шкалы частоты. Различные формы понижающих механизмов часто используются для достижения более точной настройки, т.е. для распределения изменения мощности на больший угол, часто на несколько оборотов. Максимальная емкость достигается, когда пластины «сцеплены» между собой, то есть переплетены. Минимальная емкость достигается, когда пластины «не зацеплены», то есть не переплетены между собой.

Измерение емкости вращающегося конденсатора
С _мин = 29 пФ
С = 269 пФ
С _макс = 520 пФ

В вакуумном переменном конденсаторе используется набор пластин, сделанных из концентрических цилиндров, которые можно вставлять или вынимать из противоположного набора цилиндров. ^[1] (втулка и плунжер). Эти пластины затем запечатываются внутри непроводящей оболочки, такой как стекло или керамика, и помещаются под высокий вакуум . Подвижная часть (плунжер) установлена на гибкой металлической мембране, герметизирующей и поддерживающей вакуум. К плунжеру прикреплен винтовой вал; когда вал поворачивается, плунжер перемещается внутрь или наружу втулки, и емкость конденсатора изменяется. Вакуум но не только увеличивает рабочее напряжение и токовую мощность конденсатора , также значительно снижает вероятность образования дуги на пластинах. Вакуумные переменные чаще всего используются в мощных передатчиках , например, в радиовещательных , военных и любительских радиостанциях , а также в мощных радиочастотных сетях настройки . Вакуумные переменные также могут быть более удобными; поскольку элементы находятся под вакуумом, рабочее напряжение может быть выше, чем у воздушного переменного того же размера, что позволяет уменьшить размер вакуумного конденсатора.

Очень дешевые переменные конденсаторы изготавливаются из слоистых алюминиевых и пластиковых фольг, которые по-разному сжимаются вместе с помощью винта. Однако эти так называемые сжиматели не могут обеспечить стабильную и воспроизводимую емкость. Вариант этой структуры, который позволяет линейно перемещать один набор пластин для изменения области перекрытия пластин, также используется и может называться ползунком . Это имеет практические преимущества для временного или домашнего строительства и может быть найдено в резонансных рамочных антеннах или кварцевых радиоприемниках.

Небольшие переменные конденсаторы, управляемые отверткой (например, для точной установки резонансной частоты на заводе и последующей ее дальнейшей регулировки), называются подстроечными конденсаторами. Помимо воздуха и пластика, триммеры могут быть изготовлены и с использованием твердого диэлектрика, например слюды .

Специальные формы механически регулируемых конденсаторов

Различные формы конденсаторов переменной емкости

Несколько разделов

Очень часто несколько секций статора/ротора располагаются друг за другом на одной оси, что позволяет регулировать несколько настроенных схем с использованием одного и того же элемента управления, например, преселектора, входного фильтра и соответствующего генератора в цепи приемника. Секции могут иметь одинаковые или разные номинальные емкости, например 2 × 330 пФ для АМ-фильтра и генератора, плюс 3 × 45 пФ для двух фильтров и генератора в секции ЧМ одного и того же приемника. Конденсаторы с несколькими секциями часто включают подстроечные конденсаторы, включенные параллельно переменным секциям, которые используются для настройки всех настроенных цепей на одну и ту же частоту.

Бабочка

Конденсатор -бабочка представляет собой разновидность вращающегося переменного конденсатора с двумя независимыми наборами пластин статора, расположенными напротив друг друга, и ротором в форме бабочки, устроенным так, что вращение ротора будет одинаково изменять емкости между ротором и любым статором.

Конденсаторы-бабочки используются в симметричных настроенных схемах, например, ВЧ мощности в каскадах усилителей в двухтактной конфигурации или в симметричных антенных тюнерах , где ротор должен быть «холодным», т.е. подключенным к ВЧ (но не обязательно постоянного тока ) потенциалу земли . Поскольку пиковый радиочастотный ток обычно течет от одного статора к другому, не проходя через грязесъемные контакты, конденсаторы-бабочки могут выдерживать большие резонансные радиочастотные токи, например, в магнитных рамочных антеннах .

В конденсаторе-бабочке статоры и каждая половина ротора могут охватывать только максимальный угол 90 °, поскольку должно быть положение без перекрытия ротора и статора, соответствующее минимальной емкости, поэтому поворот всего на 90 ° охватывает весь диапазон емкости. .

Разделенный статор

Близкородственный переменный конденсатор с разъемным статором не имеет ограничения угла 90 °, поскольку в нем используются два отдельных пакета электродов ротора, расположенных в осевом направлении друг за другом. В отличие от конденсатора с несколькими секциями, в конденсаторе разъемного статора пластины ротора установлены на противоположных сторонах оси ротора. Хотя конденсатор разделенного статора имеет преимущества в виде электродов большего размера по сравнению с конденсатором-бабочкой, а также угла поворота до 180°, разделение пластин ротора влечет за собой некоторые потери, поскольку высокочастотный ток должен проходить через ось ротора, а не течь прямо через каждую. лопасть ротора.

Дифференциал

Дифференциальные переменные конденсаторы также имеют два независимых статора, но в отличие от конденсатора-бабочки, где емкости с обеих сторон увеличиваются одинаково при вращении ротора, в дифференциальном переменном конденсаторе емкость одной секции будет увеличиваться, а другой секции уменьшаться, сохраняя сумму двух емкости статора постоянны. Поэтому дифференциальные переменные конденсаторы можно использовать в емкостных потенциометрических цепях.

История

Переменный конденсатор с воздушным диэлектриком изобрел венгерский инженер Дезё Корда . Он получил немецкий патент на изобретение 13 декабря 1893 года. ^[1]

Емкость с электронным управлением

Емкость, настроенная по напряжению

Толщина обедненного слоя полупроводникового диода с обратным смещением зависит от напряжения постоянного тока, приложенного к диоду. Любой диод демонстрирует этот эффект (включая p/n-переходы в транзисторах), но устройства, специально продаваемые как диоды с переменной емкостью (также называемые варакторами или варикапами ), имеют большую площадь перехода и профиль легирования, специально разработанный для максимизации емкости.

Их использование ограничено низкими амплитудами сигнала, чтобы избежать очевидных искажений, поскольку на емкость будет влиять изменение напряжения сигнала, что исключает их использование во входных каскадах высококачественных приемников радиочастотной связи, где они могут добавить неприемлемые уровни интермодуляции . На частотах ОВЧ / УВЧ , например, в FM-радио или ТВ-тюнерах, динамический диапазон ограничивается шумом, а не большими требованиями к обработке сигнала, и в тракте сигнала обычно используются варикапы.

Варикапы используются для частотной модуляции генераторов, а также для создания высокочастотных генераторов, управляемых напряжением (ГУН), основного компонента с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), синтезаторов частоты которые повсеместно используются в современном коммуникационном оборудовании.

Устройства BST основаны на титанате бария-стронция и изменяют емкость путем подачи на устройство высокого напряжения. Они имеют специальный аналоговый вход управления и, следовательно, вносят меньше нелинейностей, чем варакторные диоды, особенно при более высоких напряжениях сигнала. Ограничениями BST являются температурная стабильность и линейность в требовательных приложениях.

Емкость с цифровой настройкой

Конденсатор с цифровой настройкой — это переменный конденсатор IC , основанный на нескольких технологиях. Устройства MEMS , BST и SOI / SOS доступны от ряда поставщиков и различаются по диапазону емкости, добротности и разрешению для различных приложений радиочастотной настройки.

Устройства MEMS обладают высочайшей добротностью и высокой линейностью, поэтому подходят для настройки апертуры антенн, согласования динамического импеданса, согласования нагрузки усилителя мощности и регулируемых фильтров. Радиочастотная настройка MEMS все еще является относительно новой технологией и еще не получила широкого распространения.

Устройства настройки SOI/SOS представляют собой полупроводниковые полевые транзисторы, построенные на изолированных пластинах CMOS, и используют конденсаторы MIM, расположенные в двоично-взвешенных значениях для достижения различных значений емкости. Переключатели SOI/SOS обладают высокой линейностью и хорошо подходят для приложений с низким энергопотреблением, где отсутствуют высокие напряжения. Выносливость при высоком напряжении требует наличия нескольких последовательных устройств на полевых транзисторах, что увеличивает последовательное сопротивление и снижает добротность.

Значения емкости предназначены для антенн согласования импеданса в многодиапазонных сотовых телефонах LTE GSM / WCDMA и приемниках мобильного телевидения, работающих в широком диапазоне частот, таких как европейские системы мобильного телевидения DVB-H и японские системы мобильного телевидения ISDB-T . ^[2]

Датчики

Переменная емкость иногда используется для преобразования физических явлений в электрические сигналы.

В конденсаторном микрофоне (широко известном как конденсаторный микрофон ) диафрагма действует как одна пластина конденсатора, и вибрации вызывают изменения расстояния между диафрагмой и неподвижной пластиной, изменяя напряжение, поддерживаемое на пластинах конденсатора.
Некоторые типы промышленных датчиков используют конденсаторный элемент для преобразования физических величин, таких как давление , смещение или относительная влажность, в электрический сигнал для целей измерения.
Емкостные датчики также можно использовать вместо переключателей , например, в компьютерных клавиатурах или «сенсорных кнопках» лифтов, не имеющих частей, перемещаемых пользователем.

Примечания

^ Импровизированная версия этой конструкции с использованием двух консервных банок немного разного диаметра, изолированных картоном, использовалась для изготовления конденсаторов переменной емкости в чрезвычайных ситуациях, например, узниками концентрационных лагерей.
Хотя механические конденсаторы переменной емкости использовались и до сих пор широко используются в электронике, их использование в радиоприемниках сокращается. В настоящее время в радиоприемниках для настройки часто используются цифровые синтезаторы частот, а не аналоговые (танковые) генераторы.

Ссылки

^ Джордж Вашингтон Пирс: Принципы беспроводной телеграфии , книжная компания McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1910, с. 114. (Фото вращающегося конденсатора Корды).
^ Френцель, Луи (29 января 2009 г.). «Автоматическая настройка цифровой антенны для различных беспроводных приложений» . Электронный дизайн . Архивировано из оригинала 3 августа 2014 года . Проверено 23 января 2017 г.

Внешние ссылки

[1] Джордж Вашингтон Пирс: Принципы беспроводной телеграфии , книжная компания McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1910, с. 114. (Фото вращающегося конденсатора Корды).

[2] Френцель, Луи (29 января 2009 г.). «Автоматическая настройка цифровой антенны для различных беспроводных приложений» . Электронный дизайн . Архивировано из оригинала 3 августа 2014 года . Проверено 23 января 2017 г.

[1]

[2]