Was ist eine Kapazitätsdiode (Varicap)?
Eine Kapazitätsdiode (Varicap) ist eine Diode, deren Kapazität durch Anlegen einer Sperrspannung verändert werden kann.
Sie werden auch als Dioden mit variabler Kapazität oder Varicaps bezeichnet. Wenn eine Sperrspannung an den PN-Übergang einer Diode angelegt wird, verhält sich die Verarmungsschicht, d. h. der Bereich ohne Ladungsträger wie Elektronen und Löcher, im Allgemeinen wie ein Kondensator.
Kapazitätsdioden (Varicap) nutzen aktiv die Eigenschaft, dass sich die Kapazität, die sich wie ein Kondensator verhält, in Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Spannung ändert.
Anwendungen von Kapazitätsdioden (Varicap)
Kapazitätsdioden (Varicap) werden in elektronischen Bauteilen wie elektronischen Abstimmkreisen und spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCOs) verwendet. Elektronische Abstimmkreise und spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs) werden in Geräten verwendet, die Radiowellen empfangen, z. B. in Radios, Fernsehgeräten, Telekommunikationsgeräten und mobilen Kommunikationsgeräten wie Smartphones.
Damit diese Geräte Signale einer bestimmten Frequenz empfangen können, müssen die Kapazität der Kondensatoren im Empfänger und die Impedanzwerte der Spulen angepasst werden. Zu diesem Zweck werden Kapazitätsdioden verwendet, deren Kapazität durch eine Spannung gesteuert werden kann.
Funktionsweise der Kapazitätsdiode (Varicap)
Die Funktionsweise der Kapazitätsdiode besteht darin, die ladungsträgerfreie Verarmungsschicht, die beim Anlegen einer Sperrspannung am PN-Übergang der Diode entsteht, als Kapazität zu nutzen und die Eigenschaft, dass der Wert der Kapazität vom Wert der Sperrspannung abhängt, aktiv zu nutzen. In einer gewöhnlichen Diode fließt ein Durchlassstrom, wenn eine Vorspannung in Durchlassrichtung angelegt wird, während kein Strom fließt, wenn eine Vorspannung in Sperrrichtung angelegt wird.
Wenn eine Spannung in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird, bewegen sich Löcher vom P-Typ-Halbleiterteil zur Elektrode und Elektronen vom N-Typ-Halbleiterteil zur Elektrode aus dem PN-Übergangsteil und bilden eine Verarmungsschicht ohne Ladungsträger im PN-Übergang. Die Verarmungsschicht hat keine Ladung und die Ladung wird auf beiden Seiten der Verarmungsschicht erzeugt, so dass sich die Diode wie ein Kondensator verhält.
Je größer der Absolutwert der angelegten Spannung in Sperrrichtung ist, desto größer ist die Dicke der Verarmungsschicht, was zu einer kleineren äquivalenten Kapazität führt. Eine Kapazitätsdiode (Varicap) ist eine Diode, deren Kapazität durch Anlegen einer Sperrspannung und Veränderung ihres Wertes verändert werden kann. Diese Kapazitätsänderungseigenschaft wird effektiv ausgenutzt.
Weitere Informationen zu Kapazitätsdioden (Varicap)
1. LC-Schwingkreise mit Kapazitätsdioden
Da der Kapazitätswert einer Kapazitätsdiode durch die angelegte Vorspannung variiert werden kann, ist es möglich, mit einer Induktivität einen LC-Schwingkreis zu bilden und dessen Resonanzfrequenz einzustellen.
Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) beispielsweise enthält einen Resonanzkreis in einem Colpitts-Oszillator, der einen LC-Resonanzkreis verwendet, der durch diesen Spannungswert variiert werden kann.
Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ist Teil der PLL (Phased Lock Loop), eines Frequenzregelkreises für die mobile Kommunikation. Er ist ein sehr wichtiger Schaltkreis für zellulare Kommunikationsanwendungen, die zwischen Basisstationen und mobilen Endgeräten durchgeführt werden. Als Abstimmkreis wird der LC-Schwingkreis auch in FM-Modulationsanwendungen wie dem Radio eingesetzt.
2. Etymologie von Varactor und Varicap und Durchbruchspannung
Varactor (Varicap) ist die Abkürzung für Variable Reactor, d. h. variabler Blindwiderstand, im Fall von Kapazitätsdioden speziell kapazitiver variabler Blindwiderstand. Varicap hingegen ist eine Abkürzung für Variable Capacitor, was wörtlich übersetzt variable Kapazität bedeutet.
Während sowohl Varactor als auch Varicap Abkürzungen für variable Kapazität sind, ist zu beachten, dass die Diodenvorspannung auf der Rückseite, auf der die Kapazität variiert werden kann, auch eine Durchbruchsspannung (breakdown voltage) hat. Prüfen Sie die elektrischen Spezifikationen der zu verwendenden Kapazitätsdiode (Varicap) sorgfältig und verwenden Sie eine Spannung innerhalb des nutzbaren Bereichs auf der Rückseite.
Die Durchbruchspannung (Durchschlagsspannung) wird auch als Zener-Spannung bezeichnet, und Dioden, die diesen Bereich aktiv nutzen, werden auch Zener-Dioden genannt. Zenerdioden werden häufig in Schutzschaltungen verwendet, um zu verhindern, dass Überspannungen an die Schaltung des Geräts angelegt werden, oder in Schaltungen zur Erzeugung konstanter Spannungen.