Переменный конденсатор: устройство, принцип действия и применение.

Введение

Конденсатор, чья ёмкость может быть изменена.

Переменный конденсатор – это конденсатор, чья ёмкость может быть преднамеренно и многократно изменена механическим или электронным способом. Переменные конденсаторы часто используются в L/C-цепях для установки резонансной частоты, например, для настройки радиоприёмника (поэтому он иногда называется настройчным конденсатором), или в качестве переменной реактивности, например, для согласования импеданса в антенных тюнерах.

Механически управляемая емкость

В механически управляемых переменных конденсаторах можно изменять расстояние между пластинами или площадь перекрытия пластин. Наиболее распространенная конструкция представляет собой группу полукруглых металлических пластин на вращающейся оси ("роторе"), расположенных в зазорах между набором неподвижных пластин ("статора") таким образом, что площадь перекрытия изменяется при вращении оси. В качестве диэлектрика могут использоваться воздух или пластиковые пленки. Выбирая форму вращающихся пластин, можно создавать различные зависимости емкости от угла, например, для получения линейной частотной шкалы. Для более точной настройки часто используются различные редукторные механизмы, то есть для распределения изменения емкости на больший угол, часто на несколько оборотов. Максимальная емкость достигается, когда пластины "взаимозацеплены", то есть переплетены. Минимальная емкость достигается, когда пластины "разъединены", то есть не переплетены. Вакуумный переменный конденсатор использует набор пластин из концентрических цилиндров, которые могут вдвигаться или выдвигаться из противоположного набора цилиндров (гильза и плунжер). Эти пластины затем герметично заключаются в непроводящую оболочку, например, из стекла или керамики, и помещаются под высокий вакуум. Подвижная часть (плунжер) монтируется на гибкой металлической мембране, которая обеспечивает герметичность и поддерживает вакуум. К плунжеру прикреплен винтовой вал; при вращении вала плунжер перемещается внутрь или наружу гильзы, изменяя величину емкости. Вакуум не только повышает рабочее напряжение и токовую нагрузку конденсатора, но и значительно снижает вероятность пробоя между пластинами. Наиболее распространенное применение вакуумных переменных – в мощных передатчиках, используемых для вещания, военной и любительской радиосвязи, а также в мощных RF-цепях настройки. Вакуумные переменные также могут быть более удобными; поскольку элементы находятся под вакуумом, рабочее напряжение может быть выше, чем у воздушного переменного конденсатора того же размера, что позволяет уменьшить габариты вакуумного конденсатора. Очень дешевые переменные конденсаторы изготавливаются из слоистых алюминиевых и пластиковых пленок, которые сжимаются вместе с помощью винта. Однако эти так называемые "сжиматели" не обеспечивают стабильную и воспроизводимую емкость. Существует вариант этой конструкции, позволяющий линейно перемещать один набор пластин для изменения площади перекрытия, который также используется и может называться "слайдером". Это имеет практические преимущества при самодельном или домашнем изготовлении и может использоваться в резонансных контурах антенн или в кристаллических приемниках. Небольшие переменные конденсаторы, регулируемые отверткой (например, для точной установки резонансной частоты на заводе, после чего дальнейшей регулировки не требуется), называются подстроечными конденсаторами (триммерами). Помимо воздуха и пластика, триммеры также могут изготавливаться с использованием твердого диэлектрика, такого как слюда.

In mechanically controlled variable capacitors, the distance between the plates, or the amount of plate surface area which overlaps, can be changed. The most common form arranges a group of semicircular metal plates on a rotary axis ("rotor") that are positioned in the gaps between a set of stationary plates ("stator") so that the area of overlap can be changed by rotating the axis. Air or plastic foils can be used as dielectric material. By choosing the shape of the rotary plates, various functions of capacitance vs. angle can be created, e. g. to obtain a linear frequency scale. Various forms of reduction gear mechanisms are often used to achieve finer tuning control, i. e. to spread the variation of capacity over a larger angle, often several turns. Maximum capacitance is achieved when the plates are "meshed" together, that is, they are inter laced. Minimum capacitance is achieved when the plates are "unmeshed", that is, they are not inter laced. A vacuum variable capacitor uses a set of plates made from concentric cylinders that can be slid in or out of an opposing set of cylinders (sleeve and plunger). These plates are then sealed inside of a non conductive envelope such as glass or ceramic and placed under a high vacuum. The movable part (plunger) is mounted on a flexible metal membrane that seals and maintains the vacuum. A screw shaft is attached to the plunger; when the shaft is turned the plunger moves in or out of the sleeve and the value of the capacitor changes. The vacuum not only increases the working voltage and current handling capacity of the capacitor, it also greatly reduces the chance of arcing across the plates. The most common usage for vacuum variables are in high powered transmitters such as those used for broadcasting, military and amateur radio, as well as high powered RF tuning networks. Vacuum variables can also be more convenient; since the elements are under a vacuum, the working voltage can be higher than an air variable the same size, allowing the size of the vacuum capacitor to be reduced. Very cheap variable capacitors are constructed from layered aluminium and plastic foils that are variably pressed together using a screw. These so called squeezers cannot provide a stable and reproducible capacitance, however. A variant of this structure that allows for linear movement of one set of plates to change the plate overlap area is also used and might be called a slider. This has practical advantages for makeshift or home construction, and may be found in resonant loop antennas or crystal radios. Small variable capacitors operated by screwdriver (for instance, to precisely set a resonant frequency at the factory and then never be adjusted again) are called trimmer capacitors. In addition to air and plastic, trimmers can also be made using a solid dielectric, such as mica.

Многосекционный

Очень часто несколько секций статора/ротора располагаются последовательно на одной оси, что позволяет настраивать несколько колебательных контуров с помощью одного и того же управления, например, предварительного селектора, входного фильтра и соответствующего генератора в приемной схеме. Секции могут иметь одинаковые или различные номинальные емкости, например, 2 × 330 пФ для AM-фильтра и генератора, плюс 3 × 45 пФ для двух фильтров и генератора в FM-части того же приемника. Конденсаторы с несколькими секциями часто включают в себя подстроечные конденсаторы, подключенные параллельно переменным секциям, для точной настройки всех колебательных контуров на одну и ту же частоту.

Бабочка

Бабочковый конденсатор – это разновидность ротационного переменного конденсатора с двумя независимыми наборами статорных пластин, расположенными друг напротив друга, и ротором в форме бабочки, который устроен таким образом, что вращение ротора изменяет ёмкости между ротором и каждым из статоров одинаково. Бабочковые конденсаторы используются в симметричных настроечных цепях, например, в каскадах RF-усилителей мощности в схемотехнике push-pull или в симметричных антенных тюнерах, где ротор должен быть "заземлённым" (cold), то есть подключённым к RF (но не обязательно к постоянному току) потенциалу земли. Поскольку пиковый RF-ток обычно протекает от одного статора к другому, минуя контактные щётки, бабочковые конденсаторы способны выдерживать большие резонансные RF-токи, например, в магнитных петлевых антеннах. В бабочковом конденсаторе статоры и каждая половина ротора могут перекрываться максимум на угол 90°, поскольку необходимо наличие положения без перекрытия ротора и статора, соответствующего минимальной ёмкости, поэтому поворот всего на 90° охватывает весь диапазон ёмкости.

Разделенный статор

Взвешенный с разделением статорный переменный конденсатор не имеет ограничения в 90°, поскольку он использует два отдельных комплекта роторных электродов, расположенных аксиально друг за другом. В отличие от конденсатора с несколькими секциями, роторные пластины в конденсаторе с разделенным статором монтируются по обе стороны от оси ротора. Хотя конденсатор с разделенным статором выигрывает за счет больших электродов по сравнению с бабочковым конденсатором, а также имеет угол поворота до 180°, разделение роторных пластин приводит к некоторым потерям, так как высокочастотный ток должен проходить через ось ротора, а не течь прямо через каждую лопасть ротора.

Дифференциальный

Дифференциальные переменные конденсаторы также имеют два независимых статора, но в отличие от бабочкового конденсатора, где ёмкости обеих сторон увеличиваются одинаково при повороте ротора, в дифференциальном переменном конденсаторе ёмкость одной секции увеличивается, а другой – уменьшается, при этом сумма ёмкостей обоих статоров остаётся постоянной. Поэтому дифференциальные переменные конденсаторы могут применяться в емкостных потенциометрических схемах.

История

Переменный конденсатор с воздушным диэлектриком был изобретен венгерским инженером Дезшё Кордой. Он получил немецкий патент на изобретение 13 декабря 1893 года.

Конденсация, настроенная на напряжение

Толщина обеднённого слоя полупроводникового диода с обратным смещением изменяется в зависимости от постоянного напряжения, приложенного к диоду. Любой диод демонстрирует этот эффект (включая p-n переходы в транзисторах), но устройства, специально продаваемые как диоды с переменной ёмкостью (также называемые варакторами или варикапами), разрабатываются с большой площадью перехода и профилем легирования, специально предназначенным для максимизации ёмкости. Их применение ограничено малыми амплитудами сигнала, чтобы избежать заметных искажений, поскольку ёмкость будет изменяться под воздействием напряжения сигнала, что исключает их использование на входных каскадах высококачественных радиочастотных приемников, где они внесут неприемлемый уровень интермодуляционных искажений. На частотах VHF/UHF, например, в FM-радио или ТВ-тюнерах, динамический диапазон ограничивается шумом, а не требованиями к обработке больших сигналов, и варикапы обычно используются в тракте сигнала. Варикапы применяются для частотной модуляции генераторов и для создания высокочастотных генераторов, управляемых напряжением (VCO), являющихся основным компонентом в синтезаторах частоты с фазовой автоподстройкой (PLL), широко используемых в современном коммуникационном оборудовании. Устройства BST основаны на титанате бария и стронция и изменяют ёмкость при приложении высокого напряжения к устройству. Они имеют выделенный аналоговый управляющий вход и, следовательно, вносят меньше нелинейностей, чем диоды варактора, особенно при более высоких напряжениях сигнала. Ограничениями для BST являются стабильность при изменении температуры и линейность в ответственных применениях.

Цифровой настройки емкости

Цифровой конденсатор – это переменный интегральный конденсатор, основанный на нескольких технологиях. Устройства на основе MEMS, BST и SOI/SOS доступны от ряда поставщиков и различаются по диапазону емкости, добротности и разрешению для различных приложений RF-настройки. Устройства MEMS обладают наивысшей добротностью и высокой линейностью, что делает их подходящими для настройки апертуры антенны, динамического согласования импедансов, согласования нагрузки усилителя мощности и регулируемых фильтров. RF-настройка на основе MEMS – относительно новая технология и пока не получила широкого распространения. Устройства настройки SOI/SOS изготавливаются как твердотельные FET-ключи на изолированных CMOS-пластинах и используют MIM-конденсаторы, расположенные по принципу двоичного взвешивания, для получения различных значений емкости. FET-ключи SOI/SOS обладают высокой линейностью и хорошо подходят для применений с низким энергопотреблением, где отсутствуют высокие напряжения. Для обеспечения высокой устойчивости к напряжению требуется последовательное соединение нескольких FET-устройств, что увеличивает последовательное сопротивление и снижает добротность. Значения емкости предназначены для согласования импеданса антенны в многодиапазонных сотовых телефонах LTE GSM/WCDMA и мобильных телевизионных приемниках, работающих в широком диапазоне частот, таких как европейские системы мобильного телевидения DVB-H и японские системы мобильного телевидения ISDB-T.

Передатчики

Переменная ёмкость иногда используется для преобразования физических явлений в электрические сигналы. В конденсаторном микрофоне (обычно называемом конденсаторным микрофоном) диафрагма выполняет роль одной из пластин конденсатора, а колебания вызывают изменение расстояния между диафрагмой и неподвижной пластиной, что приводит к изменению напряжения на пластинах конденсатора. Некоторые типы промышленных датчиков используют конденсаторный элемент для преобразования физических величин, таких как давление, перемещение или относительная влажность, в электрический сигнал с целью измерения. Ёмкостные датчики также могут использоваться вместо выключателей, например, в компьютерных клавиатурах или "сенсорных кнопках" для лифтов, не имеющих механических элементов управления.