Конденсаторы с электрически управляемой емкостью

Такие конденсаторы, в отличие от конденсаторов с механически управляемой емкостью, позволяют управлять емкостью дистанционно.

Для этого используют а) керамические диэлектрики со спонтанной поляризацией (сегнетоэлектрики) – переменные конденсаторы этого типа называются вариконды; б) запорные слои в полупроводниках на границе областей с различным характером проводимости (электронной и дырочной) – варикапы.

Для изменения емкости сегнетоэлектрических конденсаторов используется зависимость от напряженности электрического поля (рис. 88), откуда следует, что и емкость конденсатора должна изменяться от напряжения по такому же закону, то есть имеем как увеличение, так и снижение емкости при увеличении напряжения.

Для изменения емкости полупроводниковых конденсаторов используется зависимость толщины запорного слоя от напряжения. При увеличении напряжения, приложенного к запорному слою в запирающем направлении, толщина этого слоя увеличивается, и емкость конденсатора снижается. Таким образом, при увеличении напряжения можно получать только снижение емкости.

При спонтанной поляризации величина может достигать больших значений, порядка 1000-10000 и выше. Поэтому для сегнетоэлектрических конденсаторов можно получать большие значения емкости при малых размерах конденсаторов. Величина для обычно применяемых полупроводников (германия, кремния) невелика, порядка 11-15, поэтому максимально получаемые емкости значительно ниже.

К недостаткам сегнетоэлектриков можно отнести сильную зависимость от температуры (рис. 88), при которой проходит через резко выраженный максимум при температуре (точка Кюри), недостаточную стабильность во времени, что приводит к нестабильности емкости, недопустимой в большинстве конденсаторов. Кроме того, большие потери дают резкое снижение добротности контура, в который включается сегнетоэлектрический конденсатор. Сегнетоэлектрические конденсаторы нашли широкое применение в диэлектрических усилителях, умножителях частоты, стабилизаторах напряжения и т.д.

Полупроводниковые конденсаторы уступают сегнетоэлектрическим по величине емкости, имеют улучшенную стабильность емкости, как во времени, так и с температурой, повышенную добротность. Эти конденсаторы имеют маленькие размеры и вес, повышенную надежность.

Полупроводниковые конденсаторы могут применяться там, где предъявляются повышенные требование к стабильности емкости и нужны пониженные потери.

Сегнетоэлектрические конденсаторы (вариконды)

Материалы со спонтанной поляризацией применяются для изготовления низкочастотных керамических конденсаторов с большой емкостью.

В состав керамической массы вводятся примеси, усиливающие зависимость от напряжения, увеличивающие нелинейность конденсатора. При этом увеличивается зависимость от температуры и возрастает значение (рис. 89).

При температурах выше точки Кюри быстро падает в связи с исчезновением спонтанной поляризации.

В линейных конденсаторах величина заряда увеличивается прямо пропорционально приложенному напряжению, и поэтому емкость является величиной постоянной.

В нелинейных сегнетоэлектрических конденсаторах величина заряда Q нелинейно изменяется с ростом напряжения, стремясь к насыщению (рис. 90). Поэтому емкость, то есть отношения заряда к напряжению, для нелинейного конденсатора уже не является определенной величиной, а будет зависеть от напряжения.

Для понятия емкости нелинейных конденсаторов вводится несколько определений:

- Нормальная или статическая емкость – отношение заряда , установившегося после зарядки постоянным напряжением :

. [220]

Характеризует использование конденсатора в цепях постоянного тока;

- Эффективная емкость – емкость такого линейного конденсатора, заряд которого при максимальном значении напряжения равен заряду данного нелинейного конденсатора при том же напряжении:

. [221]

Является важной характеристикой при работе в цепях переменного тока.

- Дифференциальная емкость (динамическая) определяется скоростью изменения заряда при изменении напряжения:

. [222]

Эта величина пропорциональна тангенсу угла между касательной к кривой и осью абсцисс.

- Реверсивная емкость представляет собой эффективную емкость в условиях, когда на переменном напряжении с амплитудой накладывается постоянное напряжение :

. [223]

Является важной характеристикой при работе нелинейного конденсатора в цепях пульсирующего напряжения.

- Номинальная емкость представляет собой эффективную емкость нелинейного конденсатора, измеренную при номинальном синусоидальном напряжении и нормальных условиях окружающей среды.

Качества варикондов оцениваются также коэффициентом нелинейности, характеризующим изменение емкости с напряжением:

, [224]

где - емкость, измеренная при напряжении ;

- емкость, измеренная при напряжении .

Вариконды находят применение для различных целей: диэлектрические усилители сигналов звуковой частоты, усилители мощности, дистанционное управление настройки контуров, датчики в схемах телеконтроля температур, умножители частоты, стабилизаторы напряжения и других целей.

Полупроводниковые конденсаторы (варикапы)

Запорный слой на границе двух зон полупроводника, обладающих дырочной и электронной проводимостями, имеет определенную емкость. Образование запорного слоя схематически показано на рис. 91.

«Плюс» источника постоянного напряжения прикладывается к области полупроводника, имеющего электронную проводимость, а «минус» – к области, имеющей дырочную проводимость. С границы раздела областей свободные заряды отсасываются к электродам: дырки к отрицательному, а электроны – к положительному электроду, при этом на границе раздела возникает переходный слой с повышенным сопротивлением – запорный слой, который можно использовать в качестве диэлектрика в полупроводниковом конденсаторе. Напряжение такой полярности называют обратным (или запорным) так как при этом данная система не пропускает большого тока («заперта»). Толщина запорного слоя h увеличивается с ростом напряжения, а емкость соответственно, уменьшается.

Для изготовления полупроводниковых конденсаторов применяют кремний и германий. Для создания в кремнии проводимости n- типа (электронной) используют введение примеси V группы (фосфор, сурьма, мышьяк), для создания проводимости p- типа (дырочной) – примеси III группы (бор, алюминий, индий). На границе областей с разной проводимостью возникает p-n- переход, обуславливающий образование запорного слоя.

Зависимость емкости полупроводникового конденсатора от напряжения определяется выражением

, [225]

где - барьерная емкость;

- постоянная, зависящая от полупроводника;

- обратное (запорное) напряжение;

- контактное напряжение;

- показатель степени, зависит от характера p-n- перехода (при резком, ступенчатом ; при градированном ).

Эквивалентная схема полупроводникового конденсатора показана на рис. 92.

- основная емкость запорного слоя;

- паразитная емкость по отношению к корпусу конденсатора;

- параллельное сопротивление утечки, определяющее ток утечки;

- сопротивление полупроводника, включенное последовательно с емкостью запорного слоя;

- паразитная индуктивность конденсатора.

Эффективное значение емкости конденсатора будет равно:

. [226]

Характер зависимости емкости от обратного напряжения показан на рис. 93.

С ростом напряжения увеличивается ширина запорного слоя и емкость падает.

Зависимость емкости от температуры в значительной степени определяется величиной напряжения, приложенного к конденсатору.

Чем больше напряжение, тем слабее температурная зависимость.