Condensador variable

Un condensador variable es un condensador cuya capacitancia puede cambiarse intencionada y repetidamente de forma mecánica o electrónica. Los condensadores variables se utilizan a menudo en circuitos L/C para establecer la frecuencia de resonancia, p. para sintonizar una radio (por eso a veces se le llama condensador de sintonización o condensador de sintonización), o como reactancia variable, p. para adaptación de impedancia en sintonizadores de antena.

Capacitancia controlada mecánicamente

En los condensadores variables controlados mecánicamente, se puede cambiar la distancia entre las placas, o la cantidad de superficie de la placa que se superpone.

La forma más común dispone un grupo de placas metálicas semicirculares sobre un eje giratorio ("rotor") que se colocan en los espacios entre un conjunto de placas estacionarias ("estator") de modo que el área de superposición se pueda cambiar girando el eje. Como material dieléctrico se pueden utilizar láminas de aire o de plástico. Al elegir la forma de las placas giratorias, se pueden crear varias funciones de capacitancia versus ángulo, p.e. para obtener una escala de frecuencia lineal. A menudo se utilizan diversas formas de mecanismos de engranajes reductores para lograr un control de ajuste más preciso, es decir, distribuir la variación de capacidad en un ángulo mayor, a menudo varias vueltas. La capacitancia máxima se logra cuando las placas están "engranadas" entre sí. juntos, es decir, están entrelazados. La capacitancia mínima se logra cuando las placas están "desenmalladas", es decir, no entrelazadas.

• Medición de la capacitancia de un condensador rotativo
• 
  C_min = 29 pF
• 
  C = 269 pF
• 
  C_max = 520 pF

Un condensador variable de vacío utiliza un conjunto de placas hechas de cilindros concéntricos que se pueden deslizar dentro o fuera de un conjunto opositor de cilindros (sleeve y plunger). Estas placas son selladas dentro de un sobre no conductivo como vidrio o cerámica y colocadas bajo un alto vacío. La parte móvil (plunger) se monta en una membrana metálica flexible que sella y mantiene el vacío. Un eje de tornillo se adjunta al émbolo; cuando el eje se gira el émbolo se mueve dentro o fuera de la manga y el valor del condensador cambia. El vacío no sólo aumenta la tensión de trabajo y la capacidad de manipulación actual del condensador, sino que también reduce considerablemente la posibilidad de arcing en las placas. El uso más común para las variables de vacío está en transmisores de alta potencia, como los utilizados para la radiodifusión, militar y amateur, así como redes de afinación RF de alta potencia. Las variables de vacío también pueden ser más convenientes; ya que los elementos están bajo un vacío, el voltaje de trabajo puede ser superior a una variable de aire del mismo tamaño, permitiendo reducir el tamaño del condensador de vacío.

Los condensadores variables muy baratos se construyen a partir de láminas de aluminio estucado y de plástico que se prensan variamente con un tornillo. Estos llamados exprimidores no puede proporcionar una capacitancia estable y reproducible, sin embargo. Una variante de esta estructura que permite el movimiento lineal de un conjunto de placas para cambiar el área de solapa de la placa también se utiliza y puede llamarse un slider. Esto tiene ventajas prácticas para la construcción improvisada o casera, y puede encontrarse en antenas resonantes o radios de cristal.

Los pequeños condensadores variables operados con un destornillador (por ejemplo, para establecer con precisión una frecuencia resonante en la fábrica y luego no volver a ajustarse nunca más) se denominan condensadores de ajuste. Además de aire y plástico, las recortadoras también se pueden fabricar con un dieléctrico sólido, como la mica.

Formas especiales de condensadores mecánicamente variables

Varias secciones

Muy a menudo, varias secciones de estator/rotor están dispuestas una detrás de otra en el mismo eje, lo que permite ajustar varios circuitos sintonizados usando el mismo control, p.e. un preselector, un filtro de entrada y el oscilador correspondiente en un circuito receptor. Las secciones pueden tener capacidades nominales idénticas o diferentes, p.e. 2 × 330 pF para filtro y oscilador AM, más 3 × 45 pF para dos filtros y un oscilador en la sección FM del mismo receptor. Los condensadores con múltiples secciones a menudo incluyen condensadores de ajuste en paralelo a las secciones variables, que se utilizan para ajustar todos los circuitos sintonizados a la misma frecuencia.

Mariposa

Un condensador de mariposa es una forma de condensador rotatorio variable con dos conjuntos independientes de placas de estator opuestas entre sí y un rotor en forma de mariposa dispuesto de manera que al girar el rotor variarán las capacitancias entre el rotor. y cualquiera de los estatores por igual.

Los condensadores de mariposa se utilizan en circuitos sintonizados simétricos, p. Etapas de amplificador de potencia de RF en configuración push-pull o sintonizadores de antena simétricos donde el rotor debe estar "frío", es decir, conectado al potencial de tierra de RF (pero no necesariamente CC). Dado que la corriente máxima de RF normalmente fluye de un estator al otro sin pasar por los contactos del limpiaparabrisas, los condensadores de mariposa pueden manejar grandes corrientes de RF de resonancia, p. en antenas de bucle magnético.

En un capacitor de mariposa, los estatores y cada mitad del rotor solo pueden cubrir un ángulo máximo de 90° ya que debe haber una posición sin superposición rotor/estator correspondiente a la capacidad mínima, por lo tanto un giro de solo 90° cubre el todo el rango de capacitancia.

Estator dividido

El condensador variable de estator dividido, estrechamente relacionado, no tiene la limitación de un ángulo de 90°, ya que utiliza dos paquetes separados de electrodos de rotor dispuestos axialmente uno detrás del otro. A diferencia de un condensador con varias secciones, las placas del rotor en un condensador de estator dividido están montadas en lados opuestos del eje del rotor. Mientras que el condensador de estator dividido se beneficia de electrodos más grandes en comparación con el condensador de mariposa, así como de un ángulo de rotación de hasta 180°, la separación de las placas del rotor genera algunas pérdidas ya que la corriente de RF tiene que pasar por el eje del rotor en lugar de fluir directamente a través de cada una. paleta del rotor.

Diferencial

condensadores variables diferenciales también tienen dos estatores independientes, pero a diferencia del condensador de mariposa donde las capacidades en ambos lados aumentan igualmente a medida que se gira el rotor, en un condensador variable diferencial la capacidad de una sección aumentará mientras que la otra sección disminuirá, manteniendo constante la suma de las dos capacitancias del estator. Por tanto, los condensadores de variable diferencial se pueden utilizar en circuitos potenciométricos capacitivos.

Historia

El condensador variable con dieléctrico de aire fue inventado por el ingeniero húngaro Dezső Korda. Recibió una patente alemana por el invento el 13 de diciembre de 1893.

Capacitancia controlada electrónicamente

Capacitancia sintonizada por voltaje

El espesor de la capa de agotamiento de un diodo semiconductor con polarización inversa varía con el voltaje de CC aplicado a través del diodo. Cualquier diodo exhibe este efecto (incluidas las uniones p/n en los transistores), pero los dispositivos vendidos específicamente como diodos de capacitancia variable (también llamados varactores o varicaps) están diseñados con un área de unión grande y un perfil de dopaje diseñado específicamente para maximizar la capacitancia.

Su uso se limita a amplitudes de señal bajas para evitar distorsiones obvias ya que la capacitancia se vería afectada por el cambio de voltaje de la señal, lo que excluye su uso en las etapas de entrada de receptores de comunicaciones de RF de alta calidad, donde agregarían niveles inaceptables de intermodulación. En frecuencias VHF/UHF, p. En los sintonizadores de TV o radio FM, el rango dinámico está limitado por el ruido en lugar de por los grandes requisitos de manejo de señales, y los varicaps se utilizan comúnmente en la ruta de la señal.

Los varicaps se utilizan para la modulación de frecuencia de osciladores y para fabricar osciladores controlados por voltaje (VCO) de alta frecuencia, el componente central de los sintetizadores de frecuencia de bucle de bloqueo de fase (PLL) que son omnipresentes en los equipos de comunicaciones modernos.

El dispositivo BST se basa en titanato de bario y estroncio y varía la capacitancia aplicando alto voltaje al dispositivo. Tienen una entrada de control analógica dedicada y, por lo tanto, introducen menos no linealidades que los diodos varactor, especialmente para voltajes de señal más altos. Las limitaciones de BST son la estabilidad sobre la temperatura y la linealidad en aplicaciones exigentes.

Capacitancia sintonizada digitalmente

Un condensador sintonizado digitalmente es un condensador variable IC basado en varias tecnologías. Los dispositivos MEMS, BST y SOI/SOS están disponibles a través de varios proveedores y varían en rango de capacitancia, factor de calidad y resolución para diferentes aplicaciones de sintonización de RF.

Los dispositivos MEMS tienen el factor de calidad más alto y son altamente lineales, por lo que son adecuados para sintonización de apertura de antena, adaptación de impedancia dinámica, adaptación de carga de amplificador de potencia y filtros ajustables. Los MEMS de sintonización de RF son todavía una tecnología relativamente nueva y aún no han sido ampliamente aceptados.

Los dispositivos de sintonización SOI/SOS están construidos como interruptores FET de estado sólido construidos sobre obleas CMOS aisladas y utilizan tapas MIM dispuestas en valores ponderados binarios para lograr diferentes valores de capacitancia. Los interruptores SOI/SOS tienen una alta linealidad y son muy adecuados para aplicaciones de baja potencia donde no hay altos voltajes presentes. La resistencia de alto voltaje requiere múltiples dispositivos FET en serie, lo que agrega resistencia en serie y reduce el factor de calidad.

Los valores de capacitancia están diseñados para igualar la impedancia de la antena en teléfonos celulares LTE GSM/WCDMA multibanda y receptores de TV móvil que operan en amplios rangos de frecuencia, como los sistemas de TV móvil europeo DVB-H y japonés ISDB-T.

Transductores

A veces se utiliza capacitancia variable para convertir fenómenos físicos en señales eléctricas.

• En un micrófono capacitor (conocido comúnmente como un micrófono condensador), el diafragma actúa como una placa de un condensador, y las vibraciones producen cambios en la distancia entre el diafragma y una placa fija, cambiando el voltaje mantenido a través de las placas capacitor.
• Algunos tipos de sensores industriales utilizan un elemento capacitor para convertir cantidades físicas como presión, desplazamiento o humedad relativa a una señal eléctrica con fines de medición.
• Los sensores capacitivos también se pueden utilizar en el lugar de los interruptores, por ejemplo en teclados informáticos o "botones táctiles" para ascensores que no tienen partes móviles del usuario.