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Wissenswertes zu Kapazitäts-Dioden

Was sind Kapazitätsdioden?

Kapazitätsdioden sind Halbleiterbauteile, bei denen die Kapazität je nach angelegter Spannung variiert. Sie werden auch als Abstimmdioden oder Varicap bezeichnet.

Durch ihre kleinen Abmessungen hat sie im Laufe der Zeit größere Bauteile wie Drehkondensatoren weitestgehend ersetzt, bei denen die Kapazität ebenfalls einstellbar ist.

Die Kapazitätsdiode wird sehr oft in LC-Schwingkreisen eingesetzt. Schwingkreise sind elektrische Schaltungen aus Spule (L für die Induktivität der Spule) und Kondensator (C für die Kapazität des Kondensators), die elektrische Schwingungen ausführen können. Diese sind in Funkempfängern und -sendern zu finden. Dabei lässt sich über die Kapazitätsdiode die Frequenz einstellen, fernsteuern oder automatisch regeln. Neben der Funkelektronik lassen sich Kapazitätsdioden noch in elektrischen Filtern und Oszillatoren finden.

Kapazitätsdioden eignen sich allerdings nicht für Hochfrequente Spannung (HF-Spannung, englisch RF für "radio frequency") oder für Geräte mit hoher Leistung, da die Kapazität und die Sperrspannung begrenzt sind. Dafür werden spezielle Drehkondensatoren oder dielektrisch variable Kondensatoren verwendet.

Funktionsweise des Bauteils

Die Kapazitätsdiode ist eine Diode, die in Sperrrichtung betrieben wird. Dioden lassen Gleichstrom nur in einer Richtung passieren. Die Anschlüsse am Bauteil werden Anode (für den Pluspol) und Kathode (für den Minuspol) genannt. Dioden bestehen aus p-n-dotierten Halbleiterkristallen, an deren Übergang befindet sich eine Sperrschicht (auch sogenannte ladungsfreie Zone). Diese ist spannungsabhängig, das heißt, sie lässt solange keinen Strom passieren, bis eine Durchbruchspannung erreicht wird.

In Durchlassrichtung wird bereits bei geringer Spannung die Sperrschichtdicke so weit verringert, dass der Strom fließen kann. Wird eine Diode jedoch in Sperrrichtung betrieben, vergrößert sich die Sperrschicht: das verhindert den Stromfluss.

Die Kapazitätsdiode wirkt in dieser Betriebsart – also in Sperrichtung – wie ein Kondensator. Die Sperrschicht ist dabei das Dielektrikum (isolierendes Material). Zwischen den Ladungsträgern entsteht an den beiden Anschlüssen ein elektrisches Feld. Dieses bewegt die Ladungsträger voneinander weg – die Sperrschicht vergrößert sich.

Verhalten einer Kapazitätsdiode:

Die Kapazitätsdiode in Abbildung A wird mit einer Spannung von 8 V betrieben. Dadurch bildet sich eine schmale Sperrschicht aus, wodurch die Kapazität in diesem Moment groß ist. Dies ist vergleichbar mit einem Plattenkondensator, wo die Platten sehr nahe aneinander positioniert sind (siehe a).

Die Kapazitätsdiode in Abbildung B wird mit einer Spannung von 15 V betrieben. Dadurch bildet sich eine breite Sperrschicht aus, wodurch die Kapazität in diesem Moment gering ist. Dies ist vergleichbar mit einem Plattenkondensator, wo die Platten weit voneinander positioniert sind (siehe b).

Der Abstand zwischen den Ladungen wirkt nun wie die Platten eines Kondensators. So besitzt die Diode einen Kapazitätswert, definiert durch die Sperrspannung.

Die Kapazität wird in der Einheit Farad (Zeichen F) angegeben, wobei eher sehr kleine Werte im Bereich von Mikro- (µF, 10-6 F), Nano- (nF, 10-9 F) und Pikofarad (pF, 10-12 F) üblich sind. Bei Kapazitätsdioden werden sogar maximal Kapazitäten im Pikofarad-Bereich erreicht.

Das Besondere an Kapazitätsdioden: ihre steuerbare Kapazität. Sie kann durch die Regelung der Sperrspannung angepasst werden. Die Spannung zum Regeln ist immer Gleichspannung. Es gilt: Je größer die Spannung, desto kleiner die Sperrschichtkapazität.

Was ist beim Kauf einer Kapazitäts-Diode zu beachten?

Es gibt einfache und doppelte Kapazitätsdioden. Doppelte Dioden besitzen zwei Anodenanschlüsse und vereinen damit zwei Kapazitätsdioden in einem Gehäuse, welche sich einen Kathodenanschluss teilen. Für bestimmte Schwingkreisschaltungen sind doppelte Bauarten sinnvoll, da sie genau eine solche Anordnung im Schaltkreis verlangen.

Bei der Wahl von Kapazitätsdioden ist auf die Bauteilparameter zu achten. Diese finden Sie im jeweiligen Datenblatt der Bauteile. Neben dem gewünschten Bereich der Kapazität ist auf die Spannung (Zeichen U, englisch V, in Volt) und die Stromstärke (Zeichen I, in Ampere) zu achten. Die maximale Sperrspannung (englisch: "peak reverse voltage") ist die maximal zulässige Spannung, die kurzzeitig Anliegen darf. Einen Höchstwert für die dauerhafte Betriebsspannung gibt die Sperrspannung (englisch: "reverse voltage") an. Die Ströme (englisch: "current") geben analog zu den Spannungen Betriebswerte oder Maximalwerte für Vorwärts- oder Rückwärtsbetrieb der Kapazitätsdioden an.

Für jeweilige Steuerspannungen sind bei festem Frequenzwert (Zeichen f, in MHz) meist die dazugehörigen Kapazitätswerte gegeben. Das Kapazitätsverhältnis gibt den kleinsten zum größten Kapazitätswert an. Diese Werte können dann bei der Steuerung der Kapazität in der jeweiligen Schaltung herangezogen werden.

Die Temperaturangabe beschreibt den Bereich, in dem die Dioden eingesetzt oder gelagert werden können. Beachten Sie: Die Betriebsparameter sind temperaturabhängig, da es sich um Halbleiterbauelemente handelt. Die angegeben Werte beziehen sich auf eine gegebene Bezugstemperatur (meist 25°C).

Im Betrieb erwärmen sich die Kapazitätsdioden, oder andere Bauteile sowie die Umgebung können für eine Erwärmung der Dioden sorgen. Deshalb ist es sinnvoll elektrische Schaltungen oder Bauteile zu Kühlen. Dies kann aktiv über Lüfter oder passiv mit Kühlkörpern umgesetzt werden.

Bei Überschreiten der Höchstwerte ist ein ordnungsgemäßer Betrieb des Bauteils nicht mehr gewährleistet. Die Diode kann dadurch zerstört werden. Bei der Auswahl sollten Sie zu einer Kapazitätsdiode greifen, deren Grenzwerte genügend Spielraum zu den erwartbaren Extrembedingungen in Ihrem Einsatzgebiet gewährleisten.

Fazit: Großes Einsatzgebiet

Kapazitätsdioden finden sich aufgrund deren Bedeutung in Schwingkreisen in vielen Geräten mit Funktechnik. Sie lassen sich wie regelbare Kondensatoren einsetzen und haben größere und aufwändigere Bauteile mit ähnlicher Funktion größtenteils abgelöst. Für Geräte und Schaltungen mit großer Leistung oder hochfrequenter Spannung sind sie jedoch nicht geeignet. Bei der Auswahl des Bauteils ist neben der Kapazität auf Betriebsparameter wie Spannung, Strom und Temperatur zu achten, um einen dauerhaften Betrieb sicher zu gewährleisten.

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