变容二极管的工作原理及调频参数用途

    变容二极管又称“可变电抗二极管”,它利用半导体PN结电容或金属一半导体接触势垒电容随外加反向偏压变化而变化的原理制成,是一种专门作为“压控可变电容器”的特殊晶体二极管变容二极管通常可替代可变电容器,在现代通信设备及家用电器中做高频调谐、频率自动微调、扫描振荡及相位控制等使用。
    变容二极管的主要特点是体积小、能防尘防潮、抗冲击振动、寿命长。例如,将变容二极管用于调频收音机的调谐器电路中,它不仅以崭新方式取代了使用普通可变电容器时所存在的动作最大、故障率最高的调谐机构,而且由此派生出许多如自动调谐、预选节目等新技术,使调频收音机无论从质量和使用方便性上都提高到一个新水平。下面就向初学者介绍常用变容二极管的识别与使用方法,

    基本特性
    变容二极管工作时的外加条件与稳压二极管类似,它必须工作在反向电压偏置区(稳压二极管工作在反向击穿状态下)。当变容二极管两端加上反向电压时,其内部的PN结变厚,如图8-1所示。反向电压越高,PN结越厚。由于PN结阻止电流通过,所以变容二极管工作时处于截止状态。这里PN结相当于普通电容器两个极板之间的绝缘介质,而P型半导体和N型半导体分别相当于普通电容器的两个极板,也就是说处于截止状态下的变容二极管,其内部会形成等效于平行板电容器的结构,该“电容器”称为结电容。普通二极管的P型半导体和N型半导体都比较小,所形成的结电容很小,可以忽略;而变容二极管在制造时特意增大了P型半导体和N型半导体的面积,从而增大了结电容,使反向偏压条件下的容量及变容效果都大为增强。
变容二极管结电容的形成图
    变容二极管结电容的大小与反向电压的大小有关,反向电压越高,结容量越小;反向电压越低,结容量越大。结电容和反向电压的关系曲线如图8-2所示,它直观表示出变容二极管两端反向电压与结容量的变化规律。由图中可以看出,结电容和反向电压的关系是非线性的。为了克服非线性,在实际使用时可采用校正网络、高偏压及多回路等措施。
结电容和反向电压的关系曲线图
    变容二极管可以看成是一个小容量的可变电容器。把变容二极管接在调谐回路里,控制加在变容二极管的反向电压,便可达到改变频率的目的。用变容二极管制成的电子调谐器,结构简单、接触可靠、制造方便,可以实现遥控和精密调谐的目的。目前,已广泛应用在彩色电视机、调频接收机和各种通信设备中。除此之外,还可用变容二极管实现调频、扫描振荡、频率自动微调及控制等多种用途。

    外形和种类
    常见变容二极管的实物外形如图8-3所示。由图可知,变容二极管的外形与小型普通晶体二极管几乎没有什么区别。变容二极管常见的外壳封装形式有陶瓷封装(实为环氧树脂密封的陶瓷基板)、玻璃封装、塑料封装3种,此外还有不常见的金属壳封装(大功率管)和无引线表面贴装等。变容二极管按制作所用半导体材料的不同,可分为硅变容二极管、锗变容二极管、砷化镓变容二极管等。
常用变容二极管实物外形图
    主要参数
    变容二极管的主要参数有结电容、结电容变化范围、最高反向工作电压、电容比和Q等,其具体定义如下。
    ①结电容。这是指在某一特定的直流反向电压下,变容二极管内部PN结的电容量。例如,2GB12型变容二极管在3V反向电压下,其结电容为15~18pF,在30V反向电压下,其结电容为2.5~3.5pF。
    ②结电容变化范围。这是指变容二极管的直流反向电压从0V开始变化到某一电压值时,其结电容的变化范围。例如,2CC13A型变容二极管的结电容变化范围为30~70pF。
    ③最高反向工作电压。这是指变容二极管正常工作时两端所允许施加的最高直流反向电压值。使用时不允许超过该值,否则有可能会击穿管子。例如,2CCIB型变容二极管的最高反向工作电压力20V,而2CCIF型变容二极管的最高反向工作电压为60V。
    ④电容比。这是指结电容变化范围内的最大电容量与最小电容量之比,它反映出变容二极管电容量变化能力的大小。
    ⑤Q值。这是变容二极管的品质因数,它反映了管子接入电路时对回路能量的损耗。例如,2CCIB型变容二极管的Q值不小于2,而2CC17B型变容二极管的Q值不小于100。Q随频率和偏压而变化。在一定频率下,Q值越大,说明变容二极管的损耗越小,变容二极管的品质越好。

    型号命名
    国产变容二极管的型号命名遵循了半导体器件的统一命名规则,其型号一般由5个部分组成(也有省掉第5部分的),格式和含义如图8-4所示。第1部分用阿拉伯数字“2”表示二极管;第2部分用汉语拼音字母表示管子的材料和极性,如A为锗N型、C为硅N型;第3部分用汉语拼音字母表示管子的类型,如“C”表示参量变容二极管,  “B”表示电调谐变容二极管;第4部分(阿拉伯数字)、第5部分(汉语拼音字母)分别表示产品的序号和规格,其中第5部分多用汉语拼音字母区分同一型号产品的最高反向工作电压和结电容等参数的不同,具体可查看有关手册。例如:2AG1型表示锗变容二极管,2CCIA和2CCIF型均表示硅变容二极管,前者最高反向工作电压为20V,结电容变他范围为60 - 100pF,后者最高反向工作电压为60V,结电容变化范围为20 - 60pF。
过程变容二极管的命名规则
    还有一些国产变容二极管的型号命名采用了生产厂家自定的命名规则或直接参照了国外产品的型号命名,如303B、DB300、B910A、FV1043、KV12352型等。表8汇集了一些常用变容二极管的型号及性能参数,仅供参考。
表8常用变容二极管的性能参数        
型号 最高反向工
作电压(V)
    结电容(pF)
 
电容比 Q 反向电流 说明
最小值   最大值      
2AC1 30 2 25        
2CC1 25 3.6 2.7     250  
2CB14 30 3 20    5~7 250~300
DB300   6.8 18   1.8 110  
2CC12A   2.5 10        
2CC12B 10 3 20±6     ≤20  
2CC12C   3.5 30±6      
2CC12D 12 4 40±6        
2CC12E 15 5 45        
2CC12F 10 15        
2CC149 12 435 540   ≥200 0.05  
2CC203A 15 74 125   ≥100 0.5  
2CC203B 28 92 120    
303B 30 3~5 18~30 >6     工作频1000MHz
工作频段:AM
B112 10 180 >16    
1N5439   3.3   2.3~3.1      
1N5443   10   2.6~3.1      
1N5447 ≥30 20   2.6~3.1   ≤20 最小结电容测试
1N5449   56   2.6~3.3     条件:4V、1MHz
1N5456   100   2.7~3.3      
AM-109   30 460 15      
ISV-149 10 30 540 18     工作频段:AM
KV-1236 30 540 20      
KV-1310   43 93 2.3     工作频率>
100MHz
MV-209 10 11 33 3     工作频段:UHF
 MV2105 6 22 2.5    

    产品标识
    常见变容二极管由于体积都比较小,所以多数情况下只在管体上标出引脚的极性标识,如图8-5( a)所示;只有部分产品才在外壳上标出型号或简化了的型号,如图8-5( b)所示.要想了解变容二极管的具体特性和有关参数等,唯一的途径就是查看厂家提供的说明书或有关元器件参数手册。   
常用变容二极管的标注方法
    根据变容二极管的外壳标志或封装形状,可以区分出其两引脚的正、负极性来。图8-6所示是常见变容二极管的引脚识别方法。由图可知,变容二极管两引脚正、负极的识别方法,与普通晶体二极管完全相同。但需要注意的是,由于变容二极管是工作在反向电压状态下的,所以在接入电路时,其负极应接高电位,正极应接低电位。
常用变容二极管引脚的识别图

    电路符号
变容二极管的符号图
    变容二极管的新标准电路符号如图8-7左边所示,其图形符号是在普通晶体二极管符号的旁边增加了一个电容器符号而成,形象地说明这是一个特殊的变容二极管。 注意:变容二极管图形符号旁边的“+”、“-”极性(为便于说明问题而加上去,实际画电路图时都不加注),并不是指管子在接入电路时所接反向工作电压的极性,而是指管子本身的极性。变容二极管在电路中一定要接上反向直流电压,即管子的负极接电路中的高电位、正极接低电位,这样才能保证其正常工作。变容二极管的文字符号与普通晶体二极管完全一样,常用“VD”或“V”来表示。若电路图中有多只同类元器件时,可按习惯在其文字符号后面加上数字编号,以示区别,如VD1、VD2..........

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