Varikap Diyot / Varaktör Diyot Nedir ?
Varikap diyot bir nevi kondansatördür. Devreye ters bağlanır ve uçlarına düşen gerilim arttıkça ayarlı bir kondansatör gibi kapasitesi artar
Üzerine yüksek bir gerilim geldiğinde normal diyotta bulunan yalıtkan bölge büyür ve dolayısı ile kapasite artar. Gerilim düştüğünde ise yalıtkan bölge azalacağı için dolayısıyla kapasite azalır.
Sağladığı en önemli avantaj ise, yüksek frekanslı osilasyon devreleri frekanslarının otomatik ayarı gibi işlevlerin uzaktan doğru gerilim kontrol edilerek yapılabilmesidir.
Jonksiyon diyotlara ters gerilim uygulandığı zaman kondansatör gibi çalışır. Kondansatörlere benzeyen varikap diyot, ters polarmada çalışır, uçlarına düşen gerilimin ayarlanması ile kapasitesini değiştiren ayarlı kondansatör olarak kullanılırlar. Uygulanan gerilime göre kapasitif değer değişir. Gerilim büyürse kapasitif değer düşer. Gerilime bağlı olarak kapasite değişikliği sebebiyle varikap veya varaktör denir
Varikap diyodu; ters polarma altında kapasitesi değişen diyot ya da yarı iletken kondansatör olarak tanımlanır. Varikap diyodun kapasitif değerini, PN bileşiminin fakirleştirilmiş bölgesinde belirlenmektedir. Üretimde kullanılan katkı maddesi ve fiziksel boyut kafasitif değeri etkileyen diğer etkenlerdir. Bir PN jonksiyon diyoda ters yönde gerilim uygulandığı zaman, temas yüzeyinin iki tarafında bir boşluk (nötr bölge) meydana gelir. Tıpkı bir kondansatör gibi etki gösterir.
Yarı iletkenlerin PN birleşmesinde, geçiş bölgesi, ters polarma ile genişletilebilmekte ve bundan dolayı diyotun kapasite değeri değişmektedir. Kapasitif diyotlar “ters bağlı olarak”devrede iken PN birleşim yüzeyinde elektron ve oyukların uzaklaştığı geçiş bölgesi meydana gelir.
Meydana gelen bu bölge, diyota uygulanan gerilimle doğru orantılı olarak değişir. Gerilim arttırıldıkça nötr (fakirleştirilmiş) bölge genişler. PN kristalleri iletken levha durumuna geçerken, nötr bölge de dielektrik (yalıtkan) özelliği gösterir. Bu durumda küçük kapasiteli bir kondansatör elde edilmiştir. Meydana gelen kapasite, devre gerilimi ile ters orantılıdır. Yani diyota uygulanan gerilim arttıkça kapasite azalır. Varikap, değişken kondansatör yerine kullanılabilmekte ve kondansatöre göre varikap diyot fiyatları hem ucuz, hem de çok daha az yer kaplamaktadır. Kaçak akımının çok küçük olması nedeniyle varikap olarak kullanılmaya en uygun diyotlar silikon diyotlardır.
Kapasitif diyot nedir?
Uçlarına uygulanan ters polariteli gerilime bağlı olarak kapasite değeri değişen elemanlara kapasitif diyot denir. Aşağıdaki şekilde kapasitif etkinin nasıl meydana geldiği gösterilmektedir. Varikap diyoda uygulanan ters polarma değerine bağlı olarak kapasitif etki değişir. Karekteristik eğriden görüldüğü gibi varikap diyoda uygulanan ters polarite artışı diyodun kapasitif değerini azaltır.
Hareketli plakalı ayarlı kondansatörler elektronik devre emprimeleri (bakırlı plaket) çok yer kapladığı için, küçük boyutlu ve dijital tabanlı devrelerde varikap diyotlar kullanılır.
Aşağıdaki şekilde bir normal silisyum diyot ile VARIKAP olarak yapılmış bir diyodun ters polarma altındaki kapasitif özellikleri görülmektedir.
Varikap Diyot Özellikleri
- Koaksiyel cam koruyuculu, mikrojonksiyon varikap 200GHz ‘e kadar görev yapabilir.
- Kapasitesi 3-100pF arasında değiştirilebilmektedir.
- 0-100V gerilim altında çalışabilmektedir.
- Varikaba uygulanan gerilim 0 ile 100V arasında büyütüldüğünde, kapasitesi 10 misli küçülmektedir.
Varikap Kullanım Alanları
- Gerilim Kontrollü Osilatörler (VCO’lar) : VCO’larda Varikap diyotlar kullanılır. VCO’lar faz kilitli döngülerde ve iletişim sistemlerinde kullanılır. Varikap diyot üzerindeki gerilim değiştirilerek kapasitans değişir ve bu da osilatördeki frekansın değişmesine yol açar.
- Radyolarda Frekans Modülasyonu ile Ayarlama : Varikap diyotlar RF devrelerinde de kullanılır. Varikap diyot üzerindeki voltajı değiştirerek, ayarlı devrenin rezonans frekansını ayarlayabiliriz; bu da FM radyolarında ayarlama yapılmasına olanak tanır.
- Faz Kaydırıcılar : Varikap diyotlar ayrıca faz dizili antenlerde de kullanılır. Anten dizisinin belirli bir bölümündeki kapasitansın değiştirilmesi, yayılan sinyalin fazının kontrol edilmesine yol açabilir; bu da ışın yönlendirme ve şekillendirme için kullanılabilir.
- Gerilim Kontrollü Filtreler: Varikap diyotlar, gerilim kontrollü bant geçiren veya alçak geçiren filtrelerde kullanılır. Filtrenin kesme frekansı, Varikap diyot üzerindeki gerilim değiştirilerek ayarlanabilir.
Varikap Diyot Çeşitlerinden Bazıları
- BB105A, B: UHF frekanslı devrelerde kapasite değiştirmek için kullanılır.
- BB121A, B: VHF/UHF frekanslı devrelerde kapasite değiştirmek için kullanılır.
- BB143A, B: FM/VHF frekanslı devrelerde kapasite değiştirmek için kullanılır.
- BB110: FM/VHF frekanslı devrelerde kapasite değiştirmek için kullanılır.
- BB112: GM frekanslı devrelerde kapasite değiştirmek için kullanılır.
Varicap diyotlu osilatör
Yukardaki devrenin VT voltajı değiştirildikçe varicap diyotlar ve L bobini tarafından belirlenen osilasyon frekansı da değişir. Osilatörün kararlı çalışması için VT gerilimi iyi regüle edilmeli ve şebeke gürültüsünden C kondansatörü yardımı ile arındırılmalıdır. Osilatör frekansının çok kararlı olması isteniyorsa özellikle VT varicap gerilimi zamanla değerini değiştirmeyecek ve ısı ile değerini değiştirmeyecek şekilde olmalıdır. Varicap diyotlar bütün alıcı ve verici devrelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle PLL li osilatör devrelerinde tercih edilmektedir. Ayrıca normal değişken kondansatörlere göre son derece az yer kapladıkları için tercih edilmektedir.
Varikap diyotlu frekans çarpıcı:
L1 C1 rezonans devresi bir seri rezonans devresi olup bu devrede sadece rezonans frekansındaki giriş sinyalinin varicap kondansatöre ulaşmasını sağlar. Başka frekanstaki giriş sinyallerinin devreye girmesine engel olur. Varicap diyot üzerine gelen f değerindeki giriş sinyalinin harmoniklerini üretir. Bu harmonikler içinde ana frekans olan f frekansı ile bu frekansın katları bulunmaktadır. L2 C2 devresi bu harmoniklerden sadece ana frekansın 2 katı değerde olanını geçirmek üzere tasarlanmıştır. Devrenin çıkışında giriş frekansının 2 katı değerinde sinüs sinyali elde edilir.
Avantajları ve Dezavantajları
Avantajları
- Değişken Kapasitans: Varikap diyotunun en büyük avantajı, değişken kapasitör olarak kullanılabilmesidir. Bu özelliği sayesinde frekans ayarlama devrelerinin bir parçası olarak kullanılabilir.
- Frekans Sentezleyici: Varikap diyotunun küçük boyutu ve değişken kapasitansı sayesinde, elektronik cihazların yüksek frekanslı elemanlarında hassas frekanslar üretmek için kullanılabilir.
- Faz Kaydırıcılar : PLL (faz kilitlemeli döngü) devrelerinde, Varikap diyotlar voltaj kontrollü faz kaydırıcılar oluşturmak için kullanılabilir ve bu da hassas faz kontrolüne olanak tanır.
- Frekans Çarpanları ve Bölücüler: Varikap diyotlar, frekansları gerektiği gibi üretmek veya bölmek için frekans çarpanlarında ve bölücülerde kullanılır.
- Ekonomik Olarak Uygun: Varikap diyotlar, ekonomik ve uygun fiyatlı oldukları için birçok seviyedeki ayar devrelerinde kullanılabilir. Ayrıca diğer diyotlara kıyasla daha az gürültü üretirler.
Dezavantajlar
- Çalışma moduna özgü: Bu diyotların tasarımı, ters kutuplamada çalışacak şekilde yapılmıştır, bu nedenle ileri kutuplamada kullanışlı değillerdir.
- Doğrusal olmayan davranış: Bu diyotun en büyük dezavantajı, birçok cihazda bozulmaya yol açabilen doğrusal olmayan kapasitans-voltaj ilişkisidir.
- Hassas: Bu diyotun kapasitesi sıcaklık değişimlerinden büyük ölçüde etkilenir, bu nedenle sıcaklığa duyarlıdır.
Uygulamalar
Varikap diyot, katot ve anotun iletken plakalar, tükenme bölgesinin ise aralarındaki dielektrik ortam görevi görmesi nedeniyle esas olarak değişken kapasitör olarak kullanılır. Bununla birlikte, aşağıda belirtilenler de dahil olmak üzere birçok farklı uygulamada kullanılırlar.
- Televizyon ve radyolarda kullanılan eski tip mekanik ayarlı kondansatörlerin yerini alan bir ayar kondansatörü olarak kullanılır.
- Bu, iletişim devrelerinde kullanılan iletim ve alım devrelerinde yer alan VCO’ların (voltaj kontrollü osilatör) tasarımında kullanılır.
- Aynı zamanda frekans çarpanı olarak da kullanılır.
- Ayrıca iletişimde modülasyon için PLL’de ( faz kilitleme döngüsü ) de kullanılır .
- Küçük uzaktan kumanda devrelerinde kullanılır.
- Ayarlanabilir bant genişliğine sahip frekans filtrelerinde kullanılır.
- Aynı zamanda harmonik üreteçte de kullanılır.
Varikap diyotlar, özellikle radyo frekansı (RF) ve mikrodalga uygulamalarında, değişken kapasitans ve dolayısıyla frekans ayarlaması elde etmek için yaygın olarak ayarlama devrelerinde kullanılır. İşte Varikap diyotların ayarlama devrelerinde tipik olarak nasıl kullanıldığı:
- Bir Varikap diyot, bir tükenme bölgesiyle ayrılmış bir p tipi ve bir n tipi yarı iletken bölgeden oluşan standart bir pn eklem diyotuna benzer şekilde inşa edilmiştir. Ancak, ters kutuplama modunda çalıştırılır.
- Varikap diyotuna ters polarizasyon voltajı uygulandığında (p tarafı güç kaynağının negatif terminaline, n tarafı ise pozitif terminaline bağlanır), pn eklemi çevresinde bir tükenme bölgesi oluşur. Bu bölge esasen iletken olmayan bir alandır.
- Varikap diyotundaki tükenme bölgesinin genişliği, uygulanan ters gerilimin büyüklüğüyle değişir. Ters gerilim arttıkça, tükenme bölgesi genişler ve diyotun etkin kapasitansını azaltır. Tersine, gerilim azaldıkça, tükenme bölgesi daralır ve kapasitans artar.
- Bir ayar devresinde, Varikap diyot genellikle bir LC (indüktör-kondansatör) rezonans devresinde sabit bir kondansatörle paralel bağlanır. Varikap diyot üzerindeki ters polarizasyon voltajı değiştirilerek, kapasitansı değişir ve bu da devrenin rezonans frekansını değiştirir.
- Gerilimle kapasitansın değiştirilebilmesi, hassas ve hızlı frekans ayarlamasına olanak tanır. Bu da Varikap diyotlarını, gerilim kontrollü osilatörler (VCO’lar), frekans sentezleyiciler ve çevik radyo sistemleri gibi uygulamalarda değerli bileşenler haline getirir.
Özetle, Varikap diyotun uygulanan voltajla kapasitansını değiştirebilme özelliği, onu ayar devrelerinde önemli bir bileşen haline getirir.