فاريكاب

📅 آخر تحديث: ١٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

الصمام الثنائي المتغير السعة ، أو الصمام الثنائي المتغير السعة ، أو الصمام الثنائي المتغير المفاعلة ، أو الصمام الثنائي المرن، هو نوع من الصمامات الثنائية المصممة لاستغلال السعة المعتمدة على الجهد لوصلة p-n المنحازة عكسيًا . [ 1 ]

التطبيقات

تُستخدم المكثفات المتغيرة الجهد (Varactors) كمكثفات يتم التحكم فيها بالجهد . وهي شائعة الاستخدام في المذبذبات التي يتم التحكم فيها بالجهد ، ومضخمات الإشارة البارامترية ، ومضاعفات التردد . [ 2 ] للمذبذبات التي يتم التحكم فيها بالجهد تطبيقات عديدة، مثل تعديل التردد لأجهزة إرسال FM وحلقات قفل الطور . تُستخدم حلقات قفل الطور في مُركِّبات التردد التي تُستخدم لضبط العديد من أجهزة الراديو والتلفزيون والهواتف المحمولة .

طُوِّر جهاز varicap بواسطة شركة Pacific Semiconductor التابعة لشركة Ramo Wooldridge Corporation، والتي حصلت على براءة اختراع للجهاز في يونيو 1961. [ 3 ] كما سُجِّل اسم الجهاز كعلامة تجارية باسم "Varicap" من قِبَل شركة TRW Semiconductors ، الشركة التي خلفت Pacific Semiconductors، في أكتوبر 1967. وهذا يُفسِّر اختلاف أسماء الجهاز عند استخدامه.

عملية

آلية عمل مكثف متغير السعة. الثقوب زرقاء، والإلكترونات حمراء، ومنطقة الاستنزاف بيضاء. الأقطاب الكهربائية في الأعلى والأسفل.

تعمل المكثفات المتغيرة السعة (Varactors) في حالة انحياز عكسي ، لذا لا يمر تيار مستمر عبرها. يتحكم مقدار الانحياز العكسي في سُمك منطقة الاستنزاف ، وبالتالي في سعة وصلة المكثف. تعتمد خاصية تغير السعة على توزيع الشوائب. عمومًا، في حالة توزيع الشوائب الحاد، يتناسب سُمك منطقة الاستنزاف طرديًا مع الجذر التربيعي للجهد المطبق، بينما تتناسب السعة عكسيًا مع سُمك منطقة الاستنزاف. وبالتالي، تتناسب السعة عكسيًا مع الجذر التربيعي للجهد المطبق. أما في حالة توزيع الشوائب شديد الحدة، فيكون تغير السعة غير خطي، ولكن المكثفات المتغيرة السعة شديدة الحدة تتميز بتغير أكبر في السعة، ويمكنها العمل بجهود أقل.

جميع الثنائيات تُظهر سعة الوصلة المتغيرة هذه، ولكن يتم تصنيع الثنائيات المتغيرة لاستغلال هذا التأثير وزيادة تباين السعة.

يوضح الشكل مثالاً لمقطع عرضي لمكثف متغير السعة (varactor) مع طبقة استنزاف مكونة من وصلة ap-n. يمكن أيضاً تصنيع طبقة الاستنزاف هذه من ثنائي MOS أو ثنائي شوتكي . وهذا أمر بالغ الأهمية في تقنيات CMOS و MMIC .

الاستخدام في الدائرة الكهربائية

دوائر الضبط

يتطلب استخدام ثنائي الفاريكاب في الدائرة الكهربائية عادةً توصيله بدائرة رنانة ، بالتوازي مع أي مكثف أو محاثة موجودة. [ 4 ] يُطبَّق جهد مستمر كجهد انحياز عكسي على ثنائي الفاريكاب لتغيير سعته. يجب منع جهد الانحياز المستمر من دخول الدائرة الرنانة. يمكن تحقيق ذلك بوضع مكثف حجب للتيار المستمر بسعة  أكبر بحوالي 100 مرة من السعة القصوى لثنائي الفاريكاب على التوالي معه، وتطبيق تيار مستمر من مصدر ذي مقاومة عالية على العقدة بين مهبط ثنائي الفاريكاب ومكثف الحجب، كما هو موضح في الدائرة العلوية اليسرى في الرسم التخطيطي المرفق.

أمثلة على الدوائر باستخدام مكثفات متغيرة السعة

بما أنه لا يمر تيار مستمر ذو قيمة كبيرة في المكثف المتغير السعة، فإن قيمة المقاومة التي تربط مهبطه بمقاومة جهد التحكم المستمر تتراوح بين 22  و150 كيلو أوم، بينما تتراوح قيمة مكثف الحجب بين 5 و 100 نانو  فاراد . في بعض الأحيان، مع دوائر الرنين ذات عامل الجودة العالي جدًا، يُوصل ملف حث على التوالي مع المقاومة لزيادة مقاومة مصدر جهد التحكم، وذلك لتجنب تحميل دائرة الرنين وتقليل عامل جودتها. 

يستخدم تكوين شائع آخر ثنائيين متغيري السعة موصولين على التوالي (مصعد إلى مصعد). (انظر الدائرة السفلية اليسرى في الرسم التخطيطي). يحل الثنائي المتغير السعة الثاني محل مكثف الحجب في الدائرة الأولى. هذا يقلل السعة الكلية ونطاق السعة إلى النصف، ولكنه يتميز بتقليل مُركبة التيار المتردد للجهد عبر كل جهاز، ويُحدث تشوهًا متناظرًا إذا كانت سعة مُركبة التيار المتردد كافية لتحيز الثنائيات المتغيرة السعة إلى التوصيل الأمامي.

عند تصميم دوائر الضبط باستخدام المكثفات المتغيرة، من الممارسات الجيدة عادةً الحفاظ على مكون التيار المتردد للجهد عبر المكثف المتغير عند مستوى أدنى، عادةً أقل من 100  مللي فولت من الذروة إلى الذروة، لمنع تغيير سعة الصمام الثنائي بشكل كبير، مما قد يشوه الإشارة ويضيف توافقيات.

تستخدم الدائرة الثالثة، في أعلى يمين الرسم التخطيطي، مكثفين متغيرين موصولين على التوالي، مع توصيلات أرضية منفصلة لإشارات التيار المستمر والتيار المتردد. يُشار إلى أرضية التيار المستمر برمز أرضي تقليدي، بينما تُمثل أرضية التيار المتردد بمثلث مفتوح. غالبًا ما يتم فصل الأرضيات لـ (أ) منع الإشعاع عالي التردد من عقدة الأرضية منخفضة التردد، و(ب) منع تيارات التيار المستمر في عقدة أرضية التيار المتردد من تغيير نقاط الانحياز والتشغيل للأجهزة النشطة مثل المكثفات المتغيرة والترانزستورات.

تُعدّ هذه التكوينات الدائرية شائعةً في أجهزة استقبال التلفزيون وأجهزة استقبال البث الإذاعي AM وFM ذات الضبط الإلكتروني، بالإضافة إلى معدات الاتصالات والمعدات الصناعية الأخرى. كانت ثنائيات الفاريكاب المبكرة تتطلب عادةً نطاق جهد عكسي يتراوح بين 0 و 33 فولت للحصول على نطاقات سعتها الكاملة، والتي كانت لا تزال صغيرة نسبيًا، حوالي 1 إلى 10 بيكوفاراد. وقد استُخدمت هذه الأنواع - ولا تزال - على نطاق واسع في أجهزة استقبال التلفزيون، حيث لا تتطلب ترددات الموجة الحاملة العالية سوى تغييرات طفيفة في السعة.

بمرور الوقت، تم تطوير ثنائيات الفاريكاب التي تتميز بنطاقات سعة واسعة تتراوح بين 100 و 500  بيكوفاراد، مع تغيرات طفيفة نسبيًا في الانحياز العكسي: من 0 إلى 5  فولت أو من 0 إلى 12  فولت. تتيح هذه الأجهزة الحديثة إمكانية تصنيع أجهزة استقبال بث AM مضبوطة إلكترونيًا، بالإضافة إلى العديد من الوظائف الأخرى التي تتطلب تغيرات كبيرة في السعة عند ترددات منخفضة، عادةً ما تقل عن 10  ميجاهرتز. تتطلب بعض تصميمات قارئات بطاقات الأمان الإلكترونية المستخدمة في منافذ البيع بالتجزئة استخدام ثنائيات الفاريكاب عالية السعة هذه في مذبذباتها التي يتم التحكم فيها بالجهد.

موالف تلفزيوني للسوق الأسترالية يدعم نطاقات I-III-U مع أغطية متغيرة
جهاز استقبال راديو AM/FM للمستهلكين مزود بمكثفات متغيرة

الأجهزة الثلاثة ذات الأطراف الموضحة أعلى الصفحة هي في الغالب عبارة عن مُكثّفين متغيرين (varicap) متصلين بكاثود مشترك في غلاف واحد. في جهاز استقبال AM/FM الاستهلاكي الموضح على اليمين، يقوم صمام ثنائي متغير السعة (varicap) ذو غلاف مزدوج بضبط كل من نطاق تمرير دائرة الرنين (محدد المحطة الرئيسي) والمذبذب المحلي باستخدام مُكثّف متغير واحد لكل منهما. تم ذلك لخفض التكاليف - كان من الممكن استخدام غلافين مزدوجين، أحدهما لدائرة الرنين والآخر للمذبذب، أي أربعة صمامات ثنائية إجمالاً، وهذا ما تم توضيحه في بيانات تطبيق شريحة راديو AM LA1851N. تم تمييز مُكثّفين متغيرين السعة (variactor) ذوي سعة أقل مستخدمين في قسم FM (الذي يعمل بتردد أعلى بحوالي مائة مرة) بواسطة أسهم حمراء. في هذه الحالة، يتم استخدام أربعة صمامات ثنائية، عبر غلاف مزدوج لدائرة الرنين/مرشح تمرير النطاق وغلاف مزدوج للمذبذب المحلي.

الضرب التوافقي

في بعض التطبيقات، مثل مضاعفة التوافقيات ، يُطبَّق جهد متناوب ذو سعة إشارة كبيرة على مكثف متغير السعة لتغيير السعة عمدًا بمعدل الإشارة لتوليد توافقيات أعلى، والتي تُستخلص من خلال الترشيح. إذا طُبِّق تيار موجة جيبية ذو سعة كافية عبر مكثف متغير السعة، فإن الجهد الناتج يتخذ شكلًا مثلثيًا، وتُولَّد توافقيات فردية.

كانت هذه إحدى الطرق المبكرة المستخدمة لتوليد ترددات الميكروويف ذات القدرة المتوسطة، من 1 إلى 2  جيجاهرتز بقدرة من 1 إلى 5 واط، انطلاقًا من قدرة تبلغ حوالي 20 واط عند تردد يتراوح بين 3 و 400  ميجاهرتز، وذلك قبل تطوير ترانزستورات مناسبة للعمل عند هذا التردد العالي. ولا تزال هذه التقنية تُستخدم لتوليد ترددات أعلى بكثير، في نطاق 100  جيجاهرتز إلى 1  تيراهيرتز، حيث لا تزال حتى أسرع ترانزستورات زرنيخيد الغاليوم غير كافية.

بدائل للثنائيات المتغيرة السعة

جميع أجهزة وصلات أشباه الموصلات تُظهر هذا التأثير، لذلك يمكن استخدامها كمكثفات متغيرة، ولكن لن يتم التحكم في خصائصها ويمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا بين الدفعات.

تشمل المكثفات المتغيرة الشائعة الصنع مصابيح LED، [ 5 ] وثنائيات التقويم من سلسلة 1N400X، [ 6 ] ومقومات شوتكي، وأنواع مختلفة من الترانزستورات المستخدمة مع انحياز عكسي لوصلات القاعدة-المجمع، [ 7 ] وخاصةً 2N2222 و BC547 . يُعد الانحياز العكسي لوصلات القاعدة-الباعث للترانزستورات فعالًا للغاية طالما بقي سعة التيار المتردد صغيرة. يتراوح جهد الانحياز العكسي الأقصى عادةً بين 5 و7 فولت، قبل بدء عملية الانهيار. تميل الأجهزة ذات التيار العالي ومساحة الوصلة الأكبر إلى امتلاك سعة أعلى. يُظهر كل من الصمام الثنائي المتغير السعة Philips BA  102 والصمام الثنائي زينر الشائع 1N5408 تغييرات مماثلة في سعة الوصلة، باستثناء أن الصمام الثنائي BA  102 يمتلك مجموعة محددة من الخصائص فيما يتعلق بسعة الوصلة (بينما لا يمتلكها الصمام الثنائي 1N5408) وأن قيمة "Q" للصمام الثنائي 1N5408 أقل.

قبل تطوير المكثف المتغير، كانت المكثفات المتغيرة التي تعمل بمحرك أو المفاعلات ذات القلب المشبع تستخدم كمفاعلات قابلة للتحكم كهربائياً في مذبذبات التحكم بالجهد ومرشحات المعدات مثل محللات الطيف  الألمانية في الحرب العالمية الثانية .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سيدرا، عادل ؛ سميث، كينيث (2010). الدوائر الإلكترونية الدقيقة (  الطبعة السادسة). نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد . ص  214. ISBN 9780195323030.
  2. ↑ كالفيرت، جيمس (15 فبراير 2002). "المتغيرات السعة" . الصفحة الرئيسية للدكتور تاتل . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يناير 2017 .
  3. ↑ US 2989671 ، بارنز، سانفورد هـ. ومان ، جون إي.، "مكثف أشباه الموصلات الحساس للجهد"، نُشر في 23 مايو 1958، وصدر في 20 يونيو 1961، وتم تخصيصه لشركة Pacific Semiconductors, Inc. 
  4. ↑ دوائر الفاركتور http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/varactor-varicap-diodes/circuits.php
  5. ↑ المصابيح مثل Varicaps http://www.hanssummers.com/varicap/varicapled.html
  6. ↑ ثنائيات التقويم كثنائيات متغيرة السعة http://www.hanssummers.com/varicap/varicapdiode.html
  7. ↑ جون لينسلي هود (1993). فن الإلكترونيات الخطية . إلسيفير. ص 210. ISBN  978-1-4831-0516-1.

للمزيد من القراءة

  • مورتنسون، كينيث إي. (1974). ثنائيات السعة المتغيرة: تشغيل وخصائص ثنائيات الفاركتور، وتخزين الشحنة، وثنائيات PIN لتطبيقات الترددات الراديوية والميكروويف . ديدهام، ماساتشوستس: دار أرتيك هاوس.
  • بينفيلد، بول ورافوس، روبرت ب. (1962). تطبيقات المتغيرات. كامبريدج، مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.