Не знаю как для вас, но для меня, с того самого первого момента, когда я стал интересоваться электроникой, существовала одна, скажем так, «загадочная» :-) сущность, разобраться в сути которой мне всегда было интересно — конденсаторы переменной ёмкости!
Хотя бы даже по той простой причине, что в те далекие (почти уже былинные) времена, когда у меня впервые начали возникать вопросы подобного рода, переменные конденсаторы достать было весьма проблемно (для собственных экспериментов; несмотря на то, что они повсеместно присутствовали в «музыкальных центрах» (радиоприёмник + проигрыватель пластинок) прошлого — «радиола»-х).
Да и, кроме того, в обыденной практике подобные конденсаторы не часто встречаются (как потребные для самоделок), что, опять же, уменьшает количество поводов с ними «пообщаться поплотнее» (хотя, если память мне не изменяет, их частенько предлагалось использовать в составе схем самодельных металлоискателей — будучи школьником я как раз пытался собрать нечто подобное, но отказался из-за отсутствия подобного конденсатора под рукой).
Ну и в целом, как выясняется, переменные конденсаторы как класс представляют собой очень интересный объект для рассмотрения, чем мы сегодня и займёмся!
…Начиная с момента* открытия конденсатора, которое (предположительно) произошло в 1745 году, когда он был открыт голландским учёным Питером Ван Мушенбруком, человечество получило возможность впервые в истории целенаправленно накапливать и использовать электричество, что, в свою очередь, ускорило ход истории в этой области — и первый конденсатор получил название «Лейденской банки», так как, собственно, это и была банка — оклеенная снаружи и внутри фольгой и имеющая центральный изолированный электрод (изолированный с помощью прохождения через токонепроводящую крышку банки), соединённый с фольгой, наклеенной на внутреннюю поверхность банки:
*Хотя со статическим электрическом человечество было знакомо намного раньше и задолго до Лейденской банки наблюдательные люди отмечали «намагничивание» мелких волосков и пуха.
Лейденская банка позволяла накапливать статический заряд, полученный, например, с помощью натирания некоего предмета шерстью, с последующим касанием центрального электрода.
В дальнейшем, учёные стали экспериментировать и с соединением подобных банок в различные схемы:
И даже с использованием их в генераторах разного рода, для осуществления зарядки, механическим быстрым способом, например, с применением «электрофорных машин» (и не только):
Современные реализации которых (по тем же самым конструкциям) впечатляют своим эффектом и по сей день (например, ниже показан вариант безсекторного генератора, разработки (1893 г.) французского изобретателя Бонетти, который мог выдавать гораздо более мощные и длинные разряды, чем стандартная электрофорная машина разработки Вимшурста(Уимсхёрста)):
Кстати, если кому интересно, то я тут нашёл совершенно безумный и разнообразный обзор исключительно электрофорных машин, причём, собранных уже в относительно позднее время (в 1990-е годы, с фотографиями и описаниями).
На мой взгляд, это совершенно потрясающе и познавательно — так что, рекомендую.
В дальнейшем, развитие конденсаторов и их теории привело ко множеству последствий, где, пожалуй, самым любимым из всех, у меня является использование принципа конденсатора для создания роботов, «прилипающих» к вертикальным поверхностям, например, стенам — обычно они выполняются с гусеничным приводом, где экспериментальные хобби- и лабораторные образцы исполнения гусениц представляют собой обычную кулинарную фольгу, покрытую прозрачным скотчем с одной стороны — обращённой к стене.
Таким образом, если теперь подать на подобную гусеницу высокое напряжение — возникнет принцип конденсатора, то есть, перераспределение зарядов противоположного знака на поверхности стены, в результате чего, появится довольно существенная сила, притягивающая гусеницу к стене и, соответственно, удерживающая робота:
Однако это было некоторое отступление, так как в рамках нашего рассмотрения нам интереснее другое — XIX век явился временем, когда активно начала развиваться радиосвязь, появилась теория колебательного контура:
Где стало понятно, что в рамках колебательного контура можно менять для достижения резонанса (т.е. подстройки на нужную частоту) либо параметры катушки, либо параметры конденсатора — и, на практике оказалось, что менять параметры конденсатора гораздо проще и легче — и эта новая возможность стартует с момента разработки (1892 г.) венгерским изобретателем Дежо Корда (Dezső Korda), так называемого «воздушного переменного конденсатора», представляющего собой два блока пластин, где один из них был установлен стационарно, а другой мог поворачиваться относительно первого, а все пластины были расположены на маленьком расстоянии друг от друга, параллельно:
Ёмкость подобного конденсатора в типичном случае изменялась от единиц до сотен пикофарад, где:
выдвигание пластин уменьшало ёмкость (ниже — 29 пФ):
А вдвигание, соответственно, — увеличивало (ниже — 520 пФ):
Однако, глядя на этот конденсатор становится очевидна и его, пожалуй, основная отрицательная сторона — крайне большие габариты!* Кроме того, подстройка такого конденсатора может производиться только либо вручную, либо, установкой некоего механического «вращателя» — электродвигателя какого-либо типа.
*Тут надо только оговориться, что конденсаторы подобного рода не обязательно должны быть выполнены в каноническом виде, показанном на фотографии выше — они могли быть выполнены и гораздо более компактными, керамическими, что, тем не менее не отменяло их сути — потребность в механическом вращении и относительно большие габариты:
Кстати говоря, именно показанные выше относительно маленькие конденсаторы и предлагалось использовать (если память не изменяет) в одной из советских книг, где описывалась схема простого металлоискателя, которую я упоминал выше.
Понятно, что долго так продолжаться не могло, и, примерно в 1960-е годы, в связи с тенденцией ко всё более масштабному переходу на полупроводниковые компоненты, изменения затронули и конденсаторы подобного рода — они (в подавляющем большинстве применений) были заменены на полупроводниковый, более современный аналог рассмотренных механических переменных конденсаторов, получивший название «варикап»-ы (от англ. VARIable CAPacitance — переменная ёмкость).
До объяснения принципа работы варикапа, следует сказать, что, когда я разбирался с этой темой, мне пришлось ознакомиться с рядом книг (они приведены ниже после статьи), где, как правило, очень наукообразным и тяжелым языком описано, как это всё работает… Тем не менее, как мне кажется, я уловил самую суть, «старательно запрятанную» :-) за наукообразными формулировками! Итак…
Если мы обратимся к классическому объяснению электронно-дырочной проводимости в твёрдых телах, то мы узнаем, что бывают такие тела, которые могут содержать относительный избыток свободных носителей заряда — электронов (обозначаются такие тела обычно буквой n-negative), где в противовес им, существуют иные тела, которые могут содержать избыток атомов (обозначаются такие тела обычно буквой p-positive), потерявших электрон, где такое место называется «дыркой» (ниже картинка просто как пример):
Теперь, если эти два тела плотно соединить друг с другом, например, с помощью вплавления одного в другого, вакуумного напыления и т.д. — то между ними начнётся диффузный ток, то есть, электроны из близлежащей к зоне контакта области начнут перетекать в ту сторону, где наличествует их недостаток — то есть, там есть много дырок.
В результате, после прохождения подобного диффузного тока, образуется специфическая зона (p-n переход), где в позитивной области (p) — самый край в зоне контакта будет заряжен отрицательно, и, в противовес ему, в негативной области (n) — зона контакта будет заряжена положительно из-за утери электронов:
Другими словами, — в зоне контакта образуется классический двойной электрический слой (плюс/минус — т.е. конденсатор!)
А теперь, самое интересное: по сути своей, варикап представляет собой обычный диод (ну почти), который свободно пропустит постоянный ток, если если его пропускать в прямом направлении (минус подключить к зоне n, плюс подключить к зоне p).
Но всё кардинально меняется, если разность потенциалов на варикап подать «шиворот навыворот» (как говорят, в обратном направлении) — минус подключить к зоне p, плюс подключить к зоне n: он не будет пропускать ток (естественно), но, произойдёт очень интересная вещь — чем большую разность потенциалов мы приложим — тем сильнее каждую часть двойного электрического слоя начнёт притягивать в свою сторону: зону дырок — к отрицательному потенциалу, а зону электронов — к положительному потенциалу, соответственно, будет падать и объём конденсатора!
Справедливо и обратное — чем меньшая величина разности потенциалов приложена извне, тем больше будет увеличиваться объём конденсатора, вплоть до максимально возможного, так как концентрация элементов на стыке (в зоне двойного электрического слоя) увеличится.
Собственно, эта мысль и изложена на картинке ниже из литературы, где они, насколько я понимаю, пошли ещё глубже — показали, что из-за растягивания p-n зоны перехода вглубь своих объектов — происходит как бы падение концентрации (падает ёмкость) в зоне стыка, что и показано на картинках ниже!*
*Насколько я понимаю, это очень тонкий момент и об этом обычно в книгах вообще не говорят, но, это вполне логично и, к тому же, хорошо показано на картинках ниже, как разные толщины двойного электрического слоя (на картинках 3а и 4а):
При этом, подобное увеличение разницы потенциалов не может быть бесконечным — при определённом его значении происходит пробой, поэтому, различают рабочее напряжение и пробойное, отличающиеся для разных конкретных типов варикапов…
Таблица ниже даёт некоторое ориентировочное понимание, какие ёмкости могут быть достигнуты с помощью каких напряжений на имевшихся в прошлом варикапах (данные довольно старенькие, и их можно рассматривать только для общего ознакомления, так как сейчас, наверняка есть и более современные варианты):
Варикапы можно применять для множества целей, где управляющие схемы на них обладают очень большим сопротивлением (читай «потребляют исчезающе малое количество тока для управления» — что может быть важным для автоматики разного рода, так как при прикладывании обратного смещения к варикапу, ток практически не течёт), могут работать на очень больших частотах вплоть до ГГц, и на них может быть собрано довольно большое количество схем — от ёмкостных усилителей, до настраиваемых колебательных контуров и не только — где довольно большое количество схем можно найти, например, в книге А.Г.Черкашина — «Элементы автоматики на варикапах».
Использованная литература (в том числе):
Л.С.Берман — «Варикапы»;
А.Г.Черкашина — «Элементы автоматики на варикапах».
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
