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Varicaps (ART126)

Diodos de sintonia, diodos de capacitância variável, varicaps ou qualquer que seja o nome dado a este componente, sua aplicação em eletrônica é extremamente importante nos nossos dias. Com a possibilidade de se substituir o pesado e caro capacitor variável por um dispositivo semicondutor que pode ser controlado diretamente por circuitos externos, a sintonia de receptores, transmissores e osciladores torna-se muito mais simples. Neste artigo, veremos, de maneira bastante didática, como funcionam os Varicaps, mostrando alguns tipos comerciais de exemplo e até os circuitos em que eles são usados.

 

Os circuitos de sintonia da maioria dos receptores são formados por uma configuração tradicional em que uma bobina é ligada em paralelo com um capacitor, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1

 

A frequência do sinal que pode ser sintonizado por este circuito, ou seja, a frequência de ressonância é dada pelos calores da indutância da bobina e pela capacitância do capacitor, segundo a seguinte fórmula:

 

 

Para que possamos variar a frequência de sintonia de um circuito deste tipo existem duas possibilidades: utilizar uma bobina ou indutor variável ou então um capacitor variável.

A indutância de uma bobina pode ser variada numa certa faixa de valores pelo deslocamento do núcleo no seu interior, mas este não é um processo muito prático, sendo utilizado apenas nos casos em que se deseja uma mudança numa margem muito estreita de frequências.

A sintonia pelo ajuste do núcleo é mais usada nos casos em que se necessita de um ajuste único da frequência de ressonância, como por exemplo em transformadores de FI, bobinas osciladoras, etc.

Para essas bobinas temos um exemplo dado na figura 2.

 

Figura 2

 

No caso do capacitor, podemos ter duas saídas: variações pequenas conseguidas com "trimers" ou "padders" ou variáveis de pequenos valores de capacitância ou ainda grandes variações com variáveis de maior capacitância, conforme mostrado na figura 3.

 

Figura 3

 

Nesses componentes, a variação da capacitância tanto pode ser obtida pelo afastamento ou aproximação das placas (armaduras) como pela sua movimentação paralela, interpenetrando conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4

 

Nesta figura temos um variável comum com as armaduras móveis todas abertas, caso em que temos uma superfície de defrontação pequena (efetiva) o que significa a posição de menor capacitância e depois as armaduras móveis todas fechadas, caso em que temos a defrontação máxima e portanto máxima capacitância.

Observe que, em todos os casos, a mudança da frequência é feita por ação mecânica: giramos um núcleo, um parafuso ou ainda um eixo de controle.

Com a utilização de dispositivos semicondutores em circuitos ressonantes uma nova gama de possibilidades do controle de frequências é aberta.

 

 

OS VARICAPS

Quando polarizamos um diodo comum no sentido inverso, conforme mostra a figura 5, os portadores de carga se afastam da junção, diminuindo a intensidade do fenômeno da recombinação pela condução, responsável pela condução do componente: não há corrente entre o anodo e o catodo e a região da junção aumenta de espessura.

 

Figura 5

 

Os portadores de carga acumulados no material e separados por uma região isolante correspondem a uma estrutura muito semelhante a de um capacitor comum: o local onde ficam as cargas acumuladas corresponde às armaduras do capacitor e a região em que não temos a condução, em torno da junção corresponde ao dielétrico. Num capacitor comum, a capacitância obtida depende de 3 fatores:

 

a) tamanho das armaduras, ou seja, sua superfície efetiva.

b) distância de separação entre as armaduras

c) material de que é feito o dielétrico (constante dielétrica).

 

Num diodo polarizado no sentido inverso a capacitância apresentada vai depender então do tamanho do material semicondutor usado (armaduras), da separação entre as regiões em que as cargas se acumulam e da constante dielétrica do material semicondutor usado (silício), conforme mostra a figura 6.

 

Figura 6

 

Nos capacitores comuns, todos esses fatores são fixos e num capacitor variável podemos alterar a distância de separação entre as armaduras ou ainda sua superfície efetiva.

Num diodo, entretanto, existe um fator que pode ser alterado a partir de uma ação exterior que é a distância entre as armaduras.

Como, na realidade, as armaduras deste capacitor "fictício" que existem no diodo são formadas por portadores de carga que podem se mover no interior do material, podemos afastá-las ou aproximá-las pela ação de um campo elétrico, ou seja, pela aplicação de uma tensão externa.

Se o diodo estiver desligado (tensão nula entre o anodo e o catodo), os portadores de cargas das armaduras atraem-se e só se não se recombinam totalmente porque existe uma barreira de potencial na junção.

Sua distância é então mínima e a capacitância apresentada pelo componente é máxima, conforme indicado na figura 7.

 

Figura 7

 

Aplicando uma tensão no sentido inverso, à medida que seu valor aumenta, vai ocorrendo uma separação gradual das "armaduras" ou portadores de carga, o que faz com que a capacitância do dispositivo também diminua de valor.

A máxima tensão que o diodo admite no sentido inverso determina a menor capacitância que podemos conseguir do diodo, conforme mostra o gráfico típico de um diodo na figura 8.

 

Figura 8

 

Os diodos comuns não são apropriados para a utilização num circuito ressonante, porque sua faixa de variação de capacitâncias não é muito grande e, além disso, podem ocorrer problemas de resposta na operação em frequências muito altas.

No entanto, utilizando técnicas especiais, podem ser construídos diodos cujas características que importam neste caso, ou seja, a capacitância entre as regiões semicondutoras e a resposta à frequências elevadas, sejam ressaltas o que dá origem a uma família importante de componentes: os varicaps. Na figura 9 temos os símbolos adotados para representar os varicaps.

 

Figura 9

 

Comercialmente, encontramos tipos que podem ter faixas de capacitâncias que vão desde valores relativamente pequenos para a operação em FM, VHF e UHF, até diodos de capacitâncias elevadas na condição de ausência de tensão para operação em circuitos de baixas frequências como por exemplo na sintonia de receptores AM.

O importante nestes diodos é a relação que existe entre a capacitância máxima e mínima, pois esta relação vai determinar a largura da faixa que ele pode sintonizar quando usado num circuito de sintonia.

Diodos com faixas semelhantes aos capacitores variáveis comuns permitem que a substituição seja quase que direta, tanto no projeto de receptores de AM como FM.

A Philips Components possui uma ampla linha de varicaps que podem ser encontrados em rádios, televisores, walkmans e muitos outros aparelhos comerciais. Na tabela abaixo damos as características de alguns diodos de sintonia ou varicaps fabricados pela Philips Components.

 

A Zetex também possui diversos diodos varicaps.

Observe que as características dadas referem-se à tensão no sentido inverso (Vr) e à capacitância mínima que é obtida com a tensão mais baixa, normalmente entre 0,5 e 4 volts.

Além disso, temos a faixa de capacitâncias que podem ser obtidas dada pela relação entre o valor máximo e o valor mínimo dessa grandeza sob determinação condição de operação.

Para o BB112, por exemplo, observamos que a capacitância máxima é 18 vezes maior que a capacitância mínima, quando a tensão aplicada varia entre 1 e 9 volts. Os invólucros destes diodos são mostrados na figura 10.

 

Figura 10

 

 

APLICAÇÕES

A utilização de um varicap num circuito de sintonia não é feita simplesmente pela sua colocação no lugar do variável.

Levando-se em conta que o diodo precisa ser polarizado com uma certa tensão e que a bobina que forma o circuito ressonante consiste num percurso de baixa resistência para correntes contínuas ou curto-circuito, não basta usar o diodo como mostra a figura 11.

 

Figura 11

 

A tensão aplicada no diodo, neste caso, seria curto - circuitada pela bobina, não havendo possibilidade de funcionamento.

O circuito para a utilização prática de um varicap deve ser o mostrado na figura 12.

 

Figura 12

 

Um capacitor fixo é ligado em série com o diodo, para evitar o desvio da corrente através da bobina. Este capacitor deve ter um valor suficientemente elevado em relação à faixa de capacitâncias do varicap para não influir na sua faixa de sintonia. O capacitor usado tipicamente é pelo menos 10 vezes maior que a capacitância máxima do varicap que vai ser usado no circuito.

Num circuito de sintonia convencional, a tensão aplicada ao diodo pode vir de um potenciômetro comum ou trimpot que então substitui o capacitor variável na escolha da estação que se deseja sintonizar. No entanto, qualquer fonte de tensão pode ser usada para fazer a sintonia deste circuito.

Na figura 13 temos um circuito de sintonia de TV em que os canais são selecionados a partir de controles digitais que ativam as saídas de um circuito integrado.

 

Figura 13

 

Cada saída do circuito integrado possui um trimpot de ajuste que fixa o nível de tensão a ser aplicado no varicap e portanto qual é a frequência da estação que deve ser sintonizada.

Este mesmo tipo de circuito pode ser usado num oscilador em que as frequências sejam pré-ajustadas ou ainda num rádio em que se possa fazer a pré-seleção das estações que serão escolhidas por toques em sensores ou por um controle remoto.

Na figura 14 temos um oscilador experimental que pode ser usado para ajustar receptores de FM ou mesmo como um transmissor experimental com o microfone de eletreto aplicando o sinal à base do transistor.

 

Figura 14

 

Neste circuito, através de um potenciômetro, variamos a tensão aplicada a um varicap e com isso a frequência do sinal produzido.

 

 

MODULAÇÃO

Uma aplicação importante dos varicaps é na modulação de um sinal de RF em freqüência, obtendo-se assim um sinal de FM, conforme sugere o circuito da figura 15.

 

Figura 15

 

Neste circuito, um sinal de áudio é aplicado a um varicap de modo que sua capacitância varie no mesmo ritmo que o sinal de baixa freqüência.

O resultado obtido é um deslocamento da frequência do circuito sintonizado que passa a seguir a frequência do sinal de áudio, ou seja, há uma modulação em freqüência.

A amplitude do sinal de áudio pode ser ajustada por um trimpot, obtendo-se assim um ajuste da profundidade de modulação, conforme mostra a figura 16.

 

Figura 16

 

 

Um circuito deste tipo pode ser usado na modulação em freqüência de um pequeno transmissor experimental para a faixa de FM entre 88 e 108 MHz, conforme diagrama mostrado na figura 17.

 

Figura 17

 

A freqüência de operação deste circuito (fundamental) é dada por L1 e pelo ajuste de CV. O ajuste de CV deve ser feito para que o transmissor opera num ponto livre da faixa de FM entre 88 e 108 MHz.

Em função do sinal vindo do microfone, o varicap muda sua capacitância e com isso altera a frequência de operação do circuito proporcionando um certo nível de modulação.

Este nível pode ser ajustado no trimpot de maneira sensível para se obter o máximo rendimento do discriminador do receptor, sem haver distorção do som, devida a sobremodulação. O alcance do transmissor está na faixa de 50 a 100 metros, dependendo das condições locais de propagação.

O acoplamento da antena numa tomada obtida experimentalmente permite que se consiga uma boa estabilidade de funcionamento.

Podemos usar este transmissor como um bom microfone volante.

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