Os Varicaps (ART2254)

Diodos de sintonia, diodos de capacitância variável, Varicaps ou qualquer que sejam os nomes dados a estes componentes, sua aplicação na eletrônica torna-se cada vez mais importante. Com a possibilidade de se substituir o pesado e caro capacitor variável por um semicondutor que pode ser controlado diretamente a partir de 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 e até circuitos em que eles são usados.

Obs. Este artigo é de 1989. No site o leitor poderá encontrar outros artigos abordando o mesmo tema.

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

 

Figura 1 – O circuito LC
Figura 1 – O circuito LC

 

A frequência do sinal que pode ser sintonizado por este circuito, ou seja, a frequência de ressonância é dada pelos valores 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 preferido apenas para os casos em que se deseja uma mudança numa margem 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 de transformadores de FI, bobinas osciladoras etc. (figura 2).

 

  Figura 2 – Sintonia pelo núcleo da bobina
Figura 2 – Sintonia pelo núcleo da bobina

 

No caso do capacitor, podemos ter duas saídas: variações pequenas conseguidas com os trimmers ou então com variáveis de pequena capacitância, nos circuitos de altas frequências, ou então variáveis de muitas placas, no caso de variações maiores (figura 3).

 

   Figura 3 – trimmers e capacitores variáveis
Figura 3 – trimmers e capacitores variáveis

 

Nestes componentes a variação da capacitância tanto pode ser obtida pelo afastamento ou aproximação das placas (armaduras) como pela sua interpenetração.

Na figura 4 mostramos que num variável comum, com as armaduras móveis todas abertas, temos uma superfície de defrontação (efetiva) menor, portanto menor capacitância.

 

   Figura 4 – Variação da capacitância
Figura 4 – Variação da capacitância

 

Com as placas todas interpenetradas, temos uma superfície efetiva maior e a capacitância é máxima

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

Com a utilização de dispositivos semicondutores em circuitos ressonantes uma possibilidade diferente 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 e não ocorre, em escala apreciável, o fenômeno da recombinação responsável pela condução, não há corrente entre o anodo e o catodo do diodo.

 

Figura 5 – Polarizando um diodo no sentido inverso
Figura 5 – Polarizando um diodo no sentido inverso

 

Os portadores de carga acumulados no material e separados por uma região isolante correspondem a uma estrutura muito semelhante de um capacitor comum: o local onde existem cargas acumuladas corresponde às armaduras do capacitor e a região em que não há condução em torno da junção corresponde ao dielétrico

Num capacitor comum, a capacitância obtida depende de 3 fatores:

a) tamanho das armaduras, ou seja, da 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 dependerá então do tamanho do material semicondutor (armaduras), da separação entre as regiões em que as cargas se acumulam e da constante dielétrica do material semicondutor usado (silício) como mostra a figura 6.

 

Figura 6 – A capacitância de um capacitor
Figura 6 – A capacitância de um capacitor

 

Num capacitor comum todos estes fatores são fixos e num capacitor variável podemos alterar a distância ou a superfície efetiva.

Num diodo, entretanto, existe um fator que pode ser alterado a partir do 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 cargas que possuem mobilidade 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), os portadores de carga das armaduras atraem-se e só se recombinam porque existe uma barreira de potencial na junção.

Sua distância é então mínima e a capacitância apresentada pelo componente é máxima (figura 7).

 

 Figura 7 – Alterando a capacitância
Figura 7 – Alterando a capacitância

 

Aplicando uma tensão no sentido inverso, à medida que esta tensão aumenta, e com isso ela vai afastando as “armaduras“ ou portadores de carga de uma região em relação aos da outra, o que faz com que a capacitância vá diminuindo gradualmente.

A máxima tensão que o diodo admite no sentido inverso determina a menor capacitância que podemos conseguir (figura 8).

 

   Figura 8 – Curva de atuação do diodo
Figura 8 – Curva de atuação do diodo

 

Os diodos comuns não são apropriados para utilização num circuito de sintonia, porque sua faixa de variação de capacitância não é das maiores e, além disso, existem os problemas relacionados com a operação em frequências elevadas.

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, podem ser ressaltadas.

Na figura 9 temos so símbolos adotados para representar um Varicap.

 

   Figura 9 – Símbolos do varicap
Figura 9 – Símbolos do varicap

 

Comercialmente encontramos tipos que podem ter desde faixas de capacitâncias relativamente pequenas, para operação em FM, até diodos que atingem 500 pF ou mais de capacitância máxima, podendo ser usados em rádios de AM e em osciladores de frequências mais baixas.

O importante nestes diodos é a relação que existe entre a capacitância máxima e mínima, que determina a largura da faixa de sintonia.

Diodos com faixas semelhantes à de capacitores variáveis comuns permitem sua substituição sem muitos problemas no projeto de receptores tanto de AM como de FM.

A Philips Componentes (Agora NXP) possui uma ampla linha de Varicaps, que podem ser usados em circuitos de AM, FM, VHF, UHF e TV.

Na tabela abaixo damos as características de diodos de sintonia da Philips.

 


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

Além disso, temos a faixa de capacitâncias obtida (Cd1/Cd2) sob determinada combinação de operação.

Esta faixa é dada pela relação que existe entre a capacitância máxima e a capacitância mínima, quando a tensão inversa varia entre dois valores determinados.

Para o BB112, por exemplo, temos que a capacitância máxima é 18 vezes maior que a capacitância mínima, quando a tensão varia de 1 a 9 Volts.

Os invólucros destes diodos são dados na figura 10.

 

   Figura 10 - Invólucros
Figura 10 - Invólucros

 

 

APLICAÇÕES

A utilização de um Varicap num circuito de sintonia não é imediata.

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 a corrente contínua, não basta fazer a ligação imediata, como mostra a figura 11.

 

Figura 11 – O diodo não substituí diretamente um capacitor
Figura 11 – O diodo não substituí diretamente um capacitor

 

A tensão aplicada ao diodo, neste caso, seria curto-circuitada pela bobina, não havendo possibilidade de funcionamento.

O circuito básico para operação do varicap é mostrado na figura 12.

 

   Figura 12 – Circuito de utilização do varicap
Figura 12 – Circuito de utilização do varicap

 

Um capacitor 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 às capacitâncias do varicap para que não influa na faixa de sintonia (C1 > >CV).

Num circuito de sintonia convencional, a tensão aplicada ao diodo pode vir de um potenciômetro comum, que então substitui o variável na determinação da estação que se deseja captar.

No entanto, qualquer fonte de tensão pode ser usada para fazer a sintonia.

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

 

   Figura 13 – Aplicação num seletor de TV
Figura 13 – Aplicação num seletor de TV

 

Cada integrado possui um trimpot de ajuste que fixa o nível de tensão ser aplicado no Varicap para que se sintonize a estação correspondente.

Este mesmo tipo de Circuito pode ser usado num oscilador, em que as frequências produzidas sejam pré-ajuste das nos trimpots, ou ainda num rádio em que se possa fazer a pré-seleção das estações que serão escolhidas por controle remoto ou toque.

Na figura 14 temos um oscilador experimental que você pode usar para ajustar receptores de FM.

 

   Figura 14 – oscilador experimental
Figura 14 – oscilador experimental

 

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

 

MODULAÇÃO

Uma aplicação importante dos varicaps é na modulação de um sinal e frequência, conforme sugere o circuito da figura 15.

 

   Figura 15 – Circuito modulador
Figura 15 – Circuito modulador

 

 

Neste circuito, um sinal de áudio aplicado num Varicap de modo que sua capacitância varie no mesmo ritmo que a amplitude do sinal.

O resultado final é um deslocamento da frequência do circuito sintonizado que segue o sinal de áudio, ou seja, uma modulação em frequência.

A amplitude do sinal de áudio, que pode ser ajustada por um trimpot, por exemplo, determina a profundidade de modulação (figura 16).

 

   Figura 16 – Ajustando a modulação
Figura 16 – Ajustando a modulação

 

Um circuito deste tipo pode ser usado na modulação em frequência de um pequeno transmissor, conforme mostra a figura 17.

 

  Figura 17 – Transmissor modulado por varicap
Figura 17 – Transmissor modulado por varicap

 

A frequência de operação fundamental é dada pela bobina L1 e pelo trimmer CV, ajustados para um ponto livre da faixa de FM entre 88 e 108 MHz.

Em função do sinal vindo do microfone, o varicap muda sua capacitância e altera a frequência da operação do circuito com um certo nível de modulação. Este nível pode ser ajustado no trimpot de maneira sensível para o máximo rendimento do discriminador do receptor, sem haver distorção devido à sobremoduiação.

O alcance do transmissor está entre 50 e 100 metros.

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

Podemos então usar o aparelho como um bom microfone volante.

 

BB909A/BB909B

Estes são diodos de Capacitância variável da Philips Componentes utilizados em sintonizadores de TV em VHF,além de outras aplicações (figura 18).

 

   Figura 18 – Os diodos BB809
Figura 18 – Os diodos BB809

 

Na figura 19 temos algumas curvas destes diodos.

 

   Figura 19 – Curvas dos varicaps
Figura 19 – Curvas dos varicaps

 

 

Ref.: Manual de componentes – Philips Componentes - I988.

 

 


Opinião

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