가변 축전기

가변 축전기(variable capacitor)는 기계적 또는 전자적으로 정전 용량을 의도적으로 반복해서 변경할 수 있는 축전기이다. 가변 축전기는 종종 L/C 회로에서 공진 주파수를 설정하는 데 사용된다. 예를 들어 라디오를 튜닝하거나(따라서 때때로 튜닝 축전기 또는 튜닝 콘덴서라고 불린다), 안테나 튜너의 임피던스 매칭을 위한 가변 반응저항으로 사용된다.

로터리 가변 축전기

로터리 가변 축전기: 여러 회전자 위치.

기계적으로 제어되는 정전 용량

로터리 가변 축전기의 원리

기계적으로 제어되는 가변 축전기에서는 플레이트 사이의 거리 또는 겹치는 플레이트 표면적의 양을 변경할 수 있다.

가장 일반적인 형태는 반원형 금속 플레이트 그룹을 회전축("회전자")에 배치하여 일련의 고정 플레이트("고정자") 사이의 간격에 위치시켜 축을 회전시켜 겹치는 영역을 변경할 수 있도록 한다. 공기 또는 플라스틱 호일이 유전체 재료로 사용될 수 있다. 회전 플레이트의 모양을 선택함으로써 선형 주파수 스케일을 얻는 등 용량 대 각도의 다양한 기능을 만들 수 있다. 더 미세한 튜닝 제어를 위해 종종 다양한 형태의 감속 톱니바퀴 메커니즘이 사용된다. 즉, 용량의 변화를 더 큰 각도, 종종 여러 바퀴에 걸쳐 분산시킨다. 최대 용량은 플레이트가 서로 "메쉬"(inter-laced)될 때 달성된다. 최소 용량은 플레이트가 "분리"(un-meshed)될 때 달성된다.

• 회전 축전기의 정전 용량 측정
• 
  C_min = 29 pF
• 
  C = 269 pF
• 
  C_max = 520 pF

진공 가변 축전기는 동심원 실린더로 만들어진 플레이트 세트를 사용하여 반대쪽 실린더 세트(슬리브 및 플런저) 안팎으로 밀어 넣을 수 있다. 이 플레이트들은 유리 또는 세라믹과 같은 비전도성 봉투 내부에 밀봉되고 높은 진공 상태에 놓인다. 움직이는 부분(플런저)은 진공을 밀봉하고 유지하는 유연한 금속 멤브레인에 장착된다. 나사 축이 플런저에 부착되어 축을 돌리면 플런저가 슬리브 안팎으로 움직이며 축전기의 값이 변한다. 진공은 축전기의 작동 전압과 전류 처리 용량을 증가시킬 뿐만 아니라 플레이트 사이의 아크 발생 가능성을 크게 줄인다. 진공 가변 축전기의 가장 일반적인 용도는 방송, 군대 및 아마추어 무선에 사용되는 것과 같은 고출력 송신기와 고출력 RF 튜닝 네트워크에 있다. 진공 가변 축전기는 더 편리할 수도 있다. 요소가 진공 상태에 있기 때문에 작동 전압이 동일한 크기의 공기 가변 축전기보다 높을 수 있어 진공 축전기의 크기를 줄일 수 있다.

매우 저렴한 가변 축전기는 나사를 사용하여 가변적으로 압축되는 겹겹이 쌓인 알루미늄 및 플라스틱 호일로 구성된다. 이러한 이른바 스퀴저(squeezer)는 안정적이고 재현 가능한 정전 용량을 제공할 수 없다. 플레이트 겹침 영역을 변경하기 위해 한 세트의 플레이트를 선형으로 움직일 수 있는 이 구조의 변형도 사용되며 슬라이더라고 불릴 수 있다. 이는 임시 또는 자가 제작에 실용적인 이점이 있으며, 공진 루프 안테나 또는 크리스탈 라디오에서 발견될 수 있다.

드라이버로 작동하는 작은 가변 축전기(예를 들어, 공장에서 공진 주파수를 정확하게 설정하고 다시는 조정하지 않는 경우)는 트리머 축전기라고 불린다. 공기 및 플라스틱 외에도 트리머는 운모와 같은 고체 유전체를 사용하여 만들 수도 있다.

기계적으로 가변적인 축전기의 특별한 형태

다양한 형태의 가변 축전기

다중 섹션

아주 흔하게, 여러 고정자/회전자 섹션이 동일한 축에 나란히 배열되어 동일한 제어를 사용하여 여러 튜닝 회로를 조정할 수 있다. 예를 들어 수신기 회로의 프리셀렉터, 입력 필터 및 해당 발진기를 들 수 있다. 섹션은 동일하거나 다른 공칭 정전 용량을 가질 수 있다. 예를 들어 AM 필터 및 발진기용 2 × 330 pF, 동일한 수신기의 FM 섹션의 두 필터 및 발진기용 3 × 45 pF 등이 있다. 여러 섹션이 있는 축전기에는 종종 가변 섹션과 병렬로 트리머 축전기가 포함되어 있어 모든 튜닝 회로를 동일한 주파수로 조정하는 데 사용된다.

나비형

나비형 축전기는 서로 마주보는 두 개의 독립적인 고정자 플레이트 세트와, 회전자를 돌리면 회전자와 고정자 사이의 정전 용량이 동일하게 변하도록 배열된 나비 모양의 회전자를 가진 회전형 가변 축전기의 한 형태이다.

나비형 축전기는 대칭 튜닝 회로, 예를 들어 RF 전력 앰프 단의 푸시풀 구성 또는 회전자가 "콜드", 즉 RF(반드시 DC는 아님) 접지 전위에 연결되어야 하는 대칭 안테나 튜너에 사용된다. 최대 RF 전류는 일반적으로 와이퍼 접점을 통과하지 않고 한 고정자에서 다른 고정자로 흐르기 때문에, 나비형 축전기는 자기 루프 안테나와 같은 큰 공진 RF 전류를 처리할 수 있다.

나비형 축전기에서 고정자와 회전자의 각 절반은 최대 90°의 각도만 덮을 수 있다. 이는 최소 용량에 해당하는 회전자/고정자 겹침이 없는 위치가 있어야 하기 때문이며, 따라서 90° 회전만으로 전체 용량 범위를 덮는다.

분할 고정자

밀접하게 관련된 분할 고정자 가변 축전기는 축 방향으로 나란히 배열된 두 개의 분리된 회전자 전극 팩을 사용하므로 90° 각도 제한이 없다. 여러 섹션이 있는 축전기와 달리, 분할 고정자 축전기의 회전자 플레이트는 회전자 축의 반대편에 장착된다. 분할 고정자 축전기는 나비형 축전기보다 더 큰 전극과 최대 180°의 회전 각도라는 이점을 얻지만, 회전자 플레이트의 분리는 RF 전류가 각 회전자 날개를 직선으로 통과하는 대신 회전자 축을 통과해야 하므로 약간의 손실을 발생시킨다.

차동형

차동 가변 축전기도 두 개의 독립적인 고정자를 가지고 있지만, 회전자를 돌릴 때 양쪽의 용량이 동일하게 증가하는 나비형 축전기와 달리 차동 가변 축전기에서는 한 섹션의 용량이 증가하는 동안 다른 섹션의 용량은 감소하여 두 고정자 용량의 합을 일정하게 유지한다. 따라서 차동 가변 축전기는 용량성 전위차계 회로에 사용될 수 있다.

역사

공기 유전체를 사용하는 가변 축전기는 헝가리 엔지니어 데죄 코르다가 발명했다. 그는 1893년 12월 13일에 독일 특허를 받았다. ^[1]

전자적으로 제어되는 정전 용량

전압 튜닝 정전 용량

역바이어스된 반도체 다이오드의 공핍층 두께는 다이오드에 인가되는 DC 전압에 따라 변한다. 모든 다이오드(트랜지스터의 p/n 접합 포함)는 이 효과를 나타내지만, 가변 정전 용량 다이오드(또한 배랙터 또는 배리캡이라고도 함)로 특별히 판매되는 장치는 큰 접합 영역과 정전 용량을 최대화하도록 특별히 설계된 도핑 프로파일을 가지고 있다.

이들의 사용은 정전 용량이 신호 전압 변화에 영향을 받아 명백한 왜곡을 피하기 위해 낮은 신호 진폭으로 제한되며, 이는 허용할 수 없는 수준의 상호변조를 추가할 수 있는 고품질 RF 통신 수신기의 입력 단계에서는 사용할 수 없게 한다. VHF/UHF 주파수, 예를 들어 FM 라디오 또는 TV 튜너에서는 동적 범위가 큰 신호 처리 요구 사항보다는 노이즈에 의해 제한되며, 배리캡은 일반적으로 신호 경로에 사용된다.

배리캡은 발진기의 주파수 변조와 고주파 전압 제어 발진기(VCO)를 만드는 데 사용된다. VCO는 현대 통신 장비에 널리 사용되는 위상 고정 루프(PLL) 주파수 합성기의 핵심 구성 요소이다.

BST 장치는 바륨 스트론튬 티탄산염을 기반으로 하며 장치에 고전압을 인가하여 정전 용량을 변경한다. 이들은 전용 아날로그 제어 입력을 가지고 있어 배랙터 다이오드보다 비선형성이 적으며, 특히 높은 신호 전압에서 그렇다. BST의 한계는 온도에 대한 안정성과 까다로운 응용 분야에서의 선형성이다.

디지털 튜닝 정전 용량

디지털 튜닝 축전기는 여러 기술을 기반으로 하는 IC 가변 축전기이다. MEMS, BST 및 SOI/SOS 장치는 여러 공급업체에서 제공되며 다양한 RF 튜닝 응용 분야에 따라 정전 용량 범위, 품질 계수 및 해상도가 다르다.

MEMS 장치는 가장 높은 품질 계수를 가지며 선형성이 뛰어나므로 안테나 개구 조절, 동적 임피던스 매칭, 전력 증폭기 부하 매칭 및 조정 가능한 필터에 적합하다. RF 튜닝 MEMS는 아직 비교적 새로운 기술이며 아직 널리 받아들여지지 않았다.

SOI/SOS 튜닝 장치는 절연 CMOS 웨이퍼에 구축된 솔리드 스테이트 FET 스위치로 구성되며, 이진 가중치를 갖는 MIM 축전기를 배열하여 다양한 정전 용량 값을 얻는다. SOI/SOS 스위치는 높은 선형성을 가지며 높은 전압이 없는 저전력 응용 분야에 적합하다. 높은 전압 내구성은 직렬로 여러 FET 장치를 필요로 하며, 이는 직렬 저항을 추가하고 품질 계수를 낮춘다.

정전 용량 값은 유럽 DVB-H 및 일본 ISDB-T 모바일 TV 시스템과 같이 넓은 주파수 범위에서 작동하는 다중 대역 LTE GSM/WCDMA 셀룰러 핸드셋 및 모바일 TV 수신기의 안테나 임피던스 매칭을 위해 설계되었다.^[2]

변환기

가변 정전 용량은 때때로 물리적 현상을 전기 신호로 변환하는 데 사용된다.

• 축전기 마이크로폰(일반적으로 콘덴서 마이크로 알려져 있음)에서는 다이어프램이 축전기의 한 플레이트 역할을 하며, 진동은 다이어프램과 고정 플레이트 사이의 거리를 변화시켜 축전기 플레이트 간에 유지되는 전압을 변화시킨다.
• 일부 산업용 센서 유형은 축전기 요소를 사용하여 압력, 변위 또는 상대 습도와 같은 물리량을 측정 목적으로 전기 신호로 변환한다.
• 용량성 센서는 또한 개폐기 대신 사용될 수 있다. 예를 들어 컴퓨터 키보드나 사용자가 움직일 수 있는 부품이 없는 엘리베이터의 "터치 버튼" 등이다.

내용주

1. ^ 카드보드로 절연된 약간 다른 직경의 두 개의 양철 캔을 사용하는 이 디자인의 임시 버전은 비상시(예: 강제 수용소 수감자) 가변 축전기를 만드는 데 사용되었다.
2. 기계식 가변 축전기는 전자 제품에 널리 사용되어 왔고 여전히 사용되고 있지만, 라디오에서의 사용은 줄어들고 있다. 라디오는 이제 아날로그(탱크) 발진기 대신 디지털 주파수 합성기를 튜닝에 사용하는 경우가 많다.