VARICAP

ANA PAULA QUADROS DE OLIVEIRA

MARRCELO MONTANHINNI DELOVA

Rondonópolis

MAIO - 2012

Ana Paula Quadros de Oliveira

Marcelo Montanhinni Delova

VARICAP

Trabalho apresentado ao Professor

Carlos Beuter da disciplina Eletrônica

Básica da turma 2012/1, turno integral

do curso de Engenharia Mecânica.

Universidade Federal de Mato Grosso

Rondonópolis – 16 de maio de 2012

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO...........................................................................................3

2 VARICAP....................................................................................................4

2.1 DEFINIÇÃO.........................................................................................4

2.2 POLARIZAÇÃO..................................................................................5

2.3 APLICAÇÕES....................................................................................10

2.3.1 Modulação...................................................................................11

3 CONSIDERAÇÕES FINAIS....................................................................12

4 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS......................................................13

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1 INTRODUÇÃO

Este trabalho tem como objetivo apresentar, de forma sucinta, informações

sobre o componente Varicap. Também conhecido como Varactor, diodos de

capacitância variável ou até diodos de sintonia, sua aplicação tornou bastante viável,

pois se podem substituir os capacitores variáveis nos circuitos eletrônicos.

Por se tratar de um semicondutor, seu controle pode ser feito diretamente

por circuitos externos, sendo assim, seu sistema de variação não depende mais de uma

atuação mecânica.

Desta forma o desenvolvimento do tema inicia-se pela definição,

polarização, configuração e aplicação do Varicap para melhor entendimento deste

componente.

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2 VARICAP

2.1 DEFINIÇÃO

Varicap é uma palavra derivada das palavras em inglês Voltage Variable

Capacitance. Como as próprias palavras de origem inglesa dizem, Varicap é a

denominação dada a um diodo com capacitância variável por tensão, ou seja, em função

da tensão a qual é submetido. Esse diodo também recebe o nome de varactor, diodo de

sintonia, entre outros.

Braga [20--] também define como:

Varicaps, varactors ou diodos de capacitância variável são semicondutores cuja capacitância depende da tensão inversa aplicada. Estes componentes são utilizados em circuitos de sintonia de modo a mudar a frequência a partir da aplicação de uma tensão externa.

Apesar de todos os diodos apresentarem uma capacidade que é variável com

a tensão aplicada, os varactors são especialmente desenhados para se ter uma

capacidade fortemente dependente da tensão e são utilizados em osciladores cuja

frequência é controlada por tensão (VCO).

O símbolo de representação desse componente é dado na figura 1, logo a

seguir:

Figura 1 - Símbolo do VaricapFonte: Wikipédia, 2012. Disponível em:< http://pt.wikipedia.org/wiki/Varicap>

E os varactors podem ser encontrados comercialmente nas possíveis formas:

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Figura 2 - Varactor ou VaricapFonte: Qariya, [20--]. Disponível em < http://www.qariya.com/electronics/varactor.htm>

2.2 POLARIZAÇÃO

Esse componente por ser um diodo, seu funcionamento é explicado

quimicamente como acontece na maioria dos semicondutores.

Quando estão polarizados diretamente, o terminal negativo da fonte repele

os elétrons livres da região N em direção à junção. Esses elétrons vão ao encontro as

lacunas se tornando elétrons de Valencia e continuam a se deslocar através das lacunas

no material P até atingirem a outra extremidade do cristal e escoarem para o terminal

positivo da fonte. Assim, conduz e permite circular corrente e quando polarizados

reversamente funciona como chave aberta, isto é, impedindo a passagem da corrente.

Figura 3 Junção p-n polarizada diretamenteFonte: Boylestad e Nashelsky (1998, p.9)

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Quando polarizado reversamente, os portadores de carga se afastam da

junção, formando uma região de depleção. Quanto maior a polarização, maior será a

camada de depleção. Conforme ilustra a figura abaixo:

Figura 4 - Junção p-n polarizada reversamenteFonte: Boylestad e Nashelsky (1998, p.8)

O varactor apresenta em sua junção uma capacitância devido aos portadores

de carga separados por uma camada isolante a qual é formada pela recombinação dos

portadores e ao submetê-lo a uma determinada tensão há a variação destes portadores

que funcionam como um capacitor de placas variáveis, ou seja, se comportam como

capacitores variáveis controlados pela tensão.

Figura 5 - Diodo polarizado reversamenteFonte: (BRAGA, [20--])

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Detalhando, os portadores de carga acumulados no material e separados pela

região isolante semelhante à estrutura de um capacitor comum, Braga [20--] descreve

essa semelhança:

[...] 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).

Portanto, 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).

Em capacitores convencionais os três fatores citados por Braga permanecem

fixos, nos capacitores variáveis é possível variar a distância entre as armaduras ou sua

superfície efetiva, como mostra a figura 6 a seguir:

Figura 6 - Ilustração de um capacitor VariávelFonte: (BRAGA, [20--])

No varactor, essas armaduras são formadas por portadores de carga que

podem se mover no interior do material, podendo afastá-las ou aproximá-las pela ação

de um campo elétrico, ou seja, pela aplicação de uma tensão externa.

Se estiver desligado (tensão nula entre o anodo e o catodo), os portadores de

carga das armaduras atraem-se, mas não se recombinam totalmente porque existe uma

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barreira de potencial na junção, logo a distancia entre as armaduras é a mínima, portanto

sua capacitância é máxima. As figuras 7 e 8 mostram a descrição acima:

Figura 7 - Ilustração da capacitância mínima e máxima de um diodoFonte: (BRAGA, [20--])

No varicap há um declínio inicial acentuado da capacitância (CT) com o

aumento da polarização reversa. Sendo essa polarização limitada em 20V, conforme o

gráfico na figura abaixo:

Figura 8 - Característica do varicap: C (pF) versus V R

Fonte: Boylestad e Nashelsky (2006, p.589)

A máxima tensão reversa que o diodo admite determina a menor

capacitância que podemos conseguir no diodo:

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Figura 9 - V R - tensão reversa - voltsFonte: Boylestad e Nashelsky (2006, p.589)

A característica importante deste dispositivo é a resposta a frequencia

elevadas em função da capacitância entre as regiões semicondutoras.

A relação entre a capacitância máxima e mínima determina a largura da

faixa que o componente pode variar.

Referindo-se a tensão reversa aplicada, a capacitância de transição é dada

em função da divisão da constante — determinada pelo material semicondutor e pela

técnica de fabricação — (K) pela soma da tensão de joelho (V T) e da tensão de

polarização reversa aplicada (V R) elevada ao índice respectivo da junção (n).

CT=K

(V T+V R )n

Boylestad e Nashelsky (2006, p.590) dizem: “A capacitância como função

de (V R) pode ser dada em termos de C(0) (capacitância quando não há polarização) por:

CT (V R)=C (0)¿¿¿

.”

Devemos levar em consideração o coeficiente de temperatura, onde ocorre

variações de capacitância devido a uma variação na temperatura.

Pode-se calcular o coeficiente de temperatura através de:

TCC=∆C

Co (T 1−T 0 )×100 % % /℃

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2.3 APLICAÇÕES

Sua utilização não é tão simples como parece. Não se pode substituir o

componente do variável por um varicap, pois precisa ser polarizado com certa tensão, e

tendo uma bobina ou indutor em sua configuração tradicional, que forma o circuito

ressonante, possui uma baixa resistência, causando um curto-circuito. A tensão seria

curto-circuitada pela bobina perdendo a função do varicap.

Figura 10 - Circuito teóricoFonte: (BRAGA, [20--])

O circuito prático de utilização é:

Figura 11 - Circuito prático do VaricapFonte: (BRAGA, [20--])

Apesar de ser pouco conhecido esse dispositivo aparece em muitos

equipamentos eletrônicos, sempre no estágio de RF, tanto na transmissão como na

recepção, também é muito usado nos moduladores lineares de uma maneira geral. Além

dessas aplicações, ele aparece em uma infinidade de outras, entre as quais:

• Amplificadores paramétricos - amplificador de micro-ondas de baixo nível

de ruído que usa reatância variável para amplificar sinais de micro-ondas;

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• Osciladores controlados por tensão (VCO) - a informação do sinal é

“transportada” sob a forma de um desvio de frequência, este método de modulação

apresenta melhor imunidade ao ruído, sendo possível efetuar isolamento óptico ou

galvânico, entre o emissor e o receptor, sem perda de informação;

• Geradores de frequências harmônicas - são amplificadores de classe C

especiais cuja tensão é de 3 a 10 vezes a voltagem normal de corte. São usados para

gerar uma frequência que é um múltiplo, ou harmônico, de uma frequência mais baixa.

2.3.1 Modulação

Modulação de um sinal de RF em frequência para obtenção de um sinal FM.

Figura 12 - Aplicação de um Varicap em modulaçãoFonte: (BRAGA, [20--])

Um sinal de áudio é aplicado variando a capacitância do Varicap no mesmo

ritmo que o sinal de baixa frequência. Assim, ocorre um deslocamento da frequência do

circuito sintonizado passando a seguir a frequencia do sinal de áudio.

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Figura 13 - Modulação de frequênciaFonte: (BRAGA, [20--])

3 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Como foi abordado, o princípio de funcionamento do Varicap é bem

parecido com um capacitor, porém sem a necessidade de ajustes ou intervenção

mecânica.

Sua variação de capacitância ocorre baseada na tecnologia dos diodos, pela

transição ou movimentação dos elétrons, somente com aplicação de uma tensão reversa

até mesmo de um circuito externo.

Sendo fabricada para substituir componentes mais complexos sua utilização

é de suma importância em circuitos de sintonização.

Sabemos que a tecnologia na área eletrônica vem se desenvolvendo muito

rapidamente e a cada dia surgem novos componentes e circuitos para simplificar e

agilizar processos.

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4 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

BOYLESTAD, Robert e NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos. Tradução de Alberto Gaspar Guimarães e Luis Alves de Oliveira. 8 ed. Rio de Janeiro: JC, 2006.

BOYLESTAD, Robert e NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos. Tradução de Alberto Gaspar Guimarães e Luis Alves de Oliveira. 6 ed. Rio de Janeiro: JC, 1998.

BRAGA, Newton C. Varicaps. S.l: s.n., [20--]. Disponível em <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/891-varicaps-art126.html >. Acesso em: 11 mai. 2012.

BRAGA, Newton C. Calculando Varicaps. S.l: s.n., [20--]. Disponível em <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/1400-m062.html>. Acesso em: 11 mai. 2012.