خازن تنظیمی چیست؟

خازن تنظیمی نوعی خازن متغیر است که ظرفیت آن با تغییر دستی موقعیت صفحات هادی آن قابل تنظیم است. خازن تنظیمی با یک خازن متغیر “معمولی” متفاوت است، زیرا کوچکتر است و دقت تنظیم بالاتری دارد. در بسیاری از کاربردها، مقدار آن در حین تولید به طور اولیه تنظیم می‌شود و تا زمانی که نیاز به تنظیم مجدد باشد، در همان حالت باقی می ماند. اغلب، این خازن‌ها برای تنظیم دقیق ظرفیت تعیین‌شده توسط خازن‌های بزرگ‌تر در مدار استفاده می‌شوند. این خازن‌ها برای تنظیم عملکرد مدارهای فعال و غیرفعال به کار می‌روند.

همچنین میتوانید درباره اصول سازگاری الکترومغناطیسی بخوانید

خازن ثابت اساساً شامل دو صفحه فلزی ثابت در فاصله‌ای ثابت است. در یک خازن تنظیمی، فاصله بین این صفحات می‌تواند تنظیم شود یا مقدار ناحیه نمایان آن تغییر کند تا مقدار ظرفیت تغییر کند.

کاربردهای خازن‌های تنظیمی

خازن‌های تنظیمی معمولاً دو کاربرد اصلی دارند: تنظیم اولیه و بازیابی تنظیم مجدد بعدی. زمانی که همه اجزای ثابت در یک مدار قرار می‌گیرند، ظرفیت حاصل اغلب دقیقاً مطابق با انتظارات نیست. خازن‌های تنظیمی می‌توانند برای تنظیم مقدار نهایی ظرفیت به مقدار نامی مورد نظر استفاده شوند. با افزایش سن خازن‌ها، ظرفیت آن‌ها می‌تواند تغییر کند. اگر این اتفاق در یک مدار بیفتد، می‌توان خازن تنظیمی را تنظیم کرد تا ظرفیت مورد نظر بازیابی شود.

 استفاده از یک خازن با ظرفیت ثابت و دقیق معمولاً به قیمت بالاتری منجر می‌شود و استفاده از یک خازن تنظیمی مقرون به صرفه‌تر است. همچنین در گذشته خازن‌ های ظرفیت ثابت به وضوح کوچکتر و جمع و جورتر  از خازن‌های تنظیمی بودند و به تازگی توسعه خازن‌های تنظیمی تراشه ای ، این مشکل را حل کرده ست.

خازن‌های تنظیمی در مدارهایی که نیاز به تنظیم به فرکانس دقیقی دارند، بسیار مفید هستند. دستگاه‌هایی مانند گوشی‌های هوشمند دیگر از خازن‌های تنظیمی استفاده نمی‌کنند، زیرا تولید انبوه به دلیل نیاز به تنظیم دستی هر گوشی با مشکل مواجه می‌شود. به جای آن، این دستگاه‌ها از سیستم کنترل فرکانس به نام حلقه قفل فاز استفاده می‌کنند. دیودهای وراکتور (خازن‌های متغیر ولتاژ یا VVCs) توسط مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ (DACs) کنترل می‌شوند که به نوبه خود توسط یک میکروکنترلر هدایت می‌شوند.

دی الکتریک‌های خازن‌ های تنظیمی

دی الکتریک‌های شیشه‌ای، کوارتز و PTFE

مانند یک خازن ثابت، نوعی دی الکتریک مانند هوا، سرامیک، شیشه، پلی‌تترافلورواتیلن (PTFE، پلاستیکی با نام تجاری تفلون) یا یاقوت به عنوان عایق الکتریکی بین صفحات یا سطوح فلزی دیگر استفاده می‌شود. خازن‌های تنظیمی که از مواد دی الکتریک شیشه‌ای، کوارتز و PTFE استفاده می‌کنند، عایق کافی برای ولتاژهای بالاتر فراهم می‌کنند و می‌توانند به مقادیر ظرفیت بالاتری دست یابند.

دی الکتریک‌های هوا، یاقوت و PTFE

برای کاربردهای فرکانس بالا که فاکتور کیفیت (Q) بالا و فرکانس رزونانس سری بالا (SRF) ضروری است، خازن‌های تنظیمی چند دور مبتنی بر مواد دی الکتریک هوا، یاقوت یا PTFE کمترین تلفات و بهترین عملکرد کلی را ارائه می‌دهند. مقدار عایق فراهم‌شده توسط ماده دی الکتریک به ولتاژ نامی یک خازن تنظیمی کمک می‌کند که معمولاً به عنوان ولتاژ تحمل دی الکتریک (DWV) آن بیان می‌شود. به عنوان مثال، PTFE دارای ثابت دی الکتریک بالاتری نسبت به هوا (که برابر با یک است) است و می‌تواند خازن‌های تنظیمی با رتبه DWV بسیار بالاتری، به اندازه ۱۵۰۰۰ ولت یا بیشتر را پشتیبانی کند.

دی الکتریک‌های سرامیکی

خازن‌های تنظیمی مبتنی بر دی الکتریک‌های سرامیکی کوچک، ارزان و به راحتی در نوار و قرقره برای استفاده در ماشین‌های تولید خودکار در دسترس هستند. این خازن‌ها می‌توانند با دامنه‌های ظرفیت تا حدود ۴۰ پیکوفاراد مشخص شوند و برای کاربردهایی که به اندازه کوچک و هزینه پایین نیاز دارند، مناسب هستند.

دی الکتریک‌های شیشه، کوارتز و یاقوت

به عنوان یک دی الکتریک، یاقوت بسیار مقاوم است. مقدار ثابت دی الکتریک آن با فرکانس تغییر نمی‌کند، از نظر مکانیکی قوی و مقاوم در برابر رطوبت است و تلفات آن حتی در بالای ۱۰ گیگاهرتز به طور مداوم پایین است. خواص دی الکتریک و عایق فوق‌العاده یاقوت، ولتاژ شکست بالایی را تولید می‌کند.

اگر دقت مهم باشد، دی الکتریک شیشه و کوارتز یا یاقوت بهترین حساسیت و ثبات تنظیم را فراهم می‌کند. با این حال، در حالی که یک خازن تنظیمی سرامیکی به اندازه کافی پایدار یا دقیق نیست، ارزان‌تر است و ممکن است به طور مناسب برای یک مدار خاص کار کند.

تفسیر برگه داده خازن تنظیمی

خازن‌های تنظیمی (مانند پتانسیومترها) در پیکربندی‌های چند دور و یک دور موجود هستند. یک دور اجازه می‌دهد تا خازن تنظیمی به سرعت تنظیم شود و به تمام مقادیر ظرفیت ممکن برسد. خازن تنظیمی چند دور دقت بیشتری را فراهم می‌کند و اجازه می‌دهد تنظیمات دقیق‌تر و با دقت بیشتری انجام شود.

ثبات

ثبات معیاری است که نشان می‌دهد یک خازن تنظیمی چقدر خوب مقدار تنظیم‌شده خود را در برابر عوامل محیطی مانند دما و رطوبت حفظ می‌کند. فاکتور کیفیت (Q) برابر با Xc/R در یک فرکانس خاص است. Q بزرگ به این معنی است که خازن تنظیمی تلفات پایینی دارد و کاربردهای باند باریک را ترویج می‌کند.

حساسیت تنظیم

اندازه‌گیری پاسخ تنظیم یک خازن تنظیمی و اینکه چقدر تنظیم دقیق می‌تواند انجام شود، به عنوان حساسیت تنظیم تنظیم شناخته می‌شود. خازن‌های تنظیمی چند دور حساسیت تنظیم بسیار خوبی را نشان می‌دهند. عملکرد فرکانس فوق‌العاده بالا (UHF) یک خازن تنظیمی را زمانی مشخص می‌کند که در محدوده فرکانس گیگاهرتز عمل کند. به طور کلی، خازن‌های تنظیمی در فرکانس‌های بالاتر Q کمتری دارند. برخی دی الکتریک‌ها در برابر این اثر مقاوم‌تر از سایرین هستند.

جریان RF

جریان فرکانس رادیویی (RF) پارامتری است که برای مشخص کردن استحکام یک خازن تنظیمی طراحی شده است. جریان RF می‌تواند به افزایش دما در یک خازن تنظیمی منجر شود. معمولاً، افزایش دما کاهش Q را به همراه دارد.

اندازه فیزیکی

اندازه فیزیکی نشان‌دهنده فضایی است که یک خازن تنظیمی نیاز دارد. به طور کلی، اندازه کوچک به این معنی است که یک خازن تنظیمی خاص می‌تواند روی یک مدار چاپی (PCB) قرار گیرد.

دامنه دما

دامنه دما شرایط عملیاتی را نشان می‌دهد که در آن یک خازن تنظیمی می‌تواند عملکرد داشته باشد. خارج از این دامنه دما، یک خازن ممکن است به طور مناسب عمل نکند و ممکن است زودتر از موعد خراب شود.

شوک و لرزش

شوک و لرزش می‌توانند ظرفیت یک خازن تنظیمی را تغییر دهند. به طور خاص، ممکن است ثبات آن حفظ نشود.

تأثیر رطوبت

خازن‌های تنظیمی همچنین می‌توانند تحت تأثیر رطوبت و آب قرار بگیرند. اگر رطوبت به داخل بدنه آن نفوذ کند، مقاومت دی الکتریک ممکن است تغییر کند.

قیمت

قیمت نیز یک عامل نسبی و البته مهم دیگر است که باید در نظر گرفته شود.

جدول عوامل انتخاب خازن تنظیمی

جدولی که در ادامه ارائه می‌شود، عوامل مختلفی را که باید هنگام انتخاب یک خازن تنظیمی در نظر گرفته شود، نشان می‌دهد. این جدول مقایسه‌های نسبی را ارائه می‌دهد.

مثال کاربردی: تنظیم پروب اسکوپ

تنظیم پروب اسکوپ از یک خازن تنظیمی برای خنثی کردن تأثیرات ظرفیت ورودی اسکوپ استفاده می‌کند. بدون این تنظیم، مدار ورودی اسکوپ مانند یک فیلتر پایین‌گذر عمل می‌کند و پهنای باند را به شدت محدود می‌کند. تنظیم صحیح پروب‌ها برای اطمینان از بهترین دقت و خطی بودن در نتایج اندازه‌گیری ضروری است. این باید یک تنظیم روتین قبل از استفاده از اسکوپ باشد. پروب‌ها به ندرت با اسکوپ خود مطابقت دارند. این موضوع به‌ویژه زمانی صادق است که تجهیزات به صورت مشترک تأمین می‌شوند یا در اکثر آزمایشگاه‌ها.

تنظیم پروب تنها زمانی کار می‌کند که پروب‌ها کاهش دهنده باشند. به عنوان مثال، یک پروب X10 کاهش ۱۰:۱ و یک پروب X100 کاهش ۱۰۰:۱ را فراهم می‌کند. در زمان‌های قدیم، پروب‌ها به عنوان “X10” و “X100” نامیده می‌شدند زیرا مقیاس‌ها (به عنوان مثال، ۱V/DIV یا ۱۰V/DIV) به آن مقادیر ضرب می‌شدند تا قرائت‌های واقعی به دست آید. اسکوپ‌های مدرن به طور خودکار مقیاس‌ها را تنظیم می‌کنند.

مدار معادل به صورت زیر است:

ادمیتانس به صورت موازی اضافه می کند:

متقابلا پذیرش امپدانس ایجاد می کند:

تابع انتقال ولتاژ با تقسیم ولتاژ ارائه می شود:

هنگامی که خازن صاف کننده (C2) به درستی تنظیم شود، پاسخ فرکانس صاف است. میرایی 1/10 ثابت خواهد بود.

با کمی جبر، می توانیم به مفروضات طراحی برسیم:

خازن تنظیمی می تواند محدوده ای از 0.5 تا 5 pF داشته باشد.