Variabler Kondensator

Definition und Grundprinzip

Variable Kondensatoren, auch Varkos genannt, sind elektrische Kondensatoren, deren Kapazität innerhalb definierter Grenzen stufenlos und reproduzierbar eingestellt werden kann. Sie werden vor allem in Filtern und Oszillatoren, zur Abstimmung von Sendern und Empfängern sowie zur Impedanzanpassung eingesetzt.

Es gibt mechanisch und elektrisch variable Kondensatoren. Mechanisch variable Kondensatoren sind passive Bauelemente. Drehkondensatoren, kurz Drehkos, sind für häufige und wiederholte Einstellungen ausgelegt, etwa zur manuellen oder motorischen Sendereinstellung. Trimmkondensatoren, kurz Trimmer, dienen dagegen meist dem einmaligen oder seltenen Feinabgleich von Schwingkreisen und Filtern. Sie werden häufig parallel zu einem Drehkondensator geschaltet.

Mechanische variable Kondensatoren beruhen grundsätzlich auf dem Plattenkondensator. Die Kapazität wird durch die Elektrodenfläche A, die Dielektrizitätszahl ε und den Elektrodenabstand d bestimmt:

C = ε · A/d

Die Kapazität kann daher durch drei Maßnahmen verändert werden: durch eine Änderung der überlappenden Elektrodenflächen, durch eine Änderung des Elektrodenabstands oder durch die Wahl eines anderen Dielektrikums. Bei den meisten heute noch gefertigten mechanischen Bauformen wird die überlappende Fläche verändert, ohne den Elektrodenabstand zu ändern.

Das Dielektrikum beeinflusst außerdem Kapazität, Durchschlagsfestigkeit und Gütefaktor. Im Artikel werden unter anderem Vakuum und Luft mit εr = 1, Schwefelhexafluorid mit εr = 2, Glimmer mit εr = 7, Keramik der Klasse 1 mit εr = 6…200, Keramik der Klasse 2 mit εr = 100…1000, Polyester mit εr = 3,3, Polypropylen mit εr = 2,2 und Teflon mit εr = 2,1 genannt. Die Durchschlagsfestigkeit reicht je nach Material beispielsweise von 2…5 kV/mm bei Luft bis zu 700…1000 kV/mm bei Saphir.

Mechanische Bauformen und historische Entwicklung

Bei Drehkondensatoren greifen feststehende Statorplatten und drehbare Rotorplatten kammförmig ineinander. Durch Drehen der Welle ändert sich die überlappende Fläche. Typische Luftdrehkondensatoren hatten Kapazitäten von 15 bis 600 pF, einen normalen Drehwinkel von 180 Grad und je nach Plattenabstand eine Spannungsfestigkeit von etwa 1000 V bis 11.000 V. Der Rotor wurde meist über einen Schleifkontakt angeschlossen und häufig auf Masse gelegt, um Handempfindlichkeit zu vermeiden.

Die Form der Rotorplatten, der sogenannte Plattenschnitt, bestimmt den Verlauf der Kapazität über dem Drehwinkel. Kreisförmige Platten ermöglichen einen linearen Kapazitätsverlauf; logarithmische Formen können eine lineare Wellenlängen- oder Frequenzabstimmung bewirken. Schmetterlingsdrehkondensatoren besitzen zwei getrennte Statorpakete und einen nur kapazitiv angeschlossenen Rotor. Differentialdrehkondensatoren verteilen ein Hochfrequenzsignal einstellbar auf zwei Schaltungszweige oder dienen zur Kopplungs- und Impedanzanpassung.

Mehrfachdrehkondensatoren besitzen mehrere elektrisch getrennte Statoren und gekoppelte Rotoren auf einer gemeinsamen Welle. Bis zu vier Einzelkondensatoren können gemeinsam verstellt werden. Bei trimmbaren Drehkondensatoren lässt sich durch Verbiegen geschlitzter Rotorsegmente der Gleichlauf mehrerer Abstimmkreise verbessern. Für eine feinere manuelle Einstellung wurden Untersetzungsgetriebe verwendet, darunter Stirnrad-, Seilzug-, Reibrad- und Planetengetriebe.

Korrektionskondensatoren waren besonders stabile, für die Frontplattenmontage bestimmte Luftkondensatoren zur ständigen Feineinstellung in Sendern kleinerer Leistung oder in Messnormalen. Folien-Drehkondensatoren verwendeten zunächst Hartpapier zwischen den Elektroden, später Kunststofffolien. Sie waren kleiner, gekapselt und für automatische Leiterplattenbestückung geeignet, spielen heute aber industriell kaum noch eine Rolle.

Die Entwicklung begann im Zusammenhang mit der drahtlosen Telegrafie. Dezső Korda ermöglichte 1892 den ersten Drehkondensator mit drehbaren Rotorelektroden. Nach den Funkentwicklungen von Alexander Popow 1895 und Guglielmo Marconi ab 1896 wurden einstellbare Frequenzen für Sender und Empfänger notwendig. Adolf Koepsel verbesserte Drehkondensatoren ab 1901 und führte sie bei Siemens ein. Nach der Entwicklung von Elektronenröhren, Oszillatoren und Rundfunkempfängern verdrängten Drehkondensatoren zunehmend geschaltete Spulen.

In Mehrkreis- und Superheterodynempfängern wurden mehrere Drehkos gemeinsam betrieben; zusätzlich kamen Trimmer für den einmaligen Abgleich hinzu. Mit steigender Senderleistung entstanden größere Luftkondensatoren sowie variable Vakuum- und SF₆-Schutzgaskondensatoren. SF₆-Kondensatoren arbeiteten bei 3 bar bis 7 bar, boten typische Einstellbereiche von 50 pF bis 5 nF, Prüfspannungen bis 80 kV und Betriebsströme bis 800 A. Für Neuanwendungen wurden sie wegen der kompakteren und verlustärmeren Vakuumtechnik weitgehend ersetzt.

Trimmer und heutige mechanische Kondensatoren

Historische Trimmer änderten die Kapazität durch verschiedene Konstruktionsprinzipien. Quetsch-Trimmer, auch Vernier-Kondensatoren oder Quetscher genannt, veränderten mit einer Stellschraube den Plattenabstand. Ein Glimmerplättchen diente als Dielektrikum. Drahttrimmer bestanden aus einem keramischen Röhrchen mit Metallisierung und einer aufgelöteten Drahtwicklung, die nur abgewickelt werden konnte; sie wurden bis Ende der 1960er Jahre mit Werten bis etwa 570 pF angeboten.

Tauchtrimmer besaßen konzentrische zylinderförmige Elektroden, die ineinander bewegt wurden. Keramik-Scheibentrimmer verwendeten eine keramische Grundplatte und eine drehbare, halbkreisförmig metallisierte Keramikscheibe. Klasse-1-Keramiken ermöglichten einen hohen Gütefaktor und temperaturstabile Oszillatorfrequenzen. Keramik-Rohrtrimmer änderten durch das Hineindrehen einer Metallspindel in ein metallisiertes Keramikrohr die Überlappung der Elektroden. Sie sind schock- und vibrationsfest, frei vom Mikrophonieeffekt und wegen ihres Mehrfach-Drehwinkels präzise einstellbar.

Luftplattentrimmer ähneln kleinen Korrektionskondensatoren. Sie besitzen halbkreisförmige Rotor- und Statorplatten mit Luft als Dielektrikum, einen hohen Isolationswiderstand und eine große Güte. Folientrimmer mit Kunststofffolien wurden ab Anfang der 1960er Jahre eingesetzt. Verwendet wurden unter anderem PEN, PP und PTFE; die maximal einstellbaren Werte lagen bei 3,5 bis 100 pF. Ihre genormten Drei-Loch-Anschlüsse ermöglichten automatische Bestückung und automatischen Abgleich.

Heute werden mechanische variable Kondensatoren vor allem als kleine SMD-Trimmer, als Multiturn-Rohrtrimmer für hohe Frequenzen und als variable Vakuumkondensatoren für hohe Leistungen gefertigt. SMD-Trimmer sind Weiterentwicklungen der Keramik-Scheibentrimmer. Sie besitzen eine keramische Grundplatte mit eingebetteter Stator-Metallisierung und eine drehbare Metallscheibe. Typische wirksame Drehwinkel betragen beispielsweise 80 Grad; Kapazitätswerte bis etwa 40 pF und Frequenzen bis etwa 6 GHz sind möglich. Die kleinsten Bauformen messen 1,5 × 1,7 × 0,9 mm.

SMD-Trimmer dienen unter anderem dem Abgleich von LC-Kreisen, der Frequenzkompensation und dem Ziehen von Quarzoszillatoren. SMD-Laser-Abgleichkondensatoren werden dagegen während der Fertigung durch gezieltes Wegbrennen von Metallisierung mit einem Laser eingestellt. Werte können je nach Typ etwa von 20 pF bis 0,5 pF angepasst werden. Ihre Gütefaktoren liegen zwischen 60 und 600; eingesetzt werden sie bei 100 MHz bis 2 GHz.

Rohrtrimmer besitzen einen isolierenden Zylinder, eine äußere Metallhülse als Stator und eine hineingedrehte Metallspindel als Rotor. Je nach Dielektrikum reichen die Anwendungen bis etwa 1,5 GHz bei Luft oder Keramik, bis etwa 5 GHz bei Teflon und bis etwa 10 GHz bei Saphir. Prüfspannungen liegen je nach Bauform zwischen 500 und 20.000 V. Rohrtrimmer werden unter anderem in Radar-, Raumfahrt-, Militär-, medizinischen und industriellen Geräten eingesetzt.

Variable Vakuumkondensatoren arbeiten mit einem Vakuum von 10⁻³…10⁻⁷ mbar. Ihre mittlere Spannungsfestigkeit beträgt etwa 40 kV/mm. Sie besitzen einen sehr kleinen ESR von 5 bis 20 mΩ bei 2,5 bis 30 MHz und Gütefaktoren von 1000 bis 5000. Das Kapazitätsverhältnis von Minimum zu Maximum kann bis zu 1:150 betragen; die Lebensdauer wird mit bis zu 1 Million Betätigungszyklen angegeben. Anwendungen sind leistungsstarke Sender, MRT-Scanner, Plasmaanlagen, CO₂-Laser und Forschungsanlagen mit bis zu 100 kV und 1200 A.

Elektrisch variable Kondensatoren

Elektrisch variable Kondensatoren, auch Varaktoren genannt, sind aktive Bauelemente. Ihre Kapazität wird durch eine elektrische Steuerspannung verändert. Sie werden vor allem in mobilen Empfangsgeräten zur Frequenzselektion eingesetzt und eignen sich für Frequenzen bis zu einigen 100 GHz.

Kapazitätsdioden, Varicaps oder Abstimmdioden nutzen die Sperrschicht eines pn-Übergangs. In Sperrrichtung bildet sich eine ladungsfreie Raumladungs- oder Verarmungszone. Sie entspricht dem Plattenabstand eines Kondensators; das ladungsfreie Halbleitermaterial wirkt als Dielektrikum. Mit steigender Sperrspannung wird die Zone breiter und die Sperrschichtkapazität kleiner. Die Abhängigkeit von Spannung und Kapazität ist nichtlinear. Werte bis über 600 pF und eine Kapazitätsänderung etwa um den Faktor 30 sind möglich. Die maximale Sperrspannung beträgt etwa 30 V.

Um Nichtlinearitäten und Intermodulation zu begrenzen, muss die HF-Signalspannung 3 bis 4 Größenordnungen unter der Steuerspannung liegen. Deshalb sind Kapazitätsdioden vor allem für Schwingkreise mit kleinen Signalamplituden geeignet. Gegenpolige Anordnungen aus zwei Varicaps reduzieren Verzerrungen, erhöhen jedoch Platzbedarf und Kosten. Seit den 1980er Jahren ersetzten Varicaps mechanische Dreh- und Trimmkondensatoren in vielen MW-, UKW- und TV-Tunern. Zusammen mit VCOs und PLLs ermöglichen sie eine elektrisch gesteuerte Senderwahl.

Dielektrisch variable Kondensatoren verwenden ein ferroelektrisches Dielektrikum, meist Barium-Strontium-Titanat (BST). Dessen relative Permittivität hängt von der Feldstärke ab; bei Annäherung an die Nennspannung sinkt die Kapazität. BST besitzt εr etwa 100 bis 1000, eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 25 kV/mm und ermöglicht Abstimmspannungen unter 40 Vdc. BST-Varaktoren werden als integrierte MIM-Kondensatoren in CMOS-Schaltungen ausgeführt, erreichen eine Güte von etwa 60 und werden für 3 MHz bis 30 GHz eingesetzt.

Digital-variable Kondensatoren (DTC) bestehen aus mehreren integrierten Kondensatoren, die mit digital angesteuerten FET-Schaltern parallel oder seriell kombiniert werden. Sie erreichen Kapazitäten bis etwa 40 pF, eine Güte um 100 und Anwendungen bis 3 GHz bei kleineren Leistungen. Eingesetzt werden sie in HF-Oszillatoren, abstimmbaren Filtern sowie Smartphone- und rekonfigurierbaren Antennen. Sie sind nicht mit Filtern mit geschalteten Kondensatoren gleichzusetzen.

RF-MEMS-Kondensatoren nutzen die elektrostatische Anziehung gegenpolig geladener beweglicher Elektroden. Die Kapazität ändert sich durch eine Veränderung der Elektrodenfläche oder des Elektrodenabstands. MEMS-Strukturen haben typischerweise Abmessungen von 20 µm bis 1 mm und werden unter anderem durch reaktives Ionentiefätzen hergestellt. Je nach Konstruktion bewegen sich kammartige Elektroden vertikal oder horizontal; möglich sind auch Trägerstrukturen, übereinanderliegende Elektroden, gebogene Elektroden und BST-Dielektrika. RF-MEMS erreichen eine Güte bis etwa 50, benötigen praktisch keine Betriebsenergie, aber eine relativ hohe Steuerspannung und eine hermetische Abdichtung. Ein Versuchsaufbau erreichte einen Abstimmbereich von 22:1, Kapazitäten von 1,5 bis 33,2 pF, 30 bis 55 V Steuerspannung, eine Reaktionszeit unter 10 ms und den Betrieb bis 40 GHz.

Anwendung, elektrische Kennwerte und Normen

Nach dem Zweiten Weltkrieg führten neue Kunststoffe, Keramiken, Halbleiter und integrierte Schaltungen zur Miniaturisierung. In Rundfunk- und Fernsehgeräten wurden mechanische Abstimmelemente zunächst noch in AM-, FM-, VHF- und UHF-Tunern verwendet. Die 1961 erfundene Varicap-Diode, eine erste entsprechende Philips-Schaltungsanordnung von 1967 und elektrische Tuner ab 1969 verdrängten mechanische Dreh- und Trimmerkondensatoren zunehmend. 1983 erschien mit dem TDA 7010 ein UKW-Radio-IC, das nur noch einen externen Trimmer benötigte. Spätestens mit dem 1996 eingeführten „Ultimate One Chip TV UOC“ TDA 935X/6X/8X setzte sich eine Lösung ohne mechanische Abstimmbauelemente in Rundfunk- und Fernsehgeräten durch.

Bei mechanischen Kondensatoren wird die Spannungsfestigkeit meist als Prüfspannung angegeben. Bei offenen Luftkondensatoren hängt die Durchschlagsspannung von der Luftfeuchte und von Verschmutzungen ab. Keramische Durchschlagsspannungen können abhängig von Elektrodenmaterial und Sinterbedingungen bis zum Faktor 10 variieren; häufig sind jedoch Luft- und Kriechstrecken entscheidend. Folien können durch mechanische Belastung, Feuchtigkeit und Vorentladungen geschädigt werden. Die Betriebsspannung sollte 50 % der Prüfspannung nicht überschreiten.

Die ohmschen Verluste werden durch den äquivalenten Serienwiderstand ESR oder den Verlustfaktor tan δ beschrieben:

tan δ = ESR · ωC; ESR = tan δ/(ωC)

Der Gütefaktor ist der Kehrwert des Verlustfaktors:

Q = 1/tan δ = 1/(ESR · ωC)

Für einen Resonanzkreis gilt außerdem Q = f_c/B. Die Bandbreite ist B = f₂ − f₁; f₂ und f₁ sind die obere beziehungsweise untere Grenzfrequenz, bei denen sich der Spannungspegel um 3 dB gegenüber dem Mittelwert geändert hat. Große Q-Werte bedeuten eine schmale Bandbreite und geringe ohmsche Verluste. Luftdrehkondensatoren und variable Vakuumkondensatoren erreichen bei 1 MHz Güten von 1000 bis 8000 oder mehr; Multiturn-Trimmer etwa 5000, keramische Trimmer bestenfalls etwa 300 bis 600.

Das Pfeilsymbol bei mechanisch variablen Kondensatoren weist auf die wiederholte Einstellbarkeit hin. Allgemeine Definitionen, Prüfungen und Messverfahren sind in DIN EN 134000 festgelegt. Weitere Rahmenspezifikationen sind DIN EN 134101 für 1-Gang-Scheiben-Einstellkondensatoren, DIN EN 134102 für Mehr-Gang-Konzentrische Kondensatoren und DIN EN 134104 für Einstellquetsch-Kondensatoren.