Kapazitätsdiode

Ältere Radios hatten einen Drehkondensator: ein Paket ineinandergreifender Metallplatten, das du mit dem Senderknopf verdrehst. Heute stimmt eine Spannung den Empfänger ab – vom Autoradio bis zum Funkmodul im Mikrocontroller. Das Bauteil dahinter ist die Kapazitätsdiode, auch Varicap oder Varaktor genannt. Sie ist ein Kondensator, dessen Kapazität sich über eine Gleichspannung einstellen lässt, ohne bewegliche Teile und auf wenigen Quadratmillimetern.

Aufbau und Funktionsweise

Jeder pn-Übergang in Sperrrichtung ist ein Kondensator: Die Raumladungszone ohne freie Ladungsträger ist das Dielektrikum, die leitenden p- und n-Gebiete daneben sind die Platten. Je höher die Sperrspannung, desto breiter wird die Zone – die Platten rücken auseinander, die Kapazität sinkt. Bei einer gewöhnlichen Diode ist das ein Störeffekt; die Kapazitätsdiode ist darauf optimiert.

Wie stark die Kapazität mit der Spannung fällt, bestimmt das Dotierprofil (siehe Dotierung). Näherungsweise gilt

mit der Kapazität C₀ ohne Sperrspannung, der Diffusionsspannung U_D (etwa 0,7 V) und einem Exponenten n:

• abrupter Übergang: n ≈ 0,5 – die Kapazität fällt mit der Wurzel der Spannung,
• linearer Übergang: n ≈ 0,33,
• hyperabrupter Übergang: n bis etwa 2 – große Kapazitätsänderung schon bei wenigen Volt, wie sie für Batteriegeräte nötig ist.

Weil kein Gleichstrom fließt, braucht die Abstimmung praktisch keine Leistung: Der Sperrstrom liegt im Nanoampere-Bereich.

Schaltzeichen

Das Symbol kombiniert Diode und Kondensator: Hinter dem Kathodenstrich steht ein zweiter, paralleler Strich wie eine Kondensatorplatte. Am Gehäuse markiert ein Balken die Kathode wie bei jeder Diode. Nach der europäischen Typbezeichnung tragen Kapazitätsdioden ein B an zweiter Stelle, etwa BB910 oder BB135 (siehe Kennzeichnung von Dioden).

Kennlinie und Kennwerte

Die C-U-Kennlinie fällt bei kleinen Spannungen steil und flacht zu hohen Spannungen hin ab. Ein typischer VHF-Abstimmtyp wie die BB910 liefert etwa 38 pF bei 0,5 V und rund 2,5 pF bei 28 V.

Die Güte Q einer Kapazitätsdiode sinkt mit der Frequenz: Q = 1 / (2π · f · C · r_S). Bei 100 MHz, 10 pF und 0,8 Ω sind das immer noch etwa 200 – ausreichend für die meisten Schwingkreise.

Bauformen

Kapazitätsdioden sind Kleinsignalbauteile und stecken fast immer in kleinen SMD-Gehäusen wie SOD-323, SOD-523 oder SOT-23; im SOT-23 oft zwei Dioden mit gemeinsamer Kathode für die antiserielle Schaltung. Für Mikrowellen gibt es Chips ohne Gehäuse. Bedrahtete Varicaps findest du noch in älteren Geräten und in Bausätzen.

Abstimmung eines Schwingkreises

Im Schwingkreis bestimmt die Kapazität zusammen mit der Spule die Resonanzfrequenz:

Man schaltet meist zwei Kapazitätsdioden antiseriell, also Kathode an Kathode. Die Abstimmspannung gelangt über einen hochohmigen Widerstand an die gemeinsame Kathode; der Kondensator dahinter hält Hochfrequenz von der Steuerquelle fern. Der Trick: Die Hochfrequenzspannung erhöht die Sperrspannung an der einen Diode genau so viel, wie sie sie an der anderen senkt. Die Kapazitätsänderungen heben sich weitgehend auf, und große Signale verstimmen den Kreis nicht oder bringen eine Diode in Durchlassrichtung.

Probier es selbst mit dem Rechner:

Der Frequenzbereich wächst nur mit der Wurzel des Kapazitätsverhältnisses: Für einen Faktor 2 in der Frequenz brauchst du ein Kapazitätsverhältnis von 4.

Weitere Anwendungen

• Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO): In einer PLL-Schaltung regelt die Abstimmspannung die Frequenz eines Oszillators nach – so arbeiten Sender, Empfänger und Taktgeneratoren.
• Frequenzmodulation: Legst du ein Tonsignal auf die Abstimmspannung, schwankt die Frequenz im Takt der Sprache. Einfache UKW-Sender nutzen genau das.
• Ziehen von Quarzoszillatoren: Eine Varicap in Reihe zum Quarz verstimmt dessen Frequenz um wenige ppm, etwa in einem spannungsgesteuerten Quarzoszillator (VCXO).
• Abstimmbare Filter und Anpassnetzwerke in Empfängereingängen und Antennenanpassungen.

Auswahl und Praxistipps

1. Kapazitätsbereich passend zu Frequenz und Spule wählen, dabei die Streukapazität einrechnen.
2. Abstimmspannung: Hyperabrupte Typen nutzen 0–3 V oder 0–8 V und eignen sich für Batteriebetrieb; klassische Typen brauchen bis 28 V.
3. Serienwiderstand und Güte bei der Arbeitsfrequenz prüfen.
4. Gleichlauf: Mehrere abgestimmte Kreise brauchen ausgesuchte Diodenpaare.

Häufige Fehler:

• Abstimmspannung verrauscht: Jede Störung auf der Steuerleitung moduliert die Frequenz. Filtere sie mit einem RC-Glied und halte sie von digitalen Signalen fern.
• Diode zu nah an 0 V betrieben: Bei sehr kleiner Sperrspannung kann ein großes HF-Signal die Diode kurz in Durchlassrichtung bringen – das erzeugt Verzerrungen.
• Temperaturdrift unterschätzt: Die Kapazität ändert sich mit der Temperatur um einige 100 ppm/K. Für stabile Frequenzen braucht es eine PLL oder eine Kompensation.
• Gewöhnliche Diode als Ersatz: Funktioniert zur Not – eine 1N4007 hat etwa 15 pF bei 4 V –, aber mit kleinem Kapazitätsverhältnis und schlechter Güte.

Selbsttest