Benutzer:Elcap/Spielwiese

Variabler Kondensator

Beispiele mechanisch variabler Abstimm- und Trimmkondensatoren

Variable Kondensatoren (Varkos) sind elektrische Kondensatoren, deren Kapazität in definierten Grenzen stufenlos einstellbar ist. Es gibt mechanische und elektrische variable Kondensatoren. Die mechanischen variablen Kondensatoren werden unterschieden in

• Drehkondensatoren, kurz Drehkos genannt, sind Abstimmkondensatoren (Tuning capacitors), die für häufige und wiederholende Betätigungen ausgelegt sind, z. B. für die manuelle Sendereinstellung in Rundfunkgeräten oder die motorgesteuerte automatische Regelung einer Senderfrequenz und in
• Trimmkondensatoren, (Trimmer capacitors) auch Trimmer genannt, sind für einmalige oder seltene Betätigungen zur Feinabstimmung von Schwingkreisen ausgelegt und werden nur bei der Erstinbetriebnahme und ggf. nach Reparaturen zum Abgleich von Schwingkreisen oder Filtern betätigt. Trimmer werden meist parallel zu dem Drehkondensator in einem Abstimmkreis zur Feinabstimmung geschaltet.

Die Kapazität von mechanisch einstellbaren Kondensatoren kann entweder durch Änderung der Überlappung zweier metallischer Elektroden zueinander oder durch Änderung der Dicke des Dielektrikums beeinflusst werden. Der eingestellte Kapazitätswert sowie die Durchschlagsfestigkeit des variablen Kondensators und der Gütefaktor des Abstimmkreises wird außerdem noch durch die Eigenschaft des verwendeten Dielektrikums bestimmt. Mechanischen variable Kondensatoren für Abstimm-Anwendungen werden heutzutage (2017) in Kreisen für höhere Leistungen für höhere Spannungen bis 1000 V oder höhere Ströme bis 1000 A und mehr eingesetzt, z. B. in MRT-Geräten. Trimmkondensatoren werden heutzutage meist als SMD-Trimmer in Kreisen mit sehr kleinen Leistungen zur Kompensation von Kapazitätsabweichungen der parallelen Festkondensatoren oder als Multiturn-Trimmer für sehr hohe Frequenzen benötigt.

Kapazitätsdioden können elektrisch einstellbare Kapazitätswerte bis etwa 600 pF realisieren

Derselbe Zweck einer einstellbaren Kapazität kann für Kreise mit kleineren Leistungen auch durch elektrische variable Kondensatoren bewerkstelligt werden. In Kapazitätsdioden, auch Varicaps genannt, besitzt der p-n-Übergang der Diode eine Kapazität, die von der Breite der spannungsabhängigen Raumladungszone abhängig ist, wodurch bei einer Spannungsänderung eine Kapazitätsänderung bis etwa zum Faktor 30 erreicht werden kann. Zusammen mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und den erforderlichen Induktivitäten in einem Tuner erfüllen diese Halbleiter als elektrisch variable Kondensatoren den gleichen Zweck wie die mechanisch variablen Kondensatoren.

Darüber hinaus können ebenfalls mit Hilfe von Integrierten Schaltungen (ICs) unterschiedlicher Technologien einstellbare Kapazitätswerte erreicht werden. Einstellbare IC-Kondensatoren in der MEMS-Technologie werden beispielsweise als „RF MEMS“ angeboten.

Die Feldabhängigkeit von Barium-Strontium-Titanat (BST) als Dielektrikum wird von einer anderen IC-Technologie für die Einstellung eines gewünschten Kapazitätswertes genutzt. Mit Hilfe der SOI- oder der SOS-Technologie und einer integrierten digitalen Ansteuerung können sog. „Digital einstellbare Kondensatoren“ (Digital Tunable Capacitors (DTC)) zum Abstimmen von Schwingkreisen hergestellt werden..

Mechanische Variable Kondensatoren

Prinzipien

• Prinzipdarstellungen der Möglichkeiten mechanischer Kapazitätsänderung
• 
  Drehkondensator, Kapazitätsänderung durch Änderung der Elektroden- Überlappung bei drehenden Metallplatten
• 
  Tauchtrimmer, Kapazitätsänderung durch Änderung der Elektroden-Überlappung beim Eintauchen von konzentrischen zylinderförmigen Elektrodenkappen
• 
  Rohrtrimmer, Kapazitätsänderung durch Änderung der Elektroden-Überlappung beim Eindrehen eines Metallstiftes in eine Stator-Metallhülse
• 
  Quetscher, Kapazitätsänderung durch Änderung des Elektrodenabstandes

Der Kapazitätswert eines Kondensators kann mechanisch grundsätzlich auf zwei verschiedene Arten beeinflusst werden, durch

• Änderung der kapazitiv wirksamen überlappenden Elektrodenflächen
• Änderung des Elektrodenabstands zueinander

Darüber hinaus kann der Kapazitätswert auch durch die Wahl eines geeigneten dielektrischen Materials beeinflusst werden. Die gewünschte Kapazitätsänderung im überwiegenden Teil der heute noch gefertigten einstellbaren Kondensatoren, sowohl bei den Dreh- als auch bei den Trimmerkondensatoren, beruht auf der Änderung der kapazitiv wirksamen überlappenden Elektrodenfläche, ohne den Abstand der Elektroden zueinander zu ändern. Die Kapazität bei dieser Art der einstellbaren Kondensatoren hängt aber auch vom verwendeten Dielektrikum ab. Es wurden im Laufe der Zeit u. a. folgende Materialien eingesetzt:

Dielektrische Materialien in variablen Kondensatoren

Dielektrisches- Material	relative Permittivität εr bei 1 kHz	Durchschlagsfestigkeit in kV/mm
Vakuum	1	20…500
Luft	1	2…5
Schwefelhexafluorid (SF6)	2	8
Glimmer	7	25…200
Keramik Klasse 1	6…200	20
Saphir (Al2O3)	8,9…11,1	700…1000
Hartpapier	4	20…80
Polyester (PET)	3,3	25…580
Polyethylennaphthalat (PEN)	3,0	25 … 500
Polypropylen (PP)	2,2	100…650
Teflon (PTFE)	2,1	100…250

• Messung der Kapazität eines Drehkondensators
• 
  C_min = 29 pF
• 
  C = 269 pF
• 
  C_max = 520 pF

Geschichte

Die ersten Jahrzehnte

• Detektorempfänger
• 
  Direkt-gekoppelte Detektor-Empfängerschaltung mit einer geschalteten Spule (L1) und einem Abstimmkondensator (C2) zur Impedanzanpassung
• 
  Früher Detektorempfänger mit einstellbarem Antennenkopplungstransformator (1) und zwei Abstimmkondensatoren (2), (3)

Mit der Entdeckung der drahtlosen Übertragung von elektrischen Funkenentladungen durch Alexander Popow 1895 und seiner Weiterentwicklung durch Guglielmo Marconi ab 1896, die zur Entwicklung der drahtlosen Telegrafie führte, wurde es notwendig, sowohl die Sende- als auch die Empfangsfrequenz in den verwendeten Anlagen und Geräten in engen Grenzen einstellen zu können. Die Frequenz, die mit einem Schwingkreis, bestehend aus einer Spule und einem Kondensator, erzeugt wurde, konnte entweder durch Änderung der Induktivität oder durch Änderung der Kapazität des Schwingkreises beeinflusst werden. Das Letztere wurde durch die Erfindung eines Drehkondensators, dessen Kapazität sich durch eine einstellbare Überlappung der Elektrodenflächen ergab, 1892 durch Dezső Korda ermöglicht. Dieser erste einstellbare Kondensator arbeitete mit Rotorelektroden auf einer drehbaren Welle, die sich zur Kapazitätsänderung kammartig in ein Paket mit Statorelektroden hineindrehen ließen. Diese Drehkondensatoren wurden ab 1901 von Adolf Koepsel verbessert und bei Siemens in die drahtlose Telegrafie eingeführt.

• Drehkondensatoren aus der Anfangszeit der Rundfunktechnik
• 
  Drehkondensator aus den 1920er Jahren
• 
  Drehkondensator im offenen Pertinax-Gehäuse mit Phenolharzpapier als Dielektrikum
• 
  Drehkondensator im geschlossenem Gehäuse zum Schutz gegen Staub und Feuchtigkeit

Aufbau eine AM-Senders von 1938. Mittig der Drehkondensator zur Frequenzeinstellung

Die Audionröhre, erfunden 1906 durch Lee De Forest, war das erste Bauelement in der Elektrotechnik für eine funktionierende Signalverstärkung. Nach der Erfindung der Oszillatorschaltung mit einer Elektronenröhre 1913 durch Alexander Meißner und die darauf aufbauenden weiteren Erfindungen begann dann die eigentliche Entwicklung der Rundfunktechnik.

Die ersten Funkempfänger zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren Geradeausempfänger, die meist mit geschalteten Spulen zur Einstellung der Frequenz ausgestattet waren. Allerdings kamen auch schon in diesen ersten Detektorempfängern Drehkondensatoren mit Luftdielektrikum zum Einsatz. Diese variablen Kondensatoren übernahmen in der Folgezeit mehr und mehr das Abstimmen des jeweiligen Empfängerkreises und lösten damit das Abstimmen des Senders mittels beweglicher oder geschalteter Spulen ab. Sie wurden bis weit nach dem 2. Weltkrieg bei den weitaus meisten Radios verwendet. Auch Senderseitig wurden Drehkondensatoren zum Einstellen der Sendefrequenz benutzt.

Drehkondensatoren benötigen wegen des erforderlichen Plattenabstandes verhältnismäßig viel Platz, erforderten eine mechanisch stabile Konstruktion und waren teuer. Preiswertere und kleinere Lösungen wurden gesucht. Dies konnte durch Einführen anderer Dielektrika erreicht werden. Glimmer war als Dielektrikum von den sogenannten Blockkondensatoren und hat eine um den Faktor 7 höhere Dielektrizitätszahl sowie eine etwa 10fach höhere Durchschlagsfestigkeit als Luft. Es lag also nahe zur Verkleinerung der Drehkondensatoren Glimmer zu verwenden. Diese Lösung stellte sich aber schon bald als zu teuer heraus, weil Glimmer als Naturprodukt aufwendig bearbeitet werden musste, einen hohen Preis hatte und mechanisch Probleme bereitete. Anstelle von Glimmer wurden dann schon in den 1930er Jahren Drehkondensatoren mit Phenolharz-getränktem Hartpapier als Dielektrikum, montiert zwischen Pertinax-Platten , entwickelt, die sich in preiswerten Geräten schnell durchsetzten.

Mit der Entwicklung der Empfängertechnik vom Geradeausempfänger hin zum Überlagerungsempfänger, auch Superheterodynempfänger, kurz Superhet oder Super genannt, deren Technik während des 1. Weltkrieges entwickelt wurde, wurden ab etwa Mitte der 1920er-Jahre je nach Anzahl der Verstärkerstufen im "Super" weitere Drehkondensatoren zur Abstimmung der einzelnen Kreise benötigt. Dazu wurden die einzelnen Drehkondensatoren einfach mit einer gemeinsamen Welle versehen um zu einer gleichförmigen Abstimmung zu kommen. Ein "Vierkreiser" konnte deshalb vier Drehkos mit einer gemeinsamen Welle enthalten.

• Drehkondensatoren für Mehrkreis-Empfänger
• 
  Blockdiagramm eines Zweikreis-Überlagerungsempfängers
• 
  Doppel-Drehkondensator mit zwei Rotor/Stator-Paketen auf einer Welle mit denen zwei Verstärkerkreise gleichmäßig abgestimmt werden können
• 
  Doppel-Drehkondensator kombiniert mit zwei Trimmerkondensatoren zur Feinabstimmung der Zwischenfrequenz

Darüber hinaus wurden weitere variable Kondensatoren benötigt, die für einen einmaligen Abgleichvorgang zur Einstellung bzw. zum "Trimmen" der Zwischenfrequenz des Oszillatorkreises geeignet sein mussten. Drehkondensatoren mit ihrer mechanisch sehr aufwendigen Konstruktion waren hierfür überdimensioniert. Diese Trimmerkondensatoren mussten zwar sehr fein einstellbar sein, aber die Mechanik brauchte nur einmal bewegt zu werden. Daraus resultierten die meist mechanisch sehr viel einfacheren und preiswerteren Bauformen der "Trimmkondensatoren", die es in einer Vielzahl von Ausführungsformen gab und es auch noch heute gibt.

• Verschiedene Trimmerkondensatoren
• 
  Verschiedene Bauformen von Trimmerkondensatoren mit unterschiedlichen Dielektrika
• 
  Vernierkondensator (Quetscher) mit Glimmerdielektrikum nach Manfred von Ardenne
• 
  ”Tauchtrimmer” mit konzentrischen zylinderförmigen Elektrodenkappen

Variabler Vakuumkondensator für Spannungen bis 40 kV

Variable Kondensatoren mit veränderbarem Elektrodenabstand, Vernier-Kondensatoren oder auch "Quetscher" genannt, waren in den frühen Jahren der Rundfunktechnik bei Funkamateuren im Selbstbau zwar beliebt, werden aber wegen ihrer Ungenauigkeit in der Einstellung industriell wenig eingesetzt.

An die senderseitigen variablen Kondensatoren stiegen in den 1930er und 1940er Jahren die Anforderungen mit ansteigender Senderleistung an. Dadurch stieg die Schwingkreis-Spannung immer weiter an. Die Drehkondensatoren mit Luftdielektrikum für Rundfunksender wurden immer größer. Es wurden neue Lösungen mit anderen dielektrischen Materialien entwickelt um wieder zu kleineren Abmessungen zu kommen, beispielsweise gekapselte Drehkondensatoren mit Isolieröl als Dielektrikum. Durchgesetzt haben sich dann jedoch variable Vakuum-Kondensatoren oder variable und mit dem Schutzgas SF₆ gefüllte Kondensatoren, die mit einer Elektrodenkonstruktion nach dem Tauchtrimmer-Prinzip versehen waren. Der Vakuum-Kondensator wurde schon 1896 von Nikola Tesla zur Verbesserung der Qualität von Kondensatoren und für die Eignung von hohen Strömen und hohen Frequenzen erfunden. Diese Idee auch für variable Kondensatoren zu verwenden wurde 1942 realisiert.

Nach dem 2. Weltkrieg

In den 1970er Jahren gab es ein sehr umfangreiches Angebot an mechanischen variablen Kondensatoren (Plakat der Fa. Valvo zur Messe in Hannover 1974)

Die Entwicklung der variablen Kondensatoren nach dem 2. Weltkrieg ist geprägt durch die rasanten Entwicklungen auf allen beteiligten Gebieten der Technik, beispielsweise wurden neue chemische Kunststoffe und Keramiken entwickelt, die neue Dielektrika und Gehäuse ermöglichten, wodurch die Miniaturisierung vorangetrieben wurde. Aber insbesondere die Entwicklung in der Halbleitertechnik in Kombination mit neuen analogen und digitalen Schaltungen hat die Entwicklung der variablen Kondensatoren in einer Weise geprägt, die nicht vorhersehbar war. Denn für die meisten Anwendungen der mechanischen variablen Kondensatoren wurden neue Wege gefunden, die teure und zeitlich aufwendige mechanische Sendereinstellung durch elektronische Halbleiter-Bauelemente und analoge oder digitale Bedienung zu ersetzen. Andererseits kamen mit der zunehmenden Industrialisierung auch immer wieder neue Anwendungen auch für mechanische variable Kondensatoren hinzu, sodass heutzutage die mechanischen Kondensatoren durchaus noch vielfältige Anwendungen in Geräten mit hohen Qualitätsanforderungen haben.

Doch zunächst begann nach dem Kriege in allen Ländern ein beispielloser Boom auf dem Gebiet der Rundfunktechnik und später der Fernsehtechnik. In Superhet-Radios für den AM-Empfang von KW-, MW- und später für den FM-Empfang von UKW-Sendern waren Dreh- und Trimmerkondensatoren zur Sendereinstellung unabdingbar. Hinzu kam die Miniaturisierung in Form der Auto- und der Transistorradios, die auch bei den mechanischen Varkos zu neuen gekapselten Bauformen mit Luft/Folien-Dielektrikum führte.

• Aufbau von Transistorradios mit Drehkondensatoren-Sendereinstellung aus den 1960-1970er Jahren
• 
  Ein geöffnetes AM-Mittelwellen-Transistorradio aus dem Jahre 1960 mit zwei Kreisen, erkenntlich an dem mittig montierten doppelten Drehkondensator, der mittels einer Drehscheibe auf der Frontseite des Radios zur Sendereinstellung bedienbar war.
• 
  Ein ebenfalls geöffnetes AM- Lang- und Mittelwellen-Transistorradio mit einem seitlich bedienbaren Drehkondensator zur Sendereinstellung

Der Empfang von Fernsehsendern erweiterte den zu empfangenen Frequenzbereich, der beim Rundfunk bis in den UKW-Bereich ging, um den Bereich der Ultrakurzwelle (VHF-Band I und VHF-Band III). Hier gab es in der Nachkriegszeit zunächst nur 5 Kanäle, die mit recht stabiler Frequenz zur Verfügung standen. Deshalb wurde die Sendereinstellung mit mehreren fest kalibrierten Empfangskreisen als Drehschalter in der Funktion eines Trommelkanalwählers realisiert. Die für den jeweiligen Empfangskanal erforderlichen Spulen und Trimmerkondensatoren befanden sich dabei auf dem Umfang einer Trommel. Drehkondensatoren, die in den ersten Fernsehgeräten der 1940er Jahre noch benutzt wurden, wurden nicht mehr verwendet. In den 1950-1960er Jahren wurden die Trommelkanalwähler durch Tuner ersetzt, in denen die Senderwahl durch Tasten erfolgte. Auch in den ersten Tunern waren Trimmerkondensatoren zur Feinabstimmung erforderlich.

Mit einer Neuentwicklung auf dem Gebiet der Halbleitertechnik begann die Ablösung der mechanischen variablen Kondensatoren durch elektronische variable Kondensatoren. 1961 wurde die Varicap-Diode erfunden. Aufbauend auf dieses neue Bauelement entwickelte bei Philips K.-H. Kupfer 1967 eine erste „Abstimm-Schaltungsanordnung mit einer Schaltdiode“, die einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO voltage-controlled oscillator) enthielt. Ab 1969 mündete diese Entwicklung dann in eine elektrische Empfangs- und Abstimmschaltung zur Selektion von Rundfunksendern und Fernsehkanälen, Tuner genannt, die per Tastendruck einen gewünschten Sender elektrisch mit Hilfe der Varicap-Diode und des VCOs einstellte. Damit konnten Tuner für Rundfunk- und Fernsehgeräte gebaut werden, deren Senderwahl ohne mechanische Dreh- und Trimmerkondensatoren bzw. mechanische Wellenschalter und Kanalwähler auskamen, wodurch in den folgenden Jahren die deutlich teureren mechanischen Lösungen abgelöst wurden.

• Aufbau von Tunern mit Varicapdioden aus den 1980-1990er Jahren
• 
  Platine eines AM- und FM-Rundfunktuners mit rot gekennzeichneten Varicap-Dioden
• 
  Platine eines UHF- und VHF-Fernsehtuners mit gelb gekennzeichneten Varicap-Dioden

Parallel zu der Entwicklung neuer Bauelemente wie Kapazitätsdioden und Integrierter Schaltungen in den 1950-1960er Jahren wurden neue Schaltungstechniken für die Rundfunk- und Fernsehgeräte entwickelt. Der Frequenzabgleich mit Hilfe eines VCOs und einer elektronischen Phasenregelschleife (PLL (phase-locked loop) mit einem Schwingquarz erweiterte die Möglichkeiten des Tuners und bot eine hohe elektrische Langzeitkonstanz. Ab 1969 wurden PLL-Schaltungen von Firmen wie Signetics, die 1975 von Philips übernommen wurde, als fertige Integrierte Schaltungen angeboten. Damit wurde der Aufwand für einen Tuner noch einmal stark vereinfacht und kostengünstiger. Diese per Tastendruck oder später per Fernbedienung bedienbaren Tuner ohne zusätzliche mechanische Abgleichbauelemente machten letztendlich mechanisch variable Kondensatoren im Empfangsteil von Rundfunk- und Fernsehempfängern obsolet.

FM-Radio-IC TEA 5767 aus einem tragbaren Radio/MPE-Player

In der Folgezeit wurde im gesamten Bereich der Rundfunk- und Fernsehtechnik die zunächst analoge Schaltungstechnik nach und nach durch digitale Schaltungen ersetzt. Als Meilensteine dieser Entwicklung zur Digitaltechnik ist die Entwicklungen zu den sog. „One-Chip-ICs“ zu sehen. Schon 1983 brachte Philips das erste „One Chip“ UKW-Radio-IC TDA 7010 auf den Markt, bei dem gemäß Datenblatt nur noch ein externer Trimmerkondensator erforderlich war. Diese Schaltung enthielt einen Empfänger nach dem Überlagerungs-Prinzip für den Empfang von 1,5 – 110 MHz bei einer sehr niedrigen Zwischenfrequenz von 70 kHz und war deshalb zunächst nicht für den Stereoempfang tauglich.

Spätestens nach der Entwicklung des ersten „Ultimate One Chip TV UOC“, TDA 935X/6X/8X, dem ersten IC für Flachbild-Fernseher, der 1996 auf den Markt kam, hatte sich diese Entwicklung, die ohne mechanische Bauelemente auskam, auf dem Markt durchgesetzt. Heutige Rundfunk- und Fernsehgeräte haben durch Tuner und digitale Signalverarbeitung (DSP) ({{lang|en|Digital Signal Prozessing) keine mechanischen kapazitiven Abstimm-Bauelemente mehr.

Heutige Anwendungen mechanisch variabler Kondensatoren

Die Anwendungen für mechanische variable Kondensatoren sind heutzutage meistens auf Wechselstromkreise beschränkt, deren besondere Merkmale hohe Frequenzen und große Güte sind. Sie werden in Bereichen mit großen Leistungen zur Frequenzabstimmung als variable Vakuumkondensatoren beispielsweise im VHF-, UHF- und Mikrowellenbereich, in denen die Strombelastung für Halbleiter zu hoch ist, für kommerzielle und industrielle Sender eingesetzt. Moderne Anwendungen umfassen HF-Anpassungsnetzwerke für die Plasmakontrolle bei der Abscheidung von leitfähigem Material auf Siliziumwafern sowie medizinische MRT-Scanner mit großen Feldstärken, wobei die nichtmagnetischen Eigenschaften des Aluminiums in den mechanischen variablen Kondensatoren genutzt werden.

Sie sind außerdem für militärische Anwendungen wegen ihrer inhärenten Beständigkeit gegen elektromagnetische Pulse von Bedeutung, um gegen dieses Beiprodukt nuklearer Explosionen geschützt zu sein.

Auch Trimmerkondensatoren werden in modernen Schaltungen benötigt. Sie dienen beispielsweise als paralleler SMD-Trimmer in LC-Kreisen bei thermischer oder alterungsbedingter Abweichung von MLCC-Chip-Kondensatoren zur Kompensation der Kapazitätsänderung. Diverse Ausführungsformen von Rohrtrimmern mit Luft-, Keramik (Saphir) oder PTFE-Dielektrikum, deren Eigenschaften ein besonders hoher Gütefaktor ist, werden in industriellen, medizinischen und militärischen Geräten und in der Raumfahrt zur Feinabstimmung von Kreisen eingesetzt.

Bauformen historischer Abstimmkondensatoren

Luft-Drehkondensatoren

Einfach-Drehkondensator mit Luftdielektrikum

Drehkondensatoren mit Luft-Dielektrikum sind die bekanntesten unter den variablen Kondensatoren und werden auch heute noch als typische Bauform dieser Bauelemente angesehen. Sie wurden in den 1950er bis in die 1970er Jahren für den Empfang AM- und FM-Rundfunksendern verwendet. Sie haben heutzutage (2017) industriell keine Bedeutung mehr, werden hier aber wegen der früheren Bedeutung und der Anschaulichkeit mit aufgeführt.

Luft-Drehkondensatoren haben einen Stator, ein Paket feststehender, auf Abstand gesetzter Metallplatten und einer gleichen Anzahl von mittig gesetzter Metallplatten auf einer Welle, einen Rotor und arbeiten mit Luft als Dielektrikum. Durch Drehen an der Welle werden die Elektroden kammförmig ineinander gedreht, wodurch sich die überlappende Fläche des Kondensators und somit die Kapazität ändert. Die Kapazitätswerte von Drehkondensatoren lagen üblicherweise zwischen 15 bis 600 pF.. Luftdrehkondensatoren können mit Plattenabständen in Stufen gemäß der erforderlichen Spannungsfestigkeit mit etwa 1000< V bis 11.000 V hergestellt werden.

Die Mechanik von Drehkondensatoren ist meist sehr stabil ausgeführt. Die Welle des Rotors ist häufig mit Kugellagern am Gehäuse befestigt, wodurch eine genaue axiale Fixierung der Welle ohne mechanischen Spielraum gegeben ist. Ein axiales Spiel würde zu Kapazitätsänderungen und zur Gefahr eines Kurzschlusses führen. Der Drehwinkel eines Drehkondensators beträgt normalerweise 180 Grad.

Der Stator bei Luft-Drehkondensatoren ist isoliert am Gehäuserahmen befestigt und mit gesonderten Löt-Anschlussfahnen versehen. Der Rotor wird über einen Schleifkontakt elektrisch kontaktiert. Da der Rotor weiter aus der Schaltung herausragt, wird er normalerweise auf Masse gelegt, damit äußere Einflüsse nicht die Kapazität beeinflussen können („Handempfindlichkeit“), wodurch ein exaktes Abstimmen unmöglich würde.

Plattenschnitte

Die Elektrodenplatten des Rotors von Drehkondensatoren können unterschiedlich geformt sein, um die Art und Weise der Abstimmung zu beeinflussen. Für einen linearen Verlauf der Kapazitätsänderung mit dem Drehwinkel werden die Rotorelektroden kreisförmig gestaltet. Durch spezielle, logarithmische Formgebung der Rotorelektroden kann aber auch ein anwenderspezifischer Kurvenverlauf der Kapazitätsänderung erreicht werden. Die Plattenform kann zum Beispiel so gestaltet werden, dass die Kapazitätsänderung einer linearen Wellenlängenanpassung oder einer linearen Frequenzanpassung entspricht. Damit kann die Sendereinstellung der Anforderung des jeweiligen Gerätes angepasst werden.

• Plattenschnitte von Drehkondensatoren
• 
  kreisförmiger Plattenschnitt für linearen Kapazitäts-Kurvenverlauf
• 
  logarithmischer Plattenschnitt für wellenlinearen Kurvenverlauf
• 
  logarithmischer Plattenschnitt für frequenzlinearen Kurvenverlauf

Selten eingesetzte Bauformen des Drehkondensators sind Schmetterlingsdrehkondensatoren und Differentialdrehkondensatoren.

• Plattenschnitte von Drehkondensatoren
• 
  Plattenschnitt von Schmetterlings­drehkondensatoren
• 
  Plattenschnitt von Differential­drehkondensatoren

Beim Schmetterlingsdrehkondensator ist der Plattenschnitt der Rotorelektroden ähnlich einem Schmetterlingsflügelpaar ausgebildet. Die Flügel drehen sich gleichmäßig in zwei seitlich angeordnete und mechanisch voneinander getrennte Statorpakete hinein. Da der Rotor des Schmetterlingsdrehkondensators nur kapazitiv und nicht elektrisch angeschlossen ist, können mit dieser Konstruktion eventuell auftretende Kontaktprobleme über die normalerweise benutzten Schleifkontakte vermieden werden.

Der Differentialdrehkondensator enthält ebenfalls zwei seitlich sich gegenüberliegende Statorpakete, die jedoch elektrisch voneinander getrennt sind. Die Statorelektroden beider Pakete sind in etwa halbkreisförmig geschnitten. Das Rotorpaket, das hier meist streng halbkreisförmig ausgebildet ist, dreht sich dann bei Betätigung aus dem einen Statorpaket heraus und in das andere hinein. In dem Maß, in dem die Kapazität zur einen Seite dabei sinkt, steigt sie zur anderen. Differentialdrehkondensatoren werden beispielsweise zur einstellbaren Verteilung eines HF-Signals auf zwei verschiedene Schaltungszweige eingesetzt, zur Einstellung von Koppelgraden zwischen Schaltungsstufen oder zur Impedanzanpassung in Pi-Gliedern.

Mehrfach-Ausführungen

Sollen die Frequenzen mehrerer Schwingkreise in einem Empfänger gleichzeitig über einen Antrieb verändert werden können, kommen Mehrfachdrehkondensatoren zum Einsatz. Sie haben mehrere elektrisch getrennte Statoren, in die über eine gemeinsame Welle eine gleiche Anzahl von mechanisch miteinander gekoppelter Rotoren hineingedreht werden können. Das gewährleistet gute Gleichlauf-Eigenschaften. Mehrfachdrehkondensatoren gibt es mit bis zu vier gekoppelten Einzelkondensatoren, die mit einer gemeinsamen Welle verstellt werden.

Trimmbare Drehkondensatoren

Häufig ist bei Drehkondensatoren die äußere, mechanisch zugängliche Rotorscheibe geschlitzt (gefiedert), so dass einzelne Segmente entstehen. Durch mechanisches Verbiegen einzelner oder mehrerer Segmente dieser Fiederung kann bei Luftdrehkondensatoren eine geringe Anpassung der variablen Kapazität erreicht werden, womit der elektrische Gleichlauf zwischen mehreren Oszillatorkreisen verbessert werden kann. Bei Überlagerungsempfängern sorgt dieser Gleichlauf für einen konstanten Abstand zwischen der Empfangs- und der Oszillatorfrequenz.

Antriebe

Wird eine Sendereinstellung bei sehr eng beieinander liegenden Sendefrequenzen erforderlich, so kann der normale Drehwinkel von 180 Grad von Drehkondensatoren für eine manuelle Abstimmung zu grob sein. In solchen Fällen erfolgt der Antrieb über ein möglichst spielfreies Untersetzungsgetriebe. Davon gab es diverse Ausführungen:

• Stirnradgetriebe mit einem längsgeteilten, mit Feder verspannten Zahnrad
• Seilzug (im Prinzip ein Riementrieb, jedoch mit relativ zur Skalenanzeige fixiertem Seilabschnitt und Spannfeder)
• Reibräder, zum Beispiel eine am Rand zwischen zwei Scheiben auf der Antriebswelle eingeklemmte Blechscheibe
• Planetengetriebe, das durch ein verspanntes Kugellager gebildet wird (Abtrieb: Kugelkäfig); diese Art gestattete mit einem Mitnehmer eine wechselnde Untersetzung – nach knapp einer Umdrehung verringerte der Mitnehmer die Untersetzung von 2:1 (Feinabgleich) auf 1:1 (Schnellgang), indem er den Käfig direkt drehte.

Luft-Korrektionskondensatoren

Luft-Korrektionskondensatoren sind für eine Frontplattenmontage vorgesehen

Eine spezielle Bauform ähnlich der Luft-Drehkondensatoren sind die Korrektionskondensatoren, oder auch Luft-Trimmkondensatoren oder Luft-Plattentrimmer genannt, deren Mechanik auch für häufige und wiederholende Betätigungen ausgelegt ist, deren Einstellbereich jedoch nur von etwa 2 bis 200 pF reicht. Sie müssen zur Justierung vorgegebener Größen im Betrieb von Geräten oder Anlagen zugänglich sein und werden zwar nicht häufig aber doch regelmäßig betätigt.

Luft-Korrektionskondensatoren haben eine Befestigungsplatte, auf der das Statorpaket befestigt ist. Sie sind für eine Zentralmontage vorgesehen. Der Rotor ist über einen Schleifer mit seitlich angebrachten Lötösen verbunden. Diese Kondensatoren sind sehr stabil aufgebaut. Die Antriebswelle ist in der Trägerplatte mit einem Kugellager gelagert. Auch für Luft-Korrektionskondensatoren gibt es verschieden Plattenschnitte (linear, logarithmisch) sowie eine Schmetterlings- und eine Differential-Ausführung. Sie dienen in Sendern kleinerer Leistung zur ständigen, meist manuellen Feineinstellung der Sende- oder Empfangsfrequenz, beispielsweise in militärischen Geräten, oder in Messnormalen zur Kalibrierung von Messgrößen.

Folien-Drehkondensatoren

4-fach-Folien-Drehkondensator mit gemeinsamer Welle (nicht sichtbar) mit je einem angebauten Trimmer pro Sektion (UKW/MW-Transistorradio, um 1990)

Für die Weiterentwicklung der Drehkondensatoren zur manuellen Sendereinstellung war es auch schon vor dem 2. Weltkrieg erforderlich, die Abmessungen zu verkleinern und die Herstellkosten zu senken. Dazu wurde die Konstruktion der Drehkos zwischen zwei Pertinaxplatten gebracht und zwischen die Rotor- und Stator-Platten jeweils eine Hartpapierscheibe gelegt. Durch die damit verbundene höhere Spannungsfestigkeit gegenüber einem reinen Luftdielektrikum konnten die Elektrodenplatten deutlich dichter zusammengebracht werden und diese Pertinax-Drehkondensatoren waren deutlich kleiner als die Luft-Drehkondensatoren, erfüllten jedoch den gleichen Zweck. Sie waren die Vorläufer der späteren Folien-Drehkondensatoren.

Mit der Entwicklung von Kunststoffen in der organischen Chemie nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Pertinax/Hartpapier-Konstruktion ersetzt durch die moderneren und beständigeren Kunststoffe. Zusätzlich wurde die Stator-Rotor-Konstruktion zum Schutz gegen Verschmutzung auch noch gekapselt. Es entstanden die speziell in tragbaren Transistor-Radios zur Sendereinstellung eingesetzten Folien-Drehkondensatoren, deren weiterer Vorteil war, dass sie Lötstift-Anschlüsse in einem genormten Rastermaß hatten und somit für die automatische Bestückung geeignet waren.

Einfach-Drehkondensatoren mit nur einem Stator-Rotor-Paket wurden in kostengünstigen Einkreisern zur Abstimmung und für die Einstellung der Rückkopplung verwendet. Mehrfach-Folien-Drehkos besitzen mehrere Rotor/Stator-Pakete auf einer gemeinsamen Welle. Sie wurden, zum Teil zusammen mit Trimmkondensatoren, in einem Gehäuse zu Kombinations-Drehkondensatoren zusammengefügt. Sie waren sicher in der Handhabung und die Trimmer konnten, da sie auf der Leiterplatte von oben zugänglich waren, nach der Fertigung automatisch abgegleicht werden.

Auch diese Folien-Drehkondensatoren zur Sendereinstellung in Rundfunkempfängern spielen heutzutage industriell keine Rolle mehr.

Variable SF₆-Schutzgaskondensatoren

Für den Abgleich von Sendern mit höherer Hochfrequenz-Leistung vorgesehen sind die mechanisch-variablen SF₆-Schutzgaskondensatoren (Compressed gas variable capacitors). Sie verwenden das inerte Gas Schwefelhexafluorid (SF₆) mit einem Gasdruck von 3 bis 7 bar als Dielektrikum. Variable SF₆-Kondensatoren ähneln den hier beschriebenen #Tauchtrimmern. Das Rotor-Stator-Elektrodenpaket ist in ein hermetisch dichtes Gehäuse eingebaut. Das Schutzgas SF₆ umgibt die Elektroden. Der Drehwinkel ist >360 Grad. Sie wurden unter anderem in Mittel- und Langwellensendern zum Abgleich der Sender-Schwingkreise eingesetzt, hatten einstellbare maximale Kapazitäten von 50 bis 5000 pF, besaßen Prüfspannungen bis zu 80 kV und vertrugen Ströme bis 800 A. Die automatische Verstellung erfolgt bei Sendern während des Betriebes mit Motoren.

Wegen der besseren Eigenschaften eines Vakuum-Dielektrikums, die zu einer kleineren Baugröße bei gleichen Leistungsdaten führt, werden variable SF₆-Schutzgaskondensatoren nicht mehr für Neuanwendungen eingesetzt.

Bauformen historischer Trimmkondensatoren

Allgemeines

Drehplatten-Trimmerkondensator, Einstellung nach dem Einstellen mit rotem Lack fixiert

Trimmkondensatoren, die nur zur Erstinbetriebnahme und ggf. nach Reparaturen zum Abgleich eines Filters oder eines Schwingkreises betätigt werden, sollten nur mit einem isolierenden (HF-neutralen) Werkzeug, meist einem Plastik-Schraubendreher, eingestellt werden, da metallischer Kontakt die Kapazität beeinflussen würde. Wichtig für alle Trimmer ist, dass die einmal eingestellte Kapazität durch Erschütterungen nicht verändert wird. Deshalb wird oft nach dem Abgleich die Welle, über die der Kapazitätswert eingestellt wurde, zur Festsetzung mit Lack fixiert.

Quetsch-Trimmkondensatoren

Mitte der 1920er-Jahre wurde mit dem Vernier-Kondensator eine preiswerte Lösung zur Einstellung eines gewünschten Kapazitätswertes mit Hilfe der Änderung des Plattenabstandes gefunden. Sie wurden „Quetscher“ (Squeezer) genannt und waren die für einen einmaligen Abgleichvorgang zur Einstellung des Oszillatorkreises geeignet. Die Kapazität dieser Vernier-Kondensatoren wurde mit Hilfe einer Stellschraube an einer beweglichen Elektrode verändert. Um Kurzschlüsse zu vermeiden und um die Kapazität zu erhöhen, wurde ein Glimmerplättchen als Dielektrikum verwendet. Damit konnten Kapazitätswerte recht konstant eingestellt werden.

Ein ähnlicher Trimmkondensator nach dem Prinzip des Vernier-Kondensators wurde in den 1930er-Jahren durch Manfred von Ardenne entwickelt, siehe Bild "Drehkondensatoren aus der Anfangszeit der Rundfunktechnik", oben.

Drahttrimmer

Drahttrimmer aus der Anfangszeit der Empfängertechnik entsprachen in ihrem Aufbau den damaligen keramischen Rohrkondensatoren. Das innen metallisierte Keramikröhrchen war außen anstatt mit einer zweiten Metallisierung mit einer aneinander gelöteten Drahtwicklung versehen. Dieser Draht konnte nur abgewickelt aber nicht mehr wieder aufgewickelt werden. Sie wurden bis Ende der 1960er Jahre mit Kapazitätswerten bis etwa 570 pF angeboten.

Tauchtrimmer

Konzentrischer Tauchtrimmer mit abgenommenen Rotor

Trimmerkondensatoren werden zur Feinabstimmung meist parallel zu dem Drehkondensator in einem Abstimmkreis geschaltet und haben deshalb nur einen Bruchteil der Kapazität des Drehkondensators. Sie sind deshalb deutlich kleiner als die Abstimmkondensatoren. Da die Luft als Isolator in den Drehkondensatoren der erstem Empfänger ausreichte, wurde in den 1930er Jahren nach einer Möglichkeit gesucht, mit einfachen Mitteln zu kleineren Kondensatoren zu kommen. Eine einfache konstruktive Lösung für den Aufbau von Trimmerkondensatoren waren die konzentrischen Tauchkondensatoren oder Tauchtrimmer. Sie bestanden aus zwei konzentrischen zylinderförmigen Elektroden unterschiedlicher Größe, die mit Hilfe eines Gewindes auf der zentralen Achse, die den Rotor trägt, ineinander gedreht wurden.

Die Linearbewegung des eintauchenden Teils gestattete eine erste (mechanische) Lösung (Firma Philips, um 1930) eines Programmwahlschalters, um mit einem Tastensatz mittels voreingestellter Kapazitäten, zu denen die Tauchtrimmer parallel geschaltet waren, verschiedene Sender anzuwählen. Nachteilig war die mangelhafte mechanische Genauigkeit und der geometrisch bedingte lineare Kapazitätsverlauf, der den Schwingkreisgesetzen nicht entgegenkommt. Diese Lösung hatte bis in die 1970er-Jahre Bestand, wurde jedoch – wie andere Trimmerkonstruktionen auch – durch die Entwicklung von Kapazitätsdioden nicht mehr benötigt. Das Elektrodenprinzip hat sich jedoch bei variablen Vakuum- und SF₆-Schutzgaskondensatoren erhalten.

Keramik-Scheibentrimmer

Keramik-Scheibentrimmer

Keramik-Scheibentrimmer (Ceramic half-turn trimmer) wurden etwa Mitte der 1930er Jahre entwickelt. Sie bestehen aus einer keramischen Grundplatte, auf deren geschliffener Oberfläche eine halbkreisförmige Metallisierung den Stator bildet. Eine drehbare und unten ebenfalls geschliffene Keramikscheibe, die auf der Oberseite der Keramik eine halbkreisförmige Metallisierung trägt, bildet den Rotor. Die Keramik dieses Rotors und dessen Dicke bildet das Dielektrikum. Zur mechanischen Betätigung ist der Rotor geschlitzt. Ein Schleifkontakt kontaktiert den Rotor mit dem entsprechenden Lötanschluss.

Keramik-Scheibentrimmer wurden aus Klasse-1-Keramiken mit feldstärkeunabhängiger relativer Permittivität, linearer Temperaturabhängigkeit der Kapazität und hohem Gütefaktor hergestellt. Durch diese guten Eigenschaften konnte mit der Keramik der teure Glimmer als Dielektrikum preiswert ersetzt werden.

Diese mit präzisen Temperaturverläufen behafteten Scheibentrimmer wurden zu beliebten Abgleichkondensatoren, weil sie zu temperaturstabilen Oszillatorfrequenzen beitrugen. Ihr prinzipieller Aufbau wurde in den SMD-Trimmern beibehalten, jedoch haben die älteren Baugrößen heutzutage keine industrielle Anwendung mehr.

Folientrimmer

Kunststoff-Folientrimmer

Parallel zu der Entwicklung der oben beschriebenen #Folien-Drehkondensatoren wurden Anfang der 1960er-Jahre auch Folien-Trimmkondensatoren entwickelt und in Rundfunkgeräten eingesetzt. Sie sind ähnlich wie die Drehkondensatoren aufgebaut, bei denen die kapazitiv wirksame Fläche verändert wird, jedoch befindet sich zwischen den Elektroden noch eine isolierende und dielektrisch wirksame Kunststofffolie.

Diese Trimmer wurden für unterschiedliche Anforderungen mit unterschiedlichen Kunststofffolien hergestellt. Für Standardanwendungen in Heimgeräten kamen Polyäthylenfolien (PEN) und Polypropylenfolien (PP) zum Einsatz, für professionelle Anwendungen wurden auch Kunststoff-Folientrimmer mit Teflonfolie (PTFE) hergestellt. Maximal einstellbare Kapazitätswerte waren 3,5 bis 100 pF.

Durch die Verwendung des Kunststofffolien-Dielektrikums mit der höheren Permittivitätszahl und der höheren Spannungsfestigkeit konnten Kunststoff-Folientrimmer gegenüber Lufttrimmern deutlich kleiner werden. Außerdem wurden sie von Anfang an für Leiterplattenmontage konzipiert. Die Lötanschlüsse, zwei für den Rotor und einen für den Stator, ergaben eine 3-Loch-Befestigung, die in einem genormten Rastermaß angeordnet war. Dadurch besaßen sie eine fixierte Position im Gerät und waren automatisch bestückbar sowie automatisch abgleichbar.

Folientrimmer werden heutzutage (2017) nur noch selten und dann in Geräten mit kleinen Stückzahlen eingesetzt.

Bauformen aktueller mechanisch variabler Kondensatoren

Rohrtrimmer

Rohrtrimmer gibt es in einer großen Anzahl unterschiedlicher Bauformen und Baugrößen

Rohrtrimmer (Multiturn trimmer) bestehen aus einem Röhrchen aus isolierendem Material, das außen eine Metallhülse als Stator mit dem Statoranschluss trägt. In das Röhrchen wird der Rotor, eine Metallspindel, die über eine Kontaktfeder elektrisch mit dem Rotoranschluss verbunden ist, hineingedreht oder hineingeschoben. Durch die sich ändernde Überlappung von Stator und Rotor, den Elektroden, ändert sich die kapazitiv wirksame Fläche und damit die Kapazität des Kondensators. Aufgrund ihres einfachen und stabilen Aufbaus sind diese Trimmerkondensatoren relativ unempfindlich gegen Schock- und Vibrationsbeanspruchung.

Eine ähnlich aufgebaute Bauform für Anwendungen im hohen GHz-Bereich ist der „Kolbentrimmer“ (Piston trimmer)

Eine weitere ähnliche Bauform, die für Mikrowellen-Anwendungen bis zu 100 GHz geeignet ist, werden „Mikrowellen-Abstimmelemente genannt.

Rohrtrimmer mit einem Keramikröhrchen als isolierendes Material wurden in den 1930er Jahren entwickelt. Sie sind eine Weiterentwicklung der Keramik-Rohrkondensatoren, einer Bauform, die aus einem Keramikröhrchen bestand, das innen und außen metallisiert war und in den damaligen Radios vielfach eingesetzt wurden.

Rohrtrimmer haben ein geschichtetes Dielektrikum, das sich aus dem dielektrischen Material des Röhrchens und dem Luftspalt zwischen dem Röhrchen und der Metallspindel zusammensetzt. Die Güte des Kondensators und der Temperaturkoeffizient (TK-Wert) werden aber im Wesentlichen durch das dielektrische Material bestimmt, können aber durch das verwendete Spindelmaterialien wie Messing oder Invarstahl und deren Ausdehnungskoeffizient beeinflusst werden. Sie lassen sich aufgrund des wirksamen Drehwinkels der Spindel, der ein Mehrfaches von 360 Grad beträgt, recht präzise einstellen. Aufgrund ihres einfachen und stabilen Aufbaus sind diese Trimmerkondensatoren relativ unempfindlich gegen Schock- und Vibrationsbeanspruchung.

Rohrtrimmer werden auf der Innenseite der Statoren mit folgenden dielektrischen Materialien ausgekleidet:

• Luft-Rohrtrimmer (Air dielectric multiturn trimmer) mit einem Epoxid-Abstandshalter sind für Frequenzen bis etwa 1,5 GHz und eine Prüfspannung von 500 bis 2000 V geeignet
• Keramik-Rohrtrimmer (Ceramic dielectric multiturn trimmer) sind für Frequenzen bis etwa 1,5 GHz und eine Prüfspannung von 500 bis 2000 V geeignet und können mit unterschiedlichen Klasse 1-Keramiken für angepasste Temperaturkoeffizienten hergestellt werden
• Teflon-Rohrtrimmer (PTFE dielectric multiturn trimmer) sind für Frequenzen bis etwa 5 GHz und ein Prüfspannungen bis 20000 V geeignet
• Glas-Rohrtrimmer (Glass dielectric multiturn trimmer) haben höhere Kapazitätswerte bis 120 pF mit Prüfspannungen bis 2500 V
• Quarz-Rohrtrimmer (Quartz dielectric multiturn trimmer) haben einen sehr hohen Gütefaktor
• Saphir-Trimmer (Sapphire dielectric multiturn trimmer) benutzen Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Dielektrikum, ein Material, das als Dielektrikum der Aluminium-Elektrolytkondensatoren weit verbreitet ist. Sie zeichnen sich aus durch einen sehr hohen Gütefaktor und einem sehr geringen Temperaturkoeffizienten und sind für Frequenzen bis 10 GHz geeignet.

Eingesetzt werden Rohrtrimmer im VHF-, UHF- und Mikrowellen-Frequenzbereich in Radargeräten, in der Luft- und Raumfahrt, in militärischen Kommunikationsgeräten, sowie in medizinischen und industriellen Geräten und Anlagen. und dienen der Frequenzanpassung von Oszillatoren und Frequenzfiltern. Sie werden in vielen unterschiedlichen Anschlussversionen für die Leiterplattenmontage angeboten, sowie für die Lötloch-Leiterplattenmontage oder für die SMD-Montage.

SMD-Trimmer

Schnittbild eines SMD-Trimmerkondensator

SMD-Trimmerkondensatoren

Die aktuell verwendeten Bauformen in Geräten der Elektronik sind oberflächenmontierbar. Dies gilt auch für mechanisch einstellbare Trimmerkondensatoren. Die heute üblichen SMD-Trimmer (SMD Half-turn trimmer oder SMD Single-turn trimmer) sind eine Weiterentwicklung der #Keramik-Scheibentrimmer. Sie haben eine keramische Grundplatte, die jedoch ähnlich den Keramik-Vielschichtkondensatoren ( MLCC) schichtartig aufgebaut ist. Der Stator ist eine halbkreisförmig metallisierte Schicht innerhalb der monolithischen Keramikplatte. Das unterscheidet sie von den Keramik-Scheibentrimmern, bei denen die Stator-Metallisierung auf der Keramik liegt. Die Rotorelektrode ist eine drehbar montierte Metallscheibe mit halbkreisförmigem Profil, die konstruktionsbedingt auf die Grundplatte gedrückt wird. Dadurch, dass die Metallisierung als Schicht in der Keramik-Grundplatte liegt, kann das darüber liegende Keramikmaterial, das Dielektrikum, sehr dünn gehalten werden, wodurch eine höhere Kapazität erreicht werden kann. Der wirksame Drehwinkel beträgt 80° und hat einen linearen Verlauf.

Keramik-SMD-Trimmer werden mit Klasse-1-Keramiken mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten angeboten. Sie können damit temperaturabhängige Abweichungen der Frequenzquelle gezielt ausgleichen. Sie sind für Frequenzen bis etwa 6 GHz geeignet. Für diese recht hohen Frequenzen sind die lieferbaren Kapazitätswerte bis etwa 40 pF für die meisten Anwendungen ausreichend.

Die kleinsten SMD-Trimmer sind in den Baugröße 1,5x1,7x0,9 mm lieferbar. Sie weisen damit eine Grundfläche auf, die vergleichbar ist mit dem bekannten „0805“-Gehäuse (2,0x1,25x1,00 mm) von MLCC- oder Tantal-Kondensatoren. SMD-Trimmer für Wellenlötung sind gekapselt, um Verschmutzungen während des Lötprozesses zu vermeiden. Trimmer für Reflow-Lötung können etwas einfacher geschützt sein.

SMD-Trimmer werden in modernen Schaltungen beispielsweise als paralleler SMD-Trimmer in LC-Kreisen bei thermischer oder alterungsbedingter Abweichung von MLCC-Chip-Kondensatoren zur Kompensation der Kapazitätsänderung benötigt. Sie werden ebenfalls in Quarzoszillatoren zum Ziehen der Oszillatorfrequenz eingesetzt.

Einige Anwendungsbeispiele für SMD-Trimmer sind Mobiltelefone, ferngesteuerte Zugangssysteme, Überwachungskameras, DVD-Geräte und Einbruchsicherungen.

SMD-Laser-Abgleichkondensatoren

Die Kapazität eines Laser-Abgleichkondensators kann durch Wegbrennen der Metallisierung auf der Chip-Oberfläche eingestellt werden.

Bei allen oben variablen Kondensatoren wird der gewünschte Kapazitätswert mechanisch eingestellt. In modernen elektronischen Geräten werden aber große Anstrengungen unternommen, um mechanische Vorgänge zu vermeiden. Diesem Trend folgend, um Abgleichvorgänge zu ermöglichen, wurden SMD-Laser-Abgleichkondensatoren (LASERtrim® RF Tuning Capacitors) entwickelt, deren Kapazitätswert durch gezieltes Wegbrennen von Flächenanteilen einer offen zugänglichen Elektrode einstellbar ist.

Diese Laser-Abgleichkondensatoren, basieren auf dem Herstellungsprinzip von Keramikvielschicht-Chipkondensatoren. Die offen zugängliche Metallisierung der obersten Elektrode kann mit Hilfe eines präzise steuerbaren Laserstrahles schrittweise verdampft werden. Damit lässt sich gezielt ein Kapazitätswert, der je nach Typ bei etwa 20 pF beginnt, bis runter auf etwa 0,5 pF mit einer sehr großen Genauigkeit einstellen.

Die Gütefaktoren (Q) dieser Abgleichkondensatoren hängen ab von der verwendeten Keramikart und bewegen sich im Bereich zwischen 60 und 600. Die Baugrößen dieser SMD-Chip-Bauformen reichen von 0603 bis 1210. Sie können somit mit üblichen Pick-and-Place-Bestückungsautomaten automatisch bestückt werden. Ein weiterer Vorteil dieser SMD-Laser-Abgleichkondensatoren ist, dass sie nicht gegen Verschmutzungen von eventuell eingesetzten Flussmitteln geschützt werden müssen und auch unempfindlich gegen mechanischen Belastungen wie Stoß oder Vibrationen sind.

Mit diesem einstellbaren Kapazitätsbereich werden die SMD-Laser-Abgleichkondensatoren für Abgleichzwecke in Oszillatoren und Frequenzfiltern sowie zur Impedanzanpassung von Antennenkreisen für Frequenzen von 100 MHz bis 2 GHz eingesetzt, beispielsweise für WLAN, Kabel-Modems und RFID-Karten.

Variable Vakuumkondensatoren

Variabler Vakuumkondensator mit Beschreibung des inneren Aufbaus

Für den Abgleich von Sendern mit höherer Hochfrequenz-Leistung vorgesehen sind die mechanisch einstellbaren variablen Vakuumkondensatoren (Variable vacuum capacitors). Sie besitzen als Dielektrikum ein Vakuum mit einem Gasdruck von 10⁻³…10⁻⁷ mbar. Aus der geringen Stoßionisierbarkeit der Luftmoleküle in einem Hochvakuum resultiert die sehr hohe Spannungsfestigkeit von Vakuumkondensatoren, die im Mittel mit etwa 40 kV/mm angegeben wird. Verglichen mit Kondensatoren mit Luftdielektrikum oder mit dem Schutzgas SF6 gefüllten Kondensatoren können sie bei gleichen Leistungsdaten deshalb sehr viel kleiner aufgebaut werden. Die kleinere Bauweise und die geringen dielektrischen Verluste im Vakuum führen außerdem dazu, dass die ohmschen Verluste des Kondensators, die sich im ESR bzw. im Gütefaktor wiederfinden, sehr gering sind. Dadurch haben variable Vakuumkondensatoren eine sehr hohe Strombelastbarkeit.

Variable Vakuumkondensatoren ähneln konstruktiv den oben beschriebenen #Tauchtrimmern. Sie haben einen Stator aus zylinderförmigen Elektroden mit meist mehreren, auf einer Grundplatte montierten Zylindern. Der Rotor, der ebenfalls aus zylinderförmigen Elektroden kleineren Durchmessers besteht, wird mit Hilfe eines Gewindes auf einer zentralen Achse in die Hohlräume der Stator-Zylinder hineingedreht. Um das Vakuum während des Einstellvorganges aufrechtzuerhalten, ist das Schraubgewinde des Rotors innerhalb des Gehäuses mit einer hermetisch abschließenden metallischen Faltenbalg-Manschette umgeben. Eingebaut sind die Elektroden in einem Glas- oder Keramikgehäuse. Der Kondensator wird, ähnlich wie in der Röhrentechnik üblich, mit geeigneten Pumpen evakuiert und verschlossen. Je nach Strombelastbarkeit können die Kondensatoren noch mit Röhren im Gehäuse für eine Luft- oder Wasserkühlung versehen sein.

Das hermetisch abdichtende Gehäuse und der stabile Aufbau macht die variablen Vakuumkondensatoren unabhängig von Umwelteinflüssen aller Art, so dass die elektrischen Eigenschaften dieser Kondensatoren sehr stabil sind. Der ESR solche Kondensatoren variiert im Bereich zwischen 5 bis 20 mΩ für Frequenzen von 2,5 bis 30  MHz. Der Gütefaktor dieser Kondensatoren wird mit 1000 bis 5000 angegeben und liegt damit im sehr hohen Bereich der Güte verglichen mit anderen dielektrischen Materialien. Der Temperaturkoeffizient liegt für ein keramisches Gehäuse bei 50 ppm/%, für Glasgehäuse bei 100 ppm/%.

Das Gewinde auf der Rotorachse ist ein Mehrfaches von 360  Grad. Damit lässt sich der gewünschte Kapazitätswert recht präzise einstellen. Das Verhältnis der minimalen zur maximalen Kapazität kann bis zu 1: 150 betragen. Mit diesem großen Einstellvermögen lassen sich sehr große Frequenzbereiche einstellen. Der Antrieb des Rotors, der häufig während des Sendebetriebes erfolgen muss, kann manuell erfolgen, wird aber oft meist über einen automatisch gesteuerten Motorantrieb bewerkstelligt. Variable Vakuumkondensatoren sind für häufigere Betätigungen ausgelegt. Die mechanische Lebensdauer dieser Kondensatoren wird mit bis zu 1 Million Betätigungszyklen über den vollen Einstellbereich angegeben. Eingesetzt werden variable Vakuumkondensatoren in Hochfrequenz-Sendern größeren Leistungen zur genauen Steuerung der Senderfrequenz. Als Anwendungsbeispiele werden genannt:

• kommerziellen Sendeanlagen
• medizinische MRT-Geräte
• Geräte für die Plasma-Erzeugung zum Ätzen, zur Aufbringung oder Modifikation dünner Schichten, in der Herstellung von Halbleitern, Integrierten Schaltungen, Flachbildschirmen und Solarzellen
• Energieversorgung von CO₂-Laser zur Materialbearbeitung
• Forschungsanlagen wie CERN mit Kondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit bis 100  kV einer Strombelastung bis 1200 A

Hersteller

Hersteller und ihre Produktprogramme von mechanischen variablen Kondensatoren

Hersteller	Verfügbare Ausführungen
	Dreh- kondensatoren, Korrektions- kondensatoren	Folien- trimmer	Rohr- trimmer	SMD- Trimmer	Laser- Trimmer	Variable Vakuum- kondensatoren
Alfred Tronser	X	—	—	—	—	—
AVX	—	—	—	—	X	—
Comet	—	—	—	—	—	X
CTS Tusonix	—	—	—	X	—	—
Dau	—	X	—	X	—	—
Excelia Temex	—	—	X	—	—	—
Jennings	—	—	—	—	—	X
Johanson	—	—	X	X	X	—
Kyocera	—	—	—	X	—	—
Mitsumi	—	X	—	—	—	—
Murata	—	—	—	X	—	—
Oren Elliott	X	—	—	—	—	—
Polyflon (Crane)	—	—	X	—	—	—
Sanshin	—	—	—	X	—	—
Sprague-Goodman	—	X	X	X	—	—
Sumida	—	—	X	—	—	—
Vishay	—	X	—	—	—	—
Voltronics	—	—	X	X	—	—

Halbleiter mit variabler Kapazität

Kapazitätsdioden

Die spannungsabhängige Breite der ladungsfreien Zone bestimmt die Kapazität

Kennlinie einer Varicap-Diode

Die Sperrschicht einer Halbleiterdiode enthält in der Raumladungszone durch Dotierung fest eingebaute unbewegliche positive und negative Ladungsträger. Wird eine Spannung an die Diode gelegt, dann trennen sich die positiven von den negativen Ladungsträgern. Es entsteht eine ladungsfreie Zone (Verarmungszone) mit einem elektrischen Feld zwischen den Ladungsträgern. Dies entspricht einem Kondensator, wobei die Breite der Verarmungszone dem Plattenabstand bei einem Plattenkondensator und das ladungsfreie Halbleitermaterial dem Dielektrikum entspricht. Die Kapazität dieses Kondensators wird Sperrschichtkapazität genannt. Mit steigender Spannung (in Sperrrichtung) an der Diode vergrößert sich die Breite der ladungsfreien Zone, damit nimmt die Sperrschichtkapazität ab. Zwischen der Spannung und der Sperrschichtkapazität besteht eine nichtlineare Abhängigkeit.

Im Prinzip besitzen alle Dioden eine Sperrschichtkapazität. Kapazitätsdioden (Varicaps) haben jedoch durch den Aufbau und durch geeigneter Dotierung eine besonders große Sperrschichtkapazität. Es können Kapazitätswerte bis etwa 600 pF erreicht werden. Durch Änderung der Steuerspannung an der Diode kann eine Kapazitätsänderung bis etwa zum Faktor 30 erreicht werden.

Kapazitätsdioden werden durch die Steuerspannung in Sperrrichtung betrieben, so dass kein Gleichstrom durch die Diode fließt. Die maximale Sperrspannung beträgt etwa 30 V. Um Nichtlinearitäten und Intermodulation zu vermeiden muss die Signalspannung, die in Schwingkreisen immer eine HF-Wechselspannung ist, 3 bis 4 Größenordnungen unter der anliegenden Steuerspannung liegen. Durch diese Begrenzung ist der Einsatz von Kapazitätsdioden für Abstimmkreise auf geringe Signalamplituden begrenzt. Damit waren sie jedoch ab den 1980er Jahren für die breite Anwendung in MW/UKW-Radios- oder in TV-Tunern für VHF- und UHF-Frequenzen geeignet und haben dann in der Folgezeit sehr rasch die mechanische Dreh- und Trimmkondensatoren abgelöst

Als elektrisch steuerbare Kondensatoren mit variabler Kapazität wurden Varicaps zunächst zur Abstimmung der Sendefrequenz bei der Senderwahl eingesetzt. Aber schon bald darauf wurden sie in Mehrkreisempfängern in spannungsgesteuerten Oszillatoren (Voltage Controlled Oscillator (VCO)) für die Frequenzmodulation in den Zwischenkreisen eingesetzt. Mit den erforderlichen Induktivitäten in einem Tuner, einem VCO und einer Phasenregelschleife (phase-locked loop (PLL)) sind Varicaps auch heute noch oft die Schlüsselkomponente bei der Senderwahl in den Empfangsgeräten.

Mechanisch veränderbare Kapazität in MEMS

Chip-Oberfläche der MPU 6050 mit kapazitiven Beschleunigungssensoren und integriertem Gyroskop

Eine der am bedeutendsten Anwendungen einer veränderbaren Kapazität ist der Beschleunigungssensor in Airbag-Systemen, der in der MEMS-Technologie aufgebaut ist. MEMS, das steht für Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (Microelectromechanical Systems) und ist der Oberbegriff der Technologie von mechanisch beweglichen Bauteilen mit Abmessungen im Mikrometerbereich, die meist zusammen mit einer elektronischen Schaltung, oft auf demselben Substrat bzw. Chip, gemeinsam eine Schaltung bilden. Sie bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren mechanisch beweglichen Einheiten, Sensoren, aus deren Bewegungen Daten erzeugt werden, die dann mit Hilfe einer Steuerungselektronik (Mikroprozessor) verarbeitet werden, um daraus Stellgrößen zu generieren.

MEMS-Sensoren bzw. –Schaltungen werden mittels des reaktiven Ionentiefätzverfahrens (deep reactive ion etching, DRIE) hergestell. Das ist ein hoch anisotroper Trockenätzprozess für die Herstellung von Mikrostrukturen in Silicium mit einem Aspektverhältnis (Verhältnis von Tiefe zu Breite) von bis zu 50:1, wobei Strukturtiefen von einigen 100 µm erreicht werden können. Der Trockenätzprozess für Silicium wurde Anfang der 1990er Jahre von F. Lärmer und A. Schilp bei der Robert Bosch GmbH entwickelt und patentiert, daher hat sich die Bezeichnung Bosch-Prozess als Synonym für das reaktive Silicium-Ionentiefenätzen eingebürgert.

Die mit diesen Methoden gefertigten Beschleunigungssensoren in Airbag-Schaltungen messen die von außen einwirkende Beschleunigung indem die Trägheitskraft bestimmt wird, die auf eine Testmasse einwirkt. Es sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die bewegliche „Masse“ eine Anordnung mehrerer Elektroden ist, die an „Federn“ hängen. Die Federn sind nur wenige μm breite und am Substrat befestigte Silicium-Stege. Um eine freitragende Struktur zu erhalten, wird die unter den Elektroden der Masse und den Federn liegende Schicht aus Siliciumdioxid durch Ätzen entfernt. Im Ruhezustand befinden sich die Elektroden der Masse mittig zwischen feststehenden Bezugselektroden auf dem Substrat.

Diese Elektrodenanordnung bildet einen Kondensator mit einem Luft-Dielektrikum. Durch die Auslenkung der Masse bei einer Beschleunigung ändert sich der Plattenabstand zwischen den beweglichen Elektroden der Masse und den festen Bezugselektroden und die Kapazität dieses Kondensators ändert sich. Durch die geringe Masse des Systems arbeitet der Sensor sehr schnell. Der gesamte Messbereich entspricht einer Kapazitätsänderung von ca. 1 pF. Diese kleine Änderung reicht aus, um in einer nachgeschalteten integrierter Schaltung (IC), die sich meist auf demselben Chip befindet, das Steuersignal zur Auslösung des Airbags zu bewirken.

Diese Art von Beschleunigungssensoren hat den Vorteil relativ geringer Stückkosten (Massenfertigung) und hoher Zuverlässigkeit (manche solcher Sensoren können noch Beschleunigungen bis zum Tausendfachen des Messbereichs ohne Schaden überstehen).

Mechanisch variable Kondensatoren, wichtige Kennwerte

Spannungsfestigkeit

Hochspannungs-Stellkondensator der Küstenfunkstelle Norddeich Radio

Üblicherweise wird bei Kondensatoren, abhängig vom jeweiligen dielektrischen Material, eine Spannungsfestigkeit angegeben. Dies ist bei variablen Kondensatoren aus mehreren Gründen nicht ohne weiteres möglich. Bei Dreh- und Trimmerkondensatoren mit Luftdielektrikum hängt die Durchschlagsspannung von der jeweiligen absoluten Luftfeuchte ab, sie nimmt mit dieser zu. Bei keramischen Dielektrika kann die Durchschlagsspannung einer keramischen Schicht in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Elektrodenmaterials und der Sinterbedingungen bis zum Faktor 10 variieren, ist jedoch meist nicht maßgeblich, da zuerst die Luft- und Kriechwege durchschlagen.

Folien-Drehkos und -trimmer können durch mechanische Beanspruchung und Feuchtigkeitsaufnahme der Folien in ihrer Spannungsfestigkeit beeinträchtigt sein. Hohe Wechselspannungen können durch Vorentladungen zu Langzeitschäden der organischen Folien führen.

Der meist offene Aufbau von variablen Kondensatoren mit Luftdielektrikum kann während des Betriebs verschmutzen. Staub beeinflusst die Spannungsfestigkeit meist zum Negativen.

Die Spannungsfestigkeit von einstellbaren Kondensatoren wird meist lediglich mit einer Prüfspannung spezifiziert. Die Betriebsspannung von Dreh- oder Trimmerkondensatoren sollte 50 % der Prüfspannung nicht überschreiten.

Ohmsche Verluste, Güte Q, Verlustfaktor tan δ und ESR

Serien-Ersatzschaltbild eines Kondensators

Die ohmschen Verluste eines variablen Kondensators setzen sich zusammen aus dem Zu- und Ableitungswiderstand, dem Übergangswiderstand der Elektrodenkontaktierung, dem Leitungswiderstand der Elektroden, den dielektrischen Verlusten im Dielektrikum sowie parallel dazu dem Isolationswiderstand des Kondensators.

Im Allgemeinen werden die ohmschen Verluste eines Kondensators mit dem R_ESR, meist kurz ESR (Äquivalenter Serienwiderstand) genannt, oder dem Verlustfaktor tan δ angegeben. Bei den heutzutage für HF-Applikationen noch eingesetzten Multiturn- und SMD-Trimmkondensatoren, den SMD-Abgleichkondensatoren und für variable Vakuumkondensatoren wird an Stelle des Verlustfaktors oft der Kehrwert des Verlustfaktors, die „Güte Q“ oder der „Gütefaktor“ spezifiziert. Ein großer Wert der Güte entspricht einer kleinen Bandbreite B bei der Resonanzfrequenz f₀ des Kondensators. Da der Verlauf der Impedanzkurve im Resonanzbereich umso steiler ist, je kleiner der tan δ ist, bieten große Zahlenwerte einer großen Güte eine anschaulichere Aussage über die ohmschen Verluste des Kondensators.

Die besten Werte der Güte Q besitzen die Luft-Drehkondensatoren, die Luft-Korrektionskondensatoren (Luftplattentrimmer) und die variablen Vakuumkondensatoren. Es werden in den jeweiligen Datenblättern Gütewerte bei 1 MHz von 1000 bis 8000 oder sogar noch höher spezifiziert. Sehr hohe Gütewerte um die 5000 bei 1 MHz weisen auch die Multiturntrimmer auf. Im Vergleich dazu weisen alle Trimmerkondensatoren, die mit Keramikmaterialien aufgebaut sind, bestenfalls Güten von etwa 300 bis 600 auf.

Schaltzeichen

Schaltzeichen von variablen Kondensatoren

Der Pfeil in den Schaltzeichen der Drehkondensatoren soll die ständige Bereitschaft des Bauteils für einen Einstellvorgang andeuten. Das Schaltzeichen für Drehkondensatoren findet auch für Korrektionskondensatoren Verwendung.

Normen

Die allgemeinen Definitionen der für variable Kondensatoren relevanten elektrischen Werte, der Prüfungen und Prüfverfahren sowie der Messvorschriften zu den Prüfungen sind festgelegt in der Fachgrundspezifikation

• EN 134000, Einstellbare Kondensatoren (Bauartanerkennung und Befähigungsanerkennung)

Für variable Kondensatoren gelten, je nach Bauform, mehrere Rahmenspezifikationen. Die Prüfungen und Anforderungen, die die jeweiligen Kondensatoren für eine Approbation erfüllen müssen, sind festgelegt in:

• EN 134101, Vordruck für Bauartspezifikation: 1-Gang-Scheiben-Einstellkondensatoren (Bauartanerkennung)
• EN 134102, Vordruck für Bauartspezifikation: Mehr-Gang konzentrische Kondensatoren (Bauartanerkennung)
• EN 134104, Vordruck für Bauartspezifikation: Einstellquetsch-Kondensatoren (Bauartanerkennung)

Die Normen sind in Deutschland als DIN-Normen veröffentlicht.

Weblinks

Commons: Variable Kondensatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Literatur

• Otto Zinke, Hans Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer, Berlin, 1982, ISBN 3-540-11334-7. 
• Handbuch der Elektronik. Franzis Verlag GmbH, München 1979, ISBN 3-7723-6251-6.
• Dieter Nührmann: Werkbuch Elektronik: das große Arbeitsbuch mit Entwurfsdaten, Tabellen und Grundschaltungen für alle Bereiche der angewandten und praktische Elektronik. In: Franzis-Elektronik-Nachschlagewerk. 3, Franzis Verlag GmbH, München 1981, ISBN 3-7723-6543-4.
• Kurt Leucht: Kondensatorenkunde für Elektroniker. Franzis Verlag GmbH, 1981, ISBN 3-7723-1491-0.
• Peter von Bechen: 100 Jahre Drehkondensator-Abstimmung. Der Beitrag Dr. Adolf Koepsels zur Entwicklung der Funktechnik. Funkgeschichte, Heft 142 (2002) Seiten 72 bis 79. ISSN 0178-7349.