Скачать

Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением

Термином радиоэлектронная аппаратура (РЭА) называют устройства или совокупности устройств, в которых исполняют полупроводниковые, электронные, газоразрядные и им аналогичные приборы.

Непременными изделиями любого устройства являются элементы. Часть этих элементов является составной частью конструкции устройства и предназначается для различных механических соединений, передачи и направления движений – различные оси и валы, колёса и шестерни, подшипники, скобы, планки.

Другая часть элементов сочетает выполнение механических операций с электрическими. Это различные переключатели, реле, электродвигатели, штепсельные разъёмы и аналогичные им электрические элементы.

И, наконец, третья часть элементов, особенно многочисленная и характерная для РЭА, образует электрическую схему. Согласно ГОСТ 2.701-68 их называют элементами схемы. К ним относят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и различные полупроводниковые и электронные приборы. Такие элементы могут иметь достаточно сложное устройство, но не допускают разделения на части, имеющие самостоятельное функциональное назначение.

Наибольшее применение в РЭА находят резисторы, конденсаторы и некоторые моточные изделия. Их называют элементами (радиокомпонентами) общего применения. Можно указать, что на один усилительный прибор (например, трансформатор) в среднем приходится от 4 до 25 резисторов, от 2 до 15 конденсаторов и от 3 до 5 различных моточных изделий. Поэтому мировое производство резисторов и конденсаторов составляет миллиарды штук в год. В меньших количествах применяются конструктивно более сложные изделия – различные колебательные контуры и фильтры, называемые специальными элементами.

Элементы общего применения являются изделиями массового производства, поэтому они подверглись достаточно широкой нормализации и стандартизации.

Стандартами и нормами установлены технткоэкономические и качественные показатели, параметры и размеры. Такие элементы называют типовыми. Выбор типовых элементов производится по параметрам и характеристикам, которые описывают их свойства, как при нормальных условиях эксплуатации, так и при различных воздействиях (климатических, механических и др.).

Специальные элементы широкой нормализации и стандартизации не подверглись, а поэтому проектируются применительно к требованиям электрической схемы и конструкции конкретного устройства и условиями его эксплуатации.

Основными электрическими параметрами являются номинальное значение величины, характерной для данного элемента (сопротивление резисторов, ёмкость конденсаторов, индуктивность катушек и т.д.) и пределы допускаемых отклонений; параметры характеризующие электрическую прочность и способность долго выдерживать электрическую нагрузку; параметры характеризующие потери, стабильность и надёжность.

1.Общие свойства конденсаторов

Конденсаторы применяемы в РЭА, можно разделить на конденсаторы постоянной ёмкости, переменной ёмкости и подстроечные конденсаторы.

Конденсаторы постоянной ёмкости применяют в различных фильтрах, а также в колебательных контурах для получения фиксированной настройки, сопряжения, термокомпенсации и т. п.

Конденсаторы постоянной ёмкости, так же как и резисторы, являются особенно широко применяемыми элементами схемы, к которым предъявляются чрезвычайно разнообразные требования. Поэтому существует большое количество типов конденсаторов, значительная часть которых стандартизована (типовые конденсаторы) и налажено их массовое производство.

Выбор нужного типа производится на основании электрических характеристик.

Конденсаторы переменной ёмкости (КПЕ) применяются для плавной настройки колебательных контуров, регулировки различных связей и т. п. Конденсаторы переменной ёмкости ещё не подверглись полной стандартизации, и их разрабатывают применительно к схемам и требованиям конкретного задания.

Подстроечные конденсаторы применяют в тех цепях, ёмкость которых должна точно устанавливаться при разовой или периодической регулировке и не изменяться в процессе эксплуатации, например для выравнивания начальных ёмкостей сопряженных контуров, для настройки контуров с фиксированной настройкой, в качестве конденсаторов связи и т. п. Некоторые типы подстроечных конденсаторов стандартизованы и производятся в установленном порядке.

В зависимости от вида применяемого диэлектрика различают конденсаторы с газообразным, жидким и твёрдым диэлектриком. Отдельную группу составляют конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические).

Конденсаторы с газообразным диэлектриком могут быть: вакуумными, газонаполненными и воздушными. Конденсаторы с твёрдым диэлектриком подразделяются на конденсаторы с органическим диэлектриком – бумажные, металлобумажные и плёночные (из органических синтетических плёнок) и на конденсаторы с неорганическим диэлектриком – керамические, слюдяные, стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые и т. п. Конденсаторы с жидким диэлектриком, а также вакуумные и газонаполненные в относительно маломощной РЭА имеют ограниченное применение.

Конденсаторы постоянной ёмкости обычно выполняются в твёрдом диэлектрике из конденсаторной керамики, слюды, бумаги, синтетических плёнок, конденсаторы переменной ёмкости – с воздушным диэлектриком.

Свойства конденсаторов характеризуются следующими основными параметрами: номинальной ёмкостью и допустимыми отклонениями от фактической ёмкости от номинальной; электрической прочностью; реактивной мощностью; сопротивлением изоляции; потерями; собственной индуктивностью и параметрами, характеризующими надёжность и стабильность ёмкости при воздействии температуры, влажности и других климатических и механических факторов, при длительном хранении, а также размером, массой и стоимостью. Конденсаторы переменной ёмкости характеризуют рядом дополнительных параметров, которые будут рассмотрены ниже.

Номинальная ёмкость типовых конденсаторов постоянной ёмкости (кроме электролитических, бумажных и плёночных) установлена ГОСТ 2519-67. Численные значения номинальных ёмкостей определяются рядами предпочтительных чисел Е6, Е12 и Е24 для допускаемых отклонений 5, 10 и 20% и более и рядами Е48, Е96 и Е192 для допускаемых отклонений меньше 5 %. Ёмкость электролитических конденсаторов (в мкФ) определяется рядом 1, 2, 5, 10, 20, и т. д.; ёмкость бумажных (в мкФ) – рядом 0,1, 0,25, 0,5, 1,2, 4,6, 8, 10, 20, 40 и т. д.

Для конденсаторов переменной ёмкости и подстроечных номинальной ёмкости не установлены.

Допускаемые отклонения фактической ёмкости от номинальной для конденсаторов постоянной ёмкости установлен ГОСТ 9661-73. Наиболее употребительными являются конденсаторы с допускаемым отклонением 5, 10, 20%. Для прецизионных установлены меньшие пределы (от 0,1%), для конденсаторов, к точности которых не предъявляется строгих требований, например для электролитических, до %.

Для оценки размеров различных конденсаторов их ёмкость относят к единице объёма и называют это отношение удельной ёмкостью (мкФ/кл³). Наибольшей удельной ёмкостью обладают электролитические конденсаторы, а наименьшей воздушные.

Электрическая прочность конденсаторов характеризуется:

a) нормальным (идеально допускаемым) напряжением – максимальным напряжением, при котором конденсатор может работать в заданном диапазоне температур в течении гарантированного срока службы. Шкала номинальных напряжений установлена ГОСТ 9665-68;

б) исключительным напряжением – максимальным напряжением, при котором конденсатор может, находиться не пробиваясь, небольшой промежуток времени. Это напряжение характеризует электрическую прочность конденсатора при кратковременных перегрузках;

в) пробивным напряжением – минимальным напряжением, при котором происходит пробой диэлектрика. Конденсаторы для очень высоких напряжений – десятки киловольт характеризуется ещё разрядным напряжением по поверхности.

Соотношение между этими напряжениями определяется видом диэлектрика.

Электрическая прочность зависит от конструкции конденсатора и внешних условий; при повышении температуры, влажности и понижении атмосферного давления (до определённого предела) она уменьшается. Поэтому допускаемое (рабочее) напряжение должно быть ниже номинального.

Реактивная мощность – характеризует нагрузочную способность конденсатора в случаях, когда при наличии на конденсаторе больших напряжений высокой частоты, например больше 1000 В. может произойти перегрев диэлектрика и разрушение конденсатора.

Сопротивление изоляции между обкладками конденсатора и между обкладками и корпусом определяется качеством применяемого диэлектрика. При низком сопротивлении изоляции появляются значительные токи утечки, которые могут нарушить работу определённых участков схемы. Совершенно недопустимо применение конденсаторов с утечкой в качестве переходных.

Сопротивление изоляции зависит от температуры и влажности; при повышении температуры и влажности она резко падает.

Потери в маломощных конденсаторах в основном вызывается замедленной поляризацией и проводимостью диэлектрика; потери в обкладках и выводах таких конденсаторов достаточно малы, и ими обычно пренебрегают.

Конденсаторы с потерями понижают добротность колебательных контуров и создают дополнительные фазовые сдвиги в электрических цепях, влияют на величину ёмкости и на стабильность конденсатора.

Потери характеризуются тангенсом угла потерь tg ,называют добротностью конденсатора: Q_c=.

На величину потерь значительное влияние оказывают влажность и температура. При повышении частоты, температуры, влажности потери возрастают.

Современные конденсаторы характеризуются очень малым tg: tg.

Абсорбция – явление, при котором после короткого замыкания конденсатора (кратковременного) напряжения на нём спадает до нуля, но после размыкания может восстановиться до некоторого значения. Этот процесс оценивают коэффициентом абсорбции k_a, представляющим собой отношение восстановившегося напряжения к первоначальному.

Собственная индуктивность слагается из индуктивности самого конденсатора (рабочего элемента) и индуктивности внешних и внутренних соединительных проводников. Индуктивность самого конденсатора зависит от размеров рабочего элемента, его расположение относительно корпуса и способа соединения выводов с обкладками. Чем меньше размеры конденсатора, чем короче и толще выводы и внутренние соединительные проводники, тем меньше собственная индуктивность.

Стабильность конденсатора характеризуется изменением его собственных основных параметров, главным образом под воздействием температуры, влажности, атмосферного давления, механических усилий, времени и т. п.

Обозначение и маркировка типов конденсаторов установлено ГОСТ 13453-68 и состоит из букв и цифр. Первые буквы означают:

К – конденсатор постоянной ёмкости,

КП – конденсатор переменной ёмкости,

КТ – конденсаторы подстроечные.

Число, следующее за буквенным обозначением, указывает на вид диэлектрика.

Например, для постоянных: 10 – керамические, 20 – стеклянные, 30 – слюдяные малой мощности, 40 – бумажные и т. д.; для переменных: 2 – воздушные, 4 – с твёрдым диэлектриком (так же для подстроечных). Затем следует число (после тире), указывающие на порядковый номер разработки.

2. Анализ задания

2.1 Переменные конденсаторы (конденсаторы переменной ёмкости)

Конденсаторы переменной ёмкости состоят из двух систем параллельных пластин, одна из которых может плавно перемещаться, и пластины при этом заходят в зазоры между пластинами второй системы: это изменяет активную площадь, а, следовательно, и ёмкость конденсатора. Неподвижную систему называют статором, а подвижную – ротором.

Наибольшее распространение получили конденсаторы с плоскопараллельными пластинами и вращательным перемещением ротора. Конденсаторы с поступательным перемещением ротора имеют большие размеры, сложнее в производстве и не получили широкого применения.

В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы переменной ёмкости можно разделить на конденсаторы с воздушным и твёрдым диэлектриком.

Наиболее часто применяют конденсаторы с воздушным диэлектриком, так как они отличаются большей точностью установки ёмкости, малыми потерями и высокой стабильностью. Конденсаторы с твёрдым диэлектриком несколько проще в изготовлении, имеют меньшие размеры, но обладают сравнительно низкой точностью и стабильностью, а поэтому применяются в основном в качестве регулировочных в низкочастотных контурах и в радио тракте малогабаритных транзисторных приёмниках. Газонаполненные и вакуумные конденсаторы и конденсаторы с жидкостным диэлектриком отличаются сложностью конструкции, поэтому имеют очень ограниченное применение, преимущественно мощном радио строении.

В зависимости от угла поворота подвижной системы различают конденсаторы с нормальным угловым диапазоном, при котором полный угол поворота равен 180⁰, с расширенным угловым диапазоном – полный угол поворота ротора больше 180⁰ и с уменьшенным угловым диапазоном, например равным 90⁰. Конденсаторы с расширенным угловым диапазоном наиболее часто применяются в контурах УКВ.

Основное применение КПЕ находят в качестве элемента настройки диапазонных колебательных контуров. Поэтому важной его характеристикой является закон изменения ёмкости – функциональная характеристика, которая определяет характер изменения частоты колебательного контура при настройке. По этим признакам КПЕ различают, на прямоёмкостные (линейные), прямоволновые (квадратичные), прямочастотные, логарифмические (среднелинейные) и специальные.

При настройке с помощью КПЕ колебательных контуров пределы престройки (пределы перекрытия диапазона) в значительной мере зависит от величины максимальной и минимальной ёмкости конденсатора.

Максимальная ёмкость конденсатора определяется диапазоном, а минимальная – паразитными ёмкостями, которые зависят от конструкции.

Широкое применение находят блоки конденсаторов переменной ёмкости, которые состоят из нескольких конденсаторных секций, посажённых на общую ось. При большом числе секций уменьшается механическая жёсткость блока, увеличиваются его размеры, и понижается стабильность из-за возможных прогибов и скручивания длинной оси.

Секции блока КПЕ в основном делают одинаковыми. В отдельных случаях применяют блоки КПЕ с разнотипными секциями.

2.2 Выбор направления проектирования на основе данного задания

В задании нужно рассчитать и сконструировать односекционный конденсатор переменной ёмкости для нормальных условий эксплуатации. Даны пределы изменения ёмкости. Тип конденсатора прямоёмкостный. Рабочее напряжение U_раб=500 В.

В первую очередь определимся с условиями эксплуатации прибора. Из задания видно, что конденсатор работает в нормальных условиях.

Нормальными условиями эксплуатации принято считать условия, при котором температура окружающего воздуха составляет +15+25⁰С, влажность 45-70% и атмосферное давление Па (650-800 мм рт. ст.), отсутствуют агрессивные газы, испарения соли и механические воздействия, а также радиационные воздействия. Из всего этого следует вывод, что строгих требований по защите от температуры, давления, радиации, механических воздействий, по герметизации конденсатора, не сложно, а значит, упрощается конструкция.

Конденсатор односекционный, следовательно, у него имеется один ротор и один статор. Тип конденсатора прямоёмкостный. Такие конденсаторы характеризуются функциональной линейной характеристикой при повороте подвижной системы на угол : С=а+в.

При этом плотность настройки, получается, по диапазону не равномерно; при малых ёмкостях она велика, а при больших – мала. Такие конденсаторы применяют часто в качестве регулировочных, подстроечных и для настройки контуров при малом коэффициенте перекрытия диапазона. В этом случае шкала по частоте получается практически линейной. На рисунке 2.1 приведены графики изменения ёмкостей и частоты контура с прямоёмкостным конденсатором.

Прямоёмкосный конденсатор имеет простейшую форму пластин – полукруглую. При этом можно получить удовлетворительную линейную зависимость ёмкости от угла поворота (рисунок 2.2).

Напряжение, на котором работает конденсатор, даёт возможность варьировать зазор между пластинами, т. к. при данном напряжении вероятность пробоя воздуха (как диэлектрика) очень низка.

С, пФ f, кГц

1300

500 1200

1100

400 1000

900

300 800

700

200 600

500

400

100 300

200

0 20 40 60 80 0 20 40 60 80

рис 2.1 рис 2.2

Все вышеприведённые факторы обличают процесс конструирования, и есть возможность заранее спрогнозировать основные элементы конструкции.

2.3 Обзор и анализ аналогичных конструкций

Кроме рассмотренных прямоёмкостных конденсаторов есть ещё множество других, отличающихся по своим характеристикам друг от друга приборов.

Само различие конденсаторов может заключаться в методе изменения ёмкости. Наиболее целесообразным в настоящий момент остаётся метод управления ёмкостью через геометрические параметры, определяющие взаимодействующую поверхность электродов конденсатора.

Управление ёмкостью через изменение проницаемости трудно и к тому же чревато изменением других важных параметров конденсатора. Остальные способы, так или иначе, связаны с напряженностью поля конденсатора, что влияет на электрическую прочность.

Сохранить постоянство расстояний между поверхностями электродов конденсатора, изменяя его ёмкость при помощи того или иного перемещения электродов, приводящего лишь к изменению взаимодействующей поверхности их, можно лишь при наличии таких, цилиндрических или сферических конденсаторов (при неполных сферах).

Конденсаторы с плоскими пластинами и вращательным перемещением одних пластин относительно других:

- прямоёмкостные (см. выше).

- прямоволновые – дают линейное изменение длины волны контура. Ёмкость конденсатора при этом должна изменяться не линейно: . Такие конденсаторы имеют ограниченное применение: преимущественно в некоторых измерительных приборах.

- прямочастотные конденсаторы дают линейную зависимость частоты контура от угла поворота ротора, что обеспечивает постоянную

- плотность настройки по диапазону. Функциональная характеристика ёмкости при этом имеет вид: , т. е. ёмкость должна убывать при увеличении угла поворота. Более привычны прямочастотные конденсаторы с так называемым “обратным вращением”, у которых при увеличении угла поворота ёмкость возрастает, а частота контура убывает: . Прямочастотные конденсаторы имеют широкое применение в РЭА.

- логарифмические конденсаторы характеризуется постоянным, в пределах диапазона, относительным изменением ёмкости или частоты. В первом случае конденсаторы называют ёмкостно-логарифмическими - , а во втором частотно-логарифмическими -. По характеру изменения частоты логарифмические конденсаторы приближаются к прямочастотным, но обеспечивают одинаковую точность отсчёта по всему диапазону, поэтому широкое применение в различной РЭА.

Другие виды конденсаторов имеют ограниченное применение, поэтому мы их не рассматриваем.

В приведённых формулах а и b – постоянные, неодинаковые для разных типов конденсаторов. (Определяются по начальным условиям, т. е. при ). Графики изменения ёмкости и частоты контура с различными конденсаторами приведены на рисунке 2.3.

С, пФ f, кГц

1300

500 1200

1 1100

400 1000

2 3 900 4 3

300 800 2

700

200 600 1

500

4 400

100 300

200

0 20 40 60 80 0 20 40 60 80

рис 2.3

Требуемая функциональная характеристика может быть получена приданием специального очертания роторным пластинам или при помощи выреза на статоре, а также всевозможных изломов контурах пластин, ступенчатых радиусов, подключением дополнительной ёмкости и т. д. На рисунке 2.4 изображены очертания пластин различных конденсаторов. Из них следует, что роторные пластины прямочастотных КПЕ имеют чрезвычайно вытянутую форму. Это понижает механическую жёсткость ротора и увеличивает объём конденсатора. Для устранения этого форму пластин изменяют, получая её очертания при помощи 2-х и 3-х сопрягаемых поверхностей (окружностей различного радиуса); площадь такой упрощённой пластины выбирается равной площади пластины правильной формы (очертание показано пунктиром).

Удовлетворительную линейную зависимость частоты от угла поворота можно получить и при полукруглом роторе, сместив центр его вращения относительно центра пластины. В этих случаях линейность изменения частоты несколько нарушается, но общая погрешность не превышает 6-8%.

При малых коэффициентах перекрытия диапазона форма роторных пластин КПЕ всех типов приближается к полукруглой.

Более жесткой конструкцией обладают конденсаторы с полукруглым ротором и специальным статором. Статор при этом снабжается вырезом с переменным радиусом, форма которого определяет требуемый закон изменения ёмкости.

а) б) в) г) д)

рис.2.4.

Конденсаторы с плоскими пластинами и поступательным перемещением: вращательное перемещение заменяется на поступательное перемещение с предельной длинной L. КПЕ с плоскими пластинами и поступательным перемещением не находят широкого применения. Возможны две конструкции КПЕ с цилиндрическими пластинами: 1) с поступательным перемещением одного цилиндра относительно другого; 2) с вращательным перемещением одного цилиндра вокруг другого. Способы изменения ёмкости при поступательном перемещении изображены на рисунке 2.5.

а) б) в)

Рис 2.5

3. Расчет прямоёмкостного конденсатора переменной ёмкости

3.1 Теоретические данные к расчёту

Задачей расчета конденсатора переменной ёмкости является определение конфигурации роторных и статорных пластин, их количества и величины зазора. При этом считаются заданными минимальная и максимальная ёмкости контура, функциональная характеристика, а также требования к точности, стабильности и условиям работы конденсатора.

Рассмотрим расчет при первом способе получения необходимого закона ёмкости, то есть, определим, как должен изменяться радиус ротора для получения необходимой функциональной характеристики. Примем, что угловой диапазон перемещения ротора равен 180⁰.

На рисунке 3.1. изображены пластины конденсатора, ротор которого введён на угол . Давая углу малое приращение , получим соответствующее приращение ёмкостной площади , равное площади заштрихованного сектора: . С другой стороны имеем: . Сравнивая эти два выражения, получим:

(1), где n – общее число пластин (ротора и статора); d – зазор между пластинами ротора и статора; - радиус выреза на статоре для пропуска оси.

Все линейные размеры в приведённых формулах выражены в сантиметрах, ёмкость – в пикофарадах, а углы – в градусах.

Полученное выражение (1) является исходным для расчёта очертания ротора конденсаторов любых типов, так как требует определения лишь значения отношения , что может быть выполнено как аналитически, так и графически.

R

Рис. 3.1

Прямоёмкостный конденсат имеет линейную функциональную зависимость (характеристику). Поэтому и , то есть его ротор будет иметь полукруглую форму.

Для расчёта можно принять, что: .

Дальнейший расчёт проводится по формуле (1). Форма роторов конденсаторов других типов отличается от полукруглой, поэтому расчёт их очертания производится для ряда значений угла , взятых через 10-20⁰.

3.2 Определение исходных данных и численный расчёт

Для расчёта КПЕ необходимо предварительно определение минимальной и максимальной ёмкостей контура, числа пластин n, зазора d и радиуса выреза на статорных пластинах r₀.

С_min=40, С_max=400

Общее число пластин выбирается на основании следующих соображений: при большом числе пластин длина конденсатора получается чрезмерной, при малом – возрастают размеры каждой пластины, что понижает их жёсткость. Рекомендуется число пластин выбирать так, чтобы длина конденсаторной секции примерно была равна среднему радиусу ротора.

Ориентировочно число пластин можно выбрать по таблице 3.1.

Таб. 3.1