Конденсатор переменной ёмкости

Введение

Современная радиоэлектроника является мощным средством научно-технического прогресса. Методы и средства радиоэлектроники проникли во все отрасли науки и техники, они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, в военном деле, в культуре и в быту. Современная радиоэлектроника - это комплекс областей науки и техники, включающий наряду с радиотехникой и электронной техникой оптоэлектронику, рентгеноэлектронику, гамма - электронику и другие.

ХХ столетие, и особенно его вторая половина, ознаменовалась для радиотехники бурным её развитием как по количеству, так и по качеству и сложности функций, выполняемых радиотехническими системами и средствами. Потребности развивающейся радиотехники способствовали развитию электронной техники, и напротив, появление новых электронных приборов, в особенности сверхвысокочастотных и квантовых электронных приборов: магнетронов и клистронов, ламп бегущей и обратной волны, лазеров, мазеров и др., привело к резкому расширению возможностей радиотехники, к освоению СВЧ - диапазонов электромагнитных волн. Всё шире применяются радиотехнические методы для задач, не связанных с излучением электромагнитных волн. Поэтому понятие «радиотехника» стало заменяться более широким понятием «радиоэлектроника».

Из всего разнообразия радиоэлектронных средств (РЭС) в большинстве случаев возникает необходимость в элементах, способных изменять свою ёмкость в зависимости от какого-то внешнего параметра. Наиболее часто изменение ёмкости необходимо для изменения резонансной частоты контура, в состав которого входит элемент. Существует несколько типов таких элементов, одним из которых является конденсатор переменной ёмкости (КПЕ), рассматриваемый в данной работе.

1. Анализ технического задания

1.1 Исходные данные

Минимальная ёмкость, С_min, пФ ……………………….……………….... 10

Максимальная ёмкость, С_max, пФ ………………………………….…….. 225

Рабочее напряжение, U_раб, В ……………………………………….……...150

Температурный коэффициент ёмкости, ?С^-1 ………………………… 45·10-6°с

Рабочий угол, ?……………………………………………………….……. 180

Закон изменения ёмкости …… …….………………………. прямоволновый

Программа, шт. ……….……………………………………..………….. 50000

Условия эксплуатации ………….……………………….. по ГОСТ 15150-69

По условиям ТЗ проектируемый конденсатор предназначен для работы в РЭА, относящихся по ГОСТ 15150-69 ко второй группе. Это стационарная аппаратура, предназначенная для работы на открытом воздухе или в отапливаемых наземных или подземных сооружениях. Значения дестабилизирующих факторов для РЭА этой группы приведены в таблице (3. табл. 3.11).

1.2 Выбор конструкции КПЕ

В ТЗ не обговорены требования к габаритам и массе предложенного к разработке КПЕ. Об отсутствии жестких требований говорит и место его установки - стационарная аппаратура. В связи с этим можно применить воздух в качестве диэлектрика, что позволит сконструировать конденсатор с более высокими качественными показателями по сравнению с конденсаторами с твёрдым диэлектриком. В следующем разделе будут рассмотрены разнообразные варианты конструкций КПЕ и выбраны наиболее подходящие для получения оговоренных в ТЗ характеристик.

2. Анализ аналогичных конструкций

Кроме КПЕ, плавное изменение ёмкости обеспечивают такие элементы, как варикапы и вариконды. Это так называемые конденсаторы переменной ёмкости с электрически управляемой ёмкостью.

Варикапы изменяют свою ёмкость в зависимости от приложенного обратного смещения p-n перехода. Они обладают массой полезных свойств, таких, как малые размеры, высокая добротность и стабильность, но при этом не обеспечивают требуемый в некоторых случаях диапазон изменения ёмкости (точнее коэффициент перекрытия по ёмкости). В результате чего применяются в основном в диапазоне УКВ и на более высоких частотах, а также в схемах, где не требуется большое изменение ёмкости.

В варикондах под действием приложенного постоянного смещения изменяется диэлектрическая проницаемость материала между обкладками. Они имеют коэффициент перекрытия по ёмкости от 2 до 5, но обладают низкой температурной стабильностью ёмкости и не обеспечивают требуемый закон её изменения.

Конденсаторы переменной ёмкости с механическим управлением между собой различаются видом диэлектрика (твёрдый, жидкий или газообразный) и способом задания функциональной зависимости изменения ёмкости от угла поворота (конденсаторы с фигурными пластинами ротора или с вырезом в статорных пластинах).

Воздух по сравнению с твёрдыми и жидкими диэлектриками обладает рядом положительных свойств: ничтожными потерями, малой проводимостью, независимостью диэлектрической проницаемости от частоты и малой зависимостью от температуры, влажности и давления.

К недостаткам воздуха, как диэлектрика следует отнести малые значения диэлектрической проницаемости и пробивного напряжения, что влияет на габаритные размеры КПЕ.

Перечисленные положительные свойства воздуха как диэлектрика позволяют создать наиболее простые конструкции конденсаторов с высокими техническими характеристиками. Исходя из этого- в проектируемом КПЕ в качестве диэлектрика будет использоваться воздух.

У конденсаторов с переменным радиусом выреза в статорной пластине пластины ротора имеют более жесткую конструкцию, что даёт существенное преимущество только для прямочастотного закона изменения ёмкости. Для прямоволновой зависимости такое конструктивное решение является нецелесообразным.

3. Электрический и конструктивный расчет

Суммарное число пластин конденсатора выбирается с учётом того, что суммарная длинна секции должна быть приближённо равна радиусу пластины ротора и суммарная длина КПЕ не должна превышать заданное в ТЗ значение.

Ориентировочно число пластин можно выбрать по таблице (1. табл. 3-8). Принимаем число пластин N = 10

Величина зазора между пластинами ротора и статора выбирается с учётом требований электрической прочности, точности, температурной стабильности, габаритных размеров и производственно-технических соображений.

При амплитуде переменного напряжения на конденсаторе U_раб величину требуемого зазора (мм) для получения необходимой электрической прочности можно найти из следующего выражения:

d = U_раб/(500?700), (3.1)

где U_раб - максимальное рабочее напряжение, В;

500?700 - допустимая напряжённость поля, В/мм.

d_min = 150/700 = 0,214 мм

d_max =150/500 = 0,30 мм

При большом зазоре увеличивается электрическая прочность, увеличивается температурная стабильность, но увеличиваются и габаритные размеры КПЕ. Маленький же зазор даёт плохие стабильность и электрическую прочность при малых габаритных размерах. В связи с этим с этим выбираем d = 0,3 мм, считая это значение оптимальным с точки зрения отношения характеристик и габаритных размеров.

Для предотвращения короткого замыкания между роторными и статорными пластинами в статорных пластинах делается вырез. Его радиус определяется с учётом зазора d и радиуса оси r_оси = d_оси/2 =4/2 = 2 мм по формуле:

r₀ = r_оси+(2?3)d = 2+(2?3)·0,3 = 2.5?2.75 мм

Выбираем максимальное значение r₀ =2.75 мм, так как при таком радиусе уменьшается значение паразитной ёмкости.

3.1 Определение формы и размеров пластин

Прямоволновая зависимость ёмкости от угла поворота математически описывается функцией

С = (a? + b)2, (3.2)

где a = (- )/180;

b = Сmin; K= ;

? - угол поворота ротора.

N - общее число пластин статора и ротора

Зависимость радиуса ротора от угла поворота для получения необходимой функциональной зависимости описывается следующим выражением:

R = , (3.3)

где d - зазор между пластинами, см;

k - постоянная;

r₀ - радиус выреза в пластине статора;

? - угол поворота.

Вычислим значения коэффициентов a и b:

a = ( -)/180 = 0,06

b =10;

Расчёт R произведём при помощи пакета прикладных программ Excel. Результаты работы программы (с шагом 10?) приведены в таблице 3.1.

Средний радиус пластин ротора определяем как среднее арифметическое сведённых в таблицу значений и равен R=9,214

Длина секции определяется по формуле:

l₀ = h_плN + d (N-1), (3.5)

где h_пл - толщина пластины (выбираем h_пл = 0,6 мм);

N - суммарное число пластин в секции;

d - зазор между пластинами ротора и статора, мм.

l₀ = 0,3·10 + 0,6·9 = 8,7 мм

Отношение l₀/R_ср = 0,94 близко к 1, что подчиняется приведённым выше требованиям (l₀ ? R_ср).

3.2 Вычисление температурного коэффициента ёмкости

При изменении температуры воздуха изменяются как физические, так и геометрические размеры (s и d) конденсатора, что приводит к изменению ёмкости. Ёмкость КПЕ состоит из двух составляющих: постоянной (представляет собой минимальную ёмкость С_min, величина которой не зависит от положения ротора) и переменной С_пер, величина которой изменяется при перемещении ротора. Каждая из этих емкостей имеет свой определённый ТКЕ.

Минимальная ёмкость образуется как сумма емкостей через твёрдый диэлектрик и воздух между деталями, находящимися под разными потенциалами. В общем виде можно сказать, что

ТКЕ_min = (3.6)

Так как ёмкость через диэлектрик составляет значительно меньшую часть, чем ёмкость через воздух, то можно приближённо считать это значение равным 20·10^-6 ?С (ТКЕ для воздуха).

Температурный коэффициент переменной части ёмкости можно вычислить, используя формулу

ТКЕ? = ТКЕ_в+ ТКS_a, (3.6)

где ТКS_a и ТКd - температурные коэффициенты активной площади пластин и зазора соответственно.

обуславливается температурным коэффициентом линейного расширения материала ?_мп, из которого они сделаны и относительным перемещением секций ротора и статора, вызванными температурным коэффициентом линейного расширения материала корпуса ?_мк, т.е.

ТКS_a = ТКS_s ± ТКS_l, (3.8)

где ТКS_s - температурные коэффициенты активной площади пластин, обусловленные ?_мп и ?_мк соответственно.

Тогда

ТКS_s = ?S/(S·?t) = 2 ?_мп·S?t/(S·?t) = 2 ?_мп, (3.9)

а ТКS_l будет определяться при колебаниях температуры окружающей среды по изменению расстояния между ротором и статором. В связи с тем, что пластины и корпус выполнены из одного материала, можно допустить, что изменение активной площади пластин довольно мало и ТКS_l можно пренебречь.

Подставив значение коэффициента линейного расширения для инвара в (3.9), получим:

ТКS_s = 2·0,9·10^-6 = 1,8·10^-6 ?С^-1

Теперь найдём ТКS_a из выражения (3.8):

ТКS_a = 1,8·10^-6 + 0 = 1,8·10^-6 ?С^-1

Для нахождения воспользуемся формулой:

ТКS_d = (?_моl - 2 ?_моd) / (l - 2d_п), (3.10)

где d = 0,5(l - 2d_п) - величина зазора, мм;

d_п - толщина пластины, мм;

l - расстояние между пластинами (по средней линии), мм;

?_моl и ?_моd - температурные коэффициенты линейного расширения материала оси и пластин соответственно, ?С^-1.

Подставим численные значения:

d = 0,5(1-2·0,3) = 0,2 мм

ТКS_d = (4,5·-2·0,9·0,3) / (1-2·0,6) = 10·10^-6 ?С^-1,

Просуммировав все составляющие, сначала получим значение ТКЕ переменной составляющей ёмкости

ТКЕ? = 20·10^-6 + 1,8·10^-6 + 10·10^-6 = 31,8·10^-6 ?С^-1,

а затем и общее ТКЕ:

ТКЕ = ТКЕ? + ТКЕ_min = 31,8·10^-6 + 20·10^-6 = 51,8·10^-6 ?С^-1

Разработанная конструкция конденсатора удовлетворяет требованиям ТЗ по стабильности.

3.3 Расчет контактной пружины

В качестве материала для изготовления контактной пружины будем использовать Бронзу Бр. КМц 3-1 (ГОСТ 493-54).

Определим необходимое контактное усилие, исходя из условия обеспечения требуемой активной составляющей переходного сопротивления R_п по формуле:

,

где -коэффициент, учитывающий способ, чистоту обработки и состояние поверхности контактных элементов (для очень грубых поверхностей =3); -поверхностная твердость по Бринеллю (выбираем по более мягкому материалу); b-коэффициент, зависящий от характера деформации, вида и формы зоны контактирования (b=2).

Н

Толщину контактного элемента рассчитаем по формуле:

где -коэффициент запаса (=48); -средний прогиб; -допустимое напряжение на изгиб; E-модуль упругости первого рода.

мм

По сортаменту на используемый материал полученное значение толщины округлим до ближайшего табличного значения =0,2 мм.

Заключение

В данном курсовом проекте был произведен расчет переменного конденсатора с прямоволновой зависимостью. Данный конденсатор переменной емкости предназначен для использования в бытовой аппаратуре и в радиоприемной аппаратуре (в УКВ диапазоне).

В техническом задании для проектирования данного конденсатора были предъявлены противоречивые требования: минимальные размеры конструкции и сравнительно низкий температурный коэффициент емкости ( С^-1), значит выбираем материалы с максимально близкими ТКЕ, и конструкцию, которая бы обеспечивала и достаточно низкий ТКЕ, и малые габариты конденсатора.

Ось ротора и статора будем делать из одного материала, из керамики с ТКЕ = 4,5-610^-6, С^-1.

Для реализации прямоволновой зависимости были рассчитаны радиусы пластин ротора в зависимости от угла поворота.

Список литературы

1 Волгов В.А. Детали и узлы РЭА. -М.: Энергия. 1977. -656 с.

2 Устройства функциональной радиоэлектроники и электрорадиоэлементы: Конспект лекций. Часть I / М.Н. Мальков, В.Н. Свитенко. - Харьков: ХИРЭ. 1992. - 140 с.

3 Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под редакцией Р.Г. Варламова. - М.: Сов. Радио. 1980. - 480 с.

4 Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры. - М.: Высшая школа. 1986. - 339 с.