Міністерство освіти і
науки України
Харківський національний університет радіоелектроніки
Кафедра ПЕЕА
Дисципліна: "Елементна база ЕА"
Тема проекту: "
Конденсатор змінної ємності (мінімальна ємність, З
min -10 пФ; максимальна ємність, З
max - 225 пФ; робоча напруга, U
раб - 150 В; закон зміни ємності - прямоволновой)"
Розробив:
Керівник проекту
ст. гр. ТЗТ
м -05-1 Григор'єва О.В.
2009
ЗМІСТ
Введення
1. Аналіз технічного завдання
1.1 Вихідні дані
1.2
Вибір конструкції КПЕ
2. Аналіз аналогічних конструкцій
3. Електричний і конструктивний розрахунок
3.1 Вибір числа і
геометричних розмірів пластин
3.2 Визначення форми і розмірів пластин
3.3 Обчислення температурного коефіцієнта ємності
4.
Розрахунок контактної пружини
Паспорт
Висновок
Список літератури
Програми
ВСТУП
Сучасна радіоелектроніка є потужним засобом науково-технічного прогресу. Методи і засоби радіоелектроніки проникли в усі галузі науки і техніки, вони знаходять широке застосування в різних галузях народного господарства, у військовій справі, в культурі і в побуті. Сучасна радіоелектроніка - це комплекс галузей науки і техніки, що включає поряд з радіотехнікою і електронною технікою оптоелектроніку, рентгеноелектроніку, гамма - електроніку та інші.
ХХ століття, і особливо його друга половина, ознаменувалася для радіотехніки бурхливим її розвитком як за кількістю, так і за якістю і складності функцій, виконуваних радіотехнічними системами і засобами. Потреби розвивається радіотехніки сприяли розвитку електронної техніки, і навпаки, поява нових електронних приладів, особливо надвисокочастотних і квантових електронних приладів: магнетронів і клистронов, ламп що біжить, і зворотної хвилі, лазерів, мазеров і ін, призвело до різкого розширення можливостей радіотехніки, до освоєння НВЧ - діапазонів електромагнітних хвиль. Все ширше застосовуються радіотехнічні методи для задач, не пов'язаних з
випромінюванням електромагнітних хвиль. Тому
поняття «радіотехніка» стало замінятися більш широким
поняттям «радіоелектроніка».
З усього розмаїття радіоелектронних засобів (РЕЗ) в більшості випадків виникає необхідність в елементах, здатних змінювати свою ємність в залежності від якогось зовнішнього параметра. Найбільш часто зміна ємності необхідно для зміни резонансної частоти контуру, до складу якого входить елемент. Існує кілька типів таких елементів, одним з яких є
конденсатор змінної ємності (КПЕ), що розглядається в даній роботі.
1. АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ
1.1 Вихідні дані
Мінімальна ємність, З min, пФ 10
Максимальна ємність, З
max, пФ 225
Робоча напруга, U
раб, У 150
Температурний коефіцієнт ємності, єС
-1 45.10 -6 ° з
Робочий кут, 180
Закон зміни ємності прямоволновий
Програма, шт. 50000
Умови експлуатації за ГОСТ 15150-69
За умовами ТЗ проектований конденсатор призначений для
роботи в РЕА, що відносяться по ГОСТ 15150-69 до другої групи. Це стаціонарна апаратура, призначена для роботи на відкритому повітрі або в опалювальних наземних або підземних спорудах. Значення дестабілізуючих факторів для РЕА цієї групи наведені в
таблиці (3. Табл 3.11).
1.2 Вибір конструкції КПЕ
У ТЗ не обговорені вимоги до габаритів і масі запропонованого до розробки КПЕ. Про відсутність жорстких вимог говорить і місце його установки - стаціонарна апаратура. У зв'язку з цим можна застосувати повітря в якості діелектрика, що дозволить сконструювати конденсатор з більш високими якісними показниками у порівнянні з
конденсаторами з твердим діелектриком. У наступному розділі будуть розглянуті різноманітні варіанти конструкцій КПЕ і обрані найбільш підходящі для отримання обумовлених в ТЗ характеристик.
2. АНАЛІЗ АНАЛОГІЧНИХ КОНСТРУКЦІЙ
Крім КПЕ, плавну зміну ємності забезпечують такі елементи, як варикапи і варіконди. Це так звані
конденсатори змінної ємності з
електрично керованою ємністю.
Варикапи змінюють свою ємність в залежності від прикладеної зворотного зміщення pn переходу. Вони мають масу корисних властивостей, таких, як
малі розміри, висока добротність і стабільність, але при цьому не забезпечують необхідну в деяких випадках діапазон зміни ємності (точніше коефіцієнт перекриття по ємності). У результаті чого застосовуються в основному в діапазоні УКХ і на більш високих частотах, а також у схемах, де не потрібна велика зміна ємності.
У варікондах під дією прикладеного постійного зміщення змінюється діелектрична проникність матеріалу між обкладками. Вони мають коефіцієнт перекриття по ємності від 2 до 5, але мають низьку температурною стабільністю ємності і не забезпечують необхідний закон її зміни.
Конденсатори змінної ємності з механічним керуванням між собою різняться виглядом діелектрика (твердий, рідкий або газоподібний) і способом завдання
функціональної залежності зміни ємності від кута повороту (
конденсатори з фігурними пластинами ротора або з вирізом в статорних пластинах).
Повітря в порівнянні з твердими і рідкими діелектриками володіє рядом позитивних властивостей: нікчемними втратами, малою провідністю, незалежністю діелектричної проникності від частоти і малої залежністю від температури, вологості та тиску.
До недоліків повітря, як діелектрика слід віднести малі значення діелектричної проникності і пробивної напруги, що впливає на габаритні розміри КПЕ.
Перераховані позитивні властивості повітря як діелектрика дозволяють створити найбільш прості конструкції
конденсаторів з високими технічними характеристиками. Виходячи з цього-у проектованому КПЕ в якості діелектрика буде використовуватися повітря.
У конденсаторів зі змінним радіусом вирізу в статорної пластині пластини ротора мають більш жорстку конструкцію, що дає суттєву
перевагу тільки для прямочастотного закону зміни ємності. Для прямоволновой залежності таке конструктивне рішення є недоцільним.
3. ЕЛЕКТРИЧНИЙ І КОНСТРУКТИВНИЙ РОЗРАХУНОК
3.1 Вибір числа і геометричних розмірів пластин
Сумарне число пластин
конденсатора вибирається з урахуванням
того, що сумарна довжина секції повинна бути наближено дорівнює радіусу пластини ротора і сумарна довжина КПЕ не повинна перевищувати задане в ТЗ значення.
Орієнтовно число пластин можна вибрати з таблиці (1. Табл. 3-8). Приймаються число пластин N = 10
Величина зазору між пластинами ротора і статора вибирається з урахуванням вимог електричної міцності, точності, температурної стабільності, габаритних розмірів та виробничо-технічних міркувань.
При амплітуді змінної напруги на
конденсаторі U
раб величину необхідного зазору (мм) для отримання необхідної електричної міцності можна знайти з наступного виразу:
d = U раб / (500ч700), (3.1)
де U раб - максимальний робочий напруга, В;
500ч700 - допустима напруженість поля, В / мм.
d
min = 150/700 = 0,214 мм
d
max = 150/500 =
0,30 мм При великому зазорі збільшується
електрична міцність, збільшується температурна стабільність, але збільшуються і габаритні розміри КПЕ. Маленький ж зазор дає погані стабільність та
електричну міцність при малих габаритних розмірах. У зв'язку з цим з цим вибираємо d = 0,3 мм, вважаючи це значення оптимальним з точки зору ставлення характеристик і габаритних розмірів.
Для запобігання короткого замикання між роторними і статорними пластинами в статорних пластинах робиться виріз. Його радіус визначається з урахуванням зазору d і радіуса осі r
осі = d
осі / 2 = 4 / 2 = 2 мм за формулою:
r
0 = r
осі + (2ч3) d = 2 + (2ч3) · 0,3 = 2.5ч2.75 мм
Вибираємо максимальне значення r
0 = 2.75 мм, тому що при такому радіусі зменшується значення паразитної ємності.
3.2 Визначення форми і розмірів пластин
Прямоволновая залежність ємності від кута повороту
математично описується функцією
С = (aφ + b) 2, (3.2)
де a = (
-
) / 180;
b = Сmin; K =
;
φ - кут повороту ротора.
N - загальне число пластин статора і ротора
Залежність радіусу ротора від кута повороту для отримання необхідної функціональної залежності описується наступним виразом:
R =
, (3.3)
де d - зазор між пластинами, см;
k - постійна;
r
0 - радіус вирізу в пластині статора;
φ - кут повороту.
Обчислимо значення коефіцієнтів a і b:
a = (
-
) / 180 = 0,06
b = 10;
Розрахунок R зробимо за допомогою пакету прикладних програм Excel. Результати роботи програми (з кроком 10є) наведені в таблиці 3.1.
φ, °
| 0
| 20
| 40
| 60
| 80
|
R, мм
| 7,64
| 8,03
| 8,4
| 8,76
| 9,1
|
φ, °
| 100
| 120
| 140
| 160
| 180
|
R, мм
| 9,4
| 9,75
| 10,06
| 10,35
| 10,65
|
Середній радіус пластин ротора визначаємо як середнє арифметичне зведених у таблицю значень і дорівнює R = 9,214
Довжина секції визначається за формулою:
l
0 = h
пл N + d (N-1), (3.5)
де h
пл - товщина пластини (вибираємо h
пл = 0,6 мм);
N - сумарна кількість пластин в секції;
d - зазор між пластинами ротора і статора, мм.
l
0 = 0,3 · 10 + 0,6 · 9 =
8,7 мм Ставлення l
0 /
R сер = 0,94 близько до 1, що підпорядковується наведеним вище вимогам (l
0 ≈ R
ср). 3.3 Обчислення температурного коефіцієнта ємності
При зміні температури повітря змінюються як фізичні, так і
геометричні розміри (s і d) конденсатора, що призводить до зміни ємності. Ємність КПЕ складається з двох складових: постійної (представляє собою мінімальну ємність С
min, величина якої не залежить від положення ротора) і змінної З
пер, величина якої змінюється при переміщенні ротора. Кожна з цих ємностей має свій певний ТКЕ.
Мінімальна ємність утворюється як сума ємностей через твердий діелектрик і повітря між деталями, що знаходяться під різними потенціалами. У загальному вигляді можна сказати, що
ТКЕ
min =
(3.6)
Так як ємність через діелектрик становить значно меншу частину, ніж ємність через повітря, то можна приблизно вважати це значення рівним 20.10
-6 єС (ТКЕ для повітря).
Температурний коефіцієнт змінної частини ємності можна обчислити, використовуючи формулу
ТКЕ? = ТКЕ
в + ТКS
a, (3.6)
де ТКS
a і ТКD - температурні коефіцієнти активної площі пластин і зазору
відповідно.
обумовлюється температурним коефіцієнтом лінійного розширення матеріалу α
мп, з якого вони зроблені і відносним переміщенням секцій ротора і статора, викликаними температурним коефіцієнтом лінійного розширення матеріалу корпусу α
мк, тобто
ТКS
a = ТКS
s ± ТКS
l, (3.8)
де ТКS
s - температурні коефіцієнти активної площі пластин, зумовлені α
мп і α
мк відповідно.
Тоді
ТКS
s = ΔS / (S · Δt) = 2 α
мп · SΔt / (S · Δt) = 2 α
мп, (3.9)
а ТКS
l буде визначатися при
коливаннях температури навколишнього середовища по зміні відстані між ротором і статором. У зв'язку з тим, що пластини і корпус виконані з одного матеріалу, можна допустити, що зміна активної площі пластин досить мало і ТКS
l можна знехтувати.
Підставивши значення коефіцієнта лінійного розширення для інвару в (3.9), отримаємо:
ТКS
s = 2.0, 9.10
-6 = 1,8 · 10
-6 єС
-1 Тепер знайдемо ТКS
a з виразу (3.8):
ТКS
a = 1,8 · 10
-6 + 0 = 1,8 · 10
-6 єС
-1 Для знаходження скористаємося формулою:
ТКS
d = (α
мо l - 2 α
мо d) / (l - 2d
п), (3.10)
де d = 0,5 (l - 2d
п) - величина зазору, мм;
d
п - товщина пластини, мм;
l - відстань між пластинами (по середній лінії), мм;
α
мо l і α
мо d - температурні коефіцієнти лінійного розширення матеріалу осі і пластин відповідно, єС
-1. Підставимо чисельні значення:
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 єС
-1, Підсумувавши всі складові, спочатку отримаємо значення ТКЕ змінної складової ємності
ТКЕ? = 20.10
-6 + 1,8 · 10
-6 + 10.10
-6 = 31,8 · 10
-6 єС
-1, а потім і загальне ТКЕ:
ТКЕ = ТКЕ? + ТКЕ
min = 31,8 · 10
-6 + 20.10
-6 = 51,8 · 10
-6 єС
-1 Розроблена конструкція конденсатора задовольняє вимогам ТЗ по стабільності.
4.
РОЗРАХУНОК КОНТАКТНОЇ ПРУЖИНИ
Як
матеріал для виготовлення контактної пружини будемо використовувати Бронзу Бр. КМЦ 3-1 (ГОСТ 493-54).
Визначимо
відповідний контакт зусилля, виходячи з умови забезпечення необхідної активної складової перехідного опору R
п за формулою:
,
де
-Коефіцієнт, що враховує спосіб, чистоту обробки і стан
поверхні контактних елементів (для дуже грубих поверхонь
= 3);
-Поверхнева твердість по Бринеллю (вибираємо за м'якшим матеріалу); b-коефіцієнт, що залежить від
характеру деформації, виду та форми зони контактування (b = 2).
Н
Товщину контактного елемента розрахуємо за формулою:
де
-Коефіцієнт запасу (
= 48);
-Середній прогин;
-Допустиму напругу на вигин; E-модуль пружності першого роду.
мм
За сортаментом на використовуваний матеріал отримане значення товщини округлимо до найближчого табличного значення
= 0,2 мм.
ПАСПОРТ
Мінімальна ємність, З min, пФ 10
Максимальна ємність, З
max, пФ 225
Робоча напруга, U
раб, У 150
Число секцій 2
Температурний коефіцієнт ємності, єС
-1 45.10
-6 Робочий кут, 180
Діаметр осі, мм 4
Закон зміни ємності КПЕ прямоволновий
Кріплення знизу
Програма, шт. 50000
Умови експлуатації за ГОСТ 15150-69
ВИСНОВОК
У даному курсовому проекті було зроблено розрахунок змінного конденсатора з прямоволновой залежністю. Даний конденсатор змінної ємності призначений для використання у побутовій апаратурі і в радіоприймальної апаратури (в УКХ діапазоні).
У технічному завданні для проектування даного конденсатора були пред'явлені суперечливі вимоги: мінімальні розміри конструкції і порівняно низький температурний коефіцієнт ємності (
° С
-1), значить вибираємо
матеріали з максимально близькими ТКЕ, і конструкцію, яка б забезпечувала і досить низький ТКЕ, і малі габарити конденсатора.
Вісь ротора і статора будемо робити з одного матеріалу, з
кераміки з ТКЕ = 4,5-6 × 10
-6, ° С
-1. Для реалізації прямоволновой залежності були розраховані радіуси пластин ротора в залежності від кута повороту.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Волго В.А. Деталі й вузли РЕА. -М.: Енергія. 1977. -656 С.
2 Пристрої функціональної радіоелектроніки та електрорадіоелементи:
Конспект лекцій. Частина I / М.Н. Мальков, В.М. Світенко. -
Харків: ХІРЕ. 1992. - 140 с.
3
Довідник конструктора РЕА: Загальні принципи
конструювання / За
редакцією Р.Г. Варламова. - М.: Сов. Радіо. 1980. - 480 с.
4 Фрумкін Г.Д. Розрахунок і конструювання радіоапаратури. - М.: Вища школа. 1986. - 339 с.