МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І
НАУКИ УКРАЇНИ
Харківський національний університет радіоелектроніки
Кафедра ПЕЕА
Пояснювальна записка до курсового проекту
за курсом: «Елементна база ЕА»
Тема проекту: «Конденсатор змінної ємності (мінімальна ємність, З
min, пФ - 8; максимальна ємність, З
max, пФ - 120; робоча напруга, U
раб, В - 24; закон зміни ємності - прямоволновой)»
2009
ЗМІСТ
Введення
1. Аналіз технічного завдання
1.1 Аналіз умов експлуатації
1.2 Обгрунтування додаткових вимог і параметрів
2. Огляд аналогічних конструкцій і
вибір напрямку проектування
3.
Розрахунок конденсатора 3.1 Розрахунок електричних і конструктивних параметрів
3.2 Обчислення температурного коефіцієнта ємності
3.3 Розрахунок контактної пружини
4.
Опис конструкції і технології
Паспорт
Висновки
Список літератури
ВСТУП
Важливою частиною радіоелектронної апаратури (РЕА) і побутової зокрема є електрорадіоелементи (ЕРЕ), які лежать в їх основі. З цієї причини нерозривно пов'язані: якість РЕА та радіокомпонентів. Основним етапом, на якому задаються параметри радіоелементів, є етап проектування. У ході проектування враховується конструктивні і технологічні фактори. Потрібно вибрати правильний варіант конструкції, погодивши мінімальні габаритні розміри і необхідні технічні характеристики.
Завданням даного курсового проектування є розробка конденсатора змінної ємності з заданими параметрами, а також придбання особистого досвіду розробки ЕРЕ.
Курсове проектування повинно навчити
студента самостійно працювати, а також сприяти його самовихованню, так як творче ставлення до праці - найважливіша якість фахівця будь-якої професії, а
розвиток творчих здібностей є об'єктивною потребою, що диктується розвитком
науки і техніки.
1. АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ
Вихідні дані
Мінімальна ємність, З min, пФ 8
Максимальна ємність, З
max, пФ 160
Робоча напруга, U
раб, В 24
Закон зміни ємності прямоволновий
Програма, шт. 2000
1.1 Аналіз умов експлуатації
Даний
конденсатор буде експлуатуватися у побутовій радіоприймальної апаратури в широкомовному діапазоні. Виконання приладу соответствовия УХЛ-4.2 ГОСТ 15150 - 69 - для районів з помірним і холодним кліматом.
Значення кліматичних факторів зовнішнього середовища при експлуатації та
випробуваннях УХЛ-4.2 ГОСТ 15150 - 69.
Виконання виробів - УХЛ; категорія виробів - 4.2.
Загальні норми кліматичних впливів на РЕА для виконання УХЛ наведено в табл. 1.1.
Таблиця 1.1 - Загальні норми кліматичних впливів на РЕА
Виконання
| Категорія розміщення
| Впливу температури, ° С
| Впливу відносної вологості,%
|
Робітники
| Граничні
| |
Верхн
| Ниж
| СР
| Верхн
| Нижн
| |
УХЛ
| 4.2
| +35
| +10
| +20
| +40
| +1
| 98% при 25 ° С
|
Відповідно до ГОСТ 16019-78 РЕА повинна витримувати нормативні впливу, наведені в
таблиці 1.2.
Таблиця 1.2 - Побутова РЕА. Норми кліматичних і механічних впливів для 1-ї групи
Вид впливу, характеристики
| Норми впливів
|
Міцність при транспортуванні: прискорення, g тривалість ударного імпульсу, мс число ударів, не менш
| 15 11 1000
|
Теплотривкість: робоча температура, ° С гранична температура, ° С
| 40 55
|
Знижений атмосферний тиск, кПа
| 70
|
Холодостійкість: гранична температура, ° С
| -40
|
Вологостійкість: вологість,% температура, ° С
| 93 25
|
1.2 Обгрунтування додаткових вимог і параметрів
У ТЗ не обговорені вимоги до габаритів і масі запропонованого до розробки КПЕ. 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.
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.
Число пластин вибираємо в залежності від максимальної ємності, то згідно ТЗ З
max = 160, отже вибираємо N = 11 [1]
2. ПЕРЕГЛЯД АНАЛОГІЧНИХ КОНСТРУКЦІЙ І
ВИБІР НАПРЯМКИ ПРОЕКТУВАННЯ
Зміна ємності конденсатора може бути отримано двома
принципово різними способами
управління - механічним і електричним. Особливості
конденсаторів з механічним керуванням полягає в можливості реалізації заданих законів зміни ємності при переміщенні пластин; отримання зміни широкого діапазону зміни ємності і великих величин добротності; забезпечення великих робочих напруг і малих значень температурного коефіцієнта ємності (ТКЕ); незалежності величини ємності від прикладеної напруги; порівняно великому часі, необхідному для зміни ємності; залежності величини ємності від вологості і зовнішніх механічних впливів, відносної складності конструкції і великих габаритах.
Конденсатор змінної ємності з механічним керуванням представляє собою дві системи плоских пластин: нерухому (статор) і рухому (
ротор), розташованих таким чином, що при обертанні ротора його пластини входять в зазори між пластинами статора.
У залежності від кута повороту розрізняють:
-
Конденсатори з нормальним кутовим діапазоном, при якому кут повороту дорівнює 180
о; -
Конденсатори з розширеним діапазоном кутовим-кут повороту ротора більше 180
о; - Конденсатори з зменшеним кутовим діапазоном, наприклад рівним 90
о. У залежності від величини прикладеної напруги конденсатори змінної ємності розраховують:
- Для електричних ланцюгів з малим напругою (менше 200В);
- Для електричних ланцюгів з підвищеним напругою (більше 200В);
- Для електричних ланцюгів з великою напругою (більше 1000В).
За законом зміни ємності конденсатори підрозділяють на прямоемкостние, прямоволновие, прямочастотние і логарифмічні.
За типом діелектрика конденсатори розрізняють на:
- Конденсатори з повітряним діелектриком;
- Конденсатори, заповнені стисненим газом;
- Вакуумні конденсатори;
- Конденсатори з рідким діелектриком;
- Конденсатори з твердим діелектриком.
За кількістю секцій конденсаторів, одночасно змінюють свою ємність,
конденсатори ділять на односекційні і багатосекційні.
Для одночасної настройки кількох контурів застосовуються багатосекційні конденсатори. У залежності від того, які з блоків цього роду застосовані в апаратурі, до схеми з'єднання окремих секцій пред'являють різні вимоги. Наприклад, у тих випадках, коли блок конденсаторів повинен бути
простіше і дешевше, використовують схеми, в яких всі ротори гальванічно з'єднані між собою загальною металевої віссю. Однак при цьому між окремими секціями конденсатора виникає електричний зв'язок, яка пояснюється
електричну провідність осі, що з'єднує ротори. В інших випадках, коли істотно важливо якомога більше зменшити зв'язок між змінними контурами, застосовують блоки, у яких і статори і ротори ізольовані один від одного, а вісь, яка з'єднує ротори, зроблена з ізоляційного матеріалу.
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 прямоволнового закону зміни ємності. Для прямоволновой залежності таке конструктивне рішення є недоцільним.
3. ЕЛЕКТРИЧНИЙ І КОНСТРУКТИВНИЙ РОЗРАХУНОК
Величина зазору між пластинами ротора і статора вибирається з урахуванням вимог електричної міцності, точності, температурної стабільності, габаритних розмірів та виробничо-технічних міркувань.
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, так як при більшому радіусі зменшується значення паразитної ємності.
3.1 Визначення форми і розмірів пластин
Прямоволновая залежність ємності від кута повороту
математично описується функцією
С = (aφ + b) 2, (3.1)
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 =
, (3.2)
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 = 8;
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
|
Довжина секції визначається за формулою:
l
0 = h
пл N + d (N-1); (3.3)
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 = 0,6 · 11 + 0,3 · 9 =
8,7 мм ;
3.2 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 =
; (3.4)
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, (3.5)
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, (3.6)
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, (3.7)
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
МОL - 2 α
МОD) / (l - 2d
п), (3.8)
де d = 0,5 (l - 2d
п) - величина зазору, мм;
d
п - товщина пластини, мм;
l - відстань між пластинами (по середній лінії), мм;
α
МОL і α
МОD - 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.
3.3 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.
4.
Опис конструкції і технології
Річний випуск проектованого конденсатора дорівнює 2000 штук, отже, використовується серійне виробництво.
За основу конструкції вибираю штампований конденсатор.
Головними частинами розрахованого конденсатора змінної ємності є ротор і статор. Пластини ротора і статора виготовляються штампуванням з листової латуні ГОСТ 931-52 завтовшки 0,6 мм. Пластини ротора до осі ротора кріпляться припоєм ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Корпус виготовлений з прес-порошку К-21-22 ГОСТ 20478-75 методом пресування. Втулки, виготовлені мул латуні ГОСТ 931-52, призначені для вибудовування положення ротора відносно статора. Токос'ем, виготовлений з Бр. КМЦ 3-1 ГОСТ 493-54, клеїмо до корпусу клеєм ВК ОСТ4ГО.029.204.
Штамповані конденсатори зручні для серійного виробництва, хоча по електричних характеристиках вони поступаються попереднім типам.
Такий конденсатор може виготовлятися в серійному виробництві, збірку може здійснювати складальник з низьким розрядом.
ПАСПОРТ
Мінімальна ємність, З min, пФ 8
Максимальна ємність, З
max, пФ 160
Робоча напруга, U
раб, В 24
Число секцій 1
Температурний коефіцієнт ємності, єС
-1 51,8 · 10
-6 Робочий кут, 180
Діаметр осі, мм 4
Закон зміни ємності КПЕ прямоволновий
Програма, шт. 2000
Виконання по ГОСТ 15150-69 відноситься до першої групи виконання УХЛ, категорія розміщення 4.2
ВИСНОВКИ
У даному курсовому проекті було зроблено розрахунок КПЕ з прямоволновой залежністю, який призначений для використання в стаціонарній апаратурі.
Як матеріал пластин ротора і статора вибираємо нікель, який має коефіцієнт лінійного розширення 13 * 10
-6 С.
Вісь даного КПЕ виготовляємо з
кераміки, з коефіцієнтом лінійного розширення рівним 4.5 * 10
-6 С.
Крім цього, при проведенні
розрахунків і при проектуванні було визначено температурний коефіцієнт ємності ТКЕ, що дорівнює 52 10
-6 С
-1. Функціональна залежність ємності від кута повороту - прямоволновая.
Були розраховані радіуси пластин ротора.
Кількість випущених конденсаторів передбачається n = 2000 штук на рік.
Виготовляємо пластини ротора і статора, а так само інші деталі КПЕ методом штампування, так як цей метод найбільш зручний для серійного виробництва, хоча по електричних характеристиках він поступається іншим методам.
Перевагою конструкції такого конденсатора є малі розміри і можливість використання типового виробничого обладнання.
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.