Міністерство освіти і науки України
Харківський національний університет радіоелектроніки
Кафедра ПЕЕА
Курсовий проект
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
Вихідні дані
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
Вихідні дані
Мінімальна ємність, З min, пФ 10
Максимальна ємність, З max, пФ 225
Робоча напруга, U раб, У 150
Температурний коефіцієнт ємності, º С -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).
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 p - n 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 роб / (500 ÷ 700), (3.1)
де U раб - максимальний робочий напруга, В;
500 ÷ 700 - 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 + (2 ÷ 3) d = 2 + (2 ÷ 3) · 0, 3 = 2.5 ÷ 2.75 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 = С min; 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 10 º) 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 º С (ТКЕ для повітря).
Температурний коефіцієнт змінної частини ємності можна обчислити, використовуючи формулу
ТКЕ ~ = ТКЕ в + ТК S a, (3.6)
де ТК S a і ТК d - 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
ТК S a = ТК S s ± ТК S l, (3.8)
де ТК S s - температурні коефіцієнти активної площі пластин, зумовлені α мп і α мк відповідно.
Тоді
ТК S s = Δ S / (S · Δ t) = 2 α мп · S Δ t / (S · Δ t) = 2 α мп, (3.9)
а ТК S 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 ТК S l можна знехтувати.
Підставивши значення коефіцієнта лінійного розширення для інвару в (3.9), отримаємо:
ТК S s = 2.0, 9.10 -6 = 1,8 · 10 -6 º С -1
Тепер знайдемо ТК S a з виразу (3.8):
ТК S a = 1,8 · 10 -6 + 0 = 1,8 · 10 -6 º С -1
Для знаходження скористаємося формулою:
ТК S d = (α мо l - 2 α мо d) / (l - 2 d п), (3.10)
де d = 0,5 (l - 2 d 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, º С -1.
Підставимо чисельні значення:
d = 0,5 (1-2 · 0,3) = 0,2 мм
ТК S d = (4,5 · -2 · 0,9 · 0,3) / (1-2 · 0,6) = 10.10 -6 º С -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 º С -1,
а потім і загальне ТКЕ:
ТКЕ = ТКЕ ~ + ТКЕ min = 31,8 · 10 -6 + 20.10 -6 = 51,8 · 10 -6 º С -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, º С -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
Волго В.А. Деталі й вузли РЕА. -М.: Енергія. 1977. -656 С.
Пристрої функціональної радіоелектроніки та електрорадіоелементи: Конспект лекцій. Частина I / М.Н. Мальков, В.М. Світенко. - Харків: ХІРЕ. 1992. - 140 с.
Довідник конструктора РЕА: Загальні принципи конструювання / За редакцією Р.Г. Варламова. - М.: Сов. Радіо. 1980. - 480 с.
Фрумкін Г.Д. Розрахунок і конструювання радіоапаратури. - М.: Вища школа. 1986. - 339 с.