Конструювання конденсаторів змінної ємності з механічним керуванням

Міністерство освіти Російської Федерації

Тамбовський Державний Технічний Університет

Кафедра: КРЕМС

Курсовий проект

Розрахунково-пояснювальна записка по

десціпліне: "Пристрої функціональної електроніки та електрорадіоелементи"

на тему: "Конструювання конденсаторів змінної ємності з механічним управлінням"

Тамбов 2007

Зміст

Введення

1. Загальні властивості конденсаторів

2. Аналіз завдання

2.1 Змінні конденсатори

2.2 Вибір напрямку проектування

2.3 Огляд і аналіз аналогічних конструкцій

3. Розрахунок прямоемкостного конденсатора змінної ємності

3.1 Теоретичні дані до розрахунку

3.2 Визначення вихідних даних і чисельний розрахунок

4. Стабільність конденсатора

4.1 Температурна нестійкість КПЕ

4.2 ТКЕ конденсатора змінної ємності з плоскими пластинами

4.3 Умова термокомпенсации

5. Виробничі похибки

5.1 Вплив похибок виробництва

5.2 Впливи способу кріплення пластин

5.3 Компенсація виробничого розкиду характеристики С = f КПЕ

5.4 Методи забезпечення механічної стійкості

6. Конструкція конденсаторів змінної ємності

Висновок

Список використаної літератури

Додаток

Введення

Терміном радіоелектронна апаратура (РЕА) називають пристрій, або сукупності пристроїв, в яких виконують напівпровідникові, електронні, газорозрядні і їм аналогічні прилади.

Неодмінними виробами будь-якого пристрою є елементи. Частина цих елементів є складовою частиною конструкції пристрою і призначається для різних механічних з'єднань, передачі та напрямки рухів - різні осі та вали, колеса і шестерні, підшипники, скоби, планки.

Інша частина елементів поєднує виконання механічних операцій з електричними. Це різні перемикачі, реле, електродвигуни, штепсельні з'єднувачі і аналогічні їм електричні елементи.

І, нарешті, третя частина елементів, особливо численна і характерна для РЕА, утворює електричну схему. Відповідно до ГОСТ 2.701-68 їх називають елементами схеми. До них відносять резистори, конденсатори, котушки індуктивності, трансформатори і різні напівпровідникові та електронні прилади. Такі елементи можуть мати досить складний пристрій, але не допускають поділу на частини, що мають самостійне функціональне призначення.

Найбільше застосування в РЕА знаходять резистори, конденсатори і деякі моточні вироби. Їх називають елементами (радіокомпонентів) загального застосування. Можна вказати, що на один підсилювальний прилад (наприклад, трансформатор) в середньому припадає від 4 до 25 резисторів, від 2 до 15 конденсаторів і від 3 до 5 різних моткових виробів. Тому світове виробництво резисторів і конденсаторів складає мільярди штук на рік. У менших кількостях застосовуються конструктивно більш складні вироби - різні коливальні контури і фільтри, звані спеціальними елементами.

Елементи загального застосування є виробами масового виробництва, тому вони зазнали досить широкої нормалізації і стандартизації.

Стандартами і нормами встановлені технткоекономіческіе і якісні показники, параметри і розміри. Такі елементи називають типовими. Вибір типових елементів проводиться по параметрах і характеристикам, що описують їх властивості як при нормальних умовах експлуатації, так і при різних впливах (кліматичних, механічних і ін.)

Спеціальні елементи широкої нормалізації і стандартизації не піддалися, а тому проектуються стосовно до вимог електричної схеми і конструкції конкретного пристрою і умовами його експлуатації.

Основними електричними параметрами є номінальне значення величини, характерної для даного елемента (опір резисторів, ємність конденсаторів, індуктивність котушок і т.д.) і межі відхилень; параметри характеризують електричну міцність і здатність довго витримувати електричне навантаження; параметри характеризують втрати, стабільність і надійність .

1. Загальні властивості конденсаторів

Конденсатори застосовувана в РЕА, можна розділити на конденсатори постійної ємності, змінної ємності і подстроєчниє конденсатори.

Конденсатори постійної ємності застосовують у різних фільтрів, а також у коливальних контурах для отримання фіксованої настройки, сполучення, термокомпенсации і т. п.

Конденсатори постійної ємності, так само як і резистори, є особливо широко вживаними елементами схеми, до яких пред'являються надзвичайно різноманітні вимоги. Тому існує велика кількість типів конденсаторів, значна частина яких стандартизована (типові конденсатори) та налагоджено їх масове виробництво.

Вибір потрібного типу виробляється на підставі електричних характеристик.

Конденсатори змінної ємності (КПЕ) застосовуються для плавного настроювання коливальних контурів, регулювання різних зв'язків і т. п. Конденсатори змінної ємності ще не піддалися повної стандартизації, і їх розробляють стосовно до схем і вимогам конкретного завдання.

Конденсатори підлаштування застосовують в тих ланцюгах, ємність яких повинна точно встановлюватися при разовому чи періодичному регулюванню і не змінюватися в процесі експлуатації, наприклад для вирівнювання початкових ємностей сполучених контурів, для настроювання контурів з фіксованою настройкою, в якості конденсаторів зв'язку й т.п. Деякі типи підстроювальних конденсаторів стандартизовані і виробляються в установленому порядку.

Залежно від виду застосовуваного діелектрика розрізняють конденсатори з газоподібним, рідким і твердим діелектриком. Окрему групу становлять конденсатори з оксидним діелектриком (електролітичні).

Конденсатори з газоподібним діелектриком можуть бути: вакуумними, газонаповненими і повітряними. Конденсатори з твердим діелектриком поділяються на конденсатори з органічним діелектриком - паперові, металопаперові і плівкові (з органічних синтетичних плівок) і на конденсатори з неорганічним діелектриком - керамічні, слюдяні, скляні, стеклокерамичні, склоемалевих і т. п. Конденсатори з рідким діелектриком, а також вакуумні й газонаповнені у відносно малопотужної РЕА мають обмежене застосування.

Конденсатори постійної ємності зазвичай виконуються у твердому діелектрику з конденсаторної кераміки, слюди, паперу, синтетичних плівок, конденсатори змінної ємності - з повітряним діелектриком.

Властивості конденсаторів характеризуються такими основними параметрами: номінальною ємністю і допустимими відхиленнями від фактичної ємності від номінальної; електричною міцністю; реактивною потужністю; опором ізоляції; втратами; власною індуктивністю і параметрами, що характеризують надійність і стабільність ємності при впливі температури, вологості та інших кліматичних та механічних факторів , при тривалому зберіганні, а також розміром, масою і вартістю. Конденсатори змінної ємності характеризують рядом додаткових параметрів, які будуть розглянуті нижче.

Номінальна ємність типових конденсаторів постійної ємності (окрім електролітичних, паперових і плівкових) встановлена ​​ГОСТ 2519-67. Чисельні значення номінальних ємностей визначаються рядами бажаних чисел Е6, Е12 і Е24 для припустимих відхилень 5, 10 і 20% і більше і рядами Е48, Е96 і Е192 для припустимих відхилень менше 5%. Ємність електролітичних конденсаторів (в мкФ) визначається рядом 1, 2, 5, 10, 20, і т. д.; ємність паперових (у мкФ) - поруч 0,1, 0,25, 0,5, 1,2, 4 , 6, 8, 10, 20, 40 і т. д.

Для конденсаторів змінної ємності і підстроювальних номінальної ємності не встановлені.

Допустимі відхилення фактичної ємності від номінальної для конденсаторів постійної ємності встановлений ГОСТ 9661-73. Найбільш уживаними є конденсатори з відхиленням, що допускається 5, 10, 20%. Для прецизійних встановлені менші межі (від 0,1%), для конденсаторів, до точності яких не пред'являється строгих вимог, наприклад для електролітичних, до %.

Для оцінки розмірів різних конденсаторів їх ємність відносять до одиниці об'єму і називають це відношення питомої ємністю (мкФ / кл ^3). Найбільшою питомою ємністю володіють електролітичні конденсатори, а найменшою повітряні.

Електрична міцність конденсаторів характеризується:

a) нормальним (ідеально припустимим) напругою - максимальною напругою, при якому конденсатор може працювати в заданому діапазоні температур протягом гарантованого терміну служби. Шкала номінальних напруг встановлена ​​ГОСТ 9665-68;

б) винятковим напругою - максимальною напругою, при якому конденсатор може, перебувати не пробиваючись, невеликий проміжок часу. Ця напруга характеризує електричну міцність конденсатора при короткочасних перевантаженнях;

в) пробивним напругою - мінімальним напругою, при якому відбувається пробій діелектрика. Конденсатори для дуже високих напруг - десятки кіловольт характеризується ще розрядним напругою по поверхні.

Співвідношення між цими напругами визначається видом діелектрика.

Електрична міцність залежить від конструкції конденсатора і зовнішніх умов, при підвищенні температури, вологості і зниженні атмосферного тиску (до певної межі) вона зменшується. Тому що допускається (робочий) напруга має бути нижче номінальної.

Реактивна потужність - характеризує здатність навантаження конденсатора у випадках, коли за наявності на конденсаторі великих напруг високої частоти, наприклад більше 1000 В. може відбутися перегрів діелектрика і руйнування конденсатора.

Опір ізоляції між обкладками конденсатора і між обкладками і корпусом визначається якістю застосовуваного діелектрика. При низькому опорі ізоляції з'являються значні струми витоку, які можуть порушити роботу певних ділянок схеми. Абсолютно неприпустимо застосування конденсаторів з витоком як перехідні.

Опір ізоляції залежить від температури і вологості; при підвищенні температури і вологості вона різко падає.

Втрати в малопотужних конденсаторах в основному викликається сповільненою поляризацією і провідністю діелектрика; втрати в обкладках і висновках таких конденсаторів досить малі, і ними зазвичай нехтують.

Конденсатори з втратами знижують добротність коливальних контурів і створюють додаткові фазові зрушення в електричних ланцюгах, впливають на величину ємності і на стабільність конденсатора.

Втрати характеризуються тангенсом кута втрат tg , Називають добротністю конденсатора: Q _c = .

На величину втрат значний вплив мають вологість і температура. При підвищенні частоти, температури, вологості втрати зростають.

Сучасні конденсатори характеризуються дуже малим tg : Tg .

Абсорбція - явище, при якому після короткого замикання конденсатора (короткочасного) напруги на ньому спадає до нуля, але після розмикання може відновитися до деякого значення. Цей процес оцінюють коефіцієнтом абсорбції k _a, який являє собою відношення відновився напруги до первинного.

Власна індуктивність складається з індуктивності самого конденсатора (робочого елементу) і індуктивності зовнішніх і внутрішніх сполучних провідників. Індуктивність самого конденсатора залежить від розмірів робочого елемента, його розташування відносно корпусу і способу з'єднання висновків з обкладками. Чим менше розміри конденсатора, чим коротше і товстіше висновки і внутрішні з'єднувальні провідники, тим менше власна індуктивність.

Стабільність конденсатора характеризується зміною його власних основних параметрів, головним чином під впливом температури, вологості, атмосферного тиску, механічних зусиль, часу і т. п.

Позначення та маркування типів конденсаторів встановлено ГОСТ 13453-68 і складається з букв і цифр. Перші букви означають:

К - конденсатор постійної ємності,

КП - конденсатор змінної ємності,

КТ - конденсатори подстроєчниє.

Цифри, що стоять за буквеним позначенням, вказує на вид діелектрика.

Наприклад, для постійних: 10 - керамічні, 20 - скляні, 30 - слюдяні малої потужності, 40 - паперові і т. д.; для змінних: 2 - повітряні, 4 - з твердим діелектриком (так само для підстроювальних). Потім треба число (після тире), що вказують на порядковий номер розробки.

2. Аналіз завдання

2.1 Змінні конденсатори (конденсатори змінної ємності)

Конденсатори змінної ємності складаються з двох систем паралельних пластин, одна з яких може плавно переміщатися, і пластини при цьому заходять в зазори між пластинами другої системи: це змінює активну площу, а, отже, і ємність конденсатора. Нерухому систему називають статором, а рухому - ротором.

Найбільшого поширення набули конденсатори з плоскопараллельних пластинами і обертальним переміщенням ротора. Конденсатори з поступальним переміщенням ротора мають великі розміри, складніше у виробництві і не набули широкого застосування.

У залежності від застосовуваного діелектрика конденсатори змінної ємності можна розділити на конденсатори з повітряним і твердим діелектриком.

Найбільш часто застосовують конденсатори з повітряним діелектриком, тому що вони відрізняються більшою точністю встановлення ємності, малими втратами і високою стабільністю. Конденсатори з твердим діелектриком дещо простіше у виготовленні, мають менші розміри, але мають порівняно низькою точністю і стабільністю, а тому застосовуються в основному в якості регулювальних в низькочастотних контурах і в радіо тракті малогабаритних транзисторних приймачах. Газонаповнені і вакуумні конденсатори і конденсатори з рідинним діелектриком відрізняються складністю конструкції, тому мають дуже обмежене застосування, переважно потужному радіо будові.

У залежності від кута повороту рухливої ​​системи розрізняють конденсатори з нормальним кутовим діапазоном, при якому повний кут повороту дорівнює 180 ^0, з розширеним діапазоном кутовим - повний кут повороту ротора більше 180 ⁰ і зі зменшеним кутовим діапазоном, наприклад рівним 90 ^0. Конденсатори з розширеним діапазоном кутовим найбільш часто застосовуються в контурах УКВ.

Основне застосування КПЕ знаходять як елементу настройки діапазонних коливальних контурів. Тому важливою його характеристикою є закон зміни ємності - функціональна характеристика, яка визначає характер зміни частоти коливального контуру при налагодженні. За цими ознаками КПЕ розрізняють, на прямоемкостние (лінійні), прямоволновие (квадратичні), прямочастотние, логарифмічні (среднелінейние) і спеціальні.

При настройці за допомогою КПЕ коливальних контурів межі престройкі (межі перекриття діапазону) значною мірою залежить від величини максимальної і мінімальної ємності конденсатора.

Максимальна ємність конденсатора визначається діапазоном, а мінімальна - паразитними ємностями, які залежать від конструкції.

Широке застосування знаходять блоки конденсаторів змінної ємності, які складаються з декількох секцій конденсаторних, посаджених на загальну вісь. При великому числі секцій зменшується механічна жорсткість блоку, збільшуються його розміри, і знижується стабільність через можливі прогинів і скручування довгій осі.

Секції блоку КПЕ в основному роблять однаковими. В окремих випадках застосовують блоки КПЕ з різнотипними секціями.

2.2 Вибір напрямку проектування на основі даного завдання

У завданні потрібно розрахувати і сконструювати односекційний конденсатор змінної ємності для нормальних умов експлуатації. Дано межі зміни ємності. Тип конденсатора прямоемкостний. Робоча напруга U _раб = 500 В.

В першу чергу визначимося з умовами експлуатації приладу. З завдання видно, що конденсатор працює в нормальних умовах.

Нормальними умовами експлуатації прийнято вважати умови, при якому температура навколишнього повітря становить +15 +25 ⁰ С, вологість 45-70% і атмосферний тиск Па (650-800 мм рт. Ст.), Відсутні агресивні гази, випари солі і механічні дії, а також радіаційні впливи. З усього цього випливає висновок, що строгих вимог по захисту від температури, тиску, радіації, механічних впливів, по герметизації конденсатора, не складно, а значить, спрощується конструкція.

Конденсатор односекційний, отже, у нього є один ротор і один статор. Тип конденсатора прямоемкостний. Такі конденсатори характеризуються функціональної лінійної характеристикою при повороті рухомої системи на кут : З = А + В.

При цьому щільність налаштування, виходить, по діапазону не рівномірно; при малих ємностях вона велика, а при великих - мала. Такі конденсатори застосовують часто в якості регулювальних, підстроювальних і для настроювання контурів при малому коефіцієнті перекриття діапазону. У цьому випадку шкала за частотою виходить практично лінійною. На малюнку 2.1 наведені графіки зміни ємностей і частоти контуру з прямоемкостним конденсатором.

Прямоемкосний конденсатор має найпростішу форму пластин - напівкруглу. При цьому можна отримати задовільну лінійну залежність ємності від кута повороту (рисунок 2.2).

Напруга, на якому працює конденсатор, дає можливість варіювати зазор між пластинами, оскільки при даному напрузі ймовірність пробою повітря (як діелектрика) дуже низька.

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

Всі вищенаведені фактори викривають процес конструювання, і є можливість заздалегідь спрогнозувати основні елементи конструкції.

2.3 Огляд і аналіз аналогічних конструкцій

Крім розглянутих прямоемкостних конденсаторів є ще безліч інших, що відрізняються за своїми характеристиками один від одного приладів.

Саме відмінність конденсаторів може полягати в методі зміни ємності. Найбільш доцільним в даний момент залишається метод управління ємністю через геометричні параметри, що визначають взаємодіючу поверхня електродів конденсатора.

Керування ємністю через зміну проникності важко і до того ж загрожує зміною інших важливих параметрів конденсатора. Інші способи, так чи інакше, пов'язані з напруженістю поля конденсатора, що впливає на електричну міцність.

Зберегти сталість відстаней між поверхнями електродів конденсатора, змінюючи його ємність за допомогою того чи іншого переміщення електродів, що приводить лише до зміни взаємодіючої поверхні їх, можна лише за наявності таких, циліндричних або сферичних конденсаторів (при неповних сферах).

Конденсатори з плоскими пластинами і обертальним переміщенням одних пластин щодо інших:

- Прямоемкостние (див. вище).

- Прямоволновие - дають лінійна зміна довжини хвилі контуру. Ємність конденсатора при цьому повинна змінюватися не лінійно: . Такі конденсатори мають обмежене застосування: переважно в деяких вимірювальних приладах.

• прямочастотние конденсатори дають лінійну залежність частоти контуру від кута повороту ротора, що забезпечує постійну

• щільність налаштування за діапазоном. Функціональна характеристика ємності при цьому має вигляд: , Тобто ємність повинна спадати при збільшенні кута повороту. Більш звичні прямочастотние конденсатори з так званим "зворотним обертанням", у яких при збільшенні кута повороту ємність зростає, а частота контуру спадає: . Прямочастотние конденсатори мають широке застосування в РЕА.

• логарифмічні конденсатори характеризується постійним, у межах діапазону, відносною зміною ємності або частоти. У першому випадку конденсатори називають ємнісне-логарифмічними - , А в другому частотно-логарифмічними - . За характером зміни частоти логарифмічні конденсатори наближаються до прямочастотним, але забезпечують однакову точність відліку по всьому діапазону, тому широке застосування в різній РЕА.

Інші види конденсаторів мають обмежене застосування, тому ми їх не розглядаємо.

У наведених формулах а і b - постійні, неоднакові для різних типів конденсаторів. (Визначаються за початкових умов, тобто при ). Графіки зміни ємності і частоти контуру з різними конденсаторами наведені на малюнку 2.3.

С, пФ f, кГц

1300

500 1200

Січень 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

Необхідна функціональна характеристика може бути отримана доданням спеціального обриси роторним пластин або за допомогою вирізу на статорі, а також всіляких зламів контурах пластин, ступінчастих радіусів, підключенням додаткової ємності і т. д. На малюнку 2.4 зображені обриси пластин різних конденсаторів. З них випливає, що роторні пластини прямочастотних КПЕ мають надзвичайно витягнуту форму. Це знижує механічну жорсткість ротора і збільшує обсяг конденсатора. Для усунення цього форму пластин змінюють, отримуючи її обриси за допомогою 2-х і 3-х сполучених поверхонь (кіл різного радіусу); площа такої спрощеної пластини вибирається рівної площі пластини правильної форми (обрис показано пунктиром).

Задовільну лінійну залежність частоти від кута повороту можна отримати і при полукруглом роторі, змістивши центр його обертання щодо центру пластини. У цих випадках лінійність зміни частоти дещо порушується, але загальна похибка не перевищує 6-8%.

При малих коефіцієнтах перекриття діапазону форма роторних пластин КПЕ всіх типів наближається до напівкруглої.

Більш жорсткою конструкцією мають конденсатори з напівкруглим ротором і спеціальним статором. Статор при цьому забезпечується вирізом зі змінним радіусом, форма якого визначає необхідний закон зміни ємності.

а) б) в) г) д)

рис.2.4.

Конденсатори з плоскими пластинами і поступальним переміщенням: обертальне переміщення замінюється на поступальне переміщення з граничною довгою L. КПЕ з плоскими пластинами і поступальним переміщенням не знаходять широкого застосування. Можливі дві конструкції КПЕ з циліндричними пластинами: 1) з поступальним переміщенням одного циліндра щодо іншого; 2) з обертальним переміщенням одного циліндра навколо іншого. Способи зміни ємності при поступальному переміщенні зображені на малюнку 2.5.

а) б) в)

Рис 2.5

3. Розрахунок прямоемкостного конденсатора змінної ємності

3.1 Теоретичні дані до розрахунку

Завданням розрахунку конденсатора змінної ємності є визначення конфігурації роторних і статорних пластин, їх кількості та величини зазору. При цьому вважаються заданими мінімальна та максимальна ємності контуру, функціональна характеристика, а також вимоги до точності, стабільності та умовами роботи конденсатора.

Розглянемо розрахунок при першому способі отримання необхідного закону ємності, тобто, визначимо, як повинен змінюватися радіус ротора для отримання необхідної функціональної характеристики. Приймемо, що кутовий діапазон переміщення ротора дорівнює 180 ^0.

На малюнку 3.1. зображені пластини конденсатора, ротор якого введено на кут . Даючи куті мале збільшення , Отримаємо відповідне прирощення ємнісний площі , Рівне площі заштрихованого сектора: . З іншого боку маємо: . Порівнюючи ці два вирази, отримаємо:

(1) , Де n - загальне число пластин (ротора і статора); d - зазор між пластинами ротора і статора; - Радіус вирізу на статорі для пропуску осі.

Всі лінійні розміри в наведених формулах виражені в сантиметрах, ємність - в пікофарад, а кути - в градусах.

Отриманий вираз (1) є вихідним для розрахунку обриси ротора конденсаторів будь-яких типів, так як вимагає визначення лише значення відносини , Що може бути виконане як аналітично, так і графічно.

R

Рис. 3.1

Прямоемкостний конденсат має лінійну функціональну залежність (характеристику). Тому і , Тобто його ротор буде мати напівкруглу форму.

Для розрахунку можна прийняти, що: .

Подальший розрахунок проводиться за формулою (1). Форма роторів конденсаторів інших типів відрізняється від напівкруглої, тому розрахунок їх обриси проводиться для ряду значень кута , Узятих через 10-20 ^0.

3.2 Визначення вихідних даних і чисельний розрахунок

Для розрахунку КПЕ необхідно попередньо визначення мінімальної і максимальної ємностей контуру, числа пластин n, зазору d і радіуса вирізу на статорних пластинах r _0.

З _min = 40 , З _max = 400

Загальне число пластин вибирається на підставі таких міркувань: при великій кількості пластин довжина конденсатора виходить надмірної, при малому - зростають розміри кожної пластини, що знижує їх жорсткість. Рекомендується число пластин вибирати так, щоб довжина конденсаторної секції приблизно була рівна середньому радіусу ротора.

Орієнтовно число пластин можна вибрати за таблицею 3.1.

Таб. 3.1

Для З _max = 400 пФ вибираємо число пластин n = 20.

Величина зазору d вибирається виходячи з розмірів конденсатора, необхідної точності, необхідної стабільності та електричної міцності, а також виробничо-технологічних міркувань. Чим більше зазор, тим вище електрична міцність, стабільність, надійність і міцність функціональної характеристики і тим легше виробництво конденсатора. Обсяг конденсатора приблизно пропорційний квадрату величини зазору, тому при його збільшенні - розміри конденсатора істотно зростають.

Точне визначення зазору по електричній міцності зустрічає раю труднощів, так як електрична міцність повітря залежить від атмосферного тиску і інших кліматичних чинників, а також від частоти, відстані між пластинами, стану їх поверхні і т.д.

Для наближеного розрахунку можна виходити з того, що при нормальному тиску допустима напруженість поля між пластинами становить 650-750В/мм (для змінної напруги високої частоти).

Величина зазору може бути знайдена з співвідношення: .

При напругах менше 200-250 В пробою через повітря не може відбутися ні за яких умов. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань. У цьому випадку величину зазору слід вибирати, виходячи з конструктивних міркувань.

U _раб = 500 В: мм. Округлимо до 1 мм.

Радіус вирізу на статорних пластинах r ₀ визначається діаметром осі і зазором між віссю та крайками статорних пластин. Цей зазор часто в 2-3 рази більше зазору між пластинами. Його зменшення підвищує мінімальну ємність конденсатора і негативно позначається на стабільності. Зазвичай величина r ₀ становить 5-10мм. Виходячи з вищесказаного, визначимо r ₀ = 5мм.

За призначеним даними виконуємо розрахунок:

З _min = 40 пФ

З _max = 400 пФ

n = 20

r ₀ = 5мм = 0,5 см.

d = 1мм = 0,1 см.

Отже, пластини ротора мають радіус 3,733 сантиметри.

Тепер потрібно сконструювати інші складові конструкції і стабільність конденсатора розрахувати виходячи з вибраних матеріалів і конструктивних рішень.

4. Стабільність конденсатора

Зміна ємності конденсатора може бути викликане як впливом кліматичних чинників, так і механічних. Ці зміни несуттєві для конденсаторів, що працюють в якості фільтруючих, блокувальних, а також застосовувані в контурах, не задають частоту і т.п., але вони небажані, а в ряді випадків і взагалі неприпустимі для конденсаторів, використовуваних в контурах, які задають частоту різних генераторів і гетеродинов.

4.1 Температурна нестійкість КПЕ

Зміни ємності під впливом температури в основному викликаються зміною лінійних розмірів пластин і зазорів і зміною діелектричної проникності діелектриків (у тому числі і повітря), що знаходяться в електричному полі конденсатора. Значні зміни ємності найчастіше бувають також через викривлення різних елементів конструкції. Загальний температурний коефіцієнт конденсатора визначається спільною дією всіх перерахованих факторів.

Першою умовою, що забезпечує найбільшу температурну стійкість конструкції, є відсутність (або мінімальна величина) в її елементах таких температурних напружень, які могли б викликати переміщення одних деталей по відношенню до інших і привести до незворотних деформацій, що створює температурну нестійкість нециклічного (неповоротного) характеру.

Другою умовою температурної стійкості конструкції є координація теплових деформацій, тобто створення в конструкції таких напрямків теплових переміщень, які максимально скорочували б величину зміни змінної ємності конденсатора.

Перша умова вимагає конструкції, в якій температурні деформації одних частин компенсувалися температурними деформаціями інших частин і тим самим усували виникнення великих напруг.

Виконання другої умови залежить від характеру зв'язку частин конструкції конденсатора, що утворюють його змінну ємність. Чим менше взаємозв'язок окремих елементів конструкції, тим менше елементи конструкції залежать один від одного при тепловому переміщенні.

Якщо конденсатор виготовлений з матеріалів, що володіють однаковими коефіцієнтами лінійного розширення і однаковою теплопровідністю, то на обличчя дотримання обох умов. Однак домогтися такого вдається далеко не завжди, бо найчастіше конструкція складається з різноманітних матеріалів з різними властивостями.

4.2 ТКЕ конденсатора змінної ємності з плоскими пластинами

На малюнку 4.1 представлена ​​схема плоского конденсатора, причому пропонується зробити пластини і втулки з матеріалів що володіють різними температурними коефіцієнтами лінійного розширення (ТКЛР) і .

Вважаючи також, що конструкція виконана таким чином, що при зміні температури мають місце вільні температурні деформації.

Температурну нестійкість ємності відображає наступна формула:

.

Перший доданок представляє ТКПА діелектрика, тобто , Друге - температурний коефіцієнт розширення площі пластин, очевидно: , Третя - є функція розмірів d, k, D і ТКЛР і .

З малюнка 4.1 можна записати співвідношення 2 d + 2 k = D, звідки . Проробивши нескладні математичні перетворення, отримаємо:

(2)

Якщо , То , Тобто визначається тільки властивостями матеріалу і середовища . Якщо , То , Тобто ТКЕ змінного конденсатора, зробленого з однорідного матеріалу, буде дорівнює ТКЛР цього матеріалу.

4.3 Пристрій термокомпенсации в конструкції змінного конденсатора з плоскими пластинами

Формула (2) показує, що компенсація температурної нестійкості конденсатора можлива; для цього необхідно лише вибрати також співвідношення k, d, , , , Щоб . Якщо знехтувати , А в повітряних конденсаторах воно мало, то, умова, термокомпенсации, самої, конструкції буде: , Звідки або

(3).

Цю форму можна використовувати як співвідношення для вибору параметрів за заданими параметрами.

Якщо ліва частина виразу (3) менше нуля, ТКЕ конденсатора буде негативним і , При позитивному ТКЕ - навпаки.

Розглянемо вплив розкидів конструктивних параметрів на величину ТКЕ, припускаючи, що розрахунок параметрів ведеться з урахуванням повної компенсації, тобто при ТКЕ змінної ємності конденсатора, дорівнює нулю.

Розкид параметрів призведе до невиконання співвідношення (3). Для забезпечення рівності в праву частину введемо деякий множник (В +1). Тоді , В - характеризує результат відхилень всіх величин, що входять в рівняння (3). Після перетворення: .

(Алюміній)

d = 1мм h = 2мм

5. Виробничі похибки

5.1 Вплив похибок виробництва на розкид ємності конденсаторів

Ємність конденсатора з плоскими пластинами залежить від похибок площі пластин і зазору. Похибка площі пластин мала (всі пластини робляться одним штампом). Найбільший вплив на ємність надає похибка зазору: .

Розглянемо фактори, що впливають на похибку зазору:

1. Похибка товщини пластин або похибка відстані між ними.

На малюнку 4.1 видно, що похибка в товщині пластин і у відстані між ними супроводжується зміна зазору d на величину . Похибка ємності: .

Пряма пропорційність між похибкою зазору і похибкою ємності при невеликих зазорах потрібне виготовлення пластин з високою точністю по товщині, забезпечення точного відстані D між пластинами статора або ротора.

D

d h

Рис 4.1

2) Асиметрія зазору d з'являються при зсуві пластин статора щодо пластин ротора на величину .

Максимальний розкид ємності за рахунок асиметрії всіх зазорів визначається формулою:

.

При невеликій величині асиметрії:

: ; .

2) Перекіс викликає не паралельність пластин ротора щодо пластин статора. Найгірших випадок, коли спостерігається перекіс всіх пластин. Максимальний розкид ємностей визначається формулами: , При значенні : , Де - Переміщення кінця пластини від перпендикулярного напрямку.

.

4) Кривизна пластин, що призводить до нерівномірності зазорів, викликає великий розкид ємності, ніж в п. 3, і менший, ніж в п. 2. Точного рішення цей випадок не має.

Найбільша величина розкиду змінної ємності конденсатора виходить за рахунок похибки по товщині пластин і за відстанню між ними. Отже, ці розміри вимагають найбільш жорстких допусків. Розкид ємності може мати як позитивний, так і негативний знак. Решта випадків, при відносно невеликих величинах і , Не роблять значного впливу на розкид ємності, який у цьому випадку має позитивний знак. Іншими словами ці фактори можуть тільки збільшувати ємність конденсатора. Отже, для компенсації асиметрії допуск на товщину пластин краще брати одностороннім, негативним.

5.2 Вплив способу кріплення пластин на похибку ємності

Закріпленням пластин безпосередньо на втулках або Гребінках за допомогою розкарбування, паяння або пресуванням (пресового посадкою) досягається відсутність підсумовування допусків, так як відстані до кожної з пластин визначаються від загальної бази (на відміну від набору на шайбах). Похибка ємності з-за асиметрії зазорів не залежить від числа пластин, тому дана конструкція зручна для масового виробництва і широкого застосування на практиці.

У конструкціях конденсаторів, випуск яких має найбільшу масовість, використовується закріплення пластин на гребінку на розкарбування, пази яких, визначають зазори між пластинами, розмічені від однієї бази і робляться за допомогою одних і тих самих інструментів, що значно зменшує розкид між окремими пакетами пластин.

5.3 Компенсація виробничого розкиду характеристики КПЕ з плоскими пластинами

Одним з широко розповсюджених способів компенсації є спосіб відгину розрізних секторів пластин ротора і статора. Одну або дві крайні пластини ротора розрізають на сектори. Недоліком такого методу є те, що при великій кількості пластин і великому продуктивному розкиді ємності, компенсування її може позначитися недостатнім.

Розкид може мати як позитивний так негативний знак, отже, необхідна не тільки отгібка пластин ротора від пластин статора, а й подгибку її в бік від пластин статора.

Можна показати, що при регулюванні однієї розрізний пластини регулювальна ємність буде: , Двома: .

Можна визначити допустиму величину відносної похибки максимальної ємності конденсатора, яка може бути скомпенсована отгібкой секторів однієї або двох пластин ротора:

; .

Виходячи з даних, отриманих раніше, знайдемо: , при n = 20.

5.4 Методи забезпечення механічної стійкості

Механічну стійкість конденсаторів змінної ємності слід розглядати з точки зору вібростійкості і стійкості до ударів.

При дії вібрації і ударів в системі виникають інерційні сили, величина яких залежить від прискорення та маси конструктивних елементів.

Для підвищення вібростійкості можна рекомендувати наступне:

1) Застосовувати матеріали з великим відношенням модуля пружності до питомої ваги. З цієї точки зору вигідні такі матеріали, як алюміній, дуралюминий і сталь.

2) Форму пластин ротора слід по можливості наближати до напівкруглої.

З точки зору стійкості ємності конденсатора, пов'язаної пружними деформаціями пластин під впливом прискорень, найвигідніша товщина пластин дорівнює подвоєному зазору: .

Загальні міркування щодо механічної стійкості елементів конструкції можуть бути зведені до наступних. Механічна стійкість буде тим вище, ніж: a) більше зазори і товщина пластин; б) коротше і товстіше вісь ротора і менше його маса; в) більше відношення модуля пружності застосовуваних матеріалів до питомої ваги. Крім того, консольне закріплення осі роторів і набору пластин статорів знижує механічну стійкість, порівняно з кріпленням на двох опорах, від 4 до 8 разів, в залежності від характеру кріплення на опорах (вільне або жорстке).

6. Конструкція конденсаторів змінної ємності

Конструкція КПЕ повинна відповідати призначенню конденсатора і вимогам до стабільності, точності, втрат, вібростійкості, розмірами, технологічним і паразитних зв'язків.

Основними елементами конструкції КПЕ, які значною мірою визначають властивості конденсатора, є корпус, ротор і статор, підшипники і струмознімальних пристрій.

По конструктивному виконанню корпусу, ротора і статора можуть бути розділені на литі, фрезеровані і штамповані.

Литі конденсатори виготовляють за допомогою лиття з алюмінієвих або цинкових сплавів. Вони відрізняються високою стабільністю, але не можуть бути виготовлені великої ємності без значного збільшення розмірів. Особливо часто вони використовуються в радіоапаратура УКВ.

Фрезеровані виготовляють фрезеруванням з суцільного шматка, найчастіше використовують алюміній і його сплави. Ці конденсатори також відрізняються високою стабільністю, електричними і механічними показниками, але більш складні у виготовленні, металлоемки, а тому малопридатні для масового виробництва.

Штамповані конденсатори найбільш зручні для масового виробництва, хоча по електричних параметрах вони поступаються попереднім типам. Вони виготовляються з штампованих деталей, з'єднаних за допомогою пайки, відбортовки, задавливания або розкарбування.

З'єднання статорних пластин у пакет здійснюється за допомогою спеціальних полиць або гребінок, шліци яких вставляються кінці пластин; при складанні ці кінці роздавлюються спеціальним інструментом. Закріплення роторних пластин здійснюється аналогічним способом або безпосередньо на осі або спеціальної роторної втулці.

При застосуванні сталевих або латунних пластин розчавлювання решт замінюється пайкою, що усуває залишкові деформації і підвищується стабільність.

Такий спосіб закріплення використовують на досить високих частотах.

Пластини ротора і статора штампують з листового алюмінію, сталі або латуні товщиною 0,3-0,8 мм, прокатаної з точністю до мкм. Відштамповані пластини для зняття внутрішніх напружень піддаються спеціальному рихтування, і термічній обробці. Корпус штампованого конденсатора виготовляють з листової сталі товщиною 1,5-2,0 мм, окремі частини якого з'єднуються розкарбування або зварюванням. Для підвищення стабільності і механічної міцності застосовують литі корпусу з алюмінієвих або цинкових сплавів.

Кріплення статора на корпус роблять за допомогою ізоляторів, що мають вигляд планок або колонок виготовлених із механічно міцною радіотехнічної кераміки типу В. Ізолятори з пластмаси і т. п. діелектрики можуть застосовуватися тільки в конденсаторах зниженої якості.

Осі виконують зі сталі, латуні і інвару та радіотехнічної кераміки типу В, ультрафарфору і стеариту. Для усунення прогинів і скручування діаметр осі вибирають досить великим 5-10 мм.

Конфігурація металевої осі визначається способом кріплення роторних пластин. Безпосередньо на осі пластини кріпляться за прорізанням на ній спеціальних пазів.

Підшипники повинні забезпечувати плавне і легке обертання ротора при відсутності мимовільних переміщень. Особливо неприпустимий поздовжній люфт, який супроводжується значною зміною ємності за допомогою контактних зчіпок. Підшипники не повинні допускати деформації осі і корпусу з-за теплового розширення.

Призначення токос'емника - надійне з'єднання конденсатора зі схемою. Застосовуються типи струмознімачів: з ковзним контактом, з гнучким з'єднанням, безконтактні (ємнісні струмозніманні). Найбільш широко застосування мають струмозніманні з ковзним контактом.

Перехідний опір повинен бути по можливості мало (<0,01 Ом) і не змінюватися в процесі експлуатації. Повний опір струмопровідних деталей мало.

Пластини калібрують по товщині з точністю до 3-5 мкм; з такою ж точністю виконують розміри деталей, що фіксують відстань між ними (колонки, гребінці, шайби).

; ;

Конструкція приладу

В якості основи використовуються корпусні кришки, в яких є виїмки під гребінки статора. Це дозволяє надати необхідну жорсткість і дає економію матеріалів. Пластини статора кріпляться в трьох Гребінках розташованих через 90 ^0. Це дозволяє максимально наблизити розміри пластин статора до розмірів пластин ротора, а, отже, зменшити габарити. Необхідну стабільність ротору забезпечують два кінетичних підшипника обмежують три ступені свободи ротора. Токос'ем здійснюється з однією з гребінок і з кінетичного підшипника. Збирається прилад за допомогою шести стандартних гвинтів.

Висновок

Конструкція задовольняє пропонованим вимогам, тобто забезпечує стабільністю і точністю роботи при нормальних умовах. Конденсатор має економічну і технічну конструкцію, що необхідно при масовому виробництві. ТКЕ даного конденсатора не перевищує . Максимальна ємність n Ф.

Список використаної літератури

1. Волго В.А. Деталі й вузли радіоелектронної апаратури. М.: Енергія, 2005.

2. Харінскій А.Л. Основи конструювання елементів радіоапаратури. Л.: Енергія, 1996.

4. Фролов А.Д. Радіодеталі і вузли. М.: Вища школа, 1995.

5. Чекмарьов А.О., Осипов В.К. Довідник по машинобудівному кресленню. М.: Вища школа, 1999.

6. Азарх С.Х. Конденсатори змінної ємності. М.: Енергія, 1 995.