Расчет прямоемкостного конденсатора
Содержание
Введение
1. Анализ
технического задания
1.1
Исходные данные
1.2
Выбор конструкции КПЕ
2.
Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования
3.
Расчет конструкции и необходимых деталей
3.1
Выбор числа и геометрических размеров пластин
3.2
Определение формы и размеров пластин
3.3
Вычисление температурного коэффициента емкости
3.4
Расчет контактной пружины
Заключение
Паспорт
Список
использованной литературы
Приложения
Введение
Функциональная электроника – это новое перспективное направление в
современной электронной базе РЭС. Устройства функциональной электроники
основаны на использовании динамических неоднородностей и физических принципов
интеграции. Это отличает их от транзисторов, диодов, интегральных схем и других
элементов РЭС, работа которых основана на статических неоднородностях и
конструкторско – технологической интеграции. В настоящее время стоит вопрос о
создании устройств, в качестве основных носителей информации, в которых будут
использованы всевозможные виды динамических неоднородностей, т.е. устройства
для обработки больших массивов информации с помощью интеграции различных
физических эффектов.
Из всего многообразия РЭС в большинстве случаев возникает необходимость
в элементах, способных изменять свою емкость в зависимости от какого – то
внешнего параметра. Наиболее часто изменение емкости необходимо для изменения
резонансной частоты контура, в состав которого входит элемент. Существует
несколько типов таких элементов, одним из которых является конденсатор
переменной емкости (КПЕ), рассматриваемый в данной работе.
Электрические конденсаторы являются одним из наиболее массовых
элементов РЭС. В СНГ их выпускается до 11 млн. штук в год (в мире выпуск
достигает 109 штук в год). Применимость конденсаторов объясняется
достаточно широкими функциональными возможностями как элементов колебательных
контуров и фильтрующих, разделительных пусковых, помехоподавляющих,
блокировочных цепей и т.д.
1. Анализ
технического задания
1.1 Исходные
данные
1.
Максимальная емкость Смах = 140пФ;
2.
Минимальная емкость Смin = 8пФ;
3. Рабочее напряжение Uраб = 24 В;
4. Зависимость емкости от угла поворота ротора – прямоемкостная;
5.
Количество секций – 2;
6.
Программа выпуска 15000 шт./год
1.2
Выбор
конструкции КПЕ
Так как в ТЗ предъявляются требования к обеспечению габаритных
минимальных размеров конденсатора переменной емкости, то мы применяем твердый
диэлектрик. Конденсаторы с твердым диэлектриком проще в изготовлении, имеют
большую удельную емкость, но обладают низкой точностью и стабильностью, и
поэтому применяются в качестве регулировочных в малогабаритных приемниках
широкого применения.
2. Обзор
аналогичных конструкций и выбор направления проектирования
Изменение емкости конденсатора может быть получено двумя принципиально
различными способами управления – механическим и електрическим. Особенности
конденсаторов с механическим управлением заключается в возможности реализации
заданных законов изменения емкости при перемещении пластин;получения широкого
диапазона изменения емкости и больших величин добротностей; обеспечение больших
рабочих напряжений и малых значений температурного коэффициента емкости (ТКЕ);
независимости величины емкости от приложенного напряжения; сравнительно большом
времени, необходимом для изменения емкости; зависимости величины емкости от влажности
и внешних механических воздействий, относительной сложности конструкции и
больших габаритах.
Конденсатор переменной емкости с механическим управлением представляет
собой две системы плоских пластин: неподвижную (статор) и подвижную (ротор),
расположенных таким образом, что при вращении ротора его пластины входят в
зазоры между пластинами статора.
В зависимости от угла поворота различают:
·
Конденсаторы с нормальным угловым диапазоном, при котором
угол поворота равен 180°;
·
Конденсаторы с расширенным угловым диапазоном, при котором
угол поворота ротора больше 180°;
·
Конденсаторы с уменьшенным угловым диапазоном, например
равным 90°.
В зависимости от величины приложенного напряжения конденсаторы
переменной емкости рассчитывают:
·
для электрических цепей с малым напряжением (менее 200в);
·
для электрических цепей с повышенным напряжением (более
200в);
·
для электрических цепей с большим напряжением (более 1000в);
По закону изменения емкости конденсаторы подразделяют на
прямоемкостные, прямоволновые, прямочастотные и логарифмические и специальные.
По типу применяемого диэлектрика конденсаторы подразделяют на:
·
конденсаторы с воздушным диэлектриком;
·
конденсаторы с твердым диэлектриком;
·
вакуумные конденсаторы;
·
конденсаторы с жидким диэлектриком;
·
газонаполненные конденсаторы.
Газонаполненные, вакуумные конденсаторы и конденсаторы с жидким
диэлектриком отличаются сложностью конструкции, поэтому имеют очень
ограниченное применение, преимущественно в мощном радиостроении.
По способу выполнения электрического контакта с подвижной частью
конденсаторы разделяют на конденсаторы со следующим типом токосъемов: со
скользящим контактом, с гибким соединением и емкостными токосьемами.
По типам аппаратуры, в которой используются конденсаторы, они
разделяются на конденсаторы для массовой радиовещательной аппаратуры и
конденсаторы для профессиональной радиоаппаратуры.
По числу секций конденсаторов, одновременно изменяющих свою емкость,
конденсаторы делят на односекционные и многосекционные.
Для одновременной настойки нескольких контуров применяются
многосекционные конденсаторы. В зависимости от того, какие из блоков этого рода
применены в аппаратуре, к схеме соединения отдельных секций предъявляют
различные требования. Например, в тех случаях, когда блок конденсаторов должен
быть проще и дешевле, используют схемы, в которых все роторы гальванически
соединены между собой общей металлической осью. Однако при этом между отдельными
секциями конденсатора возникает электрическая связь, объясняемая электрической
проводимостью оси, соединяющей роторы.
В других случаях, когда существенно важно, как можно больше уменьшить
связь между настраиваемыми контурами, применяют блоки, у которых и статоры и
роторы изолированы друг от друга, а ось соединяющая роторы, сделана из
изоляционного материала.
В соответствии с техническим заданием объем конструкции конденсатора
переменной емкости должен быть минимальным. Рабочее напряжение 24В, число секций
– 2, закон изменения емкости – прямоемкостной.
За основу конструкции выбираем штампованный конденсатор с полукруглыми
пластинами ротора.
Кроме КПЕ, плавное изменение емкости обеспечивают такие элементы, как
варикапы и вариконды. Это так называемые конденсаторы переменной емкости с
электрически управляемой емкостью.
Варикапы изменяют свою емкость в зависимости от приложенного обратного
смещения р-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 емкости, в результате чего
применяются в основном в диапазоне УКВ и на более высоких частотах, а также в
схемах, где не требуется большое изменение емкости.
В варикондах под действием приложенного постоянного смешения изменяется
диэлектрическая проницаемость материала между обкладками. Они имеют коэффициент
перекрытия по емкости от 2 до 5, но обладают низкой температурной стабильностью
емкости и не обеспечивают требуемый закон ее изменения.
3. Расчет конструкции
и необходимых деталей
3.1 Выбор
числа и геометрического размера пластин
Суммарное число пластин конденсатора выбирается с учётом того, что
суммарная длинна секции должна быть приближённо равна радиусу пластины ротора. Выбираю
суммарное количество пластин N ротора и статора равное 7.
Величина зазора d выбирается исходя из размеров конденсаторов,
требуемой точности, необходимой стабильности и электрической прочности и
производственно – технологических соображений. Чем больше зазор, тем выше
электрическая прочность, стабильность, надежность и точность закона изменения
емкости. Следует также
учесть, что при увеличении зазора увеличивается объем конденсатора.
Так как необходимо обеспечить минимальные габаритные размеры
конденсатора, я выбираю зазор порядка 0,2 мм.
3.2 Определение
формы и размеров пластин
Радиус выреза на статорных пластинах r0=5мм.
Для расчета радиуса пластины, обеспечивающей прямоемкостную зависимость
емкости, использую формулу:
, см. (3.1)
где постоянная
Длинна конденсаторной секции вычисляется по формуле:
lc = h N + d
(N – 1), (3.2.)
h = 0.03 см. = 0.3мм. (3.3)
Подставляю численные значения в формулу (3.1.)
k=,
,
lc = 0,037 +
0,02∙6 = 0,33 cм.=3.3 мм.
3.3
Вычисление температурного коэффициента емкости
Влияние изменения температуры на параметры конденсатора сказывается в
изменении свойств и объема материалов, из которых он изготовлен.
Изменение емкости под влиянием температуры в основном вызываются
изменением линейных размеров пластин и зазоров и изменением диэлектрической
проницаемости воздуха (диэлектрика), находящегося в электрическом поле
конденсатора. Надо иметь в виду, что емкость КПЕ состоит из двух частей:
·
постоянной части (представляет собой минимальную емкостью
величина которой не зависит от положения ротора).
·
переменной части, величина которой изменяется при
перемещении ротора.
Каждая из этих емкостей имеет определенный ТКЕ, зависящий как от
материалов, так и от последней.
Температурный коэффициент переменной части емкости (ТКЕ) конденсатора
определяется по формуле:
ТКЕ ~= ТКв TKSA + TKd (3.4)
где ТКв -
температурный коэффициент диэлектрической проницаемости
воздуха (2010-6),1/град;
TKSAи TKd – температурные коефициенты
активной площади пластин и зазора, соответственно, 1/град
Температурный коефициент активной площади пластин обулавливается
температурным коефициентом линейного расширения материаламп, из которого они изготовлены, и
относительным перемещением секции ротора и статора, вызванным температурным
коефициентом линейного расширения материала основания мо, т.е:
TKSA = TKSs TKSl, (3.5)
где TKSs и TKSl - температурные коэффициенты
активной площади пластин и зазора;
TKSs = 2мп, (3.6)
где мп -
температурный коефициент линейного расширения материала, из которого
изготовлены пластины;
Так как стабильность конденсатора с твердым диэлектриком ниже
стабильности конденсатора с воздушным диэлектриком, я опускаю вычисление ТКЕ
конденсатора.
3.4 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 Rп 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 конденсатора с
прямоемкостной зависимостью. Данный конденсатор переменной емкости предназначен
для использования в качестве регулировочного.
К данному конденсатору не предъявляется особых требований, значит,
выбираем не очень дорогостоящие материалы и простую конструкцию.
В качестве материала пластин ротора и статора выбираем латунь.
Ось данного КПЕ изготовляем тоже из латуни. Выбрали форму пластин для
данного КПЕ – полукруглые.
Функциональная зависимость емкости от угла поворота – линейная.
Был рассчитан радиус пластины ротора =18,5мм.
Количество выпущенных конденсаторов предусматривается n = 15000 штук в
год.
По конструктивному выполнения корпуса, ротора и статора конденсатор
является штампованным, так как он предназначен для массового производства и не
отличается высокими электрическими характеристиками.
Я применяю подшипники трения и качения. Подшипник трения применяю, так
как конденсатор предназначен для карманного приемника, а, как известно, такая
аппаратура не стабильна и отличается невысокой стоимостью.
Паспорт
1.Рабочее
напряжение, В......................................24
2.Максимальная
емкость, пФ.................................. 140
3.Минимальная
емкость, пФ.................................... 8
4.Число
секций ………………………………………..2
5.Диаметр
оси, мм………………………………..3
6.Закон
изменения емкости-прямоемкостной
7.Условия
эксплуатации......................... согласно УХЛ 4.1
8.Габаритные
размеры, мм................................ Ø42×45.
9.Программа,
шт……………………………………….15000
Список
литературы
1.
Волгов В.А. Детали и узлы РЭА – М. Энергия. 1967.- 656с.
2.
Устройства функциональной радиоэлектроники электрорадиоэлементы:
Конспект лекций. Часть 1/М.Н. Мальков, В.Н. Свитенко. – Харьков: ХИРЭ 2002. –
140с.
3.
О.Ю. Савельев Конденсаторы. Конструкция и устройство – Москва.
ЕлАтомИздат. 2003
4.
Самохвалов Я.А. Справочник техника-конструктора-К.
Техника.1978.-592с.