Конденсатор переменной мкости

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра ПЭЭА























Курсовой проект

Дисциплина: “Элементная база ЭА”

Тема проекта: “Конденсатор переменной ёмкости (минимальная ёмкость, Сmin-10 пФ; максимальная ёмкость, Сmax – 225 пФ; рабочее напряжение, Uраб – 150 В; закон изменения ёмкости – прямоволновой)”





Разработал: Руководитель проекта

ст. гр. ТЗТм-05-1 Григорьева О.В.













2009


СОДЕРЖАНИЕ



Введение

1. Анализ технического задания

	Исходные данные

	Выбор конструкции КПЕ

2. Анализ аналогичных конструкций

3. Электрический и конструктивный расчёт

3.1 Выбор числа и геометрических размеров пластин

3.2 Определение формы и размеров пластин

3.3 Вычисление температурного коэффициента ёмкости

4. Расчёт контактной пружины

Паспорт

Заключение

Список литературы

Приложения




ВВЕДЕНИЕ



Современная радиоэлектроника является мощным средством научно-технического прогресса. Методы и средства радиоэлектроники проникли во все отрасли науки и техники, они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, в военном деле, в культуре и в быту. Современная радиоэлектроника – это комплекс областей науки и техники, включающий наряду с радиотехникой и электронной техникой оптоэлектронику, рентгеноэлектронику, гамма – электронику и другие.

ХХ столетие, и особенно его вторая половина, ознаменовалась для радиотехники бурным её развитием как по количеству, так и по качеству и сложности функций, выполняемых радиотехническими системами и средствами. Потребности развивающейся радиотехники способствовали развитию электронной техники, и напротив, появление новых электронных приборов, в особенности сверхвысокочастотных и квантовых электронных приборов: магнетронов и клистронов, ламп бегущей и обратной волны, лазеров, мазеров и др., привело к резкому расширению возможностей радиотехники, к освоению СВЧ – диапазонов электромагнитных волн. Всё шире применяются радиотехнические методы для задач, не связанных с излучением электромагнитных волн. Поэтому понятие «радиотехника» стало заменяться более широким понятием «радиоэлектроника».

Из всего разнообразия радиоэлектронных средств (РЭС) в большинстве случаев возникает необходимость в элементах, способных изменять свою ёмкость в зависимости от какого-то внешнего параметра. Наиболее часто изменение ёмкости необходимо для изменения резонансной частоты контура, в состав которого входит элемент. Существует несколько типов таких элементов, одним из которых является конденсатор переменной ёмкости (КПЕ), рассматриваемый в данной работе.




1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ



	Исходные данные



Минимальная ёмкость, Сmin, пФ 10

Максимальная ёмкость, Сmax, пФ 225

Рабочее напряжение, Uраб, В 150

Температурный коэффициент ёмкости, єС-1  45·10-6°с

Рабочий угол, 180

Закон изменения ёмкости  прямоволновый

Программа, шт. 50000

Условия эксплуатации  по ГОСТ 15150-69

По условиям ТЗ проектируемый конденсатор предназначен для работы в РЭА, относящихся по ГОСТ 15150-69 ко второй группе. Это стационарная аппаратура, предназначенная для работы на открытом воздухе или в отапливаемых наземных или подземных сооружениях. Значения дестабилизирующих факторов для РЭА этой группы приведены в таблице (3. табл 3.11).



	Выбор конструкции КПЕ



В ТЗ не обговорены требования к габаритам и массе предложенного к разработке КПЕ. Об отсутствии жестких требований говорит и место его установки – стационарная аппаратура. В связи с этим можно применить воздух в качестве диэлектрика, что позволит сконструировать конденсатор с более высокими качественными показателями по сравнению с конденсаторами с твёрдым диэлектриком. В следующем разделе будут рассмотрены разнообразные варианты конструкций КПЕ и выбраны наиболее подходящие для получения оговоренных в ТЗ характеристик.


2. АНАЛИЗ АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ



Кроме КПЕ, плавное изменение ёмкости обеспечивают такие элементы, как варикапы и вариконды. Это так называемые конденсаторы переменной ёмкости с электрически управляемой ёмкостью.

Варикапы изменяют свою ёмкость в зависимости от приложенного обратного смещения p-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 ёмкости (точнее коэффициент перекрытия по ёмкости) . В результате чего применяются в основном в диапазоне УКВ и на более высоких частотах, а также в схемах, где не требуется большое изменение ёмкости.

В варикондах под действием приложенного постоянного смещения изменяется диэлектрическая проницаемость материала между обкладками. Они имеют коэффициент перекрытия по ёмкости от 2 до 5, но обладают низкой температурной стабильностью ёмкости и не обеспечивают требуемый закон её изменения.

Конденсаторы переменной ёмкости с механическим управлением между собой различаются видом диэлектрика (твёрдый, жидкий или газообразный) и способом задания функциональной зависимости изменения ёмкости от угла поворота (конденсаторы с фигурными пластинами ротора или с вырезом в статорных пластинах).

Воздух по сравнению с твёрдыми и жидкими диэлектриками обладает рядом положительных свойств: ничтожными потерями, малой проводимостью, независимостью диэлектрической проницаемости от частоты и малой зависимостью от температуры, влажности и давления.

К недостаткам воздуха, как диэлектрика следует отнести малые значения диэлектрической проницаемости и пробивного напряжения, что влияет на габаритные размеры КПЕ.

Перечисленные положительные свойства воздуха как диэлектрика позволяют создать наиболее простые конструкции конденсаторов с высокими техническими характеристиками. Исходя из этого- в проектируемом КПЕ в качестве диэлектрика будет использоваться воздух.

У конденсаторов с переменным радиусом выреза в статорной пластине пластины ротора имеют более жесткую конструкцию, что даёт существенное преимущество только для прямочастотного закона изменения ёмкости. Для прямоволновой зависимости такое конструктивное решение является нецелесообразным.




3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ



3.1 Выбор числа и геометрических размеров пластин



Суммарное число пластин конденсатора выбирается с учётом того, что суммарная длинна секции должна быть приближённо равна радиусу пластины ротора и суммарная длина КПЕ не должна превышать заданное в ТЗ значение.

Ориентировочно число пластин можно выбрать по таблице (1. табл. 3-8). Принимаем число пластин N = 10

Величина зазора между пластинами ротора и статора выбирается с учётом требований электрической прочности, точности, температурной стабильности, габаритных размеров и производственно-технических соображений.

При амплитуде переменного напряжения на конденсаторе Uраб величину требуемого зазора (мм) для получения необходимой электрической прочности можно найти из следующего выражения:



d = Uраб/(500ч700), (3.1)



где Uраб – максимальное рабочее напряжение, В;

500ч700 – допустимая напряжённость поля, В/мм.



dmin = 150/700 = 0,214 мм

dmax =150/500 = 0,30 мм



При большом зазоре увеличивается электрическая прочность, увеличивается температурная стабильность, но увеличиваются и габаритные размеры КПЕ. Маленький же зазор даёт плохие стабильность и электрическую прочность при малых габаритных размерах. В связи с этим с этим выбираем d = 0,3мм, считая это значение оптимальным с точки зрения отношения характеристик и габаритных размеров.

Для предотвращения короткого замыкания между роторными и статорными пластинами в статорных пластинах делается вырез. Его радиус определяется с учётом зазора d и радиуса оси rоси = dоси/2 =4/2 = 2 мм по формуле:



r0 = rоси+(2ч3)d = 2+(2ч3)·0,3 = 2.5ч2.75 мм



Выбираем максимальное значение r0 =2.75 мм, так как при таком радиусе уменьшается значение паразитной ёмкости.



3.2 Определение формы и размеров пластин



Прямоволновая зависимость ёмкости от угла поворота математически описывается функцией



С = (aφ + b)2, (3.2)



где a = (- )/180;



b = Сmin ;K= ;



φ – угол поворота ротора.

N – общее число пластин статора и ротора

Зависимость радиуса ротора от угла поворота для получения необходимой функциональной зависимости описывается следующим выражением:


R =  , (3.3)



где d – зазор между пластинами, см;

k – постоянная ;

r0 – радиус выреза в пластине статора;

φ – угол поворота.

Вычислим значения коэффициентов a и b:



a = ( -)/180 = 0,06

b =10;



Расчёт R произведём при помощи пакета прикладных программ Excel. Результаты работы программы (с шагом 10є) приведены в таблице 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



Средний радиус пластин ротора определяем как среднее арифметическое сведённых в таблицу значений и равен R=9,214

Длина секции определяется по формуле:



l0 = hплN + d (N-1), (3.5)



где hпл – толщина пластины (выбираем hпл = 0,6мм);

N – суммарное число пластин в секции;

d – зазор между пластинами ротора и статора, мм.



l0 = 0,3·10 + 0,6·9 = 8,7 мм

Отношение l0/Rср = 0,94 близко к 1, что подчиняется приведённым выше требованиям (l0 ≈ Rср).



3.3 Вычисление температурного коэффициента ёмкости



При изменении температуры воздуха изменяются как физические, так и геометрические размеры (s и d) конденсатора, что приводит к изменению ёмкости. Ёмкость КПЕ состоит из двух составляющих: постоянной (представляет собой минимальную ёмкость Сmin, величина которой не зависит от положения ротора) и переменной Спер, величина которой изменяется при перемещении ротора. Каждая из этих емкостей имеет свой определённый ТКЕ.

Минимальная ёмкость образуется как сумма емкостей через твёрдый диэлектрик и воздух между деталями, находящимися под разными потенциалами. В общем виде можно сказать, что



ТКЕmin =  (3.6)



Так как ёмкость через диэлектрик составляет значительно меньшую часть, чем ёмкость через воздух, то можно приближённо считать это значение равным 20·10-6 єС (ТКЕ для воздуха).

Температурный коэффициент переменной части ёмкости можно вычислить, используя формулу



ТКЕ = ТКЕв+ ТКSa, (3.6)



где ТКSa и ТКd – температурные коэффициенты активной площади пластин и зазора соответственно.

обуславливается температурным коэффициентом линейного расширения материала αмп, из которого они сделаны и относительным перемещением секций ротора и статора, вызванными температурным коэффициентом линейного расширения материала корпуса αмк, т.е.



ТКSa = ТКSs ± ТКSl, (3.8)



где ТКSs – температурные коэффициенты активной площади пластин, обусловленные αмп и αмк соответственно.

	Тогда



ТКSs = ΔS/(S·Δt) = 2 αмп·SΔt/(S·Δt) = 2 αмп , (3.9)



а ТКSl будет определяться при колебаниях температуры окружающей среды по изменению расстояния между ротором и статором. В связи с тем, что пластины и корпус выполнены из одного материала, можно допустить, что изменение активной площади пластин довольно мало и ТКSl можно пренебречь.

Подставив значение коэффициента линейного расширения для инвара в (3.9), получим:



ТКSs = 2·0,9·10-6 = 1,8·10-6 єС-1



Теперь найдём ТКSa из выражения (3.8):



ТКSa = 1,8·10-6 + 0 = 1,8·10-6 єС-1



Для нахождения воспользуемся формулой:



ТКSd = (αмоl - 2 αмоd) / (l – 2dп), (3.10)

где d = 0,5(l – 2dп) – величина зазора, мм;

dп – толщина пластины, мм;

l – расстояние между пластинами ( по средней линии), мм;

αмоl и αмоd – температурные коэффициенты линейного расширения материала оси и пластин соответственно, єС-1.

Подставим численные значения:



d = 0,5(1-2·0,3) = 0,2мм

ТКSd = (4,5·-2·0,9·0,3) / (1-2·0,6) = 10·10-6 єС-1,



Просуммировав все составляющие, сначала получим значение ТКЕ переменной составляющей ёмкости



ТКЕ = 20·10-6 + 1,8·10-6 + 10·10-6 = 31,8·10-6 єС-1,



а затем и общее ТКЕ:



ТКЕ = ТКЕ + ТКЕmin = 31,8·10-6 + 20·10-6 = 51,8·10-6 єС-1



Разработанная конструкция конденсатора удовлетворяет требованиям ТЗ по стабильности.




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.

ПАСПОРТ



Минимальная ёмкость, Сmin, пФ  10

Максимальная ёмкость, Сmax, пФ  225

Рабочее напряжение, Uраб, В  150

Число секций 2

Температурный коэффициент ёмкости, єС-1  45·10-6

Рабочий угол, 180

Диаметр оси, мм  4

Закон изменения ёмкости КПЕ  прямоволновый

Крепление снизу

Программа, шт. 50000

Условия эксплуатации по ГОСТ 15150-69




ЗАКЛЮЧЕНИЕ



В данном курсовом проекте был произведен расчет переменного конденсатора с прямоволновой зависимостью. Данный конденсатор переменной емкости предназначен для использования в бытовой аппаратуре и в радиоприемной аппаратуре (в УКВ диапазоне).

В техническом задании для проектирования данного конденсатора были предъявлены противоречивые требования: минимальные размеры конструкции и сравнительно низкий температурный коэффициент емкости ( С-1), значит выбираем материалы с максимально близкими ТКЕ, и конструкцию, которая бы обеспечивала и достаточно низкий ТКЕ, и малые габариты конденсатора.

Ось ротора и статора будем делать из одного материала, из керамики с ТКЕ = 4,5-610-6, С-1.

Для реализации прямоволновой зависимости были рассчитаны радиусы пластин ротора в зависимости от угла поворота.




СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



	Волгов В.А. Детали и узлы РЭА. –М.: Энергия. 1977. –656 с.

	Устройства функциональной радиоэлектроники и электрорадиоэлементы: Конспект лекций. Часть I / М.Н. Мальков, В.Н. Свитенко. – Харьков: ХИРЭ. 1992. – 140 с.

	Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования/ Под редакцией Р.Г. Варламова. – М.: Сов. Радио. 1980. – 480 с.

	Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры. – М.: Высшая школа. 1986. – 339 с.