Министерство образования и науки Украины
Харьковский технический университет радиоэлектроники
Кафедра ПЭЭА
Курсовой проект
по курсу: «Элементная база»
на тему: «Конденсатор переменной емкости»
Выполнил:
Проверил:
Харьков
Содержание
Введение
1. Анализ технического задания
1.1 Исходные данные
2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования
3. Электрический и конструкторский расчеты
Заключение
Список литературы
Введение
Функциональная электроника — этоновое перспективное направление в современной электронной базе РЭС. Устройствафункциональной электроники основаны на использовании динамическихнеоднородностей и физических принципов интеграции. Это отличает их оттранзисторов, диодов, интегральных схем и других элементов РЭС, работа которыхоснована на статических неоднородностях и конструкторской — технологическойинтеграции. В настоящее время стоит вопрос о создании устройств, в качествеосновных носителей информации, в которых будут использованы всевозможные видыдинамических неоднородностей, т.е. устройства для обработки больших массивовинформации с помощью интеграции различных физических эффектов.
Из всего многообразия РЭС вбольшинстве случаев возникает необходимость в элементах, способных изменятьсвою емкость в зависимости от какого — то внешнего параметра. Наиболее частоизменение емкости необходимо для изменения резонансной частоты контура, всостав которого входит элемент. Существует несколько типов таких, элементов,одним из которых является конденсатор переменной емкости (КПЕ), рассматриваемыйв данной работе.
Электрические конденсаторыявляются одним из наиболее массовых элементов РЭС. В СНГ их выпускается до 11млн. штук в год (в мире выпуск достигает 10 штук в год). Применимостьконденсаторов объясняется достаточно широкими функциональными возможностями какэлементов колебательных контуров и фильтрующих, разделительных пусковых,помехоподавляющих, блокировочных цепей и т.д.
1. Анализ технического задания1.1 Исходные данные
Конденсатор переменной емкости — прямоемкостной;
Максимальная емкость Смах =150пФ;
Минимальная емкость Смin = 8пФ;
4. Температурный коэффициентемкости ТКЕ = 10-51/град;
Рабочее напряжение Uраб = 100 в;
Количество секций — 1;
Угол поворота подвижной системы j = 180 º;
Диаметр оси dоси = 6мм;
УХЛ 4.1 ГОСТ 15150 — 69;
Условия эксплуатации 2ст. ж; ГОСТ16962 — 79
Программа 10 6 шт/год.
Значения климатических фактороввнешней среды при эксплуатации и испытаниях УХЛ 4.1 ГОСТ 15150 — 69
Исполнение изделий — УХЛ; Категорияизделий — 4.1
Значения температуры воздуха приэксплуатации, Сº
Рабочие
Верхнее значение + 25; Нижнеезначение + 10; Среднее значение + 20
Предельные рабочие
Верхнее значение + 40; Нижнеезначение + 1
Величина изменения температурыокружающего воздуха за 3ч. — 40 Сº;Относительная влажность Ср. месячное значение в наиболее теплый и влажный период и продолж. воздействия Верхнее значение Значение Продолжительность мес. 65% при 20 Сº 12 80% при 25 Сº
Интенсивность дождя составляет — 3мм / мин.;
Плотность озона приземном слоевоздуха составляет — 40 мкг / м3;
Температура +25 Сº; — 20Сº
Механические воздействия ГОСТ16962 — 79
Степень жесткости — ΙΙВибрационные нагрузки Диапазон частот Макс. ускорение, g Длительность удара 1 — 60 1 -- Ударные нагрузки Многократные -- 40 2 — 10 Одиночные -- 20 20 — 50 Линейные нагрузки -- 25 --
Для изделий, предназначенных дляработы в условиях воздействия акустического шума, значения характеристикакустического шума: Диапазон частот Макс. уровен. зв. давления, дБ 50 — 100000 140
Температура воздуха или другогогаза при транспортировании и хранении:
Верхнее значение + 60 С°; нижнее значение — 60 С°
Пониженное атмосферное давление мм.рт. ст. — 400;
Повышенное давление воздуха илидругого газа, кгс / см — 3;
Относительная влажность: 98% при25 С° и более низких температурах безконденсации влаги.
Выбор конструкции КПЕ
В ТЗ не оговорены требования кгабаритам и массе предложенного к разработке КПЕ. Об отсутствии жесткихтребований к этим параметрам говорит и место его установки — стационарнаяаппаратура. В связи с этим можно применить воздух в качестве диэлектрика, чтопозволяет сконструировать конденсатор с более высокими качественнымипоказателями по сравнению с конденсаторами с твердым диэлектриком.
Дальше будут рассмотреныразнообразные варианты конструкций КПЕ и выбраны наиболее подходящие дляполучения оговоренных в ТЗ характеристик.
2. Обзор аналогичных конструкций и выборнаправления проектирования
Изменение емкости конденсатораможет быть получено двумя принципиально различными способами управления — механическим и электрическим. Особенности конденсаторов с механическимуправлением заключается в возможности реализации заданных законов измененияемкости при перемещении пластин; получения широкого диапазона изменения емкостии больших величин добротностей; обеспечение больших рабочих напряжений и малыхзначений температурного коэффициента емкости (ТКЕ); независимости величиныемкости от приложенного напряжения; сравнительно большом времени, необходимомдля изменения емкости; зависимости величины емкости от влажности и внешнихмеханических воздействий, относительной сложности конструкции и большихгабаритах.
Конденсатор переменной емкости смеханическим управлением представляет собой две системы плоских пластин; неподвижную(статор) и подвижную (ротор), расположенных таким образом, что при вращении
ротора его пластины входят взазоры между пластинами статора.
В зависимости от угла поворотаразличают:
Конденсаторы с нормальнымугловым диапазоном, при котором угол поворота равен 180°;
Конденсаторы с расширеннымугловым диапазоном, при котором угол поворота ротора больше 180°;
Конденсаторы с уменьшенным угловымдиапазоном, например равным 90°.
В зависимости от величиныприложенного напряжения конденсаторы переменной емкости рассчитывают:
для электрических цепей с малымнапряжением (менее 200в);
для электрических цепей сповышенным напряжением (более 200в);
для электрических цепей сбольшим напряжением (более 1000в);
По закону изменения емкостиконденсаторы подразделяют на прямоемкостные, прямоволновые, прямочастотные илогарифмические.
По типу диэлектрика конденсаторыразличают на:
конденсаторы с воздушнымдиэлектриком;
конденсаторы заполненные сжатымгазом;
вакуумные конденсаторы;
конденсаторы с жидкимдиэлектриком;
конденсаторы с твердымдиэлектриком.
Газонаполненные, вакуумныеконденсаторы и конденсаторы с жидким диэлектриком отличаются сложностьюконструкции, поэтому имеют очень ограниченное применение, преимущественно вмощном радиостроении.
По способу выполненияэлектрического контакта с подвижной частью конденсаторы разделяют наконденсаторы с трущимся, гибким и емкостным токосъемами.
По типам аппаратуры, в которойиспользуются конденсаторы, они разделяются на конденсаторы для массовойрадиовещательной аппаратуры и конденсаторы для профессиональной радиоаппаратуры.
По числу секций конденсаторов,одновременно изменяющих свою емкость, конденсаторы делят на односекционные имногосекционные.
Для одновременной настойкинескольких контуров применяются многосекционные конденсаторы. В зависимости оттого, какие из блоков этого рода применены в аппаратуре, к схеме соединенияотдельных секций предъявляют различные требования. Например, в тех случаях,когда блок конденсаторов должен быть проще и дешевле, используют схемы, вкоторых все роторы гальванически соединены между собой общей металлической осью.Однако при этом между отдельными секциями конденсатора возникает электрическаясвязь, объясняемая электрической проводимостью оси, соединяющей роторы.
В других случаях, когдасущественно важно как можно больше уменьшить связь между настраиваемымиконтурами, применяют блоки, у которых и статоры и роторы изолированы друг отдруга, а ось соединяющая роторы, сделана из изоляционного материала.
В соответствии с техническимзаданием объем конструкции конденсатора переменной емкости должен бытьминимальным. Рабочее напряжение 100в, число секций — 1, закон изменения емкости- прямоемкостной.
За основу конструкции выбираемштампованный конденсатор с полукруглыми пластинами ротора.
Кроме КПЕ, плавное изменениеемкости обеспечивают такие элементы, как варикапы и вариконды. Это такназываемые конденсаторы переменной емкости с электрически управляемой емкостью.
Варикапы изменяют свою емкость взависимости от приложенного обратного смещения р-n перехода. Они обладаютмассой полезных свойств, таких как малые размеры, высокая добротность истабильность, но при этом обеспечивают требуемый в некоторых случаях диапазонизменения емкости, в результате чего применяются в основном в диапазоне УКВ ина более высоких частотах, а также в схемах, где не требуется большое изменениеемкости.
В варикондах под действиемприложенного постоянного смешения изменяется диэлектрическая проницаемостьматериала между обкладками. Они имеют коэффициент перекрытия по емкости от 2 до5, но обладают низкой температурной стабильностью емкости и не обеспечиваюттребуемый закон ее изменения.
3. Электрический и конструкторский расчеты
Величина зазора d выбираетсяисходя из размеров конденсаторов, требуемой точности, необходимой стабильностии электрической прочности и производственно — технологических соображений. Чембольше зазор тем выше электрическая прочность, стабильность, надежность иточность закона изменения емкости. Следует также учесть, что при увеличениизазора увеличивается объем конденсатора.
Для приближенного, ноудовлетворяющего практическим требованиям расчета можно исходить из того, чтопри нормальном давлении допустимая напряженность поля между пластинамисоставляет 650 — 700 в/мм. Тогда величина зазора будет равна:
d = Uр / 500 — 700, мм (3.1), гдеUр — рабочее напряжение
d = 100/650 = 0,15 мм
Если рабочее напряжениеконденсатора мало (Uр " 250 в), то из технических соображений диаметрпринимают: d = 0,25 — 0,3 мм.
С точки зрения объема конденсаторавеличина зазора должна быть малой.
Но при малых зазорах понижаетсянадежность. Считается, что конденсаторы с зазором меньше 0,15мм вызываютчрезмерное усложнение производства. В конденсаторах повышенной точностиприменяют большие зазоры, порядка 1,0 — 1,5 мм. Выбираю величину зазора 0,25мм.
Радиус выреза в статорныхпластинах r0 определяется радиусом оси и зазором между роторными истаторными пластинами:
r0 = r0с +(2 ÷ 3) d, (3.2), где r0с — радиус оси.
r0 = 3 + 2 · 0,25 =3,25 мм.
Закон изменения радиусов контурапластины
Rф = />02,мм (3.3)
где n — число пластин,
dC / dф — производнаязависимости емкости контура от угла поворота.
Зависимость емкости от углаповорота ротора:
C = />, мм (3.4)
где Cmin — начальная емкостьконтура, пФ,
Cmax — максимальная емкостьконтура или номинальная, пФ
Из формулы (3.4) имеем:
/> (3.5)
Подставляя (3.5) в (3.4) получим:
Rф = />r0 2,мм, (3.6)
Длинна конденсаторной секциивычисляется по формуле:
L = h d + d (n — 1), (3.7), где h — толщина пластин;
h = 2d = 2 0,25 = 0,50 мм, (3.8)
Общее количество пластин выбираюследующим образом: при большом числе пластин длинна конденсатора получаетсячрезмерной, при малом — возрастают размеры каждой пластины, что понижает ихжесткость.
Поэтому выбираю количество пластинтаким образом, чтобы длинна конденсаторной секции примерно была равна радиусуротора.
Количество пластин n = 5. При n= 5 имеем:
Rф = />3,252 =8,4 мм,
L == 0,505 + 0,25 (5 — 1) = 3,5 мм
Влияние изменения температуры напараметры конденсатора сказывается в изменении свойств и объема материалов, изкоторых он изготовлен.
Изменение емкости под влияниемтемпературы в основном вызываются изменением линейным размеров пластин изазоров и изменением диэлектрической проницаемости воздуха (диэлектрика),находящегося в электрическом поле конденсатора. Надо иметь в виду, что емкостьКПЕ состоит из двух частей:
Постоянной части (представляетсобой минимальную емкостью величина которой не зависит от положения ротора) ипеременной части, величина которой изменяется при перемещении ротора.
Каждая из этих емкостей имеетопределенный ТКЕ, зависящий как от материалов, так и от последней. Минимальнаяемкость для воздуха ТКЕ = 20 10-6 С°.Температурный коэффициент переменной части емкости (ТКЕ) конденсатораопределяется по формуле:
ТКЕ ~= ТК/>в />TKSA + TKd(3.9)
где ТК/>в — температурныйкоэффициент диэлектрической проницаемости воздуха (2010-6),1/град;
TKSAиTKd — температурные коэффициенты активной площади пластин и зазора,соответственно, 1/град
Температурный коэффициентактивной площади пластин обуславливается температурным коэффициентом линейногорасширения материала/>мп, из которогоони изготовлены, и относительным перемещением секции ротора и статора,вызванным температурным коэффициентом линейного расширения материала основания />мо, т. е:
TKSA = TKSs/> TKSl,(3.10)
где TKSs и TKSl- температурные коэффициент активной площади пластин и зазора;
TKSs = 2/>мп,(3.11)
где />мп- температурный коэффициент линейного расширения материала, из которогоизготовлены пластины;
Так как температурныйкоэффициент активной площади пластин обуславливается температурнымкоэффициентом линейного расширения материала, из которого они сделаны, значитTKSs = TKSl, поскольку материал одинаков
TKSl = 0, (3.12). ТогдаTKSs = 2 19,9 10-6 = 39,8 10-6
Подставляя полученные значения в(3.10) получим: TKSA = 39,8 10-6.
Температурный коэффициент зазорамежду пластинами рассчитывается по следующей формуле:
ТКd = />, (3.13)
где /> -температурный коэффициент линейного расширения, из которого изготовлена ось.
l — расстояние между пластинамиротора
ТКd = 12,5 10-6 1,2 — 2 19,9 10-6 0,25/1,2 — 2 0,50 = 15,4 10-6
ТКЕ ~ = 20 10 — 6 + 39,8 10-6 + 15,4 10-6= 75,2 10-6
Общий ТКЕ равен:
ТКЕ = 20 10-6+ 39,810-6 + 15,4 10-6 + 20 10-6= 95,2 10-6
Расчетный ТКЕ конденсатор ТКЕзаданного в техническом задании (95,2 10-6), значит параметрыданного конденсатора соответствуют техническому заданию.
Заключение
В данном курсовом проекте былпроизведен расчет переменного конденсатора с прямоемкостной зависимостью. Припроектировании и расчете КПЕ руководствуемся условиями эксплуатации(климатические УХЛ ГОСТ 15150 — 69 и механические ст. ж ГОСТ 16962 — 79). Это говорит о том, что данныйконденсатор переменной емкости предназначен для использования в качестверегулировочного, для подстройки контуров.
К данному конденсатору непредъявляется особых требований, значит выбираем не очень дорогостоящиематериалы и простую конструкцию.
В качестве материала пластинротора и статора выбираем латунь, которая имеет коэффициент линейногорасширения 19,9 10
Ось данного КПЕ изготовляемметаллическую, т. е мы выбрали мягкую сталь с коэффициентом линейногорасширения 12,5 10
Кроме этого, при проведениирасчетов и при проектировании был определен температурный коэффициент емкостиТКЕ который равен 9,52 10 Выбрали форму пластин для данного КПЕ — полукруглые.
Функциональная зависимостьемкости от угла поворота — линейная.
Был рассчитан радиус пластиныротора — 8,4 мм.
Количество выпущенныхконденсаторов предусматривается n = 10 штук в год. Изготовляем пластины ротораи статора, и другие детали КПЕ методом штамповки.
Список литературы
1. Волгов В.А. Детали и узлы РЭА — М. Энергия. 2007. — 656с.
2. Устройства функциональной радиоэлектроники электрорадиоэлементы: конспектлекций. Часть 1 / М.Н. Мальков, В.Н. Свитенко. — Харьков: ХИРЭ 2002. — 140с.
3. О.Ю. Савельев Конденсаторы. Конструкция и устройство — Москва. ЕлАтомИздат.2003.