Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением

Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением

Министерство образования Российской Федерации

Приложение

Введение

Термином радиоэлектронная аппаратура (РЭА) называют устройства или совокупности устройств, в которых исполняют полупроводниковые, электронные, газоразрядные и им аналогичные приборы.

Непременными изделиями любого устройства являются элементы. Часть этих элементов является составной частью конструкции устройства и предназначается для различных механических соединений, передачи и направления движений - различные оси и валы, колёса и шестерни, подшипники, скобы, планки.

Другая часть элементов сочетает выполнение механических операций с электрическими. Это различные переключатели, реле, электродвигатели, штепсельные разъёмы и аналогичные им электрические элементы.

И, наконец, третья часть элементов, особенно многочисленная и характерная для РЭА, образует электрическую схему. Согласно ГОСТ 2.701-68 их называют элементами схемы. К ним относят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и различные полупроводниковые и электронные приборы. Такие элементы могут иметь достаточно сложное устройство, но не допускают разделения на части, имеющие самостоятельное функциональное назначение.

Наибольшее применение в РЭА находят резисторы, конденсаторы и некоторые моточные изделия. Их называют элементами (радиокомпонентами) общего применения. Можно указать, что на один усилительный прибор (например, трансформатор) в среднем приходится от 4 до 25 резисторов, от 2 до 15 конденсаторов и от 3 до 5 различных моточных изделий. Поэтому мировое производство резисторов и конденсаторов составляет миллиарды штук в год. В меньших количествах применяются конструктивно более сложные изделия - различные колебательные контуры и фильтры, называемые специальными элементами.

Элементы общего применения являются изделиями массового производства, поэтому они подверглись достаточно широкой нормализации и стандартизации.

Стандартами и нормами установлены технткоэкономические и качественные показатели, параметры и размеры. Такие элементы называют типовыми. Выбор типовых элементов производится по параметрам и характеристикам, которые описывают их свойства, как при нормальных условиях эксплуатации, так и при различных воздействиях (климатических, механических и др.).

Специальные элементы широкой нормализации и стандартизации не подверглись, а поэтому проектируются применительно к требованиям электрической схемы и конструкции конкретного устройства и условиями его эксплуатации.

Основными электрическими параметрами являются номинальное значение величины, характерной для данного элемента (сопротивление резисторов, ёмкость конденсаторов, индуктивность катушек и т.д.) и пределы допускаемых отклонений; параметры характеризующие электрическую прочность и способность долго выдерживать электрическую нагрузку; параметры характеризующие потери, стабильность и надёжность.

1. Общие свойства конденсаторов

Конденсаторы применяемы в РЭА, можно разделить на конденсаторы постоянной ёмкости, переменной ёмкости и подстроечные конденсаторы.

Конденсаторы постоянной ёмкости применяют в различных фильтрах, а также в колебательных контурах для получения фиксированной настройки, сопряжения, термокомпенсации и т. п.

Конденсаторы постоянной ёмкости, так же как и резисторы, являются особенно широко применяемыми элементами схемы, к которым предъявляются чрезвычайно разнообразные требования. Поэтому существует большое количество типов конденсаторов, значительная часть которых стандартизована (типовые конденсаторы) и налажено их массовое производство.

Выбор нужного типа производится на основании электрических характеристик.

Конденсаторы переменной ёмкости (КПЕ) применяются для плавной настройки колебательных контуров, регулировки различных связей и т. п. Конденсаторы переменной ёмкости ещё не подверглись полной стандартизации, и их разрабатывают применительно к схемам и требованиям конкретного задания.

Подстроечные конденсаторы применяют в тех цепях, ёмкость которых должна точно устанавливаться при разовой или периодической регулировке и не изменяться в процессе эксплуатации, например для выравнивания начальных ёмкостей сопряженных контуров, для настройки контуров с фиксированной настройкой, в качестве конденсаторов связи и т. п. Некоторые типы подстроечных конденсаторов стандартизованы и производятся в установленном порядке.

В зависимости от вида применяемого диэлектрика различают конденсаторы с газообразным, жидким и твёрдым диэлектриком. Отдельную группу составляют конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические).

Конденсаторы с газообразным диэлектриком могут быть: вакуумными, газонаполненными и воздушными. Конденсаторы с твёрдым диэлектриком подразделяются на конденсаторы с органическим диэлектриком - бумажные, металлобумажные и плёночные (из органических синтетических плёнок) и на конденсаторы с неорганическим диэлектриком - керамические, слюдяные, стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые и т. п. Конденсаторы с жидким диэлектриком, а также вакуумные и газонаполненные в относительно маломощной РЭА имеют ограниченное применение.

Конденсаторы постоянной ёмкости обычно выполняются в твёрдом диэлектрике из конденсаторной керамики, слюды, бумаги, синтетических плёнок, конденсаторы переменной ёмкости - с воздушным диэлектриком.

Свойства конденсаторов характеризуются следующими основными параметрами: номинальной ёмкостью и допустимыми отклонениями от фактической ёмкости от номинальной; электрической прочностью; реактивной мощностью; сопротивлением изоляции; потерями; собственной индуктивностью и параметрами, характеризующими надёжность и стабильность ёмкости при воздействии температуры, влажности и других климатических и механических факторов, при длительном хранении, а также размером, массой и стоимостью. Конденсаторы переменной ёмкости характеризуют рядом дополнительных параметров, которые будут рассмотрены ниже.

Номинальная ёмкость типовых конденсаторов постоянной ёмкости (кроме электролитических, бумажных и плёночных) установлена ГОСТ 2519-67. Численные значения номинальных ёмкостей определяются рядами предпочтительных чисел Е6, Е12 и Е24 для допускаемых отклонений 5, 10 и 20% и более и рядами Е48, Е96 и Е192 для допускаемых отклонений меньше 5 %. Ёмкость электролитических конденсаторов (в мкФ) определяется рядом 1, 2, 5, 10, 20, и т. д.; ёмкость бумажных (в мкФ) - рядом 0,1, 0,25, 0,5, 1,2, 4,6, 8, 10, 20, 40 и т. д.

Для конденсаторов переменной ёмкости и подстроечных номинальной ёмкости не установлены.

Допускаемые отклонения фактической ёмкости от номинальной для конденсаторов постоянной ёмкости установлен ГОСТ 9661-73. Наиболее употребительными являются конденсаторы с допускаемым отклонением 5, 10, 20%. Для прецизионных установлены меньшие пределы (от 0,1%), для конденсаторов, к точности которых не предъявляется строгих требований, например для электролитических, до %.

Для оценки размеров различных конденсаторов их ёмкость относят к единице объёма и называют это отношение удельной ёмкостью (мкФ/кл3). Наибольшей удельной ёмкостью обладают электролитические конденсаторы, а наименьшей воздушные.

Электрическая прочность конденсаторов характеризуется:

a) нормальным (идеально допускаемым) напряжением - максимальным напряжением, при котором конденсатор может работать в заданном диапазоне температур в течении гарантированного срока службы. Шкала номинальных напряжений установлена ГОСТ 9665-68;

б) исключительным напряжением - максимальным напряжением, при котором конденсатор может, находиться не пробиваясь, небольшой промежуток времени. Это напряжение характеризует электрическую прочность конденсатора при кратковременных перегрузках;

в) пробивным напряжением - минимальным напряжением, при котором происходит пробой диэлектрика. Конденсаторы для очень высоких напряжений - десятки киловольт характеризуется ещё разрядным напряжением по поверхности.

Соотношение между этими напряжениями определяется видом диэлектрика.

Электрическая прочность зависит от конструкции конденсатора и внешних условий; при повышении температуры, влажности и понижении атмосферного давления (до определённого предела) она уменьшается. Поэтому допускаемое (рабочее) напряжение должно быть ниже номинального.

Реактивная мощность - характеризует нагрузочную способность конденсатора в случаях, когда при наличии на конденсаторе больших напряжений высокой частоты, например больше 1000 В. может произойти перегрев диэлектрика и разрушение конденсатора.

Сопротивление изоляции между обкладками конденсатора и между обкладками и корпусом определяется качеством применяемого диэлектрика. При низком сопротивлении изоляции появляются значительные токи утечки, которые могут нарушить работу определённых участков схемы. Совершенно недопустимо применение конденсаторов с утечкой в качестве переходных.

Сопротивление изоляции зависит от температуры и влажности; при повышении температуры и влажности она резко падает.

Потери в маломощных конденсаторах в основном вызывается замедленной поляризацией и проводимостью диэлектрика; потери в обкладках и выводах таких конденсаторов достаточно малы, и ими обычно пренебрегают.

Конденсаторы с потерями понижают добротность колебательных контуров и создают дополнительные фазовые сдвиги в электрических цепях, влияют на величину ёмкости и на стабильность конденсатора.

Потери характеризуются тангенсом угла потерь tg ,называют добротностью конденсатора: Qc=.

На величину потерь значительное влияние оказывают влажность и температура. При повышении частоты, температуры, влажности потери возрастают.

Современные конденсаторы характеризуются очень малым tg: tg.

Абсорбция - явление, при котором после короткого замыкания конденсатора (кратковременного) напряжения на нём спадает до нуля, но после размыкания может восстановиться до некоторого значения. Этот процесс оценивают коэффициентом абсорбции ka, представляющим собой отношение восстановившегося напряжения к первоначальному.

Собственная индуктивность слагается из индуктивности самого конденсатора (рабочего элемента) и индуктивности внешних и внутренних соединительных проводников. Индуктивность самого конденсатора зависит от размеров рабочего элемента, его расположение относительно корпуса и способа соединения выводов с обкладками. Чем меньше размеры конденсатора, чем короче и толще выводы и внутренние соединительные проводники, тем меньше собственная индуктивность.

Стабильность конденсатора характеризуется изменением его собственных основных параметров, главным образом под воздействием температуры, влажности, атмосферного давления, механических усилий, времени и т. п.

Обозначение и маркировка типов конденсаторов установлено ГОСТ 13453-68 и состоит из букв и цифр. Первые буквы означают:

К - конденсатор постоянной ёмкости,

КП - конденсатор переменной ёмкости,

КТ - конденсаторы подстроечные.

Число, следующее за буквенным обозначением, указывает на вид диэлектрика.

Например, для постоянных: 10 - керамические, 20 - стеклянные, 30 - слюдяные малой мощности, 40 - бумажные и т. д.; для переменных: 2 - воздушные, 4 - с твёрдым диэлектриком (так же для подстроечных). Затем следует число (после тире), указывающие на порядковый номер разработки.

2. Анализ задания

2.1 Переменные конденсаторы (конденсаторы переменной ёмкости)

Конденсаторы переменной ёмкости состоят из двух систем параллельных пластин, одна из которых может плавно перемещаться, и пластины при этом заходят в зазоры между пластинами второй системы: это изменяет активную площадь, а, следовательно, и ёмкость конденсатора. Неподвижную систему называют статором, а подвижную - ротором.

Наибольшее распространение получили конденсаторы с плоскопараллельными пластинами и вращательным перемещением ротора. Конденсаторы с поступательным перемещением ротора имеют большие размеры, сложнее в производстве и не получили широкого применения.

В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы переменной ёмкости можно разделить на конденсаторы с воздушным и твёрдым диэлектриком.

Наиболее часто применяют конденсаторы с воздушным диэлектриком, так как они отличаются большей точностью установки ёмкости, малыми потерями и высокой стабильностью. Конденсаторы с твёрдым диэлектриком несколько проще в изготовлении, имеют меньшие размеры, но обладают сравнительно низкой точностью и стабильностью, а поэтому применяются в основном в качестве регулировочных в низкочастотных контурах и в радио тракте малогабаритных транзисторных приёмниках. Газонаполненные и вакуумные конденсаторы и конденсаторы с жидкостным диэлектриком отличаются сложностью конструкции, поэтому имеют очень ограниченное применение, преимущественно мощном радио строении.

В зависимости от угла поворота подвижной системы различают конденсаторы с нормальным угловым диапазоном, при котором полный угол поворота равен 1800, с расширенным угловым диапазоном - полный угол поворота ротора больше 1800 и с уменьшенным угловым диапазоном, например равным 900. Конденсаторы с расширенным угловым диапазоном наиболее часто применяются в контурах УКВ.

Основное применение КПЕ находят в качестве элемента настройки диапазонных колебательных контуров. Поэтому важной его характеристикой является закон изменения ёмкости - функциональная характеристика, которая определяет характер изменения частоты колебательного контура при настройке. По этим признакам КПЕ различают, на прямоёмкостные (линейные), прямоволновые (квадратичные), прямочастотные, логарифмические (среднелинейные) и специальные.

При настройке с помощью КПЕ колебательных контуров пределы престройки (пределы перекрытия диапазона) в значительной мере зависит от величины максимальной и минимальной ёмкости конденсатора.

Максимальная ёмкость конденсатора определяется диапазоном, а минимальная - паразитными ёмкостями, которые зависят от конструкции.

Широкое применение находят блоки конденсаторов переменной ёмкости, которые состоят из нескольких конденсаторных секций, посажённых на общую ось. При большом числе секций уменьшается механическая жёсткость блока, увеличиваются его размеры, и понижается стабильность из-за возможных прогибов и скручивания длинной оси.

Секции блока КПЕ в основном делают одинаковыми. В отдельных случаях применяют блоки КПЕ с разнотипными секциями.

2.2 Выбор направления проектирования на основе данного задания

В задании нужно рассчитать и сконструировать односекционный конденсатор переменной ёмкости для нормальных условий эксплуатации. Даны пределы изменения ёмкости. Тип конденсатора прямоёмкостный. Рабочее напряжение Uраб=500 В.

Страницы: 1, 2, 3