Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением

Изменения ёмкости под влиянием температуры в основном вызываются изменением линейных размеров пластин и зазоров и изменением диэлектрической проницаемости диэлектриков (в том числе и воздуха), находящихся в электрическом поле конденсатора. Значительные изменения ёмкости чаще всего бывают также из-за коробления различных элементов конструкции. Общий температурный коэффициент конденсатора определяется совместным действием всех перечисленных факторов.

Первым условием, обеспечивающим наибольшую температурную устойчивость конструкции, является отсутствие (или минимальная величина) в её элементах таких температурных напряжений, которые могли бы вызвать перемещение одних деталей по отношению к другим и привести к необратимым деформациям, создающим температурную неустойчивость нециклического (невозвратного) характера.

Вторым условием температурной устойчивости конструкции является координация тепловых деформаций, то есть создание в конструкции таких направлений тепловых перемещений, которые максимально сокращали бы величину изменения переменной ёмкости конденсатора.

Первое условие требует конструкции, в которой температурные деформации одних частей компенсировались температурными деформациями других частей и тем самым устраняли возникновение больших напряжений.

Выполнение второго условия зависит от характера связи частей конструкции конденсатора, образующих его переменную ёмкость. Чем меньше взаимосвязь отдельных элементов конструкции, тем меньше элементы конструкции зависят друг от друга при тепловом перемещении.

Если конденсатор изготовлен из материалов, обладающими одинаковыми коэффициентами линейного расширения и одинаковой теплопроводимостью, то на лицо соблюдение обоих условий. Однако добиться такого удаётся далеко не всегда, ибо чаще всего конструкция состоит из разнообразных материалов с различными свойствами.

4.2 ТКЕ конденсатора переменной ёмкости с плоскими пластинами

На рисунке 4.1 представлена схема плоского конденсатора, причём предлагается сделать пластины и втулки из материалов обладающих различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) и .

Полагая также, что конструкция выполнена таким образом, что при изменении температуры имеют место свободные температурные деформации.

Температурную неустойчивость ёмкости отражает следующая формула:

.

Первое слагаемое представляет ТКПА диэлектрика, т.е. , второе - температурный коэффициент расширения площади пластин, очевидно: , третья - есть функция размеров d, k, D и ТКЛР и .

Из рисунка 4.1 можно записать соотношения 2d + 2k =D, откуда . Проделав несложные математические преобразования, получим:

(2)

Если , то , то есть определяется только свойствами материала и среды . Если , то , т.е. ТКЕ переменного конденсатора, сделанного из однородного материала, будет равен ТКЛР этого материала.

4.3 Устройство термокомпенсации в конструкции переменного конденсатора с плоскими пластинами

Формула (2) показывает, что компенсация температурной неустойчивости конденсатора возможна; для этого необходимо лишь выбрать также соотношения k, d, , , , чтобы . Если пренебречь , а в воздушных конденсаторах оно мало, то, условие, термокомпенсации, самой, конструкции будет: , откуда или

(3).

Эту форму можно использовать как соотношение для выбора параметров по заданным параметрам.

Если левая часть выражения (3) меньше нуля, ТКЕ конденсатора будет отрицательным и , при положительном ТКЕ - наоборот.

Рассмотрим влияние разбросов конструктивных параметров на величину ТКЕ, предполагая, что расчёт параметров ведётся с учётом полной компенсации, т.е. при ТКЕ переменной ёмкости конденсатора, равен нулю.

Разброс параметров приведёт к невыполнению соотношения (3). Для обеспечения равенства в правую часть введём некоторый множитель (В+1). Тогда , В - характеризует результат отклонений всех величин, входящих в уравнение (3). После преобразования: .

(алюминий)

d=1мм h=2мм

5. Производственные погрешности

5.1 Влияние погрешностей производства на разброс ёмкости конденсаторов

Ёмкость конденсатора с плоскими пластинами зависит от погрешностей площади пластин и зазора. Погрешность площади пластин мала (все пластины делаются одним штампом). Наибольшее влияние на ёмкость оказывает погрешность зазора: .

Рассмотрим факторы, влияющие на погрешность зазора:

Погрешность толщины пластин или погрешность расстояния между ними.

На рисунке 4.1 видно, что погрешность в толщине пластин и в расстоянии между ними сопровождается изменение зазора d на величину . Погрешность ёмкости: .

Прямая пропорциональность между погрешностью зазора и погрешностью ёмкости при небольших зазорах требуется изготовление пластин с высокой точностью по толщине, обеспечения точного расстояния D между пластинами статора или ротора.

 D

d h

Рис 4.1

2) Асимметрия зазора d появляются при сдвиге пластин статора относительно пластин ротора на величину .

Максимальный разброс ёмкости за счёт асимметрии всех зазоров определяется формулой:

.

При небольшой величине асимметрии:

: ; .

2) Перекос вызывающий не параллельность пластин ротора относительно пластин статора. Наихудших случай, когда наблюдается перекос всех пластин. Максимальный разброс ёмкостей определяется формулами: , при значении : , где - перемещение конца пластины от перпендикулярного направления.

.

4) Кривизна пластин, приводящая к неравномерности зазоров, вызывает большой разброс ёмкости, чем в п. 3, и меньший, чем в п. 2. Точного решения этот случай не имеет.

Наибольшая величина разброса переменной ёмкости конденсатора получается за счёт погрешности по толщине пластин и по расстоянию между ними. Следовательно, эти размеры требуют наиболее жёстких допусков. Разброс ёмкости может иметь как положительный, так и отрицательный знак. Остальные случаи, при относительно небольших величинах и , не оказывают значительного влияния на разброс ёмкости, который в этом случае имеет положительный знак. Иными словами эти факторы могут только увеличивать ёмкость конденсатора. Следовательно, для компенсации асимметрии допуск на толщину пластин лучше брать односторонним, отрицательным.

5.2 Влияние способа крепления пластин на погрешность ёмкости

Закреплением пластин непосредственно на втулках или гребёнках при помощи расчеканки, пайки или прессовкой (прессовой посадкой) достигается отсутствие суммирования допусков, так как расстояния до каждой из пластин определяются от общей базы (в отличие от набора на шайбах). Погрешность ёмкости из-за асимметрии зазоров не зависит от числа пластин, поэтому данная конструкция удобна для массового производства и широкого применения на практике.

В конструкциях конденсаторов, выпуск которых имеет наибольшую массовость, используется закрепление пластин на гребёнках на расчеканке, пазы которых, определяющие зазоры между пластинами, размечены от одной базы и делаются при помощи одних и тех же инструментов, что значительно уменьшает разброс между отдельными пакетами пластин.

5.3 Компенсация производственного разброса характеристики КПЕ с плоскими пластинами

Одним из широко распространённых способов компенсации является способ отгиба разрезных секторов пластин ротора и статора. Одну или две крайние пластины ротора разрезают на секторы. Недостатком такого метода является то, что при большом числе пластин и большом производительном разбросе ёмкости, компенсирование её может сказаться недостаточным.

Разброс может иметь как положительный так отрицательный знак; следовательно, необходима не только отгибка пластин ротора от пластин статора, но и подгибка её в сторону от пластин статора.

Можно показать, что при регулировке одной разрезной пластины регулировочная ёмкость будет: , двумя: .

Можно определить допускаемую величину относительной погрешности максимальной ёмкости конденсатора, которая может быть скомпенсирована отгибкой секторов одной или двух пластин ротора:

; .

Исходя из данных, полученных ранее, найдём: , при n=20.

5.4 Методы обеспечения механической устойчивости

Механическую устойчивость конденсаторов переменной ёмкости следует рассматривать с точки зрения виброустойчивости и устойчивости к ударам.

При действии вибрации и ударов в системе возникают инерционные силы, величина которых зависит от ускорения и массы конструктивных элементов.

Для повышения виброустойчивости можно рекомендовать следующее:

1) Применять материалы с большим отношением модуля упругости к удельному весу. С этой точки зрения выгодные такие материалы, как алюминий, дуралюминий и сталь.

2) Форму пластин ротора следует по возможности приближать к полукруглой.

С точки зрения устойчивости ёмкости конденсатора, связанной упругими деформациями пластин под влиянием ускорений, наивыгоднейшая толщина пластин равна удвоенному зазору: .

Общие соображения по механической устойчивости элементов конструкции могут быть сведены к следующим. Механическая устойчивость будет тем выше, чем: а) больше зазоры и толщина пластин; б) короче и толще ось ротора и меньше его масса; в) больше отношение модуля упругости применяемых материалов к удельному весу. Кроме того, консольное закрепление оси роторов и набора пластин статоров понижает механическую устойчивость, по сравнению с креплением на двух опорах, от 4 до 8 раз, в зависимости от характера крепления на опорах (свободное или жёсткое).

6. Конструкция конденсаторов переменной ёмкости

Конструкция КПЕ должна соответствовать назначению конденсатора и требованиям к стабильности, точности, потерям, виброустойчивости, размерам, технологическим и паразитных связей.

Основными элементами конструкции КПЕ, которые в значительной степени определяют свойства конденсатора, являются корпус, ротор и статор, подшипники и токосъёмное устройство.

По конструктивному выполнению корпуса, ротора и статора могут быть разделены на литые, фрезерованные и штампованные.

Литые конденсаторы изготовляют при помощи литья из алюминиевых или цинковых сплавов. Они отличаются высокой стабильностью, но не могут быть изготовлены большой ёмкости без значительного увеличения размеров. Особенно часто они используются в радиоаппаратуре УКВ.

Фрезерованные изготавливают фрезерованием из сплошного куска, чаще всего используют алюминий и его сплавы. Эти конденсаторы также отличаются высокой стабильностью, электрическими и механическими показателями, но более сложны в изготовлении, металлоёмки, а поэтому малопригодны для массового производства.

Штампованные конденсаторы наиболее удобны для массового производства, хотя по электрическим параметрам они уступают предыдущим типам. Они изготавливаются из штампованных деталей, соединённых при помощи пайки, отбортовки, задавливания или расчеканки.

Соединение статорных пластин в пакет осуществляется при помощи специальных полок или гребёнок, шлицы которых вставляются концы пластин; при сборке эти концы раздавливаются специальным инструментом. Закрепление роторных пластин осуществляется аналогичным способом или непосредственно на оси или специальной роторной втулке.

При применении стальных или латунных пластин раздавливание концов заменяется пайкой, что устраняет остаточные деформации и повышается стабильность.

Такой способ закрепления используют на весьма высоких частотах.

Пластины ротора и статора штампуют из листового алюминия, стали или латуни толщиной 0,3-0,8 мм, прокатанной с точностью до мкм. Отштампованные пластины для снятия внутренних напряжений подвергаются специальной рихтовке, и термической обработке. Корпус штампованного конденсатора изготавливают из листовой стали толщиной 1,5-2,0 мм, отдельные части которого соединяются расчеканкой или сваркой. Для повышения стабильности и механической прочности применяют литые корпуса из алюминиевых или цинковых сплавов.

Крепление статора на корпус производят при помощи изоляторов, имеющих вид планок или колонок изготовленных из механически прочной радиотехнической керамики типа В. Изоляторы из пластмассы и т. п. диэлектрики могут применяться только в конденсаторах пониженного качества.

Оси выполняют из стали, латуни и инвара и радиотехнической керамики типа В, ультрафарфора и стеарита. Для устранения прогибов и скручивания диаметр оси выбирают достаточно большим 5-10 мм.

Конфигурация металлической оси определяется способом крепления роторных пластин. Непосредственно на оси пластины крепятся с прорезанием на ней специальных пазов.

Подшипники должны обеспечивать плавное и лёгкое вращение ротора при отсутствии непроизвольных перемещений. Особенно недопустим продольный люфт, который сопровождается значительным изменением ёмкости при помощи контактных сцепок. Подшипники не должны допускать деформации оси и корпуса из-за теплового расширения.

Назначение токосъёмника - надёжное соединение конденсатора со схемой. Применяются типы токосъёмников: со скользящим контактом, с гибким соединением, бесконтактные (ёмкостные токосъёмы). Наиболее широко применение имеют токосъёмы со скользящим контактом.

Переходное сопротивление должно быть по возможности мало (<0,01 Ом) и не изменяться в процессе эксплуатации. Полное сопротивление токопроводящих деталей мало.

Пластины калибруют по толщине с точностью до 3-5 мкм; с такой же точностью выполняют размеры деталей, фиксирующих расстояние между ними (колонки, гребешки, шайбы).

; ;

Конструкция прибора

В качестве основы используются корпусные крышки, в которых имеются выемки под гребёнки статора. Это позволяет придать необходимую жёсткость и даёт экономию материалов. Пластины статора крепятся в трёх гребёнках расположенных через 900. Это позволяет максимально приблизить размеры пластин статора к размерам пластин ротора, а, следовательно, уменьшить габариты. Необходимую стабильность ротору обеспечивают два кинетических подшипника ограничивающие три степени свободы ротора. Токосъём осуществляется с одной из гребёнок и с кинетического подшипника. Собирается прибор с помощью шести стандартных винтов.

Вывод

Конструкция удовлетворяет предъявляемым требованиям, т. е. обеспечивает стабильностью и точностью работы при нормальных условиях. Конденсатор имеет экономическую и техническую конструкцию, что необходимо при массовом производстве. ТКЕ данного конденсатора не превышает . Максимальная ёмкость nФ.

Список используемой литературы

1. Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 2005.

2. Харинский А.Л. Основы конструирования элементов радиоаппаратуры. Л.: Энергия, 1996.

4. Фролов А.Д. Радиодетали и узлы. М.: Высшая школа, 1995.

5. Чекмарёв А.А., Осипов В.К. Справочник по машиностроительному черчению. М.: Высшая школа, 1999.

6. Азарх С.Х. Конденсаторы переменной ёмкости. М.: Энергия, 1995.

Страницы: 1, 2, 3