Обзор и анализ аналогичных конструкций

Введение

 

Из всего многообразия РЭС конденсаторы занимают достойное место среди них, так как была и остается необходимость в элементах, способных изменять свою емкость в зависимости от какого–то внешнего параметра. Наиболее часто изменение емкости необходимо для изменения резонансной частоты контура. Конденсаторы применяемы в РЭА, можно разделить на конденсаторы постоянной ёмкости, переменной ёмкости и подстроечные конденсаторы.

Электрические конденсаторы являются одним из наиболее массовых элементов РЭС. Применяемость конденсаторов объясняется достаточно широкими функциональными возможностями как элементов колебательных контуров, а также элементов фильтрующих, разделительных пусковых, помехоподавляющих, блокировочных и других цепей.

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.

 

Анализ технического задания

Исходные данные

 

Максимальная ёмкость, С_max, пФ 400

Рабочее напряжение, U_раб, В 1000

Закон изменения ёмкости прямочастотный

Программа, шт. мелкосерийное

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.

 

Обоснование принятого конструкторского решения

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.

 

Обзор и анализ аналогичных конструкций

 

Кроме рассмотренных прямоёмкостных конденсаторов есть ещё множество других, отличающихся по своим характеристикам друг от друга приборов.

Само различие конденсаторов может заключаться в методе изменения ёмкости. Наиболее целесообразным в настоящий момент остаётся метод управления ёмкостью через геометрические параметры, определяющие взаимодействующую поверхность электродов конденсатора.

Управление ёмкостью через изменение проницаемости трудно и к тому же чревато изменением других важных параметров конденсатора. Остальные способы, так или иначе, связаны с напряженностью поля конденсатора, что влияет на электрическую прочность.

Сохранить постоянство расстояний между поверхностями электродов конденсатора, изменяя его ёмкость при помощи того или иного перемещения электродов, приводящего лишь к изменению взаимодействующей поверхности их, можно лишь при наличии таких, цилиндрических или сферических конденсаторов (при неполных сферах).

Конденсаторы с плоскими пластинами и вращательным перемещением одних пластин относительно других:

- прямоёмкостные

- прямоволновые – дают линейное изменение длины волны контура. Ёмкость конденсатора при этом должна изменяться не линейно:

. (2.1)

Такие конденсаторы имеют ограниченное применение: преимущественно в некоторых измерительных приборах.

- прямочастотные конденсаторы дают линейную зависимость частоты контура от угла поворота ротора, что обеспечивает постоянную плотность настройки по диапазону. Функциональная характеристика ёмкости при этом имеет вид:

, (2.2)

т. е. ёмкость должна убывать при увеличении угла поворота. Более привычны прямочастотные конденсаторы с так называемым “обратным вращением”, у которых при увеличении угла поворота ёмкость возрастает, а частота контура убывает:

. (2.3)

Прямочастотные конденсаторы имеют широкое применение в РЭА.

- логарифмические конденсаторы характеризуется постоянным, в пределах диапазона, относительным изменением ёмкости или частоты. В первом случае конденсаторы называют ёмкостно-логарифмическими - , а во втором частотно-логарифмическими - . По характеру изменения частоты логарифмические конденсаторы приближаются к прямочастотным, но обеспечивают одинаковую точность отсчёта по всему диапазону, поэтому широкое применение в различной РЭА.

Другие виды конденсаторов имеют ограниченное применение, поэтому мы их не рассматриваем.

В приведённых формулах а и b – постоянные, неодинаковые для разных типов конденсаторов. (Определяются по начальным условиям, т. е. при ). Графики изменения ёмкости и частоты контура в различных конденсаторах приведены на рисунке 2.1.

 

 

С, пФ f, кГц

500 1200

1 1100

400 1000

2 3 900 4 3

300 800 2

200 600 1

4 400

100 300

0 20 40 60 80 0 20 40 60 80

Рисунок 2.1 - Графики изменения ёмкости и частоты контура

 

Требуемая функциональная характеристика может быть получена приданием специального очертания роторным пластинам или при помощи выреза на статоре, а также всевозможных изломов контурах пластин, ступенчатых радиусов, подключением дополнительной ёмкости и т. д. На рисунке 2.2 изображены очертания пластин различных конденсаторов. Из них следует, что роторные пластины прямочастотных КПЕ имеют чрезвычайно вытянутую форму. Это понижает механическую жёсткость ротора и увеличивает объём конденсатора. Для устранения этого форму пластин изменяют, получая её очертания при помощи 2-х и 3-х сопрягаемых поверхностей (окружностей различного радиуса); площадь такой упрощённой пластины выбирается равной площади пластины правильной формы (очертание показано пунктиром).

Удовлетворительную линейную зависимость частоты от угла поворота можно получить и при полукруглом роторе, сместив центр его вращения относительно центра пластины. В этих случаях линейность изменения частоты несколько нарушается, но общая погрешность не превышает 6-8%.

При малых коэффициентах перекрытия диапазона форма роторных пластин КПЕ всех типов приближается к полукруглой.

Более жесткой конструкцией обладают конденсаторы с полукруглым ротором и специальным статором. Статор при этом снабжается вырезом с переменным радиусом, форма которого определяет требуемый закон изменения ёмкости.

 

>

 

 

а) б) в) г) д)

Рисунок 2.2 - Пластины различных конденсаторов

 

Конденсаторы с плоскими пластинами и поступательным перемещением: вращательное перемещение заменяется на поступательное перемещение с предельной длинной L. КПЕ с плоскими пластинами и поступательным перемещением не находят широкого применения. Возможны две конструкции КПЕ с цилиндрическими пластинами: 1) с поступательным перемещением одного цилиндра относительно другого; 2) с вращательным перемещением одного цилиндра вокруг другого. Способы изменения ёмкости при поступательном перемещении изображены на рисунке 2.3.

 

 

 

 

а) б) в)

Рисунок 2.3- Способы изменения ёмкости при поступательном перемещении

3. Электрический и конструктивный расчёт

3.1 Теоретические данные к расчёту

 

Задачей расчета конденсатора переменной ёмкости является определение конфигурации роторных и статорных пластин, их количества и величины зазора. При этом считаются заданными минимальная и максимальная ёмкости контура, функциональная характеристика, а также требования к точности, стабильности и условиям работы конденсатора.

Рассмотрим расчет при первом способе получения необходимого закона ёмкости, то есть, определим, как должен изменяться радиус ротора для получения необходимой функциональной характеристики. Примем, что угловой диапазон перемещения ротора равен 180⁰.

. (3.1)

С другой стороны имеем: . Сравнивая эти два выражения, получим:

, (3.2)

где n – общее число пластин (ротора и статора);

d – зазор между пластинами ротора и статора;

- радиус выреза на статоре для пропуска оси.

Все линейные размеры в приведённых формулах выражены в сантиметрах, ёмкость – в пикофарадах, а углы – в градусах.

Полученное выражение (3.2) является исходным для расчёта очертания ротора конденсаторов любых типов, так как требует определения лишь значения отношения , что может быть выполнено как аналитически, так и графически.

Дальнейший расчёт проводится по формуле (3.2). Форма ротора прямочастотных конденсаторов отличается от полукруглой, поэтому расчёт их очертания производится для ряда значений угла , взятых через 10-20⁰.

 

3.2 Определение исходных данных и численный расчёт

 

Для расчёта КПЕ необходимо предварительно определение минимальной и максимальной ёмкостей контура, числа пластин n, зазора d и радиуса выреза на статорных пластинах r₀.

Общее число пластин выбирается на основании следующих соображений: при большом числе пластин длина конденсатора получается чрезмерной, при малом – возрастают размеры каждой пластины, что понижает их жёсткость. Рекомендуется число пластин выбирать так, чтобы длина конденсаторной секции примерно была равна среднему радиусу ротора.

Ориентировочно число пластин можно выбрать по таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 – Число пластин в зависимости от емкости

Ck.max, пФ	до 750	350-500	200-300	100-150	50-60	40-50	25-35	15-20	до 15
N	до 33	15-25	9-11	7-13	7-23	7-14	5-11	3-7	3-5

 

Для С_max=400 пФ выбираем число пластин n=20.

Величина зазора d выбирается исходя из размеров конденсатора, требуемой точности, необходимой стабильности и электрической прочности, а также производственно-технологических соображений. Чем больше зазор, тем выше электрическая прочность, стабильность, надёжность и прочность функциональной характеристики и тем легче производство конденсатора. Объём конденсатора примерно пропорционален квадрату величины зазора, поэтому при его увеличении – размеры конденсатора существенно возрастают.

Точное определение зазора по электрической прочности встречает ряд трудностей, так как электрическая прочность воздуха зависит от атмосферного давления и других климатических факторов, а также от частоты, расстояния между пластинами, состояния их поверхности и т.д.

Для приближённого расчёта можно исходить из того, что при нормальном давлении допустимая напряжённость поля между пластинами составляет 650-750В/мм (для переменного напряжения высокой частоты).

Величина зазора может быть найдена из соотношения:

. (3.3)

где U_раб – максимальное рабочее напряжение, В;

500÷700 – допустимая напряжённость поля, В/мм.

U_раб=1000 В

d_min = 1000/700 = 1.42 мм

d_max =1000/500 = 2 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 = 2 мм, 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

r_оси = d_оси/2, (3.4)

r_оси = d_оси/2 =4/2 = 2 мм

по формуле:

r₀ = r_оси+(2÷3)d, (3.5)

r₀ = r_оси+(2÷3)d = 2+(2÷3)·2 = 6÷8 мм

Выбираем максимальное значение r₀ =8 мм, так как при таком радиусе уменьшается значение паразитной ёмкости.

 

Так как в ТЗ не указан диапозон рабочих частот предположим конденсатор работает в диапазоне средних (гектаметровых) волн (300кГц – 3 МГц), минимальная емкость контура бывает 50 - 100 пФ. Выбираем значение C_{k min}=100 пФ.

Коэффициент перекрытия по частоте определяется по формуле:

 

(3.6)

 

Используя (3.6)получили значение .

Выражая из (3.6) получим выражение для :

 

(3.7)

 

Используя (3.8) получили значение

.

 

 

Основой расчета формы и пластин при любой зависимости емкости от угла поворота ротора является определение :

(3.9)

(3.10)

 

По назначенным данным выполняем расчёт:

- С_min=100 Пф

- С_max=400 пФ

- n=20

- r₀=8мм=0,8см.

- d=2мм=0,2см.

Переменный радиус ротора рассчитывается по формуле:

 

(3.11)

 

Подставляя (3.9), (3.10) в (3.11) рассчитываем значения радиусов очертания кривой ротора для различных углов от 0^◦ до 180^◦ с шагом 10^◦. Результаты расчетов представлены в табл. 3.2.

 

Таблица 3.2 – Зависимость радиуса очертания ротора от угла поворота

Угол поворота ротора θ, град.	Радиус очертания ротора , см
	1,468193
	1,482543
	1,505742
	1,538732
	1,682591
	1,7538552
	1,8508036
	1,92684
	2,094405
	2,154825
	2,2558363
	2,42631
	2,252944
	2,6452668
	2,920797
	3,1233795
	3,399602
	3,628056
	3,931492

 

Для пластин статора берем прямоугольную форму. Размеры выбираем, исходя из полученных размеров роторных пластин так, чтобы обеспечить полное перекрытие по площади.

Исходя из прочностных характеристик алюминия и расстояния между пластинами, принимаем толщину пластин статора и ротора равной 0.5 мм.

Размеры основания корпуса берутся такими, чтобы при полном повороте ротора пластины не выходили за пределы корпуса.

 

Стабильность конденсатора

 

Изменение ёмкости конденсатора может быть вызвано как воздействием климатических факторов, так и механических. Эти изменения несущественны для конденсаторов, работающих в качестве фильтрующих, блокировочных, а также применяемые в контурах, не задающих частоту и т.п., но они нежелательны, а в ряде случаев и вообще недопустимы для конденсаторов, используемых в контурах, задающих частоту различных генераторов и гетеродинов.