Министерство образования и науки Украины

Харьковский технический университет радиоэлектроники

Кафедра ПЭЭА

Реферат

по курсу: "Элементная база"

на тему: "Расчёт переменной емкости конденсатора"

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

1.1 Исходные данные

2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

3. Расчет конструкции и необходимых деталей

3.1 Выбор числа и геометрического размера пластин

3.2 Определение формы и размеров пластин

3.3 Вычисление температурного коэффициента емкости

3.4 Расчет контактной пружины

Заключение

Список литературы

Введение

Функциональная электроника - это новое перспективное направление в современной электронной базе РЭС. Устройства функциональной электроники основаны на использовании динамических неоднородностей и физических принципов интеграции. Это отличает их от транзисторов, диодов, интегральных схем и других элементов РЭС, работа которых основана на статических неоднородностях и конструкторско-технологической интеграции. В настоящее время стоит вопрос о создании устройств, в качестве основных носителей информации, в которых будут использованы всевозможные виды динамических неоднородностей, т.е. устройства для обработки больших массивов информации с помощью интеграции различных физических эффектов.

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

Электрические конденсаторы являются одним из наиболее массовых элементов РЭС. В СНГ их выпускается до 11 млн. штук в год (в мире выпуск достигает 10⁹ штук в год). Применимость конденсаторов объясняется достаточно широкими функциональными возможностями как элементов колебательных контуров и фильтрующих, разделительных пусковых, помехоподавляющих, блокировочных цепей и т.д.

1. Анализ технического задания

1.1 Исходные данные

1. Максимальная емкость Смах = 140пФ;

2. Минимальная емкость Смin = 8пФ;

3. Рабочее напряжение Uраб = 24 В;

4. Зависимость емкости от угла поворота ротора - прямоемкостная;

Количество секций - 2;

Программа выпуска 15000 шт. /год

Выбор конструкции КПЕ

Так как в ТЗ предъявляются требования к обеспечению габаритных минимальных размеров конденсатора переменной емкости, то мы применяем твердый диэлектрик. Конденсаторы с твердым диэлектриком проще в изготовлении, имеют большую удельную емкость, но обладают низкой точностью и стабильностью, и поэтому применяются в качестве регулировочных в малогабаритных приемниках широкого применения.

2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

Изменение емкости конденсатора может быть получено двумя принципиально различными способами управления - механическим и електрическим. Особенности конденсаторов с механическим управлением заключается в возможности реализации заданных законов изменения емкости при перемещении пластин; получения широкого диапазона изменения емкости и больших величин добротностей; обеспечение больших рабочих напряжений и малых значений температурного коэффициента емкости (ТКЕ); независимости величины емкости от приложенного напряжения; сравнительно большом времени, необходимом для изменения емкости; зависимости величины емкости от влажности и внешних механических воздействий, относительной сложности конструкции и больших габаритах.

Конденсатор переменной емкости с механическим управлением представляет собой две системы плоских пластин: неподвижную (статор) и подвижную (ротор), расположенных таким образом, что при вращении

ротора его пластины входят в зазоры между пластинами статора.

В зависимости от угла поворота различают:

Конденсаторы с нормальным угловым диапазоном, при котором угол поворота равен 180°;

Конденсаторы с расширенным угловым диапазоном, при котором угол поворота ротора больше 180°;

Конденсаторы с уменьшенным угловым диапазоном, например равным 90°.

В зависимости от величины приложенного напряжения конденсаторы переменной емкости рассчитывают:

для электрических цепей с малым напряжением (менее 200в);

для электрических цепей с повышенным напряжением (более 200в);

для электрических цепей с большим напряжением (более 1000в);

По закону изменения емкости конденсаторы подразделяют на прямоемкостные, прямоволновые, прямочастотные и логарифмические и специальные.

По типу применяемого диэлектрика конденсаторы подразделяют на:

конденсаторы с воздушным диэлектриком;

конденсаторы с твердым диэлектриком;

вакуумные конденсаторы;

конденсаторы с жидким диэлектриком;

газонаполненные конденсаторы.

Газонаполненные, вакуумные конденсаторы и конденсаторы с жидким диэлектриком отличаются сложностью конструкции, поэтому имеют очень ограниченное применение, преимущественно в мощном радиостроении.

По способу выполнения электрического контакта с подвижной частью конденсаторы разделяют на конденсаторы со следующим типом токосъемов: со скользящим контактом, с гибким соединением и емкостными токосьемами.

По типам аппаратуры, в которой используются конденсаторы, они разделяются на конденсаторы для массовой радиовещательной аппаратуры и конденсаторы для профессиональной радиоаппаратуры.

По числу секций конденсаторов, одновременно изменяющих свою емкость, конденсаторы делят на односекционные и многосекционные.

Для одновременной настойки нескольких контуров применяются многосекционные конденсаторы. В зависимости от того, какие из блоков этого рода применены в аппаратуре, к схеме соединения отдельных секций предъявляют различные требования. Например, в тех случаях, когда блок конденсаторов должен быть проще и дешевле, используют схемы, в которых все роторы гальванически соединены между собой общей металлической осью. Однако при этом между отдельными секциями конденсатора возникает электрическая связь, объясняемая электрической проводимостью оси, соединяющей роторы.

В других случаях, когда существенно важно, как можно больше уменьшить связь между настраиваемыми контурами, применяют блоки, у которых и статоры и роторы изолированы друг от друга, а ось соединяющая роторы, сделана из изоляционного материала.

В соответствии с техническим заданием объем конструкции конденсатора переменной емкости должен быть минимальным. Рабочее напряжение 24В, число секций - 2, закон изменения емкости - прямоемкостной.

За основу конструкции выбираем штампованный конденсатор с полукруглыми пластинами ротора.

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

Варикапы изменяют свою емкость в зависимости от приложенного обратного смещения р-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 емкости, в результате чего применяются в основном в диапазоне УКВ и на более высоких частотах, а также в схемах, где не требуется большое изменение емкости.

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

3. Расчет конструкции и необходимых деталей

3.1 Выбор числа и геометрического размера пластин

Суммарное число пластин конденсатора выбирается с учётом того, что суммарная длинна секции должна быть приближённо равна радиусу пластины ротора. Выбираю суммарное количество пластин N ротора и статора равное 7.

Величина зазора d выбирается исходя из размеров конденсаторов, требуемой точности, необходимой стабильности и электрической прочности и производственно - технологических соображений. Чем больше зазор, тем выше электрическая прочность, стабильность, надежность и точность закона изменения емкости. Следует также учесть, что при увеличении зазора увеличивается объем конденсатора.

Так как необходимо обеспечить минимальные габаритные размеры конденсатора, я выбираю зазор порядка 0,2 мм.

3.2 Определение формы и размеров пластин

Радиус выреза на статорных пластинах r₀=5мм.

Для расчета радиуса пластины, обеспечивающей прямоемкостную зависимость емкости, использую формулу:

, см. (3.1)

где постоянная

Длинна конденсаторной секции вычисляется по формуле:

l_c = h ž N + d ž (N - 1), (3.2)

где h - толщина пластин;

h = 0.03 см. = 0.3мм. (3.3)

Подставляю численные значения в формулу (3.1)

k=,

,

l_c = 0,03ž7 + 0,02∙6 = 0,33 cм. =3.3 мм.

3.3 Вычисление температурного коэффициента емкости

Влияние изменения температуры на параметры конденсатора сказывается в изменении свойств и объема материалов, из которых он изготовлен.

Изменение емкости под влиянием температуры в основном вызываются изменением линейных размеров пластин и зазоров и изменением диэлектрической проницаемости воздуха (диэлектрика), находящегося в электрическом поле конденсатора. Надо иметь в виду, что емкость КПЕ состоит из двух частей:

постоянной части (представляет собой минимальную емкостью величина которой не зависит от положения ротора).

переменной части, величина которой изменяется при перемещении ротора.

Каждая из этих емкостей имеет определенный ТКЕ, зависящий как от материалов, так и от последней. Температурный коэффициент переменной части емкости (ТКЕ) конденсатора определяется по формуле:

ТКЕ ~= ТК_в TKS_{A +} TK_{d (}3.4)

где ТК_{в -} температурный коэффициент диэлектрической проницаемости

воздуха (20ž10^-6),1/град;

TKS_Aи TK_d - температурные коефициенты активной площади пластин и зазора, соответственно, 1/град

Температурный коефициент активной площади пластин обулавливается температурным коефициентом линейного расширения материаламп, из которого они изготовлены, и относительным перемещением секции ротора и статора, вызванным температурным коефициентом линейного расширения материала основания мо, т. е:

TKS_A = TKS_s TKS_l, (3.5)

где TKS_s и TKS_{l -} температурные коэффициенты активной площади

пластин и зазора;

TKS_s = 2žмп, (3.6)

где мп - температурный коефициент линейного расширения материала, из которого изготовлены пластины;

Так как стабильность конденсатора с твердым диэлектриком ниже стабильности конденсатора с воздушным диэлектриком, я опускаю вычисление ТКЕ конденсатора.

3.4 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 R_п 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.

Заключение

В данном курсовом проекте был произведен расчет конденсатора с прямоемкостной зависимостью. Данный конденсатор переменной емкости предназначен для использования в качестве регулировочного.

К данному конденсатору не предъявляется особых требований, значит, выбираем не очень дорогостоящие материалы и простую конструкцию.

В качестве материала пластин ротора и статора выбираем латунь.

Ось данного КПЕ изготовляем тоже из латуни. Выбрали форму пластин для данного КПЕ - полукруглые.

Функциональная зависимость емкости от угла поворота - линейная.

Был рассчитан радиус пластины ротора =18,5мм.

Количество выпущенных конденсаторов предусматривается n = 15000 штук в год.

По конструктивному выполнения корпуса, ротора и статора конденсатор является штампованным, так как он предназначен для массового производства и не отличается высокими электрическими характеристиками.

Я применяю подшипники трения и качения. Подшипник трения применяю, так как конденсатор предназначен для карманного приемника, а, как известно, такая аппаратура не стабильна и отличается невысокой стоимостью.

Список литературы

1. Волгов В.А. Детали и узлы РЭА - М. Энергия. 2007. - 656с.

2. Устройства функциональной радиоэлектроники электрорадиоэлементы: Конспект лекций. Часть 1 / М.Н. Мальков,

3. В.Н. Свитенко. - Харьков: ХИРЭ 2002. - 140с.

4. О.Ю. Савельев Конденсаторы. Конструкция и устройство - Москва. ЕлАтомИздат. 1983

5. Самохвалов Я.А. Справочник техника-конструктора-К. Техника. 1978. - 592с.