Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением

     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 k_a, 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 U_раб=500 В.

     В первую очередь определимся с  условиями эксплуатации прибора. Из задания видно, что конденсатор  работает в нормальных условиях.

     Нормальными условиями эксплуатации принято  считать условия, при котором  температура окружающего воздуха  составляет +15 +25⁰С, влажность 45-70% и атмосферное давление Па (650-800 мм рт. ст.), отсутствуют агрессивные газы, испарения соли и механические воздействия, а также радиационные воздействия. Из всего этого следует вывод, что строгих требований по защите от температуры, давления, радиации, механических воздействий, по герметизации конденсатора, не сложно, а значит, упрощается конструкция.

     Конденсатор односекционный, следовательно, у него имеется один ротор и один статор. Тип конденсатора прямоёмкостный. Такие  конденсаторы характеризуются функциональной линейной характеристикой при повороте подвижной системы на угол : С =а +в.

     При этом плотность настройки, получается, по диапазону не равномерно; при  малых ёмкостях она велика, а при  больших – мала. Такие конденсаторы применяют часто в качестве регулировочных, подстроечных и для настройки контуров при малом коэффициенте перекрытия диапазона. В этом случае шкала по частоте получается практически линейной. На рисунке 2.1 приведены графики изменения ёмкостей и частоты контура с прямоёмкостным конденсатором.

     Прямоёмкосный конденсатор имеет простейшую форму  пластин – полукруглую. При этом можно получить удовлетворительную линейную зависимость ёмкости от угла поворота (рисунок 2.2).

     Напряжение, на котором работает конденсатор, даёт возможность варьировать зазор между пластинами, т. к. при данном напряжении вероятность пробоя воздуха (как диэлектрика) очень низка.

 

      С, пФ                          f, кГц

                                             1300 

500                                       1200

                                             1100

400                                       1000

                                               900

300                                         800

                                               700

200                                         600

                                               500

                                               400

100                                         300

                                                200                                                      

     0    20   40   60  80       0     20    40    60     80   

               рис 2.1                                                         рис 2.2 

     Все вышеприведённые факторы обличают процесс конструирования, и есть возможность заранее спрогнозировать основные элементы конструкции. 

     2.3 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 (см. выше).

     - прямоволновые – дают линейное изменение длины волны контура. Ёмкость конденсатора при этом должна изменяться не линейно: . 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: , 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: . 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 с различными конденсаторами приведены на рисунке 2.3.