Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением

     4. 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. 

     4.1 Температурная неустойчивость КПЕ 

     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:

1. 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).