Реферат: Конденсатор переменной емкости

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ИНАУКИ УКРАИНЫ

Харьковскийнациональный университет радиоэлектроники

Кафедра ПЭЭА

Пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу: «Элементная база ЭА»

Тема проекта: «Конденсатор переменной емкости (минимальная ёмкость, Сmin, пФ – 8;максимальная ёмкость, Сmax, пФ – 120; рабочее напряжение, Uраб,В – 24; закон изменения ёмкости – прямоволновой)»

2009


СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Анализ технического задания

1.1 Анализ условий эксплуатации

1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров

2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направленияпроектирования

3. Расчет конденсатора

3.1 Расчет электрических и конструктивных параметров

3.2 Вычисление температурного коэффициента емкости

3.3 Расчет контактной пружины

4. Описание конструкции и технологии

Паспорт

Выводы

Список литературы


ВВЕДЕНИЕ

Важной частью радиоэлектронной аппаратуры(РЭА) и бытовой в частности являются электрорадиоэлементы (ЭРЭ), которые лежатв их основе. По этой причине неразрывно связаны: качество РЭА и радиоэлементов.Основным этапом, на котором задаются параметры радиоэлементов, является этаппроектирования. В ходе проектирования учитывается конструктивные итехнологические факторы. Нужно выбрать правильный вариант конструкции,согласовав минимальные габаритные размеры и требуемые техническиехарактеристики.

Задачей данного курсового проектированияявляется разработка конденсатора переменной ёмкости с заданными параметрами, атакже приобретение личного опыта разработки ЭРЭ. Курсовое проектирование должнонаучить студента самостоятельно работать, а также способствовать егосамовоспитанию, так как творческое отношение к труду – важнейшее качествоспециалиста любой профессии, а развитие творческих способностей является объективнойпотребностью, диктуемой развитием науки и техники.


1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Исходные данные

Минимальная ёмкость, Сmin, пФ8

Максимальная ёмкость, Сmax, пФ160

Рабочее напряжение, Uраб, В 24

Закон изменения ёмкости прямоволновый

Программа, шт. 2000

1.1 Анализ условийэксплуатации

Данный конденсатор будет эксплуатироваться в бытовойрадиоприёмной аппаратуре в широковещательном диапазоне. Исполнение приборасоответствовует УХЛ-4.2 ГОСТ 15150 – 69 — для районов с умеренным и холоднымклиматом.

Значения климатических факторов внешней среды приэксплуатации и испытаниях УХЛ-4.2 ГОСТ 15150 – 69.

Исполнение изделий – УХЛ; категория изделий — 4.2 .

Общие нормы климатических воздействий наРЭА для исполнения УХЛ приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 – Общие нормы климатическихвоздействий на РЭА

Исполнение

Категория

размещения

Воздействия температуры, °С Воздействия относительной влажности, % Рабочие Предельные Верхн Ниж Ср. Верхн Нижн УХЛ 4.2 +35 +10 +20 +40 +1 98% при 25°С

В соответствии с ГОСТ 16019-78 РЭА должнавыдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2.


Таблица 1.2 – Бытовая РЭА. Нормыклиматических и механических воздействий для 1-й группы

Вид воздействия, характеристики Нормы воздействий

Прочность при транспортировании:

ускорение, g

длительность ударного импульса, мс

число ударов, не менее

15

11

1000

Теплоустойчивость:

рабочая температура, °С

предельная температура, °С

40

55

Пониженное атмосферное давление, кПа 70

Холодоустойчивость:

предельная температура, °С

-40

Влагоустойчивость:

влажность, %

температура, °С

93

25

1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров

ВТЗ не обговорены требования к габаритам и массе предложенного к разработке КПЕ.В связи с этим можно применить воздух в качестве диэлектрика, что позволитсконструировать конденсатор с более высокими качественными показателями посравнению с конденсаторами с твёрдым диэлектриком. В следующем разделе будутрассмотрены разнообразные варианты конструкций КПЕ и выбраны наиболееподходящие для получения оговоренных в ТЗ характеристик.

Суммарноечисло пластин конденсатора выбирается с учётом того, что суммарная длина секциидолжна быть приближённо равна радиусу пластины ротора и суммарная длина КПЕ недолжна превышать заданное в ТЗ значение.

Числопластин выбираем в зависимости от максимальной емкости, то согласно ТЗ Сmax=160, следовательно выбираем N=11 [1]


2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Изменение ёмкости конденсатора может бытьполучено двумя принципиально разными способами управления — механическим иэлектрическим. Особенности конденсаторов с механическим управлением заключаетсяв возможности реализации заданных законов изменения ёмкости при перемещениипластин; получения изменения широкого диапазона изменения ёмкости и большихвеличин добротности; обеспечение больших рабочих напряжений и малых значенийтемпературного коэффициента ёмкости (ТКЕ); независимости величины ёмкости отприложенного напряжения; сравнительно большом времени, необходимом дляизменения ёмкости; зависимости величины ёмкости от влажности и внешнихмеханических воздействий, относительной сложности конструкции и большихгабаритах.

Конденсатор переменной ёмкости смеханическим управлением представляет собой две системы плоских пластин:неподвижную (статор) и подвижную (ротор), расположенных таким образом, что привращении ротора его пластины входят в зазоры между пластинами статора.

В зависимости от угла поворота различают:

— конденсаторы с нормальным угловымдиапазоном, при котором угол поворота равен 180о;

— конденсаторы с расширенным угловымдиапазоном- угол поворота ротора больше 180о;

— конденсаторы с уменьшенным угловымдиапазоном, например равным 90о.

В зависимости от величины приложенногонапряжения конденсаторы переменной ёмкости рассчитывают:

— для электрических цепей с малымнапряжением (менее 200В);

— для электрических цепей с повышеннымнапряжением (более 200В);

— для электрических цепей с большимнапряжением (более 1000В).

По закону изменения ёмкости конденсаторыподразделяют на прямоёмкостные, прямоволновые, прямочастотные илогарифмические.

По типу диэлектрика конденсаторы различаютна:

— конденсаторы с воздушным диэлектриком;

— конденсаторы, заполненные сжатым газом;

— вакуумные конденсаторы;

— конденсаторы с жидким диэлектриком;

— конденсаторы с твёрдым диэлектриком.

По числу секций конденсаторов,одновременно изменяющих свою ёмкость, конденсаторы делят на односекционные имногосекционные.

Для одновременной настройки несколькихконтуров применяются многосекционные конденсаторы. В зависимости от того, какиеиз блоков этого рода применены в аппаратуре, к схеме соединения отдельныхсекций предъявляют различные требования. Например, в тех случаях, когда блокконденсаторов должен быть проще и дешевле, используют схемы, в которых всероторы гальванически соединены между собой общей металлической осью. Однако приэтом между отдельными секциями конденсатора возникает электрическая связь,объясняемая электрической проводимостью оси, соединяющей роторы. В другихслучаях, когда существенно важно как можно больше уменьшить связь междунастраиваемыми контурами, применяют блоки, у которых и статоры и роторыизолированы друг от друга, а ось, соединяющая роторы, сделана из изоляционногоматериала.

Конденсаторы переменной ёмкости смеханическим управлением между собой различаются видом диэлектрика (твёрдый,жидкий или газообразный) и способом задания функциональной зависимостиизменения ёмкости от угла поворота (конденсаторы с фигурными пластинами ротораили с вырезом в статорных пластинах).

Воздух по сравнению с твёрдыми и жидкими диэлектрикамиобладает рядом положительных свойств: ничтожными потерями, малой проводимостью,независимостью диэлектрической проницаемости от частоты и малой зависимостью оттемпературы, влажности и давления.

К недостаткам воздуха, как диэлектрикаследует отнести малые значения диэлектрической проницаемости и пробивногонапряжения, что влияет на габаритные размеры КПЕ.

Перечисленные положительные свойствавоздуха как диэлектрика позволяют создать наиболее простые конструкцииконденсаторов с высокими техническими характеристиками. Исходя из этого- впроектируемом КПЕ в качестве диэлектрика будет использоваться воздух.

У конденсаторов с переменным радиусомвыреза в статорной пластине пластины ротора имеют более жесткую конструкцию,что даёт существенное преимущество только для прямоволнового закона измененияёмкости. Для прямоволновой зависимости такое конструктивное решение являетсянецелесообразным.


3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИКОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

Величиназазора между пластинами ротора и статора выбирается с учётом требованийэлектрической прочности, точности, температурной стабильности, габаритныхразмеров и производственно-технических соображений.

При большом зазоре увеличиваетсяэлектрическая прочность, увеличивается температурная стабильность, ноувеличиваются и габаритные размеры КПЕ. Маленький же зазор даёт плохиестабильность и электрическую прочность при малых габаритных размерах. В связи сэтим с этим выбираем d = 0,3мм, считая это значение оптимальным с точки зренияотношения характеристик и габаритных размеров.

Для предотвращения короткого замыканиямежду роторными и статорными пластинами в статорных пластинах делается вырез.Его радиус определяется с учётом зазора d и радиуса оси rоси = dоси/2=4/2 = 2 мм по формуле:

r0= rоси+(2÷3)d= 2+(2÷3)·0,3 = 2.5÷2.75 мм,

Выбираем максимальное значение r0=2.75 мм, так как прибольшем радиусе уменьшается значение паразитной ёмкости.

3.1 Определение формы иразмеров пластин

Прямоволноваязависимость ёмкости от угла поворота математически описывается функцией

С= (aφ + b)2, (3.1)

где a = (/>-/>)/180;

b = Сmin ;

K= />;

φ – угол поворота ротора.

N – общее число пластин статора и ротора

Зависимость радиуса ротора от углаповорота для получения необходимой функциональной зависимости описываетсяследующим выражением:

R = /> ,(3.2)

где d – зазор между пластинами, см;

k – постоянная ;

r0– радиус выреза в пластинестатора;

φ – угол поворота.

Вычислим значения коэффициентов a и b:

a = (/> -/>)/180 = 0,06;

 b =8;

Расчёт R произведём при помощи пакетаприкладных программ Excel. Результаты работы программы (с шагом 10º)приведены в таблице 3.1.

φ ,° 20 40 60 80 R, мм 7,64 8,03 8,4 8,76 9,1 φ,° 100 120 140 160 180 R, мм 9,4 9,75 10,06 10,35 10,65

Длина секции определяется по формуле:

l0= hплN + d (N-1);(3.3)

где hпл – толщина пластины(выбираем hпл = 0,6мм);

N – суммарное число пластин в секции;

d – зазор между пластинами ротора истатора, мм.

l0= 0,6·11 + 0,3·9 = 8,7 мм;

3.2 Вычисление температурногокоэффициента ёмкости

При изменении температуры воздухаизменяются как физические, так и геометрические размеры (s и d) конденсатора,что приводит к изменению ёмкости. Ёмкость КПЕ состоит из двух составляющих:постоянной (представляет собой минимальную ёмкость Сmin, величинакоторой не зависит от положения ротора) и переменной Спер, величинакоторой изменяется при перемещении ротора. Каждая из этих емкостей имеет свойопределённый ТКЕ.

Минимальная ёмкость образуется как суммаемкостей через твёрдый диэлектрик и воздух между деталями, находящимися подразными потенциалами. В общем виде можно сказать, что

/>

ТКЕmin = /> ; (3.4)

Так как ёмкость через диэлектриксоставляет значительно меньшую часть, чем ёмкость через воздух, то можноприближённо считать это значение равным 20·10-6 ºС (ТКЕ длявоздуха).

Температурный коэффициент переменной частиёмкости можно вычислить, используя формулу


ТКЕ˜ = ТКЕв+ ТКSa,(3.5)

где ТКSa и ТКd – температурныекоэффициенты активной площади пластин и зазора соответственно.

обуславливается температурнымкоэффициентом линейного расширения материала αмп, из которогоони сделаны и относительным перемещением секций ротора и статора, вызваннымитемпературным коэффициентом линейного расширения материала корпуса αмк,т.е.

ТКSa = ТКSs ± ТКSl,(3.6)

где ТКSs – температурные коэффициентыактивной площади пластин, обусловленные αмп и αмксоответственно.

Тогда

ТКSs = ΔS/(S·Δt) =2 αмп·SΔt/(S·Δt) = 2 αмп, (3.7)

а ТКSl будет определяться приколебаниях температуры окружающей среды по изменению расстояния между ротором истатором. В связи с тем, что пластины и корпус выполнены из одного материала,можно допустить, что изменение активной площади пластин довольно мало и ТКSlможно пренебречь.

Подставив значение коэффициента линейногорасширения для инвара в (3.9), получим

ТКSs = 2·0,9·10-6 =1,8·10-6 ºС-1

Теперь найдём ТКSa из выражения (3.8)

ТКSa = 1,8·10-6 + 0= 1,8·10-6 ºС-1,

Для нахождения воспользуемся формулой

ТКSd = (αмоl — 2 αмоd) / (l – 2dп), (3.8)

где d = 0,5(l – 2dп) – величиназазора, мм;

dп – толщина пластины, мм;

l – расстояние между пластинами ( посредней линии), мм;

αмоl и αмоd– температурные коэффициенты линейного расширения материала оси и пластинсоответственно, ºС-1.

Подставимчисленные значения

d = 0,5(1-2·0,3) = 0,2мм,

ТКSd = (4,5·-2·0,9·0,3) / (1-2·0,6)= 10·10-6 ºС-1,

Просуммироваввсе составляющие, сначала получим значение ТКЕ переменной составляющей ёмкости

ТКЕ˜ = 20·10-6 + 1,8·10-6+ 10·10-6 = 31,8·10-6 ºС-1,

а затем и общее ТКЕ

ТКЕ = ТКЕ˜ + ТКЕmin =31,8·10-6 + 20·10-6 = 51,8·10-6 ºС-1,

Разработанная конструкция конденсатора удовлетворяет требованиям ТЗ постабильности.

3.3 Расчёт контактной пружины

В качестве материала для изготовленияконтактной пружины будем использовать Бронзу Бр. КМц 3-1 (ГОСТ 493-54).

Определим необходимое контактное усилие,исходя из условия обеспечения требуемой активной составляющей переходногосопротивления Rп по формуле:

/>,

где />–коэффициент,учитывающий способ, чистоту обработки и состояние поверхности контактныхэлементов (для очень грубых поверхностей />=3);/>–поверхностная твердость поБринеллю (выбираем по более мягкому материалу); b–коэффициент, зависящий отхарактера деформации, вида и формы зоны контактирования (b=2).

/>/> Н,

Толщину контактного элемента рассчитаем поформуле:

/>,

где />–коэффициентзапаса (/>=48); />–средний прогиб; />–допустимое напряжение наизгиб; E–модуль упругости первого рода.

/> мм,

По сортаменту на используемый материалполученное значение толщины округлим до ближайшего табличного значения />=0,2 мм.


4. Описаниеконструкции и технологии

Годовой выпуск проектируемого конденсатораравен 2000 штук, следовательно, используется серийное производство.

За основу конструкции выбираю штампованныйконденсатор.

Главными частями рассчитанногоконденсатора переменной емкости являются ротор и статор. Пластины ротора истатора изготавливаются штамповкой из листовой латуни ГОСТ 931-52 толщиной0,6мм. Пластины ротора к оси ротора крепятся припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76.Корпус изготовлен из пресс-порошка К-21-22 ГОСТ 20478-75 методом прессовки.Втулки, изготовленные ил латуни ГОСТ 931-52, предназначены для выстраиванияположения ротора относительно статора. Токосъем, изготовленный из Бр. КМц 3-1ГОСТ 493-54, клеим к корпусу клеем ВК ОСТ4ГО.029.204.

Штампованные конденсаторы удобны длясерийного производства, хотя по электрическим характеристикам они уступаютпредыдущим типам. Такой конденсатор может изготавливаться в серийномпроизводстве, сборку может осуществлять сборщик с низким разрядом.


ПАСПОРТ

Минимальная ёмкость, Сmin, пФ8

Максимальная ёмкость, Сmax, пФ 160

Рабочее напряжение, Uраб, В  24

Число секций 1

Температурный коэффициент ёмкости, ºС-151,8·10-6

Рабочий угол, 180

Диаметр оси, мм  4

Закон изменения ёмкости КПЕ  прямоволновый

Программа, шт. 2000

Исполнение по ГОСТ 15150-69 относится кпервой группе исполнения УХЛ, категория размещения 4.2


ВЫВОДЫ

В данном курсовом проекте был произведенрасчет КПЕ с прямоволновой зависимостью, который предназначен для использованияв стационарной аппаратуре.

В качестве материала пластин ротора истатора выбираем никель, который имеет коэффициент линейного расширения 13* 10-6оС.

Ось данного КПЕ изготавливаем из керамики,с коэффициентом линейного расширения равным 4.5*10-6 оС.

Кроме этого, при проведении расчетов и припроектировании был определен температурный коэффициент емкости ТКЕ, который равен52 10-6 оС-1.

Функциональная зависимость емкости от углаповорота – прямоволновая.

Были рассчитаны радиусы пластин ротора.

Количество выпущенных конденсаторовпредусматривается n = 2000 штук в год.

Изготавливаем пластины ротора и статора, атак же другие детали КПЕ методом штамповки, так как этот метод наиболее удобендля серийного производства, хотя по электрическим характеристикам он уступаетдругим методам.

Достоинством конструкции такогоконденсатора являются малые размеры и возможность использования типового производственногооборудования.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1         . Волгов В.А. Детали и узлы РЭА.–М.: Энергия. 1977. –656 с.

2         .-Устройства функциональнойрадиоэлектроники и электрорадиоэлементы: Конспект лекций. Часть I / М.Н.Мальков, В.Н. Свитенко. – Харьков: ХИРЭ. 1992. – 140 с.

3         . Справочник конструктора РЭА:Общие принципы конструирования/ Под редакцией Р.Г. Варламова. – М.: Сов. Радио.1980. – 480 с.

4         . Фрумкин Г.Д. Расчет иконструирование радиоаппаратуры. – М.: Высшая школа. 1986. – 339 с.

еще рефераты
Еще работы по коммуникациям и связям