Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра ПЭЭА
Курсовой проект
Дисциплина: “Элементная база ЭА”
Тема проекта: “Конденсатор переменной ёмкости (минимальная ёмкость, Сmin
-10 пФ; максимальная ёмкость, Сmax
– 225 пФ; рабочее напряжение, Uраб
– 150 В; закон изменения ёмкости – прямоволновой)”
Разработал: Руководитель проекта
ст. гр. ТЗТм
-05-1 Григорьева О.В.
2009
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Анализ технического задания
1.1 Исходные данные
1.2 Выбор конструкции КПЕ
2. Анализ аналогичных конструкций
3. Электрический и конструктивный расчёт
3.1 Выбор числа и геометрических размеров пластин
3.2 Определение формы и размеров пластин
3.3 Вычисление температурного коэффициента ёмкости
4. Расчёт контактной пружины
Паспорт
Заключение
Список литературы
Приложения
ВВЕДЕНИЕ
Современная радиоэлектроника является мощным средством научно-технического прогресса. Методы и средства радиоэлектроники проникли во все отрасли науки и техники, они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, в военном деле, в культуре и в быту. Современная радиоэлектроника – это комплекс областей науки и техники, включающий наряду с радиотехникой и электронной техникой оптоэлектронику, рентгеноэлектронику, гамма – электронику и другие.
ХХ столетие, и особенно его вторая половина, ознаменовалась для радиотехники бурным её развитием как по количеству, так и по качеству и сложности функций, выполняемых радиотехническими системами и средствами. Потребности развивающейся радиотехники способствовали развитию электронной техники, и напротив, появление новых электронных приборов, в особенности сверхвысокочастотных и квантовых электронных приборов: магнетронов и клистронов, ламп бегущей и обратной волны, лазеров, мазеров и др., привело к резкому расширению возможностей радиотехники, к освоению СВЧ – диапазонов электромагнитных волн. Всё шире применяются радиотехнические методы для задач, не связанных с излучением электромагнитных волн. Поэтому понятие «радиотехника» стало заменяться более широким понятием «радиоэлектроника».
Из всего разнообразия радиоэлектронных средств (РЭС) в большинстве случаев возникает необходимость в элементах, способных изменять свою ёмкость в зависимости от какого-то внешнего параметра. Наиболее часто изменение ёмкости необходимо для изменения резонансной частоты контура, в состав которого входит элемент. Существует несколько типов таких элементов, одним из которых является конденсатор переменной ёмкости (КПЕ), рассматриваемый в данной работе.
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
1.1 Исходные данные
Минимальная ёмкость, Сmin
, пФ 10
Максимальная ёмкость, Сmax
, пФ 225
Рабочее напряжение, Uраб
, В 150
Температурный коэффициент ёмкости, єС-1
45·10-6°с
Рабочий угол, 180
Закон изменения ёмкости прямоволновый
Программа, шт. 50000
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. Значения дестабилизирующих факторов для РЭА этой группы приведены в таблице (3. табл 3.11).
1.2 Выбор конструкции КПЕ
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.
2. АНАЛИЗ АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Кроме КПЕ, плавное изменение ёмкости обеспечивают такие элементы, как варикапы и вариконды. Это так называемые конденсаторы переменной ёмкости с электрически управляемой ёмкостью.
Варикапы изменяют свою ёмкость в зависимости от приложенного обратного смещения p-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 ёмкости (точнее коэффициент перекрытия по ёмкости) . В результате чего применяются в основном в диапазоне УКВ и на более высоких частотах, а также в схемах, где не требуется большое изменение ёмкости.
В варикондах под действием приложенного постоянного смещения изменяется диэлектрическая проницаемость материала между обкладками. Они имеют коэффициент перекрытия по ёмкости от 2 до 5, но обладают низкой температурной стабильностью ёмкости и не обеспечивают требуемый закон её изменения.
Конденсаторы переменной ёмкости с механическим управлением между собой различаются видом диэлектрика (твёрдый, жидкий или газообразный) и способом задания функциональной зависимости изменения ёмкости от угла поворота (конденсаторы с фигурными пластинами ротора или с вырезом в статорных пластинах).
Воздух по сравнению с твёрдыми и жидкими диэлектриками обладает рядом положительных свойств: ничтожными потерями, малой проводимостью, независимостью диэлектрической проницаемости от частоты и малой зависимостью от температуры, влажности и давления.
К недостаткам воздуха, как диэлектрика следует отнести малые значения диэлектрической проницаемости и пробивного напряжения, что влияет на габаритные размеры КПЕ.
Перечисленные положительные свойства воздуха как диэлектрика позволяют создать наиболее простые конструкции конденсаторов с высокими техническими характеристиками. Исходя из этого- в проектируемом КПЕ в качестве диэлектрика будет использоваться воздух.
У конденсаторов с переменным радиусом выреза в статорной пластине пластины ротора имеют более жесткую конструкцию, что даёт существенное преимущество только для прямочастотного закона изменения ёмкости. Для прямоволновой зависимости такое конструктивное решение является нецелесообразным.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ
3.1 Выбор числа и геометрических размеров пластин
Суммарное число пластин конденсатора выбирается с учётом того, что суммарная длинна секции должна быть приближённо равна радиусу пластины ротора и суммарная длина КПЕ не должна превышать заданное в ТЗ значение.
Ориентировочно число пластин можно выбрать по таблице (1. табл. 3-8). Принимаем число пластин N = 10
Величина зазора между пластинами ротора и статора выбирается с учётом требований электрической прочности, точности, температурной стабильности, габаритных размеров и производственно-технических соображений.
При амплитуде переменного напряжения на конденсаторе Uраб
величину требуемого зазора (мм) для получения необходимой электрической прочности можно найти из следующего выражения:
d = Uраб
/(500ч700), (3.1)
где Uраб
– максимальное рабочее напряжение, В;
500ч700 – допустимая напряжённость поля, В/мм.
dmin
= 150/700 = 0,214 мм
dmax
=150/500 = 0,30 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 = 0,3мм, 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 rоси
= dоси
/2 =4/2 = 2 мм по формуле:
r0
= rоси
+(2ч3)d = 2+(2ч3)·0,3 = 2.5ч2.75 мм
Выбираем максимальное значение r0
=2.75 мм, так к
3.2 Определение формы и размеров пластин
Прямоволновая зависимость ёмкости от угла поворота математически описывается функцией
С = (aφ + b)2, (3.2)
где a = (- )/180;
b = Сmin ;K= ;
φ – угол поворота ротора.
N – общее число пластин статора и ротора
Зависимость радиуса ротора от угла поворота для получения необходимой функциональной зависимости описывается следующим выражением:
R = , (3.3)
где d – зазор между пластинами, см;
k – постоянная ;
r0
– радиус выреза в пластине статора;
φ – угол поворота.
Вычислим значения коэффициентов a и b:
a = ( -)/180 = 0,06
b =10;
Расчёт R произведём при помощи пакета прикладных программ Excel. Результаты работы программы (с шагом 10є) приведены в таблице 3.1.
| φ ,° | 0 | 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 |
Средний радиус пластин ротора определяем как среднее арифметическое сведённых в таблицу значений и равен R=9,214
Длина секции определяется по формуле:
l0
= hпл
N + d (N-1), (3.5)
где hпл
– толщина пластины (выбираем hпл
= 0,6мм);
N – суммарное число пластин в секции;
d – зазор между пластинами ротора и статора, мм.
l0
= 0,3·10 + 0,6·9 = 8,7 мм
Отношение l0
/Rср
= 0,94 близко к 1, что подчиняется приведённым выше требованиям (l0
≈ Rср
).
3.3 Вычисление температурного коэффициента ёмкости
При изменении температуры воздуха изменяются 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
, величина которой не зависит от положения ротора) и переменной Спер
, величина которой изменяется при перемещении ротора. Каждая из этих емкостей имеет свой определённый ТКЕ.
Минимальная ёмкость образуется как сумма емкостей через твёрдый диэлектрик и воздух между деталями, находящимися под разными потенциалами. В общем виде можно сказать, что
ТКЕmin
= (3.6)
Так как ёмкость через диэлектрик составляет значительно меньшую часть, чем ёмкость через воздух, то можно приближённо считать это значение равным 20·10-6
єС (ТКЕ для воздуха).
Температурный коэффициент переменной части ёмкости можно вычислить, используя формулу
ТКЕ? = ТКЕв
+ ТКSa
, (3.6)
где ТКSa
и ТКd – температурные коэффициенты активной площади пластин и зазора соответственно.
обуславливается температурным коэффициентом линейного расширения материала αмп
, из которого они сделаны и относительным перемещением секций ротора и статора, вызванными температурным коэффициентом линейного расширения материала корпуса αмк
, т.е.
ТКSa
= ТКSs
± ТКSl
, (3.8)
где ТКSs
– температурные коэффициенты активной площади пластин, обусловленные αмп
и αмк
соответственно.
Тогда
ТКSs
= ΔS/(S·Δt) = 2 αмп
·SΔt/(S·Δt) = 2 αмп
, (3.9)
а ТКSl
будет определяться при колебаниях температуры окружающей среды по изменению расстояния между ротором и статором. В связи с тем, что пластины и корпус выполнены из одного материала, можно допустить, что изменение активной площади пластин довольно мало и ТКSl
можно пренебречь.
Подставив значение коэффициента линейного расширения для инвара в (3.9), получим:
ТКSs
= 2·0,9·10-6
= 1,8·10-6
єС-1
Теперь найдём ТКSa
из выражения (3.8):
ТКSa
= 1,8·10-6
+ 0 = 1,8·10-6
єС-1
Для нахождения воспользуемся формулой:
ТКSd
= (αмо
l
- 2 αмо
d
) / (l – 2dп
), (3.10)
где d = 0,5(l – 2dп
) – величина зазора, мм;
dп
– толщина пластины, мм;
l – расстояние между пластинами ( по средней линии), мм;
αмо
l
и αмо
d
– температурные коэффициенты линейного расширения материала оси и пластин соответственно, єС-1
.
Подставим численные 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
єС-1
,
Просуммировав все составляющие, сначала получим значение ТКЕ переменной составляющей ёмкости
ТКЕ? = 20·10-6
+ 1,8·10-6
+ 10·10-6
= 31,8·10-6
єС-1
,
а затем и общее ТКЕ:
ТКЕ = ТКЕ? + ТКЕmin
= 31,8·10-6
+ 20·10-6
= 51,8·10-6
єС-1
Разработанная конструкция конденсатора удовлетворяет требованиям ТЗ по стабильности.
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 Rп
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.
ПАСПОРТ
Минимальная ёмкость, Сmin
, пФ 10
Максимальная ёмкость, Сmax
, пФ 225
Рабочее напряжение, Uраб
, В 150
Число секций 2
Температурный коэффициент ёмкости, єС-1
45·10-6
Рабочий угол, 180
Диаметр оси, мм 4
Закон изменения ёмкости КПЕ прямоволновый
Крепление снизу
Программа, шт. 50000
Условия эксплуатации по ГОСТ 15150-69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте был произведен расчет переменного конденсатора с прямоволновой зависимостью. Данный конденсатор переменной емкости предназначен для использования в бытовой аппаратуре и в радиоприемной аппаратуре (в УКВ диапазоне).
В техническом задании для проектирования данного конденсатора были предъявлены противоречивые требования: минимальные размеры конструкции и сравнительно низкий температурный коэффициент емкости (°С-1
), значит выбираем материалы с максимально близкими ТКЕ, и конструкцию, которая бы обеспечивала и достаточно низкий ТКЕ, и малые габариты конденсатора.
Ось ротора и статора будем делать из одного материала, из керамики с ТКЕ = 4,5-6×10-6
, °С-1
.
Для реализации прямоволновой зависимости были рассчитаны радиусы пластин ротора в зависимости от угла поворота.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Волгов В.А. Детали и узлы РЭА. –М.: Энергия. 1977. –656 с.
2 Устройства функциональной радиоэлектроники 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 и конструирование радиоаппаратуры. – М.: Высшая школа. 1986. – 339 с.