Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением (стр. 3 из 6)

1300

500 1200

1100

400 1000

900

300 800

700

200 600

500

400

100 300

200

020406080

0204060 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.

С, пФf, кГц

1300

500 1200

1 1100

400 1000

2 3 900 4 3

300 800 2

700

200 600 1

500

4 400

100 300

200

02040 6080

0204060 80

рис 2.3

Требуемая функциональная характеристика может быть получена приданием специального очертания роторным пластинам или при помощи выреза на статоре, а также всевозможных изломов контурах пластин, ступенчатых радиусов, подключением дополнительной ёмкости и т. д. На рисунке 2.4 изображены очертания пластин различных конденсаторов. Из них следует, что роторные пластины прямочастотных КПЕ имеют чрезвычайно вытянутую форму. Это понижает механическую жёсткость ротора и увеличивает объём конденсатора. Для устранения этого форму пластин изменяют, получая её очертания при помощи 2-х и 3-х сопрягаемых поверхностей (окружностей различного радиуса); площадь такой упрощённой пластины выбирается равной площади пластины правильной формы (очертание показано пунктиром).

Удовлетворительную линейную зависимость частоты от угла поворота можно получить и при полукруглом роторе, сместив центр его вращения относительно центра пластины. В этих случаях линейность изменения частоты несколько нарушается, но общая погрешность не превышает 6-8%.

При малых коэффициентах перекрытия диапазона форма роторных пластин КПЕ всех типов приближается к полукруглой.

Более жесткой конструкцией обладают конденсаторы с полукруглым ротором и специальным статором. Статор при этом снабжается вырезом с переменным радиусом, форма которого определяет требуемый закон изменения ёмкости.

а) б) в) г) д)

рис.2.4.

Конденсаторы с плоскими пластинами и поступательным перемещением: вращательное перемещение заменяется на поступательное перемещение с предельной длинной L. КПЕ с плоскими пластинами и поступательным перемещением не находят широкого применения. Возможны две конструкции КПЕ с цилиндрическими пластинами: 1) с поступательным перемещением одного цилиндра относительно другого; 2) с вращательным перемещением одного цилиндра вокруг другого. Способы изменения ёмкости при поступательном перемещении изображены на рисунке 2.5.

а) б) в)

Рис 2.5

3. Расчет прямоёмкостного конденсатора переменной ёмкости

3.1 Теоретические данные к расчёту

Задачей расчета конденсатора переменной ёмкости является определение конфигурации роторных и статорных пластин, их количества и величины зазора. При этом считаются заданными минимальная и максимальная ёмкости контура, функциональная характеристика, а также требования к точности, стабильности и условиям работы конденсатора.

Рассмотрим расчет при первом способе получения необходимого закона ёмкости, то есть, определим, как должен изменяться радиус ротора для получения необходимой функциональной характеристики. Примем, что угловой диапазон перемещения ротора равен 180⁰.

На рисунке 3.1. изображены пластины конденсатора, ротор которого введён на угол

. Давая углу малое приращение , получим соответствующее приращение ёмкостной площади , равное площади заштрихованного сектора: . С другой стороны имеем: . Сравнивая эти два выражения, получим:

(1)

, где n – общее число пластин (ротора и статора); d – зазор между пластинами ротора и статора; - радиус выреза на статоре для пропуска оси.

Все линейные размеры в приведённых формулах выражены в сантиметрах, ёмкость – в пикофарадах, а углы – в градусах.

Полученное выражение (1) является исходным для расчёта очертания ротора конденсаторов любых типов, так как требует определения лишь значения отношения

, что может быть выполнено как аналитически, так и графически.

R

Рис. 3.1

Прямоёмкостный конденсат имеет линейную функциональную зависимость (характеристику). Поэтому

и , то есть его ротор будет иметь полукруглую форму.

Для расчёта можно принять, что:

.