No Image

Самодельный конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком

СОДЕРЖАНИЕ
1 просмотров
21 января 2020

КПЕ нетрадиционной конструкции.

В применяемых конденсаторах переменной емкости практически всегда емкость изменяется при изменении взаимно перекрываемых поверхностей пластин, причем меньшее по площади перекрытие соответствует и меньшей емкости. Чаще всего используются КПЕ с воздушным зазором между пластинами. Естественно, при создании высоковольтных конденсаторов приходится увеличивать зазоры между пластинами, уменьшая тем самым емкость между ними. Недостаток емкости приходится компенсировать увеличением количества пластин в наборе, а это в свою очередь увеличивает и минимальную емкость. И никуда не денешься, законы физики не так просто обойти. Но если отойти от общепринятых шаблонов, можно не только увеличить максимальную емкость при тех же размерах и том же пробивном напряжении, но и свести «на нет» минимальную емкость КПЕ. Немаловажно и то, что коэффициент перекрытия по емкости может достигать нескольких тысяч раз!

Особенность КПЕ нетрадиционной конструкции заключается в том, что статор и ротор выполнены не в виде сегментов, а в виде полуцилиндров, а обкладкой между ними служит не воздух, а диэлектрик, например слюда или фторопласт.

Это позволяет при том же рабочем напряжении и габаритах увеличить максимальную емкость, уменьшить минимальную емкость, упростить конструкцию и повысить технологичность сборки в заводских условиях, сократив количество деталей КПЕ до 10. В условиях промышленного производства за счет применения новых диэлектриков, например титаната бария можно изготовить анодный КПЕ для усилителя на ГУ-43, который уместиться в спичечном коробке! Причем механическая прочность и долговечность такого конденсатора будет гораздо выше существующих пластинчатых КПЕ. А технологичность изготовления КПЕ гораздо выше.

Как известно из школьного курса физики емкость конденсатора

вычисляется по простой формуле:

С = ε * S / 4 π * d где

С – искомая емкость конденсатора, ε – относительная диэлектрическая постоянная среды заполняющей пространство между пластинами, S – площадь каждой из металлических пластин(обкладок) конденсатора, π – постоянная, равная 3.14 , d – расстояние между пластинами.

Для КПЕ традиционной конструкции с воздушным зазором между пластинами увеличения максимальной емкости добиваются только одним путем – увеличивая суммарную площадь обкладок пластин – S , увеличивая размеры или количество пластин . Причем чаще всего это приводит и к увеличению минимальной емкости.

А если применить не воздушный, а твердый диэлектрик, можно значительно увеличить максимальную, но, к сожалению, и минимальную емкость КПЕ. Кроме того, это связано с значительными технологическими усложнениями при изготовлении такого конденсатора. Естественно о изготовлении КПЕ общепринятой конструкции в любительских условиях не может быть и речи.

А вот конденсатор нетрадиционной конструкции можно изготовить даже «на коленке».

Вот как он выглядит:

Без каркаса такой конденсатор состоит всего из двух цельно изготовленных деталей: ротора и статора. Как видно из рисунков емкость образуется между двумя боковыми поверхностями полуцилиндров, промежуток между обкладками заполнен диэлектриком с высокой электрической прочностью и большой относительной диэлектрической проницаемостью.

Очевидное снижение площади поверхности по сравнению с КПЕ традиционной конструкции с лихвой компенсируется за счет снижения зазора между поверхностями при применении диэлектрика. Диэлектрики не только повышают электрическую прочность промежутка между обкладками, но и увеличивают емкость конденсатора за счет более высокой относительной диэлектрической проницаемости. Диэлектрик может быть не только твердым или напылённым, но и жидким, а это еще больше расширяет возможности по уменьшению габаритов и увеличению рабочего напряжения. Как видно на рисунке, минимальная емкость такого конденсатора при выведенном роторе будет очень малой, за счет большого расстояния между ротором и статором. Это также увеличивает коэффициент перекрытия по емкости, поскольку в положении максимальной емкости между обкладками находится только диэлектрик с гораздо большим значением относительной диэлектрической проницаемости, чем у воздуха. А в положении минимальной емкости основным диэлектриком является именно воздух.

В приведенной на рисунке конструкции при применении твердых диэлектриков, нанесенных на статор, неизбежно возникнет проблема трения между ротором и диэлектриком, ликвидировать которую можно, немного сместив ось ротора относительно центра. В этом случае контакт между диэлектриком и ротором будет только в одном положении – положении максимальной емкости.

Читайте также:  Почему не работают аналоговые каналы

В других положениях зазор будет увеличиваться по мере уменьшения емкости. Величина смещения будет также влиять и на характер изменения емкости в зависимости от угла поворота ротора, поскольку одновременно изменяются две величины – взаимная поверхность и расстояние между обкладками. В отличие от конденсаторов традиционной конструкции эта зависимость может иметь очень большие пределы.

При наличии токарного и фрезерного станков изготовить КПЕ можно так как показано на первом рисунке. В заводских условиях при крупносерийном производстве статор и ротор КПЕ могут быть изготовлены методами штамповки или литья. Причем и ротор и статор могут быть выполнены из дешевых пластмасс, керамики, а рабочие поверхности (обкладки) могут напылятся, наноситься гальваническим или иным способом. В любом случае себестоимость такого конденсатора будет значительно ниже, чем изготовленного по традиционной технологии изготовления конденсатора из пластин.

Может быть выполнен с помощью токарного станка и нехитрого инструмента, причем высокой точности изготовления деталей не требуется.

Статор изгибается из алюминиевого или медного листа как показано на рисунке. Каркас ротора вытачивается из любого диэлектрика (дерево, пластмасса, фторопласт) и после сверления отверстий под шурупы разрезается на 2 части. Затем из медной фольги изгибается ротор и половинки каркаса соединяются между собой шурупами, зажимая отогнутые концы ротора. Вывод ротора делается с помощью контактной шайбы, закрепленной на торце каркаса. Полиэтиленовый вкладыш закрепляется с противоположной обкладке ротора стороны (он будет сохранять цилиндрическую форму) после чего поверх этого «пирога» плотно одевается диэлектрическая трубка. Можно применить термоусадочную трубку подходящего диаметра. После усадки трубка должна выступать за края ротора по 3-5 мм с каждой строны.

После этого ротор укладывают в «постель» статора и изготавливают каркас конденсатора.

Можно поступить и другим образом. На «постель» статора с перекрытием по 3-5 мм приклеивается фторопластовая лента, на которую укладывается каркас ротора с закрепленной на нем обкладкой, но без диэлектрической трубки. Роль диэлектрика в этом случае будет играть фторопластовая лента, наклеенная на статор.

Каркас конденсатора может состоять из 2-х щечек и 4-х стягивающих их шпилек. Применение подшипников на оси ротора в самодельном конденсаторе не требуется, важно только добиться плотного прилегания ротора к «постели» статора, сохранив вместе с тем легкость вращения оси ротора.

Размеры конденсатора определяются требуемыми максимальной емкостью и рабочим напряжением. Для фторопластового диэлектрика пробивное напряжение составляет не менее 8000 вольт на мм, поэтому для большинства любительских конденсаторов допустимо применение фторопластовой ленты толщиной 0,4 – 0,6 мм.

Расчетная максимальная емкость конденсатора нетрадиционной конструкции с радиусом ротора 30 мм и длиной ротора 100 мм при использовании диэлектрика толщиной 0,5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 2 и пробивным напряжением 8000 вольт на мм, составляет примерно 300 — 330 пф. Рабочее напряжение такого конденсатора — 3500 Вольт. Расчетная минимальная емкость самодельного КПЕ составляет 12 -15 пф. Минимальная емкость КПЕ, показанного на первом рисунке будет значительно меньше и может составлять единицы пФ.

Как видно, применение даже посредственного диэлектрика при тех же размерах несколько повышает максимальную емкость конденсатора, по сравнению с конденсатором традиционной конструкции. Применение диэлектриков с еще более высокой относительной диэлектрической проницаемостью и электрической прочностью позволяет намного сократить размеры КПЕ нетрадиционной конструкции.

К сожалению, мне не удалось найти справочные данные по параметрам современных диэлектриков, но даже те данные , что сведены в таблицу, позволяет выбрать достаточно неплохие материалы для применения в конденсаторах нетрадиционной конструкции.

Таблица: Диэлектрические проницаемости и электрические прочности(кВ/мм) некоторых диэлектриков

Самодельные КПЕ из фольгированного стеклотекстолита

Переменные конденсаторы, они же конденсаторы переменное емкости или КПЕ, используется во множестве устройств. Они нужны в генераторах, фильтрах, антенных тюнерах, некоторых видах антенн, и много где еще. Обратим внимание на тот факт, что в любительской радиосвязи, к примеру, трансивер может с легкостью выдавать 25 Вт или 100 Вт, максимально же разрешенная мощность составляет 1000 Вт. Понятно, что общедоступные маленькие КПЕ тут совершенно не годятся, а нужных для таких мощностей КПЕ в магазине вы попросту не найдете.

Читайте также:  Ручка для швабры с резьбой

Подходящие большие КПЕ из старой радиоаппаратуры можно приобрести на Авито и досках объявлений радиолюбителей. Но цены там зачастую не низкие, к конденсаторам редко указывается их емкость, не представляется возможным найти два или более одинаковых конденсатора, плюс есть риски и неудобства, сопряженные с покупкой с рук. А между тем, изготовить переменный конденсатор в домашних условиях не так уж и трудно.

Идею я подсмотрел в статье Build Your Own Transmitting Air Variable Capacitors 2003-го года за авторством David Hammack (N4DFP). В своей статье Дэвид использует медные листы, которых у меня не оказалось. Но я прикинул, что с тем же успехом подойдет и медь на одностороннем фольгированном текстолите, которого у меня как раз в избытке. Почему бы не попробовать?

Сразу покажу, что у меня в итоге получилось. Вид спереди:

Конденсатор имеет пять прямоугольных пластин размером 20 x 50 x 1 мм, зафиксированных двумя длинными болтами M3. Пластины разделены гайками. Еще четыре пластины в форме полукруга с радиусом 25 мм крепятся на одном болте M3. Этот болт можно вращать при помощи ручки от потенциометра, которую я приклеил к болту при помощи эпоксидного клея. Все это хозяйство держится на каркасе из двух прямоугольных кусков листового пластика размером 30 x 50 мм. Для соединения с подвижными пластинами я использовал толстый медный провод, изогнутый в форме петли. Провод плотно прилегает к вращающемуся болту и закреплен на каркасе конденсатора с помощью термоклея. Капля припоя, которую можно видеть на втором фото, служит для ограничения углов поворота ручки. Понятно, что все работало бы и без нее. Но мне хотелось, чтобы ручка имела какие-то крайние полажения, а не просто крутилась во все стороны.

Fun fact! Текстолит толщиной 1 мм можно резать обычными ножницами для бумаги. А стоящая у меня на столе катушка припоя очень удачно оказалась диаметром именно 25 мм — по ней и обводил.

Емкость такой поделки меняется от 13 до 53 пФ. Увеличивая площадь пластин или их количество, можно получить хоть 1000 пФ. Не думаю, что кому-то могут понадобится подстроечные конденсаторы большей емкости. Но такой конденсатор будет не очень удобен, как из-за больших размеров, так и того факта, что небольшой поворот ручки будет приводить к сильному изменению емкости.

Возможное решение заключается в том, чтобы использовать описанный выше конденсатор только для точной подстройки, а для грубой подстройки использовать конденсаторы фиксированной емкости. Последние можно соединять параллельно при помощи переключения тумблеров с двумя контактными группами.

Пример самодельного конденсатора фиксированной емкости:

Конденсатор состоит из шести пластин 25 x 50 мм. Пластины были склеены при помощи эпоксидного клея. Все четные пластины соединены между собой, и аналогично соединены все нечетные. Емкость конденсатора составляет 270 пФ. Практическая ценность таких конденсаторов, по-видимому, не очень высока, поскольку высоковольтные керамические конденсаторы фиксированной емкости легко доступны и стоят недорого. Тем не менее, давайте рассмотрим и их тоже, на случай, если когда-нибудь понадобится работать с очень высокими напряжениями.

Fun fact! Альтернативный способ изготовления конденсатора фиксированной емкости заключается в том, чтобы просто взять кусок коаксиального кабеля. Типичный кабель RG58 обладает погонной емкостью около 100 пФ на один метр.

Зависимость емкости конденсатора от числа пластин выглядит следующим образом:

Можно заметить, что емкость растет пропорционально количеству слоев диэлектрика с точностью до ошибки измерения, что соответствует теории. Используя первую строчку, ради интереса можно посчитать диэлектрическую проницаемость используемого текстолита:

Читайте также:  Размеры скоб для мебельного степлера

Это сходится с ожидаемым значением от 4.4 до 4.7.

На StackExchange подсказывают, что чтобы пробить подобные конденсаторы, нужно по крайней мере 3 кВ на 1 мм расстояния между пластинами — это в предположении, что ток пойдет по воздуху. Для надежности, рекомендуется использовать в качестве максимального напряжения половину от этого значения. Напряжение пробоя можно увеличить, увеличивая расстояние между пластинами. Но, как видно из приведенной выше формулы, в этом случае пострадает емкость, и придется увеличивать площадь и/или количество пластин. Более практичное решение заключается в том, чтобы вытравить 3 мм меди по границе пластин. Тогда напряжение пробоя составит порядка 20 кВ — напряжение пробоя 1 мм текстолита или 7 мм воздуха.

Каково будет максимальное напряжение на конденсаторе зависит от цепи, в которой планируется его использовать. Это нужно каждый раз моделировать или считать. Но чтобы оно превысило безопасные 10-15 кВ, придется постараться. В этом случае всегда можно просто увеличить расстояние между пластинами и использовать более толстый текстолит.

Fun fact! Само собой разумеется, ничто не мешает делегировать изготовление компонентов конденсатора вашему любимому производителю печатных плат.

Как видите, все оказалось достаточно просто. Очевидные плюсы самодельных КПЕ — низкая стоимость и доступность. Можно сделать сколько угодно ровно таких конденсаторов, каких нужно. Что же до времени, которое потребуется на изготовление конденсатора, я думаю, оно сопоставимо со временем, которое вы потратите на поиск готового, а также на переговоры с его продавцом.

В последнее время становится всё сложнее приобрести конденсаторы переменной ёмкости. Я столкнулся с этой проблемой при создании магнитной антенны: вакуумные конденсаторы меня не устроили высокой стоимостью, б/у КПЕ не устроили ржавым внешним видом. Кроме того КПЕ из старых приёмников имеют небольшой зазор между пластинами и при использовании их в магнитных антеннах прошиваются высоким напряжением. Так я принял решение делать самодельный КПЕ. В интернете нашлось немало конструкций, но наиболее меня заинтересовала статья http://www.qsl.net/n4dfp/buildcaps.html. Собственно по этой статье и был сделан конденсатор с небольшими доработками.

Итак, первым делом был найден лист алюминия. Найден он был в магазине типа сделай сам в виде листа от бочки йогурта (толщина 0,3-0,4 мм). Из листа ножницами были вырезаны заготовки по чертежам:

Чертежи в формате SVG можно скачать по ссылке.

Всего было вырезано 17 заготовок пластин статора, и 16 — ротора. Все пластины были выпрямлены, потом в нужных местах были просверлены отверстия 6 мм под винты. Рекомендую сверлить однотипные заготовки разом, зажав их в тиски. После сверловки заготовки были зачищены от краски и защитного слоя (лист для йогурта был окрашен рекламными надписями с одной и пищевым слоем с другой стороны). В итоге получилась такая кучка заготовок:

Из пластмассы были вырезаны боковые стенки конденсатора размером примерно 100х70 мм.

Для скрепления пластин я использовал болты М6 длиной 110 мм, гайки М6 толщиной 4,5 мм, и шайбы.

Крепление пластин схематически показано на рисунке (вид сбоку):

Первая пластина статора крепится через 3-4 шайбы (в зависимости от их толщины), чтобы обеспечить необходимый зазор между пластинами ротора и статора, и зажимается гайками. Первая пластина ротора зажимается гайками с двух сторон, при этом между боковой стенкой и крепежом обеспечивается небольшой зазор, чтобы болт с пластинами ротора свободно вращался в отверстии.

На противоположной боковой стенке конденсатора необходимо реализовать токоприёмник и пружинный элемент. Я объединил две функции в одну с помощью изогнутой пластины из того же алюминиевого листа и наклейки из пенистого пластика:

После сборки окончательно выпрямляем пластины и добиваемся одинакового расстояния между пластинами при любых положениях ротора.

В итоге получился конденсатор с диапазоном изменения ёмкости 7-330 пФ. Стоимость материалов составила менее 10 долларов.

Комментировать
1 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев