Что такое конденсатор переменной емкости и для чего он нужен

Для изменения резонансной частоты в электрических цепях нужны конденсаторы с переменной емкостью (КПЕ). Они довольно широко используются в различной радиоаппаратуре. К примеру, их широко используют в радиоприемниках для настройки на определенную радиостанцию. Транзисторные каскады и стабилизаторы также делаются на основе таких КПЕ.

Они делятся на два основных вида:

• Переменные — электрическая ёмкость у таких КПЕ изменяется под воздействием внешних факторов, к которым прежде всего относится напряжение. Также в значительной степени на данный конденсатор могут повлиять экстремальные температуры и механическое давление. КПЕ изготавливаются из неподвижной пластинки (статора) и подвижной (ротора). Во время вращения роторной ручки происходит изменение емкости накопительного элемента из-за того, что в нее вводятся пластины, которые заполняют пустое пространство.
• Подстроечные (в некоторых устаревших справочниках встречается название «полупеременные») — задействуют в основном при наладке аппаратуры. Данные элементы электроцепи применяются значительно реже, если сравнивать их с традиционными устройствами с переменной емкостью. Это связано с тем, что конструкция подстроечных устройств более простая и примитивная. Отличительной особенностью таких устройств заключается в наличии более узкого диапазона изменения емкости. Часто в таких конденсаторах монтируют устройства, которые позволяют зафиксировать ротор в статичном положении.

Постараемся далее понять, почему конденсатор пропускает переменный ток, и какие процессы в устройстве при этом происходят. Ответ на данный вопрос довольно простой. Постоянный электроток протекает по данной цепи во время зарядки конденсатора. В цепи постоянного тока конденсаторы играет роль фильтрующих элементов. Зарядка конденсатора постоянным током происходит довольно быстро, а после ее завершения зарядный ток уменьшается практически до нуля. Для переменного тока ситуация другая. В таких цепях неполярные конденсаторы обеспечивают стабильность рабочих характеристик цепи. Требование к таким элементам цепи — они должны обеспечивать высокую точность и иметь небольшой температурный коэффициент. Они заряжаются до определенной величины, а после этого просто изменяют свою полярность.

КПЕ сначала заряжается в одну сторону, а затем начинает заряжаться «в обратную сторону». При этом происходит изменение полярности, но ток сквозь него проходит без остановки.

Простыми словами это можно описать так. Давайте представим себе емкость, которую можно заполнять водой, но с одним условием — вода не должна вылиться за пределы этой самой емкости. В таком случае, если провести аналогию с устройством на постоянном токе. Через конденсатор ток перестанет протекать тогда, когда вода дойдет до определенной отметки. А вот если переливать воду за края можно, то здесь хорошо проводится аналогия с устройствами на переменном токе. Жидкость в емкости будет, как бы «зациклена». Ее будут постоянно заливать, при этом она может выливаться. Все это происходит циклически без каких-либо остановок. Таким же образом протекает электроток через конденсатор с переменной емкостью, где изменяется только полярность во время зарядки.

Основные характеристики КПЕ

Есть несколько главных параметров, которые определяют конденсатор. К этим параметрам конденсаторов относят:

• C — электрическая емкость;
• U — рабочее напряжение;
• Ф — электроемкость. В международной системе СИ данный параметр измеряют в фарадах (Ф).

На практике единица емкости 1 Ф встречается очень редко, ведь это очень большая величина. Для сравнения, величина электрического заряда на нашей планете составляет лишь 710 мкФ. Электроемкость принято измерять в производных от фарада величинах. Это могут быть нанофарады (10^-9 Ф), пикофарады (10^-12 Ф), аттофарады (10^-15 Ф) и прочие производные варианты.

При расчете электроемкости используется простая формула. Чтобы рассчитать этот параметр, нужно поделить величину заряда, накопленного между обкладками, на разность потенциалов между ними (напряжение на конденсаторе). Для обозначения заряда конденсатора используется латинская буква Q. Единицей измерения заряда устройства является кулон (Кл).

Чтобы вычислить сопротивление конденсатора переменному току, используется следующая формула:

Где:

Xc — сопротивление, Ом;

F — частота, Герц;

С — электроемкость, Ф.

Общее сопротивление конденсатора (импеданс) переменному току включает 3 составляющие — емкостное, резистивное и индуктивное сопротивление. Данные параметры необходимо учитывать, когда конструируется схема, в которой есть накопительные элементы. Если не учесть и пропустить любую из этих величин сопротивления, в электроцепи, когда используется соответствующая обвязка, накопительный элемент может начать работать, как дроссель и произойдет резонанс напряжений. Для вычисления импеданса используется следующая формула:

Где:

Z — общее сопротивление;

R — реактивная составляющая;

X_L — индуктивность;

Хс — емкость.

Схемы КПЕ

На изображении ниже можно увидеть обозначение различных конденсаторов на схеме. Конденсаторы переменной емкости допускают многократную регулировку ёмкости внутри указанных пределов.

Если в сети есть переменный конденсатор, то данное его свойство обозначается в виде знака регулировки — наклонная стрелочка, которая пересекает базовый значок под углом 45 градусов. Возле него прописывается минимальную и максимальную величину емкости устройства.

Важный момент, который надо учитывать. На схеме все конденсаторы, входящие в состав блока, отображаются отдельно. Если надо показать, что изменение емкости переменного конденсатора в этом блоке и других конструктивных элементах возможна за счет поворота одной ручки, которая управляет данным блоком, то стрелочки, использующиеся для обозначения регулировки, соединяются при помощи пунктирной линии.

Сразу отметим разновидности таких КПЕ. Одним из известных типов таких устройств являются дифференциальные устройства. Их используют, к примеру, в плечах емкостного моста. Особенностью данного типа заключается в наличие двух рядов пластинок у неподвижной части устройства и одного у подвижной. При выходе из зазора одной группы пластинок, ее место сразу же занимает 2-ая группа. В это время происходит изменение емкости дифференциальных КПЕ в сторону уменьшения между пластинками 1-ой группы неподвижной части и группой подвижной части. При этом между 2-ой группой статорных пластинок и пластинок на роторе емкость возрастает. За счет этого суммарная ёмкость накопительного устройства не изменяется.

Особенности конденсаторов

Конденсатор (КПЕ) переменной емкости по виду используемого диэлектрика может быть воздушным или твердым. В воздушных конденсаторах диэлектриком служит воздух. Для изготовления твердого диэлектрика применяется износостойкие и высокочастотные материалы. Зачастую в этом случае применяют пленки, изготавливаемые из фторопласта или полиэтилена. Данные КПЕ широко используются в оборудовании с небольшими габаритами, например, в транзисторных карманных приемниках.

Учитывая особенности поведения воздушной среды в качестве диэлектрика, его зачастую используют в конденсаторах КПЕ (в переменных и подстроечных устройствах). Положительное свойство воздуха, заключается в том, что он со временем не стареет. Поэтому никаких изменений электрических свойств воздуха в данном случае не происходит. Также надо заметить, что применение воздушной прослойки в качестве диэлектрика позволяет обеспечить небольшие диэлектрические потери, а также быстрый вариант восстановления электропрочности после любых пробоев.

Самый распространенный вид подстроечного КПЕ на данный момент является керамический. В конструкции такого накопительного устройства есть неподвижная часть из керамики (статор) и подвижное основание (ротор) в виде диска, которое закрепляется на статоре. В качестве обкладок у данного элемента выступают тонкие серебряные пластинки. Наносят эти пластинки вжиганием на статор. Кроме того, их вжигают на наружные стенки ротора.

Для изменения или определения емкости КПЕ данного вида, потребуется вращение ротора. Когда разговор идет о несложном оборудовании, то в нем зачастую применяют проволочные подстроечные конденсаторы. Конструктивно она состоит из куска медного провода сечением от одного до двух миллиметров. Длину этот элемент может иметь от 1.5 до 2 см. На данный медный провод делают плотную намотку изолированного провода с сечением 0.2-0.3 миллиметра. Чтобы изменить емкость в таких устройствах, нужно будет сделать отмотку медного провода. Для исключения сползания обмотки с устройства во время выполнения данного процесса, ее пропитывают специальными изоляционными составами.

По способу изменения емкости конденсаторы переменной емкости подразделяются на механические и электрические. В первом случае изменение емкости происходит за механического вращения ручки, а при другом она меняется при изменении напряжения или температуры.

КПЕ своими руками

Нужно сказать, что приобрести переменный конденсатор в последнее время довольно проблематично. Причин здесь несколько — стоят вакуумные конденсаторы довольно дорого, а использованные устройства имеют ржавый и неопрятный внешний вид. Также надо отметить тот факт, что б/у переменные конденсаторы отличаются наличием небольшого зазора между пластинками, которое довольно легко прошивает высокое напряжение. Поэтому такая ситуация просто принуждает любого человека взяться за самостоятельное изготовление такого конденсатора. Тем более, когда человек создает любое устройство самостоятельно, он может изменять определенные его параметры, а также улучшать функциональность, надежность элемента.

Начинаем создавать КПЕ своими руками. Для начала нам потребуется найти алюминиевый лист. Можно воспользоваться, например, листом от емкости с йогуртом, который имеет толщину 0.3-0.4 миллиметра. Из листа ножницами были вырезаны заготовки по чертежам:

Необходимо вырезать 33 заготовки пластинок. Из них 17 шт для статорных пластинок и 16 шт для роторных. После подготовки заготовок их необходимо выпрямить. Далее необходимо просверлить отверстия в нужных местах диаметром шесть миллиметров. Специалисты рекомендуют делать отверстия на однотипных заготовках за один раз. Надо только зажать их в тисках для ускорения процесса сверления отверстий. Как только сверление будет завершено, необходимо удалить с поверхности заготовок краску и защитный слой. В результате мы получим готовые заготовки, как на картинке ниже.

Боковые стенки КПЕ вырезаются из пластика. Габаритные размеры этих боковых стенок составляет около 10х7 см. Чтобы скрепить пластинки можно использовать болты М6 (длина 11 см), гайки М6 (толщина 0.5 см). Кроме того, потребуется определенное количество шайб подходящего размера.

Первую статорную пластинку закрепляют через три-четыре шайбы (зависит от их толщины). Такой обеспечивает наличие необходимого зазора между статорными и роторными пластинками. Потом пластинки зажимаются при помощи гаек. Первую роторную пластинку зажимают с помощью гаек с 2-х сторон. Надо проследить, чтобы между крепежом и боковой стеной был обеспечен маленький зазор, который позволит болту с пластинками довольно свободно вращаться внутри отверстия.

Размещение токоприемника и пружинного элемента — противоположная боковая стенка КПЕ. Можно объединить функционал двух этих элементов при помощи изогнутой пластинки из алюминия и наклейки пенистого пластика. Как только сборка будет завершена, делаем окончательное выпрямление пластинок и добиваемся того, чтобы между ними было одинаковое расстояние при любом положении роторного элемента.

На выходе получаем готовый конденсатор переменной емкости, который имеет рабочий диапазон от 10 до 300 пикофарад. На изготовление такого устройства надо потратить не более 600 рублей. Довольно небольшая стоимость для такого нужного устройства.

Видео по теме