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 / 4π * 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. 

 

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.

 

Изготовление  КПЕ.

 

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.

 

Самодельный КПЕ

 

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

 

Материал	ε	Uпр	Материал	Ε	Uпр
Бумага парафинированная	4,3	10-25	Резина	2,7	6 - 12
Вода дистиллированная	80		Слюда	6 – 7,5	80-200
Масло минеральное	2,2	5 – 15	Стекло	5,5 – 8	10 -40
Мрамор	8,3	3 – 4	Фарфор	5,8	6 – 7,5
Миканит	5,2	15 – 20	Шифер	6,7	1,5 -3
Воздух	1	1	Фторопласт	4	8 – 18

 

Прибор для исследования диэлектриков.

 

В статье говорилось в основном о высоковольтных КПЕ, хотя принцип конденсаторов нетрадиционной конструкции можно использовать и в КПЕ на небольшие напряжения. Это позволит значительно сократить размеры КПЕ  при той же емкости или увеличить емкость при тех же размерах.

 

Программа расчета емкости КПЕ нетрадиционной конструкции

Н.Филенко (UA9XBI).

На правах первой публикации, не для коммерческого использования.