Вибір конденсаторів для електронних пристроїв
БІБЛІОТЕКА З РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ Випуск 24
ЕНЕРГІЯ МОСКВА 1970
Лернер М. М.Вибір конденсаторів для електронних пристроїв. Москва, «Енергія», 1970. Бібліотека з радіоелектроніки. Випуск 24.
Мета книги – допомогти конструктору електронної апаратури не тільки правильно вибрати тип і номінал конденсатора за режимом його роботи, а й найефективніше вибрати режим роботи конденсатора. Для цього порівнюється безліч різних електронних схем, за допомогою яких виконується те саме завдання при оптимальному виборі конденсаторів у схемах. Теоретичні висновки та формули доведені до графіків, таблиць та діаграм. Розроблені методи, за допомогою яких вдалося отримати аналітичне рішення задачі оптимального проектування випрямлячів з ємнісним навантаженням, можуть бути корисними при вирішенні аналогічних завдань та інших пристроїв.
Книга призначена для конструкторів електронної апаратури та студентів вищих навчальних закладів.
Зміст книги Вибір конденсаторів для електронних пристроїв
Глава перша. Вибір конденсатора за робочим режимом1. Місткість конденсатора 2. Схеми заміщення конденсатора 3. Індуктивність конденсатора 4. Габарити, вага та вартість конденсатора 5. Вибір робочої напруги за стандартним при синусоїдальній пульсації 6. Вибір робочої напруги за стандартною при несинусоїдальній пульсації 7. Вибір типу та стандартної напруги конденсатора за робочим режимом 8. Облік рівня надійності при виборі робочої та стандартної напруги
Глава друга. Знаходження зв'язку між робочим режимом конденсатора та параметрами електронної схеми9. Вступ 10. Теорема пророзкладанні напруги на вентилі на змінне і випрямлене та її застосування для аналізу роботи схем випрямлення 11. Піковий коефіцієнт пульсації та його застосування для розрахунку пульсації та номінальної напруги конденсатора, що шунтує навантаження 12. Теорема про середнє та її застосування для розрахунку ємності конденсатора, що шунтує навантаження 13. Розрахунок ємності, піків пульсації та мінімальної напруги регулюючого конденсатора 14. Вибір сумісних визначальних параметрів схеми
Глава третя. Оптимальний вибір конденсаторів для безтрансформаторних випрямлячів з кремнієвими або германієвими діодами 15. Вступ 16. Граничні режими роботи конденсаторів, що використовуються у симетричній схемі подвоєння напруги 17. Граничні режими роботи конденсаторів, які у несиметричної схемою подвоєння напруги 18. Граничні режими роботи конденсаторів, що використовуються в бруківці 19. Вибір оптимального режиму роботи конденсатора 20. Порядок оптимального вибору конденсаторів для безтрансформаторних випрямлячів з кремнієвими або германієвими діодами 21. Оцінка ефективності заміни трансформаторного випрямляча безтрансформаторним
Глава четверта. Безтрансформаторні випрямлячі із заданою жорсткістю зовнішньої характеристики22. Введення 23. Розрахунок ємностей конденсаторів для безтрансформаторної жорсткої симетричної схеми подвоєння напруги 24. Розрахунок ємностей конденсаторів для безтрансформаторної жорсткої несиметричної схеми подвоєння напруги 25. Розрахунок ємностей конденсаторів для безтрансформаторної «жорсткої» бруківки
Глава п'ята. Оптимальний вибір конденсаторів для трансформаторних випрямлячів26. Введення 27. Розрахунок параметрів конденсаторів 28.Знаходження граничного режиму та режиму, при якому мінімальна напруга дорівнює стандартному 29. Порядок оптимального вибору типу та номіналу конденсатора для трансформаторних випрямлячів
Вибір електричних конденсаторів, що використовуються в електронному пристрої, зроблений правильно, якщо тип та номінальні параметри конденсаторів (номінальна ємність, номінальна напруга та ін) забезпечують із заданим рівнем надійності необхідний режим роботи електронної схеми. Якщо поряд з цим електричні конденсатори матимуть мінімальні вартість, габарити та вагу, то їх вибір зроблено оптимально.
Оскільки одні й самі характеристики на виході електронного пристрою можуть бути забезпечені із заданим рівнем надійності безліччю різних схем і режимів їх роботи, то оптимальний вибір конденсаторів пов'язаний з відшуканням у цій безлічі такої схеми і такого режиму її роботи, в яких використовується набір конденсаторів має мінімальні вартість, габарити та вага.
Досі були відсутні рекомендації щодо оптимального вибору конденсаторів для електронних схем. Обсяг інформації про електричні конденсатори, який надавав у розпорядження конструкторів електронної апаратури, обмежувався стандартами або технічними умовами на конденсатори, прейскурантом та рекомендаціями щодо підвищення надійності конденсатора порівняно з рівнем, який забезпечується стандартом або технічними умовами. У пропонованій увазі читача роботі зроблено першу спробу поповнити цей обсяг інформації методикою оптимального вибору конденсаторів для електронних схем. Показано, що знаходження схеми та режиму електронного пристрою, в якому вартість, габарити та вага набору конденсаторів, що використовується, мінімальні, зводиться до віднайдення мінімумуномінального заряду та номінальної енергії конденсатора, для чого у свою чергу необхідно визначити залежність ємності та номінальної напруги конденсатора від параметрів електронного пристрою.
Як приклад розглянуто оптимальний вибір конденсаторів для однофазних випрямлячів з ємнісною реакцією навантаження. Рішення доведено до конкретних формул, графіків та діаграм.
Значне місце у книзі приділено вибору стандартної напруги конденсатора за заданим режимом роботи та навпаки.
Зазвичай вибір типу і номіналу конденсаторів при конструюванні електронної апаратури проводиться так: створюється електронний пристрій, що виконує поставлене завдання; вимірюванням або розрахунком визначається режим роботи використовуваного конденсатора - ємність, робоча напруга, робоча температура; за робочим режимом вибирається тип і номінал конденсатора, керуючись одним із критеріїв ефективності вибору.
Вибір конденсаторів за такою методикою має дві істотні недоліки.
По-перше, при виборі номіналу конденсатора часто не враховують режим роботи. У багатьох випадках, особливо коли на конденсаторі діє несинусоїдна напруга, номінальні параметри вибиралися, керуючись лише інтуїцією розробника. Це часто є причиною відмови апаратури. Сьогодні половина всіх відмов апаратури з вини конденсаторів викликана неправильним вибором чи неправильним застосуванням конденсаторів [Л. 15].
По-друге, не враховувалося, що сам режим роботи конденсатора визначається видом і режимом роботи схеми, де він використовується, а схем, які виконують ту саму функцію електронного пристрою, безліч (рис. 1,6). Оскільки досі не було вирішено у загальному випадку перше завдання — вибір типу та номіналуконденсатора за робочим режимом, друге завдання - найкращий вибір різних режимів - навіть не ставилося.
Мета цієї книги полягає в тому, щоб не тільки вирішити перше завдання вибору, але й показати, як робити вибір робочих режимів конденсаторів у загальному випадку, проілюструвавши загальну методику вибору на прикладі таких електронних пристроїв, як однофазні випрямлячі.
Зазвичай вирішальними критеріями ефективності є габарити, (вага і вартість набору конденсаторів, що використовується. Вибір конденсаторів зроблений оптимально, якщо вони забезпечують задані визначальні параметри електронного пристрою і мають мінімальні габарити, вага і вартість.
Частка конденсаторів у загальній кількості компонентів електронної апаратури велика, а радіоприймальній апаратурі й у счетно-решающих пристроях вона сягає 40—60% [Л. 1]. У разі оптимального вибору конденсаторів, що використовуються в апаратурі, електронний пристрій в цілому має мінімальні габарити, вагу і вартість.
Для вирішення завдання оптимального вибору конденсаторів необхідно знайти функцію корисності, тобто зв'язок критерію, ефективності з параметрами конденсаторів до електронного пристрою, а потім дослідити функцію корисності екстремуму. Параметри, при яких габарити, вага та вартість конденсаторів мінімальні, визначають оптимальні вибір конденсаторів та режим роботи.
Другим завданням знаходження функції корисності є встановлення структури зв'язку знайдених узагальнених параметрів Q і W з іншими параметрами конденсаторів, щоб сформулювати програму пошуку залежностей, необхідних і достатніх для побудови функції корисності. Це завдання вирішується в § 7, де показано, як знаходити мінімальне напруження конденсатора, яке разом із ємністю конденсатора визначаєйого заряд Q та енергію W.
Для знаходження необхідно знати величину позитивного Д+ та негативного Д
'піків пульсації напруги на конденсаторі, середнє значення UQ напруги і амплітуду А гармонійної напруги, яка еквівалентна несинусоїдальної напруги на конденсаторі за активною потужністю, що виділяється.
Якщо відомі залежності ємності та напруги на конденсаторі від параметрів схеми, неважко знайти залежність від цих параметрів номінальних заряду Q і енергії W конденсатора. Значення параметрів схеми, при яких Q і W найменші, визначають режим, який назвемо граничним.
Граничний режим - це ще в загальному випадку не оптимальний режим, оскільки в граничному режимі може бути значно менше найближчої до нього стандартної напруги Us, і конденсатор буде недовантаженим, що призведе до збільшення його габаритів, ваги та вартості. Оптимальний режим шукається поблизу граничного та відрізняється тим, що різниця найменша.
Таким чином, загальна методика оптимального вибору конденсаторів для електронного пристрою зводиться до наступного: встановлюються залежності ємності З і напруги Д+, Д-, A, UQ на конденсаторі від параметрів електронного пристрою; за знайденими функціями будуються залежності номінальних зарядів Q та енергії W конденсатора від параметрів електронного пристрою; шукаються значення параметрів, при яких Q та W найменші. Ці значення параметрів визначають граничний режим; за граничним режимом шукається оптимальний режим, в якому стандартні заряд та енергія знаходяться можливо ближче до мінімальних.
Завжди переважно з погляду витрат за проектування отримати аналітичне рішення завдання оптимального вибору конденсаторів для електронних пристроїв. Для цього залежності,зв'язуючі ємність і напруги Д+, Д-, Д з параметрами схеми повинні бути добре узгоджуються з досвідом в діапазоні можливих режимів роботи схеми та явними.
Наведена загальна методика оптимального вибору в кожному конкретному випадку повинна бути інструментом для вироблення рекомендацій, які пов'язують вибір конденсаторів з різноманіттям їх типів і можливостей їх застосування в різних схемах, що виконують одну й ту саму функцію.
У цій роботі загальна методика оптимального вибору конденсаторів проілюстрована на прикладі однофазних випрямлячів з ємнісним навантаженням, які живляться від е. д. с, що змінюється за гармонійним законом.