Ламповые усилители, применение конденсаторов

Оставлен Evgenij Bortnik Втр, 02/09/2016 - 15:31

Уважаемые телезрители. Ниже рассмотрены общие сведения о применении в ламповых усилителях электрических конденсаторов. Использованы материалы статьи неизвестного автора в моей трансляции и редактуре. Исследовательская оценка результатов измерения искажений, вносимых в сигналы конденсаторами рассмотрен в материале, описанном ниже. По этому показателю выполнено сравнение нескольких наиболее распространенных типов конденсаторов. Статья создана неизвестным мне телезрителем, но местами обстоятельно, хотя использованы только конденсаторы, которые были в наличии. Конденсаторы имели разные емкости, поэтому исследование выполнено на разных частотах и напряжения на них подавались не совсем одинаковые. Понятно, что по-хорошему, нужно провести измерения в абсолютно одинаковых условиях: и частота, и напряжение должны быть одинаковыми. Кроме того измерять нужно на нескольких частотах и с разными напряжениями. Кроме того важна статистика, поэтому было взять по нескольку штук одинаковых конденсаторов. Следовательно, результаты измерения надо рассматривать как субъективную точку зрения. Однако, если установлено большое различие, то можно предположить, что какой-то из типов конденсаторов уступает в качестве. А вот если различие режимных характеристик маленькое, то вполне возможно и качество конденсаторов отличается не существенно. Измерения проведены только для коэффициента гармоник. Влияние проходных конденсаторов на звук оценивается через понятие линейности. Видимо если после конденсатора стоит резистор в десятки кОм, то нет никакой разницы между конденсатором с ESR=0,01 Ом и конденсатором с ESR=0,001 Ом! Эти доли Ома потеряются уже на фоне сопротивления выводов, пайки и дорожек. А вот если Кг усилителя наполовину состоит из Кг конденсатора, то это нехорошо. Результаты оказались довольно поучительными, найдены типы конденсаторов хорошие, плохие и ужасные. Измерения проведены по схеме, показанной на рисунке, без методических погрешностей.

Со звуковой карты подавалось синусоидальное напряжение амплитудой не более 2 вольт, резистор подбирался так, чтобы напряжение на конденсаторе было в пределах 2...2,5 В амплитудного (примерно 1,5 вольта действующего) значения. Кроме напряжения на конденсаторе, измерялось и выходное напряжение звуковой карты, чтобы контролировать ее искажения. Из результата измерений видно, что искажения самой карты намного меньше, и не влияют на точность. Искажения карты вычитались из результатов. Вычитание выполнено корректно, через корень квадратный из разности квадратов амплитуд соответствующей гармоники.

Для того, чтобы показать точность измерений, показаны два спектра тока конденсатора. Дальше эти спектры обработаны для большей наглядности. В расчетах учитывались только гармоники, помехи не учитывались.

Еще один важный момент – особенности вычисления коэффициента гармоник Кг. Кроме получения результата по известной формуле, расположенной слева, проведено вычисление нормированного Кг к номеру гармоники k по формуле справа.

Этот способ нормирования придумали инженеры из лаборатории английской компании ВВС в 50-х годах ХХ века. И такой способ, когда напряжение гармоники умножается на квадрат ее номера, позволяет учесть ширину спектра гармоник. Зачем это нужно? А затем, что чем больше порядок нелинейности и шире спектр гармоник, тем хуже звук. Ниже на рисунке показан пример.

Все три варианта спектра искажений дают одинаковый Кг=0,1%. Но зеленый спектр содержит только две гармоники и на слух такие искажения заметны меньше. Красный спектр содержит гармоники вплоть до 10-й, и на слух самый плохой. А Кг у у всех трёх спектров одинаковый и не позволяет эти спектры различить. А нормированный К'г даст для этих спектров такие значения: 0,12%; 0,18% и 0,33%, вот такая разница. Это просто модификация обычного метода, но более совершенная. Если традиционный Кг позволяет учитывать только среднюю величину нелинейности передаточной характеристики, то нормированный позволяет учесть и порядок этой нелинейности. И, несмотря на то, что он очень далек от совершенства и не в полной мере соответствует слуховым ощущениям, он все же лучше, чем традиционный Кг. Иными словами обычный Кг меньше кореллирует с субъективными ощущениями, чем нормированный. В результатах измерений коэффициент гармоник нормирован ко второй гармонике и его физический смысл - показать среднюю нелинейность, учитывая, насколько высшие гармоники хуже второй.

 Дальше будет видно, что у конденсаторов EPKOS и К73-16 коэффициент гармоник одинаков и равен 0,0017%. Значит ли это, что конденсаторы одинаковы? Очень может быть, что и нет. А вот если посмотреть на нормированные коэффициенты, то у EPKOSа К'г=0,0053%, а у К73-16 К'г=0,0091%. Т.е. отечественный лавсановый конденсатор имеет более широкий спектр гармоник и есть вероятность, что он хуже звучит, чем импортный полипропиленовый. Обычные Кг также приведены в таблицах. Ниже на рисунке показаны конденсаторы исследованных типов.

Конденсаторы керамические К10-17а и КМ-5, лавсановые пленочные К73-16 и К73-17, фторопластовый ФТ1 и полипропиленовые отечественные К78-2, К78-19 и импортный EPCOS. Марку конденсатора, расположенного в центре верхнего ряда я не знаю, скорее всего китайский. Есть подозрение, что это пленочный конденсатор. На самом деле темно-зеленого цвета, его будем называть Азиатским. На спектрограммах красный спектр - ток конденсатора, синий - выход звуковой карты.

1. Исследование спектрограммы тока керамического конденсатора К10-17а

Измеренные значения таковы: Кг = 0,83% , К'г = 2,2%. Страшно? Есть такое. Эти конденсаторы могут нравиться за хороший ТКЕ (температурный коэффициент емкости). Искажениями при этом лучше не интересоваться. А если глянуть, то станет ясно, всё очень плохо. Причем спектр гармоник очень широкий. Вывод: не использовать для звука.

2. Исследование спектрограммы тока керамического конденсатора КМ-5 [тип К10-73]

Измеренные значения таковы: Кг = 2,1% , К'г = 6,1%. Это вообще какой-то кошмар. Было подозрение, что это плохие конденсаторы, предполагал, что их искажения такие большие и могут быть даже с полпроцента. Но оказалось, что все намного-намного хуже. А если учесть, что их емкость очень сильно зависит от температуры, то результат очевиден. Обратите внимание - подключение этого конденсатора на выход звуковухи сразу создает ей целую кучу гармоник. Т.е. и выходное напряжение искажается из-за этого конденсатора. Вывод: держать такие конденсаторы подальше от звуковых схем. Не следует рекомендовать их и в цепях питания звуковых устройств.

 Есть примечание. В разных совдеп-конденсаторах используется совершенно разная керамика. Если емкость маленькая, то керамика может быть довольно качественная, с хорошей линейностью и температурной стабильностью. Когда же нужно получить высокую емкость при малых габаритах, то нередко используют керамику плохого качества - и линейность очень плохая, и термостабильности никакой .При нагреве на 20 градусов емкость может измениться в 2...3 раза. И еще и сегнетоэлектрический эффект может присутствовать - конденсатор работает и как пьезо-динамик и как пьезо-микрофон. Причем производитель не сообщает, в каком именно конденсаторе какая керамика. Желательно бы указывать типы керамики и типы диэлектрика. Тогда было бы понятнее - у конденсаторов этого типа емкость небольшая, зато стабильность и линейность хорошие, а у конденсаторов другого типа емкость высокая, но за счет качества. Почему, например конденсаторы К10-7а казались хорошими? У них большой корпус по сравнению с КМ-5 и хороший ТКЕ. Поэтому можно подумать, что этот большой корпус заполнен большим количеством качественной керамики. Но оказалось, что там керамика хоть и получше, чем у КМ-5, но, всё же, очень мала. Пример поломатых конденсаторов (каждый из них 0,1 мкФ) показан ниже.

Душераздирающее зрелище, в таком большом корпусе такой маленький кристалл. Теперь понятно, почему линей-ность плохая, стенки у корпуса толстые, а конденсатора внутри мало. А вот предположение, что больший по раз-мерам конденсатор (при той же ёмкости) может иметь более высокое рабочее напряжение, вполне разумно. Кри-сталл там побольше, вероятно из-за большей толщины диэлектрика.

3. Исследование спектрограммы тока пленочного конденсатора К73-16 (лавсан)

Измеренные значения таковы: Кг = 0,0017% , К'г = 0,0091%. Даже по картинке видно, что это совсем другое дело. Если бы не было «хвоста» из гармоник довольно высокого порядка, то результат оказался бы вовсе превосходным. Вывод: Использовать К73-16 для звука можно.

4. Исследование спектрограммы тока плёночного конденсатора К73-17 (лавсан)

Измеренные значения таковы: Кг = 0,0019% , К'г = 0,0074%. Есть интересная особенность. Обычный Кг у него выше, чем у предыдущего, а нормированный - меньше. Видимо это потому, что 3-я, 4-я и 5-я гармоники у него чуть-чуть выше, а зато 11-й нет совсем. Да и "нехорошие" 8-я и 9-я заметно меньше. Вывод: вполне вероятно, что конденсаторы "народного" типа чуть лучше, чем К73-16. И это несмотря на то, что конденсатор К73-16 военный (5-й приемки). Но может это случайность - разница ведь небольшая...

 5. Исследование спектрограммы тока фторопластового конденсатора ФТ-1

Измеренные значения таковы: Кг = 0,0023% , К'г = 0,0098%. Хороший конденсатор. У фторопласта есть ряд преимуществ (например, повышенная пропускаемая реактивная мощность на высокой частоте), но они максимально раскрываются в других местах, например при сравнительно больших токах в фильтрах акустических систем. Вывод: ФТ-1 приемлемый для звука тип конденсаторов.

6. Исследование спектрограммы тока плёночного конденсатора К78-2 (полипропилен)

Измеренные значения таковы: Кг = 0,0022% , К'г = 0,0064%. Получено пониженное значение нормированного коэффициента гармоник. По обычному Кг полипропилен несколько проигрывает конденсатору К73-16, но, сравнив спектры, можно понять, что использовать для оценки линейности именно нормированный коэффициент К'г – более корректно. Недостатком можно считать наличие 5-й гармоники, а более высоких нет. Вывод: очень линейный конденсатор, рекомендуется применять его в звуке.

7. Исследование спектрограммы тока плёночного конденсатора К78-19 (полипропилен) 

Измеренные значения таковы: Кг = 0,0015% , К'г = 0,0049%. Та же картина, только немного лучше. Вывод: исследован самый линейный конденсатор в обзоре, в звуке использовать рекомендуется.

8. Исследование спектрограммы тока плёночного конденсатора EPCOS (полипропилен)

Измеренные значения таковы: Кг = 0,0017% , К'г = 0,0053%. Примечательно, что совдеп оказался даже лучше. Однако это установлено на пределе точности и на одной частоте. Откуда вылезла 11-я гармоника напряжения, и почему нет, соответствующей ей 11-й гармоники тока не ясно. Измерено несколько раз, в разных условиях - результат тот же. Вывод: не напрасно за EPCOS берут столько денег. Но хорошо бы внимательнее приглядеться в отечественному типу конденсаторов К78-19. Похоже, что он не уступает буржуйскому, а значительно дешевле.

9. Исследование спектрограммы тока плёночного конденсатора Азиат.

Измеренные значения таковы: Кг = 0,0025% , К'г = 0,024%. В принципе неплохой, если бы не непонятно откуда взявшиеся "отдельно стоящие" 12-я, 14-я и 17-я гармоники. Хоть и маленькие, а есть. Их тут же уловил чуткий к таким безобразиям К'г, который сразу вырос из-за них в 10 раз. Вывод: конденсатор можно использовать для питания и для неответственных цепей. Например, в той же мультимедийной акустике (в усилителе).

10. Исследование спектрограммы тока импортного конденсатора типа CL21, позиционируемого как аналога для К73-17.

Выигрыш импортного аналога по сравнению с конденсаторами К73-17 в меньших габаритах. Напряжения от 100 вольт и выше.

Измеренные значения таковы: Кг = 0,0027% , К'г = 0,012%. Линейность похуже, чем у К73-16 и К73-17. Скорее всего, это расплата за меньшие габариты. Но в принципе неплохо. Вывод: конденсаторы CL21 можно использовать в звуке, но совдеп К73-17 лучше. Зато в цепях питания эти конденсаторы получаются выгоднее - при напряжениях выше 50 вольт К73-17 на 63 вольта уже использовать не стоит. А эти запросто пойдут и по габаритам будут меньше, значит на то же самое место можно поставить конденсатор большеё емкости.

Ниже показан простейший рейтинг конденсаторов по местам. Учитывая, что использовано два оценочных коэффициента, таблица результатов тоже двойная. 

Любопытно, что в правой половине все первые места заняли полипропиленовые конденсаторы, которые и по субъективным оценкам всегда ставят на первое место. Значит ли это, что нормированный коэффициент гармоник К'г ближе к субъективным ощущениям? Выводы делайте самостоятельно.

Ниже рассмотрены результаты экспериментального исследования «аудиофильских» конденсаторов. Это довольно непростое дело - ведь некоторые считают, что самые лучшие конденсаторы это "Телефункен", добываемые из приемников, выпущеных в Германии в период с 1934 по 1944 года (т.е. при Гитлере бесноватом). Некоторые считают, что конденсаторы нужно мотать самому из серебряной фольги и "правильного" диэлектрика 13-го числа в новолуние, повернувшись лицом на юг. К сожалению, ни первых, ни вторых конденсаторов в распоряжении экспериментатора не оказалось. Поэтому имеем всего трёх претендентов:

Металлобумажные конденсаторы К42У-2 и их устаревший (зато хорошо "прогретый" за 30 лет) вариант МБМ. Считается, что бумага - очень хорошо "звучащий" диэлектрик, т.к. она изготовлена из живых существ и "откликается" на красивую музыку. Как откликается на музыку соседская собака - многие хорошо знают, а вот как откликается бумага – понять затруднительно. Тем не менее, считается, что бумажные конденсаторы для усилителей - это кошерно.

Полистирольные конденсаторы К71-7. Полистирол - очень удачный диэлектрик с хорошими свойствами. Большой плюс этих конденсаторов - низкий разброс емкости. Частенько он составляет всего лишь 0,5%. У металлобумажных соседей разброс емкости может достигать 10%, что намного хуже. Такие конденсаторы хорошо применять в генераторах и точных (сложных) фильтрах. Недостаток - большие габариты. Зато и качество конденсаторов - на высоте (результаты измерений это еще раз подтверждают).

 При измерениях такого рода (практически на пределе точности измерительной системы) встает вопрос повторяемости результатов. Не секрет, что по истечении двух месяцев что-то в (домашних) условиях измерений могло произойти. И действительно изменилось. Повторение некоторых из прошлых опытов дало немного другие значения. Но отличие не велико, в третьей значащей цифре, так что новые результаты легко сравнимы с предыдущими. Поэтому если результаты для «аудиофильских» конденсаторов получились хуже - то это так и есть, измерения тут не при чём. В доказательство привожу результат сравнения конденсатора типа К73-16, исследованного в прошлом тесте и К42У-2 - нового участника. Эти измерения выполнены практически одновременно (с интервалом в 5 минут на перепайку конденсаторов и собственно измерение) и в абсолютно одинаковых условиях. На картинке видно разницу:

Тот же самый график, только рафинированный, показан ниже.

Можно предположить, что по линейности бумага похуже, чем лавсан.

1. Исследование спектрограммы тока металлобумажного конденсатора типа К42У-2

Измеренные значения таковы: Кг = 0.0023% , К'г = 0.0078%. Не очень плохо, но и не очень хорошо. Может где-то очень глубоко у конденсаторов типа К42У-2 есть своя изюминка, но по приборам её не видно. Вывод: разочарование «аудиофила» - ничего особенного и интересного не установлено.

2. Исследование спектрограммы тока металлобумажного конденсатора типа МБМ

Измеренные значения таковы: Кг = 0.0014% , К'г = 0.0067%. Несмотря на то, что спектр гармоник несколько шире, их амплитуда меньше, поэтому престарелый конденсатор оценен получше нового. Напоминаю, что исследовано по одному конденсатору каждого типа. А значит, экспериментатор не застрахован от неудачных экземпляров. Может это получилось потому, что за 30 лет "прогрева" токи полей Теслы через конденсатор были только в "правильном" направлении? Вывод: повторное разочарование «аудиофилов» конденсатор ничуть не лучше обыкновенного.

3. Исследование спектрограммы тока полистирольного конденсатора типа К71-7

Измеренные значения таковы: Кг = 0.0016% , К'г = 0.0061%. Совсем неплохо, и даже очень хорошо. Коэффициент гармоник Кг сформирован преимущественно третьей гармоникой. Спектр гармоник узкий, хвоста нету, что свидетельствует о хорошей линейности. Вывод: получено подтверждение очень хорошего качества при предельной точности номинала.

Рейтинг (обобщение). Виду явного преимущества полистирольного конденсатора среди «аудиофильских», сразу показана общая таблица результатов, включающая результаты предыдущего исследования.

Выводы по представленным сведениям по-прежнему предстоит делать читателям, информация к размышлению здесь безусловно есть.

А теперь продолжение тематики, но уже про керамические конденсаторы, самые "противные" из всех. Про них заранее ничего неизвестно - ведь конденсаторы одного и того же типа могут быть изготовлены из разной керамики с совершенно различными свойствами. Существует "закон рычага мироздания": выигрывая в одном, обычно проигрываешь в чём-то другом. В керамических конденсаторах выигрывая в размерах, проигрывают в термостабильности и линейности, т.к. в качестве диэлектрика используют сегнетокерамику. Причем по техническим условиям нормируется только ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости), а вот линейность похоже никого не интересует. Распространено мнение, что термостабильные конденсаторы линейны, а вот нетермостабильные, - не очень. Судя по показаниям приборов это мнение очень легко может оказаться на помойке.

Есть промежуточные результаты, которые показывают, что и термостабильные керамические конденсаторы могут быть весьма и весьма нелинейными. Исследованию подлежит горсть керамических конденсаторов. Очень интересна попытка найти связь между линейностью конденсатора и остальными его свойствами. К сожалению, тип конденсаторов продолжает оставаться неизвестным (за исключением К10-17а), поэтому ниже показан их групповой портрет (рядом с каждым - порядковый номер, а конденсаторы одинаковой емкости разных типов имеют двойную нумерацию). Емкости от 750 пФ до 1 мкФ.

Результаты измерений вместе с картинками сведены в общую таблицу. Нужно помнить, что на фото в таблице масштаб не соблюден. Реальные размеры показаны на общем семейном фото.

Значения ТКЕ измерены не для всех конденсаторов, но и этих чисел достаточно для предварительных выводов. Знак "минус" означает, что с ростом температуры емкость уменьшается.

Выводы по керамике

1. Действительно, чем больше емкость конденсатора, заключенная в меньшие габариты, тем хуже линейность. Ниже на картинке показаны зависимости уровня искажений от емкости для конденсаторов К10-17а, имеющих корпуса практически одинаковых размеров:

2. Конденсаторы небольшой емкости (менее 5 нФ) имеют хорошую линейность. Причем их искажения (в пределах погрешности измерений) от емкости не зависят. Может быть там использован другой диэлектрик?

3. Конденсаторы в больших корпусах более линейны. Сравните 2-3 и 2-5 (именно они показаны в разломанном виде на фото вверху). Объем корпуса, а главное - объем "кристалла" в несколько раз больше, и искажения различаются более чем на порядок.

4. Конденсаторы разных типов имеют очень разные характеристики при одной и той же емкости. Ну это и так понятно, непонятно как нормировать процесс производства и прогнозировать получаемый результат. Зачем вообще выпускают их настолько разными?

5. Весьма любопытно, что же происходит с характеристиками линейности в SMD конденсаторах, которые еще меньше по размерам?

6. Распространённое мнение «чем лучше ТКЕ, тем лучше линейность» в общем случае подтверждается, но не вполне однозначно. Где-то так, а где-то и наоборот. По-видимому, многое зависит от свойств диэлектрика, причем если ТКЕ нормируется производителями и ТУ, то линейность - нет. Но чтобы хорошенько разобраться в вопросе, нужно провести много экспериментов с конденсаторами разных групп ТКЕ, а это пока не представляется возможным.

7. Качество звучания усилителя с разделительными керамическими конденсаторами большой емкости будет испорчено.

Что же делать? По возможности меньше пользоваться керамическими конденсаторами в тракте сигнала, да и в цепях питания. Плёночные конденсаторы объективно лучше. Если же пользоваться керамикой, то не гнаться за миниатюрностью. С другой стороны, не нужно впадать в крайности и использовать здоровенные высоковольтные конденсаторы, должна быть обоснованная разумность. Огромные конденсаторы могут быть сделаны из специальной керамики, которая может оказаться еще хуже "обыкновенной". Конденсаторы малой емкости (< 2000 пФ) ведут себя пристойно. Но за все их типы ручаться не следует. В целом всё не так плохо, как может показаться  на первый взгляд. Даже с плохими конденсаторами можно иметь дело, приняв меры, чтобы не испортить ими звук.

           Статья неизвестного автора, в моей трансляции, корректуре и редактуре.

           Евгений Бортник, Красноярск, Россия, февраль 2016

Тэги: