Что такое винтажные конденсаторы
Вся правда о конденсаторах: волшебные свойства загадочных баночек
Было ли лучшее время для энтузиастов и любителей Hi-Fi, чем конец 1970-х и начало 1980-х годов? С одной стороны, так много всего происходило с развитием цифрового аудио, а с другой — наблюдался рост субъективизма. Внезапно проигрыватели и усилители стали оценивать не по уровню детонации, выходной мощности и гармоническим искажениям, а по их звучанию! И можно было даже всерьёз говорить о звучании кабелей. В этой новой атмосфере всё, что когда-то считалось само собой разумеющимся в области Hi-Fi, стало кандидатом на переоценку.
Пристальному изучению подверглось и влияние на звук пассивных электронных компонентов — резисторов, индуктивностей и конденсаторов. В особенности, конденсаторов. Знающие люди начали обсуждать такие явления как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и диэлектрическое поглощение.
Сегодня мы нечасто слышим об этой теме, но не потому, что проблема была исчерпана. Скорее всего, разработчики нынче уделяют столь же пристальное внимание используемым пассивным компонентам, как и схемам, в которых они применяются, так что общественный фурор несколько стих.
В простейшем виде конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделённых воздухом (или, ещё лучше, вакуумом) и схематично изображён на рис. 1. Поскольку между пластинами нет проводящего пути, конденсатор блокирует постоянный ток (например, от батареи). При этом конденсатор, напротив, пропускает сигналы переменного тока — как раз такие как звуковые волны.
Рис. 1. Компоненты, из которых состоит конденсатор — две проводящие пластины, разделённые слоем диэлектрика.
Проверенное решение
Мы нечасто сталкиваемся с воздушными конденсаторами, но если вы заглядывали внутрь старого лампового радиоприемника и видели элемент, отвечающий за настройку, который состоит из чередующихся металлических пластин, это как раз воздушный конденсатор переменной ёмкости. В большинстве конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся в аудиотехнике и прочей электронике, в качестве изолирующего материала (диэлектрика), разделяющего пластины, не используется воздух, поскольку он имеет низкую диэлектрическую постоянную (1,0), а это означает, что воздушные конденсаторы большой емкости слишком громоздкие, чтобы быть практичными. По этой причине используются, в основном, твёрдые диэлектрики, с более высокими диэлектрическими свойствами, в том числе из керамики и различных видов пластмасс (например, ПВХ с диэлектрической проницаемостью 4,0). Именно здесь история становится особенно интересной, поскольку для всех этих диэлектриков характерны те или иные компромиссы в плане влияния на звук, в то время как воздух практически идеален.
Простые фильтры
Для начала, узнаем побольше о том, как ведут себя конденсаторы и для чего они используются. Конденсаторы блокируют постоянный ток и пропускают переменный, однако они не пропускают переменный ток с разной частотой одинаково. Это объясняется тем, что конденсаторы обладают реактивным сопротивлением, которое снижается с увеличением частоты (к слову, катушки индуктивности тоже обладают реактивным сопротивлением, которое, наоборот, увеличивается с ростом частоты).
Таким образом, конденсаторы пропускают высокочастотные сигналы легче, чем низкочастотные, что делает их крайне полезными в частотно-селективных цепях (то есть, в фильтрах), а также для устранения нежелательных сигналов (например, гул или шум с шины питания постоянного напряжения).
Простые фильтры верхних и нижних частот показаны на рис.2. В фильтре верхних частот (рис. 2а) последовательно включенный конденсатор подключен к шунтирующему резистору. В фильтре нижних частот (рис. 2b) конденсатор и резистор меняются местами.
Рис. 2. RC-фильтр первого порядка верхних (2a) и нижних (2b) частот.
Итак, конденсаторы зачастую используются для объединения цепей, отделения нежелательного шума в цепях постоянного напряжения и в частотно-селективных цепях (фильтрах). Поскольку конденсаторы накапливают электрический заряд, большие из них также применяются в качестве резервуаров в источниках питания переменного и постоянного тока. На рис. 3 показан типовой источник питания, включающий в себя понижающий трансформатор (он понижает напряжение сети), мостовой выпрямитель (который преобразует переменный ток из трансформатора в импульсный постоянный ток) и пару конденсаторов-резервуаров (сглаживающих пульсации после выпрямления переменного тока).
Рис.3. Принципиальная схема двухполупериодного источника питания, состоящего из понижающего трансформатора, двухполупериодного мостового выпрямителя и двух резервуарных конденсаторов.
Подобные схемы встречаются во многих твердотельных аудиокомпонентах. Аналогичные решения используются и в ламповом оборудовании, но из-за высоких напряжений, требуемых для работы ламп, трансформатор здесь обычно повышает напряжение сети.
Ёмкость резервуарных конденсаторов, используемых в транзисторных усилителях мощности, может достигать 50 000 мкФ и более, тогда как в других случаях в схеме могут использоваться конденсаторы емкостью 1 НФ (одна тысячная микрофарада) или даже меньше. Таким образом, очевидно, что некоторые типы конденсаторов лучше подходят под определённые задачи, чем другие.
Важное уточнение
Как правило, самые большие резервуарные конденсаторы являются электролитическими, ведь они обеспечивают высокую ёмкость в сравнительно небольшом объёме. Такие конденсаторы содержат электролит (жидкость или гель), который химически реагирует с металлической фольгой внутри банки, образуя слой диэлектрика. Подобные электролитические конденсаторы, а также некоторые другие — например, танталовые, называются полярными, а несоблюдение полярности подключения может привести к их выходу из строя.
Другая разновидность — неполярные конденсаторы, которые можно подключать без учёта полярности. Подобные электролиты иногда использовались в пассивных кроссоверах акустических систем, однако такая практика сегодня устарела, поскольку плёночные конденсаторы справляются с этой задачей лучше, хоть и занимают больше места.
Конденсаторы также могут иметь различное расположение выводов — аксиальное (осевое) или радиальное. Преимущество радиальных электролитов заключается в том, что они занимают меньше площади на плате, однако их минус — в том, что они увеличивают её высоту. В больших электролитических конденсаторах обычно отказываются от выводов под пайку — в пользу винтовых клемм.
Что скрывают конденсаторы
Настоящие конденсаторы, как и настоящие политики, ведут себя не идеально, и именно здесь кроется причина их влияния на качество звука. Во-первых, на практике ни один конденсатор не является только ёмкостью — он также имеет индуктивность и сопротивление. На принципиальной схеме конденсатор обычно обозначается одним из символов на рис. 4 (все они визуально отсылают к двум разделенным пластинам), однако в реальности он представляет собой что-то вроде схемы, представленной на рис. 5. Резистор обозначенный на рисунке как ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) может быть не постоянным — сопротивление может зависеть от частоты. В случае с электролитическими конденсаторами, ESR обычно уменьшается с частотой.
Рис. 4. Варианты обозначения конденсаторов на схеме
Одним из последствий того, что у конденсаторов есть индуктивность (ESL или эквивалентная последовательная индуктивность на рис. 6), является то, что они, по сути, являются электрически резонансными. Если проанализировать импеданс конденсатора в зависимости от частоты, он не будет продолжать уменьшаться с ростом частоты. На рис. 6 показано, что импеданс достигает минимума (эквивалентного значению ESR) на резонансной частоте, а затем, по мере увеличения частоты, он снова начинает расти из-за ESL.
Рис. 5. Схематичный эквивалент реального конденсатора демонстрирует паразитное сопротивление (ESR) и индуктивность (ESL) 
Рис. 6. Паразитная индуктивность приводит к тому, что у конденсаторы имеют электрический резонанс, иногда — в пределах слышимого диапазона частот.
У больших электролитических конденсаторов частоты электрического резонанса обычно находятся в пределах звукового диапазона. У небольших конденсаторов частоты электрического резонанса могут превышать 1 МГц. Для увеличения частоты электрического резонанса для заданной емкости следует уменьшить ESL — последовательную индуктивность.
Для достижения этой цели, при разработке электролитических конденсаторов, где такая проблема стоит наиболее остро, применяются различные методы. Например, в конденсаторах DNM T-Network для снижения индуктивности используются специальные Т-образные соединения из фольги — таким образом, их резонансная частота более чем в два раза выше по сравнению со стандартной конструкцией (от 28 кГц до 75 кГц — в примере, который приводит компания DNM на своём веб-сайте).
ESR оказывает потенциально благотворное влияние на демпфирование электрического резонанса конденсатора, однако, в отличие от индуктивности или ёмкости, сопротивление генерирует тепло в то время, когда через конденсатор проходит ток. В больших ёмкостных конденсаторах, где проходящие через них токи велики, этот эффект внутреннего нагрева ограничивает безопасные условия эксплуатации. Тем не менее, электролитические конденсаторы лучше всего работают именно тёплыми.
Микрофонный эффект
Не секрет, что ламповое оборудование чувствительно к вибрации. Внутри вакуумированной стеклянной оболочки лампы находятся тонкие металлические электроды, расстояние между которыми влияет на работу лампы. Таким образом, если встряхнуть лампу достаточно сильно, это отразится на её электрической мощности — эффект, который называют «микрофонным», поскольку лампа в таком случае ведёт себя подобно микрофону.
Твердотельная электроника меньше подвержена этому эффекту, однако приведём в пример некий крайний случай: разработчики первых систем управления двигателем в гоночных автомобилях вскоре научились не прикреплять электронные блоки к двигателю, либо использовать хорошую изоляцию, иначе вибрации от двигателя могли нарушить её работу. Уровни вибрации, которые испытывает Hi-Fi оборудование при повседневном использовании, гораздо ниже, однако некоторые производители, среди которых, например, Naim Audio, по-прежнему прилагают большие усилия, чтобы свести к минимуму вероятное воздействие микрофонного эффекта.
Способность конденсатора накапливать заряд (его ёмкость) пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними, а «пластины» обычно представляют собой тонкую фольгу с тонкими слоями диэлектрика между ними. Это приводит к тому, что конденсаторы подвержены воздействию микрофонного эффекта, поскольку из-за вибрации расстояние между пластинами и, следовательно, значение ёмкости может меняться.
Таким образом, физические свойства материалов, из которых изготовлен конденсатор, могут быть столь же важны, как и электрические параметры. Но что ещё интереснее, вибрация извне не является необходимым условием для того, чтобы конденсаторы страдали от её воздействия, ведь силы, формируемые напряжениями и токами внутри самого конденсатора, также могут вызывать механические резонансы. Из-за этого эффекта можно даже услышать, как некоторые конденсаторы издают звук, когда через них проходит сигнал. В кроссовере акустической системы, где уровни вибраций, напряжения и токи высоки, присутствует «идеальный шторм» факторов, которые делают выбор подходящего конденсатора особенно важной задачей.
Ключевые слова
Проблема микрофонного эффекта и механических резонансов конденсаторов активно обсуждалась на протяжении многих лет, однако исследований по этому вопросу было достаточно мало. Во всяком случае, мало опубликованных исследований. Но те, что существуют, подтверждают мнение, что данный эффект может оказывать заметное влияние качества звучания.
К тому же, в некоторых случаях конденсаторы могут приводить к необычайно высоким уровням гармонических и интермодуляционных искажений. Понимание того, как и почему это происходит, позволяет разработчикам сосредоточить свои усилия на доработке электронной схемы и тщательном выборе электронных компонентов — таким образом, чтобы это принесло наибольшую пользу.
Аудиобубен лейтенанта Шмидта: великая тайна бумажной конденсаторной алхимии
Одним из многочисленных заблуждений, касающихся аудиокомпонентов, является подход к выбору конденсаторов. Так известно, что некоторой частью сообщества аудиофилов высоко котируются определенные виды этих элементов для накопления заряда. Тут необходимо отметить, что использование тех или иных конденсаторов в усилителях и кроссоверах акустических систем действительно может существенно отразиться на верности воспроизведения, но…
Ярые приверженцы “альтернативной конденсаторной теории” стараются доказать, что те или иные виды бумажных конденсаторов (а в ряде случаев, самодельные бумажные конденсаторы) — это априори лучшее, что можно использовать в схеме усилителя или фильтра. Аргументация безапелляционна и проста — “у них более мягкий звук”.
Также в среде слабо знакомых со схемотехникой, но при этом знакомых с “запахом канифольной дымки” по инерции появилась мода на замену всех конденсаторов в усилителях и фильтрах АС для получения “божественного звука”.
Про абсурдность самого по себе “слушания конденсаторов”, равно как выслушивания вешалок-кабелей и теплых ламповых фрактальных додекаэдров я умолчу, дабы не оскорблять чувства верующих. В этом посте сжигаем бумажный миф о конденсаторах, разбираемся с линейностью этих, бесспорно, важных элементов и немного коснемся того когда нужно. а когда не стоит менять конденсаторы.
Ценность промасленной бумаги и волшебство конденсаторных замен
Итак, приступим. Корни мифа, изложенного ниже, к сожалению найти не удалось, но полагаю, что к его созданию приложил усилия достопочтенный господин Лихницкий (прошу учитывать, что многие считают подобные заявления уважаемого инженера очень тонким пранком и троллингом), некогда высоко оценив качество бумажно-масляных конденсаторов немецкой фирмы Telefunken образца 30-х годов (еще АМЛ очень котировал их триоды, как самые “теплые” и “одухотворенные”).
Утверждается, что в силу технических (физических), а в ряде источников метафизических особенностей, различные типы бумажных конденсаторов обладают огромной ценностью при формировании “качественного звука», так как более линейны по сравнению с другими типами. Пересказ всех мифов о причинах “более высокой” линейности займет не одну статью, и я позволю себе этим не утруждаться.
В метафизических объяснениях влияния этих конденсаторов на звук приводятся аргументы в пользу благородности бумаги, как материала для использовании в создании звукового тракта. Но все описанные выше аргументы применяются сравнительно редко, даже метафизические. Основной посыл в опусах поднаторевших в ”златоухом слушании” сторонников промасленной бумаги и фольги сводится к тому, что звук с такими конденсаторами становится “мягче”, “натуральнее” и “честнее”.
Коснусь ещё одного конденсаторного мифа. При покупке винтажной аудиотехники или с целью улучшения звука в бюджетном усилителе или АС нередко рекомендуют замену всех конденсаторов устройства. В первом случае замена может быть вполне объективно оправдана высохшими и раздутыми электролитами. Второй случай представляет менее приглядную картину.
Аудиоманьяки с паяльниками особенно часто проводят “трансплантацию” конденсаторов выпрямителей, отвечающих за питание выходных каскадов УМЗЧ. При этом любители исследования “глубин низкочастотного диапазона” стараются до предела увеличить номинал емкости. Аргументация также есть:
“Хочу больше низа, усилитель не может раскрыть НЧ-потенциал моей АС. Ща поставлю нормальную емкость и НЧ станут более насыщенными”.
Пепел бумажной тайны
Едва ли эта статья заставит истинных приверженцев бумажной конденсаторной теории каким-то образом отойти от своих взглядов, но по крайней мере заставит задуматься тех, кто гипотетически может поверить в этот бред.
Часть любителей “божественного” звука говорят о линейности конденсаторов. При этом в их стандартных характеристиках нет такого понятия как “линейность”. Конденсаторы характеризуются емкостью, удельной емкостью, номинальным напряжением, плотностью энергии.
Выделяют также паразитные параметры:
Итак, мифотворцами утверждается, что бумажные конденсаторы более линейный элемент и, соответственно, его имеет смысл применять вместо керамических, пленочных, электролитических и пр. Я не первый, кто задался вопросом о правильности этих выводов о линейности. Так на форуме electroclub.info один из участников сообщества (в далёком 2008-м году) провёл несколько тестов, сравнив типы конденсаторов на предмет коэффициента гармонических искажений, которые они могут вносить.
Несмотря на некоторые неточности в методике измерений, о которых автор предупредил, его тесты демонстрируют вполне реалистичную картину. Если резюмировать: металлобумажный К42У-2 ( Кг = 0.0023%, К’г = 0.0078%) оказался значительно линейнее керамических, но уступил плёночным. Учитывая, что в сравнении пленочных конденсаторов с бумажными линейность отличалась на тысячные доли % Кг, можно смело говорить о том, что разница в их линейности находится в пределах величин, которыми можно пренебречь. Кроме того, тот же автор утверждает (на основании проведенного теста), что линейность конденсатора в большей степени зависит от емкости, нежели от использованного типа. А проблема линейности у “керамики” возникает в связи с использованием небольшого объема для большой ёмкости и не является обязательной для всех керамических конденсаторов.
Можно сделать грубый и не бесспорный вывод, что металлобумажные конденсаторы (в идеальных равных условиях), вероятно, более линейный элемент, нежели керамические, но при этом не превосходят по линейности пленочные и другие типы.
Иными словами нет прямой зависимости между искажениями которые способен внести конденсатор и его типом. Более того, в большинстве современных конденсаторов искажения настолько малы, что их величинами можно смело пренебрегать, особенно если речь идёт о создании бюджетной аппаратуры.
Кроме того, бумажные конденсаторы обладают рядом недостатков, благодаря которым были практически вытеснены с рынка другими типами. Эти недостатки способны отражаться, как на звуке (особенно в случаях с разделительными — межкаскадными элементами), так и в принципе на стабильность работы усилителя или фильтра. Так например, для бумажных конденсаторов свойственна высокая гигроскопичность, что в свою очередь приводит к повышению диэлектрических потерь, снижению сопротивления изоляции, пагубно отражается на термостабильности *(по ряду источников линейность зависит в т.ч. от термостабильности).
Описанных недостатков и наличие альтернатив в виде различных типов пленочных конденсаторов вполне достаточно для того, чтобы забыть о всех типах «бумаги» навсегда. Иными словами, так любимые некоторыми металлобумажные, бумаго-масляные и прочие архаичные конденсаторы действительно обладают достаточно низкой нелинейностью, пока не впитают некоторого количества влаги.
Об изменении характера звучания спорить бессмысленно, так как спор будет происходить с людьми из категории “вы ничего не понимаете — я это слышу”. На заявление о “мягкости” в звучании бумажных конденсаторов на одном из радиолюбительских форумов был дан один превосходный ироничный ответ:
“Конечно! Ведь бумага очень мягкий диэлектрик))”
Полагаю это лучший ответ.
Менять не всё или не менять вообще
Необходимость в замене конденсаторов при покупке аудио винтажа действительно имеет смысл, особенно это касается электролитов. Однако менять все, по меньшей мере финансово нерационально (бесспорно следует учитывать возраст аппарата, возможно и все, но не факт). Более того, делать это надо точно понимая, что и где менять. Если такого понимания нет — следует обращаться к специалистам, которые могут определить высохшие и вздутые электролиты, наличие пробоя и т.п. Если аппарат работает без сбоев и нет нареканий на звук ничего не нужно.
Относительно изменения характера звучания путем внедрения “инноваций” в схемотехнику серийного устройства следует сказать отдельно. Например, при повышении емкости конденсаторов питания выходного каскада в погоне за “глубоким низом”, как правило, забывают о растущем токе заряда. Такая беспечность приводит к скоропостижной смерти диодных мостов в результате пробоя. Любые изменения в серийной схемотехнике — риск, и реально её улучшить может человек, который скорее спаяет собственный усилитель.
Фильтры АС также часто страдают от трансплантационных надругательств, что в случае несоответствия параметров конденсатора конструкции фильтра приводит к плачевным результатам. Умные люди рекомендуют, если менять, то весь фильтр (с катушкой, резисторами и т.п.), рассчитывая новый под параметры АС.
Из всего изложенного выше можно сделать несколько простых и полезных выводов. Распространение мифа о бумажных конденсаторах выгодно лишь немногочисленным компаниям, которые используют их в аудиокомпонентах или сами производят бумажные конденсаторы. Фактически это эксплуатация невежества потенциальной целевой аудитории и навязывание заведомо устаревшей и фактически не нужной технологии.
Замена конденсаторов в старой аппаратуре может стать полезной профилактической мерой, но только в том случае, если выполняется человеком, который понимает, что менять, а что нет. Игры с ёмкостью и типами конденсаторов в фильтрах и усилителях серийного производства с высокой вероятностью приведут вместо “божественного звука” к внушительным вложениям в ремонт.
Выбор плёночных конденсаторов для применения в Hi-Fi- и High-End-аудиотехнике. Часть 1. Устройство, свойства и параметры
Сохранить и прочитать потом —
На фоне растущих потребностей энтузиастов качественного аудио Hi-Fi-/High-End-производители постоянно прилагают усилия по улучшению качества звучания своих продуктов. Применяемые пассивные радиотехнические комплектующие, в том числе конденсаторы, стоят в стороне от наиболее интересных активных компонентов, но их влияние на конечный результат огромно. Только наилучшие элементы могут использоваться в аудиотехнике класса High End.
Обзоры в журналах, посвящённых Hi-Fi-/High-End-аудио, сконцентрированы вокруг готовых компонентов домашних аудиосистем, при этом часто не уделяется никакого внимания тому, где и какие используются в них конденсаторы, какими свойствами они обладают, какие параметры нужно учитывать и как они влияют на звук. В этой статье мы разберёмся в устройстве этих элементов, их технических характеристиках и в том, как они могут повлиять на звук.
Свое внимание мы сконцентрируем на плёночных конденсаторах различных видов с тем, чтобы понять, почему именно они предпочтительны для использования в High-End-компонентах.
Как ни странно, но даже в мире, опирающемся на физику как науку и современные технологии, топовые аудиосистемы – как законченные решения, так и их отдельные модули – часто изготавливаются с применением электронных и радиотехнических комплектующих, которые должны при упоминании их торговых марок вызывать у конечных потребителей град положительных эмоций. В особых случаях разработчики используют продукты известных брендов, при этом даже не вдаваясь с пристрастием в их технические характеристики. Высококлассный продукт может быть действительно таковым, если все его составляющие оптимально подобраны по параметрам, а не по громким названиям их брендов и серий.
В аудиотрактах каждого компонента, начиная с CD/DVD-транспорта, внешнего ЦАП, предусилителя и усилителя мощности и до кроссоверов АС в самом конце, используется множество конденсаторов различных типов, ёмкостей и номинальных напряжений. В подавляющем большинстве случаев от них напрямую зависит качество звука, так как эти элементы находятся в аналоговых сигнальных цепях.
Назначение конденсаторов можно разбить на три базовые группы:
Оптимальный выбор конденсаторов для этих целей определённо может привести к улучшению конечного результата или, по меньшей мере, минимизировать вносимые потери. Те, что функционируют в сигнальных цепях, естественно, в значительно большей степени влияют на аудиосигнал. Последовательные реальные улучшения в звуке могут быть достигнуты только путем замены всех недостаточно качественных по параметрам комплектующих данного типа.
Ещё один надежный путь к хорошему результату – использование качественных функциональных конденсаторов в таких местах, где неверный выбор может привести к искажениям сигнала в CD/DVD-транспортах, ЦАП, предусилителях. Конденсаторы в силовых цепях (например, для сглаживания пульсаций или поддержки уровня напряжения) оказывают меньшее влияние на звучание при условии, что они имеют как можно большую ёмкость. Однако их качеством тоже нельзя ни в коем случае пренебрегать в устройствах High-End-класса.
Плёночные конденсаторы – оптимальное решение!
Плёночные конденсаторы для большинства сигнальных цепей являются самым лучшим выбором по критерию цена/качество и уступают пальму первенства в некоторых приложениях только фольговым (рис. 1), исторически бывшим их предшественниками.
Рис.1. Фольговый конденсатор, разработанный специально для кроссоверов АС High-End-класса.
По запасаемой энергии в единице объёма фольговые и плёночные конденсаторы уступают только электролитическим, ёмкость которых доходит до единиц фарад. По совокупности технических параметров плёночные конденсаторы являются наиболее подходящими для использования в аудиотехнике и только в специализированных применениях, например, в кроссоверах (фильтры для раздела полос в АС), немного уступают фольговым аналогам, при этом имея значительно меньшие массу, размеры и в десятки раз более низкую стоимость. Плёночные конденсаторы можно разделить по типу диэлектрика на четыре группы:
