Навигация по сайту Моя кладовка

Массив конденсаторов – мифы и реальность

 

Победит ли тысяча зайцев одного льва?
Детская загадка.

 

 

 

Время от времени в интернете начинаются разговоры о том, что электролитические конденсаторы большой емкости, применяемые в фильтрах питания, имеют плохие высокочастотные свойства, и их нужно заменять массивом конденсаторов меньшей емкости. Например, вместо одного конденсатора емкостью 10000 мкФ устанавливать 20 конденсаторов емкостью 500 мкФ. Вот так:


Рис. 1. Массив конденсаторов, вроде бы эквивалентный одному конденсатору большой емкости.

Давайте разберемся, насколько это верно.

Для начала определимся с частотными свойствами конденсаторов. Я недавно проводил исследования на эту тему (но статью про это еще не написал – ждите), поэтому у меня есть результаты и есть что показать. Я не буду здесь описывать методы моих измерений, все будет в статье про конденсаторы. Скажу только, что все измерялось правильно и точно – я хорошо знаю теорию измерений и имею не только огромный опыт в разных электронных измерениях, но и хорошие измерительные приборы.
Главной характеристикой конденсаторов является их емкостное сопротивление Хс на определенной частоте. Причем известно, что с ростом частоты оно падает:

В идеальном конденсаторе сопротивление падает до сколь угодно малого значения, а вот в реальном конденсаторе минимальное значение сопротивления ограничено: там есть и активное сопротивление (ESR), и даже индуктивность, которая с ростом частоты влияет все больше (так как индуктивное сопротивление с ростом частоты растет). На рис. 2 показана АЧХ модуля полного сопротивления |Z| конденсаторов маленькой и большой емкости.


Рис. 2. АЧХ модуля полного сопротивления конденсаторов.

Действительно, у конденсатора 10000 мкФ на низких частотах сопротивление уменьшается с частотой линейно, в районе 5 кГц это уменьшение сильно снижается, на частотах 7…20 кГц линия горизонтальна (то есть это уже не емкость, а активное сопротивление), а выше начинает подниматься. Сопротивление растет, а это признак индуктивности. А у конденсатора емкостью 220 мкФ чем выше частота, тем сопротивление меньше, хоть скорость спада на высоких частотах и невелика.

Более наглядно это видно на рис. 3, где показаны эти же АЧХ, но нормированные к своим значениям на частоте 100 Гц. То есть, график показывает, как изменяется сопротивление конденсатора по сравнению с его сопротивлением на частоте 100 Гц. Видите: у конденсатора большой емкости выше 20 кГц сопротивление заметно растет, а у конденсатора 220 мкФ продолжает снижаться. Да и спад скорости снижения у малоемкостного конденсатора происходит выше, где-то около 7 кГц против 700 Гц у конденсатора большой емкости.


Рис. 3. АЧХ модуля полного сопротивления конденсаторов, нормированные к частоте 100 Гц.

Но наиболее наглядные результаты, кроме того, позволяющие лучше оценить ситуацию, дает фазовая характеристика. В теории конденсатор вносит в цепь сдвиг фаз -90 градусов. Но это в идеале. Когда работа конденсатора ухудшается сдвиг фаз уменьшается. Когда емкостное сопротивление достигает активного, равного ESR, сдвиг фаз равен -45 градусов. Сдвиг фаз, равный нулю означает, что конденсатор проявляет себя уже не емкостью, а простым активным сопротивлением. Положительный сдвиг фаз – это индуктивность. В этом случае индуктивное сопротивление всех частей конденсатора превышает емкостное, и конденсатор на самом деле ведет себя как катушка. Если говорить о фильтре питания, то в таком режиме работы конденсатор не запасает энергии так, как надо и как надо ее не отдает. В общем, не работает конденсатором.

Давайте посмотрим на фазочастотную характеристику наших конденсаторов (рис. 4). Конденсатор большой емкости работает конденсатором примерно до частоты примерно 1,5 кГц (условной границей работоспособности можно считать угол -45 градусов, где емкостное сопротивление конденсатора становится равно активному). На частоте примерно 10 кГц мы имеем активное сопротивление, а не конденсатор, а еще выше – уже индуктивность. Конденсатор 220 мкФ уверенно работает до частоты 3 кГц, а плохонько аж почти до 100 кГц. Работает плохо, но все же конденсатором. В катушку он не превращается, поэтому даже на частое 20 кГц от него есть пусть и небольшая, но конденсаторная польза.


Рис. 4. Фазочастотные характеристики конденсаторов большой и маленькой емкости.

Итак, с этой стороны все правильно – у конденсаторов небольшой емкости частотные характеристики лучше, чем у конденсаторов большой емкости. Правда ненамного. И это важно, потому как из высказываний в интернете и в аудиожурналах иногда можно сделать вывод, что маленькие конденсаторы в 1000 раз лучше больших.

И еще один очень важный момент. Посмотрите на рис. 2. На частоте 10 кГц сопротивление конденсатора большой емкости в 20 раз меньше, чем у конденсатора маленькой емкости. Поэтому, несмотря на ухудшение работы, большой конденсатор все равно фильтрует пульсации в 20 раз лучше, чем маленький.

Теперь рассмотрим массив конденсаторов (рис. 1). Вместо одного конденсатора емкостью 10000 мкФ мы ставим 20 конденсаторов емкостью 500 мкФ. Вроде как адекватная замена, только вместо низкочастотного конденсатора большой емкости будут работать более высокочастотные маленькие конденсаторы. Но это так кажется только на первый взгляд и существует только на бумаге (это как раз тот случай, когда «теория» не подтверждается практикой). Дело в том, что верхний и нижний проводники, соединяющие все конденсаторы вместе, не идеальны. Каждый из проводов обладает своим активным сопротивлением и индуктивностью. Так что правильная схема будет такой, как на рис. 5.


Рис. 5. Реальная схема массива конденсаторов.

Да, величины сопротивлений и индуктивностей весьма малы. Так может быть можно ими пренебречь? Существует как минимум два факта, не позволяющих вот так сразу отказаться от влияния сопротивлений и индуктивностей монтажа.

  1. Индуктивности и сопротивления на самом деле малы, и влияют совсем чуть-чуть. Но ведь и маленькие конденсаторы лучше большого тоже чуть-чуть! И кто из этих «чуть-чутей» перетянет? Если бы маленькие конденсаторы были лучше большого намного, то небольшое влияние сопротивлений и индуктивностей можно было бы отбросить. А так нет. Все примерно одинаково: насколько лучше маленькие конденсаторы, примерно настолько же влияют сопротивления и индуктивности.
  2. Самый правый по схеме конденсатор №20 включен через 20 паразитных RL цепочек. То есть на работе этого последнего конденсатора индуктивности и сопротивления сказываются в 20 раз сильнее. На работу предпоследнего конденсатора индуктивности и сопротивления влияют в 19 раз сильнее. На работу пред-предпоследнего конденсатора – в 18 раз сильнее. Так что даже если эти самые паразитные сопротивления и индуктивности сами по себе и малы, и могут быть отброшены, то можно ли отбросить их влияние, кода оно сильнее в 20 раз? А ведь начиная с десятого конденсатора, т.е. для половины (!) всего массива влияние этих паразитных сопротивлений и индуктивностей сильнее в 10 и более раз! Поэтому надо смотреть не на величину отдельного сопротивления или индуктивности, а на их величину, увеличенную в 10 раз!

Так что ответить на вопрос, что победит: улучшенные частотные свойства конденсаторов малой емкости или паразитные сопротивления и индуктивности монтажа можно только экспериментально (ответ на этот вопрос давно существует – посмотрите на применение массивов конденсаторов в промышленной аппаратуре). Ну что ж, сделаем такой эксперимент.

Я взял 64 конденсатора Samwha (это коммерческое название новых конденсаторов Samsung) SD 220 мкФ 50 В и собрал их в массив. Для того чтобы максимально уменьшить паразитные сопротивления и индуктивности, я соединил конденсаторы не цепочкой, а «гребенкой» (рис. 6) с максимально широкими проводниками.


Рис. 6. Монтажная схема массива конденсаторов.

Получилось довольно симпатично, хотя плату немного «повело» (рис. 7 и рис. 8).


Рис. 7. Массив конденсаторов, вид сверху.


Рис. 8. Массив конденсаторов, вид снизу.

Немного позже, когда я проделал все нужные измерения, я решил улучшить ситуацию – снизить сопротивление и индуктивность монтажа. Для этого я поверх дорожек припаял медный провод сечением 2,5 мм2. Дополнительные проводники уложены на дорожки и припаяны к ним во многих местах – к выводам конденсаторов (к собирающим дорожкам дополнительные проводники припаяны целиком). Сопротивление меди (дорожки + провод) должно при этом заметно уменьшиться. Снижение индуктивности не настолько кардинальное – раза в два если снизилась, то хорошо – слишком близко к дорожкам идут новые провода, чтобы заметно снизить индуктивность. Получилось не очень красивое изделие (плата на рис. 9 не отмыта от флюса), но что не сделаешь ради звука! Эта плата тоже прошла все измерения. Для того, чтобы отличать ее от «недоработанной», я буду называть ее «массив с R=min», или «улучшенный массив», так как сопротивление проводников уменьшилось очень существенно.


Рис. 9. Массив конденсаторов с дополнительно напаянными проводами.

Ну а теперь – результаты измерений обоих версий массива.

Добавим на уже проведенные измерения оба наших массива конденсаторов (рис. 10 – рис. 11). Сначала рассмотрим, что же изменилось, кода мы объединили конденсаторы в массив.


Рис. 10. АЧХ модуля полного сопротивления конденсаторов и массива.


Рис. 11. АЧХ модуля полного сопротивления конденсаторов и массива, нормированные к частоте 100 Гц.

Сравните на рисунке 10 красную линию с черной. Красная (массив) идет ниже черной. Это понятно, много конденсаторов имеют меньшее сопротивление, чем один. Но вот черная линия все время снижается, а красная выше частоты 10 кГц начинает расти! Особенно это хорошо видно на нормированных графиках рис. 11. При нормировании устраняются «собственные» свойства конденсатора. Если бы не было индуктивности и сопротивления монтажа, красная линия совпадала бы с черной: все то же самое, но в 64 раза меньше. Однако сопротивление и индуктивность монтажа внесли свой вклад, и весьма заметный (вся разница между красной и черной линиями на рис. 11 это влияние монтажа) – уменьшение модуля полного сопротивления массива тормозится на частоте 700 Гц. То есть уже на этой частоте свойства массива ухудшаются по сравнению с одиночным конденсатором. На частоте 10 кГц (рис. 11) реальный массив имеет сопротивление почти в 10 раз выше, чем мог бы быть, если бы не было сопротивления и индуктивности монтажа. Вот вам и ответ на вопрос, нужно ли учитывать монтаж. Вот вам и иллюстрация того, что не все, что хорошо на бумаге, работает в реальности.

Интересно ведет себя «улучшенный» массив (рис. 11). Сравните красные сплошную и пунктирную линии. Уже начиная с частоты 500 Гц «улучшенный» массив начинает показывать лучшие значения, и на частоте порядка 5 кГц имеет раза в 3 меньшее сопротивление, чем «просто массив». Его работа совпадает с работой одиночного маленького конденсатора до частоты 3 кГц (по сравнению с 700 Гц «обычного» массива). На более высоких частотах его работа ухудшается, но все равно он остается лучше.

Выводы по массиву и его улучшению:

1. Подпайкой дополнительных проводов удалось уменьшить индуктивность и активное сопротивление монтажа.

2. Активное сопротивление уменьшилось значительно, это видно по разнице красных линий на частоте 5 кГц.

3. Индуктивность уменьшилась, но не сильно: на частоте 100 кГц, где во всю рулит индуктивность, сопротивление «улучшенного» массива лишь ненамного меньше «обычного».

4. На «улучшенный» массив сильно влияет индуктивность. Посмотрите на рис. 11 – пунктирный график очень похож на АЧХ колебательного контура, как ее рисуют в учебниках. Левая спадающая ветвь – емкостная составляющая, правая растущая – индуктивная (так и есть это – колебательный контур и минимум сопротивления – это резонанс конденсатора).

5. На частотах примерно до 3 кГц на "обычный" массив заметно влияет активное сопротивление проводников. Как только его снизили, сразу получили совпадение с одиночным конденсатором.

6. А индуктивность монтажа портит нам всю малину. Начиная с примерно 5 кГц вместо снижения сопротивления как у одиночного конденсатора, сопротивление массива, даже «улучшенного» неудержимо растет.

Давайте теперь вспомним, что на графиках есть еще характеристика конденсатора большой емкости. Сравним его с массивом. На низких частотах массив чуть лучше (рис. 10 с «естественными» результатами). Это понятно, у него больше емкость, значит сопротивление меньше. Но на частоте 1 кГц графики уже совпадают, а выше частоты 1 кГц массив работает хуже, чем одиночный конденсатор! «Улучшение» массива приносит пользу и сопротивление «улучшенного» массива меньше, чем у конденсатора большой емкости аж до 20 кГц. Правда потом становится хуже. Насколько это плохо сказать трудно: на частотах выше 20 кГц сигнала очень мало, в основном его гармоники, и некоторое ухудшение их фильтрации наверное не страшно.

Выходит, что «обычный» массив проигрывает конденсатору большой емкости, а «улучшенный» хоть и немного, но побеждает. На самом деле об этом судить еще рано. Мы говорили пока о модуле полного сопротивления конденсатора. Если он меньше, то это конечно лучше, но надо еще проверить, а в конденсаторном ли режиме работает наше устройство? А то может при маленьком сопротивлении конденсатор уже и не конденсатор вовсе? Давайте посмотрим на фазочастотные характеристики (рис. 12).

 


Рис. 12. Фазочастотные характеристики конденсаторов и массива.

Первое, что бросается в глаза: различие красных линий на низких частотах. Значит, даже на таких частотах активное сопротивление монтажа сильно влияет на работу конденсаторов. У «улучшенного» массива сдвиг фаз сохраняется равным -90 градусов вплоть до частоты 500 Гц. Значит вплоть до этой частоты «улучшенный» массив является почти идеальным конденсатором. А вот «обычный» массив разочаровал. Он теряет свои емкостные свойства очень быстро, при этом абсолютно на всех частотах он хуже, чем конденсатор большой емкости! Выходит, что «обычный» массив хуже и по амплитуде, и по фазе. «Улучшенный» массив опережает конденсатор большой емкости до частоты 3 кГц. То есть на низких частотах он лучше и заметно. Но если по сопротивлению он лучше практически до частоты 20 кГц (рис. 10), то оказывается, что свои емкостные свойства он теряет быстрее конденсатора большой емкости. Выше 5 кГц «улучшенный» массив превращается в катушку индуктивности. Поэтому, хоть его модуль сопротивления и меньше, чем у конденсатора большой емкости, как конденсатор он уже на самом деле не работает. И во всем виновата индуктивность монтажа, которую сделать маленькой невозможно.

Выходит, "обычный" массив начисто проиграл большому конденсатору, а "улучшенный" на низких частотах (до 2 кГц) превосходит, а на высоких проигрывает большому конденсатору.

Но это еще не все. Конденсаторы фильтра выполняют три важные функции:

1. Подавляют пульсации выпрямленного напряжения.

2. Подпитывают энергией усилитель, когда в напряжении питания, поступающем из сети, наступает пауза (вот тут важны "конденсаторные" свойства конденсаторов).

3. Пропускают через себя ток нагрузки усилителя.

Вот этой третьей функцией и займемся. Конденсатор фильтра (либо массив конденсаторов) – это элемент блока питания, который подключается к усилителю соответствующим кабелем (рис. 13). Ток нагрузки усилителя (т.е. колонок) протекает через этот кабель, и сопротивление кабеля складывается с сопротивлением конденсатора. Давайте посмотрим, что получается у массива вместе с кабелем.


Рис. 13. Схема подключения усилителя к блоку питания.

В качестве кабеля использовались скрученные (для уменьшения помех и собственной индуктивности) провода сечением 1 мм2 и длинной примерно 30 см (рис. 14).


Рис. 14. Кабель, идущий от блока питания к усилителю.

Измеряем АЧХ кабеля самого по себе, потом подключаем массив и конденсатор к кабелю и измеряем все это дело вместе, так, как оно будет работать в усилителе (рис. 15).


Рис. 15. АЧХ массива, кабеля и массива, подключенного через кабель.

Сопротивление кабеля весьма малО – всего 0,01 Ом. Но на высоких частотах индуктивность вносит свое влияние, и полное сопротивление кабеля растет. И это при скрученных проводах, если их не скручивать (использовать двойной провод), индуктивность получается в несколько раз больше, а если это будет два разных провода, идущих не вместе, то индуктивность увеличится со страшной силой. На низких частотах до 1 кГц влияние кабеля мизерно, Сопротивление массива, включенного через кабель, практически такое же, как и у самого массива конденсаторов. А вот выше частоты 1 кГц сопротивление системы массив-кабель заметно растет. И этот рост сопротивления «съедает» почти все превосходство «улучшенного» массива перед одиночным конденсатором! Сравните синюю и зеленую линии. В области низких частот массив выигрывает только из-за того, что у него больше емкость. Конденсатор в 14000 мкФ был бы точно таким же, как и массив. А уже со средних частот, где «улучшенный» массив хоть и не сильно, но превосходил одиночный конденсатор, разницы и нет. А на высоких частотах одиночный конденсатор на самые копейки лучше.

Что получаем в итоге?

1. На самом деле работа конденсатора в режиме индуктивности неприятна, но не смертельна. В этом случае конденсатор не все свои функции выполняет как надо, но худо-бедно выполняет. Лучше конечно сделать так, чтобы во всей полосе звуковых частот (или какие еще там частоты воспроизводятся усилителем) конденсатор работал в режиме емкости. Тогда можно гарантировать возможность получения максимально качественного звука.

2. Массивом конденсаторов будем называть много (больше десяти) конденсаторов маленькой емкости, включенных параллельно и используемых вместо одного конденсатора большой емкости. Пара-тройка параллельных конденсаторов массивом не является.

3. Массив конденсаторов получается хуже, чем одиночный конденсатор большой емкости из-за влияния сопротивления и индуктивности монтажа.

4. Даже если удается снизить сопротивление монтажа, индуктивность монтажа заметно снизить не получается, поэтому даже массив со сниженным сопротивлением монтажа примерно эквивалентен одиночному конденсатору. В чем-то чуть-чуть лучше, в чем-то чуть-чуть хуже. А возни с ним много. И излучение помех от большой платы массива устранить труднее.

5. А ведь это я использовал для сравнения самый обычный конденсатор большой емкости. Если бы я использовал конденсатор LowESR, или Low Impedance, то одиночный конденсатор победил бы даже «улучшенный» массив.

6. Если же учесть влияние кабеля, которым блок питания соединяется с усилителем, то все небольшие преимущества массива сглаживаются (а вот недостатки не уменьшаются).

Вывод – применение массивов конденсаторов в усилителях не имеет смысла. В лучшем случае ничего не улучшится, в худшем (при неудачном монтаже) мы получим свойства массива хуже, чем у одиночного конденсатора, даже самого обычного. Пара-тройка конденсаторов большой емкости, соединенные параллельно (например, 3 штуки по 4700 мкФ) свойств не ухудшают, т.к. там индуктивность и сопротивление монтажа получаются низкими.

А почему же на форумах пишут, что поставили массив и улучшили звучание? А вы в действительности видели тот массив? Вы разве не знаете, что люди могут, мягко говоря, нафантазировать, особенно если речь идет о самоутверждении? А может и действительно поставили массив и даже послушали – человеческое самовнушение очень велико, и если чего-то очень хочешь услышать, то обязательно услышишь. Реальное улучшение звучания (если оно есть) можно услышать, проведя грамотные сравнительные тесты. Но они ведь при этом не проводятся. А в аудиожурнале напишут что угодно, для них вранье не является чем-то недопустимым, для них важнее реклама за которую им платят деньги.

Тем не менее, массивы применяются. Там, где их недостаток можно обратить в пользу. Например, в импульсных блоках питания. Там индуктивность монтажа является дополнительным фильтром, фильтрующим ВЧ пульсации. И весьма эффективно фильтрующем. Правда там используются не сотни конденсаторов, а не более десяти.

Что же делать?

Если хотите улучшать свойства аппаратуры, то действовать надо по-умному. Применяя правильные схемотехнические приемы, тупое количественное увеличение чего-либо обычно оказывается неудачным решением. Вот пример изящного решения проблемы влияния соединительного кабеля (которое применяется абсолютно всеми грамотными разработчиками): на плате усилителя надо установить дополнительный конденсатор в цепи питания. Особенно хорошо, если этот конденсатор будет LowESR, т.к. он подключен непосредственно к усилителю и влияние сопротивления и индуктивности монтажа минимально. На рис. 16 показана схема, а на рис. 17 АЧХ такого решения. Видите насколько стало лучше? Работает до 20 кГц! А если еще параллельно электролитическому конденсатору на плате усилителя установить керамический или пленочный, которые работают вплоть до очень высоких частот, то он поможет сохранить емкостный характер сопротивления на всех частотах. Т.е. такой составной конденсатор будет работать на всех частотах в режиме конденсатора. И это решение во много раз лучше, чем городить массивы.


Рис. 16. Дополнительный конденсатор, устанавливаемый на плате усилителя.


Рис. 17. АЧХ конденсатора, подключенного через кабель с установленным дополнительным конденсатором 1000 мкФ на плате усилителя.

Есть мнение, что подключив конденсатор емкостью 100…200 мкФ параллельно конденсатору большой емкости, мы улучшим частотные свойства последнего. Это верно лишь отчасти. В блоке питания так поступать нет смысла (но хуже не будет, если оставаться в пределах разумного) – соединительный кабель «съест» все улучшение, видимое со стороны усилителя. Хотя некоторая (очень небольшая) польза все же будет – будут чуть-чуть лучше фильтроваться ВЧ помехи и гармоники, поступающие от сети. Если же конденсатор емкостью 100…200 мкФ установить на плате усилителя, то его помощь будет мала, потому что емкость маловата. На рис. 16 зеленая линия это фактически характеристика одного только конденсатора 1000 мкФ. Конденсатор 100 мкФ будет наверняка обладать лучшими высокочастотными свойствами, но его реактивное сопротивление будет в 10 раз выше и с таким конденсатором практически ничего не улучшится (его кривая пойдет заметно выше синей линии). Так что вместо конденсатора 1000 мкФ конденсатор 100…200 мкФ устанавливать нет смысла. А вот совместно в принципе можно. Но пользы от этого будет мало (10%), а вот из-за увеличения длины дорожек или более неудачного монтажа может вылезти что-то плохое. Хотя, если очень хочется, можно напаять конденсатор 100 мкФ с обратной стороны платы прямо на выводы конденсатора 1000 мкФ.

О правильном конструировании источников питания можно еще много чего сказать, но это уже совсем другая история…

PS. В принципе, всех этих измерений можно было бы и не делать, а подумать вот о чем. Почему большой конденсатор оказался хуже маленького по частотным свойствам? Конденсатор большой емкости "внутри состоит" из множества конденсаторов маленькой емкости, соединенных параллельно и сделанных как одно целое. Т.е. в самом общем случае большой конденсатор - это тот же массив с минимально возможными сопротивлениями монтажа (расстояние между "маленькими конденсаторами" нулевое). И тем не менее, эти сопротивления и индуктивности внутри конденсатора сказываются. И их влияние ухудшает свойства большого конденсатора. Разделяя большой конденсатор на множествло маленьких и разнося их друг от друга на некоторое расстояние, мы лишь увеличиваем сопротивление и индуктивность монтажа. И делаем хуже. Минимальные значения индуктивности и сопротивления как раз и получается, когда много маленьких конденсаторов объединяются в один большой.

 

10.03.2016

Счетчик 

Яндекс.Метрика