Немного о конденсаторах

Конденсатор – электронный компонент, определённым образом пропускающий переменный ток и не пропускающий постоянный ток. Кроме того, конденсатор способен накапливать электрический заряд.

В промышленности применяется множество различных конденсаторов, имеющих разные свойства. Для получения такого разнообразия свойств, используются очень разные технологии изготовления конденсаторов. Одной их таких технологий является технология производства электролитических конденсаторов.

Электролитические конденсаторы упрощённо устроены таким образом. Одной из обкладок является тонкая металлическая фольга. Диэлектриком служит тонкий слой оксида на поверхности фольги. То есть, тот электрод, который образован фольгой, со всех сторон полностью изолирован оксидом. Фольга свёрнута в рулон и погружена в «стакан» с электролитом, который представляет собой вторую обкладку конденсатора. Отсюда и название конденсатора «электролитический». Сама фольга имеет очень «шершавую» поверхность. Такая поверхность называется «развитой» и её площадь намного превышает площадь листа фольги, использованного для изготовления обкладки.

В результате такая конструкция имеет положительные свойства:

• Большая площадь пластин. Чем больше эта площадь, тем больше ёмкость конденсатора.
• Маленькая толщина диэлектрика. Чем толщина диэлектрика меньше, тем ёмкость конденсатора больше.
• Между обкладками и диэлектриком происходит абсолютное прилегание – между ними отсутствуют какие бы то ни было воздушные или иные зазоры. В результате эффективность пластин равна 100%.
• Обычно обкладки алюминиевые. А диэлектрик – оксид алюминия, обладающий очень хорошими диэлектрическими свойствами.
• Достаточно просто получать диэлектрик различной толщины. Поэтому достаточно просто изготовить электролитический конденсатор на любое необходимое максимальное рабочее напряжение.

Поэтому электролитические конденсаторы обладают наибольшей удельной ёмкостью.

Недостатки у них тоже имеются:

• Конденсаторы довольно-таки низкотемпературные. При повышении температуры электролит вскипает и конденсатор разрушается. Это же может произойти и при превышении тока через конденсатор.
• У электролитических конденсаторов очень большая утечка (по сравнению с конденсаторами других типов). То есть, через конденсатор протекает заметный постоянный ток. И соответственно у такого конденсатора довольно большой саморазряд.
• Электролитические конденсаторы имеют большой разброс ёмкости, и их ёмкость сильно зависит от температуры.
• При разрушении конденсатора из него вытекает электролит, который может вызвать замыкание в тех деталях, на которые он попадёт.
• Разрушение конденсатора может сопровождаться небольшим взрывом, что опасно. Современные конденсаторы делают более взрывобезопасными.
• Электролитические конденсаторы полярные, то есть могут работать, только если ним приложено постоянное напряжение в определённом направлении (один из выводов «плюс», другой – «минус»). Это постоянное напряжение смещения должно превышать по своей величине то переменное напряжение, с которым работает конденсатор.
• При протекании через электролитический конденсатор тока, в нём происходят различные ионные процессы, которые обычно ухудшают некоторые его свойства.

Тем не менее, все эти недостатки электролитических конденсаторов теряются перед их главным достоинством – большой ёмкостью.

Технологии электролитических конденсаторов постоянно улучшаются, но даже самые современные электролитические конденсаторы заметно проигрывают по ряду показателей конденсаторам других типов (практически по всем показателям, кроме ёмкости).

Принято считать, что у конденсатора активное (омическое) сопротивление равно нулю, а реактивное (ёмкостное) сопротивление монотонно уменьшается с ростом частоты. Так, что на какой-нибудь очень высокой частоте сопротивление конденсатора становится очень маленьким. Реактивное сопротивление конденсатора в зависимости от частоты тока, протекающего через конденсатор, вычисляется по формуле:

где

Xc – реактивное сопротивление конденсатора (для переменного тока), Ом;

f – частота тока, Гц;

C – ёмкость конденсатора, Ф.

В реальности это справедливо только на сравнительно низких частотах. На самом деле с ростом частоты сопротивление конденсатора сначала уменьшается пропорционально росту частоты (в соответствии с теорией), а затем снижение сопротивления прекращается. В некотором частотном диапазоне сопротивление конденсатора перестаёт зависеть от частоты. На более высоких частотах сопротивление конденсатора с ростом частоты может даже увеличиваться! Зависимость модуля полного сопротивления (импеданса) от частоты для идеального конденсатора показана на рис. 1 линией 1. Сравните с частотной характеристикой реального электролитического конденсатора той же ёмкости – линия 2 на рис. 1. Линии начинают расходиться уже на частоте 200 Гц! Судя по рисунку, электролитические конденсаторы весьма низкочастотные! А выше частоты 100 кГц сопротивление реального конденсатора действительно растёт.

Импеданс – это модуль полного сопротивления. Он вычисляется по формуле:

В этой формуле буквы с чёрточками и точками – это комплексные числа, использующиеся для обозначения переменного тока с учётом его фазы. Или, если речь идёт о модулях – значениях без учёта фазы – то величина напряжения делится на величину тока.

Строго говоря, эту величину нельзя называть просто «сопротивлением». Потому что на переменном токе сопротивление образуется из трёх совершенно разных составных частей: «обычного» активного (резистивного, омического) сопротивления, ёмкости и индуктивности. А модуль импеданса – это всё вместе, все виды сопротивлений присутствующие в конденсаторе и действующие одновременно. Но, если не придираться сильно к терминам, то к этой величине применять термин «сопротивление» всё же можно. С некоторой натяжкой (правильное название: модуль полного сопротивления). Возможно, что я его буду иногда применять для упрощения речи.

Такая частотная характеристика конденсатора – следствие его неидеальности. Потому, что реальный конденсатор содержит в себе не только ёмкость, но также активное сопротивление и индуктивность. Для того чтобы учесть влияние неидеальности конденсатора, используют схему замещения, показанную на рис. 2. Это на самом деле упрощённая схема замещения, не учитывающая некоторых других свойств конденсатора, отличающих его от идеального.

На рисунке 2:

• C – собственно сам конденсатор.
• Rs – эквивалентное последовательное активное (омическое) сопротивление конденсатора – ESR. Активное сопротивление – это сопротивление обычного резистора, одинаковое и для постоянного и для переменного тока. ESR конденсатора – это сопротивление его проводников, обкладок, а также электролита, являющегося одной из обкладок конденсатора. Величина эквивалентного последовательного сопротивления определяет потери энергии в конденсаторе.
• Ls – эквивалентная последовательная индуктивность. Это индуктивность проводников конденсатора и его обкладок. Возможно, что электрохимические процессы, происходящие в электролите, также имеют индуктивный характер.
• Rp – Эквивалентное параллельное сопротивление конденсатора. Оно моделирует неидеальность диэлектрика, который не является идеальным изолятором, поэтому в малых количествах пропускает постоянный ток. Rp моделирует все виды утечек в сумме: как внутри конденсатора, так и по его корпусу. Величина сопротивления Rp очень большая, и не влияет на работу конденсатора при прохождении через него переменного тока звуковых частот и выше. Поэтому нас это сопротивление интересовать не будет.

В теоретической электротехнике и в ряде практических применений активное последовательное сопротивление конденсатора характеризуют не значением ESR, а особой величиной, называемой тангенсом угла потерь конденсатора – tg δ. Мы ею пользоваться не будем, так как для её понимания нужно привлекать математику. Кроме того, зависимость величины тангенса угла потерь конденсатора от частоты более сложная и не такая наглядная.

В результате, мы будем рассматривать сопротивление конденсатора как состоящее из трёх частей: ёмкостного, активного и индуктивного. Их совместное влияние хорошо видно по фазочастотной характеристике. В идеале в конденсаторе фаза тока опережает фазу напряжения на 90 градусов. Поэтому фазочастотная характеристика идеального конденсатора должна представлять собой горизонтальную прямую линию, проходящую через значение -90 градусов – линия 1 на рис. 3. Знак «минус» означает, что в конденсаторе ток опережает, а напряжение отстаёт по фазе.

Линия 2 на рис. 3 – фазочастотная характеристика реального конденсатора. Как видно, даже на низкой частоте, где ёмкостное сопротивление конденсатора велико, сдвиг фаз меньше 90 градусов. То есть влияние ESR конденсатора на этих частотах уже достаточно большое. На более высоких частотах сдвиг фаз уменьшается – конденсатор «теряет свои ёмкостные свойства». Всё в большей степени проявляется влияние индуктивности. На частоте f0 сдвиг фаз становится равным нулю – индуктивное сопротивление конденсатора скомпенсировало его ёмкостное сопротивление. Произошёл резонанс. На частоте f0 конденсатор с точки зрения его электрических свойств является резистором. На более высоких частотах сдвиг фаз становится положительным – индуктивная составляющая конденсатора «победила» его ёмкостную составляющую, и конденсатор проявляет свойства катушки индуктивности.

То, насколько вредна или опасна работа конденсатора на частотах выше резонансной частоты f0, рассмотрим ниже. А сейчас вернёмся к зависимости сопротивление конденсатора от частоты.

Зависимость сопротивления конденсатора от частоты

Для удобства анализа рассмотрим отдельно частотные зависимости реактивного (ёмкостного и/или индуктивного) и активного (омического) сопротивлений. То есть одна из линий на графике показывает зависимость от частоты фактически соотношения ёмкость-индуктивность. А другая линия показывает зависимость от частоты величины ESR конденсатора. На самом деле эти составляющие существуют одновременно, мы их можем разделить только математически. Но анализировать их раздельно гораздо удобнее.

Для того чтобы получить наибольшую наглядность результатов, будем рассматривать модуль реактивного сопротивления |Xs|. Буквой «X» обозначается реактивное сопротивление, индекс «s» означает, что используется последовательное включение (series) этого эквивалентного сопротивления. Как показано на рис. 2 – конденсатор, соединённый последовательно с катушкой. При вычислении модуля реактивного сопротивления все резисторы игнорируются.

Если рассматривать Xs в чистом виде, то при ёмкостном режиме работы конденсатора это сопротивление отрицательно, а при индуктивном режиме это сопротивление положительно. Режиму резонанса, когда ёмкостное и индуктивное сопротивления равны и взаимно компенсируются, соответствует значение Xs=0.

При последовательном соединении элементов их сопротивления складываются. Но за счёт противоположных знаков (у катушки плюс, у конденсатора минус) на самом деле происходит вычитание сопротивлений. Ёмкостное и индуктивное сопротивления как раз и компенсируются потому, что имеют противоположные знаки.

Знак реактивного сопротивления – математическая абстракция, вызванная использованием комплексных чисел для описания колебательных процессов. Тем не менее, такой подход правильно передаёт физическую суть процессов и является очень удобным для теоретических построений.

При использовании модуля реактивного сопротивления |Xs| значение сопротивления всегда положительно. Его удобнее строить на графиках. А ещё такой график имеет хорошо знакомую нам форму резонансной кривой. На нём очень хорошо заметен резонанс. И очень наглядно видно, где ёмкостный режим работы конденсатора, а где уже индуктивный.

Пример зависимости модуля реактивного сопротивления |Xs| электролитического конденсатора от частоты показан на рис. 4. На частоте f0 происходит резонанс, на более низких частотах конденсатор имеет ёмкостный характер сопротивления, а на частотах выше f0 конденсатор электрически уже является индуктивностью.

При резонансе реактивное сопротивление идеальной цепи (не учитывающей активное сопротивление) становится равным нулю. Но на рис. 4 минимальное сопротивление равно 0,00055 ом. Это происходит потому, что графики строились по конечному количеству измеренных значений (для этих графиков обычно 200 точек), и «глубина» резонансного пика зависит от того, насколько близко к резонансу находится точка, в которой производилось измерение. А также от погрешности измерительной системы. Так что «глубина» резонанса (минимальное значение сопротивления) на графиках не имеет большого значения.

График становится гораздо более информативным, если указать величину ESR прямо на нём. Активное сопротивление конденсатора не является постоянной величиной, а зависит от частоты тока, протекающего через конденсатор. Скорее всего, это связано с тем, что в электролитическом конденсаторе одной из обкладок является электролит, в котором протекают сложные электрохимические процессы. На рис. 5 показаны частотные характеристики как модуля реактивного сопротивления |Xs|, так и величины Rs = ESR для реального конденсатора.

На рис. 5 кроме зависимости от частоты активного и реактивного сопротивлений ещё показана точка А и соответствующая ей максимальная эффективная частота fmax (это название условное). На частоте fmax реактивное сопротивление конденсатора Xs (его модуль) становится равным активному сопротивлению ESR. С точки зрения электротехники, это частота среза фильтра, образованного ёмкостью и собственным сопротивлением конденсатора. Выше частоты fmax конденсатор теряет ёмкостные свойства и превращается в резистор. Причём индуктивность конденсатора в этом случае непричём.

Если не учитывать влияние индуктивности, то при повышении частоты выше fmax полное сопротивление (импеданс) конденсатора практически не уменьшается. Импеданс снизится максимум в 1,4 раза. В результате, можно считать, что выше частоты fmax свойства конденсатора перестают изменяться. И конденсатор превращается в резистор с сопротивлением, равным ESR. Выше частоты fmax свойства конденсатора практически не улучшаются.

Поэтому частоту fmax на которой модуль реактивного сопротивления |Xs| = ESR можно считать верхней эффективной частотой конденсатора. На более высоких частотах конденсатор не работает эффективнее. Он работает точно также, а на очень высокой частоте даже хуже.

Обратите внимание, частота fmax всегда ниже частоты резонанса f0. Они равны только для идеального конденсатора, у которого ESR = 0. Вывод: индуктивность конденсатора ограничивает его частотные свойства.

Но в ещё большей степени частотные свойства конденсатора ограничивает его ESR.

Как работает конденсатор в таких условиях описано ниже.

На рис. 6 показана зависимость от частоты как полного сопротивления конденсатора (его импеданса |Z|), так и его составных частей: модуля реактивного сопротивления |Xs| и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) Rs.

Как видно из рис 6, все три линии графика взаимосвязаны. Импеданс вычисляется по формуле:

Поэтому, когда одна из составляющих сопротивления конденсатора (Rs или Xs) заметно больше другой, импеданс численно равен наибольшей из этих составляющих. На частоте fmax, где Rs = Xs, импеданс больше каждой из них в корень из двух раз.

Импеданс показывает полное (общее) сопротивление конденсатора, то, которое определяет величину тока через конденсатор.

Так что на низких частотах, где преобладает ёмкостное сопротивление, и на высоких частотах, где преобладает индуктивное сопротивление, импеданс равен значению Xs. На «средних» частотах – в области резонанса, импеданс равен значению Rs. Чем меньше эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, тем на более высоких частотах он способен работать.

Обратите внимание, что импеданс конденсатора, характеристики которого приведены на рис. 6, не опускается ниже значения 0,1 Ом. То есть, сопротивление этого конденсатора переменному току всегда больше чем 0,1 Ом. На всех частотах! И это надо учитывать во всех расчётах цепей, в которых используется этот конденсатор.

Кроме того, величина ESR определяет некоторые другие свойства цепи, содержащей конденсатор. Например, конденсатор имеет некоторое минимальное сопротивление. Поэтому делитель напряжения, содержащий конденсатор, будет ослаблять сигнал не до бесконечности, а в некоторое (не такое уж и большое) число раз, определяемое величиной ESR. Кроме того, нагрев конденсатора протекающим током также определяется величиной ESR – чем оно больше, тем сильнее нагревается конденсатор.

Поэтому промышленностью выпускаются конденсаторы с пониженной величиной ESR. Они называются LowESR, или Low impedance.

Конденсаторы LowESR

LowESR и Low impedance – это коммерческие названия. Вполне возможно, что технология их изготовления и различается. Но для пользователя LowESR и Low impedance – одно и то же.

На рис. 7 показаны частотные характеристики импеданса различных электролитических конденсаторов как «обычных» (стандартных – std), так и низкоимпедансных – LowESR.

Как видно из рис. 7, импеданс конденсаторов LowESR с ростом частоты продолжает уменьшаться, тогда как для стандартных конденсаторов снижение импеданса уже прекратилось. И само минимальное значение импеданса у конденсаторов типа LowESR значительно меньше, чем у «стандартных».

Рассмотрим составляющие импеданса конденсатора по отдельности, рис. 8…10.

Из рис. 8 хорошо видно, что действительно, значения ESR конденсаторов заметно различаются. Вместе с ними различаются и значения максимальной эффективной частоты. Для «стандартного» конденсатора она составляет 4,2 кГц, для низкоимпедасного – 12 кГц. Разница практически в три раза! Аналогично и у остальных конденсаторов.

Интересно, что резонансная частота f0 у конденсаторов LowESR ниже, чем у «стандартных». Возможно, что существует правило «чем меньше ESR, тем больше индуктивность конденсатора». Но резонансная частота не важна. На этой частоте активное сопротивление конденсатора (ESR) уже намного больше реактивного, и на работу конденсатора его реактивное сопротивление не влияет. Мы же помним, что главное – это значение частоты fmax.

Конденсаторы LowESR кроме пониженного сопротивления также имеют однозначно лучшие реальные частотные свойства. Их максимальная эффективная частота fmax существенно выше, чем у «стандартных».

Особенности применения конденсаторов

На самом деле большинство нужных для нас свойств конденсатора сохраняется на всех частотах, вплоть до самых высоких:

1. На всех частотах конденсатор сохраняет способность отделять переменный ток от постоянного.
2. На всех частотах конденсатор сохраняет способность накапливать заряд. Имеется в виду, что одновременно с переменным напряжением, на конденсатор поступает и постоянное напряжение.

Индуктивность электролитического конденсатора практически никогда не является помехой для его применения. Индуктивность важна, если мы применяем конденсатор в колебательном контуре. Тогда смена свойств с ёмкости на индуктивность нарушит его работу. Но электролитические конденсаторы в колебательных контурах не применяют, так что такая проблема не возникает. Поэтому то, на какой частоте у конденсатора происходит резонанс, то есть само значение частоты f0 не важно.

В тех применениях электролитических конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, конденсатор может работать на частотах выше f0 достаточно эффективно.

Хотя работу электролитических конденсаторов в кроссоверах аудио колонок может быть стоит рассмотреть подробнее.

Другой вариант влияния индуктивности конденсатора: индуктивность ограничивает скорость заряда и разряда конденсатора. А вот это является важным для построения источников питания:

— В импульсных источниках питания накопительные конденсаторы с высокой индуктивностью не успевают заряжаться и разряжаться, поэтому не обеспечивают требуемую фильтрацию напряжения. По этой причине в импульсных блоках питания используют конденсаторы небольшой ёмкости, включённые параллельно. У таких конденсаторов меньше индуктивность и они более быстродействующие. Имеется в виду работа с токами высокой частоты – 50…200 кГц с крутыми фронтами, когда скорость заряда или разряда конденсатора должна быть действительно высокой.

— При питании звуковых усилителей мощности. Звуковой сигнал имеет импульсный характер, поэтому выходной ток усилителя может резко возрасти за короткий промежуток времени. Вспомните, что одним из параметров усилителя является скорость нарастания выходного напряжения, равная 8…20 вольт в микросекунду. То есть, ток нагрузки в принципе может возрастать со скоростью несколько ампер в микросекунду, и блок питания должен обеспечить возможность протекания такого тока. Если источник питания конструктивно выполнен отдельно от усилителя, то индуктивность проводов, идущих к блоку питания, не позволит получить такую скорость возрастания тока. Поэтому в высококачественных усилителях на плате усилителя недалеко от выходных транзисторов (чтобы снизить индуктивность монтажа) в цепь питания устанавливают накопительные конденсаторы. И именно эти конденсаторы должны обеспечить резкий скачок выходного тока усилителя. То есть, должны быстро отдать большой ток. Если конденсатор имеет большую индуктивность, то скорость роста отдаваемого им тока ограничена, и усилитель не сможет обеспечить в нагрузке требуемый ток. Современные конденсаторы в этой позиции работают более-менее хорошо.

Во всех вышеперечисленных случаях совместно с индуктивностью действует ESR конденсатора, ограничивая скорость его работы и величину отдаваемого тока. Какой из этих параметров влияет сильнее? Величина ESR является более важной.

На самом деле электролитические конденсаторы, применяемые в цепях питания усилителей, имеют слишком большую индуктивность. В результате эта индуктивность в цепи питания может привести к самовозбуждению усилителя – возникновению паразитной генерации (осцилляций). Поэтому электролитические конденсаторы шунтируют (подключают параллельно им) плёночными конденсаторами. Гораздо реже керамическими. Плёночные конденсаторы более быстродействующие, чем электролитические и позволяют на высоких частотах поддерживать ёмкостный характер шины питания. Если конечно эти плёночные конденсаторы имеют достаточную ёмкость и соответствующее качество. Здесь имеется в виду не «звучание конденсаторов», а их измеряемые электрические параметры.

Параллельное соединение плёночного и электролитического конденсатора – наилучший вариант для размещения на плате усилителя. Плёночный конденсатор обеспечит ёмкостный характер шины питания на высоких частотах («подавит» индуктивность электролитического конденсатора), а электролитический конденсатор большой ёмкости обеспечит требуемую длительность разряда большим током. Это примерно как установка в колонках мидвуфера и твиттера позволяет им совместно обеспечить качественную работу в широком диапазоне частот.

Активное сопротивление ESR влияет на работу конденсатора в электронных устройствах по-разному. Главным образом важен тот факт, что полное сопротивление (импеданс) конденсатора не может быть как угодно малым. Более того,

минимально возможное сопротивление конденсатора может оказалься даже слишком большим по сравнению с нашими ожиданиями!

Рассмотрим примеры.

Примеры применения электролитических конденсаторов

1. Разделительные конденсаторы

Пример схемы показан на рис. 11.

Назначение разделительного конденсатора – отделять переменный ток от постоянного. В таких случаях на работу конденсатора не влияет ни его максимальная рабочая частота, ни его ESR. Это происходит потому, что последовательно с конденсатором всегда включен какой-нибудь элемент с довольно большим сопротивлением.

Включать разделительный конденсатор в низкоомную цепь – плохая идея. Но именно такое включение применяется в усилителях с однополярным питанием, рис. 12.

В этом месте конденсатор производит наибольшие частотные и нелинейные искажения. Причём такая схема очень чувствительна к типу и даже конкретному экземпляру конденсатора, так как через конденсатор протекает большой ток, а сопротивление конденсатора суммируется с сопротивлением нагрузки и влияет на ток нагрузки (громкоговорителя).

Подобное включение разделительного конденсатора использовалось много лет назад исключительно потому, что в то время не существовало качественных электронных компонентов нужного типа. Да и теория усилителей не была развита в достаточной степени. Сегодня это анахронизм.

Но и в таком включении не имеют значения ни частотная характеристика конденсатора, ни его ESR. Главное, чтобы ёмкость была достаточно большая, иначе конденсатор будет обрезать низкие частоты. Менее нелинейный конденсатор будет вносить меньше искажений, но по нелинейности электролитических конденсаторов у меня нет никакой информации.

2. Шунтирующие конденсаторы

Пример схемы показан на рис. 13.

Назначение шунтирующего конденсатора – пропустить переменный ток в обход высокоомной цепи, по которой должен протекать только постоянный ток. Здесь частотные свойства конденсатора не влияют на его работу (в звуковом диапазоне). ESR в принципе может повлиять, но большинство схем (в том числе и на рис. 13) таковы, что влияние ESR конденсатора пренебрежимо мало.

Например, в схеме на рис. 13. последовательно с конденсатором включён эмиттер транзистора. Сопротивление транзистора со стороны эмиттера r_e=25мV/Ik (в знаменателе формулы — ток коллектора транзистора). Это сопротивление включено последовательно с ESR конденсатора и значительно его превышает. Так что величина ESR конденсатора не важна.

Кстати, с такой схемой связано одно заблуждение. Во многих учебниках написано, что для правильной работы схемы величина реактивного сопротивления конденсатора Xs должна быть меньше, чем величина эмиттерного резистора Rэ. Из этого условия определяется ёмкость конденсатора. На самом деле, реактивное сопротивление конденсатора должно быть меньше значения r_e, а следовательно, его ёмкость должна быть значительно больше, чем принято считать. Почему же схемы, «рассчитанные неправильно», всё же работают? Потому, что на вход такого каскада сигнал подаётся от источника с большим выходным сопротивлением – «слегка источника тока». Чем больше сопротивление источника сигнала, тем эмиттерный конденсатор менее эффективен. Если входной сигнал подаётся от источника тока, то конденсатор в цепи эмиттера вообще не нужен! Поэтому, например, в моём усилителе с выходным каскадом на полевых транзисторах резистор R14 не зашунтирован конденсатором – конденсатор там не будет выполнять функцию шунтирования резистора.

3. Накопительные конденсаторы блока питания

Пример схемы показан на рис. 14.

Имеется в виду блок питания, выполненный в виде отдельного узла. Задача конденсаторов – накопление энергии для питания усилителя. Они работают на частоте сети переменного тока, поэтому их частотные свойства абсолютно не важны. Кроме того, через эти конденсаторы замыкается ток нагрузки усилителя. Но в правильно спроектированнм усилителе конденсаторы блока питания работают только на низких частотах. Так что их частотные свойства действительно не важны.

А вот значение ESR может быть важным, так как эти конденсаторы заряжаются импульсами тока большой величины. ESR накопительного конденсатора надо учитывать в двух случаях:

1. Когда активное сопротивление ограничивает зарядный ток. Зарядный ток тем больше, чем меньше сопротивление. Только следует учитывать, что последовательно с конденсатором включены другие элементы:

• приведённое сопротивление первичной обмотки трансформатора;
• сопротивление вторичной обмотки трансформатора;
• индуктивное сопротивление рассеяния обмоток трансформатора;
• сопротивление открытых диодов выпрямителя;
• сопротивление всех соединительных проводов.

Если сумма всех этих сопротивлений меньше, чем значение ESR накопительного конденсатора, то на величину зарядного тока конденсатор будет влиять. И его надо будет выбирать типа LowESR. Я с подобным случаем никогда не сталкивался.

2. Импульс зарядного тока большой величины нагревает конденсатор. Чем меньше сопротивление конденсатора, тем меньше его нагрев. Поэтому очень хорошая тактика – выбор типа накопительного конденсатора, допускающего максимальный зарядный ток. В этом случае конденсатор LowESR – хороший выбор. Особенно это важно для конденсатора, подключенного ближе к выпрямителю, рис. 15.

Дело в том, что конденсатор С1 на рис. 15 заряжается от сети (через трансформатор и выпрямитель), а конденсатор С2 заряжается от конденсатора С1 через индуктивность и активное сопротивление монтажа. Поэтому ток через конденсатор С2 заметно меньше, чем через конденсатор С1. И сопротивление конденсатора С2 является менее важным для работы схемы, чем сопротивление конденсатора С1.

Вот здесь конденсаторы типа LowESR могут показать хорошие результаты. Но не обязательно они всегда будут лучше, чем «стандартные». Часто бывает, что конденсаторы LowESR больше по габаритам, чем «стандартные». И тогда возникает проблема выбора: либо применить «стандартный» конденсатор большей ёмкости, либо LowESR. А «стандартный» конденсатор большей ёмкости при других своих преимуществах (больше ёмкость, дешевле, доступнее) может иметь большее значение максимального тока.

На рис. 15 я несколько преувеличил индуктивность и сопротивление проводов, соединяющих конденсаторы. Поэтому ток конденсатора С2 получился намного меньше, чем ток конденсатора С1. На самом деле такое бывает. Но если печатная плата блока питания разработана хорошо, то индуктивность и сопротивление монтажа гораздо меньше, и ток конденсатора С2 не настолько меньше тока конденсатора С1, как показано на рис. 15.

Тем не  менее, тысячи разнообразных блоков питания, как самодельных, так и промышленных, отлично работают со «стандартными» конденсаторами. Всё электронное устройство – это система, и если оно грамотно сконструировано, то будет отлично работать даже без использования волшебных конденсаторов. С другой стороны, замена конденсатора С1 на рис. 15 на LowESR – если все остальные свойства конденсатора при этом не ухудшатся!!! – вреда не принесёт. Будет ли польза – скорее всего будет.

4. Накопительные конденсаторы, устанавливаемые в цепи питания на плату усилителя

Пример схемы показан на рис. 16.

Назначение конденсаторов примерно такое же, как и у накопительных конденсаторов в блоке питания. Но есть существенная разница. Я уже писал про это выше:

— Эти конденсаторы подпитывают током непосредственно выходные транзисторы, поэтому должны обеспечить протекание через транзисторы тока той частоты, с которой работает усилитель. Если ваш усилитель имеет АЧХ вплоть до 1 МГц (а так делают в целях рекламы), то конденсаторы должны обеспечить работу усилителя на этой частоте. Если не обеспечивают, значит заявленная АЧХ – обман! (На самом деле рекламная АЧХ снимается на малом сигнале при очень маленьком выходном токе, а то и при отсутствии нагрузки. Поэтому конденсаторы справляются с такой облегчённой работой).

— Через эти конденсаторы замыкается ток нагрузки. Часть тока замыкается через накопительные конденсаторы блока питания. Но для этого ток нагрузки должен дойти до блока питания по всем проводам (имеющих как активное сопротивление, так и индуктивность) и контактам разъёмов. Так что чем больше та часть тока нагрузки, которая замыкается на плате усилителя, тем лучше.

Для этих конденсаторов важны как частотные свойства, так и ESR. Кроме того, эти конденсаторы должны иметь ёмкость достаточно большую, чтобы:

— Качественно подпитывать усилитель. Конденсаторы не должны сильно разряжаться током, потребляемым усилителем. Помните, что эти конденсаторы в том числе компенсируют сопротивление и, главное, индуктивность проводов, идущих от усилителя к блоку питания.

— Ток нагрузки будет эффективно замыкаться через эти конденсаторы на тех частотах, на которых полное сопротивление конденсатора (импеданс, частотные характеристики которого я приводил выше) меньше сопротивления нагрузки в десять и более раз.

Например (используем данные рис. 7), сопротивление нагрузки 4 ома. Через «стандартные» конденсаторы ёмкостью 220 мкФ (обычно в усилителях устанавливают конденсаторы такой ёмкости), установленные на плате усилителя, будут эффективно замыкаться частоты выше 2…3 кГц. Более низкие (т.е. от 20 Гц до 2 кГц) будут замыкаться через блок питания. Конденсаторы такой же ёмкости, но LowESR, будут работать эффективнее, но в том же диапазоне частот – выше частоты 2…3 кГц.

Если на плату усилителя установить накопительные конденсаторы ёмкостью 1000 мкФ, то через них будут эффективно замыкаться частоты выше примерно 500 Гц. Более низкие частоты будут замыкаться через блок питания. Но на более низких частотах индуктивность соединительных проводов, идущих от блока питания к усилителю, будет влиять намного меньше.

И снова: снижение импеданса этих конденсаторов улучшит условия работы схемы. Это не значит, что усилитель будет звучать заметно лучше – хорошие усилители конструируются так, что отлично работают и с «обычными» конденсаторами. Но применение конденсаторов LowESR можно рекомендовать.

Если стоит выбор, какой конденсатор применить: стандартный, но большей ёмкости, либо LowESR, но меньшей ёмкости, то предпочтение следует отдавать тому конденсатору, у которого ёмкость больше. Если конечно в схеме присутствуют шунтирующие плёночные (или керамические) конденсаторы достаточной ёмкости

Для правильной работы усилителя параллельно накопительным электролитическим конденсаторам всегда необходимо подключать плёночные конденсаторы, которые имеют гораздо лучшие высокочастотные свойства. Если в схеме не будет дополнительного высокочастотного конденсатора, ток нагрузки не сможет замыкаться на плате усилителя. Но и через блок питания ток нагрузки замыкаться не сможет – помешает индуктивность соединительных проводов.

Извините за следующую фразу, которая совершенно не научная. Просто я не могу объяснить это кратко, а длинное объяснение – не соответствует теме статьи. Итак:

Если отсутствует заранее заданный путь для замыкания высокочастотного тока, этот ток сам найдёт путь, по которому он замкнётся. И это наверняка окажется самый неприятный для вас способ замыкания тока.

В этом случае с огромной вероятностью произойдёт самовозбуждение (осцилляция) усилителя на мегагерцовых частотах.

Вы спросите, а откуда в усилителе присутствуют частоты порядка мегагерц? А разве АЧХ вашего усилителя простирается не до таких частот? Ведь рекламируются усилители с АЧХ не то, что до одного-двух мегагерц, но и до десяти! У вашего усилителя на входе установлен фильтр низких частот, подавляющий ультразвук и радиочастоты? А ведь вокруг нас очень много различных высокочастотных излучений, проникающих на вход усилителя. Кроме того, колебания с мегагерцовыми частотами может создавать сам усилитель вследствие своей конструкции.

И существует ещё один источник высокочастотных помех — сам усилитель. При переключении выходных транзисторов усилителя возможно появление помех, частоты которых достигают нескольких мегагерц. В правильно сконструированных усилителях у таких помех нет никаких шансов вам навредить.

5. Фильтрующие конденсаторы

Пример схемы показан на рис. 17.

Назначение таких конденсаторов – максимально подавить переменное напряжение в цепи, оставив только постоянное. В этом случае конденсаторы обычно используются в составе RC фильтров. Резисторы, образующие такие фильтры, на рис. 17 выделены красным цветом.

Здесь импеданс конденсатора играет важнейшую роль: чем импеданс меньше, тем подавление лучше.

Величина, во сколько раз переменный ток будет ослаблен этим фильтром, равна R/|Z| (если |Z|<<R). Так что здесь очень важны как частотные свойства, так и ESR конденсатора.

Пример. Фильтр как на рис. 17а. Необходимо подавить все частоты выше 100 Гц. Сопротивление резистора 100 ом. Используем конденсатор ёмкостью 100 мкФ (выбор правильной величины ёмкости конденсатора в данном случае не рассматриваем). Сравним два варианта реализации этой схемы: с использованием «стандартного» конденсатора и с использованием конденсатора LowESR. Частотные свойства этих конденсаторов показаны на рис. 7 чёрными линиями.

1. «Стандартный» конденсатор имеет минимальный импеданс 0,4 ома. Следовательно, максимально возможное подавление переменного напряжения равно 100/0,4=250 раз и будет происходить в диапазоне частот 20…300 кГц. Обратите внимание, выше частоты 20 кГц значение ESR выбранного нами конденсатора не уменьшается, следовательно, с ростом частоты выше 20 кГц фильтрация не улучшается.

2. Конденсатор LowESR имеет минимальный импеданс меньше чем 0,2 ома. В диапазоне частот 20…300 кГц, подавление переменного напряжения будет равно 100/0,2=500 раз и больше. При этом конденсатор LowESR будет превосходить «стандартный» на частотах выше 2 кГц — там подавление будет лучше, чем со «стандартным» конденсатором.

Если же, как принято в теории, рассматривать идеальный конденсатор, то на частоте 20 кГц фильтр с идеальным конденсатором должен подавлять переменное напряжение в 1250 раз, а на частоте 300 кГц — более чем в 18000 раз! А реальное подавление не более 600 раз и то, если используется конденсатор LowESR. Реальность сильно отличается от идеала.

Если вам такой величины фильтрации достаточно, то и хорошо. Если нет – подбирайте конденсатор с более подходящими свойствами. Хороший вариант для улучшения подавления высоких частот — подключить параллельно электролитическому конденсатору (типа LowESR!!!) плёночный, либо керамический.

На этом всё, успехов!

12.02.2023