Несколько лет назад в статье Массив конденсаторов – мифы и реальность я исследовал массив конденсаторов, выполненный на самодельной односторонней печатной плате. И выяснил, что такой массив не только не лучше, а на самом деле даже хуже одиночного конденсатора большой ёмкости. Всё дело в активном сопротивлении и, главное, в индуктивности монтажа.

Сегодня я представляю второй этап исследования массивов конденсаторов. Новый массив конденсаторов выполнен на двусторонней печатной плате промышленного производства. У этой платы сплошная заливка медью с обеих сторон. Нижний слой платы представляет собой положительный проводник, верхний слой – отрицательный проводник. Такой монтаж имеет маленькое активное сопротивление и очень маленькую индуктивность. Так что свойства нового массива конденсаторов, собранного на этой плате, должны быть лучше, чем у предыдущего.

Проверим это. Я настоятельно рекомендую прочитать предыдущую статью, потому что данная статья является её продолжением и продолжает те идеи, которые были заявлены в предыдущей статье.

1. Массив конденсаторов №1. Вспомним прошлое

Считается, что множество конденсаторов маленькой ёмкости работают лучше, чем один конденсатор большой ёмкости. Эта идея является достаточно распространённой. В основе идеи лежит известный факт, что электролитический конденсатор небольшой ёмкости, имеет лучшие частотные свойства (является более высокочастотным), чем электролитический конденсатор большой ёмкости. Поэтому много «небольших» конденсаторов окажутся лучше одного «большого», рис. 1.

Правда при этом забывают, что на самом деле конденсатор большой ёмкости внутри как раз и состоит из суммы «маленьких» конденсаторов. И ухудшение его частотных свойств вызвано увеличением сопротивления и индуктивности элементов конструкции конденсатора при увеличении его габаритов. Так что в реальности активное сопротивление и индуктивность монтажа «съедят» всю выгоду от массива. В прошлый раз так и получилось. Но электрическое соединение конденсаторов, применённое в новом массиве, действительно обладает очень низкой индуктивностью. Поэтому новый массив вполне может быть намного лучше старого.

2. Новые измерения старого массива

В предыдущей статье описан способ, которым я значительно снизил активное сопротивление и немного снизил индуктивность монтажа на плате старого массива. Все те улучшения так и остались в старом массиве. Все эти годы старый массив лежал у меня в ящике, ожидая новых измерений. Напомню, что он содержит 64 конденсатора 220 мкФ 50 вольт. Внешний вид массива показан на рис. 2.

Важно. Я кардинально изменил измерительную систему. На мой взгляд, измерения стали немного точнее, особенно измерения сдвига фаз между напряжением и током через конденсатор (или через массив конденсаторов). Поскольку нам предстоит произвести сравнение старого и нового массивов, надо убедиться, что измерения дадут верные результаты, и эти результаты совпадут с результатами предыдущих измерений. А иначе правильное сравнение будет невозможным. Я измерил как амплитудно-частотную, так и фазочастотную характеристики старого массива новым методом, и сравнил с результатами измерения этого же старого массива, произведёнными раньше при моих предыдущих исследованиях, рис. 3, 4.

Результаты совпали. Следовательно, все мои сегодняшние измерения верны, и их можно корректно сравнивать с моими прошлыми измерениями.

3. Новые измерения нового массива

Внешний вид нового массива показан на рисунке 5. Напоминаю, что у этой платы с обеих сторон сплошная заливка медью. Верхний слой платы представляет собой отрицательный проводник, нижний слой – положительный проводник. Отверстия платы металлизированные, поэтому при пайке припой протекает на верхнюю сторону платы и образует надёжное и качественное электрическое и механическое соединения. В домашних условиях подобную плату сделать невозможно (если не использовать огромное количество пистонов), но сейчас такие платы легко изготовить на заказ. Плата для нового массива была изготовлена со стандартной толщиной меди, равной 35 мкм.

Подобная конструкция печатной платы обладает минимально возможным активным сопротивлением и минимально возможной индуктивность. Давайте посмотрим, действительно ли изменив конструкцию печатной платы, мы улучшили свойства массива конденсаторов. Амплитудно-частотные характеристики старого и нового массивов показаны на рис. 6, а фазочастотные характеристики показаны на рис. 7.

Напомню, что в нашем случае чем меньше сопротивление конденсатора или массива, тем лучше. С ростом частоты сопротивление конденсатора должно неуклонно снижаться. А тот факт, что в реальных конденсаторах сопротивление не только перестаёт снижаться, но и начинает расти – это следствие их неидеальности. И именно эту неидеальность мы и пытаемся частично устранить, применяя массив конденсаторов.

В старом массиве вследствие влияния индуктивности монтажа полное сопротивление (импеданс) возрастает, начиная с частоты 6…7 кГц. У нового массива импеданс остаётся минимальным вплоть до частоты 30 кГц, а на более высоких частотах хоть и растёт, но немного. Следовательно, частотные свойства нового массива заметно лучше, чем старого!

Фазочастотная характеристика показывает на каких частотах массив проявляет себя как ёмкость, а на каких частотах суммарная индуктивность самих конденсаторов и монтажа «съедает» ёмкостные свойства конденсаторов, и массив (или конденсатор) становится индуктивностью. Границей раздела ёмкостных и индуктивных свойств является частота, на которой график пересекает линию «сдвиг фаз = 0». Если сдвиг фаз отрицателен – электрический объект имеет ёмкостные свойства. Если сдвиг фаз положителен – электрический объект имеет индуктивные свойства.

Старый массив превращается в индуктивность на частотах выше 4,5 кГц, а новый сохраняет ёмкостные свойства до 12 кГц – практически во всём звуковом диапазоне.

Сразу поясню – не надо пугаться потери ёмкостных свойств массивом. Подобное явление происходит с любым конденсатором на достаточно высокой частоте. В блоках питания усилителей накопительные конденсаторы и массивы конденсаторов остаются работоспособными и выполняют свои функции накопления и отдачи электрической энергии, даже если их свойства из ёмкостных стали индуктивными. Но индуктивный характер накопительного конденсатора всё же нежелателен. Например, он может вызвать самовозбуждение (осцилляции) усилителя на ультразвуковых или радиочастотах. Так что более широкий диапазон частот, в котором массив конденсаторов сохраняет ёмкостные свойства – это преимущество.

Та-дам! Новый массив намного лучше старого!

Давайте оценим влияние индуктивности и активного сопротивления монтажа (печатной платы) на свойства массива. На рис. 8 показаны относительные амплитудно-частотные характеристики полного сопротивления одиночного конденсатора 220 мкФ 50 В и массива, состоящего из 64 таких конденсаторов. Они взяты по отношению к их полному сопротивлению на частоте 100 Гц.

Как понимать эти графики? На частоте 200 Гц относительное сопротивление равно 0,5. Это означает, что сопротивление конденсатора на частоте 200 Гц составляет половину (вдвое меньше), чем сопротивление на частоте 100 Гц. На частоте 1 кГц сопротивление конденсатора составляет примерно 0,1 (то есть в 10 раз меньше) от сопротивления на частоте 100 Гц. И так далее.

Из рисунка 8 видно, что до частоты примерно 20 кГц линии совпадают, а на частотах выше 20 кГц сопротивление массива начинает возрастать, а сопротивление одиночного конденсатора остаётся неизменным. Совпадение линий означает, что активное сопротивление монтажа пренебрежимо мало. А расхождение линий на частотах выше 20 кГц означает, что на этих частотах уже сказывается индуктивность монтажа. И эта индуктивность в новом массиве очень маленькая, поскольку начинает влиять на достаточно высоких частотах.

Так что наш новый массив работает также хорошо, как и хороший одиночный конденсатор небольшой ёмкости вплоть до частоты 20 кГц. А это весь звуковой диапазон!

Есть ли смысл использовать для изготовления массива конденсаторов печатную плату с более толстой фольгой? Нет смысла. Толщина фольги влияет главным образом на активное сопротивление проводника платы, которое и без того маленькое. Индуктивность монтажа от толщины фольги практически не зависит. Как изменятся свойства этого массива конденсаторов, если для его изготовления использовать фольгу толщиной 105 мкм? Ответ: на графиках на рис. 8 в диапазоне частот 500 Гц…10 кГц зелёная линия станет ближе к красной. Да куда уж ближе?! Так что свойства массива улучшатся микроскопически, а стоимость возрастёт.

4. Сравнение массивов с «обычным» одиночным конденсатором большой ёмкости

Ну вот наконец и проверим, действительно качественно изготовленный массив лучше одиночного конденсатора?

Это сравнение показано на рис. 9. Я сравнивал оба массива – старый и новый – с конденсатором 15000u 50V. С таким, какие я использую для изготовления блоков питания усилителей.

Результаты ожидаемы:

• На частотах до 1 кГц разница между всеми тремя устройствами отсутствует.
• На частотах 1…16 кГц старый массив лучше одиночного конденсатора. Напоминаю – старый массив изготовлен с пониженным активным сопротивлением монтажа. Для этого на дорожки печатной платы напаян медный провод сечением 2,5 мм2.
• На частотах выше 16 кГц влияние индуктивности монтажа старого массива становится велико, и старый массив проигрывает одиночному конденсатору большой ёмкости.
• Новый массив превосходит одиночный конденсатор большой ёмкости на всех частотах выше 1 кГц, и превосходит старый массив на частотах выше 8 кГц.

Фазочастотные характеристики показывают, что первым теряет свои ёмкостные свойства старый массив (слишком большая индуктивность монтажа), на втором месте одиночный конденсатор, а новый массив побеждает их всех – он сохраняет свои ёмкостные свойства практически во всём звуковом диапазоне.

Все измерения – как амплитудно-частотная, так и фазочастотная характеристики показывают, что новый массив является №1 по частотным свойствам!

Мы доказали: правильно изготовленный массив по частотным свойствам действительно превосходит одиночный конденсатор большой ёмкости. Хоть и не намного, но превосходит.

Мы победили? Можно пить шампанское и запускать фейерверки?

Не спешите!

Это ведь массив сам по себе так хорош. А вы будете слушать не массив, а усилитель в целом.

5. Одна поучительная история

У меня есть знакомая женщина. Эта женщина – великолепный повар. Профессионал высокого класса. Когда я бываю у неё в гостях, она угощает меня такими вкусными блюдами, каких я не ел нигде и никогда. У этой женщины великий кулинарный талант. Но вот что я знаю наверняка, так это то, что она покупает продукты для своих кулинарных шедевров на тех же самых рынках и в тех же самых супермаркетах, что и я.

Выводы о кулинарии:

• Для того чтобы приготовить очень вкусное блюдо, не нужно использовать какие-нибудь супер продукты. Достаточно вполне обычных продуктов, но надо уметь их приготовить.
• Если не умеешь готовить, то блюдо, приготовленное из супер продуктов, получится невкусным.

Вывод о конденсаторах:

Если вы используете конденсатор или массив конденсаторов с очень хорошими свойствами, то это не означает, что свойства (и звучание) вашего усилителя автоматически получатся очень хорошими. Усилитель – это система. И свойства усилителя определяются как свойствами всех его компонентов, так и его конструкцией.

6. Суровая действительность

Каким бы хорошим массив конденсаторов ни был сам по себе, он работает в системе. Усилитель подключается к блоку питания при помощи кабеля. И суммарный ток громкоговорителя и усилителя протекает по этому кабелю. В системе блок питания – кабель – усилитель кабель включён последовательно, рис. 11. Следовательно, его сопротивление и индуктивность складываются с сопротивлением и индуктивностью накопительного конденсатора блока питания (массива). Я об этом писал в предыдущей статье. Накопительный конденсатор в блоке питания выполняет одновременно три функции:

1. Подавляет пульсации выпрямленного напряжения.
2. Подпитывает энергией усилитель, когда в напряжении питания, поступающем из сети, наступает пауза.
3. Пропускает через себя ток усилителя и его нагрузки – громкоговорителя.

Так что параметры кабеля – его сопротивление и индуктивность – сильно влияют на работу накопительного конденсатора или массива конденсаторов, если рассматривать усилитель в целом.

Мне могут возразить, что в ряде усилителей выпрямитель и накопительные конденсаторы установлены непосредственно на плате усилителя. И в этом случае соединительный кабель вообще отсутствует. Верно. Такое бывает. Не существует одного единственного самого лучшего технического решения. Всякое решение имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Если разместить накопительные конденсаторы на плате усилителя, то упростим конструкцию усилителя в целом. Потребуется всего одна печатная плата на всё устройство. Но в случае усилителя мощности, особенно большой мощности, это решение имеет слишком много недостатков.

Да, в этом случае кабель отсутствует. Но зато присутствуют дорожки из тонкой меди большой длины, идущие от конденсаторов к усилителю. И не обольщайтесь – если попытаться минимизировать длину дорожек цепи питания, то придётся увеличивать длину дорожек сигнальной цепи. А это ещё хуже.

Посмотрите на рис. 12. На нём присутствует компактный высококачественный усилитель. Что будет с этим усилителем, если на него установить ещё и те детали, которые сейчас размещены на правой плате? Или на левой (они понадобятся как минимум в удвоенном количестве)? Какой размер и вес получатся у этого усилителя? А вы уверены, что токи большой величины, протекающие по плате блока питания, которая теперь является и платой усилителя, не будут создавать помехи? А импульсный ток заряда, втекающий в конденсаторы, расположенные рядом с элементами усилителя?

А где именно на печатной плате усилителя вы разместите два таких массива конденсаторов? Точнее четыре? Потому что в моём «обычном» блоке питания ёмкость конденсаторов в два раза больше, чем в моём массиве. Ёмкость моего массива может оказаться недостаточной для полноценного питания высококачественного усилителя. Массив надо делать вдвое больше. Для качественного двуполярного питания нужно два массива по 128 конденсаторов в каждом. Именно такой двойной массив двойного размера будет аналогичен «обычному» блоку питания, показанному на рис. 12 справа.

Располагать блок питания на одной плате с мощным усилителем – плохая идея. Я для себя создал только одну такую плату – это плата усилителя наушников. Поскольку это маломощный усилитель, мне удалось снизить вредное влияние близко расположенного блока питания к такому минимуму, что оно абсолютно незаметно. Это было не очень просто. Кроме того, в усилителе наушников меньше «нагрузка» на накопительные конденсаторы. Там используется стабилизатор напряжения. В мощном усилителе, работающем на колонки, я всегда делаю отдельный блок питания. Потому что именно такая конструкция даёт уверенность в успехе: и блок питания, и сам усилитель будут сделаны наилучшим образом.

Итак, широко используемый и на самом деле «более правильный» вариант конструкции усилителя такой: усилитель выполнен отдельным модулем и установлен там, где удобнее всего. Блок питания выполнен также отдельным модулем и установлен там, где и следует находиться блоку питания. Оба этих узла сделаны «максимально правильно» и соединены между собой кабелем.

7. Влияние кабеля

Давайте исследуем, как подключение кабеля повлияет на работу нового массива конденсаторов. Я использовал тот же самый кабель, что и в предыдущем исследовании. Это скрученные провода сечением 1 мм2 и длиной порядка 30 см. Активное сопротивление кабеля равно 10 миллиом, а индуктивность примерно 200 наногенри, рис. 13, 14.

Сначала сравним свойства системы старый массив конденсаторов – кабель измеренные прошлый раз и сегодня, рис. 15, 16.

Графики демонстрируют хорошее совпадение, следовательно прошлый и сегодняшний методы измерения равноценны и в измеряемых устройствах ничего не изменилось. Двигаемся дальше.

На рисунках 17 и 18 показано сравнение старого и нового массива, включенных через такой кабель. Куда подевалась хорошо заметная разница между массивами? Где «почти идеальные высокочастотные свойства» нового массива? Разница практически отсутствует.

Посмотрите, как ухудшились высокочастотные свойства нашего хорошего, почти идеального нового массива при подключении через небольшой кабель, рис. 19!

Результат совпадает с тем, что продемонстрирован в моей предыдущей статье про массив конденсаторов. Пусть и очень маленькие, но всё же существующие активное сопротивление и индуктивность кабеля сводят на нет все преимущества массива конденсаторов. Добавленный в систему кабель нивелирует любую (разумную) разницу между видами накопительных конденсаторов. Это хорошо видно из рисунков 20 и 21. В таких условиях новый массив совсем ненамного лучше одиночного конденсатора, а старый массив несколько хуже. Но в целом разница между всеми ними невелика.

Кабель, идущий от блока питания к усилителю, уничтожает всю разницу между массивами и конденсаторами, какими бы хорошими они ни были!

Так что повар прав: один-единственный продукт супер высокого качества не гарантирует, что всё блюдо будет замечательно вкусным.

Но не нужно огорчаться, у нас ведь имеется секретный ингредиент! Его задача – спасти наше блюдо в целом, не требуя использования лучших в мире продуктов.

8. Выход есть

Об этом я также писал в своей предыдущей статье. Идея в том, что на плате усилителя, как можно ближе к «нужному месту» устанавливается дополнительный конденсатор, ёмкость которого с одной стороны достаточно большая, чтобы заметно влиять на работу всей системы питания. А с другой стороны, ёмкость этого дополнительного конденсатора не настолько большая, чтобы его частотные свойства были плохими. И этот дополнительный конденсатор практически полностью устраняет негативное влияние кабеля, идущего от блока питания к усилителю, рис. 22, 23.

На плате усилителя, показанной на рис. 23 (это та же самая плата, что и на рис. 12) суммарная длина проводников, соединяющих дополнительный конденсатор с микросхемой, равна всего лишь 42 миллиметра. Проводники имеют большую ширину, их две пары, они расположены на обеих сторонах печатной платы и соединены параллельно. Ёмкость дополнительных конденсаторов равна 1000мкФ. Так что негативное влияние соединительного кабеля практически устранено.

Кстати, на фотографии показан другой кабель. Тот кабель, который участвует в измерениях, сделан специально для измерений. Он сделан честно – качественно и из провода большого сечения. Кабель, показанный на рис. 23 в реальности хуже того, который участвует в измерениях. У него меньше сечение проводов, и его индуктивность вполне может быть выше. Но этот кабель я реально использую в работе. Я использую этот кабель при тестировании усилителей. А в некоторых моих усилителях используется кабель питания даже с несколько худшими свойствами. И всё отлично работает, я не сталкивался с тем, чтобы кабель мешал работать моим усилителям. Потому, что в моих усилителях всегда установлены дополнительные конденсаторы в цепях питания.

Давайте повторим эксперимент, но уже с участием кабеля. Исследуем три варианта накопительного конденсатора блока питания: старый массив, новый массив и обыкновенный одиночный конденсатор. Теперь эти устройства подключаются через кабель, и в усилителе используется дополнительный конденсатор, как это показано на рис. 22.

Результаты можно увидеть на рис. 24. Все три устройства работают примерно одинаково.

Это вполне ожидаемо. На стороне измерений (то что «видит» усилитель) находится один и тот же конденсатор 1000 мкФ. А одиночный накопительный конденсатор блока питания либо массив конденсаторов отделены от усилителя кабелем. Поэтому результаты измерений – это главным образом свойства дополнительного конденсатора плюс свойства кабеля. А они остаются неизменными. Вот и результаты практически одинаковы.

Так что оказывается, что не так уж и важно, что именно установлено на той стороне кабеля. Главное – что установлено на стороне усилителя.

9. Желай другим того же, чего желаешь себе

Для подтверждения последнего тезиса я повторил измерения, добавив ещё два устройства: конденсатор другого типа (он малогабаритный, поэтому его свойства немного хуже) и блок из трёх конденсаторов по 4700 мкФ. Подобные блоки часто используются вместо одного конденсатора большой ёмкости по конструктивным соображениям. Результаты вы видите на рис. 25. Все конденсаторы примерно одинаковы. Выше частоты 8 кГц разница микроскопическая. На частотах выше 20 кГц разницы вообще нет.

Массив сам по себе, как отдельный независимый компонент, имеет очень хорошие свойства. Можно смотреть на его свойства и радоваться. Но при работе в усилителе, в системе, совместно с множеством других элементов, отличные высокочастотные свойства массива нивелируются. И в реальности он работает ничуть не лучше обычного качественного одиночного конденсатора.

Именно по этой причине я не сторонник массивов конденсаторов.

Качество питания усилителя на высоких частотах на 99% определяется тем конденсатором, который установлен на плате усилителя.

И вот этому конденсатору необходимо уделить пристальное внимание. И обязательно зашунтировать его плёночным, либо керамическим конденсатором достаточно большой ёмкости.

Ещё у моего массива конденсаторов есть существенный недостаток, про который я уже говорил. Это его сравнительно небольшая ёмкость. Суммарная ёмкость конденсаторов моих массивов составляет 14000 мкФ. Но этого мало! Погнавшись за хорошей работой на высоких частотах, мы забыли о низких частотах! И о запасе энергии, необходимой для подпитки усилителя в паузе напряжения, поступающего из сети.

Посмотрите ещё раз на рисунок 12. На нём слева новый массив конденсаторов, а справа – один из моих блоков питания. Это блок питания 2×3 конденсатора диаметром 30 мм. Он имеет такую же площадь платы (даже чуть меньше), как и массив. Но на этой плате размещены два канала питания с суммарной ёмкостью конденсаторов 30000мкФ в каждом, выпрямитель и некоторые дополнительные устройства. Такая ёмкость эквивалентна четырём платам массивов! Да ещё вам потребуется выпрямитель.

Большая ёмкость накопительных конденсаторов «обычного» блока питания улучшает работу усилителя на низких частотах, и обеспечивает достаточно энергии для работы усилителя в самых неблагоприятных условиях. Рисунок 26 иллюстрирует мои слова. Это совместная работа всех трёх устройств, показанных на рис. 12 (не забывайте про кабель!). Это то, что «видит» усилитель, когда он питается либо от «обычного» блока питания, либо от массива конденсаторов. То есть, именно так усилитель будет работать реально.

Судя по графикам на рисунке 26, на частотах 20…800 Гц «обычный» блок питания имеет лучшие свойства, чем массив. Выше частоты 800 Гц разница исчезает.

Если рассматривать усилитель в целом, всю систему в комплексе и на всех частотах, то массив конденсаторов проигрывает «обычному» блоку питания!

Даже если это новый очень хороший массив!

Если быть очень-очень внимательным, то можно заметить, что на рис. 26 в диапазоне частот 2…10 кГц зелёная линия проходит чуть-чуть ниже синей. Разницу можно увидеть, если использовать увеличительное стекло и как следует приглядеться. Значит массив всё же чуть-чуть лучше. Только это микроскопическое преимущество массива очень сильно зависит от кабеля, соединяющего блок питания с усилителем, от конкретных конденсаторов и от конструкции печатных плат. В другой ситуации разница может быть как немного больше, так и ещё меньше.

Использовать массив конденсаторов, или нет – решать вам. Если вы верите, что какой-то «волшебный» компонент только лишь самим своим присутствием улучшит работу вашего устройства… Реальность демонстрирует нам совсем другие факты. Качество работы системы зависит от совокупности компонентов и их связей. Здесь работает «принцип конвоя». Ухудшение одного из компонентов системы может ухудшить всю систему. Но улучшение одного из компонентов не обязательно всю систему заметно улучшит.

Лично я не использую массивы конденсаторов. Не потому, что это мой жизненный принцип. А потому, что в них нет никакой выгоды. Но вот если это будет мне полезно конструктивно, если будет нужно вставить заданную конструкцию в заданный корпус и будут нужны платы большой площади и небольшой высоты… Тогда массив конденсаторов может быть рассмотрен.

30.07.2025