Конденсаторы для усилителей

1. Всякие неэлектролиты

Началось все с того, что мне не понравилось звучание одного из моих усилителей, а я уже давно подзревал, что конденсатор, включенный на его вход, вносит нелинейные искажения. После того, как при исследовании усилителя на микросхеме TDA7294 я обнаружил рост искажений на низких частотах, причем при увеличении емкости искажения уменьшались (тут все понятно – чем больше емкость, тем меньше сопротивление конденсатора, и тем меньше его влияние на сигнал, а значит, и искажения), мои подозрения перешли в уверенность. И я решил измерить, какие же искажения вносят конденсаторы. И сравнить несколько наиболее распространенных типов. Ведь на качество звучания усилителей конденсаторы оказывают большое влияние!

Должен сразу предупредить, что это не совсем верное сравнение – я использовал конденсаторы, которые у меня были. Они имели разные емкости, поэтому я с ними работал на разных частотах и напряжения на них подавались не совсем одинаковые. А по хорошему, нужно было провести измерения в абсолютно одинаковых условиях: и частота, и напряжение должны быть одинаковыми. И измерять нужно было на нескольких частотах и с разными напряжениями. Да и нужно было взять по нескольку штук одинаковых конденсаторов – вдруг мне какой-то из них немного бракованный попался. То есть результаты измерения не являются “истиной в последней инстанции” при сравнении конденсаторов. Если результаты различаются сильно, то можно с уверенностью говорить о том, что какой-то из конденсаторов лучше другого. А вот если различие маленькое, то вполне возможно, что тот, который в моем случае был чуть лучше, на другой частоте будет работать немного хуже.

И потом, ведь я измерял только коэффициент гармоник, а остальные параметры качества не мерял!!! Хотя с точки зрения влияния на звук проходных конденсаторов, качество конденсаторов большей частью зависит от их линейности. Согласитесь, что если после конденсатора стоИт резистор в десятки килоом, то нет никакой разницы между конденсатором с ESR=0,01 Ом и конденсатором с ESR=0,001 Ом! Эти доли ома потеряются уже на фоне сопротивления выводов, пайки и дорожек! А вот если Кг усилителя наполовину состоит из Кг конденсатора, то это нехорошо.

Тем не менее, результаты я бы назвал ошеломляющими. Есть конденсаторы хорошие и плохие, а есть вообще ужасные!!! Конденсаторы для усилителей Я знал, что керамические конденсаторы с диэлектриком, имеющим плохой ТКЕ, нелинейные, но не думал, что настолько! 

Все измерения проводились точно, правильно и корректно, без методических погрешностей. Схема измерения приведена на рисунке 1.

Конденсаторы для усилителей
Рис. 1.

Со звуковой карты подавалось синусоидальное напряжение максимальной амплитуды (2В эфф.), резистор подбирался так, чтобы напряжение на конденсаторе было в пределах 2…2,5 В амплитудного (т.е. примерно 1,5 вольта действующего) значения. Кроме напряжения на конденсаторе, измерялось и выходное напряжение звуковой карты, чтобы контролировать ее искажения. Из измерений видно, что искажения самой карты намного меньше, и не влияют на точность (искажения карты вычитались из результатов, вычитание было абсолютно правильным: корень квадратный из разности квадратов амплитуд соответствующей гармоники).

Для того, чтобы показать точность измерений, приведу два спектра тока конденсатора (а таким способом я измеряю именно ток). Дальше эти спектры будут обработаны для большей наглядности. В рассчетах учитывались только гармоники, помехи, если и были (надите помехи на рисунках!), не учитывались.

Конденсаторы для усилителей
Рис. 2.
Конденсаторы для усилителей
Рис. 3.

Еще один важный момент – вычисление коэффициента гармоник Кг. Кроме обычного способа (рис.4 а), я пользовался нормированным к номеру гармонинки (рис.4.б).

Конденсаторы для усилителей
Рис. 4.

Этот способ нормирования придумали инженеры из лаборатории английской компании ВВС в 50-х годах ХХ века. И такой способ, когда напряжение гармоники умножается на квадрат ее номера, позволяет учесть ширину спектра гармоник. Зачем это нужно? А затем, что чем больше порядок нелинейности и шире спектр гармоник, тем хуже звук. Вот пример на рисунке 5:

Конденсаторы для усилителей
Рис. 5.

Все три варианта спектра искажений дают одинаковый Кг=0,1%. Но зеленый спектр содержит только две гармоники, и значит на слух такие искажения заметны меньше. Красный спектр содержит гармоники вплоть до 10-й, и на слух самый плохой. А Кг у них у всех одинаковый и не позволяет эти спектры различить. А нормированный К’г даст для этих спектров такие значения: 0,12%; 0,18% и 0,33%. Почувствуйте разницу!

Хочу сказать, что это не “Очередной Самый Новый Великий и Точный Метод Измерения Искажений”! Это просто модификация (и вполне законная) обычного метода, но более совершенная: если традиционный Кг позволяет учитывать только среднюю величину нелинейности передаточной характеристики (это как средняя температура по всей больнице, включая морг), то нормированный позволяет учесть и порядок этой нелинейности. И, несмотря на то, что он очень далек от совершенства и не очень хорошо соответствует слуховым ощущениям, он все же лучше, чем простой Кг. Т.е можно посмотреть с другой стороны: обычный Кг еще меньше коррелирует с субъективными ощущениями, чем нормированный. Коэффициент нормирован ко второй гармонике и его физический смысл – показать среднюю нелинейность, учитывая, насколько высшие гармоники хуже второй.

И такой подход принес пользу. Конденсаторы для усилителей Дальше будет видно, что у конденсаторв EPKOS и К73-16 Кг одинаков и равен 0,0017%. Значит ли это, что конденсаторы одинаковы? Очень может быть, что и нет. А вот если посмотреть на нормированные коэффициенты, то у EPKOSа К’г=0,0053%, а у К73-16 К’г=0,0091%. Т.е. отечественный лавсановый конденсатор имеет более широкий спектр гармоник и хуже звучит, чем импортный полипропиленовый. Но для того, чтобы не лишать читателей привычных ориентиров, я привожу и обычные Кг.

Пора перейти от затянувшегося вступления к делу и представить сегодняшних участников конкурса “мистер конденсатор” (рис.6).

Конденсаторы для усилителей
Рис. 6.

Конденсаторы керамические К10-17а и КМ-5 (скорее всего это импортный аналог наших К10-17б или К10-17в; недавно видел точно такой же отечественый конденсатор типа К10-73, но по тексту я так и оставлю наименование КМ-5, т.к. от КМ-5 они все произошли), лавсановые пленочные К73-16 и К73-17, фторопластовый ФТ1 и полипропиленовые отечественные К78-2, К78-19 и импортный EPCOS. Марку конденсатора, расположенного в центре верхнего ряда я не знаю. Подозреваю, что это пленочный, но какой? Это, скорее всего, импортный (такие стоят в мультимедийных колонках, например), он на самом деле темно-зеленого цвета (на фото не получился), поэтому я его буду называть “зеленый”. Когда узнаю тип – впишу сюда.

Итак, поехали! На спектрограммах красный спектр – ток конденсатора, синий – выход звуковухи (т.к. подключение конденсатора, как нелинейной нагрузки, приводит к искажениям; я уже писал выше, что эти искажения учитывались при вычислении коэффициентов гармоник).

1. Керамический К10-17а

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,83% , К’г = 2,2%

Страшно? Мне тоже. Я любил эти конденсаторы за хороший ТКЕ (температурный коэффициент емкости), а искажениями не интересовался (для звука использовал нечасто). А оно вон как плохо. Причем спектр гармоник очень широкий.

Вывод: не использовать для звука!

2. Керамический КМ-5 [К10-73] (класс Н90)

Конденсаторы для усилителей

Кг = 2,1% , К’г = 6,1%

Это вообще какой-то кошмар! Я подозревал, что это плохие конденсаторы, думал, что их искажения такие большие, что могут быть даже с полпроцента. Но оказалось, что все намного-намного хуже! А если учесть, что их емкость очень сильно зависит от температуры…

Обратите внимание – подключение этого конденсатора на выход звуковухи сразу создает ей нехилую кучу гармоник! Т.е. и выходное напряжение искажается из-за этого конденсатора!

Вывод: держать подальше от звуковых схем, желательно в другом шкафу и в другой комнате! Также не рекомендуется в цепях питания звуковых устройств.

Важное замечание
На мой взгляд, у нас в стране действует совершенно дурацкая система обозначений керамических конденсаторов. Дело в том, что в них используется совершенно разная керамика: если емкость маленькая, то керамика довольно качественная, с хорошей линейностью и температурной стабильностью. Когда же нужно получить высокую емкость при малых габаритах, то используют керамику просто отвратительную – и линейность очень плохая, и термостабильности никакой (при нагреве на 20 градусов емкость может измениться в 2…3 раза!), и еще и сегнетоэлектрический эффект присутствует – конденсатор работает и как пьезо-динамик, и как пьезо-микрофон!Причем заразы-производители никому не говорят в каком именно конденсаторе какая керамика. Типа догадайся сам. Я бы на их месте не стал бы все валить в одну кучу, а давал бы разные типы в зависимости от типа диэлектрика. Тогда все было бы понятно – у конденсаторов этого типа емкость небольшая, зато стабильность и линейность хорошие, а у конденсаторов другого типа емкость высокая, но за счет качества. Так нет же! Специально запутывают, наверное, чтобы шпиёны не догадались! 

Почему я раньше любил конденсаторы К10-7а? У них большой корпус по сравнению с КМ-5 (К10-73) и хороший ТКЕ. Поэтому я думал, что этот большой корпус заполнен большим количеством качественной керамики. Но оказалось, что там керамика хоть и лучше, чем у КМ-5, но все же дерьмецо. Для интереса я разломал пару конденсаторов (каждый из них 0,1 мкФ), чтобы посмотреть, что там внутри:

Конденсаторы для усилителей

Душераздирающее зрелище: в таком большом корпусе такой масенький кристалл! Теперь понятно, почему линейность плохая – я-то думал, что стенки у корпуса тоненькие, а внутри сплошь потроха. Ан нет… Зато мое предположение, что больший по размерам конденсатор (при той же емкости) может иметь более высокое рабочее напряжение, вроде подтверждается – кристалл там побольше, наверное из-за большей толщины диэлктрика. Но точный ответ даст микроскоп, а его нет у меня.

Обязательно найду и померяю конденсатор такого типа, но небольшой емкости с хорошим диэлектриком! Чтобы сравнить…

3. Пленочный К73-16 (лавсан)

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,0017% , К’г = 0,0091%

Ну это совсем другое дело! Если бы еще не было этого “хвоста” из гармоник довольно высокого порядка…

Вывод: Используйте на здоровье.

4. Пленочный К73-17 (лавсан)

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,0019% , К’г = 0,0074%

Вот тут интересно: обычный Кг у него выше, чем у предыдущего, а нормированный – меньше. Это потому, что 3-я, 4-я и 5-я гармоники у него чуть-чуть выше, а зато 11-й нет совсем! Да и “нехорошие” 8-я и 9-я заметно меньше.

Вывод: похоже, что “народный” конденсатор чуть лучше, чем К73-16, несмотря на то, что К73-16 военный (5-й приемки). Но может это случайность – разница ведь небольшая…

5. Фторопластовый ФТ-1

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,0023% , К’г = 0,0098%

Хороший, в общем-то конденсатор. У фторопласта есть ряд преимуществ (например, максимальная пропускаемая реактивная мощность на высокой частоте), но они максимально раскрываются в других местах, например в фильтрах колонок.

Вывод: нормалёк.

6. Пленочный К78-2 (полипропилен)

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,0022% , К’г = 0,0064%

Самый низкий пока что нормированный коэффициент гармоник. По обычному Кг проигрывает конденсатору К73-16, но, сравнив спектры, понимаешь, что использовать для оценки линейности именно нормированный коэффициент К’г – лучше! Максимум, что нашлось – это 5-я гармоника. Более высоких нет.

Вывод: очень линейный конденсатор.

7. Пленочный К78-19 (полипропилен) Конденсаторы для усилителей

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,0015% , К’г = 0,0049%

Та же картина, только немного лучше!

Вывод: самый линейный конденсатор в обзоре! Уж “звучать” он будет!…

8. Пленочный EPCOS (полипропилен)

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,0017% , К’г = 0,0053%

Наш оказался даже лучше! Правда это на пределе точности, и на одной частоте. Откуда вылезла 11-я гармоника напряжения, и почему нет соответствующей ей 11-й гармоники тока я не знаю. Может какая-то хитрая особенность конденсатора. Я несколько раз перемерял в разных условиях – результат тот же.

Вывод: не зря за него берут столько денег. Но хорошо бы внимательнее приглядеться в нашему К78-19 – похоже, что он не уступает буржуйскому (а по этим измерениям – даже лучше)! А дешевле.

9. Пленочный “зеленый”

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,0025% , К’г = 0,024%

В принципе неплохой, если бы не непонятно откуда взявшиеся “отдельно стоящие” 12-я, 14-я и 17-я гармоники. Хоть и маленькие, а есть. Их тут же уловил чуткий к таким безобразиям К’г, который сразу вырос из-за них в 10 раз (кто-то все еще сомневается в его пользе?).

Вывод: можно использовать для питания и для неответственных цепей. Например, в той же мультимедийной акустике (в усилителе).

10. Импортный “К73”

Конденсаторы для усилителей

По сравнению с “обычными” конденсаторами К73-17, эти (по-видимому) импортные (пока не знаю их марки) имеют меньшие габариты, и продаются на напряжения от 100 вольт и выше. На напряжение меньше 100 вольт не встречал. Причем их появляется все больше и больше за последние год-два. Посмотрим, что за птица.

Конденсаторы для усилителей

Кг = 0,0027% , К’г = 0,012%

Линеность чуть хуже, чем у К73-16 и К73-17. Наверное это расплата за меньшие габариты. Но в принципе неплохо.

Вывод: можно использовать, но наш К73-17 лучше. Зато в цепях питания эти конденсаторы получаются выгоднее – при напряжениях выше 50 вольт К73-17 на 63 вольта уже использовать не стОит. А эти запросто пойдут и по габаритам будут меньше (значит на то же место можно поставить большую емкость!).

Награждение победителей

Расставим конденсаторы по местам, учитывая, что у нас два оценочных коэффициента, и таблица рекордов тоже получается двойная (интересно, что в правой половине все первые места заняли полипропиленовые конденсаторы, которые и по субъективным оценкам всегда ставят на первое место. Значит ли это, что нормированный К’г ближе к субъективным ощущениям?..)

МестоТип “Обычный” Кг, %МестоТип Нормированный К’г, %
1К78-190,0015 1К78-190,0049
2EPCOS0,0017 2EPCOS0,0053
3К73-160,0017 3К78-20,0064
4К73-170,0019 4К73-170,0074
5К78-20,0022 5К73-160,0091
6ФТ-10,0023 6ФТ-10,0098
7“Зеленый”0,0025 7Импортный “К73”0,012
8Импортный “К73”0,0027 8“Зеленый”0,024
9К10-17а0,83 9К10-17а2,2
10КМ-52,1 10КМ-56,1

Думаю, комментарии излишни.

Продолжение на следующей странице.