Частотные свойства электролитических конденсаторов

Я уже изучал частотные свойства электролитических конденсаторов. Результаты опубликованы в статье Конденсаторы LowESR – свойства и применение. Там же приведена небольшая теория и даны пояснения, как анализировать графики частотных характеристик конденсаторов. Очень рекомендую сначала ознакомиться с этой статьёй, чтобы были понятны идеи, термины и обозначения, которые я здесь применяю.

Итак, мы немного познакомились с конденсаторами типа LowESR. Давайте теперь рассмотрим частотные характеристики самых разных электролитических конденсаторов. Чем они различаются. Каковы их частотные свойства и от чего они зависят. Это даст нам пищу для размышлений и поможет оценить применимость тех или иных конденсаторов в самых разных схемах.

Здесь рассмотрены только лишь частотные свойства некоторых электролитических конденсаторов. Другие свойства и другие конденсаторы здесь не изучались!

При измерениях величина тока через конденсатор зависела от частоты. Максимальное значение тока составляло порядка 50…70 мА амплитуды. Так что конденсаторы работали в режимах, вполне соответствующих их реальной работе.

По возможности я использовал для сравнения однотипные конденсаторы. К сожалению, не всегда такая возможность была. Чаще всего это были «конденсаторы из коробки», какие были у меня в наличии. Эти конденсаторы были либо одного производителя, но разных типов (например, компания TDK-EPCOS производит только лишь «стандартные» конденсаторы множества типов, рис. 0.1) с различающимися свойствами. Либо в однотипные, но от различных производителей. Поэтому некоторые сравнения получились не очень наглядными.

Rонденсаторов, производимыt компанией EPCOS.
Рис. 0.1. Разнообразие конденсаторов, производимых компанией EPCOS.

С другой стороны, появилась возможность сравнить очень разные конденсаторы различных производителей. Обычно у DIY разработчика имеется в наличии «зоопарк» электронных компонентов, и данное исследование поможет определиться с возможностью и условиями их применения.

Некоторые конденсаторы, участвовавшие в тестах, неизвестного производителя. Они приобретались довольно давно на радиорынке.

Измерения показали, что конденсаторы брендовых производителей примерно одинаковы. Так что не имеет значения, конденсатор какого производителя вы используете.

Рассмотрим всё более подробно. И постараемся сделать выводы из каждого из экспериментов.

Частотные свойства электролитических конденсаторов

1. Частотные свойства одинаковых конденсаторов от разных производителей

На рисунках 1.1-1.4 показаны частотные характеристики «стандартных» конденсаторов от различных производителей.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 47 мкФ 16В различных производителей.
Рис. 1.1. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 47 мкФ 16В различных производителей.

Вывод 1.1. У некоторых конденсаторов (красная линия на рис. 1.1) наблюдается две резонансные частоты. Это действительно так – фазовая характеристика N-образная и дважды пересекает ось абсцисс. Чем это вызвано – я не знаю. Возможно электрохимическими процессами в электролите. Электролит имеет ионную проводимость, и подвижность ионов в принципе может создавать такой эффект.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 100 мкФ 16В различных производителей.
Рис. 1.2. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 100 мкФ 16В различных производителей.

Я ввёл такой термин – максимальная эффективная частота fmax. (Конденсаторы LowESR – свойства и применение) Это частота, на которой реактивное сопротивление конденсатора становится равным значению его ESR. То есть |Xs|=Rs. Смысл этой частота состоит в том, что на более высоких частотах эффективность конденсатора не улучшается, а на очень высоких частотах даже ухудшается. f0 – резонансная частота конденсатора.

Вывод 1.2. Индуктивность конденсатора и его ESR скорее всего взаимосвязаны. Чем больше ESR, тем меньше индуктивность, и, следовательно, больше значение частоты f0. Но ESR является более важным, чем индуктивность конденсатора. На рис. 1.2 резонансная частота конденсатора Gloria почти в два раза выше, чем у конденсатора Jamicon. Но зато частота fmax (максимальная эффективная частота) у Jamicon в два раза выше, чем у конденсатора Gloria. Производитель конденсатора Gloria мне неизвестен.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 220 мкФ 25В различных производителей.
Рис. 1.3. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 220 мкФ 25В различных производителей.

Вывод 1.3. Конденсаторы, произведённые в Китае, по частотным свойствам зачастую не отличаются от известных брендов. Может быть они хуже по каким-нибудь другим параметрам, а может и нет. Ведь современное оборудование для производства конденсаторов у всех производителей примерно одинаковое. Конденсаторы JRB показывают довольно хорошие результаты. Они продаются в России достаточно серьёзными поставщиками. Я их использую уже некоторое время в цепях, не являющихся ответственными, и пока никаких претензий им предъявить не могу.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 470 мкФ 50В различных производителей.
Рис. 1.4. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 470 мкФ 50В различных производителей.

Вывод 1.4. Разброс свойств конденсаторов известных производителей может быть довольно большим. Возможно, это конденсаторы различных типов, например, с максимальной рабочей температурой 85 градусов и 105 градусов (улучшение температурных свойств происходит за счёт ухудшения каких-то других свойств).

2. Разные экземпляры конденсаторов от одного и того же производителя

Давайте посмотрим на разброс свойств одинаковых конденсаторов одного и того же производителя. Я тестировал конденсаторы, приобретённые одной партией в крупном интернет-магазине.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 47 мкФ 50В одного типа производителя JRB.
Рис. 2.1. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 47 мкФ 50В одного типа производителя JRB.
Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 10 мкФ 50В одного типа производителя TDK-EPCOS.
Рис. 2.2. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 10 мкФ 50В одного типа производителя TDK-EPCOS.
Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 220 мкФ 16В одного типа производителя Jamicon.
Рис. 2.3. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов 220 мкФ 16В одного типа производителя Jamicon.
Частотные характеристики конденсаторов 47 мкФ 16В LowESR одного типа производителя Jamicon.
Рис. 2.4. Частотные характеристики конденсаторов 47 мкФ 16В LowESR одного типа производителя Jamicon.

Вывод 2.1. Разброс свойств конденсаторов очень мал, различные экземпляры конденсаторов практически идентичны. Наибольший разброс наблюдается у китайских JRB (сами конденсаторы маркируются буквами JB, на графиках может быть указано и так, и так).

С конденсаторами noname я такой тест провести не смог – все эти конденсаторы у меня по  одному экземпляру.

3. Стандартные конденсаторы vs конденсаторы типа LowESR

Теперь давайте посмотрим, насколько конденсаторы со сниженным сопротивлением лучше, чем «стандартные». Это более полное исследование, чем описано в предыдущей статье.

Частотные характеристики конденсаторов 100 мкФ 16В std. и LowESR производителя Jamicon.
Рис. 3.1. Частотные характеристики конденсаторов 100 мкФ 16В std. и LowESR производителя Jamicon.
Частотные характеристики конденсаторов 220 мкФ 25В std. и LowESR разных производителей.
Рис. 3.2. Частотные характеристики конденсаторов 220 мкФ 25В std. и LowESR разных производителей.
Частотные характеристики конденсаторов 220 мкФ 16В std. и LowESR производителя Jamicon. Конденсаторы LowESR имеют различные размеры.
Рис. 3.3. Частотные характеристики конденсаторов 220 мкФ 16В std. и LowESR производителя Jamicon. Конденсаторы LowESR имеют различные размеры.
Частотные характеристики конденсаторов 470 мкФ 25В std. и LowESR различных размеров и производителей.
Рис. 3.4. Частотные характеристики конденсаторов 470 мкФ 25В std. и LowESR различных размеров и производителей.

Вывод 3.1. Конденсаторы LowESR кроме пониженного сопротивления также имеют однозначно лучшие частотные свойства. Их максимальная эффективная частота fmax в 2,5…4,5 раза больше, чем у стандартных.

Резонансная частота f0 у конденсаторов LowESR ниже, чем у стандартных. Так что  правило «чем меньше ESR, тем ниже больше индуктивность» работает. Но резонансная частота не важна. На этой частоте активное сопротивление конденсатора (ESR) намного больше реактивного, и на работу конденсатора влияет именно его активное сопротивление, а не его реактивное сопротивление.

Конденсаторы LowESR имеют однозначно лучшие реальные частотные свойства по сравнению со «стандартными».

По прежнему наблюдения показывают: чем больше размер конденнсатора, тем меньше его ESR.

4. Влияние ёмкости конденсатора на его частотные свойства

Теперь рассмотрим, как влияет ёмкость конденсатора на его частотные свойства. Тестируются конденсаторы различной ёмкости с одинаковым рабочем напряжением. Конденсаторы по возможности однотипные, но не все.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с рабочим напряжением 25 вольт и ёмкостью 22…1000 мкФ.
Рис. 4.1. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с рабочим напряжением 25 вольт и ёмкостью 22…1000 мкФ.

Вывод 4.1. Чем больше ёмкость конденсатора, тем меньше его ESR и ниже резонансная частота. Но самое главное, чем больше ёмкость конденсатора, тем ниже его максимальная эффективная частота fmax.

Ещё раз:

Чем больше ёмкость конденсатора, тем ниже его максимальная эффективная частота fmax.

Это хорошо видно из рис. 4.2. На максимальной эффективной частоте линия |Z| из наклонной переходит в горизонтальную. Для конденсатора ёмкостью 22 мкФ максимальная эффективная частота fmax=10 кГц, для конденсатора ёмкостью 1000 мкФ fmax=1,7 кГц. Это понятно, конденсатор большой ёмкости можно представить как несколько конденсаторов меньшей ёмкости, соединённых параллельно в одном корпусе. При этом индуктивность увеличивается из-за увеличения длины обкладок.

Частотные характеристики модуля импеданса «стандартных» конденсаторов с рабочим напряжением 25 вольт и ёмкостью 22…1000 мкФ.
Рис. 4.2. Частотные характеристики модуля импеданса «стандартных» конденсаторов с рабочим напряжением 25 вольт и ёмкостью 22…1000 мкФ.

Обратите внимание, на частотах выше примерно 40…50 кГц разница между конденсаторами 22 мкФ и 47 мкФ отсутствует.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с рабочим напряжением 50 вольт и ёмкостью 10…1000 мкФ.
Рис. 4.3. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с рабочим напряжением 50 вольт и ёмкостью 10…1000 мкФ.
Частотные характеристики модуля импеданса «стандартных» конденсаторов с рабочим напряжением 50 вольт и ёмкостью 10…1000 мкФ.
Рис. 4.4. Частотные характеристики модуля импеданса «стандартных» конденсаторов с рабочим напряжением 50 вольт и ёмкостью 10…1000 мкФ.

А в этом случае три конденсатора самой большой ёмкости практически перестают различаться выше 20 кГц.

Из рис. 4.1 можно сделать вывод: возможно, что максимальная эффективная частота конденсатора уменьшается пропорционально квадратному корню из увеличения его ёмкости. Рисунок 4.3 этот тезис не подтверждает, но свойства конденсаторов небольшой ёмкости близки к указанной зависимости.

5. Влияние максимального рабочего напряжение конденсатора  на его частотные свойства

Этот тест сделан при противоположных условиях. Ёмкость конденсаторов одинаковая, а максимальное рабочее напряжение разное.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с одинаковой ёмкостью 47 мкФ и различным рабочим напряжением 16…50 вольт.
Рис. 5.1. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с одинаковой ёмкостью 47 мкФ и различным рабочим напряжением 16…50 вольт.

На первый взгляд всё однозначно: чем больше максимальное рабочее напряжение конденсатора, тем меньше его ERS ниже резонансная частота и выше максимальная эффективная частота. Но продолжим наши исследования.

Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с одинаковой ёмкостью 100 мкФ и различным рабочим напряжением 16…450 вольт.
Рис. 5.2. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с одинаковой ёмкостью 100 мкФ и различным рабочим напряжением 16…450 вольт.
Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с одинаковой ёмкостью 220 мкФ и различным рабочим напряжением 16…63 вольт.
Рис. 5.3. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с одинаковой ёмкостью 220 мкФ и различным рабочим напряжением 16…63 вольт.
Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с одинаковой ёмкостью 470 мкФ и различным рабочим напряжением 16…63 вольт.
Рис. 5.4. Частотные характеристики «стандартных» конденсаторов с одинаковой ёмкостью 470 мкФ и различным рабочим напряжением 16…63 вольт.
Частотные характеристики конденсаторов LowESR с одинаковой ёмкостью 470 мкФ и различным рабочим напряжением 16…63 вольт.
Рис. 5.5. Частотные характеристики конденсаторов LowESR с одинаковой ёмкостью 470 мкФ и различным рабочим напряжением 16…63 вольт.

Вывод 5.1. Чёткая и однозначная зависимость между максимальным рабочим напряжением конденсатора и его частотными свойствами отсутствует. Правило «чем больше рабочее напряжение конденсатора, тем выше его максимальная эффективная частота» выполняется плохо, так что скорее всего такого  правила не существует.

С одной стороны этот тест не является корректным: в нём участвовали конденсаторы различных производителей и различных типов (либо в рамках класса «стандарт», либо класса LowESR). С другой стороны, обычно так и бывает на практике, когда приобретаются те конденсаторы, которые есть в магазине.

И вообще, у меня сложилось впечатление, что чем больше размер конденсатора, тем вероятно меньше его ESR при прочих равных условиях.

6. Сравнение полярные и неполярных (биполярных) конденсаторов

«Обычные» электролитические конденсаторы должны работать с постоянным поляризующим напряжением. То есть, на нах должно присутствовать постоянное напряжение смещения, превышающее по величине любое возможное переменное напряжение.

Но в некоторых случаях конденсаторы применяются в цепях, где постоянное напряжение смещения отсутствует. Например, цепь подведения отрицательной обратной связи звукового усилителя мощности. Для применения в таких цепях выпускаются специальные неполярные электролитические конденсаторы. Они представляют собой два конденсатора, включённых последовательно-встречно, в одном корпусе. Другое название таких конденсаторов – биполярные (Bipolar). Оба названия обозначают одно и то же. Отличительный признак таких конденсаторов – на корпусе отсутствует знак «минус» и присутствует обозначение NP (Non Polarity).

Сравним неполярные конденсаторы с аналогичными полярными. Поскольку неполярные конденсаторы предназначены для работы при отсутствии постоянного напряжения смещения, то их тестируем дважды: как при наличии смещения (аналогично условиям теста полярных конденсаторов: offset>0), так и без смещения (при нулевом смещении offset=0).

Сравнение частотных характеристик «стандартных» полярных и неполярных (биполярных) конденсаторов одного производителя.
Рис. 6.1. Сравнение частотных характеристик «стандартных» полярных и неполярных (биполярных) конденсаторов одного производителя.

Результаты теста, показанные на рис. 6.1 наиболее корректны. Тестировались конденсаторы одного и того же производителя. На следующих двух рисунках сравниваются неполярные конденсаторы CapXon и полярные Jamicon.

Сравнение частотных характеристик «стандартных» полярных и неполярных (биполярных) конденсаторов разных производителей.
Рис. 6.2. Сравнение частотных характеристик «стандартных» полярных и неполярных (биполярных) конденсаторов разных производителей.
Сравнение частотных характеристик «стандартных» полярных и неполярных (биполярных) конденсаторов разных производителей.
Рис. 6.3. Сравнение частотных характеристик «стандартных» полярных и неполярных (биполярных) конденсаторов разных производителей.

Вывод 6.1. Заметной разницы в частотных свойствах полярных и неполярных конденсаторов не наблюдается. Также примерно равна и величина ESR. Интересно, что отсутствие смещения конденсатора постоянным напряжением повышает резонансную частоту. Скорее всего это вызвано ионными процессами в электролите. На реальную работу конденсатора это изменение резонансной частоты никак не влияет.

7. Влияние длины выводов на частотные свойства конденсаторов

В этом тесте один  и тот же конденсатор сначала включался в измерительную схему самыми кончиками выводов. Производилось измерение. Затем выводы укорачивались примерно на 10…15 миллиметров каждый, и снова производилось измерение. То есть, разница в графиках показывает уменьшение индуктивности и сопротивления при укорачивании выводов конденсатора. Посмотрим, насколько это всё будет заметно на фоне сопротивления и индуктивности самого конденсатора.

Сравнение частотных свойств одного и того же конденсатора 47 мкФ 25 В с полноразмерными выводами и выводами укороченными на 10…15 мм каждый.
Рис. 7.1. Сравнение частотных свойств одного и того же конденсатора 47 мкФ 25 В с полноразмерными выводами и выводами укороченными на 10…15 мм каждый.
Сравнение частотных свойств одного и того же конденсатора 220 мкФ 25 В с полноразмерными выводами и выводами укороченными на 10…15 мм каждый.
Рис. 7.2. Сравнение частотных свойств одного и того же конденсатора 220 мкФ 25 В с полноразмерными выводами и выводами укороченными на 10…15 мм каждый.
Сравнение частотных свойств одного и того же конденсатора 220 мкФ 25 В LowESR с полноразмерными выводами и выводами укороченными на 10…15 мм каждый.
Рис. 7.3. Сравнение частотных свойств одного и того же конденсатора 220 мкФ 25 В LowESR с полноразмерными выводами и выводами укороченными на 10…15 мм каждый.

Факт, что уменьшение длины проводников приводит к уменьшению их активного сопротивления и индуктивности общеизвестен. Но вот такого, что я замечу разницу в уменьшении размеров цепи на 20…30 миллиметров (два вывода по 10…15 мм каждый) на звуковых частотах – я не ожидал. Тот факт, что разница в сопротивлении всё же заметна, говорит о хорошей точности проведённых измерений. В «стандартных» конденсаторах изменение длины выводов не сказывается на их частотных свойствах, так как разница является очень маленькой. А вот конденсаторы LowESR имеют достаточно низкое собственное сопротивление, поэтому улучшение их свойств заметно. Максимальная эффективная частота fmax увеличилась на 20%: с 11 кГц до 13,5 кГц.

Вывод 7.1. Стремление к уменьшению длины выводов не должно быть самоцелью. Но по возможности следует сокращать не только длину выводов элементов, но и длину печатных проводников на плате.

8. Частотные свойства «древних» конденсаторов

Давайте заодно протестируем конденсаторы, выпущенные во второй половине XX века. Современные конденсаторы имеют гораздо меньшие габариты, а насколько изменились частотные свойства у современных конденсаторов? Сравним конденсаторы выпуска 1979 и 1984 годов с современными.

«Древние» конденсаторы для сравнения я не приобретал специально, а использовал те, что у меня ещё остались. К сожалению, осталось всего два конденсатора, поэтому никакой статистики не  получилось. Если будет возможность приобрести много конденсаторов выпуска прошлого века, то я повторю этот эксперимент.

Обратите внимание на длину выводов современных конденсаторов на рис. 8.1. Это те самые «короткие выводы», которые исследовались в предыдущем эксперименте. Более короткие выводы использовать было  невозможно из-за конструктивных особенностей измерительной системы.

Внешний вид конденсаторов с одинаковыми электрическими параметрами. «Древние» и современные.
Рис. 8.1. Внешний вид конденсаторов с одинаковыми электрическими параметрами. «Древние» и современные.
Сравнение частотных свойств конденсатора типа К50-6 220 мкФ 25 В выпуска 1979 года и аналогичных конденсаторов выпуска 2020 года.
Рис. 8.2. Сравнение частотных свойств конденсатора типа К50-6 220 мкФ 25 В выпуска 1979 года и аналогичных конденсаторов выпуска 2020 года.
Сравнение частотных свойств конденсаторов типа К50-12 220 мкФ 50 В выпуска 1984 года и аналогичных конденсаторов выпуска 2020 года.
Рис. 8.3. Сравнение частотных свойств конденсаторов типа К50-12 220 мкФ 50 В выпуска 1984 года и аналогичных конденсаторов выпуска 2020 года.

Повторим эти измерения, но на графиках покажем зависимость от частоты модуля полного сопротивления (импеданса) – так интереснее сравнивать.

Сравнение частотных свойств конденсаторов 220 мкФ 25 В выпуска 1979 года и 2020 года. Модуль импеданса.
Рис. 8.4. Сравнение частотных свойств конденсаторов 220 мкФ 25 В выпуска 1979 года и 2020 года. Модуль импеданса.
Сравнение частотных свойств конденсаторов 220 мкФ 50 В выпуска 1984 года и 2020 года. Модуль импеданса.
Рис. 8.5. Сравнение частотных свойств конденсаторов 220 мкФ 50 В выпуска 1984 года и 2020 года. Модуль импеданса.

 «Древний» конденсатор 200мкФ 25В скорее всего высох: у него большое значение ESR. Но в остальном он работает нормально и ёмкость не потерял. Интересно, что и в этом конденсаторе увеличение ESR сопровождается увеличением резонансной частоты. Подобная взаимосвязь прослеживается во всех исследованных конденсаторах.

«Древний» конденсатор 200мкФ 50В по частотным свойствам оказался на уровне современных. 

Вывод 8.1. Исследованные конденсаторы были «не очень древними». И по частотным свойствам похоже мало чем уступают современным. А вот размерами превосходят значительно: в 10 раз и в 7,5 раз больше по объёму. Каковы свойства «ещё более древних» конденсаторов я не знаю. Также я не сравнивал другие свойства конденсаторов, например линейность.

Вывод  8.2. Современные конденсаторы LowESR однозначно превосходят «древние» конденсаторы по частотным свойствам.

Вывод 8.3. Даже «старые высохшие» конденсаторы могут работать вполне нормально в тех позициях на схеме, где не требуется низкое значение ESR. Но всё же есть смысл заменить их на новые и современные. Причин как минимум две:

— Современный конденсатор таких же размеров может иметь большие значения как ёмкости, так и максимального рабочего напряжения. Это во многих случаях положительно скажется на его работе.

— Если применить конденсатор не только увеличенной по сравнению с исходным ёмкостью, но и типа LowESR (в тех местах, где это разумно), то работу этой схемы можно заметно улучшить.

Поэтому замену электролитических конденсаторов в старой аппаратуре на современные можно смело рекомендовать. Но без фанатизма!

9. Частотные свойства танталовых и полимерных конденсаторов

Теперь давайте рассмотрим конденсаторы, очень редко применяемые как в DIY, так и в аудио аппаратуре:

— танталовые конденсаторы;

— конденсаторы с полимерным электролитом.

Существует великое множество высказываний о том, что танталовые конденсаторы являются «убийцами звука», но я так и не встретил объяснения, в чём именно это «убийство» заключается и по каким причинам оно происходит. Возможно, так оно и есть. Возможно, кто-то использовал некачественный конденсатор. Возможно, кто-то что-то сделал неправильно. Или вообще неграмотно. Возможно, это просто выдумки. Я не владею информацией, поэтому не могу поддержать ни одну из этих версий.

Но даже если это и так, то не обязательно через танталовые конденсаторы пропускать сигнал. Их можно использовать, например, в цепях питания. Точно также и конденсаторы с полимерным электролитом. Я не знаю их свойств, поэтому не могу ничего сказать об их применении в аудиотехнике.

Давайте просто исследуем частотные свойства этих конденсаторов.

А потом уже будем делать  выводы о том, куда и как их применить.

Сравнение частотных свойств танталовых, «полимерных» и алюминиевых конденсаторов 100мкФ 16В.
Рис. 9.1. Сравнение частотных свойств танталовых, «полимерных» и алюминиевых конденсаторов 100мкФ 16В.
Сравнение частотных свойств «полимерных» и алюминиевых конденсаторов 220мкФ 25В.
Рис. 9.2. Сравнение частотных свойств «полимерных» и алюминиевых конденсаторов 220мкФ 25В.

Повторим эти измерения, но на графиках покажем зависимость от частоты модуля полного сопротивления (импеданса).

Сравнение частотных свойств танталовых, «полимерных» и алюминиевых конденсаторов 100мкФ 16В. Модуль полного сопротивления (импеданс).
Рис. 9.3. Сравнение частотных свойств танталовых, «полимерных» и алюминиевых конденсаторов 100мкФ 16В. Модуль полного сопротивления (импеданс).
Сравнение частотных свойств «полимерных» и алюминиевых конденсаторов 220мкФ 25В. Модуль полного сопротивления (импеданс).
Рис. 9.4. Сравнение частотных свойств «полимерных» и алюминиевых конденсаторов 220мкФ 25В. Модуль полного сопротивления (импеданс).

Вывод 9.1. Танталовые и особенно «полимерные» конденсаторы имеют гораздо меньшее значение ESR, чем алюминиевые. В результате максимальная эффективная частота «полимерного» конденсатора 100мкФ 16В в десять (!) раз выше, чем стандартного алюминиевого. Можно ли пропускать через такие конденсаторы звуковой сигнал, я не знаю. Но вот использовать «полимерные» конденсаторы в фильтрах питания, особенно в импульсных источниках – это очень хорошо.

10. Частотные свойства конденсаторов для аудио

Я понимаю, что замахнулся на святое. Пытаюсь проверить алгеброй гармонию. Но с другой стороны, звучание конденсатора определяется его техническими свойствами. Говорят, что важно ещё волшебство конденсатора, но вот его я пока никак оценить не могу. Могу только измерить частотные свойства. Другие технические параметры, влияющие на звук, например линейность я не измерял.

Я сравниваю конденсаторы 10 мкФ 50 вольт типов Nichicon audio и «стандартный» Jamicon, рис. 10.1. Откуда у меня конденсаторы Nichicon audio я уже не помню. Кажется когда-то купил «про запас», но так и не воспользовался.

Внешний вид конденсаторов 10 мкФ 50В Nichicon audio и Jamicon Standard.
Рис. 10.1. Внешний вид конденсаторов 10 мкФ 50В Nichicon audio и Jamicon Standard.

Я измерил частотные свойства трёх конденсаторов каждого типа. Результаты показаны на рис. 10.2.

Сравнение частотных свойств конденсаторов 10 мкФ 50В Jamicon Standard и Nichicon audio.
Рис. 10.2. Сравнение частотных свойств конденсаторов 10 мкФ 50В Jamicon Standard и Nichicon audio.

Как видно из рисунка 10.2, конденсаторы каждого из типов практически одинаковы по своим свойствам, их разброс очень мал. И в общем командном зачёте конденсаторы for audio в среднем примерно в 1,3 раза имеют большее значение ESR, чем «стандартные». Значит максимальная эффективная частота у них во столько же раз меньше. Зато разброс их свойств минимален – все три линии буквально сливаются в одну.

Так что по крайней мере по частотным свойствам аудиоконденсаторы ничем не превосходят обычные. Не все, а только исследованные мною. Но с другой стороны, если разница есть, она должна проявляться для конденсаторов всех номиналов.

11. Конденсатор небольшой ёмкости, подключаемый параллельно конденсатору большой ёмкости.

Существует мнение, что если параллельно электролитическому «низкочастотному» конденсатору большой ёмкости подключить параллельно «высокочастотный» электролитический конденсатор маленькой ёмкости, то у получившегося «двойного конденсатора» частотные характеристики значительно улучшатся. Так ли это?

Предположим, мы взяли конденсатор ёмкостью 1000 мкФ и подключили параллельно ему конденсатор ёмкостью 47 мкФ. Что получится? Ёмкость добавочного конденсатора составляет 5% от ёмкости исходного. Значит и исходный конденсатор вряд ли улучшится больше, чем на эти же пять процентов. Этот упрощённый анализ иллюстрирует рис. 11.1.

Влияние параллельного конденсатора небольшой ёмкости.
Рис. 11.1. Влияние параллельного конденсатора небольшой ёмкости.

На самом деле преобразования сопротивлений, показанные на рис. 11.1 несколько приблизительные. Я вычислял эквивалентные сопротивления при «обычном» параллельном соединении. А надо было производить вычисления с комплексными числами, описывающими эту схему. Но погрешность таких упрощённых вычислений невелика, а результат подтверждает предварительный вывод, сделанный выше – польза от такого конденсатора очень мала.

Давайте проведём эксперимент, и увидим, что же происходит в действительности, рис. 11.2.

Сравнение частотных свойств системы из конденсатора 1000 мкФ и подключаемых параллельно ему электролитических конденсаторов небольшой ёмкости.
Рис. 11.2. Сравнение частотных свойств системы из конденсатора 1000 мкФ и подключаемых параллельно ему электролитических конденсаторов небольшой ёмкости.

Черная линия на рис. 11.2 – это частотные свойства конденсатора 1000 мкФ 50 вольт. Остальные линии – к этому конденсатору подключаются дополнительно конденсаторы небольшой ёмкости (они участвовали в предыдущих измерениях). Результат совпал с нашими теоретическими выводами – свойства конденсатора большой ёмкости улучшились незначительно. Синяя линия расположена заметно ниже чёрной потому, что суммарная ёмкость обоих конденсаторов, соединённых параллельно, составила 1200 мкФ – это заметно больше ёмкости исходного конденсатора.

Давайте попробуем использовать «маленькие» конденсаторы типа LowESR. У них частотные свойства лучше, чем у «стандартных», и влияние таких конденсаторов должно быть более заметным. На рис. 11.3 «помощь» маленьких конденсаторов LowESR показана пунктиром.

Сравнение частотных свойств системы из конденсатора 1000 мкФ и подключаемых параллельно ему электролитических конденсаторов небольшой ёмкости, в том числе LowESR.
Рис. 11.3. Сравнение частотных свойств системы из конденсатора 1000 мкФ и подключаемых параллельно ему электролитических конденсаторов небольшой ёмкости, в том числе LowESR.

Как видно из рис. 11.3 конденсаторы LowESR оказались эффективнее «стандартных», но всё равно, огромного  улучшения частотных свойств исходного электролитического конденсатора ёмкостью 1000 мкФ не произошло.

Для сравнения на том же графике чёрной пунктирной линией показана частотная характеристика импеданса конденсатора 1000 мкФ 50 В LowESR. Применение такого конденсатора оказывается гораздо эффективнее всевозможных «бутербродов». Так что вместо того, чтобы городить параллельные соединения, лучше взять хороший исходный конденсатор с нужными свойствами.

Возникает вопрос: а если взять исходный конденсатор большой ёмкости типа LowESR и подключить к нему параллельно конденсатор небольшой ёмкости типа LowESR? А получится то же самое, что и со «стандартными» конденсаторами, только в другом масштабе.

Вывод 11.1. Параллельное подключение электролитического конденсатора небольшой ёмкости параллельно конденсатору большой ёмкости практически не улучшает частотные свойства последнего. Однако, возможно улучшение импульсных свойств – эти  свойства конденсаторов я не проверял.

Окончательный вывод: теперь мы знаем об электролитических конденсаторах немного больше, а значит, сможем их использовать более осознано и правильно.

25.03.2023

Total Page Visits: 1366 - Today Page Visits: 1