Ламповые усилители, конденсаторы для акустики

В заметке приведены результаты исследования конденсаторов в звуке от известного специалиста Евгения Карпова. Внимание коллектива экспериментаторов изначально привлекла плата разделительных фильтров, из импортной акустической системы неопределённого происхождения. При ближайшем рассмотрении на плате обнаружилась фирменная эмблема довольно известного производителя, что заставило посмотреть на эту плату другими глазами. Несколько удивило то, что одна из катушек оказалась намотанной на незамкнутом ферромагнитном сердечнике. Захотелось узнать, что же это за чудо-материал, по внешнему виду похожий на обыкновенный альсифер. Кроме того, в фильтрах были использованы неполярные электролитические конденсаторы. Это тоже вызвало повышенный интерес. Случайно в лаборатории оказался усилитель Sоnу ТА-N80ЕS, обладающий очень высокой линейностью и запасом мощности. Это благоприятное сочетание параметров позволило воспользоваться им как генератором в составе измерительного устройства. Испытать элементы фильтров в режимах работы, близких к реальным, позволяет наличие измерителя искажений в составе оборудования на испытательном стенде.

Подключение к стенду индуктивности с сердечником ничего, кроме разочарования, не вызвало. Чудо не состоялось, и появившаяся в спектре здоровенная третья гармоника подтвердила известную аксиому - все катушки должны быть воздушными. Подключение емкостей тоже не особенно порадовало, поскольку были зафиксированы вносимые ими довольно значительные искажения. Собственно говоря, по причине столь явного несоответствия между имиджем фирмы и полученным результатом измерений, торговая марка производителя названа не будет. Возможно, это подделка, а если нет, то вероятно они исправились - плата довольно старая. Для сравнения были подключены несколько емкостей другого типа и различия в уровне вносимых искажений оказались очень значительными. Было решено обследовать все доступные типы емкостей, теоретически пригодных для применения в разделительных фильтрах.

Методика испытаний. В акустических системах среднего качества используют разделительные фильтры первого и второго порядка. Для двухполосной системы они показаны на рисунке 1а и 1б, соответственно.

Эквивалентные схемы включения конденсатора для приведенных схем показаны на рисунке 2. В исследовании оценивалось измерение уровня вносимых искажений для конкретного фильтра, а уровень искажений, вносимый различными типами емкостей, для проведения испытаний была выбрана схема 2а. Она наиболее проста, и ток емкости непосредственно равен току нагрузки. Схемы 2б и 2в понадобятся в дальнейшем. Для проведения измерений сопротивление головки заменено на эквивалентное резистивное сопротивление. Это вполне допустимое упрощение, так как выше резонансной частоты головки, в рабочем диапазоне частот, можно принять сопротивление головки приблизительно равным его номинальному значению. В традиционных схемах частоты среза фильтров, как правило, лежат существенно выше резонансных частот головок.

Схема, в которой исследованы емкости для тестирования, показана на рисунке 3. Эквивалентное сопротивление нагрузки RL принято равным 8Ом. Измерительные приборы подключены параллельно нагрузке, на которой устанавливалось действующее напряжение близкое к 7В, что соответствует 6 Ваттам мощности на динамической головке. Результаты измерений, приведены в таблице ниже. Там много информации, численные результаты измерений уровней гармонических составляющих для конденсаторов разных типов.

Обзор допущений и ограничений. 1.В графе таблицы - «Примечание», указаны конкретные номиналы емкостей, которые тестировались. Если емкость составлялась из нескольких емкостей меньшего номинала, то после рабочего напряжения указывается число параллельно включенных емкостей. 2.Универсальная емкость с полипропиленовым диэлектриком производства Cornell Dubilier. 3.Емкость с полипропиленовым диэлектриком производства Iskara, основное назначение емкости - работа в фазосдвигающих цепях электродвигателей. 4.Электролитическая неполярная емкость использованная в разделительном фильтре акустической системы. Производителя емкости, определить не удалось. 5.Полярные электролитические емкости были включены последовательно. 6.Коэффициент гармоник рассчитан не относительно тестового сигнала, а относительно уровня первой гармоники, измеренной в этом испытании. Это вызвано сложностью точной установки уровня первой гармоники в каждом испытании.

Измерения проводили на двух частотах. Для емкостей сравнительно больших номиналов, более 10mkF выбрана частота 500Нz. А для емкостей меньших номиналов - на частоте 5kНz. Выбор частот для измерений был сделан, исходя из реально встречающихся частот раздела в двух- и трех полосных громкоговорителях. А на фото далее показаны характерные для них спектры сигнала на резистивной нагрузке. Для сравнения, на рисунках 4 и 5 приведен спектр выходного сигнала усилителя на частотах 500Нz и 5kНz соответственно.

Анализ результатов и рекомендации по выбору типа конденсатора. Как видно из таблицы, конденсаторы, в которых используется в качестве диэлектрика бумага, в основном, имеют худшие показатели. Это относится как к электролитическим конденсаторам, так и к неэлектролитическим конденсаторам с неполярной пропиткой. Результат вполне объяснимый: бумага, являющаяся органическим диэлектриком, обладает значительной абсорбцией электрических зарядов и значительными потерями в области повышенных частот [1]. Металлобумажные (МБГО) и бумажные (КБГ-МН) конденсаторы, удовлетворительно работающие при больших поляризующих напряжениях, обнаружили неприятную особенность при его отсутствии - обогащение спектра сигнала высшими нечетными гармониками, вплоть до девятой. Из бумажных конденсаторов удовлетворительные результаты (сравнимые с пленочными емкостями) показали конденсаторы типа К42-У2 и К42-114 с металлизированными обкладками. По сравнению с бумажными емкостями пленочные емкости вносят значительно меньшие искажения в сигнал, и отличия между емкостями с разным диэлектриком существенно меньше. Также пленочные емкости имеют значительно меньшие потери [2].

В пленочных конденсаторах нелинейность характеристик, в основном, определяется типом используемого диэлектрика. По результатам испытаний видно, что наименьшие искажения обеспечивали конденсаторы с полипропиленовым диэлектриком (КТSМ66, КNМ3117), чуть хуже - полиэтилентерефталатные (К73П, К73-17). Следует отметить, что испытанные конденсаторы практически не вносят четных гармоник в сигнал. Это свидетельствует о высокой симметричности характеристик. Из всего вышесказанного следует вывод, что при подборе конденсаторов для фильтров нужно избегать использования бумажных конденсаторов общего применения старых типов (в крайнем случае, можно использовать конденсаторы типа МБГЧ). Кроме того, с определенной осторожностью нужно использовать конденсаторы с комбинированным диэлектриком (например, К75), хотя диэлектрик и слабо полярный. Также нежелательно использование лакопленочных емкостей (К76), так как они по свойствам приближаются к электролитическим. Предпочтение следует отдавать пленочным конденсаторам, в первую очередь, с поликарбонатным (типа К77) или полипропиленовым диэлектриком. Нередко подходящие для АС импортные пленочные емкости относят к общему классу Dry Film - сухая пленка. Разновидностей конденсаторов существует великое множество и, конечно, емкости с одним видом диэлектрика могут иметь существенно разные параметры. Но существует общее правило, которое можно использовать при подборе типа емкости — чем для более жесткого импульсного режима предназначен конденсатор, тем лучше должны быть у него параметры. Ему и следует отдать предпочтение. Простейший пример, - конденсатор, предназначенный для работы в демпфирующих цепях тиристорных инверторов.

Существует еще одна особенность, которую следует учитывать при выборе типа емкости, которую не описывают в литературе. Это ограничение перегрузок при допустимом электрическом режиме конденсатора. Актуальность этого вопроса возрастает вместе с ростом выходной мощности усилителей. С одной стороны, для большинства типов емкостей общего применения с повышением частоты значительно снижается область безопасных режимов работы, а выход за допустимые пределы снижает надежность работы и срок службы емкости. С другой стороны, чрезмерная нагрузка емкости по переменному току приводит к её перегреву и дрейфу параметров. Ведь тепловые постоянные времени емкостей лежат в пределах единиц - десятков минут, а это может непосредственно отразиться на качестве звуковоспроизведения. Например, для емкости типа К73П-2 10мk400V на частоте 1kНz допустимое значение синусоидального действующего тока составляет 2А, что позволит получить на 8-омной нагрузке 32 ватта, а на 4-омной — 16. Если ток имеет импульсный характер, то допустимые значения еще меньше. Поэтому целесообразно предварительно оценить токи через емкости, и сравнить их с допустимыми значениями. Все оценки будем проводить упрощенно и в предположении, что напряжения и токи синусоидальны, точные расчеты весьма громоздки и практически невыполнимы вручную. Для фильтра нижних частот (рис. 1б и 2б) максимальный ток Iс1 через емкость С1 будет на резонансной частоте контура и может быть вычислен по выражению:

где Е — действующее напряжение на выходе усилителя, RL — номинальное сопротивление низкочастотной динамической головки. Для фильтра верхних частот, как для первого (рис. 1а и 2а), так второго (рис. 1б и 2в) порядка, максимальный ток емкости С (С2) определяется по выражению:

где RL — номинальное сопротивление высокочастотной динамической головки. К сожалению, для большинства типов конденсаторов эти данные отсутствуют. Но иногда в справочнике, приведены графики допустимой амплитуды переменной составляющей от частоты. Из них можно оценить допустимый ток конденсатора, воспользовавшись следующей методикой [1]. Последовательность вычисления тока описана далее. По графику определяют величину допустимой амплитуды переменной составляющей на интересующей частоте и определяют допустимое действующее значение напряжения на конденсаторе по формуле:

где UA — амплитуда переменной составляющей на заданной частоте f. Допустимый ток емкости Imах на определенной частоте вычисляют далее:

где f — частота, для которой определялась величина UA, С - емкость конденсатора. Для фильтра нижних частот ток емкости имеет явно выраженный максимум на частоте резонанса контура, для этой частоты и определяется допустимый ток. Для конденсатора - фильтра верхних частот придется выполнить расчет несколько раз для рабочего диапазона частот, в виду разнообразия зависимостей допустимой амплитуды переменной составляющей от частоты для разных типов конденсаторов. Также дело в том, что максимум тока емкости заметно смещен от частоты резонанса в область более высоких частот, а выражение, точно определяющее эту частоту, сильно громоздкое. Учитывая, что максимальное значение тока емкости не превышает 10-15% от величины полученной в формуле (2) для фильтра Баттерворта (50-60% для фильтра Чебышева), достаточно рассчитать три - четыре значения допустимого тока емкости в диапазоне от резонансной частоты фильтра до верхней рабочей частоты и использовать минимальное. В любом случае, желательно иметь 20-30% запаса по допустимым токам.

В заключение, следует заметить, что, рассчитав параметры фильтра и получив необходимые номиналы конденсаторов, нет необходимости сильно напрягаться и искать экзотические емкости. Ведь расчетные значения получаются, как правило, довольно большими. Гораздо целесообразней применить параллельное включение емкостей меньших номиналов. Такой подход позволяет не только использовать менее дефицитные и более высококачественные емкости и существенно снизить паразитные параметры эквивалентного конденсатора, но и значительно расширить номенклатуру пригодных типов конденсаторов. Увеличение габаритов фильтра внутри АС, как правило, решающего значения не имеет.      Авторы Евгений Карпов и Александр Найденко.

Нужно отметить, что в высоком уровне достоверности публикации особенно сомневаться не приходится, что характерно для Е.Карпова. В уточнение однозначности не повредили бы статистические сведения о количестве испытанных экземпляров конденсаторов, одного и того же наименования, чтобы исключить случайность. По материалам сети интернет публикацию подготовил

           Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018