Конденсаторы для усилителей (1. Всякие неэлектролиты)

Автор  Игорь Рогов   aka  AudioKiller

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!!!

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

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.

Рис.2

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).

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:

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. 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).

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

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)

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.

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:

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)

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)

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

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)

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)

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)

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"

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"

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.

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 коэффицинта, 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?..)

Думаю, коментарии излишни...

2. Для вас, аудиофилы!

3. Разборки с керамикой