Тёплый ламповый конденсатор

Меломаны предпочитают усилители в которых используются плёночные конденсаторы, а не керамические. Почему? Давайте попробуем не спеша разобраться.

Сразу нужно отметить, что вообще-то керамика бывает разной. Например, керамика с кодовым наименованием NP0 хотя и имеет не очень большую диэлектрическую проницаемость ε, но зато обладает хорошей линейностью и хорошей термостабильностью. Поэтому из такой керамики получаются довольно-таки хорошие конденсаторы, но, к сожалению не очень большой ёмкости.

Керамика X7R, напротив, обладает большой диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготавливать из неё конденсаторы, относительно бОльшой емкости, чем из керамики NP0. Но, к сожалению, X7R имеет нелинейную характеристику. Иначе говоря, значение ёмкости конденсатора имеет ярко выраженную зависимость от приложенного к нему напряжения.

Вопрос, на сколько сильна эта зависимость? При изменении напряжения на несколько единиц или десятков вольт, ёмкость конденсатора изменяться в несколько раз. Был конденсатор на 1.0 микрофараду — стал на 0.2 микрофарады.

Как известно, протекающий через через конденсатор ток определяется как производная изменения напряжения на его обкладках по времени:

i = C * dU(t) /dt.

Я не расшифровываю формулу, так как это всё известно из курса школьной физики.

Если на конденсаторе линейно увеличивать напряжение (допустим, со постоянной скоростью 1 вольт в секунду), то следует ожидать, что значение тока, проходящего через него, будет постоянным (например, ровно 10 миллиампер). И вне зависимости от того, какое уже имеется напряжение на конденсаторе — 10 В, 30 В или вообще ноль вольт, — если мы будем изменять напряжение на нём с неизменной скоростью, то ток буде иметь неизменную величину.

Такой эффект можно наблюдать у реальных конденсаторов, которые не обладают нелинейность. У керамических конденсаторов с диэлектриком X7R (X5R и некоторых других) наблюдается зависимость значения тока от приложенного к конденсатору постоянного напряжения.

Допустим, при мы поднимаем напряжение на таком конденсаторе со скоростью 1 В/сек. Пока напряжение на конденсаторе было мало (1..3 вольта), мы наблюдали ток через него в районе 10 мА. И вот, по мере заряда конденсатора, напряжение на нём поднялось уже, допустим, до 25 В. И мы всё еще продолжаем поднимать его с прежней скоростью — 1 В/сек. Только уже сейчас мы будем наблюдать значение тока на амперметре не 10 мА, а что-нибудь в районе 2 мА. Иначе говоря, ёмкость нашего конденсатора уменьшилась в пять раз.

Таким образом, мы можем это квалифицировать как нелинейность вольт-амперной характеристики электронного прибора.

Хорошо. Идём дальше.

Если через такой нелинейный конденсатор пропустить чистый синус большой амплитуды (десятки вольт), то на выходе мы не получим  чистый неискажённый синус. Вершины полученного «синуса» очень плавно приплюснуты. Именно плавно приплюснуты, а не обрезаны, как при ограничении по амплитуде.

Вот, примерно так:

c-2

(Мои извинения! У меня нет готовых осциллограмм.)

Отклонение сигнала от синусоидального объясняется появлением в нём дополнительных гармоник. Звук приобретает неприятное звучание. Для какой-нибудь гитарной приставки этот эффект вполне может оказаться желанным, но с сточки зрения передачи неискаженного сигнала или голоса — это полная катастрофа.

Мы рассмотрели ситуацию, когда напряжение на конденсаторе имеет амплитуду несколько единиц-десятков вольт.

Что же касается относительно малых сигналов, порядка от нескольких милливольт до сотен милливольт, то нелинейность таких керамических конденсаторов практически никак не сказывается на прохождении через них сигнала. По большей части, нужно заметить, что тут больше «работают» предрассудки и догмы тёплой ламповой религии, а не реальные вещи. Почему?

Да потому, что вольт-амперная характеристика на малых диапазонах напряжений даже у жутко нелинейных конденсаторов будет практически линейная. «Кривизна» заметна в диапазоне от нескольких единиц до нескольких десятков вольт, но в диапазоне нескольких милливольт «кривизны» нет — «дорога гладкая и прямая».

Иначе говоря, не смотря на то, что на каком-нибудь конденсаторе может присутствовать большое (допустим, 15 В) постоянное напряжение, но при этом величина сигнала в его цепи составляет 200 мВ, то можно считать, что конденсатор имеет линейную характеристику, не вносящую в сигнал заметных искажений.

Не-е, конечно! Искажения, безусловно будут. Другое дело — каков будет их уровень? Если уровень искажений будет меньше уровня, который может «поймать» ухо, то, собственно, о чём вообще тогда разговор!

Вопрос. Товарищи, которые патологически бояться присутствия «керамики» в трактах усиления, как часто и как качественно проводили проверку своих усилителей с керамическими и с плёночными конденсаторами? И что, в тёмной комнате, где непонятно, какой сейчас усилитель играет, они могли чётко отличить один усилитель от другого по качеству звука из колонок? Что-то я очень сомневаюсь…

Хорошо. Идем дальше.

Ну, не нравится ставить керамику в предусилителях, где милливольтовые сигналы, — не ставьте! Ставьте плёночные!

Но вот вопрос — а какой прок в установке плёночных конденсаторов в цепях питания параллельно электролитам?

Не-е, я понимаю! Электролитические конденсаторы обладают индуктивностью, которая обусловливается конструкцией обкладок. Обкладки электролитов представляют из себя ролики фольги. Каждый виток обмотки — это виток провода получившейся катушки индуктивности.

А что такое плёночный конденсатор? Да, точно такая же катушка индуктивности, как и катушка индуктивности в электролитическом конденсаторе!

Вы можете возразить — де, количество витков в плёночном конденсаторе может быть меньше, чем количество витков в электролите. Соответственно, паразитная индуктивность у плёночных конденсаторов будет меньше.

Да, согласен. Но, во первых, кто мерил количество витков у тех и у других конденсаторов? А ну как количество витков у плёночного конденсатора окажется даже больше, чем у электролитического?

Или, допустим, вот подключение к ленте (которая свита в виде ролика) обкладки конденсатора будет осуществляться не в конце намотки, а сразу нескольких точках — в начале, в конце, и несколько точек в средине ролика? Тут уже не будет полной индуктивности, а будет параллельное соединение нескольких индуктивностей.

На фото ниже показаны два плёночных конденсатора. У конденсатора, который слева, вывод подсоединяется к обкладке в одной точке. У правого конденсатора хорошо видны два проводка — две точки подключения.

c-3

Я видел плёночные конденсаторы с тремя и даже с четырьмя точками подключения.

А как вы ответите на такой вопрос — конденсаторы ведь нам нужны для того, чтобы получить от источника питания быстро и много энергии. Понятно, что индуктивность обкладок мешает этому процессу. Но вот вопрос — а сколько энергии способен отдать электролитический конденсатор и сколько энергии способен отдать плёночный?

Фокус в том, что вы не можете сказать, что первое мгновение энергию отдает плёночный конденсатор, а «электролит» начнёт работать уже намного позже. Почему? Да потому, что при отдаче энергии напряжение на конденсаторе будет неизбежно уменьшаться. Как вы себе представляете, что два параллельно соединённых конденсатора (плёночный и электролитический), но на одном напряжение будет 10 В, на другом 20?

Это нонсенс! Такого быть не может. А что тогда есть на самом деле? — А на самом деле происходить вот что.

Вы когда-нибудь что-нибудь слышали про «длинные линии»?

Так вот, конденсатор — это ничто иное как тоже длинная линия, состоящая из мириады последовательно соединенных ячеек типа:

c-4

Это эквивалентная схема подходит как для электролитического, так и для плёночного конденсатора. Думаю, не надо объяснять где тут собственная емкость обкладок конденсатора, где индуктивность витков обкладок, где сопротивление утечки диэлектрика, а где сопротивление фольги обкладок.

Вопрос. Как сильно отличаются параметры погонной индуктивности и погонной ёмкости у электролитического и у плёночного конденсатора?

Я думаю, что погонная ёмкость у электролитического конденсатора будет значительно больше, чем погонная ёмкость плёночного. Сравните толщину оксидного слоя электролита и толщину плёнки. Есть разница? Я думаю, она будет составлять 1-2 порядка.

Что касается погонной индуктивности, то тут скорее всего они будут либо равны (при примерно одинаковых габаритах «электролита» и плёночного конденсаторов), либо, если «электролит» будет больше, то у него и погонная индуктивность будет больше.

Если конденсаторы будут иметь примерно одинаковые габариты, выигрыша от шунтирования «электролита» плёночным конденсатором не будет никакого. Но, тогда, может быть имеет смысл шунтировать плёночными конденсаторами только большие (габаритные) «электролиты»?

Нет. Полной уверенности в этом утверждении тоже нет! Почему?

Давайте мысленно рассмотрим работу только одного наружного витка обкладки конденсатора. Будем считать, что внутренние обкладки будут для нас недоступны из-за наличия паразитной индуктивности (которая, вспомним, примерно одинакова у обоих типов конденсаторов или может отличается в несколько раз).

Так вот. Паразитная индуктивность вывода конденсатора, плюс паразитная индуктивность витка обкладки в сумме могут составлять несколько десятков наногенри. Много это или мало?

Если мы работаем в диапазоне УКВ, с частотами более 10-100 МГц, эти наногенри нам окажут очень существенное влияние. Но если мы работаем на звуковых частотах, то эта паразитная индуктивность будет значить для нас вообще — ни-че-го! Ноль!

Зато, с другой стороны — ёмкость всего лишь одного витка обкладки электролита может составлять несколько микрофарад. До которого, к стати, чтобы добраться, нужно преодолеть совсем немного паразитной индуктивности.

Ёмкость же одного витка обкладки плёночного конденсатора — несколько единиц или даже десятков нанофарад. Другие витки плёночного конденсатора, с одной стороны, не так много добавят абсолютной ёмкости в схему, а с другой — до них ещё нужно «доехать» через паразитную индуктивность.

c-5

О чём это говорит? Это говорит о том, что только один виток обкладки электролита вполне легко может перекрыть влияние целого плёночного конденсатора, до полной ёмкости которого — на минуточку! — нужно пройти много-много витков индуктивности намотки его обкладок.

Вы улавливаете драматичность ситуации?

Но тогда, почему бы не зашунтировать электролиты «керамикой»?

Да почему нельзя! — Можно! И я даже сказал, что пользы от такого решения будет значительно больше, чем от шунтирования «плёнкой».

Ну, это ж очевидно! «Керамика» обладает значительно меньшей индуктивностью, Поэтому она будет гораздо эффективнее работать на быстрой отдаче запасённой в не энергии, чем аналогичные по ёмкости плёночные конденсаторы.

Предвижу вопрос — а как же нелинейность керамики?

Спокойно, товарищи! Во первых, эта «керамика» находится не в цепях прохождения сигнала. Во вторых, Чтобы сказалась нелинейность «керамики», нужно чтобы напряжение на конденсаторах существенно изменялось.

Вы можете себе такое представить — высококачественный усилитель, а напряжение питания у него изменяется, допустим не на один-два вольта, а в два раза? То есть — синхронно со звуковым сигналом напряжение питания «просядает» с 25 вольт до 12? Я говорю не сверх-низкочатотных «просадках» на пиках громкости, а об изменении напряжения питания в диапазоне звуковых частот — синхронно с сигналом? Это будет чудо, а не усилитель. Тем более уж никак не Hi-fi.

И если даже допустить существование такого «весёлого» усилителя, то возникает следующий вопрос. На сверх-низкочатотном «просаживании» нелинейность нескольких единиц микрофарад «керамики» с лихвой компенсируется десятками тысяч микрофарад «электролитов». Иначе говоря, нелинейность «керамики» вообще никак не скажется. На временах, которые соответствуют звуковым частотам, можно считать, что напряжение питания вообще не меняется. Опять нелинейность керамики не сказывается.

Но самое обалденное, что «керамика» не нужна для обеспечения работы усилителя по усилению сигнала. Выражаясь математически, у звуковых сигналов изменение dU/dt очень небольшое. Поэтому в области звуковых частот работает не «керамика», а «электролиты». Вклад конденсаторов прямо пропорционален их ёмкости. Энергия, нужная для работы усилителя, запасается в ёмкости. Чем больше емкость элемента, тем больше его вклад в работу усилителя.

Хорошо. А для чего тогда вообще ставят «керамику» на питание? И ведь на самом деле люди ставят, и даже рекомендуют к обязательной установке. Что за противоречие?

На самом деле никакого противоречия нет! Ответ прост, как три рубля.

Это мы — люди — имеем ограничение по слышимым частотам. А усилители порой имеют полосу до нескольких мегагерц. Это значит, что усилителю для какого-нибудь его скоротечного процесса может понадобиться взять очень-очень быстро «кусочек энергии» от конденсаторов питания. Вы помните — dU/dt?

У усилителя есть собственные шумы. И если какие-нибудь внутренние переходные процессы окажутся в диапазоне времён, соответствующим мегагерцовым частотам (dU/dt), то с такой же скоростью должен отработать и источник питания — то есть конденсаторы.

Если же источник питания не успеет (из-за наличия паразитных индуктивностей, или тупо не хватит ёмкости), то его напряжение «просядет» на очень короткое время. Допустим, на несколько наносекунд. Неизвестно как на такое «проседание» отреагирует усилитель (и его обратная связь). Вполне может статься, что усилитель «возбудится». И на самом деле такое на практике встречается не так уж и редко.

Таким образом, наличие керамических конденсаторов расширяет рабочий диапазон источника питания. Важно то, чтобы этот диапазон был шире, чем рабочий диапазон усилителя. Диапазон усиливаемых сигналов тут вообще никаким местом — он значительно уже!

Ну давайте ещё раз. Мы строим усилитель. Чтобы усилитель не искажал сигнал, он должен обладать более широким рабочим диапазоном, чем сами сигналы. Это раз.

Два — это источник питания должен обладать более широким диапазоном частот, чем рабочий диапазон усилителя (не забываем про dU/dt), иначе система усилитель-источник перейдет в автоколебательный режим. Другими словами, из-за нелинейности керамических конденсаторов (если конденсаторы вообще внесут какие-то искажения), эти искажения будут лежать в диапазоне частот, многократно превышающем самые верхние частоты, которые вообще способно слышать ухо.

Вот оказывается для чего желательно шунтировать электролитические конденсаторы керамическими, которые обладают лучшим соотношением собственной емкости к паразитной индуктивности.

Однако, вернёмся к началу, где мы говорили о недопустимости «керамики» в тракте прохождения звуковых сигналов. Я считаю, что использование «керамики» на малых сигналах, ну скажем, до 100-200 мВ, вполне допустимо.

А где однозначно недопустимо применение «керамики»? Применение «керамики» недопустимо на выходе усилителей мощности. Здесь сигналы достигают десятков вольт.

Самое лучший эксперт — ваше ухо. Соберите два одинаковых усилителя, но в одном из них установите «керамику», а в другом — «плёнки». Попросите кого-нибудь, кто бы мог вам по-ассистировать в переключении усилителей. Причём, вы не должны знать, какой из усилителей вы слушаете в данный момент. Если окажется так, что вероятность угадывания не отличается от вероятности угадывания какой стороной выпадет монетка, то, значит, никакого «тёплого лампового» эффекта нет.

Религия тем и отличается от науки, что держится на вере и не приемлет доказательств. Верования в доказанное — не существует! Это нонсенс! Как можно верить, например, в существование электромагнитного поля. Это факт. Здесь веры нет.

Верят в то, что невозможно ни доказать, ни опровергнуть.

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s