Выбор плёночных конденсаторов для применения в Hi-Fi- и High-End-аудиотехнике. Часть 3. Практические расчёты

• Часть 1. Устройство, свойства и параметры
• Часть 2. Основные характеристики конденсаторов

Конденсаторы являются фундаментальными пассивными электронными компонентами, как для аналоговых, так и для цифровых цепей. В них они находят применение широкого спектра, включая накопление энергии, блокировку постоянного тока при пропускании переменной составляющей сигнала, фильтрацию сигналов и так далее. Область применения конденсаторов зависит от их характеристик: ёмкости, номинального напряжения, физических размеров и способа монтажа, эквивалентного последовательного сопротивления, тангенса угла диэлектрических потерь. Также при его выборе должны приниматься во внимание такие параметры, как температурный коэффициент ёмкости, наличие микрофонного эффекта, время наработки на отказ. В зависимости от расположения в электрической цепи конденсатор может выполнять различные функции, а именно:

1. Отделять во входном сигнале постоянную составляющую от переменной, выполнять функцию фильтра высоких частот
2. Шунтировать (отводить) переменную составляющую сигнала, таким образом выполняя роль фильтра низких частот (низкие частоты проходят, высокие отсеиваются)
3. Запасать энергию и выступать в качестве источника напряжения.

Рассмотрим каждую функцию конденсатора в отдельности.

Использование конденсатора в качестве разделительного элемента

Конденсатор, включённый по схеме, изображённой на Рис. 1, называется разделительным (coupling capacitor - на английском).

Рис. 1. Фильтр высоких частот. Источник сигнала (источник переменного напряжения) через конденсатор работает на нагрузочное сопротивление R_н

Цепь, изображённая на Рис. 1, является фильтром высоких частот первого порядка. В англоязычной литературе это звучит как high pass filter, а конденсатор, который подключён таким способом, называется разделительным или coupling capacitor. Так как реактивное сопротивление конденсатора определяется формулой

то очевидно, что чем меньше частота, тем будет больше сопротивление. При частоте, равной 0 Гц, сопротивление будет бесконечно большим. Если рассмотреть переходной процесс, когда постоянное напряжение (f = 0 Гц) подается на разряженный конденсатор, то сначала пойдёт большой ток, величина которого будет определяться эквивалентным последовательным сопротивлением

Конденсатор быстро зарядится, и после этого ток резко уменьшится практически до 0 А. Величина постоянного микротока утечки, который будет проходить через конденсатор, зависит от свойств диэлектрика в конденсаторе, то есть от величины тангенса диэлектрических потерь, о котором было сказано в предыдущей части статьи. Наилучшими характеристиками обладают плёночные и фольговые конденсаторы. Чем больше их номинальное напряжение, тем лучше изоляция, соответственно, меньше утечка. Именно поэтому в сигнальных цепях высококлассной аудиоаппаратуры используются плёночные или фольговые конденсаторы, часто превосходящие по номинальному показателю реальное максимально возможное рабочее напряжение в сотни и даже тысячи раз.

Частота среза (f_c), то есть та частота, сигнал на которой ослабляется в

(эквивалентно уменьшению на 3 dB по логарифмической шкале),

(2)

Из выражения (2) вытекает, что чем выше частота среза, тем должна быть меньше ёмкость конденсатора. Для хорошего прохождения сигнала через конденсатор его реактивное сопротивление X_c должно быть меньше сопротивления нагрузки R_н в 20 - 50 раз и более, тогда на нем теряется очень малая часть входного сигнала. Для наглядности посчитаем ёмкость разделительного конденсатора, который будет стоять на входе усилительного каскада со следующими параметрами:

R_н = 100 кОм – входное сопротивление каскада

F_c = 20 Гц – нижняя слышимая граница по уровню -3 дБ

Пусть X_c = 1/50 Rн = 2000 Ом, тогда

Так как такого номинала нет в линейке номиналов E24, и величина 4 мкФ находится в интервале 3,9 и 4,3 мкФ, то на практике можно выбрать любой доступный из них. Если выбрать 3,9 мкФ, то частота среза сместится вверх, а если 4,3 мкФ – то наоборот, вниз.

Разделительные конденсаторы также используются для выделения высокочастотной составляющей из сигнала и нередко применяются в обработке аудиосигналов.

Использование конденсатора в качестве развязывающего

Рис. 2. Фильтр низких частот. Источник сигнала (переменного напряжения) работает на нагрузочное сопротивление R_н

В данной схеме конденсатор выполняет функцию развязывающего элемента. Постоянную по напряжению часть сигнала развязывающие конденсаторы пропускают, в то время как переменная шунтируется на землю. Это происходит благодаря высокому реактивному сопротивлению (в идеальной модели оно стремится к бесконечности) конденсаторов для постоянных по напряжению сигналов (f=0), которое в значительной степени уменьшается для сигналов переменного напряжения (f>0). Таким образом, на выходе получается постоянное напряжение без помех (Рис. 3)

Развязывающий конденсатор используется в качестве фильтра низких частот: шумовой сигнал погашается. Для фильтрации низкочастотных помех обычно выбирают конденсаторы с емкостью из диапазона от 1 до 100 мкФ.

Рассмотрим применения конденсаторов на наглядном примере – схеме самого простого каскада усиления, изображённого на Рис. 4.

Рис. 4. Схема однокаскадного усилителя, собранного по схеме с общим эмиттером на транзисторе обратной проводимости (n-p-n).

На рис. 4 постоянная составляющая входного сигнала может создаваться источниками питания или предварительными усилительными каскадами, стоящими на входе данного усилителя. В цепях сигналов звуковой частоты постоянная составляющая входного сигнала влияет на качество выходного, привнося в него шум и искажения. В цепи, изображённой на Рис. 4, разделительный конденсатор C₁ стоит на входе усилителя перед источником сигнала V_s. Для предотвращения появления постоянного выходного сигнала к коллектору транзистора последовательно перед нагрузкой R_L подключён разделительный конденсатор C₂.

Разделительные конденсаторы необходимы в цепях усилителей. Они используются во избежание наложения питания (+V_cc на Рис. 4) транзистора VT₁ на звуковые сигналы. В большинстве случаев это достигается включением конденсатора на входе усилителя, в нашем случае, на Рис. 4, перед базой транзистора. Если конденсатор подобран правильно, то постоянная составляющая входного сигнала будет полностью гаситься, а сигнал звуковой частоты будет свободен от искажений.

Для осуществления местной отрицательной обратной связи к эмиттеру подсоединена цепь из параллельно подключённых резистора R_E и конденсатора C₃. Резистор R_E подбирается так, чтобы обеспечить нужное напряжение коллектор-эмиттер, и вместе с развязывающим конденсатором C₃ он обеспечивает хорошую термостабилизацию, поскольку изменение падения напряжения база-эмиттер при увеличении температуры на 20 градусов будет увеличивать ток база-коллектор на 15-25%, и наоборот, при уменьшении температуры, уменьшать ток в таких же пределах. Такие большие вариации в работе усилителя могут приводить к искажению звукового сигнала, и инженеры-разработчики их всегда избегают.

Рассчитаем ёмкость конденсатора С₃ по формуле (2). Допустим, сопротивление резистора R_E = 440 Ом. Реактивное сопротивление конденсатора должно быть небольшим, не более 1/10, значит, оно будет равно 44 Ом, и нижняя граница частотного диапазона f = 20 Гц. Таким образом, ёмкость конденсатора будет равняться

Ближайший по параметру конденсатор из ряда E12 будет на 180 мкФ.

Рассмотрим функцию конденсатора как источника энергии

Конденсаторы имеют способность заряжаться и отдавать энергию очень быстро, в той мере, насколько это требуется для конкретного применения. Плёночные конденсаторы используются в качестве местных источников питания в усилителях высокого класса (Рис. 5).

Рис. 5. Структурная схема высококлассного усилителя с плёночными конденсаторами для локального питания усилительных каскадов.

Конденсаторы напрямую подсоединены к источнику питания и каскадам усиления. Когда происходит резкий динамический скачок в воспроизводимом аудиосигнале, требуется мгновенно обеспечить энергией усилительные каскады, которые не могут в полной мере получать общее питание от электролитических конденсаторов в схеме питания (Рис. 6) в силу следующих причин:

• электролитические конденсаторы обладают значительно более низкими импульсными характеристиками dI/dt и dU/dt по сравнению с плёночными: их значительно более высокое сопротивление и небольшие максимально допустимые токи заряда-разряда не позволяют обеспечить очень высокую импульсную мощность, необходимую для усиления без искажения сигнала;
• чаще всего их расположение в устройстве не оптимально с точки зрения пути доставки энергии. При высоких токах большое значение имеют сопротивление и индуктивность проводников, идущих до потребителей энергии. Чем ближе конденсатор находится к питаемому каскаду, тем лучше, так как потерь оказывается меньше.

Рис. 6. Структурная схема линейного источника питания усилителя. C_x – плёночный конденсатор Х1/Х2 класса для подавления высокочастотных помех. Как правило, на выходе источника питания усилителя стоит большая группа конденсаторов, подключённых параллельно. Их ёмкости, типы и назначения различны. С₁ – конденсаторы емкостью в десятые доли мкФ для фильтрации помех, С₂ – электролитические конденсаторы очень большой ёмкости (десятки тысяч мкФ) и C₃ – ёмкие плёночные конденсаторы (несколько мкФ) для компенсации «медлительности» электролитических потерь при высоких динамических нагрузках.

Для цепей питания, как правило, не применяют плёночные конденсаторы самого высокого класса, которые необходимы для использования в качестве разделительных в цепях усиления или обработки аудиосигналов. Поэтому у производителей High-End-аппаратуры часто можно встретить не только полипропиленовые плёночные, но и полиэстеровые (PET, полиэтилентерфталатные) конденсаторы, которые имеют отличные ёмкостно-габаритные параметры при вполне подходящих для питания характеристиках: очень малого тангенса диэлектрических потерь и огромных импульсных токов.

Рис. 7. Усилитель высочайшего класса марки Plinius.

Если же сравнить ёмкости разделительных конденсаторов, которые должны быть неполярными, и ёмкости развязывающих конденсаторов, которые стоят в эмиттерных или катодных цепях усилителей, а также в цепях питания микросхем и прочих активных элементов, то они будут отличаться на порядок. В цепях питания для поддержания и сглаживания импульсов от двухполупериодных выпрямителей, диодных мостов используются ещё более ёмкие конденсаторы с показателями в десятки тысяч микрофарад. Размеры плёночных конденсаторов таких ёмкостей очень большие, и их цены окажутся несоизмеримы с совокупной стоимостью всех остальных комплектующих устройства. При этом практических преимуществ перед электролитическими конденсаторами они в их области применения не будут иметь. Таким образом, сфера использования плёночных конденсаторов – прежде всего, в качестве разделительных элементов, а также в цепях фильтрации сигналов для филигранного влияния на звуковые сигналы.