Как подобрать емкость конденсатора для ...

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

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:

Отделять во входном сигнале постоянную составляющую от переменной, выполнять функцию фильтра высоких частот
Шунтировать (отводить) переменную составляющую сигнала, таким образом выполняя роль фильтра низких частот (низкие частоты проходят, высокие отсеиваются)
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.

Как выбрать конденсатор? Всё о выборе и замене конденсаторов

Компьютер периодически «виснет», отключается или вовсе вышел из строя? В восьми из десяти случаев неполадки ПК связаны с неисправностью конденсатора – устройства, предназначенного для накопления заряда. Внешне этот прибор выглядит как небольшой бочонок с двумя полюсами-выводами. Рассмотрим, как выбрать конденсатор для замены и на какие параметры стоит обратить внимание в первую очередь.

Принцип действия конденсатора

Для начала разберемся, зачем вообще нужен конденсатор. Представить современные электронные приборы от простейшего блока питания до сложнейших вычислительных систем без этого устройства сегодня просто невозможно.

Оно является своеобразным аккумулятором небольшой емкости, способным накапливать и моментально отдавать заряд в случае кратковременного отключения напряжения или его просадке. Существуют также конденсаторы, предназначенные для фильтрования частот, как низких, так и высоких, подавления помех, сглаживания скачков напряжения, повышения коэффициента мощности и пр.

Конденсаторы имеют два вывода-полюса – плюсовое (+) и минусовое (-). Они представляют собой металлические пластины, на которых скапливаются положительные и отрицательные заряды.

Между ними размещают диэлектрик (стекло, картон, дерево и пр.), не позволяющий замкнуть цепь. Часто для увеличения емкости полюса изготавливают не в виде пластин, а в форме спиралей или сфер.

Как выбрать конденсатор в зависимости от характеристик?

Существует немало разновидностей конденсаторов. Форма этих элементов может быть самой разнообразной:

рулонные низкочастотные: представляют из себя бумажную ленту, переложенную фольгой и свернутую в рулон;
пластинчатые: собранные в герметичные пакеты, покрытые защитной эмалью;
трубчатые: имеющие форму керамической трубки и серебряный проводящий слой;
дисковые: с диэлектриком в форме керамического диска (форму диска или трубки обычно имеют высокочастотные конденсаторы);
литые секционированные, предназначенные для установки в микросхемах, имеют 2 паза, между которыми заливается серебряная паста.

Рассмотрим, как выбрать конденсатор по виду диэлектрика. По виду изолятора это устройство может быть:

электролитическим (алюминиевым или танталовым): анодом в нем является пластина из металла, диэлектриком – оксидная пленка, катодом – электролит;
пленочным и металлопленочным: с изоляторами в виде полипропиленовой, полиэстеровой или полистиреновой пленки, уложенной между слоями фольги; несмотря на минимальную емкость, способны работать при повышенных напряжениях в высокочастотных схемах;
керамическим небольшой емкости: диэлектриком в нем служат керамические пластины; хорошо работают с сигналами меняющейся полярности;
бумажным: используется реже, имеет большие размеры; изолятором служит промасляная или непромасляная бумага.

Как выбрать конденсатор в зависимости от параметров?

Для того, чтобы понять, какие конденсаторы выбрать для замены, изучим основные их параметры, главными из которых являются напряжение, емкость и температура:

емкость, то есть способность накапливать электрозаряд; ее размер зависит от площади проводников, толщины слоя, а также материала изготовления диэлектрика; измеряется в фарадах (Ф);
номинальное напряжение, при котором прибор сможет отработать срок службы без каких-либо изменений параметров; напряжение заменяемого конденсатора должно точно соответствовать или быть выше напряжения вышедшего из строя устройства;
максимальная рабочая температура: должна иметь аналогичное или более высокое значение.

Теперь чуть подробней о том, как выбрать конденсатор по емкости. В идеале она должна равняться емкости предыдущего прибора или быть чуть большей. Монтаж же накопителя емкости меньшей, чем требуемая, ухудшит работоспособность системы.

Конденсаторы могут обладать и отрицательной емкостью. В таких устройствах при увеличении напряжения заряд не увеличивается, а уменьшается. Они предназначены для ускорения работы ПК и снижения его перегрева.

Параметры устройства указываются на его корпусе.

Кроме вышеописанных параметров, существенное значение также имеют:

удельная емкость: отношение емкости к объему (иногда массе) диэлектрика; при его уменьшении этот параметр увеличивается;
эквивалентное последовательное сопротивление (обозначается буквами ESR) материалов изготовления (выводов, обкладок) и потери в диэлектрике;
плотность энергии относительно массы корпуса в электролитических устройствах;
номинальное напряжение на корпусе;

полярность (для электролитических устройств), то есть расположение положительного и отрицательного зарядов («+», «-»); если в остальных видах конденсаторов она не имеет значения, то есть любая из пластин может служить как в качестве плюса, так и минуса, то в электролитических неверное подключение приведет к поломке прибора.

Совет! Если на плате много свободного места, допускается параллельное расположение нескольких конденсаторов небольшой емкости. При последовательном их расположении напряжение возрастет, но емкость уменьшится.

Признаки неисправности конденсатора

Перед тем, как выбрать конденсатор, следует выпаять вышедшее из строя устройство и определить его параметры. Признаком нарушения работоспособности этого элемента могут служить:

«вздутие», деформация крышки;
снижение емкости и комплексного электросопротивления (импеданса): для определения их значения используется оммометр; его щупы прикладываются к одному из предварительно отпаянных выводов конденсатора; при обрыве стрелка прибора будет отклоняться в сторону «бесконечности»; на неисправность конденсатора указывает также снижение показателей его емкости;

Косвенными признаками выхода из строя одного или нескольких конденсаторов являются нестабильность работы компьютера, его периодическое «зависание», перезагрузка, увеличение потребляемой мощности одного из узлов или полный выход из строя ПК.

Важно! Затягивать с заменой конденсатора, задействованного в цепи электропитания важнейших элементов, к примеру, процессора, крайне нежелательно. Это может привести к его выходу из строя.

Основные причины «вздутия» конденсатора

Можно правильно выбрать конденсатор, впаять его, и через пару дней обнаружить, что он вновь вышел из строя. Основной причиной быстрой поломки этих элементов является перегрев при:

недостаточной вентиляции корпуса и его перегреве свыше +45°С;
установке блока питания недостаточной мощности; она должна быть на 10-15% больше, чем та, которую компьютер использует в момент высшей производительности; в противном случае в цепи возникают токовые нагрузки и, как следствие, перегрев элементов.

Выход из строя конденсатора возможен также при:

несоблюдении полярности электролитических элементов при припайке;

механических повреждениях устройства.

Самостоятельная замена конденсатора

Итак, мы разобрались, как выбрать конденсатор. Осталось его впаять. Для этого следует:

Обработать обе ножки вздувшегося конденсатора флюсом.
Поочередно прогреть их паяльником до расплавления.
Удалить заменяемую деталь.
Обработать открывшиеся отверстия отсосом припоя до полной очистки.
Вставить новый конденсатор (в электролитических обязательно соблюдая полярность).
Обрезать излишнюю длину ножек таким образом, чтобы элемент выступал над поверхностью на пару миллиметров.
Обработать их флюсом и припаять.
Тщательно очистить место припоя ваткой со спиртом.

Таким образом, заменить неисправный конденсатор можно в течение нескольких минут. В том случае, если устройство выбрано правильно и в процессе эксплуатации не перегревается, оно прослужит долго.

Как выбрать автомобильный конденсатор

Что такое автомобильный конденсатор и зачем он нужен?

Под автомобильным конденсатором сегодня принято понимать электролитический конденсатор, подключенный к автомобильному усилителю звука (или непосредственно к магнитоле) параллельно питающим проводам. Но зачем он нужен?

Для защиты от сетевых помех конденсаторы используются часто.

1. Фильтрация помех питающей сети. Конденсаторы в качестве простейшего, но, в то же время, довольно эффективного фильтра помех питающей сети используются давно – их наверняка замечал каждый, кому случалось заглядывать внутрь электронных устройств. Конденсатор заряжается напряжением питающей сети и при резком падении напряжения возмещает просадку, возвращая в сеть накопленный заряд. Обычно качественные автомобильные усилители имеют собственную защиту от просадок напряжения, но если вы слышите из динамиков посторонние звуки при включении элементов автоэлектрики (вентилятора, дворников, фар и пр.), конденсатор может помочь. И еще – вне зависимости от того, где в автомобильной сети установлен конденсатор, он будет поддерживать напряжение всей сети, а не только усилителя. Поэтому, если при работе аудиосистемы у вас мерцают фары, то после установки конденсатора мерцать они перестанут (будут гореть вполнакала). Другое дело, что сильные (до мерцания фар) просадки при работе аудиосистемы явно сигнализируют о нехватке мощности генератора и АКБ. Эту проблему установка конденсатора не решит – он является не источником, а потребителем энергии, и в случае нехватки питания проблему скорее усугубит.

2. Поддержка питания магнитолы при пиковых нагрузках, например, при проигрывании басов. Здесь возможны два варианта:

2.1. На аудиосистему приходит недостаточно мощности. Причины могут быть разные: севшая батарея, слабый генератор, провода питания недостаточной толщины и пр.

Как это выглядит в теории.

В этом случае при установке конденсатора (вплотную к усилителю), теоретически, можно получить некоторый прирост громкости звука без искажений – при условии, что чрезмерные нагрузки будут кратковременны (не более долей секунд) и перемежаться не меньшими по продолжительности периодами уменьшенной нагрузки (чтобы конденсатор мог восстановить заряд).

И как чаще всего бывает на практике.

Но реальная музыка таким требованиям соответствовать не может – басы в композициях редко звучат меньше нескольких секунд. Поэтому практически никакого заметного эффекта не будет – вряд ли можно назвать улучшением качества звука то, что динамик начнет хрипеть на треть секунды позже обычного.

2.2. Мощности достаточно, но аккумулятор не успевает «отдать» требуемый ток. Как известно, при появлении потребителя, ток разряда АКБ устанавливается не мгновенно; и время его установки зависит от характеристик аккумулятора — в первую очередь от внутреннего сопротивления (если точнее, то от реактивной составляющей внутреннего сопротивления). И если внутреннее сопротивление АКБ велико, то при резком возрастании нагрузки требуемый ток она даст с некоторой задержкой, небольшой, но искажения звука в этот момент уже могут быть заметны.

Схема подключения конденсатора к цепи питания усилителя.

Действительно, в этом случае установка конденсатора может оказаться приемлемой альтернативой замене аккумулятора. Полностью проблему это не решит, но фронты басов, к примеру, может сгладить.

Это — не конденсатор.

В последнее время на полках автомагазинов появились «конденсаторы», отличающиеся огромной (до сотен и даже тысяч Фарад) емкостью, но при этом имеющие скромные размеры и весьма привлекательную цену. Это не конденсаторы, это – ионисторы. Смысла в их подключении к усилителю немного – да, они имеют заявленную емкость, но от конденсаторов ионисторы отличаются высоким внутренним сопротивлением (ESR), низким максимальным током разряда и низкой скоростью установки отдаваемого тока. Существуют ионисторы с низким ESR, близкие по характеристикам к конденсаторам, но они намного дороже.

Характеристики автомобильных конденсаторов.

Емкость– основной параметр конденсатора. Встречающееся порой требование, что емкость конденсатора (в Фарадах) должна быть равна мощности аудиосистемы в киловаттах, вызывает недоумение у всякого, знакомого с электроникой. Чем больше емкость конденсатора, тем дольше он сможет поддерживать «просадку» питающей сети. Для фильтрации помех 0,5 Ф хватит с большим избытком. Для поддержки питания магнитолы при пиковых нагрузках требуемая емкость зависит от характера этих нагрузок – для одних и 0,5 Ф будет достаточно, для других – и 10 не хватит. Можно остановиться на следующем алгоритме подбора: приобрести модель с небольшой (0,5 Ф) емкостью, но обязательно с вольтметроми индикатором заряда. Во время работы аудиосистемы следить за индикатором заряда и показаниями вольтметра – если на максимальной громкости аудиосистемы индикатор заряда тускнеет, но не гаснет, а напряжение не падает ниже минимального, то конденсатор со своей работой справляется.

Схема подключения дополнительного конденсатора.

Если же индикатор периодически гаснет на небольшое время (до 1-2 с), а напряжение падает, то потребуется добавить в цепь еще один конденсатор параллельно к уже установленному. Если же индикатор гаснет на продолжительное время, это значит, что аудиосистеме не хватает мощности, и установкой конденсаторов эту проблему не решить.

ESR(Equivalent Series Resistance – Эквивалентное Последовательное Сопротивление) – параметр, определяющий максимальный ток разряда. Устанавливаемые в автомобильную аудиосистему конденсаторы должны иметь ESR не более 10 мОм. В принципе, под это требование подойдет любой электролитический конденсатор, но это не значит, что этот параметр можно игнорировать – по нему можно однозначно выяснить, ионистор перед вами или конденсатор. Особенно важно обратить внимание на ESR при выборе компактного конденсатора очень высокой (в десятки и сотни Фарад) емкости. И следует отнестись к нему с большим подозрением, если для него производителем ESR не указан.

Небесполезной опцией будет наличие вольтметрана корпусе конденсатора – он позволит визуально контролировать напряжение на усилителе, отмечать просадки, их величину и продолжительность. На основании наблюдений за вольтметром и индикатором заряда можно делать выводы о достаточной эффективности конденсатора или о необходимости установки дополнительного конденсатора большей емкости.

Нелишне будет выяснить, есть ли у конденсатора зарядное устройство (зарядная схема), ограничивающая зарядный ток. Из-за низкого внутреннего сопротивления конденсатор во время зарядки берет ток, практический равный току короткого замыкания – это может повредить контакты цепи питания и расположенные «по дороге» электронные компоненты. Если зарядной схемы у конденсатора нет, первую его зарядку следует производить через нагрузку – например, через 12-вольтовую лампочку, подключив её последовательно к конденсатору.

Варианты выбора.

Если вы желаете избавиться от посторонних звуков из динамиков при включении тех или иных электрических устройств автомобиля, выбирайте среди [url text-align: center;» data-align=»center»>

Если у вас уже стоит конденсатор, но, судя по показаниям вольтметра и индикатора заряда, его емкости недостаточно для поддержания напряжения питания, выбирайте дополнительный конденсатор среди [url post-page__tags»>