Было ли лучшее время для энтузиастов и любителей Hi-Fi, чем конец 1970-х и начало 1980-х годов? С одной стороны, так много всего происходило с развитием цифрового аудио, а с другой — наблюдался рост субъективизма. Внезапно проигрыватели и усилители стали оценивать не по уровню детонации, выходной мощности и гармоническим искажениям, а по их звучанию! И можно было даже всерьёз говорить о звучании кабелей. В этой новой атмосфере всё, что когда-то считалось само собой разумеющимся в области Hi-Fi, стало кандидатом на переоценку.
Пристальному изучению подверглось и влияние на звук пассивных электронных компонентов — резисторов, индуктивностей и конденсаторов. В особенности, конденсаторов. Знающие люди начали обсуждать такие явления как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и диэлектрическое поглощение.
Сегодня мы нечасто слышим об этой теме, но не потому, что проблема была исчерпана. Скорее всего, разработчики нынче уделяют столь же пристальное внимание используемым пассивным компонентам, как и схемам, в которых они применяются, так что общественный фурор несколько стих.
Азы
В простейшем виде конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделённых воздухом (или, ещё лучше, вакуумом) и схематично изображён на рис. 1. Поскольку между пластинами нет проводящего пути, конденсатор блокирует постоянный ток (например, от батареи). При этом конденсатор, напротив, пропускает сигналы переменного тока — как раз такие как звуковые волны.
Проверенное решение
Мы нечасто сталкиваемся с воздушными конденсаторами, но если вы заглядывали внутрь старого лампового радиоприемника и видели элемент, отвечающий за настройку, который состоит из чередующихся металлических пластин, это как раз воздушный конденсатор переменной ёмкости. В большинстве конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся в аудиотехнике и прочей электронике, в качестве изолирующего материала (диэлектрика), разделяющего пластины, не используется воздух, поскольку он имеет низкую диэлектрическую постоянную (1,0), а это означает, что воздушные конденсаторы большой емкости слишком громоздкие, чтобы быть практичными. По этой причине используются, в основном, твёрдые диэлектрики, с более высокими диэлектрическими свойствами, в том числе из керамики и различных видов пластмасс (например, ПВХ с диэлектрической проницаемостью 4,0). Именно здесь история становится особенно интересной, поскольку для всех этих диэлектриков характерны те или иные компромиссы в плане влияния на звук, в то время как воздух практически идеален.
Простые фильтры
Для начала, узнаем побольше о том, как ведут себя конденсаторы и для чего они используются. Конденсаторы блокируют постоянный ток и пропускают переменный, однако они не пропускают переменный ток с разной частотой одинаково. Это объясняется тем, что конденсаторы обладают реактивным сопротивлением, которое снижается с увеличением частоты (к слову, катушки индуктивности тоже обладают реактивным сопротивлением, которое, наоборот, увеличивается с ростом частоты).
Таким образом, конденсаторы пропускают высокочастотные сигналы легче, чем низкочастотные, что делает их крайне полезными в частотно-селективных цепях (то есть, в фильтрах), а также для устранения нежелательных сигналов (например, гул или шум с шины питания постоянного напряжения).
Простые фильтры верхних и нижних частот показаны на рис.2. В фильтре верхних частот (рис. 2а) последовательно включенный конденсатор подключен к шунтирующему резистору. В фильтре нижних частот (рис. 2b) конденсатор и резистор меняются местами.
Итак, конденсаторы зачастую используются для объединения цепей, отделения нежелательного шума в цепях постоянного напряжения и в частотно-селективных цепях (фильтрах). Поскольку конденсаторы накапливают электрический заряд, большие из них также применяются в качестве резервуаров в источниках питания переменного и постоянного тока. На рис. 3 показан типовой источник питания, включающий в себя понижающий трансформатор (он понижает напряжение сети), мостовой выпрямитель (который преобразует переменный ток из трансформатора в импульсный постоянный ток) и пару конденсаторов-резервуаров (сглаживающих пульсации после выпрямления переменного тока).
Подобные схемы встречаются во многих твердотельных аудиокомпонентах. Аналогичные решения используются и в ламповом оборудовании, но из-за высоких напряжений, требуемых для работы ламп, трансформатор здесь обычно повышает напряжение сети.
Ёмкость резервуарных конденсаторов, используемых в транзисторных усилителях мощности, может достигать 50 000 мкФ и более, тогда как в других случаях в схеме могут использоваться конденсаторы емкостью 1 НФ (одна тысячная микрофарада) или даже меньше. Таким образом, очевидно, что некоторые типы конденсаторов лучше подходят под определённые задачи, чем другие.
Важное уточнение
Как правило, самые большие резервуарные конденсаторы являются электролитическими, ведь они обеспечивают высокую ёмкость в сравнительно небольшом объёме. Такие конденсаторы содержат электролит (жидкость или гель), который химически реагирует с металлической фольгой внутри банки, образуя слой диэлектрика. Подобные электролитические конденсаторы, а также некоторые другие — например, танталовые, называются полярными, а несоблюдение полярности подключения может привести к их выходу из строя.
Другая разновидность — неполярные конденсаторы, которые можно подключать без учёта полярности. Подобные электролиты иногда использовались в пассивных кроссоверах акустических систем, однако такая практика сегодня устарела, поскольку плёночные конденсаторы справляются с этой задачей лучше, хоть и занимают больше места.
Конденсаторы также могут иметь различное расположение выводов — аксиальное (осевое) или радиальное. Преимущество радиальных электролитов заключается в том, что они занимают меньше площади на плате, однако их минус — в том, что они увеличивают её высоту. В больших электролитических конденсаторах обычно отказываются от выводов под пайку — в пользу винтовых клемм.
Что скрывают конденсаторы
Настоящие конденсаторы, как и настоящие политики, ведут себя не идеально, и именно здесь кроется причина их влияния на качество звука. Во-первых, на практике ни один конденсатор не является только ёмкостью — он также имеет индуктивность и сопротивление. На принципиальной схеме конденсатор обычно обозначается одним из символов на рис. 4 (все они визуально отсылают к двум разделенным пластинам), однако в реальности он представляет собой что-то вроде схемы, представленной на рис. 5. Резистор обозначенный на рисунке как ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) может быть не постоянным — сопротивление может зависеть от частоты. В случае с электролитическими конденсаторами, ESR обычно уменьшается с частотой.
Одним из последствий того, что у конденсаторов есть индуктивность (ESL или эквивалентная последовательная индуктивность на рис. 6), является то, что они, по сути, являются электрически резонансными. Если проанализировать импеданс конденсатора в зависимости от частоты, он не будет продолжать уменьшаться с ростом частоты. На рис. 6 показано, что импеданс достигает минимума (эквивалентного значению ESR) на резонансной частоте, а затем, по мере увеличения частоты, он снова начинает расти из-за ESL.
У больших электролитических конденсаторов частоты электрического резонанса обычно находятся в пределах звукового диапазона. У небольших конденсаторов частоты электрического резонанса могут превышать 1 МГц. Для увеличения частоты электрического резонанса для заданной емкости следует уменьшить ESL — последовательную индуктивность.
Для достижения этой цели, при разработке электролитических конденсаторов, где такая проблема стоит наиболее остро, применяются различные методы. Например, в конденсаторах DNM T-Network для снижения индуктивности используются специальные Т-образные соединения из фольги — таким образом, их резонансная частота более чем в два раза выше по сравнению со стандартной конструкцией (от 28 кГц до 75 кГц — в примере, который приводит компания DNM на своём веб-сайте).
ESR оказывает потенциально благотворное влияние на демпфирование электрического резонанса конденсатора, однако, в отличие от индуктивности или ёмкости, сопротивление генерирует тепло в то время, когда через конденсатор проходит ток. В больших ёмкостных конденсаторах, где проходящие через них токи велики, этот эффект внутреннего нагрева ограничивает безопасные условия эксплуатации. Тем не менее, электролитические конденсаторы лучше всего работают именно тёплыми.
Микрофонный эффект
Не секрет, что ламповое оборудование чувствительно к вибрации. Внутри вакуумированной стеклянной оболочки лампы находятся тонкие металлические электроды, расстояние между которыми влияет на работу лампы. Таким образом, если встряхнуть лампу достаточно сильно, это отразится на её электрической мощности — эффект, который называют «микрофонным», поскольку лампа в таком случае ведёт себя подобно микрофону.
Твердотельная электроника меньше подвержена этому эффекту, однако приведём в пример некий крайний случай: разработчики первых систем управления двигателем в гоночных автомобилях вскоре научились не прикреплять электронные блоки к двигателю, либо использовать хорошую изоляцию, иначе вибрации от двигателя могли нарушить её работу. Уровни вибрации, которые испытывает Hi-Fi оборудование при повседневном использовании, гораздо ниже, однако некоторые производители, среди которых, например, Naim Audio, по-прежнему прилагают большие усилия, чтобы свести к минимуму вероятное воздействие микрофонного эффекта.
Способность конденсатора накапливать заряд (его ёмкость) пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними, а «пластины» обычно представляют собой тонкую фольгу с тонкими слоями диэлектрика между ними. Это приводит к тому, что конденсаторы подвержены воздействию микрофонного эффекта, поскольку из-за вибрации расстояние между пластинами и, следовательно, значение ёмкости может меняться.
Таким образом, физические свойства материалов, из которых изготовлен конденсатор, могут быть столь же важны, как и электрические параметры. Но что ещё интереснее, вибрация извне не является необходимым условием для того, чтобы конденсаторы страдали от её воздействия, ведь силы, формируемые напряжениями и токами внутри самого конденсатора, также могут вызывать механические резонансы. Из-за этого эффекта можно даже услышать, как некоторые конденсаторы издают звук, когда через них проходит сигнал. В кроссовере акустической системы, где уровни вибраций, напряжения и токи высоки, присутствует «идеальный шторм» факторов, которые делают выбор подходящего конденсатора особенно важной задачей.
Ключевые слова
Проблема микрофонного эффекта и механических резонансов конденсаторов активно обсуждалась на протяжении многих лет, однако исследований по этому вопросу было достаточно мало. Во всяком случае, мало опубликованных исследований. Но те, что существуют, подтверждают мнение, что данный эффект может оказывать заметное влияние качества звучания.
К тому же, в некоторых случаях конденсаторы могут приводить к необычайно высоким уровням гармонических и интермодуляционных искажений. Понимание того, как и почему это происходит, позволяет разработчикам сосредоточить свои усилия на доработке электронной схемы и тщательном выборе электронных компонентов — таким образом, чтобы это принесло наибольшую пользу.
Комментарии (29)
major-general_Kusanagi
12.10.2021 13:03+3Микрофонный эффект
А где в статье про электреты?Вся правда о конденсаторах
Про ионисторы в статье, тоже ничего. :(JerleShannara
13.10.2021 13:09Микрофонный эффект наиболее выражен у открытых воздушных (вспомните КПЕ из радиоприёмников 30-50 годов) и некоторых керамических конденсаторов. В принципе на этом его упоминание можно оставить и упростить себе жизнь взяв правило: «на пути сигнала не ставить керамику, только плёнку»
MinimumLaw
12.10.2021 14:48+8Кричащего заголовка мало. Нет в статье ни то что "всей правды", даже четверти правды нет. Очень узкий, к тому же несколько сомнительный, срез. Для интересующихся настоятельно рекомендую в качестве отправной точки хорошую книгу от одного из производителей пассивной электроники.
amarao
12.10.2021 15:38+3Зато шуршащие при скроллинге конденсаторы можно услышать даже без акустики. Если достаточно тихо, можно услышать во время скроллинга в браузере, как шуршат кондеи в ноуте.
0lom5zhdovdv
12.10.2021 17:08usb killer щёлкает знатно при работе, хотя там только керамические конденсаторы и мосфет :)
VT100
12.10.2021 20:05+3Ставлю на дроссели!
amarao
13.10.2021 13:44Меня убеждали, что это конденсаторы питания, реагируют на внезапные ритмичные проседания напряжения из-за burst'ов процессорной утилизации при скроллинге.
BigBeaver
13.10.2021 13:56Странно, что именно шуршат а не пищат.
amarao
13.10.2021 14:35Ну там звуки разные, но сильно напоминают strace от рендеринга - кусками bitblt, fill, sleep.
spiritus_sancti
15.10.2021 00:23+2это шумят дроссели из-за магнитострикции сердечника. потребление тока меняется - меняется и режим работы преобразователя питания - вот и звуки.
VT100
12.10.2021 20:07+5Рекламная "джинса" ни о чем, с перескоками с темы на тему, больше половины — не раскрыто. К упомянутым ранее — добавлю диэлектрическую абсорбцию и пьезоэффект.
third112
13.10.2021 01:13называются полярными, а несоблюдение полярности подключения может привести к их выходу из строя
Мягко сказано! Слышал историю, как запускали прибор: открыли БП, включили, и электролиты ок. 300 В в алюминиевых стаканах диаметром примерно 2 см, взорвались — при монтаже на заводе полярность перепутали. Эти стаканы со страшной силой врезались в потолок. Хорошо, что никто не пострадал.
BigBeaver
13.10.2021 01:28+2Звучит, как байка. Там же нарезка специальная на крышечках — они просто лопаются и кипят.
third112
13.10.2021 03:08Давно это было — где-то в 1980х. М.б. тогда крышечки другими были, а может и байка — я сам не видел.
BigBeaver
13.10.2021 03:15Ну причин отлетать цилиндрам от платы я в принципе не вижу. Не могу похвастаться, что видел вс1 —
сам я всего пару раз их «лопал» — просто раскрываются, и оттуда неприятная пена лезет. Потом мерзкий дым, если не отключать питание. Другим компонентам на плате обычно тоже плоо становится, тк если кипит конденсатор, то о режиме работы можно забыть. Но it depends.vladkorotnev
13.10.2021 04:48+3Если речь про восьмидесятые, то, скорее всего, речь идёт про советские конденсаторы — а они имели суровый корпус, цельный и прочный, как капсюль от пистолетного патрона, безо всяких этих ваших там рисок на крышке :-)
Поэтому запросто могли и взорваться и выбить кому-нибудь что-нибудь — если не были армянскими и вообще содержали внутри что-то похожее на конденсатор :-)
third112
13.10.2021 13:00+1Видимо тогда, когда об этом услышал был нелюбознательным. Хотя были все условия, чтобы повторить за несколько минут: отдельная лабораторная комната, оборудование и куча конденсаторов. Никто бы мне плохого слова не сказал. Но почему-то не захотелось проводить такой эксперимент.
JerleShannara
13.10.2021 13:11+3К50-6 армянские у меня так летали. Современные делают «пух», выпускают жуткий волшебный дым и выглядят потом как лента для ловли мух.
NiGMa4Habr
17.10.2021 21:31У старых конденсаторов (советских К50-3, К50-6 и более старых КЭ-1, да и у зарубежных тоже) никаких насечек сверху не было.
Цилиндрическая алюминиевая "банка", закрыта фибровой крышечкой с выводами или выводом (второй электрод -- корпус) и завальцована. http://www.155la3.ru/ke1m.htm
Поэтому при "взрыве" оставалась на месте только крышечка с выводами, а всё остальное летело как петарда.
В 80-е годы у нас на ВЦ для охлаждения в окнах стояли Бакинские кондиционеры (по 6 штук в каждом окне). А в каждом -- по конденсатору размером с пивную банку. Лет через 5-6 лет эти конденсаторы подсохли, видимо. И началось... редкий день проходил без фейерверка (и вони). Но других-то кондиционеров не было, поэтому восстанавливали имеющиеся.
le2
21.10.2021 05:58мне так мелкий конденсатор однажды в глаз прилетел (без последствий, но испугался). Насечка не помогла. Конденсатор был новый. После этого я поумнел и первый запуск плат осуществляю через лабораторный блок питания. Когда это невозможно или лень - отворачиваюсь.
MikeVC
13.10.2021 07:14+5Такое впечатление, что цель статьи - очередной раз "засветить" свой магазин...
B0Z0NHIGGSA
13.10.2021 15:25+2конденсаторы подвержены воздействию микрофонного эффекта, поскольку из-за вибрации расстояние между пластинами и, следовательно, значение ёмкости может меняться
конденсаторы с воздушным диэлектриком, ранее применявшиеся в контурах настройки ламповых радиоприемников, меняют значение емкости при вибрации пластин. но в настоящее время они практически не применяются...
в электролитических конденсаторах вибрация вызывает модуляцию ионной проводимости электролита
в многослойных керамических (MLCC) - вибрация вызывает сегнетоэлектрический эффект
конденсаторы пропускают высокочастотные сигналы легче, чем низкочастотные
интересно, насколько легко резервуарный :) конденсатор 50000 мкФ пропускает сигнал частотой 100 МГц относительно сигнала 100 Гц?
Javian
Пару лет назад впечатлился ценами на аудиофильские конденсаторы. Возможно это даже оправдано при малосерийном производстве изделий без дефектов, описанных в этой статье.
deepform
Или это оправдано потребителем, который готов платить за это рублём.
JerleShannara
Аудиофильские конденсаторы это бред от маркетолухов и 100% развод. Хотя если людям нравится, что их разводят в духе «Ты этот пиджак за 200уе купил? Ну и лох, в соседнем переулке в два раза дороже!» (только не в два а в двадцать для аудио), то да, «не лохи» будут счастливы.