2013年9月9日 星期一

電容器的種類 ( 搬家文 move from yahoo blog , Day 6 )

(本文譯自Zed Audio Capacitors Types

有關電容器的聲音,品質和電容器在電路中產生什麼作用,似乎已有太多的神話與傳說。電容器的種類有很多, 包括ceramic(陶瓷), polyesterPET,聚酯),polypropylenePP聚丙稀),polycarbonate(聚碳酸酯), silver mica(銀雲母),tantalum),electrolytic(電解質)。 每一種都有它自己的專門技術 一種電容器在特定場合發揮的很好,拿到其他地方可能卻很差。 電容器是一個由介質絕緣的兩片金屬極板,電荷儲存在其中。 極板和介質可以由多種不同的材料製成。 極板越靠近,電容值越大;極板面積越大,電容值越大。介質材料對電容值也有影響。這裡摘要一些較特別的電容器種類資訊。

注意:電容值的單位是 Farad。這是很大的單位,所以我們用下面計量來表示一般的電容值

    Microfarad  百萬分之一 farad
    Picofarad    百萬分之一 microfarad

所以 0.001 mfd 等於 1000 picofaradpF


上面是電容器的簡單示意圖:

電容器以紅色表示。

與電容器極板並聯的是電阻,絕緣體的Ins-Res。鐵氟龍的電阻最高,polystyrene聚苯乙烯), polypropylene聚丙稀),polycarbonate(聚碳酸酯)次之。Polyester(聚酯)第三,然後ceramic(陶瓷)COGZ5UXR7tantalum)和鋁最後。

DAPDielectric Absorption。電容器當充電到特定電壓時,接腳短路,短路移開後,會回復一些電荷。DAP是原始電壓與回復電壓的比值,以百分比表示。一般而言,電解(electrolytic)電容器最差,而薄膜(film)電容器最佳。

串聯電感(series inductance)很簡單地以和電容器本身串聯表示。電解電容器的電感最高,原因在於它是怎麼做成的。頻率越高,電感越高。

電容器的 ESR是與真實電容器串聯時所顯現的電阻值。電壓和電容值越高,ESR 越低。這個阻值是由電介質損耗、接腳電阻和電極電阻所構成。相對於頻率幾乎是不變的常數。

消散因數 DFdissipation factor),是 ESR 除以電容抗(Xc)的比值,電容抗的公式為

Xc = 1/6.28 x F x C

F 是頻率
C 是電容值,單位 Farad

當然通常我們使用「Mfd」為單位,所以 C 可以用 Mfd,而分子就變成 1,000,000


陶瓷電容器(Ceramic capacitors用在像 RF 的高頻電路。它們也是音響電路中高頻補償的最佳選擇。 現在一些人聽到這個也許會嗤之以鼻。 我們曾經為日本廠商製造一些 high end 擴大機,而他們要求擴大機裡面 NO ceramics 幾乎所有擴大機中都有某些高頻補償電路,用來防止震盪和提高穩定性。 這些陶瓷電容器的工作頻率在 240 KHz 我不知道你們怎樣,不過我的耳朵聽不到那麼高的頻率。也許這些人是蝙蝠的遠親!

它的電容值大約在幾 picofarad 1 microfarad,電壓範圍約從數伏特到數千伏特。陶瓷電容器的製作成本不高,電介質有數種型態。XR7 Z5U 只要牽涉到溫度,就很不穩定。 和較穩定型態的如 COG 相比,它們的介電常數(dielectric constant)比較高。陶瓷電容器的誤差值不是很好,不過以它們扮演的角色,工作的還好。
 
鉭質電容器(Tantalum capacitors是在鉭元素中放置一層氧化薄膜做成的。 和它們的鋁質同伴一樣,是有極性的。 它們是屬於低電壓族的,最大額定電壓只有約 40 伏特。 ZED,我們是不使用這種電容器的,因為它們的不穩定性惡名昭彰,有漏電的先天傾向 過去我曾經支持過,但是因為它的不可靠,現在我絕對不會再使用了。

鋁電解電容器Aluminium Electrolytic capacitors),在鋁箔片上放置一層氧化薄膜做成。 箔片依額定電壓製成,有極性,當然不容許反向電壓連接。 (如果一個大容值的玩意兒爆炸時,旁邊剛好有人,這可不是一個美麗的景象。) 如果超過額定電壓,那也不是好玩的(同樣的,會讓器材和你的臉弄得一團糟,如果你太靠近的話),不過品質好一點的,可以有 5% 的電壓誤差容許值。

如果有個人將 37V 加到一個 35V 額定電壓的電容器時,會發生什麼事?它實際上會隨著時間調整箔片,以適應新的電壓,但是電容值會下降,以維持 CV 的常數。相反地,如果加了較低的電壓,它會適應新電壓,而電容值則會上升。

現在可不要太興奮,將你的 10000 mfd 50V電容器,用在 25V 電壓,然後期待它變成 20000 mfd。它是有限制的,就怕有人這樣做。電解電容器在低於額定電壓過多的情況下運作不是好主意,一個簡單的規則,低於額定電壓 25% 以內是 ok 的。它們通常都是以圓筒狀將箔片捲繞製成,可以輕易獲得高電容值。

ESR 是等效電阻(Equivalent Series Resistance),電壓與電容值越高,ESR 越低。ESR 越低,電流流出電容器時產生的熱越少。 ESR 密切相關的是,電容器所能容許的可能發生的漣波電流(ripple current)。 這主要是電源供應的關切議題。 大部分的廠商都提供多種等級與尺寸的電解電容器。 有穿洞式與表面附著式,每一種都各有子分類,而穿洞式的種類比附著式的多。有 85°C 105°C 版本,接腳式、壓扣式和鎖螺絲型態的。電解電容器,特別是用在高電流電源供應器上,有它固定的使用壽命。一般說來約 1000 3000 小時使用壽命,依品質而定。

它們的誤差值不好,不過,低誤差元件並不是必要的條件。典型的誤差值可以從 -50% +100% 還有非極性(non - polar)電解電容器,主要用在被動式喇叭分音器上。

銀雲母電容器Silver Mica Capacitors),最好的電容器種類之一。 它們有非常好的穩定性,以及誤差值可以低到小於 0.1%。它們對熱很敏感,主要用在 RF 和調諧電路上。我喜歡它們用在 RIAA 擴大機,因為我覺得它們讓聲音變的更好。

薄膜電容器(Film capacitors 包含polyester(聚酯), polypropylene(聚丙稀), polycarbonate(聚碳酸酯)和其他。 每一種都有它的長處或缺點 這些通常都用在音響濾波器 等化器和電源供應旁路之用。 幾乎任何電容值和電壓, 甚至高到 1500V 的都有。 誤差值可以從 10% 0.01%


好了現在你幾乎知道有關電容器所應知道的(開開玩笑而已), 該是討論它們聲音如何,以及為什麼在特別用途,使用特定種類的原因的時候了。

電源供應(Power supplies 一般使用電解電容器,因為它們體積小數值高。 電容數值取決於能忍受的漣波多寡,電壓則決定於電源供應的需求。 因為這種電容器有電感存在,通常實務上會用薄膜電容把它旁路(bypass)掉,以改善高頻特性。 50 / 60 Hz的電源供應,我還未曾發現這些旁路薄膜電容器,對聲音的改善起任何作用。

耦合電容器(Coupling capacitors 通常使用電解電容器(是的,這不是誤打)和薄膜電容器。 耦合電容器的數值, 由電容器所 「看到的」 負載阻抗決定。 如果電容值對負載阻抗而言過小, 低頻將會以 6dB/ocative 的速率進行衰減。



我們來看看上面的電路。電容器有電抗,形成一個電位被 10K ohm 電阻分壓。這個電路可以代表兩個電路方塊之間的耦合,一個電路方塊送出 1V 的「Vin」給另一個顯示為「Vout」的電路方塊。我們可以將電容器視作一個數值會因頻率而變化的電阻,而該數值其實是電抗(Xc)。所以 Vout 的公式為

Vout / Vin = 10,000 / (10,000+Xc)   ;  Xc = 1 / (6.28 x F x C)

現在我們可以丟一些數字到公式,看看有什麼結果。假設選一個頻率 1 KHz,電容值 0.22 mfd 當作第一個例子好了。 算一算,可以得到 Xc = 723 ohms Vout 我們得到 0.932V 這意思是說,在 1KHz 頻率,一個 0.22 mfd 的電容器可以讓電壓掉到 0.9320.61dB的下降)。 Xc = 10K ohm 時的頻率為 72.37 Hz(公式簡單套一下)。

以全頻段的電路而言,0.22 mfd 當作耦合電容器顯然不太稱職,因為它補償了超過 1 KHz 時的響應,卻在72.37 Hz 時有 3dB 的下降。計算電容值 C 時,我們該怎麼做才能讓不錯的低頻響應呈現?我們應該挑一個頻率,在該頻率讓 Vout 的信號準位降至 -3dB,低到我們所想要的。我們應該選2 Hz 再以上面公式算一下 C,可以得到 7.96 mfd 我們可能會用一個 10 mfd 的電容器。 這個電容器可以是標準極性電解電容器,或以兩個電解電容器背對背, 將兩負端接在一起變成無極性版, 或一個薄膜電容器。 薄膜電容器可能會很大又很貴。

在運算放大器電路,DC 供電小於 20V,一個 25 30V 的薄膜電容器還不會太大。然而在真空管電路,電壓動輒數百伏特, 10 mfd 450V 的電容器就是一個大傢伙了。 ZED 我們更進一步將電容值增加 5 倍,所以 -3dB 的截止頻率(break frequency)可以順利降至 1Hz 以下。我的看法是,如果電容值夠大到能將截止頻率降到 1 Hz 以下,電容器就不會降低聲音品質。

電源供應旁路電容器(Power supply bypass capacitors 有時候低電壓電路需要用到。 這應該是一對陶瓷電容器(是的陶瓷,它們在高頻表現最佳),放置盡可能靠近 IC 板或分離電路的電源供應插 pin,有些電解電容器放的相當靠近。 薄膜電容器也可以運作的不錯, 不過它們比陶瓷夥伴貴上許多,我找不出用它們的理由。

交換式電源供應器(Switching power supplies需要低 ESR 電容器,或較多的「標準」ESR 電容器。只要達到最終的 ESR 和漣波要求,採取哪一種方法都完全一樣。

高頻補償電容器(High frequency compensation capacitors 在音響電路中,經常運作在非常高的頻率。我們認為陶瓷電容器是最佳的一種。 有人不同意,認為薄膜電容器更好。 因為這種補償電容器用來複製極高頻段,我很懷疑有人能聽出其中差異。當然,除非你是我們親愛小蝙蝠的親戚。

聆聽不同的電容器是很花時間的。為了比較兩種不同種類的(例如耦合)電容器,你需要設置兩電容器,和雙刀雙擲開關(DPDT), 才能做直接的比較。 開關應該用鍍金、低接觸電阻型的。理想中應該將開關設在電路中電容器所在的點, 這有時有點難度,因為並非經常都是很好焊在零件中的。 變通的方法是,在兩件器材例如前級和後級之間做切換。簡單電路圖如下,為了清晰起見,只 show 出一個 channel



兩個標示為 C1 C2 的電容器將要做比較。DPDT 開關綁在兩電容器之間。標示 “x”ohm 的電阻,是電容器所「看」到的負載阻抗,而這個電阻通常是下一個電路方塊或器材的輸入電阻。

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