電解電容在電源中的應(yīng)用知識

電解電容在電源中的應(yīng)用知識

一般電解電容在使用時,若無很大的紋波,耐壓只要比實際值大20%即可,即7805的輸出用10V
已非常夠,6V也行;7809用16V足夠,用10V不會有大問題,三端穩(wěn)壓器的輸出端不用接很大的電
容,視實際負載而論,一般100mA接47-100uF就可,1A接470-1000uF,最好再接一只0.01-0.1uF
的小瓷片或獨石電容.

電容器(capacitor)在音響組件中被廣泛運用，濾波、反交連、高頻補償、直流回授…隨處可見。但若依功能及制造材料、制造方法細分，那可不是一朝一夕能說得明白。所以縮小范圍，本文只談電解電容，而且只談電源平滑濾波用的鋁質(zhì)電解電容。 每臺音響機器都要吃電源─除了被動式前級，既然需要供電，那就少不了「濾波」這個動作。不要和我爭，采用電池供電當(dāng)然無必要電源平滑濾波。但電池充電電路也有整流及濾波，故濾波電容器還是會存在。 我們現(xiàn)在習(xí)用的濾波電容，正式的名稱應(yīng)是：鋁箔乾式電解電容器。就我的觀察，除加拿大Sonic Frontiers真空管前級，曾在高壓穩(wěn)壓線路中選用PP塑料電容做濾波外，其它機種一概都是采用鋁箔乾式電解電容；因此網(wǎng)友有必要對它多做了解。 面對電源穩(wěn)壓線路中擔(dān)任電源平滑濾波的電容器，你首先想到的會是什麼？─容量？耐壓？電容器的封裝外皮上一定有容量標(biāo)示，那是指靜電容量；也一定有耐壓標(biāo)示，那是指工作電壓或額定電壓。 工作電壓(working voltage)簡稱WV，為絕對安全值；若是surge voltage(簡稱SV或Vs)，就是涌浪電壓或崩潰電壓;，超過這個電壓值就保證此電容會被浪淹死─小心電容會爆！根據(jù)國際IEC 384-4規(guī)定，低於315V時，Vs=1.15×Vr，高於315V時，Vs=1.1×Vr。Vs是涌浪電壓，Vr是額定電壓(rated voltage)。 電容器的電荷能量是以Q＝CV來表示，Q是庫倫，C是靜電容量，V是電壓；故當(dāng)電壓值不變時，加大靜電容量就能增高電荷能量。請注意，電容器的容量單位應(yīng)是F(farad)，可是因計量太高造成數(shù)值偏低，故多改用μF，1F=一百萬μF。國外也有用mF表示μF，其實mF不十分貼切，但機械式打字機上沒有μ鍵，故用m代表micro。 有了靜電容量及工作耐壓兩個參數(shù)，若你正在選購電容，接下來你會考慮什麼？直覺上是價錢。嗯，這個參數(shù)很重要，而且數(shù)值愈低愈佳。也有人先想到品牌，并堅持日本貨打死不用─還存著八年抗戰(zhàn)情結(jié)？美國貨也僅能排第二，瑞典或德國制造的才能排第一。嗯，這個參數(shù)也很重要。但既然談到品牌，那就不能忽略系列型號；因為一個制造廠會生產(chǎn)許多不同系列的產(chǎn)品，系列不同，品質(zhì)及價格就會不同。OK，我們先整理一下，有關(guān)電源平滑濾波電容器的參數(shù)已知有：靜電容量、額定工作電壓、涌浪崩潰電壓、價格、品牌、型號系列。 不應(yīng)該只有小貓兩三只，外型尺寸也應(yīng)該很重要，因為與它相關(guān)的有重量及接腳型態(tài)，snap-in是插焊PC板式，screw是鎖螺絲式。至於重量，同容量同耐壓，但品牌不同的兩個電容做比較，重量一定不同；而外型尺寸更與機箱規(guī)劃有關(guān)。有些電容不是全圓型，有點像是多角型，Philips、BHC都有這種看起來似乎很高級的系列。現(xiàn)在我們再整理一下，加上重量、外型尺寸、接腳型態(tài)─已有九個參數(shù)。 外皮顏色？這是誰提出來的？很妙。因白色、黑色、藍色塑膠封裝都有廠商在用，它有時也具有某些意義，例如日規(guī)黑底金字常代表高級for audio音響級電容。僅憑外觀還能想到哪些？制造日期，9627就是1996年第27周出廠；近年來日制電容似乎逐漸有意省略制造日期的標(biāo)示。但外皮顏色及文字印刷不直接與品質(zhì)有關(guān)，故僅加上制造日期參數(shù)。還有，別忘了適用工作溫度，因為 105度C比85度C更適用於真空管機。若機器要擺在南極，最好選耐負55度C的品種。 容量誤差也別遺漏，當(dāng)采多顆并聯(lián)，為求得單只特性均勻，誤差當(dāng)然是愈低愈佳。現(xiàn)在再加上工作溫度及容量誤差，咱們手上已有12個參數(shù)，對電容器應(yīng)有三成以上了解。 請別會錯意，電容的工作溫度不是指環(huán)境或表面溫度─不管幾度，封裝塑膠外皮都是一樣，它是指鋁箔工作溫度，所以裝管機選用85度C品種也絕對OK，只要將電容器遠離管仔就一定安全。 可是真正有關(guān)電容器品質(zhì)的幾個重要參數(shù)，卻都只存在原廠規(guī)格書中，完全不會顯露在成品封裝外皮上，而這些重要參數(shù)才是本文談?wù)摰闹攸c。 散逸因數(shù)─損失角 散逸因數(shù)dissipation factor(DF)存在於所有電容器中，有時DF值會以損失角tanδ表示。想想，損失角，既有損失，當(dāng)然愈低愈好。塑料電容的損失角很低，但鋁電解電容就相當(dāng)高。DF值是高還是低，就同一品牌、同一系列的電容器來說，與溫度、容量、電壓、頻率……都有關(guān)系；當(dāng)容量相同時，耐壓愈高的DF值就愈低。舉實例做說明，同廠牌同系列的10000μF電容，耐壓80V的DF值一定比耐壓63V的低。所本刊選用濾波電容常會找較高耐壓者，不是沒有道理。此外溫度愈高DF值愈高，頻率愈高DF值也會愈高。 但許多電容器制造廠，在規(guī)格書上常不注明散逸因數(shù)DF值，因為數(shù)值甚高很難看。以瑞典RIFA為例，其藍色PHE-420系列是MKP塑料電容，它的DF值最低是0.00005/最高是0.0008。但白色頂級PEH169系列鋁質(zhì)電解電容，就未標(biāo)示損失角規(guī)格。若真注明DF值，可能會是1.0000，小數(shù)點是在1的後面。 漏…漏電流 哇！漏電！最好沒有?？墒菦]辦法，鋁電解電容在工作時一定會產(chǎn)生漏電流。 漏電流(leakage current)當(dāng)然要低，它的計算公式大致是:I＝K×CV。漏電流I的單位是μA，K是常數(shù)，例如是0.01或0.03，每家制造廠會選擇不同的常數(shù)。但不論如何，電容器容量愈高，漏電流就愈大。如果你有容量愈大平滑效果愈好的想法，這個「漏電流」也請考慮在內(nèi)。從計算式可得知額定電壓愈高，漏電流也愈大，因此降低工作電壓亦可降低漏電流。 但降低電容器的漏電流并不容易，低漏電流low leakage current-LL系列價格高昂，我曾向國內(nèi)廠商訂制一批低漏電流LL系列電容，價格比許多進口電容還貴。漏電流規(guī)格，鋁電解電容就比鉭電解電容差許多，鉭質(zhì)電容也有乾式及濕式兩種，不過它的容量及耐壓都較低。 除特別定制外，面對一般品，想要降低它的漏電流可設(shè)法提高Vs對Vr的比值。Vs是涌浪電壓，其值當(dāng)然比Vr額定電壓高，但施加電壓(真正的工作電壓)還應(yīng)該比Vr低，例如取Vr的90％；找高耐壓品種可說是完全正確。 等效串聯(lián)電阻ESR 一只電容器會因其構(gòu)造而產(chǎn)生各種阻抗、感抗，比較重要的就是ESR等效串聯(lián)電阻及ESL等效串聯(lián)電感─這就是容抗的基礎(chǔ)。電容器提供電容量，要電阻干嘛？故ESR及ESL也要求低…低；但low ESR/low ESL通常都是高級系列。 ESR的高低，與電容器的容量、電壓、頻率及溫度…都有關(guān)，當(dāng)額定電壓固定時，容量愈大 ESR愈低。有人習(xí)用將多顆小電容并接成一顆大電容以降低阻抗，其理論是電阻并聯(lián)阻值降低。但若考慮電容接腳焊點的阻抗，以小并大，不見得一定會有收獲。 反過來說，當(dāng)容量固定時，選用高WV額定電壓的品種也能降低 ESR；故耐壓高確實好處多多。頻率的影響：低頻時ESR高，高頻時ESR低；當(dāng)然，高溫也會造成ESR的提升。 串聯(lián)等效電阻ESR的單位是mΩ，高級系列電容常是low ESR及l(fā)ow ESL。若比較低內(nèi)阻及低漏電流兩種特性，則低內(nèi)阻容易達成，故標(biāo)示low ESR的電容倒很常見。ESR與損失角有關(guān)聯(lián)，ESR＝tanδ/(ω×Cs)，Cs是電容量。 有時電容器規(guī)格上會有Z，它與ESR的意義不同，但Z的計算示與ESR有關(guān)，同時也考慮到容抗及感抗，是真正的內(nèi)阻。剛才提到電容的ESR單位是mΩ，那是指大電容，若是220μF小容量電容，其ESR單位就不是mΩ而是Ω。何種電容器的ESR最低？答案只有一個：Sanyo的OS有機半導(dǎo)體電容！ 漣波電流Irac 前面談到的散逸因數(shù)DF-損失角tanδ、漏電流、ESR-串聯(lián)等效電阻…等，其值都是愈低愈好，但現(xiàn)在要提的漣波電流ripple current卻是愈高愈好。特別是現(xiàn)在都特別講究後級擴大機要有大電流輸出，電源平滑濾波電容器的漣波電流Irac(或Iac)就顯得格外突出。 漣波電流Irac的標(biāo)示至少應(yīng)有低頻及高頻工作時兩種規(guī)格數(shù)字，低頻大約是以120Hz做標(biāo)準(zhǔn)，高頻大概是以 10KHz做標(biāo)準(zhǔn)，但不同制造廠商可能會有略微的差別。 漣波電流與頻率剛好成正比，因此低頻時漣波電流也比較低。可是對我們音響迷來說，低頻段的Irac值才是重要。所以在采購電容器時，漣波電流數(shù)字高低是極為重要的依據(jù)。在一般狀況下，同品牌時，鎖螺絲式電容的漣波電流通常比snap-in插PC板式來得高。 曾經(jīng)有一種說法：RIFA的10000μF相當(dāng)於其它廠牌15000μF，因為大部份日制電容的漣波電流都不高，而RIFA又特別高，故好像可以一個當(dāng)兩個用。德國Siemens、英國BHC電容，在Irac這項特性上也常優(yōu)於日制品。就筆者所知，Irac最大的電容，是Siemens SIKOREL系列電容為最高，6800μF/63V就高達20A！若是小容量電容，Irac最大的是Sanyo OS電容。 就後級擴大機的動作來說，很多人會認定低頻時吃電流。有個方法可以試：以電表直流電壓-DCV最低檔量任一只射極電阻壓降，最好是指針電表，播放唱片，將前級音量轉(zhuǎn)大，注意電表指針的擺動，你就會發(fā)現(xiàn)低頻固然會吃電流，四把吉它連彈也會猛吃電流！什麼音樂最適合run-in後級擴大機？Holst的《行星組曲》第一曲MARS。 現(xiàn)在你應(yīng)該已經(jīng)明了六成以上，或許你想問：有沒有體型不大，漏電低、ESR低、tanδ低、誤差低、價格低，但漣波電流高、適用溫度范圍高的鋁電解電容？嗯…，沒有！ 關(guān)於容量誤差，近年來鋁質(zhì)電解電容頗有進步，以往是-20％～+40％，現(xiàn)在大多是+/-20％。但其容量常偏＋而不是偏－，故10000μF測量起來有可能會接近12000μF。 精確量取大容量電容器的靜電容量，是我多年來一直想做的事。不要懷疑，這種測試儀器很難買到，美國曾制造過，可量至99999μF，并能同時顯示DF值及 ESR值；而且電容量是100Hz、1KHz、10KHz三段（不是兩段）頻率測試的平均值。這種儀器國內(nèi)市場曾出現(xiàn)過，小賣新臺幣十萬元─只差漏電流的測試。 額定工作電壓的安全度，在我的標(biāo)準(zhǔn)是：至少理讓15％。例如某電容的額定電壓是50V，雖然涌浪電壓可能高至63V，但我最高只會施加 42V電壓。讓電容器的額定電壓具有較多的余裕，能降低內(nèi)阻、降低漏電流、降低損失角、增加壽命，一舉數(shù)得何樂不為？以前曾看過日制擴大機，±48V工作電壓配上10000μF/50V濾波電容；短時間內(nèi)當(dāng)然不會燒壞，但時日長久，壽命有可能降低，那就得更換新品或另購新機。所以日制品常有「時間到了，該走了」的宿命，你也不能指責(zé)它是偷工減料，畢竟做生意總要圖利，若一輩子只能賣你一次，如何賺錢？ 容量愈高哼聲愈低？ 自己裝，最討厭的就是哼聲除不掉。有人將濾波電容加大，哼聲就沒了。我是不十分相信，因擴大機的哼聲常是因地回路不當(dāng)引起，來自電容器微乎其微。但是理論上，容量愈高，電源平滑效果也就愈佳，所以大容量的做法，是許多設(shè)計者及DIY迷亦深信不疑。 因此不少後級擴大機，特別是美國產(chǎn)品Krell、Mark Levinson，最愛采用大水塘─大電容；丹麥的Dynaudio，連前級擴大機都用到十?dāng)?shù)萬μF之容量。至於AC & DC交直流，也比較傾向於「大容量」派，但尚適可而止。 可是也有不少名廠走低容量路子，例如美國Amcron有臺 250W×2專業(yè)後級擴大機，兩聲道合計500W，只用了2只8200μF小濾波電容器(好像是小了點)。瑞士Goldmund算是Hi-End品牌，產(chǎn)品送到各雜志社試聽，沒有一個評論員膽敢說它壞，它的大後級就是采用小電容。瑞士FM Acoustics更是貴到斃，一臺立體聲後級後級可換一部Benz車。它的220W×2專業(yè)後級，號稱數(shù)十A電流輸出，本人親眼得見，全機只使用2只10000μF/100V濾波電容。 大容量濾波與低容量濾波兩種理論基本上是對立的，但卻同時存在於音響圈。以低容量論點設(shè)計擴大機，也可以完全沒有哼聲，而且低頻表現(xiàn)也不比「大水塘」機差。重點是什麼？Irac漣波電流。如果你如今還是滿腦子的大容量，那你還不了解電解電容！ 給大家一個建議：組裝後級若采用低容量濾波電容時，千萬要配用高功率電源變壓器。也就是「瘦了電容器、肥了變壓器」，這可能就是擴大機好聲的秘絕。以這幾年詳細之觀察，後級擴大機若要好聲，采用大功率電源變壓器比采用大容量濾波電容有效多了。 一顆大的？多顆小的？ OK，有人放心不下，濾波電容堅持要大μF─那是找一個大的，還是用十來個小的并接？又有人說用小顆并，不但內(nèi)阻可以降低，反應(yīng)速度也會也快，透明度及解析度都比較好。 Mark Levinson及Krell的後級不是以小并大，但有誰認為它反應(yīng)速度慢、不透明有霧？面對此問題，我自己都長期陷入迷陣中。就機箱規(guī)劃來說，用多顆小電容并聯(lián)似乎比較理想，而且進貨量大價格也便宜，甚至前級、後級、綜合機，都可采用同一種電容。 進口機與國產(chǎn)機的命運有些不同，當(dāng)消費者面對數(shù)十萬元進口機采用多顆小電容時，他會自我解釋：這個很有道理；但面對國產(chǎn)品時，他可能會有另一套惡毒的說法：偷工減料！ 就音質(zhì)表現(xiàn)，大水塘or小水塘、一顆大的or多顆小的，應(yīng)該沒有絕對關(guān)系。***說得好：管它黑貓、白貓，會捉老鼠的就是好貓。 制造廠牌也關(guān)乎品質(zhì)特性，前述有人終其一生不用日制品。美國原本有兩大電容器品牌Mallory及Sprague，現(xiàn)在 Sprague已成絕響，因為它被日本Nippon Chemi-con收購，且公司名稱注冊United Chemi-Con/簡稱UCC。但只要是仍在美國制造，外皮印有made in USA，商標(biāo)更改與制造品質(zhì)應(yīng)無關(guān)聯(lián)。 不過外界已有耳語：UCC比Sprague差，可能性如何？日本商社一旦接手，行銷政策自然會大幅改變，為了提高出貨量必得降低售價；但假格下滑也會導(dǎo)致品質(zhì)下滑。詢問本地代理商瑞普公司，UCC電容銷售量比Sprague低，顯示國內(nèi)廠商有排斥UCC的反映。若比較UCC及Sprague的規(guī)格特性，果然是一付Japanese樣─體型大為縮水，原本40mm×80mm的改成40mm×50mm，價格可能較低廉，但ESR增加、Irac減小─怎不令人擲筆三嘆？ 你對日制品有疑慮？沒辦法，非但美國如此，德國也需要日本資金進入來個德日合作，Siemens就和松下Matsusita共同生產(chǎn)S＋M電容器。這是未來趨勢，幾乎不可避免。RIFA也早就被EVOX吃下，EVOX是大集團，到處設(shè)廠，本刊SigEnd單端前級有用到1μF電容，就是EVOX品牌，雖然自美國進口，但一付臺制品模樣。 儲存及工作壽命 比起電阻、IC、電晶體、塑料電容這些半永久性元件，鋁電解電容的壽命就值得重視。一是儲存年限，自然與壽命有關(guān)，10～20年應(yīng)無問題。存放過久的電容不宜立刻使用，利用power supply先將它aging(活化)；夾上端子，緩慢調(diào)整power supply電壓，由低至高，最高可調(diào)至此電容的額定電壓。 工作壽命就很難說得明白，所謂長壽命LL-long life電容，通常是表示漣波電流Irac穩(wěn)定。前面曾談到電容的Irac與工作溫度及頻率都有關(guān)，例如同是10KHz，40度C時是15A，85度C時是9A；15A/9A＝1.67。此數(shù)字就是電容的壽命因數(shù)（本人臨時想出來的），數(shù)字愈高壽命愈低，數(shù)字愈接近1壽命愈長。 如果沒記錯，1.93表示10萬小時，1.85表示20萬小時，故1.67至少50萬小時！但電容器的主要功用是充、放電特性，因此不宜經(jīng)?？焖俪?、放電。有兩個方法可有效延長電容器壽命：一是減少開機、關(guān)機次數(shù)，二是設(shè)法降低開機時的瞬間充電電流─你聽懂了嗎？本刊也注意到此問題，故多年來都是這樣做。 即令是如此，若問：到底是哪一種電容的音質(zhì)較好？這也實在難以回答。基本上，不同品牌、系列的電容，它的聲音表現(xiàn)自然也是不同。我個人不會「日制品打死不用」，只要處理得當(dāng)，日制品也不輸歐美貨。多年前曾用過ELNA高級Cerafine音響級電容，它的ESR雖然低，但Irac也不高，裝在amp.上，低頻很厚實，但霧氣較重，不夠透明?？墒遣⑸蟬peed-up小電容後，就豁然開朗。 故實際裝配時，記得一定要在主濾波電容上加并speed-up小電容，此舉「至少」會改善高頻響應(yīng)。數(shù)值是多少？最好是一大一小，大的1μF、小的0.1μF，MKP是最低要求。 有時并上小電容會發(fā)現(xiàn)助益不大，這可能是小電容未選對。RIFA的電解及塑料電容，若想加并speed-up，奉勸你不要找WIMA，建議各位試試MIT的PPFX-S錫箔或RTX系列0.1μF。寫這篇文章的同時，也留意各雜志的廣告，美國Krell及加拿大Class'e Audio的Hi-End後級新機種竟然都采用日本Nichicon電容做主電源平滑濾波！但雜志評論員有誰敢說它差？！ 前級擴大機吃不了數(shù)百mA電流，故濾波電容較易選擇。高瓦數(shù)、高輸出電流擴大機就很難伺候，此時濾波電容的Irac特性就要考慮在內(nèi)。 對於濾波用電解電容，有幾點值得網(wǎng)友注意：一、大致上來說，日制品的Irac比歐美品低；二、低漏電流比低ESR更重要；三、大濾波電容宜并接小電容；四、盡量選高耐壓電容；五、最頂級的電容，容量及耐壓都不高，故數(shù)百瓦的大power通常聲音粗糙，不是沒有道理。 筆者不建議哪種電容最好，因為只要用得恰當(dāng)，每種電容都可發(fā)出好聲。至於刻意強調(diào)電容、電阻、焊錫、保險絲非xxx品牌不用的人，絕對是不懂線路結(jié)構(gòu)的外行人！ 關(guān)於鋁質(zhì)電解電容的構(gòu)造 電容器依其元件構(gòu)造大致可分成：一、卷繞型，二、積層型，三、電解型。而電解型又分鋁質(zhì)及鉭質(zhì)兩類，鋁質(zhì)再分成液態(tài)電解質(zhì)及固態(tài)電解質(zhì)。若說液態(tài)電解質(zhì)是鋁箔濕式、固態(tài)電解質(zhì)是鋁箔乾式，那就錯了，因鋁箔乾式及鋁箔濕式都是液態(tài)電解質(zhì)電容。 鋁質(zhì)電解電容是以經(jīng)過蝕刻的高純度鋁箔做為陽極，以其表面經(jīng)陽極氧化處理之化成薄膜做為電介質(zhì)，再以浸有電解液的薄紙或布做陰極。由於電解液是用吸浸式，故稱鋁箔乾式電解電容。 何謂鋁箔濕式？在電容器內(nèi)直接加電解液─例如硼酸胺＋乙二醇混合液，這種用手電容搖一搖還會發(fā)出流水聲，瑞典RIFA的PEH169系列就是這種電容。 即使是歐洲名廠，做為陽極的鋁箔也非自行生產(chǎn)，而是統(tǒng)一由某公司供應(yīng)，就好像瑞士表廠甚多，但只有少數(shù)幾家會做油心。