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(xì)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(lán)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(fù)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(yuǎn)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(lán)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。[!--empirenews.page--]
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(dá)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(dá)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(rèn)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(xì)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(rèn)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。[!--empirenews.page--]
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。鄧小平說得好: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?;旧?,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I(xiàn)rac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。大約10年前義大利某公司無法正常供應(yīng)陽極鋁箔時,全球各名廠如Mallory/RIFA/Sprague或Rubycon/Philips…就只得拖延交貨脫時間,沒原料怎麼生產(chǎn)交貨?至於吸浸電解液的紙,也絕非在一般文具店即可購得,最大供應(yīng)商是在馬來西亞.
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