Выбор плёночных конденсаторов для применения в Hi-Fi- и High-End-аудиотехнике. Часть 2. Основные характеристики конденсаторов
Сохранить и прочитать потом —
Любой конденсатор является электростатическим пассивным элементом, который накапливает энергию в виде заряда на своих проводящих, но электрически изолированных обкладках. Процесс накопления энергии электрического поля конденсатором зависит от размера обкладок (S), расстояния между ними (d) и свойств изолирующего материала. Математически ёмкость конденсатора можно выразить следующей формулой:
где диэлектрическая проницаемость (ε) – безразмерная физическая величина, показывающая степень поляризации материала под воздействием электрического поля в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость может быть выражена как ε = εs / ε0, где ε – диэлектрическая проницаемость, εs – диэлектрическая проницаемость материала среды, ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума.
Так, например, для полиэстера ε=3,3, а для полипропилена ε=2,2. Учитывая, что ёмкость конденсатора
при замене диэлектрика в конденсаторе изменение ёмкости будет:
То есть в таком же по размеру конденсаторе, с равными по площади S пластинами и расстояниями d между ними ёмкость уменьшится в 1,5 раза.
Минимальная толщина плёнки – также важный параметр, так как, с одной стороны, он определяет расстояние между обкладками конденсатора d, и чем меньше оно будет, тем больше окажется ёмкость. Но с другой стороны, чем меньше слой диэлектрика, тем может быть ниже напряжение пробоя.
Диапазон напряжений – это диапазон номинальных напряжений. Под номинальным напряжением понимается максимально допустимое рабочее напряжение. Если на конденсатор подаётся переменная составляющая с пиковым Umax и постоянная UDC, то номинальное напряжение UR должно быть не меньше их суммы:
ΔС/С в рабочем диапазоне температур – изменение ёмкости конденсатора при граничных рабочих температурах. Численно этот параметр можно выразить как
Зависимость ёмкости от температуры нелинейная, и часто производители приводят соответствующий график. Типичный пример (рис. 5) для плёночных полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных(PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов:
Рис. 5. Типичные зависимости ёмкости от температуры для полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных (PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов.
Если конденсатор подвергается циклическому изменению температуры от Tmin до Tmax, то могут наблюдаться необратимые изменения между начальной и конечной ёмкостями. Это отклонение получило название циклического дрейфа ёмкости и выражается в процентах от ее номинального значения (рис. 6).
Рис. 6. График циклического дрейфа ёмкости. Во время работы конденсаторов при высоких температурах происходит внутренняя деградация диэлектрика, вследствие чего уменьшается ёмкость при нормальных условиях (T=25°C. P=760 мм рт. ст.)
Для плёночных конденсаторов этот параметр обычно очень мал. Однако в сигнальных цепях усилителей, подверженных нагреву из-за расположенных рядом мощных транзисторов или ламп, нужно учитывать этот параметр. Плёночные и фольговые конденсаторы крайне не рекомендуется подвергать нагреву выше максимально допустимой рабочей температуры для конкретного экземпляра конденсатора. Типичные значения максимальных рабочих температур:
При высоких температурах эксплуатации, достигающих 70% и выше от максимально-допустимой рабочей температуры конденсатора, его характеристики ухудшаются. Для номинального напряжения вводится так называемый фактор снижения, который обозначает снижение рабочего напряжения при высоких температурах.
Рассмотрим эффект, который может существенно повлиять на звук. Он связан с изменением ёмкости в зависимости от частоты колебания напряжения на конденсаторе. Надо заметить, что в отличие от конденсаторов других типов, все плёночные не подвержены такому эффекту. На графике (рис. 7) видно, что полипропиленовые конденсаторы (PP) имеют практически линейную характеристику: уменьшение ёмкости на доли процента происходит на частотах выше 20 кГц. Уменьшение на 1% ёмкости у конденсаторов с полиэтилентерефталатными и полиэтиленнафталатными диэлектриками может стать причиной отказа от них для High–End-приложений.
Рис. 7. Графики зависимости ёмкости от частоты напряжения для полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных (PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов.
Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) характеризует потери энергии электрического поля, приходящиеся на его рассеяние в диэлектрике. Он определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты. Значение тангенса угла потерь диэлектрика зависит от его качества, температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он измеряется.
Рассмотрим потери электростатической энергии в конденсаторе более подробно. В цепях переменного тока происходит процесс изменения полярности на обкладках конденсатора. В его результате трение в молекулярных структурах трансформируется в тепло. Потери такого же рода в конденсаторе происходят из-за резистивных потерь в частях конденсатора: выводах, металлическом контактном слое и электродах. Упрощённая эквивалентная схема конденсатора представлена на рис. 8.
Рис. 8. Эквивалентная схема конденсатора, в которой L – эквивалентная индуктивность, RS – эквивалентное последовательное сопротивление, C – ёмкость
Как видно из диаграммы на рис. 9, для частот значительно ниже собственной резонансной частоты конденсатора (L и US очень малы), RS смещает фазу между напряжением и током чуть менее чем на 90 градусов. Разность между углом фазы и 90о представляет собой угол диэлектрических потерь δ, который определяется через тангенс диэлектрических потерь tgδ, то есть отношением эквивалентного последовательного сопротивления RS к ёмкостной реактивной составляющей
Можно показать, что тангенс угла диэлектрических потерь также является отношением активной мощности к реактивной (δ=PA/PA). Рассеянная мощность может быть представлена как функция напряжения US, выраженная через эквивалентное последовательное сопротивление RS или через протекающий через него ток:
и для плёночных конденсаторов tgδ = 2πƒ∙RS∙C≪0,1, то
Тогда мощность может быть рассчитана как P = 2πƒ∙C∙tgδ∙U 2 или P = (2π∙C) 2 ∙R∙U 2
Рис. 9. Диаграмма диэлектрических потерь
Тангенс угла диэлектрических потерь и эквивалентное последовательное сопротивление очень важны, так как они характеризуют тепловые потери энергии электрического поля, а значит и затухание звукового сигнала.
Самовосстановление
Плёночные конденсаторы обладают выдающимися характеристиками по скорости заряда и разряда, что делает их незаменимыми в сетевых фильтрах блоков питания. В сети часто возникают высокоэнергичные импульсы, которые нередко становятся причиной выхода из строя электронных приборов, питающихся от сети. Плёночные конденсаторы могут частично защитить цепи питания, сглаживая такие сетевые помехи. При этом их рабочие свойства меняются незначительно. Данное свойство получило название самовосстановление, так как оно обуславливается способностью самостоятельно избавляться в процессе работы от дефектов (например, пор и примесей в плёнке).
Рис. 10. Схематическое изображение области возникновения дугового разряда между обкладками.
Влагопоглощаемость – характеристика конденсаторов, определяющая, как будет меняться ёмкость конденсатора при изменении влажности рабочей среды. В зависимости от типов конструкции и диэлектрика, а также наличия воздушного зазора между обкладками различные плёночные конденсаторы могут вести себя очень по-разному. Если температура и относительная влажность рабочей среды, указанные производителем, не будут превышать допустимых значений, то процесс изменения ёмкости будет обратимым. В противном случае – нет.
Диэлектрическая абсорбция
В процессе заряда конденсатора происходит накопление его носителей на обкладках, в то же время между обкладками конденсатора существует электрическое поле, силовые линии которого проходят через диэлектрическую плёнку, разделяющую обкладки. В диэлектриках нет свободных носителей заряда, но молекулы диэлектрика при этом имеют в своей структуре положительно и отрицательно заряженные ионы, за счёт которых в них образуются два полюса. Такие молекулы называют диполями. Взаимодействуя с внешним электрическим полем, диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль силовых линий электрического поля.
Рис. 11
На данном графике видно, как изменяется напряжение между обкладками конденсатора во времени при саморазряде, коротком замыкании, и как восстанавливается заряд на обкладках за счёт диэлектрической абсорбции.
При быстром разряде в диэлектрике происходит обратный процесс, в котором диполи начинаются вращаться и приходить в обычное «расслабленное» состояние; это явление называют диэлектрической релаксацией. При этом на поверхностях диэлектрика возникает разность потенциалов, которую также называют дипольной поляризацией. У плёночных конденсаторов она минимальна и составляет меньше 1% от их рабочего напряжения, в отличие, например, от электролитических, где она может достигать 15%. Диэлектрическая релаксация сопровождается выделением тепловой энергии и приводит к диэлектрическим потерям, что отражается на величине тангенса угла диэлектрических потерь, о котором мы говорили ранее.
| Тип диэлектрика конденсатора | Диэлектрическая абсорбция |
| Керамический с диэлектриком NP0 (CG0) | 0.6% |
| Керамический с диэлектриком X7R | 2.5% |
| Полипропилен (PP) | 0.05…0.1% |
| Версия RMAA | 6.4.1 Pro |
| Полиэтилентерефталат (PET) | 0.2…0.5% |
| Полифениленсульфид (PPS) | 0.05…0.1% |
| Полиэтиленнафталат (PEN) | 1.0…1.2% |
| Танталовый электролитический с твёрдым электролитом | 2.0…3.0% |
| Алюминиевый электролитический с жидким электролитом | 10…15% |
Плёночные конденсаторы благодаря своей совокупной постоянной ёмкости, практически не зависящей от температуры и рабочего напряжения, очень низким диэлектрическим потерям, высоким импульсным токам, диапазону доступных ёмкостей и умеренным габаритам нашли широчайшее применение не только в аудиотрактах HighEnd-класса (рис. 12) и профессиональной звукозаписывающей аппаратуре, но и в прецизионном измерительном оборудовании, медицинской и военной технике – на суше, под водой и даже в космосе. Менее распространены их предшественники – фольговые конденсаторы, изготовленные с использованием ретроградных диэлектриков в виде промасленной бумаги и натурального пчелиного воска. Там, где цена, а также плохие массогабаритные показатели не имеют значения, а искажения недопустимы, используются и они. Чаще всего их приложениями являются кроссоверы акустических систем. Еще они встречаются в роли проходных конденсаторов в High-End-аппаратуре (рис. 13).
Рис. 12. Mundorf MCAP EVO Aluminium Oil (плёночно-фольговый конденсатор полипропиленово-масляный) в ламповом усилителе Prima Luna Prologue One High-End-класса.
Рис. 13. Ламповый предусилитель ЦАП High-End-класса оснащен четырьмя конденсаторами Duelund CAST PIO-CU (медные фольговые с бумажно-масляным диэлектриком)
Пленочные конденсаторы для устройств силовой электроники
Аннотация. В статье дается краткий обзор конденсаторов MKP и MKT, выпускаемых на
основе полипропиленовых (со свойствами самовосстановления после пробоя) и полиэстеровых пленок,
как общего применения, так и низкоиндуктивных, импульсных и демпферных, для диодно-тиристорных и IGBT-модулей,
высоковольтных, помехоподавляющих фильтров (RFI-filters) и RC-цепочек на их основе,
производимых компанией Elektronicke Souchastky CZ, a.s. (г.Острава)
КОНДЕНСАТОРЫ СЕРИИ МКТ (МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫЙ ПОЛИЭСТЕР)
Конденсаторы этой серии (см. табл. 1) имеют высокое значение диэлектрической постоянной ε, высокую
диэлектрическую прочность, исключительные свойства к самовосстановлению, хорошую стабильность, положительный
температурный коэффициент (+400 ppm/C).
Таблица 1. Конденсаторы серии МКТ (металлизированный полиэстер)
5%, 10 %, 20 %, другие точности по заказу
 |  |  |
Фото 1. Конденсаторы серии МКТ
Конденсаторы серии МКТ (Фото. 1) рекомендованы для общего применения и преимуществено используются в цепях
постоянного тока в качестве разделительных, блокирующих и шумоподавляющих.
Все пленочные конденсаторы прошли испытания как в действующей, так и во вновь разработанной аппаратуре,
продемонстрировали высокое качество и надежность.
КОНДЕНСАТОРЫ СЕРИИ МКР (МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫЙ ПОЛИПРОПИЛЕН)
Рассматривая процессы, происходящие при эксплуатации конденсатора, можно увидеть что важным критерием при
выборе является соответствие свойств материала диэлектрика и обкладок решаемой задаче, возможность работы в
широком температурном диапазоне и в условиях высоких импульсных кратковременных токов, а так же, величина
отклонения от номинальных значений параметров под влиянием внешних воздействий. Эти факторы очень важны
при выборе конденсатора, та как непосредственно определяют потери энергии в нем.
Конденсаторы серий MKP, MKPI, KPI (см. Фото. 2, 3, 4, табл. 2, 3) имеют превосходные электрические параметры,
очень малые потери в диэлектрике, очень высокое значение сопротивления изоляции, очень низкую диэлектрическую
абсорбцию и высокую диэлектрическую прочность, практически нечувствительны к повышенной влажности и
 |  |  |
Фото. 2 Конденсаторы серии МКР (с самовосстановлением)
стабильность параметров при длительных сроках эксплуатации. Следует отметить также, что они имеют отрицательный
температурный коэффициент (–200 ppm/C).
Преимущественные области применения:
• цепи переменного тока;
• импульсные источники питания;
• коммутирующие и демпфирующие схемы (для тиристоров, GTO и IGBT модулей );
• силовые фильтры;
• узлы разряда/заряда с высокими значениями импульсных токов.
О технологии самовосстановления можно вкратце прочитать на этой странице.
Таблица 2. Конденсаторы серии МКР (металлизированный полипропилен)
5%, 10 %, 20 %, другие точности по заказу
 |  |
| Фото. 3 Конденсаторы серии KPI | Фото. 4 Конденсаторы MKPI (с самовосстановлением) |
Таблица 3. Импульсные и демпферные (для IGBT модулей) конденсаторы
5%, 10 %, 20 %, другие точности по заказу
Фото 4. Демпфирующий конденсатор MKP для GTO тиристоров
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Конденсаторы серий МКР, МКРР и МКТ изготавливаются с применением как полиэстеровой, так и металлизированной
полипропиленовой пленки (см. табл. 4, рис. 4, 5). Они обладают эффектом самовосстановления и низкой паразитной
индуктивностью. Имеют исключительно низкий тангенс угла потерь (tgδ (детальнее здесь)
Полиэстеровая пленка, Полипропиленовая пленка
5%, 10 %, 20 %, другие точности по заказу
ПОМЕХОПОДАВЛЯЮЩИЕ КОНДЕНСАТОРЫ, RC-ДЕМПФЕРЫ, ФИЛЬТРЫ
Таблица 5. Помехоподавляющие конденсаторы, RC демпферы
| Класс | X2 | Y2 | RC | |||||||
| Тип | C303 | C313 | C323 | C304 | C305 | C306 | C333 | C333A | C333T | RC205-209 |
| Конструкция | Прямоуг | Аксиал | Цилиндр | Прямоугольная | Аксиал | Цилиндр | Прямоуг. Крепление | |||
| Диапазон емкостей | 22 нФ–1 мФ | 22 нФ– 3 мФ | 22 нФ– 2.2мФ | 22 нФ– 1мФ | 22 нФ–33 нФ | 10 нФ–1 мФ | ||||
| Диапазон напряжений | 250 В | 300 В | 440 В | 600 В | 250 В | 63 В–250 В | ||||
| Точность | 20% | |||||||||
| Климатическая категория | 55/100/56 | 55/085/56 | 40/085/56 | 55/100/56 | ||||||
| Сертификаты | IECEE CB | IECEE CB | IECEE CB | IECEE CB | ||||||
Если для значительного уменьшения влияния коммутационных процессов на «нежные устройства» типа блока питания,
достаточно маломощного помехоподавляющего фильтра, то для устраненения этого влияния на общую электромагнитную
среду внутри замкнутого объема (напр., внутри шкафа) желательно устранять такие перенапряжения, возникающие
при коммутации силовых цепей под нагрузкой, в месте их возникновения.
Для этого и рекомендуется использовать RC цепи, которые монтируются непосредственно на клеммы контактных групп,
на DIN-рейку рядом с электромеханическими размыкателями, могущих эти перенапряжения вызвать.
Особенности применения силовых фильтов ЕМС постараемся обсудить в следующей статье.
Mkt конденсатор что это
Ах, эти пленочные конденсаторы. Многие, вероятно, наслышаны о них.
Исходя из разных диэлектрических свойств пленки, такие конденсаторы, в качестве разделительных в звуковых цепях, ведут себя несколько по-разному, что, так или иначе, сказывается на звуке. Никакие физические/электромеханические свойства диэлектрика мной не исследовались. Основная мысль статьи – провести некую классификацию пленочников и ближе познакомиться с ними.
Автор: yooree
Немного конструктива
Роль диэлектрика в таких конденсаторах выполняет полимерная пленка. В качестве электродов может использоваться фольга. Но технология здесь достаточно разнообразная.
Бывает, что пленку не укрывают слоем фольги, а металлизируют (тонким слоем металла) посредством вакуумного напыления. Даже возможен обратный вариант – полимерный порошок напыляют на фольгу. И даже существуют промежуточные варианты, когда в конструкции намотки используется и металлизированная пленка и фольга, когда используется двухслойная металлизация пленки и, возможно, еще какие-то техники.
По типу корпуса и/или организации выводных электродов можно провести еще ряд градаций:
– аксиального или радиального типа
– тубулярные или овальные по форме
– индуктивные и неиндуктивные
– боксовые или залитые (компаундом)
Лавсановые (Polyester film capacitor/ Metallized Polyester film capacitor)
1-ая (большая и достаточно распространенная ) группа – конденсаторы с диэлектриком из лавсановой (полиэтилентерефталатной) пленки. Самые доступные из пленочных. Здесь следует различать металлизированный лавсан и неметаллизированный.
Неметаллизированные, как правило, небольшой емкости, небольших размеров. В качестве примеров таковых – отечественные К73-9
Конденсаторы на основе металлизированной пленки
Ближайшие импортные аналоги выглядят так :
Другие импортные серии:
— достаточно популярная серия MKT. Они типично выполнялись боксовыми радиальными. Законодателем “моды” в прошлом веке выступила фирма Siemens. Позже, боксовый тип “подхватили” Wima, AVC, EPCOS и многие другие.
Позже в боксовом корпусе стали выпускать и снабберные (помехоподавляюшие) пленочники, что негативно сказалось на репутации MKT. Укрепилось мнение, что для звука такие “не очень”.
— достаточно заметная группа индуктивных лавсановых неметаллизированных. Их особенность в том, что они индуктивные. Иногда их еще называют майларовыми (mylar), майлар – просто разновидность лавсана.
Это прежде всего серия PEI. Их в некоторых интернет-магазинах рунетеа преподносят как полистирольные, но это развод. Выглядят PEI так –
Предельная емкость у темно-зеленых, как правило, не выше 0,22 мкФ. И, по некоторым сведениям, к подобным относятся и TMCF, которые еще могут называться как CL11.
Как вычислить лавсановый конденсатор по названию его серии?
По наличию латинской буквы “E” – что означает “этилентерефталат”. Хотя бывают и исключения, как с MKT. Вероятно, это немецкий вариант.
Плюс еще азиатские стандарты добавляют путаницы, они предпочитают давать сериям другие названия, типа СL. Иногда стандарты дублируют, при этом пишут дублера в скобках.
Полистирольные (Polystyrene Film Capacitors)
Считается, что полистирольные емкости вносят минимальную окраску и одни из самых стабильных. Проверить это не всегда удается, т.к. надо прежде всего умудриться найти такие конденсаторы. Они не очень распространенные. Еще одна проблема по ним – предельная емкость для этих приборов – типично всего 0,5 мкФ.
Из отечественных более-менее доставабельный К71-7
И еще, по минимальной границе емкости К71-1 тоже “хромает” – выпускают начиная от 1000пФ.
Из импортных (настоящих) полистирольных встречал только серию PSI / PSR, они тоже не самые распространенные, выглядят так –
Предельная емкость еще ниже, до 0,01 мкФ. Но зато минимальная встречается до 68пФ.
Поликарбонатные конденсаторы (Polycarbonate Film Capacitors)
Вероятно, они “вымерли” уже давно. Не видно их и не слышно о них. Из отечественных в истории упоминается о К77-1 с пределами емкостей от 0,001 до 3,9 мкФ. И ходили слухи, что они придают звуку приятную мягкость. Видимо, по аналогии с угольными резисторами. К сожалению, вымерли они из-за активной конкуренции со стороны другого диэлектрика – полифенил-сульфида, производство которого было не таким затратным.
Полифенил-сульфидные конденсаторы (Polyphenylene Sulphide (PPS) capacitors):
Современные заменители поликарбонатных конденсаторов. Редкие и дорогие. Из наиболее известных можно упомянуть серию MU12 американской фирмы Electronic Concepts. Мечта аудиофилов…
Полипропиленовые конденсаторы. (Polypropylene capacitors / Metallized Polypropylene capacitors)
2-ая (большая, но менее распространенная в странах СНГ) группа с диэлектриком из полипропилена. Относительно доступные, могут быть раза в 3-4 дороже лавсановых. Из отечественных еще как-то можно отыскать K78-2 и К78-19 и некоторые другие.
Из импортных выпускаемый спектр очень широк. Начнем с самых ходовых. Для неметаллизированных, к примеру, серия PPN (CBB13), чаще всего бордового или красного цвета.
или темно-синие, иногда,
— Боксовые версии MKP (Wima, Epcos, Evox-Rifa и т.п.) – посолиднее, но репутация слабее из-за корпуса типа box. Опять же, вероятно, потому, что в боксах часто выпускают снабберные пленочники. Пример от Вима –
— тубуляры (цилиндрические или овальные), серий MPA, MPT, MPR и т.п. (CBB20) – хорошая репутация. Выглядят так :
— высоковольтные полипропиленовые серий PPS (CBB81) и им подобные. Неметаллизированные, только фольга и пленка. Номиналы – от 100пФ до 0,47мкФ. Напряжение от 1000 до 3000В. Близкие аналоги отечественных K78-2. Выглядят так –
— снабберные полипропиленовые, типа MKP/X2 (CBBX2), MPX (CBB62X2) и т.п.
Они шумоподавляющие. Ходят слухи, что для звуковых цепей это не лучший вариант. Снабберные легко можно вычислить по обилию значков-сертификатов на корпусе. Выглядеть могут так –
— пусковые полипропиленовые (для двигателей и/или для розжига ламп дневного света)
Насколько они могут быть хороши в звуке – неизвестно. Выглядеть могут так –
Фторопластовые конденсаторы. (Teflon film capacitors)
Наряду с полистирольными, считаются самыми толерантными к звуку емкостями. Опять же редкие. Из отечественных должны где-то существовать такие, как К72П-6, К72-9, ФТ-3…
Заключение
— конечно, идеальных пленочных конденсаторов не существует, здесь на помощь может прийти “бутербродная” техника. И терпение в опробовании разных типов.
— не все типы одинаково хороши для усилителей на любой элементной базе. Лампы “любят” конденсаторы с одним типом диэлектрика, полупроводникиовые конструкции – с другим. Уместность использования определенного конденсатора может быть обусловлена и внутренним импедансом цепи.
— у высоковольтных полипропиленовых конденсаторов и у полистирольных конденсаторов малой емкости есть перспективы удачно проявить себя в отфильтровке ВЧ в пассивных регуляторах тембра и в тонкомпенсации.
Cтатья содержит только краткие сведения, в помощь тем, кто пожелает расширить свой кругозор могут быть полезны следующие источники в сети:
*Название темы на форуме должно соответствовать виду: Заголовок статьи [обсуждение статьи]
© DiyAudio Team, 2010-2012
Все материалы ресурса защищены законом об авторском праве.
При публичном использовании, цитировании или копировании обязательна ссылка на наш ресурс
с указанием конкретного имени или ника автора материала.
