濾波電解電容小知識

2019-07-13     閒余電子

電容器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。但若依功能及製造材料、製造方法細分,那可不是一朝一夕能說得明白。所以本文只談電解電容,而且只談電源平滑濾波用的鋁質電解電容。

每台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」。採用電池供電當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。

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面對電源穩壓線路中擔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示,那是指靜電容量;也一定有耐壓標示,那是指工作電壓或額定電壓。

工作電壓 WV,為絕對安全值;若是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!

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;故當電壓值不變時,加大靜電容量就能增高電荷能量。注意,電容器的容量單位應是 F(farad),可是因計量太高造成數值偏低,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。

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有了靜電容量及工作耐壓兩個參數,若你正在選購電容,接下來你會考慮什麼?直覺上是價錢。這個參數很重要,而且數值愈低愈佳。

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?

製造日期,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製造日期的標示。但外皮顏色及文字印刷不直接與品質有關,故僅加上製造日期參數。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。

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容量誤差也別遺漏,當采多顆並聯,為求得單只特性均勻,誤差當然是愈低愈佳。現在再加上工作溫度及容量誤差,咱們手上已有 12 個參數,對電容器應有三成以上了解。電容的工作溫度不是指環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子就一定安全。可是真正有關電容器品質的幾個重要參數,卻都只存在原廠規格書中,完全不會顯露在成品封裝外皮上,而這些重要參數才是本文談論的重點。

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散逸因數——損失角

損失角,既有損失,當然愈低愈好。塑料電容的損失角很低,但鋁電解電容就相當高。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……都有關係;當容量相同時,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。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 。

但許多電容器製造廠,在規格書上常不註明散逸因數 DF 值,因為數值甚高很難看。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 系列鋁質電解電容,就未標示損失角規格。若真註明 DF 值,可能會是 1.0000,小數點是在 1 的後面。

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漏…漏電流

漏電!最好沒有。可是沒辦法,鋁電解電容在工作時一定會產生漏電流。漏電流(leakage current)當然要低,電容器容量越高,漏電流就越大。如果你有容量越大平滑效果愈好的想法,這個「漏電流」也請考慮在內。但降低電容器的漏電流並不容易,漏電流規格,鋁電解電容就比鉭電解電容差許多,鉭質電容也有乾式及濕式兩種,不過它的容量及耐壓都較低。

等效串聯電阻 ESR

一隻電容器會因其構造而產生各種阻抗、感抗,比較重要的就是 ESR 等效串聯電阻及 ESL等效串聯電感這就是容抗的基礎。電容器提供電容量,ESR 的高低,與電容器的容量、電壓、頻率及溫度…都有關,當額定電壓固定時,容量愈大ESR 愈低。有人習用將多顆小電容並接成一顆大電容以降低阻抗,其理論是電阻並聯阻值降低。但若考慮電容接腳焊點的阻抗,以小並大,不見得一定會有收穫。

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Cs 是電容量。

有時電容器規格上會有 Z,它與 ESR 的意義不同,但 Z 的計算示與 ESR 有關,同時也考慮到容抗及感抗,是真正的內阻。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。

關於容量誤差,近年來鋁質電解電容頗有進步,以往是-20%~+40%,現在大多是+/-20%。但其容量常偏加而不是偏減,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,這種測試儀器很難買到,美國曾製造過,可量至 99999μF,並能同時顯示 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。額定工作電壓的安全度,例如某電容的額定電壓是 50V,雖然涌浪電壓可能高至 63V,但最高只會施加 42V 電壓。讓電容器的額定電壓具有較多的餘裕,能降低內阻、降低漏電流、降低損失角、增加壽命,±48V 工作電壓配上 10000μF/50V 濾波電容;短時間內當然不會燒壞,但時日長久,壽命有可能降低,那就得更換新品或另購新機。所以日製品常有「時間到了,該走了」的宿命,你也不能指責它是偷工減料,畢竟做生意總要圖利,若一輩子只能賣你一次,如何賺錢?

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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。不十分相信,因擴大機的哼聲常是因地迴路不當引起,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,特別是美國產品 Krell、Mark Levinson,最愛採用大水塘大電容;丹麥的 Dynaudio,連前級擴大機都用到十數萬 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。

設計擴大機,也可以完全沒有哼聲,而且低頻表現也不比「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!建議:組裝後級若採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。後級擴大機若要好聲,採用大功率電源變壓器比採用大容量濾波電容有效多了。

一顆大的?多顆小的?

濾波電容堅持要大 μF─那是找一個大的,還是用十來個小的並接?又有人說用小顆並,不但內阻可以降低,反應速度也會也快,透明度及解析度都比較好,但有誰認為它反應速度慢、不透明有霧?面對此問題,就機箱規劃來說,用多顆小電容並聯似乎比較理想,進口機與國產機的命運有些不同,當消費者面對數十萬元進口機採用多顆小電容時,他會自我解釋:這個很有道理;但面對國產品時,他可能會有另一套惡毒的說法:偷工減料!就音質表現,大水塘 or 小水塘、一顆大的 or 多顆小的,應該沒有絕對關係。鄧小平說得好:管它黑貓、白貓,會捉老鼠的就是好貓。

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故實際裝配時,記得一定要在主濾波電容上加並 小電容,此舉「至少」會改善高頻響應。數值是多少?最好是一大一小,大的 1μF、小的 0.1μF,MKP 是最低要求。有時並上小電容會發現收益不大,這可能是小電容未選對。

關於鋁質電解電容的構造

電容器依其元件構造大致可分成:一、卷繞型,二、積層型,三、電解型。而電解型又分鋁質及鉭質兩類,鋁質再分成液態電解質及固態電解質。若說液態電解質是鋁箔濕式、固態電解質是鋁箔乾式,那就錯了,因鋁箔乾式及鋁箔濕式都是液態電解質電容。鋁質電解電容是以經過蝕刻的高純度鋁箔做為陽極,以其表面經陽極氧化處理之化成薄膜做為電介質,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出流水聲,瑞典 RIFA 的 PEH169 系列就是這種電容。

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文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-cn/cvDmGWwBmyVoG_1ZhfNr.html