浅谈电源滤波用电解电容

草根 · 发表于 2009-6-23 23:40:04

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　电容器(capacitor)在音响组件中被广泛运用，滤波、反交连、高频补偿、直流回授…随处可见。但若依功能及制造材料、制造方法细分，那可不是一朝一夕能说得明白。所以缩小范围，本文只谈电解电容，而且只谈电源平滑滤波用的铝质电解电容。
　　每台音响机器都要吃电源─除了被动式前级，既然需要供电，那就少不了「滤波」这个动作。不要和我争，采用电池供电当然无必要电源平滑滤波。但电池充电电路也有整流及滤波，故滤波电容器还是会存在。
　　我们现在习用的滤波电容，正式的名称应是：铝箔乾式电解电容器。就我的观察，除加拿大 Sonic Frontiers真空管前级，曾在高压稳压线路中选用PP塑料电容做滤波外，其它机种一概都是采用铝箔乾式电解电容；因此网友有必要对它多做了解。
　　面对电源稳压线路中担任电源平滑滤波的电容器，你首先想到的会是什麽？─容量？耐压？电容器的封装外皮上一定有容量标示，那是指静电容量；也一定有耐压标示，那是指工作电压或额定电压。
　　工作电压(working voltage)简称WV，为绝对安全值；若是surge voltage(简称SV或Vs)，就是涌浪电压或崩溃电压;，超过这个电压值就保证此电容会被浪淹死─小心电容会爆！根据国际 IEC 384-4规定，低於315V时，Vs=1.15×Vr，高於315V时，Vs=1.1×Vr。Vs是涌浪电压，Vr是额定电压(rated voltage)。
　　电容器的电荷能量是以Q＝CV来表示，Q是库伦，C是静电容量，V是电压；故当电压值不变时，加大静电容量就能增高电荷能量。请注意，电容器的容量单位应是F(farad)，可是因计量太高造成数值偏低，故多改用μF，1F=一百万μF。国外也有用mF表示μF，其实mF不十分贴切，但机械式打字机上没有μ键，故用m代表micro。
　　有了静电容量及工作耐压两个参数，若你正在选购电容，接下来你会考虑什麽？直觉上是价钱。嗯，这个参数很重要，而且数值愈低愈佳。也有人先想到品牌，并坚持日本货打死不用─还存著八年抗战情结？美国货也仅能排第二，瑞典或德国制造的才能排第一。嗯，这个参数也很重要。但既然谈到品牌，那就不能忽略系列型号；因为一个制造厂会生产许多不同系列的产品，系列不同，品质及价格就会不同。OK，我们先整理一下，有关电源平滑滤波电容器的参数已知有：静电容量、额定工作电压、涌浪崩溃电压、价格、品牌、型号系列。
　　不应该只有小猫两三只，外型尺寸也应该很重要，因为与它相关的有重量及接脚型态，snap- in是插焊PC板式，screw是锁螺丝式。至於重量，同容量同耐压，但品牌不同的两个电容做比较，重量一定不同；而外型尺寸更与机箱规划有关。有些电容不是全圆型，有点像是多角型， Philips、BHC都有这种看起来似乎很高级的系列。现在我们再整理一下，加上重量、外型尺寸、接脚型态─已有九个参数。
　　外皮颜色？这是谁提出来的？很妙。因白色、黑色、蓝色塑胶封装都有厂商在用，它有时也具有某些意义，例如日规黑底金字常代表高级for audio音响级电容。仅凭外观还能想到哪些？制造日期，9627就是1996年第27周出厂；近年来日制电容似乎逐渐有意省略制造日期的标示。但外皮颜色及文字印刷不直接与品质有关，故仅加上制造日期参数。还有，别忘了适用工作温度，因为 105度C比85度C更适用於真空管机。若机器要摆在南极，最好选耐负55度C的品种。
　　容量误差也别遗漏，当采多颗并联，为求得单只特性均匀，误差当然是愈低愈佳。现在再加上工作温度及容量误差，咱们手上已有12个参数，对电容器应有三成以上了解。
　　请别会错意，电容的工作温度不是指环境或表面温度─不管几度，封装塑胶外皮都是一样，它是指铝箔工作温度，所以装管机选用85度C品种也绝对OK，只要将电容器远离管仔就一定安全。
　　可是真正有关电容器品质的几个重要参数，却都只存在原厂规格书中，完全不会显露在成品封装外皮上，而这些重要参数才是本文谈论的重点。
　　
　　散逸因数─损失角
　　
　　散逸因数dissipation factor(DF)存在於所有电容器中，有时DF值会以损失角tanδ表示。想想，损失角，既有损失，当然愈低愈好。塑料电容的损失角很低，但铝电解电容就相当高。DF值是高还是低，就同一品牌、同一系列的电容器来说，与温度、容量、电压、频率……都有关系；当容量相同时，耐压愈高的DF值就愈低。举实例做说明，同厂牌同系列的10000μF电容，耐压80V的 DF值一定比耐压63V的低。所本刊选用滤波电容常会找较高耐压者，不是没有道理。此外温度愈高 DF值愈高，频率愈高DF值也会愈高。
　　但许多电容器制造厂，在规格书上常不注明散逸因数DF值，因为数值甚高很难看。以瑞典 RIFA为例，其蓝色PHE-420系列是MKP塑料电容，它的DF值最低是0.00005/最高是0.0008。但白色顶级PEH169系列铝质电解电容，就未标示损失角规格。若真注明DF值，可能会是1.0000，小数点是在1的後面。
　　
　　漏…漏电流
　　
　　

草根 · 发表于 2009-6-24 15:55:21

哇！漏电！最好没有。可是没办法，铝电解电容在工作时一定会产生漏电流。
　　
　　漏电流(leakage current)当然要低，它的计算公式大致是:I＝K×CV。漏电流I的单位是μ A，K是常数，例如是0.01或0.03，每家制造厂会选择不同的常数。但不论如何，电容器容量愈高，漏电流就愈大。如果你有容量愈大平滑效果愈好的想法，这个「漏电流」也请考虑在内。从计算式可得知额定电压愈高，漏电流也愈大，因此降低工作电压亦可降低漏电流。
　　但降低电容器的漏电流并不容易，低漏电流low leakage current-LL系列价格高昂，我曾向国内厂商订制一批低漏电流LL系列电容，价格比许多进口电容还贵。漏电流规格，铝电解电容就比钽电解电容差许多，钽质电容也有乾式及湿式两种，不过它的容量及耐压都较低。
　　除特别定制外，面对一般品，想要降低它的漏电流可设法提高Vs对Vr的比值。Vs是涌浪电压，其值当然比Vr额定电压高，但施加电压(真正的工作电压)还应该比Vr低，例如取Vr的90％；找高耐压品种可说是完全正确。
　　
　　等效串联电阻ESR
　　
　　一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗，比较重要的就是ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感─这就是容抗的基础。电容器提供电容量，要电阻干嘛？故ESR及ESL也要求低…低；但 low ESR/low ESL通常都是高级系列。
　　ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度…都有关，当额定电压固定时，容量愈大 ESR愈低。有人习用将多颗小电容并接成一颗大电容以降低阻抗，其理论是电阻并联阻值降低。但若考虑电容接脚焊点的阻抗，以小并大，不见得一定会有收获。
　　反过来说，当容量固定时，选用高WV额定电压的品种也能降低 ESR；故耐压高确实好处多多。频率的影响：低频时ESR高，高频时ESR低；当然，高温也会造成ESR的提升。
　　串联等效电阻ESR的单位是mΩ，高级系列电容常是low ESR及low ESL。若比较低内阻及低漏电流两种特性，则低内阻容易达成，故标示low ESR的电容倒很常见。ESR与损失角有关联，ESR＝ tanδ/(ω×Cs)，Cs是电容量。
　　有时电容器规格上会有Z，它与ESR的意义不同，但Z的计算示与ESR有关，同时也考虑到容抗及感抗，是真正的内阻。刚才提到电容的ESR单位是mΩ，那是指大电容，若是220μF小容量电容，其ESR单位就不是mΩ而是Ω。何种电容器的ESR最低？答案只有一个：Sanyo的OS有机半导体电容！
　　
　　涟波电流Irac
　　
　　前面谈到的散逸因数DF-损失角tanδ、漏电流、ESR-串联等效电阻…等，其值都是愈低愈好，但现在要提的涟波电流ripple current却是愈高愈好。特别是现在都特别讲究後级扩大机要有大电流输出，电源平滑滤波电容器的涟波电流Irac(或Iac)就显得格外突出。
　　涟波电流Irac的标示至少应有低频及高频工作时两种规格数字，低频大约是以120Hz做标准，高频大概是以 10KHz做标准，但不同制造厂商可能会有略微的差别。
　　涟波电流与频率刚好成正比，因此低频时涟波电流也比较低。可是对我们音响迷来说，低频段的Irac值才是重要。所以在采购电容器时，涟波电流数字高低是极为重要的依据。在一般状况下，同品牌时，锁螺丝式电容的涟波电流通常比snap-in插PC板式来得高。
　　曾经有一种说法：RIFA的10000μF相当於其它厂牌15000μF，因为大部份日制电容的涟波电流都不高，而RIFA又特别高，故好像可以一个当两个用。德国Siemens、英国BHC电容，在Irac这项特性上也常优於日制品。就笔者所知，Irac最大的电容，是Siemens SIKOREL系列电容为最高，6800μF/63V就高达20A！若是小容量电容，Irac最大的是Sanyo OS电容。
　　就後级扩大机的动作来说，很多人会认定低频时吃电流。有个方法可以试：以电表直流电压- DCV最低档量任一只射极电阻压降，最好是指针电表，播放唱片，将前级音量转大，注意电表指针的摆动，你就会发现低频固然会吃电流，四把吉它连弹也会猛吃电流！什麽音乐最适合run-in後级扩大机？Holst的《行星组曲》第一曲MARS。
　　现在你应该已经明了六成以上，或许你想问：有没有体型不大，漏电低、ESR低、tanδ低、误差低、价格低，但涟波电流高、适用温度范围高的铝电解电容？嗯…，没有！
　　关於容量误差，近年来铝质电解电容颇有进步，以往是-20％～+40％，现在大多是+/-20％。但其容量常偏＋而不是偏－，故10000μF测量起来有可能会接近12000μF。
　　精确量取大容量电容器的静电容量，是我多年来一直想做的事。不要怀疑，这种测试仪器很难买到，美国曾制造过，可量至99999μF，并能同时显示DF值及 ESR值；而且电容量是100Hz、 1KHz、10KHz三段（不是两段）频率测试的平均值。这种仪器国内市场曾出现过，小卖新台币十万元─只差漏电流的测试。
　　额定工作电压的安全度，在我的标准是：至少理让15％。例如某电容的额定电压是50V，虽然涌浪电压可能高至63V，但我最高只会施加 42V电压。让电容器的额定电压具有较多的余裕，能降低内阻、降低漏电流、降低损失角、增加寿命，一举数得何乐不为？以前曾看过日制扩大机，± 48V工作电压配上10000μF/50V滤波电容；短时间内当然不会烧坏，但时日长久，寿命有可能降低，那就得更换新品或另购新机。所以日制品常有「时间到了，该走了」的宿命，你也不能指责它是偷工减料，毕竟做生意总要图利，若一辈子只能卖你一次，如何赚钱？
　　
　　容量愈高哼声愈低？
　　
　　自己装，最讨厌的就是哼声除不掉。有人将滤波电容加大，哼声就没了。我是不十分相信，因扩大机的哼声常是因地回路不当引起，来自电容器微乎其微。但是理论上，容量愈高，电源平滑效果也就愈佳，所以大容量的做法，是许多设计者及DIY迷亦深信不疑。　　因此不少後级扩大机，特别是美国产品Krell、Mark Levinson，最爱采用大水塘─大电容；丹麦的Dynaudio，连前级扩大机都用到十数万μF之容量。至於AC & DC交直流，也比较倾向於「大容量」派，但尚适可而止。
　　可是也有不少名厂走低容量路子，例如美国Amcron有台 250W×2专业後级扩大机，两声道合计500W，只用了2只8200μF小滤波电容器(好像是小了点)。瑞士Goldmund算是Hi-End品牌，产品送到各杂志社试听，没有一个评论员胆敢说它坏，它的大後级就是采用小电容。瑞士FM Acoustics更是贵到毙，一台立体声後级後级可换一部Benz车。它的220W×2专业後级，号称数十 A电流输出，本人亲眼得见，全机只使用2只10000μF/100V滤波电容。
　　大容量滤波与低容量滤波两种理论基本上是对立的，但却同时存在於音响圈。以低容量论点设计扩大机，也可以完全没有哼声，而且低频表现也不比「大水塘」机差。重点是什麽？Irac涟波电流。如果你如今还是满脑子的大容量，那你还不了解电解电容！
　　给大家一个建议：组装後级若采用低容量滤波电容时，千万要配用高功率电源变压器。也就是「瘦了电容器、肥了变压器」，这可能就是扩大机好声的秘绝。以这几年详细之观察，後级扩大机若要好声，采用大功率电源变压器比采用大容量滤波电容有效多了。
　　
　　

草根 · 发表于 2009-6-25 16:14:35

一颗大的？多颗小的？
　　
　　OK，有人放心不下，滤波电容坚持要大μF─那是找一个大的，还是用十来个小的并接？又有人说用小颗并，不但内阻可以降低，反应速度也会也快，透明度及解析度都比较好。
　　Mark Levinson及Krell的後级不是以小并大，但有谁认为它反应速度慢、不透明有雾？面对此问题，我自己都长期陷入迷阵中。就机箱规划来说，用多颗小电容并联似乎比较理想，而且进货量大价格也便宜，甚至前级、後级、综合机，都可采用同一种电容。
　　进口机与国产机的命运有些不同，当消费者面对数十万元进口机采用多颗小电容时，他会自我解释：这个很有道理；但面对国产品时，他可能会有另一套恶毒的说法：偷工减料！
　就音质表现，大水塘or小水塘、一颗大的or多颗小的，应该没有绝对关系。邓小平说得好：管它黑猫、白猫，会捉老鼠的就是好猫。
　　制造厂牌也关乎品质特性，前述有人终其一生不用日制品。美国原本有两大电容器品牌 Mallory及Sprague，现在 Sprague已成绝响，因为它被日本Nippon Chemi-con收购，且公司名称注册United Chemi-Con/简称UCC。但只要是仍在美国制造，外皮印有made in USA，商标更改与制造品质应无关联。
　　不过外界已有耳语：UCC比Sprague差，可能性如何？日本商社一旦接手，行销政策自然会大幅改变，为了提高出货量必得降低售价；但假格下滑也会导致品质下滑。询问本地代理商瑞普公司，UCC电容销售量比Sprague低，显示国内厂商有排斥UCC的反映。若比较UCC及Sprague的规格特性，果然是一付Japanese样─体型大为缩水，原本40mm×80mm的改成40mm×50mm，价格可能较低廉，但ESR增加、Irac减小─怎不令人掷笔三叹？
　　你对日制品有疑虑？没办法，非但美国如此，德国也需要日本资金进入来个德日合作， Siemens就和松下Matsusita共同生产S＋M电容器。这是未来趋势，几乎不可避免。RIFA也早就被 EVOX吃下，EVOX是大集团，到处设厂，本刊SigEnd单端前级有用到1μF电容，就是EVOX品牌，虽然自美国进口，但一付台制品模样。
　　
　　储存及工作寿命
　　
　　比起电阻、IC、电晶体、塑料电容这些半永久性元件，铝电解电容的寿命就值得重视。一是储存年限，自然与寿命有关，10～20年应无问题。存放过久的电容不宜立刻使用，利用power supply先将它aging(活化)；夹上端子，缓慢调整power supply电压，由低至高，最高可调至此电容的额定电压。
　　工作寿命就很难说得明白，所谓长寿命LL-long life电容，通常是表示涟波电流Irac稳定。前面曾谈到电容的Irac与工作温度及频率都有关，例如同是10KHz，40度C时是15A，85度C时是 9A；15A/9A＝1.67。此数字就是电容的寿命因数（本人临时想出来的），数字愈高寿命愈低，数字愈接近1寿命愈长。
　　如果没记错，1.93表示10万小时，1.85表示20万小时，故1.67至少50万小时！但电容器的主要功用是充、放电特性，因此不宜经常快速充、放电。有两个方法可有效延长电容器寿命：一是减少开机、关机次数，二是设法降低开机时的瞬间充电电流─你听懂了吗？本刊也注意到此问题，故多年来都是这样做。
　　即令是如此，若问：到底是哪一种电容的音质较好？这也实在难以回答。基本上，不同品牌、系列的电容，它的声音表现自然也是不同。我个人不会「日制品打死不用」，只要处理得当，日制品也不输欧美货。多年前曾用过ELNA高级Cerafine音响级电容，它的ESR虽然低，但Irac也不高，装在amp.上，低频很厚实，但雾气较重，不够透明。可是并上speed-up小电容後，就豁然开朗。
　　故实际装配时，记得一定要在主滤波电容上加并speed-up小电容，此举「至少」会改善高频响应。数值是多少？最好是一大一小，大的1μF、小的0.1μF，MKP是最低要求。
　　有时并上小电容会发现助益不大，这可能是小电容未选对。RIFA的电解及塑料电容，若想加并speed-up，奉劝你不要找WIMA，建议各位试试MIT的PPFX-S锡箔或RTX系列0.1μF。写这篇文章的同时，也留意各杂志的广告，美国Krell及加拿大Class'e Audio的Hi-End後级新机种竟然都采用日本Nichicon电容做主电源平滑滤波！但杂志评论员有谁敢说它差？！
　　前级扩大机吃不了数百mA电流，故滤波电容较易选择。高瓦数、高输出电流扩大机就很难伺候，此时滤波电容的Irac特性就要考虑在内。
　　对於滤波用电解电容，有几点值得网友注意：一、大致上来说，日制品的Irac比欧美品低；二、低漏电流比低ESR更重要；三、大滤波电容宜并接小电容；四、尽量选高耐压电容；五、最顶级的电容，容量及耐压都不高，故数百瓦的大power通常声音粗糙，不是没有道理。
　　笔者不建议哪种电容最好，因为只要用得恰当，每种电容都可发出好声。至於刻意强调电容、电阻、焊锡、保险丝非xxx品牌不用的人，绝对是不懂线路结构的外行人！
　　
　　关於铝质电解电容的构造
　　
　　电容器依其元件构造大致可分成：一、卷绕型，二、积层型，三、电解型。而电解型又分铝质及钽质两类，铝质再分成液态电解质及固态电解质。若说液态电解质是铝箔湿式、固态电解质是铝箔乾式，那就错了，因铝箔乾式及铝箔湿式都是液态电解质电容。
　　铝质电解电容是以经过蚀刻的高纯度铝箔做为阳极，以其表面经阳极氧化处理之化成薄膜做为电介质，再以浸有电解液的薄纸或布做阴极。由於电解液是用吸浸式，故称铝箔乾式电解电容。
　　何谓铝箔湿式？在电容器内直接加电解液─例如硼酸胺＋乙二醇混合液，这种用手电容摇一摇还会发出流水声，瑞典RIFA的PEH169系列就是这种电容。
　　即使是欧洲名厂，做为阳极的铝箔也非自行生产，而是统一由某公司供应，就好像瑞士表厂甚多，但只有少数几家会做油心。大约10年前义大利某公司无法正常供应阳极铝箔时，全球各名厂如 Mallory/RIFA/Sprague或Rubycon/Philips…就只得拖延交货脱时间，没原料怎麽生产交货？至於吸浸电解液的纸，也绝非在一般文具店即可购得，最大供应商是在马来西亚。

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[光碟机] 浅谈电源滤波用电解电容

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