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关于电源用滤波电容

 

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

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μA,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。

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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