Ozren Bilan Audio Site ROOM ACOUSTIC: Power Supply

Pojedinačni elektrolitički i keramički kondenzatori na putu signala uzrok su izobličenja većih od 0.005%. Usporedimo li najbolje kondenzatore tipa polytetrafluorethan (PTFE) s ostalim tipovima, dobiju se razlike odziva od 0,01% za metalizirani polypropylen i polystyren, a 0.03% za metalizirani polykarbonat. Vrlo je važna i mehanička izrada kondenzatora jer se smatra kako mehanički pomaci kondenzatora za vrijeme rada mogu izazvati moduliranje napona u ritmu mehaničke pobude. Ovaj problem jako je izražen kod kondenzatora pasivnih zvučničkih skretnica unutar zvučničke kutije. Istovremeno ovo se smatra jednim od razloga zašto isto pojačalo zvuči različito na različitim podlogama. Vrlo je popularno premoštavanje pojedinih "zvučno lošijih" kondenzatora sa "zvučno kvalitetnijim" kondenzatorom kako bi se poboljšala zvučna kvaliteta kombinacije. Nažalost, dinamičko ponašanje paralelne kombinacije kondenzatora nikada ne može biti bolje od dinamičkog ponašanja lošijeg kondenzatora u kombinaciji. Zbog toga na svim kritičnim mjestima treba "od prve" staviti kvalitetne kondenzatore.

Osim u audio sekciji i u ispravljaču od presudne je važnosti kvaliteta i vrijednost kondenzatora. Analizirat ćemo zato elektrolitičke kondenzatore.

Elektrolitički kondenzatori

Sastoje se od smotane aluminijske folije na koju je elektrokemijskim procesom nanesen dielektrik - aluminijev oksid. Aluminijev oksid vodljiv je samo u jednom smjeru pa su takvi elektrolitički kondenzatori polarizirani. To znači kako treba strogo voditi računa o priključivanju polariteta. Novi elektrolitički kondenzatori izrađuju se upotrebom jetkanih anoda i katoda. Proces jetkanja čini foliju hrapavom, što joj povećava površinu, a debljina folije ostaje ista, pa se u mnogo manjim zapremninama postižu veći kapaciteti. Obzirom na primjenu, dijele se u klase prema pouzdanosti pri radu i stabilnosti kapaciteta. Pri izboru kondenzatora za određeni sklop pojačala snage treba obratiti pozornost na slijedeće značajke:

-nazivni radni napon: napon pri radu kondenzatora može biti niži, ali nikada ne smije biti veći od nazivnog radnog napona. Što je napon na koji je kondenzator priključen niži od nazivnog, to mu je životni vijek duži.

- vršni napon: napon koji se može pojaviti na kondenzatoru najviše 5 puta u jednom satu, pri trajanju od 1 minute. Pri tome treba znati da se ovo ne odnosi na periodična punjenja i pražnjenja kondenzatora.

- nazivni kapacitet: oznaka kondenzatora, a ne njegov stvarni kapacitet koji je promjenjiv unutar dozvoljenih tolerancija, često +100/-20 %.

- faktor gubitaka ili tg delta: odnos ekvivalentnog serijskog otpora Rs i kapacitivne reaktancije pri serijskom spoju u nadomjesnom krugu pri izmjeničnom naponu. Stvarne vrijednosti su funkcija frekvencije i temperature, a mijenjaju se u prosjeku od tg delta = 0.02 do tg delta = 5 pri promjeni frekvencije od 10 Hz do 100000 Hz. Posebnim dogovorom naručitelja (kupca) kondenzatora i proizvođača, čitava serija kondenzatora može se izraditi po posebno specificiranom tgdelta/.

-ekvivalentni serijski otpor je omska komponenta ekvivalentnog serijskog spoja kondenzatora. Izračunava se iz tg delta relacijom: Rs= tg delta /2pi f Cn

- struja propuštanja je struja koja teče kroz kondenzator ako se priključi na istosmjerni napon. Ova struja ovisi o starosti kondenzatora, naponu i temperaturi i treba biti što manja.

- životni vijek kondenzatora pri radu na različitim temperaturama - što je radna temperatura kondenzatora veća, to mu je životni vijek kraći. Tipična promjena temperature npr. sa 40 stupnjeva C na 70 stupnjeva C skraćuje vijek kondenzatora s 10000 sati na 1000 sati.

- efektivna vrijednost dopuštene struje je najvažniji podatak kondenzatora u ispravljačkim sekcijama. Pokazuje efektivnu vrijednost dozvoljene struje pri određenom kapacitetu, frekvenciji i radnom naponu. Kondenzatori se pri istim vrijednostima kapaciteta i nazivnog napona izrađuju za različite maksimalne struje. Npr. kvalitetni elektrolitički kondenzatori vrijednosti 10000 mikroFarada/63V imaju maksimalnu dopuštenu struju oko 6 A ili malo višu.

"Computer grade" elektrolitički kondenzatori

Osnovno svojstvo ovih kondenzatora je ekstremno niska vrijednost ekvivalentnog serijskog otpora koji je reda veličine 0.01 do 0.6 ohma, te ekstremno visoke maksimalno dopuštene struje do 28 A. Životni vijek ovih kondenzatora je oko 2000 sati pri maksimalnoj temperaturi do 85 stupnjeva C. Cijena im je mnogo viša od najboljih elektrolitičkih kondenzatora, a imaju mnogo veće fizičke dimenzije. Koriste se kao sprežni kondenzatori cijevnih pojačala snage ili kao filter sekcije ispravljača najkvalitetnijih uređaja.

Problemi pri određivanju vrijednosti kondenzatora u ispravljaču

Tipična empirijska vodilja pri određivanju kapaciteta kondenzatora u ispravljaču je "koliko ampera toliko 1000 mikrofarada. Međutim, treba biti oprezan jer npr. uobičajeni kondenzatori od oko 10000 mikrofarada imaju maksimalnu dopuštenu struju od 6 A, što je 40% manje od potrebnih 10 A.

Drugi problem je problem valovanja, filtriranog napona. Izmjenična komponenta napona ispravljača treba biti što manja. Napon valovanja uzrok je brujanja. Kako potisnuti brujanje?

Pretpostavimo kako imamo pojačalo snage oko 150 W i zvučnik nazivne impedancije 4 ohma. To je točno 25 V pri punoj snazi na 4 ohma uz struju od 6.25 A kroz terminale zvučnika. 25 V naprama 1 V (što je uobičajena osjetljivost ulaza pojačala) je 27.96 dB. Pri razini signala od +28 dBV, potrebno je još -12dBV potiskivanja bruma, a to određuje napon valovanja na oko 250 mV.

Empirijskom formulom onda možemo izračunati ukupnu vrijednost kapaciteta kondenzatora filter sekcije ispravljača pojačala snage.

C = 850 I/Ubr = 850 x 6 / 0.25 = 20400 mikro farada

Koliki je radni napon ?

Uobičajena vrijednost napajanja je oko +/-45 V, međutim transformatoru je zbog gubitka snage, različit napon na sekundaru pri punom opterećenju i praznom hodu. Razlika iznosi oko 5 do 7 %. Naprimjer ako transformator i ispravljač pri punom opterećenju daje 45 V, u praznom hodu napon će se povećati za cca. 3.15 V,a to je više od 48 V. Dakle minimalna teoretska vrijednost nazivnog napona kondenzatora u ispravljaču je 50 V.

Radni vijek elektrolitičkog kondenzatora određuje slabljenje njegovih karakteristika. Vremenom kapacitet kondenzatora se smanjuje, a faktori gubitaka se povećavaju. Najkritičniji faktor koji određuje životni vijek kondenzatora je - temperatura. Mehanizam slabljenja karakteristika elektrolita je - isparavanje. Elektrolit uslijed visoke temperature isparavanjem gubi elektrolit - zbog gubitka elektrolita raste faktor gubitaka - veći faktor gubitaka podiže radnu temperaturu i krug je zatvoren. Struja valovanja također znatno utječe na radnu temperaturu. Za optimalni rad elektrolita i dugi radni vijek profesionalci koriste faktor akceleracijskog koeficijenta, koji glasi: Za svakih 10% smanjenje radne temperature. životni vijek kondenzatora se podvostručava. Ovo pravilo vrijedi od 35 stupnjeva do maksimalne radne temperature. Pored toga za kondenzator moramo poznavati i maksimalnu vrijednost napona valovanja, pa ako je napon valovanja 1.5 do 2 puta veći od maksimalnog dopuštenog pravilo ne vrijedi. (Naravno maksimalni dopušteni napon valovanja treba odrediti iz karakteristika proizvođača).

DIELEKTRIČKI APSORPCIJSKI FAKTOR i DISIPACIJSKI FAKTOR za istu nazivnu vrijednost kapaciteta nekog kondenzatora uvijek imaju povoljnije vrijednosti pri višem radnom naponu. To je jedan od razloga zašto TOP END uređaji koriste kondenzatore s najvišim radnim naponima.

Označavanje kapaciteta kondenzatora

-Veći kondenzatori imaju na svojem kućištu jasno ispisanu nazivnu vrijednost, međutim, manji kondenzatori (keramički i kondenzatori s plastičnim filmom) označeni su šifrom sa 2 ili 3 znamenke. Ako je vrijednost označena s 2 znamenke nazivna vrijednost izražena je u piko Faradima.

Primjer 1: keramički kondenzator i na njemu piše 10, riječ je o kapacitetu vrijednosti 10 pF.

-Kondenzatorima označenim s tri znaka vrijednost se označava na slijedeći način:

Prvi i drugi broj su nazivne vrijednosti, a treći broj označava broj nula. Najčešće su vrijednosti 3, 4 i 5. Međutim međunarodna norma EIA standard RS-198 daje i neke vrijednosti koje nećete nikad vidjeti u svakodnevnom radu:

treća znamenka	množitelj
0	1
1	10
2	100
3	1,000
4	10,000
5	100,000
6 nije u uporabi
7 nije u uporabi
8	0.01
9	0.1

Primjer 2: kondenzator označen 104 je "10 i još 4 nule" tj.100,000pF što lakše označavamo kao 0.1 mikroFarad ili u praksi ubitačnih 100n.

-U najvećem broju slučajeva to nam je sasvim dovoljno u radu. Međutim, ako želimo napraviti neku TOP END konfiguraciju dobro je znati i toleranciju kondenzatora. Tolerancija se označava jednim velikim slovom.

Primjer 3: Pročitamo li na kondenzatoru npr.103J, uporabom ovog članka i slijedeće tablice vrlo brzo ćemo zaključiti da je riječ o kapacitetu 10.000 pF tolerancije +/-5%.

Simbol	Tolerancija kapaciteta
D	+/- 0.5 %
F	+/- 1%
G	+/- 2%
H	+/- 3%
J	+/- 5%
K	+/- 10%
M	+/- 20%
P	+100% ,-0%
Z	+80%, -20%

Što je s izlaznom snagom pojačala ?

Izlazna snaga pojačala snage direktno je proporcionalna naponu napajanja pa će promjena napona ispravljača pri promjeni opterećenja (između pune snage i praznog hoda) djelovati kao kompresor dinamike. Pri glasnim pasažima s punom snagom uvijek će pojačalo dobiti 5 - 7 % napona manje nego što je potrebno za točan odnos dinamike izlaznog napona pri manjoj snazi.

Što je rješenje ovog problema ?

Prva varijanta je stabilizirani ispravljač. Međutim stabilizirani ispravljač elektronički promatrano nije ništa drugo nego neka vrsta pojačala snage. Bez velike analize odmah je jasno ako sa audio pojačalom snage imamo neke probleme, koliko ćemo ih tek imati sa (stabiliziranim ispravljačem =) pojačalom snage koje napaja pojačalo snage. Zato u startu ovu ideju odmah napuštamo.

Druga varijanta je očita. Potrebno je primijeniti takav transformator koji neće nikada doći u situaciju da mora dati vršnu struju. Koji je to transformator? Vrlo jednostavno - to je transformator mnogo snažniji od potrebnog. Dakle, ako nam je potreban transformator za jedan kanal od recimo 220 VA, izabrat ćemo onaj od 500 VA. Mjerenjem ćemo utvrditi kako će i taj transformator pri maksimalnoj snazi pojačala dati napon manji za 0.5 - 1%. Ništa za to, izaberimo onda transformator od 1000 VA pa ćemo ući u TOP-END barem s ispravljačem pojačala snage...