Когда между определёнными точками или блоками схемы необходимо создать связь по переменному току, заблокировав при этом протекание постоянного тока, используется электронные компоненты, обеспечивающие связь только по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы.
Если речь идёт о каскадах усилителя, подобные конденсаторы принято называть блокировочным или разделительным конденсатором.
Рис.1. Применение разделительного конденсатора
В схеме, приведенной на рис.1. конденсатор связывает точки А и Б по переменному току, R – сопротивление нагрузки. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и Б. В реальной схеме, в роли нагрузочного резистора выступает следующий каскад усиления.
В данной схеме конденсатор C и резистор R образуют простейший фильтр верхних частот (ФВЧ).
Частотой среза фильтра называют частоту, ослабление сигнала на которой достигает -3 дБ (по логарифмической шкале), или составляет 1/√2 (≈0.71) по линейной. Т.е амплитуда сигнала на частоте среза составляет ≈71% от входного значения. Частота среза RC-фильтра расчитывается по формуле:
f = 1 / (2 ⋅ π ⋅ R ⋅ C)
Сам фильтр для переменного тока можно представить как простейший делитель напряжения, соотношения сопротивлений в котором будут зависеть от частоты, при этом, реактивное сопротивление конденсатора Xc расчитывается по следующей формуле:
Хc = 1 / (2 ⋅ π ⋅ f ⋅ C)
Также, при расчёте данного конденсатора необходимо помнить, что удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление Хс конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузки R — тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала.
Исходя из формул частоты среза и реактивного сопротивления, очевидно, что требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора:
- Сопротивление нагрузки R.
- Рабочая частота.
Для приближённых расчётов можно считать, что удовлетворительная связь но переменному току достигается, когда Хс = R/20.
При R = 1 кОм получаем Хс = 50 Ом. Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц.
Поскольку Хc = 1 / (2 ⋅ π ⋅ f ⋅ C), то
C = 1 / 94247.78 = 10.61 (мкФ)
Из вышеизложенного следуют два основных правила:
Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше требуемая емкость разделительного конденсатора.
При заданном сопротивлении нагрузки для низких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большей емкости, и наоборот.
Если же речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительного конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. В соответствии с расчетами очевидно, что конденсатор емкостью 10 мкФ обеспечивает адекватную связь по неременному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц. С другой стороны, конденсатор емкостью 0,1 мкФ обеспечивает адекватную связь при частоте 300 кГц, но непригоден для реализации связи по переменному току при частоте 300 Гц.
Развязывающий конденсатор
Рис.2. Влияние развязывающего конденсатора.
На рис.2.6 показан конденсатор С, обеспечивающий развязку резистора R по переменному току. Без конденсатора (рис2.a) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала — 10 мВ. Конденсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Однако если емкость этого конденсатора такова, что на рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю.
Ёмкость конденсатора С, обеспечивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлением резистора R и рабочей частотой — по тем же формулам, которые использовались для расчета емкости разделительного конденсатора.
Один из примеров использования развязывающего конденсатора это усилительный каскад собранный на классической схеме с общим эмиттером с отрицательной обратной связью (ООС).
Рис.3. Усилитель с развязывающим конденсатором в цепи эмиттера.
На рис.3 приведена схема усилителя построенного на классической схеме с общим эммитером (ОЭ). Здесь С1 — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (подробный расчёт номиналов смотрите в статье "Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером"). Конденсатор С2 связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора C1.
Отрицательная обратная связь через резистор R4 в данном усилителе, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой — снижает его коэффициент усиления до очень малой величины (2-3). Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применяется эмиттерный развязывающий конденсатор С3. Помимо этого данный RC-контур в цепи эмиттера обеспечивает термостабилизацию данного усилительного каскада.
Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденсатора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.
Как и все «нормальные» пасаны, чьи тазики качает мощный музончег, решил поставить усилитель низкой частоты – это по научному, а в простонародии — усилитель звука. В принципе цель данного мероприятия подразумевала не только получение уважения от собратьев, но также и улучшение звуковых характеристик акустической системы в личных целях – то есть для себя.
Головным устройством является автомагнитола ALPINE 111R.
Устройства, излучающие звук – громкоговорители (сокращённо «ГГ») подразумевались из среднего ценового диапазона.
Cпереди 16 см DLSD 136 mk2 коаксиалки 60Вт номиналом.
Для них купил подиумы за 500руб. и обтянул серым карпетом + 200 руб).
Сзади – 6х9 дм DLSD 1369 коаксиалки 80Вт номин. соответственно.
В акустической полке (500руб.)
Выбор усилителя пал на 2-х канальник ROKFORD FOSGATE 2.150 с поддержкой стабильной работы на 2 Ома ном. 90Вт, (собирался запаралелить «ГГ» по 2 шт. на канал), при 4Ом = 50Вт. (Цена вопроса 3000руб)
Одним из факторов выбора был: размеры уся, т.к. планировалось инсталлировать под сидение пассажира. По габаритам усилок располагался свободно. После установки выявились недостатки усилителя: повышенный шумовой фон, и громкое зудение в динамиках от оборотов двигателя.
Усилитель вернулся на витринную полку в павильон в котором он был приобретен.
Его место занял 4-канальный KICX 4.60 по 60 Вт на канал, предохранитель 40А. (Цена вопроса 3600 руб.)
Под сиденье влез только-только, пришлось применить Г-образные переходники и Y – образные разветвители для линейных проводов.
Провода силовые – 9.0мм2 с допустимым током без нагрева провода в 40 А. Все клеммы пропаяны, концы к предохранителю в 40А – облужены. Провода к динамикам: фронт -1.5мм2, тыл -2.5мм2 соответственно всё обжато и облужено.
Позже будут проведены измерения максимального потребляемого тока, который в пике равен 15А (это ток усилителя 4х60Вт + саб. 150Вт).
Т.Е. установленные провода к усилителю в моём случае имеют запас по сечению 55-75%. На саб идёт свой провод от клеммы АКБ, но также через амперметр.
При прослушивании на большой громкости создалось впечатление, что идет приличная просадка по питанию (басы не отрабатываются и прилично искажается и слабеет звук).
Необходим конденсатор решил я и приобрёл накопитель ёмкостью 2 фарада (цена вопроса 1700 руб.00 коп.) Подключил его параллельно
Провёл предпусковые испытания без накопителя и с ним.
Подключил в сеть амперметр через который питается усилитель Kicx 4.60 и активный саб с диаметром диффузора 25 см и номиналом 150Вт.
При средней громкости общий ток потребления (усь и саб) не превышает 5 А в пиковом значении. Просадка по напряжению на входе в усилитель составляет 0.2-0.4 В. Просадки по напряжению на входе в усилитель равняются просадкам на клеммах АКБ (измерено вольтметром с ценой деления 0,01В).
При громкости близкой к предельной, общий ток потребления (усь и саб) может достигать 10-15 А в пиковом значении. Просадка по напряжению на входе в усилитель составляет 0.5-0.8 В. Просадки по напряжению на входе в усилитель равняются просадкам на клеммах АКБ.
Делать звук громче нет необходимости, т.к. идут искажения и можно повредить динамики.
На разных треках ток потребления и напряжение питания разные, поэтому прилагаю несколько видео.
Настало время подключить конденсатор.
СОБЛЮДАЯ ПОЛЯРНОСТЬ! Заряжаем через лампочку соединив её последовательно в цепь. Когда зарядка прекратилась (лампочка горит тускло и показания встроенного вольтметра не меняются, в моём случае это было 10В) можно прикручивать клемму.
После снятия клеммы с АКБ, конденсатор тоже необходимо заряжать через лампочку. Я её вставлял вместо предохранителя в силовой провод.
Подсоединять клеммы без подзарядки конденсатора нельзя. Т.к. при таком подключении возникает опасность повредить накопитель. За короткое время на тонкие пластины конденсатора подаётся большой ток и место, где к пластине подсоединяется проводник может сильно нагреться, что может повлечь в лучшем случае — отгорание проводника, а в худшем – замыкание обкладок (иногда бывает «!БУМ!»). Переполюсовка тоже может вызвать взрыв, но случаев пока не знаю (я думаю, что на накопителях сейчас есть защита от переполюсовки, но самому проверять не хоцца).
Саморазряд конденсатора током потребления 0,035А (табло вольтметра и два синих светодиода) за время 1мин и 5 сек. с 12В до 8В.
Разряжается конденсатор 2-мя способами.
1. Сам по себе (питает табло вольтметра).
2. Лампочкой из комплекта подсоединив её к контактам (+) и (-)
Подключив накопитель проводами длинной 30см с сечением 9мм2 параллельно с проводами питания в порты усилителя и провёл испытания.
Максимальный ток подкачки от конденсатора к усилителю равен 0,5-0,8А в пике. Не могу сказать, что это за ток – максимально отдаваемый конденсатором или максимально необходимый для усилителя…
Как видно из последнего видео (судя по показаниям встроеннго вольтметра), — смысл подключения конденсатора в моём случае явно сомнителен… а может и не только в моём. Выводы делайте сами.
Я конечно ожидал большего.
По времени разряда, известным постоянным током
и изменению напряжения можно вычислить фактическую ёмкость конденсатора по формуле:
Где
I — ток разряда (А),
C — ёмкость конденсатора (Ф),
dU- изменение напряжения (В),
dt- время разряда (сек.)
итого ёмкость С = 0,385 фарада (я худею!) А заявлено 2!
По ходу фарады китайские.
Прежде чем покупать вольтметр с надписью 2 фарада – "потыкайте" тестером и амперметром по проводам питания, — может быть у вас всё не так плохо как кажется.
Для начинающих автоэлектроиков: Вольтметр подключается к плюсу и к минусу, а Амперметр в разрыв питающей линии. Конденсатор, плюс к (+), минус к (-).
Буду искренне рад, если для кого-либо прояснил ситуацию своими экспериментами. Для себя-же сделал вывод – покупка конденсатора – пустая трата денег! Если у вас проблема с миганием подсветки приборов и фар при прослушивании музыки с усилителем и сабом, то меняйте АКБ!
На данный момент кондёр отсоединил, т.к. уже второй раз за эту неделю после 3-х дневного простоя сажусь в машину и не могу завести, т.к. АКБ разряжен до 9,6 В . Табло вольтметра начинает моргать при падении напряжения ниже 10 В тем самым сажая АКБ ещё сильнее. Пришлось прикуривать от маленькой АКБ ёмкостью 8Ач, которую купил для мотоцикла за 700 руб.
К стати, в ближайшие дни хочу попробовать вместо кондёра подключить этот акб и протестировать, мне чтото подсказывает — это будет неплохой вариант подпитки усилка. Ждите новую статейку!
3]. С целью определения, какие типы конденсаторов предпочтительны к использованию в любительских конструкциях, были проведены электрические измерения характеристик конденсаторов, попавших мне под руку, и субъективная оценка их влияния на звук. Наибольшее внимание уделялось отечественным изделиям, во-первых, потому что наша промышленность производила (с грустью, в прошедшем. ) конкурентоспособные, а часто — и уникальные изделия, во-вторых, отечественные радиоэлементы более доступны любителям. Оговорюсь, что эта статья не претендует на полноту обзра всех имеющихся типов конденсаторов, а призвана лишь помочь любителям хорошего звука в применении того или иного типа. Рекомендую также ознакомиться со статьей [3]. Избавлю уважаемого читателя от теоретических выкладок, диаграмм и прочего, все это подробно изложено в [1, 3]. Буду подробно рассматривать лишь емкость конденсатора Сх и потери энергии переменного сигнала, выражаемые тангенсом угла потерь Dx. Отмечу, что фактор Dx зависит от материала диэлектрика, и во многом — от конструкции конденсатора и технологии производства. Причем параметры Сх и Dx зависят как от частоты, так и от амплитуды приложенного к конденсатору сигнала. Эти параметры измерялись цифровым измерителем Е7-14, позволяющего производить измерения на частотах 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц при величине переменного сигнала 2 В RMS (для частоты 10 кГц проводились измерения также сигналом с уровнем 40 мВ) [4]. Результаты измерений сведены в табл. 1.
     Прослушивание проводилось на комплекте аппаратуры стоимостью около 4000 USD следующим образом. Трое моих друpей, далеких от технических подробностей, но любящих и ценящих музыку (отдельное им спасибо за то время, что они потратили!), отдельно записывали свои впечатления от звучания, причем в момент прослушивания они не знали, подключен ли Multi Сар за 16 USD, или К78-2 за 3 одеревеневших RusRubl. Обобщенные результаты субъективных экспертиз я привожу в табл. 2.
     Что же можно сказать по результатам измерений и прослушивания? С моей точки зрения, наибольший интерес в качестве разделительных представляют бумагомасленные фольговые К40у-9 и фторопластовые ФТ, К72п
6 конденсаторы, которые ни в чем не уступают своим именитым аналогам. Примечательно, что у конденсаторов К40у-9 и ФТЗ тангенс угла потерь снижается с уменьшение уровня сигнала и достигает у ФТЗ Dx = 0,0005, что, по-видимому, благоприятно сказывается на звуке. Конденсаторы MIT Multi Сар оправ¬дали свою популярность, а вот изделия французской фирмы Solen я бы не рекомендовал использовать в слабосигнальных цепях, тогда как их применение в сильноточных цепях — в раз¬делительных фильтрах акустических систем и в блоках питания дает прекрасные результаты. Заслуживают внимания и поликарбонатные конденсаторы К77, имеющие достаточно большую емкость при небольших габаритах, а также и полистирольные К71. Комбинированные К75 и лакопленочные К76, несмотря на тенденцию снижения Dx при уменьшении амплитуды сигнала лучше использовать в блоках питания, тем более, что для этого они и разрабатывались. В конце табл.1 приведены результаты измерения электролитических конденсаторов (начиная с южнокорейских SHOEI), выводы делайте сами. Не смотря на хорошие показатели оксидно-полупроводниковых конденсаторов К53-28, их применение для шунтирования катодных резисторов приводит к появлению резкости, «механистичности» в звуке. Если есть возможность, применяйте в блоках питания усилителя конденсаторы КБГ-МН, К75-24 и т. п. (если только потом сможете такой усилитель поднять. )
     Какие выводы я хочу сделать? Итак:
     1. Измерение параметров не дает полной информации, будет «звучать» данный конденсатор или нет; хотя стабильность характеристик в широком диапазоне и снижение потерь при уменьшении сигнала является обнадеживающим фактором.
     2. Чем слабее сигнал, тем большее влияние на него может оказать диэлектрик разделительного конденсатора. Влияние конденсаторов в фильтрах акустических систем и на выходе драйверных каскадов менее ощутимо, чем во входных. В последних это влияние особенно заметно при больших значениях сеточного сопротивления утечки, что оправдывает применение схем с гальванической связью, то есть без разделительного конденсатора.
     3. Верно, конденсаторы оказывают влияние на звук, но не стоит это влияние переоценивать, так как оно несоизмеримо слабее, чем влияние выходных и прочих трансформаторов, схемотехники (в частности, выбор режимов ламп, тип ламп и экземпляров ламп). Как показывает опыт, изменение режима работы лампы входного каскада кардинально меняет звук всего усилителя, тогда как замена разделительных конденсаторов в посредственном усилителе не изменит практически ничего, пусть даже и стоимость такого «чуда» возрастет вдвое.
     4. Ламповый усилитель, при внешней простоте схемы, является устройством, где все узлы, элементы, конструкция комп¬лексно взаимодействуют как между собою, так и с внешними устройствами: источником сигнала, акустическими системами (а через них и с помещением прослушивания), электрической сетью. Причем чувствительность к типу применяемых радиоэлементов разных узлов усилителя так же может изменяться с учетом изложенных факторов*. Поэтому определять, какой тип конденсаторов (резисторов, проводников) предпочтителен в данной конкретной конструкции, необходимо уже после того, как отработана схемотехника, конструкция усилителя. При этом не отменяются личные пристрастия разработчика и то, с какой другой аппаратурой и для прослушивания каких музыкальных жанров усилитель будет использоваться и, что немаловажно, какова планируемая себестоимость Вашего создания (или возможности Вашего кошелька).
     Хочу пожелать самодельщикам успехов в их таком прекрасном хобби! Побольше экспериментируйте, пробуйте различные радиоэлементы, лампы, схемы (не отрицая огульно при этом классические), и это поможет вам понастоящему почувствовать музыку!
     Смею надеяться, что вышеизложенный материал окажется Вам полезен.
     Список литературы:
1. Справочник по электрическим конденсаторам / Под ред. И. И. Четверткова, В. Ф. Смирнова. М., 1983.
2. The Parts Connection. (Каталог радиодеталей, 1997 г.)
3. Фрунджян Артур. Маленькие секреты конденсаторов / / Класс А. — 1996. — спецвыпуск — с. 12-15.
4. Е7-14. Измеритель. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.
     Аппаратура, используемая при прослушивании:
Проигрыватель CD Exposure CD Player, усилители MARANTZ PM16, Arion Nereus 300B (редкая недоделка, даром что от П. Квортрупа!), колонки переделанные Cerwin Vega DX9, шнуры все TARA Labs Reference, диски Focal, Pope Music.
