конденсаторы

[Lexter]

... Давайте рассмотрим практический пример....

Как раз пример самого "неудобного" для электролитического конденсатора применения - на выходе УМЗЧ, когда уровень сигнала и ток через конденсатор максимальны.

 

Но сразу поправка:

... Выходной сигнал, амплиткдное значение (p-p) не более 13В....

Вот это как раз не имеет значения. Это напряжение не на конденсаторе! Это напряжение на двух последовательно включённых элементах - конденсаторе и сопротивлении нагрузки. Через эти элементы течёт общий, одинаковый ток. А напряжение на каждом из них определяется сопротивлением этого элемента.

Для конденсатора это сопротивление равно 1/(j*2*п*f*C) и зависит от частоты (чем ниже частота, тем оно больше). Для таких схем конденсатор выбирают достаточно большой ёмкости, чтобы сопротивление конденсатора было значительно меньше сопротивления нагрузки даже на низких частотах. При этом и переменное напряжение на нём будет значительно меньше. При очень большой ёмкости переменная составляющая напряжения на нём будет стремиться к нулю.

 

Вот пример типично неудачного применения: сопротивление нагрузки 8 Ом, ёмкость 1000 мкФ. На частоте сигнала 20 Гц сопротивление конденсатора (без учёта фазы) будет 1/(2*3,14*20*1000e-6 = 8 Ом, то есть равно сопротивлению нагрузки. Вот в этом случае, действительно, на конденсаторе будет половина выходного напряжения (на частоте 20 Гц). Если в записи много низких частот, конденсатор вполне может выйти из строя из-за превышения допустимой реактивной мощности. И не так уж и редко. Мне лично такие случаи встречались. О вкладе этого конденсатора в коэффициент нелинейных искажений вообще молчу.

(Для уменьшения нелинейности можно применить обратную связь только по переменному току непосредственно с нагрузки, из точки после конденсатора, но там свои "грабли").

 

Для приведённого вами примера с TDA2003 при разделительном выходном конденсаторе 1000 мкФ (рекомендуемый в даташите), нагрузке 4 Ом и выходной мощности 10 Вт, на частоте 20 Гц на конденсаторе будет теряться 2/3 напряжения сигнала и выделяться 6,6 вольтампер реактивной мощности. Тут не до линейности, да и конденсатор на такую реактивную мощность ещё поискать...

Более-менее работают такие схемы потому, что фактически на низких частотах за счёт конденсатора увеличивается сопротивление нагрузки, выходной ток уменьшается, выходная мощность падает.

Надо или ёмкость конденсатора увеличивать на порядки, или спектр сигнала ограничивать фильтром снизу.

А лучше вообще применять схему без разделительного конденсатора. Если питание однополярное - мостовую, например. Благо сейчас такие микросхемы вполне доступны (это к вашему вопросу "как быть с более качественными УМЗЧ с одноаполярным питанием").

 

И ещё раз акцентирую: Переменное напряжение на конденсаторе определяется его сопротивлением на этой частоте и проходящим через него током. Напряжение сигнала может быть десяток вольт, а на обкладках конденсатора в маломощных цепях вполне достижим уровень переменной составляющей единицы милливольт.

Изменено 19 Июня, 2013 в 22:58 пользователем Lexter

[Гость victors]

Николай,

 

Большое спасибо за столь подробный ответ, полезный, наверное, и другим радиолюбителям тоже.

 

Интересно, с Вашим участием, рассмотреть ещё один вариант "неудобного" применения электролитического конденсатора в УМЗЧ.

 

Конденсатор относительно малой ёмкости стоит на выходе УМЗЧ и, совместно, с сопротивлением динамика образует ФВЧ (актуально, например, для простых схем с биамплингом). С точки соединения конденсатора и динамика, в некоторых случаях, может сниматься сигнал для НЧ канала, но это уже другой вопрос. Важно разобраться, какой (по напряжению) конденсатор лучше поставить, например, для рассмотренного выше УМЗЧ на TDA2003, у которого на выходе должен стоять конденсатор ёмкостью 47 (сорок семь) микрофарад, при сопротивлении нагрузки 8Ом (это СЧ-ВЧ динамик). Здесь частота среза фильтра будет 423 Гц и сопротивление выходного конденсатора на этой частоте, как раз, 8 Ом, только в отличии от Вашего примера с редкой частотой 20 Гц, на частотах около 400 Гц, спектр музыкального сигнала гораздо богаче, и ток через конденсатор + динамик будет достаточно большим. Если зашунтировать электролитический конденсатор керамическим, неполярным, малой ёмкости (например 0,1 μF), мы уменьшим сопротивление на высоких частотах, и всё, а разогревать электролит будут, как раз, НЧ компоненты сигнала.

Как выбрать электролитический конденсатор для такого тяжёлого случая?

 

Заранее благодарю.

 

(ИС с мостовым включением сейчас не рассматриваем) :-)

[Lexter]

рассмотреть ещё один вариант "неудобного" применения электролитического конденсатора в УМЗЧ. ... конденсатор ёмкостью 47 (сорок семь) микрофарад, при сопротивлении нагрузки 8Ом

Импеданс конденсатора - это векторная сумма реактивного сопротивления идеального конденсатора 1/(6,28*f*C) и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Индуктивную составляющую на звуковых частотах можно не учитывать.

На низких частотах импеданс в основном определяется реактивным сопротивлением конденсатора, с увеличением частоты импеданс уменьшается, пока не станет определяться в основном ESR.

При прохождении переменного тока через конденсатор, на нём рассеивается в тепло мощность I^2 * ESR. Чем больше ток - тем сильнее греется конденсатор. При превышении критической температуры электролит начинает "выкипать" и конденсатор выходит из строя. Максимально-допустимое значение этого тока обычно нормируется изготовителями для какой-то частоты и окружающей температуры (название этого параметра в даташитах - типа "RMS ripple current at 100 Hz, 85 ^оC"). Также в документации производителя можно найти графики, как параметры изменяются от температуры и частоты.

Для радиолюбительских расчётов указанное значение этого тока вполне можно принять за максимальное рабочее и даже немного превысить, так как конденсатор используется не при максимальной температуре окружающей среды, а в звуковом сигнале основная мощность сосредоточена на низких частотах, как раз где-то в области 50 - 300 Гц.

 

Подробный точный расчёт - это многостраничная статья, так что прикину приблизительно.

Вот даташит на типичный электролитический конденсатор для общего применения:

_https://www.vishay.com/docs/28309/038rsu.pdf

Для конденсатора 47 мкФ на 35В допускается I_R до 130 мА на частоте 100 Гц при температуре 85 ^оC (стр.4, верхняя строчка таблицы).

При токе 130 мА (максимально, что допустимо для этого конденсатора) мощность на динамике будет 0,13^2 * 8 = 135 мВт. Даже если допустить, что ток через конденсатор для звукового сигнала может быть и в 2-3 раза больше, чего-то маловато для среднечастотного динамика при 10-ваттном усилителе. Конденсатор в этой схеме явно используется с "перегрузом".

 

Чтобы "выбрать электролитический конденсатор для такого тяжёлого случая", надо точнее посчитать, какое будет среднее значение переменного тока (кратковременные пиковые перегрузки раза в 3-4, думаю, допустимы), и искать конденсатор среди каких-то других, специализированных серий, со сверхнизким ESR. Параллельное соединение нескольких поможет, но не сильно - у конденсаторов меньшей ёмкости и допустимый ток меньше. Ну, или набирать из неполярных. У них допустимый ток на порядок больше.

 

А насчёт выбора конденсатора по рабочему напряжению, так меньше, чем на 35В конденсаторы на 47мКф найти трудно. Для напряжения питания 12-15В это явно достаточный запас. Для данного применения основная проблема не в напряжении, а в токе.

Изменено 20 Июня, 2013 в 11:44 пользователем Lexter

[Гость victors]

Николай,

 

Спасибо за даташит и пояснения. Совершенно верно говорят китайцы: "Учитель приходит тогда, когда готов Ученик".

 

Для своего СЧ-ВЧ канала активной АС, нашёл, в запасах, конденсатор HITANO 68 мкФ 100В 105градС. Измеритель ESR-R-C показывает ёмкость этого конденсатора около 47 мкФ, ESR менее 1 Ом. ∅ конденсатора 10 мм, высота 20 мм. Поставлю его вместо используемого сейчас 47х25, ∅ 8 и высотой 11 мм. Этот, выходной электролитический конденсатор зашунтирован керамическим, на 0,1 μF. Думаю, для усилителя на К174УН14, такой комплектации будет вполне достаточно - "по Сеньке шапка".

[Lexter]

... конденсатор HITANO 68 мкФ 100В 105градС. ... для усилителя на К174УН14, такой комплектации будет вполне достаточно

Да нормально будет. Усилитель обычно работает не на максимальной громкости, да и воспроизводимый сигнал обычно совсем не синусоида 400 Гц. :smile: