濾波用電解電容(轉)
淺談電源濾波用電解電容  

梁中鍔  

在音響組件中,電容器(capacitor)被廣泛運用,平滑濾波、反交連、高頻補償、提供直流回授、隔阻直流、抑制米勒效應…等,隨處可見.但若依功能及制造材料、制造方法細分,那可不是一朝一夕能說得明白.所以縮小范圍,本文只談電解電容,而且只談電源平滑濾波用的鋁質電解電容.

每臺音響機器都要吃電源─除了被動式前級,既然需要供電,那就少不了「濾波」這個動作.我們現在習用的濾波電容,正式的名稱應是:鋁箔干式電解電容器.就我的觀察,除加拿大Sonic Frontiers真空管前級,曾在高壓穩壓線路中選用PP塑料電容做濾波外,其它機種一概都是采用鋁箔干式電解電容;因此網友有必要對它多做了解.

面對電源穩壓線路中擔任電源平滑濾波的電容器,你首先想到的會是什么?容量?耐壓?電容器的封裝外皮上一定有容量標示,那是指靜電容量;也一定有耐壓標示,那是指工作電壓或額定電壓.

工作電壓(working voltage)簡稱WV,為絕對安全值;若是surge voltage(簡稱SV或Vs),就是涌浪電壓或崩潰電壓;,超過這個電壓值就保證此電容會被浪淹死─小心電容會爆!根據國際IEC 384-4規定,低于315V時,Vs=1.15×Vr,高于315V時,Vs=1.1×Vr.Vs是涌浪電壓,Vr是額定電壓(rated voltage).

電容器的電荷能量是以Q＝CV來表示,Q是庫倫,C是靜電容量,V是電壓;故當電壓值不變時,加大靜電容量就能增高電荷能量.請注意,電容器的容量單位應是F(farad),可是因計量太高造成數值偏低,故多改用μF,1F=一百萬μF.國外也有用mF表示μF,其實mF不十分貼切,但機械式打字機上沒有μ鍵,故用m代表micro.

有了靜電容量及工作耐壓兩個參數,若你正在選購電容,接下來你會考慮什么?直覺上是價錢.嗯,這個參數很重要,而且數值愈低愈佳.也有人先想到品牌,并堅持日本貨打死不用─還存著八年抗戰情結?美國貨也僅能排第二,瑞典或德國制造的才能排第一.嗯,這個參數也很重要.但既然談到品牌,那就不能忽略系列型號;因為一個制造廠會生產許多不同系列的產品,系列不同,品質及價格就會不同.OK,我們先整理一下,有關電源平滑濾波電容器的參數已知有:靜電容量、額定工作電壓、涌浪崩潰電壓、價格、品牌、型號系列.

不應該只有小貓兩三只,外型尺寸也應該很重要,因為與它相關的有重量及接腳型態,snap-in是插焊PC板式,少則兩只接腳,體型大的則還多出固定接;screw是鎖螺絲式.至于重量,同容量同耐壓,但品牌不同的兩個電容做比較,重量一定不同;而外型尺寸更與機箱規劃有關.有些電容不是全圓型,有點像是多角型,Philips、BHC都有這種看起來似乎很高級的系列.現在我們再整理一下,加上重量、外型尺寸、接腳型態─已有9個參數.

外皮顏色?這是誰提出來的?很妙.因白色、黑色、藍色塑料封裝都有廠商在用,它有時也具有某些意義,例如日規黑底金字常代表高級for audio音響級電容.僅憑外觀還能想到哪些?制造日期,9627就是1996年第27周出廠;近年來日制電容似乎逐漸有意省略制造日期的標示.但外皮顏色及文字印刷不直接與品質有關,故僅加上制造日期參數.還有,別忘了適用工作溫度,因為 105度C比85度C更適用于真空管機.若機器要擺在南極,最好選耐壓負55度C的品種.

容量誤差也別遺漏,當采多顆并聯,為求得單只特性均勻,誤差當然是愈低愈佳.現在再加上工作溫度及容量誤差,咱們手上已有12個參數,對電容器應有三成以上了解.

請別會錯意,電容的工作溫度不是指環境或表面溫度─不管幾度,封裝塑料外皮都是一樣,它是指鋁箔工作溫度,所以裝管機選用85度C品種也絕對OK,只要將電容器遠離管仔就比較安全.

可是真正有關電容器品質的幾個重要參數,卻都只存在原廠規格書中,完全不會顯露在成品封裝外皮上,而這些重要參數才是本文談論的重點.

散逸因子─損失角

散 逸因子dissipation factor(DF)存在于所有電容器中,有時DF值會以損失角tanδ表示.想想,損失角,既有損失,當然愈低愈好.塑料電容的損失角很低,但鋁電解電容就相當高.DF值是高還是低,就同一品牌、同一系列的電容器來說,與溫度、容量、電壓、頻率…等都有關系;當容量相同時,耐壓愈高的DF值就愈低.舉實例做說明,同廠牌同系列的10000μF電容,耐壓80V的DF值一定比耐壓63V的低.所本刊選用濾波電容常會找較高耐壓者,不是沒有道理.此外溫度愈高DF值愈高,頻率愈高DF值也會愈高.

但許多電容器制造廠,在規格書上常不注明散逸因子DF值,因為數值甚高很難看.以瑞典RIFA為例,其藍色PHE-420系列是MKP塑料電容,它的DF值最低是0.00005,最高是0.0008.但白色頂級PEH169系列鋁質電解電容,就未標示損失角規格.若真注明DF值,電解電容可能會是1.0000,小數點是在1的后面.

漏…漏電流

哇!漏電!最好沒有.可是沒辦法,鋁電解電容在工作時一定會產生漏電流.

漏電流(leakage current)當然要低,它的計算公式大致是:I＝K×CV.漏電流I的單位是μA,K是常數,例如是0.01或0.03,每家制造廠會選擇不同的常數.但不論如何,電容器容量愈高,漏電流就愈大.如果你有容量愈大平滑效果愈好的想法,這個「漏電流」也請考慮在內.從計算式可得知額定電壓愈高,漏電流也愈大,因此降低工作電壓亦可降低漏電流.

但降低電容器的漏電流并不容易,低漏電流low leakage current-LL系列價格高昂,我曾向國內廠商訂制一批低漏電流LL系列電容,價格比許多進口電容還貴.漏電流規格,鋁電解電容就比鉭電解電容差許多,鉭質電容也有干式及濕式兩種,不過它的容量及耐壓都較低.

除特別定制外,面對一般品,想要降低它的漏電流可設法提高Vs對Vr的比值.Vs是涌浪電壓,其值當然比Vr額定電壓高,但施加電壓(真正的工作電壓)還應該比Vr低,例如取Vr的90%;找高耐壓品種可說是完全正確.

等效串聯電阻ESR

一只電容器會因其構造而產生各種阻抗、感抗,比較重要的就是ESR等效串聯電阻及ESL等效串聯電感─這就是容抗的基礎.電容器提供電容量,要電阻干嘛?故ESR及ESL也要求低…低;但low ESR/low ESL通常都是高級系列.

ESR的高低,與電容器的容量、電壓、頻率及溫度…都有關連,當額定電壓固定時,容量愈大 ESR愈低.有人習用將多顆小電容并接成一顆大電容以降低阻抗,其理論是電阻并聯阻值降低.但若考慮電容接腳焊點的阻抗,以小并大,不見得一定會有收獲.

反過來說,當容量固定時,選用高WV額定電壓的品種也能降低 ESR;故耐壓高確實好處多多.頻率的影響:低頻時ESR高,高頻時ESR低;當然,高溫也會造成ESR的提升.

串聯等效電阻ESR的單位是mΩ,高級系列電容常是low ESR及low ESL.若比較低內阻及低漏電流兩種特性,則低內阻容易達成,故標示low ESR的電容倒很常見.ESR與損失角有關聯,ESR＝tanδ/(ω×Cs),Cs是電容量. 有時電容器規格上會有Z,它與ESR的意義不同,但Z的計算示與ESR有關,同時也考慮到容抗及感抗,是真正的內阻.剛才提到電容的ESR單位是mΩ,那是指大電容,若是220μF小容量電容,其ESR單位就不是mΩ而是Ω.何種電解電容器的ESR最低?答案只有一個:Sanyo的OS有機半導體電容!

漣波電流Irac

前面談到的散逸因子DF-損失角tanδ、漏電流、ESR-串聯等效電阻…等,其值都是愈低愈好,但現在要提的漣波電流ripple current卻是愈高愈好.特別是現在都特別講究后級擴大機要有大電流輸出,電源平滑濾波電容器的漣波電流Irac(或Iac)就顯得格外突出. 漣波電流Irac的標示至少應有低頻及高頻工作時兩種規格數字,低頻大約是以120Hz做標準,高頻大概是以 10KHz做標準,但不同制造廠商可能會有略微的差別.

漣波電流與頻率剛好成正比,因此低頻時漣波電流也比較低.可是對我們音響迷來說,低頻段的Irac值才是重要.所以在采購電容器時,漣波電流數字高低是極為重要的依據.不要認定Screw鎖螺絲式電容的漣波電流絕對比snap-in插PC板式來得高,以UCC電容為例,81DA系列是插PCB式,32DA系列是鎖螺絲式.但相同容量、耐壓比較,81DA的ESR不但比32DA低,Irac卻又比32DA高很多.

曾經有一種說法:RIFA的10,000μF相當于其它廠牌15,000μF,因為大部份日制電容的漣波電流都不高,而RIFA又特別高,故好像可以一個當兩個用.德國Siemens、英國BHC電容,在Irac這項特性上也常優于日制品.就筆者所知,Irac最大的電容,是Siemens SIKOREL系列電容為最高,6,800μF/63V就高達20A!若是小容量電容,Irac最大的是Sanyo OS電容.在計算機主機板CPU旁,有一排(大約6個)電容,不論是華碩、微星或技嘉,它們的demo板都是插滿OS電容,但賣到市場上就全部換掉─因OS電容很貴!

就后級擴大機的動作來說,很多人會認定低頻時吃電流.有個方法可以試:以電表直流電壓(DCV)最低檔量任一只射極電阻壓降,最好是指針電表,播放唱片,將前級音量轉大,注意電表指針的擺動,你就會發現低頻固然會吃電流,四把吉它連彈也會猛吃電流!什么音樂t最適合run-in后級擴大機?Holst的《行星組曲》第一曲MARS.

現在你應該已經明了六成以上,或許你想問:有沒有體型不大,漏電低、ESR低、tanδ低、誤差低、價格低,但漣波電流高、適用溫度范圍高的鋁電解電容?嗯…,沒有!

關于容量誤差,近年來鋁質電解電容頗有進步,以往是-20%~+40%,現在大多是+/-20%.但其容量常偏+而不是偏-,故10,000μF測量起來有可能會接近12,000μF.

精確量取大容量電容器的靜電容量,是我多年來一直想做的事.不要懷疑,這種測試儀器很難買到,美國曾制造過,可量至99,999μF,并能同時顯示DF值及 ESR值;而且電容量是100Hz、1KHz、10KHz三段(不是兩段)頻率測試的平均值.

額定工作電壓的安全度,在我的標準是:至少理讓15%.例如某電容的額定電壓是50V,雖然涌浪電壓可能高至63V,但我最高只會施加 42V電壓.讓電容器的額定電壓具有較多的余裕,能降低內阻、降低漏電流、降低損失角、增加壽命,一舉數得何樂不為?以前曾看過日制擴大機,±48V工作電壓配上10,000μF/50V濾波電容;短時間內當然不會燒壞,但時日長久,壽命有可能降低,那就得更換新品或另購新機.所以日制品常有「時間到了,該走了」的宿命,你也不能指責它是偷工減料,畢竟做生意總要圖利,若一輩子只能賣你一次,如何賺錢?

容量愈高哼聲愈低?

自己裝,最討厭的就是哼聲除不掉.有人將濾波電容加大,哼聲就沒了.我是不十分相信,因擴大機的哼聲常是因地回路不當引起,來自電容器微乎其微.但是理論上,容量愈高,電源平滑效果也就愈佳,所以大容量的做法,是許多設計者及DIY迷亦深信不疑.

因此不少后級擴大機,特別是美國產品Krell、Mark Levinson,最愛采用大水塘─大電容;丹麥的Dynaudio,連前級擴大機都用到十數萬μF之容量.至于AC & DC交直流,也比較傾向于「大容量」派,但尚適可而止.

可是也有不少名廠走低容量路子,例如美國Amcron有臺 250W×2專業后級擴大機,兩聲道合計500W,只用了2只8200μF小濾波電容器(好像是小了點?).瑞士Goldmund算是Hi-End品牌,產品送到各雜志社試聽,沒有一個評論員膽敢說它壞,它的大后級就是采用小電容.瑞士FM Acoustics更是貴到斃,一臺立體聲后級后級可換一部Benz車.它的220W×2專業后級,號稱數十A電流輸出,本人親眼得見,全機只使用2只10,000μF/100V濾波電容.

大容量濾波電容與小容量濾波電容,兩種理論基本上是對立的,但卻同時存在于音響圈.以低容量論點設計擴大機,也可以完全沒有哼聲,而且低頻表現也不比「大水塘」機差.重點是什么?Irac漣波電流.如果你如今還是滿腦子的大容量,那你還不了解電解電容! 給大家一個建議:組裝后級若采用低容量濾波電容時,千萬要配用高功率電源變壓器.也就是「瘦了電容器、肥了變壓器」,這可能就是擴大機好聲的秘絕.以這幾年詳細之觀察,后級擴大機若要好聲,采用大功率電源變壓器比采用大容量濾波電容有效多了. 一顆大的?多顆小的?

OK,有人放心不下,濾波電容堅持要大μF─那是找一個大的,還是用十來個小的并接?又有人說用小顆并,不但內阻可以降低,反應速度也會也快,透明度及分辨率都比較好.

Mark Levinson及Krell的后級不是以小并大,但有誰認為它反應速度慢、不透明有霧?面對此問題,我自己都長期陷入迷陣中.就機箱規劃來說,用多顆小電容并聯似乎比較理想,而且進貨量大價格也便宜,甚至前級、后級、綜合機,都可采用同一種電容.

進口機與國產機的命運有些不同,當消費者面對數十萬元進口機采用多顆小電容時,他會自我解釋:這個很有道理;但面對國產品時,他可能會有另一套惡毒的說法:偷工減料!

就音質表現,大水塘or小水塘、一顆大的or多顆小的,應該沒有絕對關系.管它黑貓、白貓,會捉老鼠的就是好貓.

制造廠牌也關乎品質特性,前述有人終其一生不用日制品.美國原本有兩大電容器品牌Mallory及Sprague,現在 Sprague已成絕響,因為它被日本Nippon Chemi-con收購,且公司名稱注冊United Chemi-Con/簡稱UCC.但只要是仍在美國制造,外皮印有made in USA,商標更改與制造品質應無關聯.

不過外界已有耳語:UCC比Sprague差,可能性如何?日本商社一旦接手,行銷政策自然會大幅改變,為了提高出貨量必得降低售價;但假格下滑也會導致品質下滑.詢問本地代理商瑞普公司,UCC電容銷售量比Sprague低,顯示國內廠商有排斥UCC的反映.若比較UCC及Sprague的規格特性,果然是一付Japanese模樣─體型大為縮水,原本40mm×80mm的改成40mm×50mm,價格可能較低廉,但ESR增加、Irac減小─怎不令人擲筆三嘆?

你對日制品有疑慮?沒辦法,非但美國如此,德國也需要日本資金進入來個德日合作,Siemens就和松下Matsusita共同生產S+M電容器.這是未來趨勢,幾乎不可避免.RIFA也早就被EVOX吃下,EVOX是大集團,到處設廠,本刊SigEnd單端前級有用到1μF電容,就是EVOX品牌,雖然自美國進口,但一付臺制品模樣.

※德國西門子Siemens電容早就將mark改成S+M,因為西門子溶入日本松下資金.但是2002年3月起,S+M又不見了,雖然還是在德國生產制造,Sikorel也還是最高級的系列,但是品牌改成EPCOS,小容量的外飾包裝也從金色改成紅色.儲存及工作壽命

比起電阻、IC、晶體管、塑料電容這些半永久性組件,鋁電解電容的壽命就值得重視.一是儲存年限,自然與壽命有關,10~20年應無問題.存放過久的電容不宜立刻使用,利用power supply先將它aging(活化);夾上端子,緩慢調整power supply電壓,由低至高,最高可調至此電容的額定電壓.

工作壽命就很難說得明白,所謂長壽命LL-long life電容,通常是表示漣波電流Irac穩定.前面曾談到電容的Irac與工作溫度及頻率都有關,例如同是10KHz,40度C時是15A,85度C時是9A;15A/9A＝1.67.此數字就是電容的壽命因子(本人臨時想出來的),數字愈高壽命愈低,數字愈接近1壽命愈長.

如果沒記錯,1.93表示10萬小時,1.85表示20萬小時,故1.67至少50萬小時!但電容器的主要功用是充、放電特性,因此不宜經常快速充、放電.有兩個方法可有效延長電容器壽命:一是減少開機、關機次數,二是設法降低開機時的瞬間充電電流─你聽懂了嗎?本刊也注意到此問題,故多年來都是這樣做.

即令是如此,若問:到底是哪一種電容的音質較好?這也實在難以回答.基本上,不同品牌、系列的電容,它的聲音表現自然也是不同.我個人不會「日制品打死不用」,只要處理得當,日制品也不輸歐美貨.多年前曾用過ELNA高級Cerafine音響級電容,它的ESR雖然低,但Irac也還是不高,裝在amp.上,低頻很多,可惜霧氣較重,不夠透明.但是并上speed-up小電容后,就豁然開朗.

故實際裝配時,記得一定要在主濾波電容上加并speed-up小電容,此舉「至少」會改善高頻響應.數值是多少?最好是一大一小,大的1μF、小的0.1μF,MKP是最低要求.

有時并上小電容會發現助益不大,這可能是小電容未選對.RIFA的電解及塑料電容,若想加并speed-up,奉勸你不要找WIMA,建議各位試試MIT的PPFX-S錫箔或RTX系列0.1μF.寫這篇文章的同時,也留意各雜志的廣告,美國Krell及加拿大Classe Audio的Hi-End后級新機種竟然都采用日本Nichicon電容做主電源平滑濾波!但雜志評論員有誰敢說它差?!

前級擴大機吃不了數百mA電流,故濾波電容較易選擇.高瓦數、高輸出電流擴大機就很難伺候,此時濾波電容的Irac特性就要考慮在內.

對于濾波用電解電容,有幾點值得網友注意:一、大致上來說,日制品的Irac比歐美品低;二、低漏電流比低ESR更重要;三、大濾波電容宜并接小電容;四、盡量選高耐壓電容;五、最頂級的電容,容量及耐壓都不高,故數百瓦的大power通常聲音粗糙,不是沒有道理. 筆者不建議哪種電容最好,因為只要用得恰當,每種電容都可發出好聲.至于刻意強調電容、電阻、焊錫、保險絲非xxx品牌不用的人,絕對是不懂線路結構的外行人!

關于鋁質電解電容的構造

電容器依其組件構造大致可分成:一、卷繞型,二、積層型,三、電解型.而電解型又分鋁質及鉭質兩類,鋁質再分成液態電解質及固態電解質.若說液態電解質是鋁箔濕式、固態電解質是鋁箔干式,那就錯了,因鋁箔干式及鋁箔濕式都是液態電解質電容. 鋁質電解電容是以經過蝕刻的高純度鋁箔做為陽極,以其表面經陽極氧化處理之化成薄膜做為電介質,再以浸有電解液的薄紙或布做陰極.由于電解液是用吸浸式,故稱鋁箔干式電解電容.

何謂鋁箔濕式?在電容器內直接加電解液─例如硼酸胺+乙二醇混合液,這種用手電容搖一搖還會發出流水聲,瑞典RIFA的PEH169系列就是這種電容.

即使是歐洲名廠,做為陽極的鋁箔也非自行生產,而是統一由某公司供應,就好像瑞士表廠甚多,但只有少數幾家會做油心.大約14年前意大利某公司無法正常供應陽極鋁箔時,全球各名廠如Mallory/RIFA/Sprague或Rubycon/Philips…就只得拖延交貨脫時間,沒原料怎么生產交貨?至于吸浸電解液的紙,也絕非在一般文具店即可購得,最大供貨商是在馬來西亞.

電容器在電路中的作用

音響電路中存在有各式各樣的電容器,有大有小,有電解質、鉭質、金屬化塑料薄膜、銀云母、積層陶片...等,雖然作用不盡相同,但有一點卻相同─都是用于AC交流狀態.換句話說,電容器用在純DC直流電路中,是沒意義的.就以電源部份的濾波電容來說,雖然它的工作電壓是用DC數值標示,但其功用則是平滑濾波,將經過橋式整流、但不純凈的AC電壓轉化成較平順的DC電壓.在前級輸出端的交連電容具有隔絕直流、通過交流的作用,數十pF的小電容則是防止高頻破裂或抑制震蕩,都是針對AC交流設計.

或許有人提出質疑:三代在小金剛后級線路中有兩只220μF/63V電容,這應該是用于DC直流狀態吧?當然不是,請多想想─why?