Inperfecties van praktische condensatoren
Waarvoor worden condensatoren gebruikt
Waarop te letten bij het toepassen
Een voorbeeld met een eindversterker
Condensatoren in een klankregelcircuit
Condensatoren luidspreker wisselfilters
Condensatoren in lichtnet filters
Vervormings
metingen aan condensatoren
Het
streepje op folie condensatoren
In dit hoofdstuk geef ik aan welke soorten condensatoren er bestaan, welke bijzondere eigenschappen ze hebben, en bij welke (audio) toepassingen die eigenschappen wel of niet van belang zijn.
In de High-end hifi wereld wordt er nog al eens ophef gemaakt over de "kwaliteit" van condensatoren, zoals die toegepast worden in elektronische (versterker) schakelingen en bijv. in wisselfilters in luidspreker kasten. Veel van deze ophef is onterecht en berust op misverstanden en bangmakerij, maar er zijn best wel een paar zaken waar wel op gelet moet worden.
Even heel in het kort: Er bestaan geen speciale "audio condensatoren". Als iemand met zo'n claim komt word je gegarandeerd verkeerd voorgelicht en ga je teveel betalen.
Het is wel zo dat op bepaalde plaatsen in de apparatuur bepaalde condensator types beter geschikt zijn dan andere, maar dat geldt voor alle elektronische apparatuur.
Voor alle audio toepassingen, ook high-end, kun je uitstekend geschikte condensatoren vinden in de reguliere elektronika vak - en hobby handel. Als je in een High-End HiFi winkel condensatoren koopt met "HiFi" of "Music" erop betaal je een veelvoud van wat ze mogen kosten.
Het idee voor dit hoofdstuk is ingegeven door het engelse artikel "Picking the right capacitor" waar ik toevallig op stuitte, en waar ik een commentaar op geschreven heb.
Eind 2006 heb ik zelf wat metingen verricht aan een paar condensatoren waar geen "Audio" op gestempeld staat. Wat er uit kwam? Niet anders dan wat er te verwachten is.
Een condensator is een elektronisch onderdeel dat een elektrische lading enige tijd kan bewaren. In sommige opzichten gaat de vergelijking met een accu op: je kunt 'm opladen en weer ontladen.
De condensator (eng: capacitor) is het ding, de capaciteit (eng: capacity, capacitor value) de mate waarin zo'n ding lading kan opslaan.
Een condensator
bestaat altijd uit twee geleiders (meestal metaal) die gescheiden zijn door een
isolerende stof. Die isolerende stof kan bijv. zijn : lucht, een kunststof
(plastic), een keramisch materiaal, mica of een oxide huidje op een metaal.
De onderstaande tekening geeft een principe indruk. A en B zijn twee metalen
platen, gescheiden door een isolerende stof E.
Als je een elektrische spanning tussen de platen zet zal er in de isolator een tegenovergestelde ladings verschuiving optreden. Dat komt zo: De meeste isolatie materialen hebben moleculen die aan de ene kant meer (negatieve) elektronen bevatten dan aan de andere kant. Omdat tegenovergestelde ladingen elkaar aantrekken richten die moleculen zich naar het elektrische veld. De minnetjes willen naar de plusjes kijken en andersom. Omdat in een isolerend materiaal de elektronen gebonden zijn aan hun moleculen gaat er geen stroom lopen.
De mate waarin een condensator lading kan opslaan heet de capaciteit. Deze wordt uitgedrukt in Farad.
De waarde wordt groter
met de oppervlakte van de platen. Als de platen dichter bij elkaar zitten is de
capaciteit ook groter.
Ook het isolatie materiaal speelt mee: Alle materialen anders dan lucht leveren
een grotere capaciteit op. Die verhouding heet de diëlektrische constante
van dat materiaal. Dit getal wordt aangeduid met de kleine griekse letter
epsilon.
Veel plastic- achtige stoffen hebben een epsilon van 2 tot 8, maar sommige keramische materialen komen wel aan 10000.
De capaciteit van een
condensator is dan ook gelijk aan epsilon E maal de oppervlakte O en gedeeld
door de afstand d tussen de platen.
Die epsilon bestaat uit twee delen: De absolute epsilon of epsilon-nul = 8.854
E-12 F/m (geldig voor lucht en vacuüm), en de relatieve epsilon, die zegt
hoeveel groter het is vergeleken met lucht.
Totaal wordt het dus C = E0 * Er * O / d. Als je alle maten in meters invult krijg je de capaciteit in Farad.
Er is een direct verband tussen de lading van een condensator, de capaciteit van die condensator en de elektrische spanning die dan over die condensator staat.
Hoe meer lading een condensator bevat, des te groter is de spanning.
Hoe groter de capaciteit van een condensator, hoe kleiner de spanning zal zijn bij de zelfde lading, of, hoe meer lading er in kan bij dezelfde spanning.
Als je in een condensator van 1 Farad gedurende 1 seconde een stroom laat lopen van 1 Ampere is de spanning over de condensator met 1 Volt toegenomen.
In de praktijk is de Farad een erg grote waarde. We komen meestal condensatoren tegen van milli, micro, nano, of pico Farads.
(maar een auto accu van bijv. 56 Ampere-uur lijkt wat op een condensator van 12 * 56 * 60 * 60 = 2.5 miljoen Farad ;)
Voor de praktische
constructie kennen we enkele hoofd-varianten. Het streven is vooral om veel
capaciteit te realiseren in een klein volume. Dus veel oppervlakte en een kleine
afstand tussen de platen. De belangrijkste beperking is de dikte van de
isolator. Als die te dun wordt (we praten dan over microns) zal de
condensator niet veel spanning kunnen hebben voor dat 'ie doorslaat. Bij
condensatoren wordt dan ook naast de capaciteit altijd de maximaal toegestane
spanning opgegeven.
Andere belangrijke factoren zijn de temperatuur stabiliteit en het hoogfrequent
gedrag.
De film/folie condensator: Hierbij worden twee metaalfolies en twee kunststof films om-en-om opgerold. Aan elke metaalfolie wordt een draad verbonden.
Gemetalliseerd folie condensatoren. In plaats van de losse metaal folie is er een metaallaagje op de isolerende folie opgedampt.
Een belangrijke
variant van de folie condensator is die waarbij het rolletje zo gemaakt
wordt dat aan de ene kant de ene metaallaag uitsteekt en aan de andere kant
de andere. Door met een soort geleidende pasta of een soldeerproces alles
door te verbinden ontstaat een condensator met een zeer kleinere zelfinductie.
(maar daarover verderop)
Folie condensatoren vind je in waardes vanaf enkele nF tot een aantal uF.
Bij grotere waardes worden ze onaangenaam groot (en duur)
Bij aluminium
elko's worden twee aluminium folies gewikkeld met daartussen een
papier-achtige stof die in een elektrolyt gedrenkt is. (Een elektrolyt is
een vloeistof waarin elektronen vrij kunnen bewegen. Een geleider dus.) Door
midden van elektro-chemische processen wordt er op 1 van de folies -of op
beide- een uiterst dun isolerend oxide huidje gemaakt.
Aluminium condensatoren vind je in waardes van ca. 1 uF tot over 1 Farad, en
met werkspanningen van enkele volts tot een paar honderd volt.
Het uitwendige aluminium busje is altijd verbonden met de minpool.
Elektrolytische condensatoren moeten altijd een bedrijfsspanning in een
bepaalde richting hebben. Je kunt ze niet voor wisselspanning gebruiken. Als
een elektrolytische condensator verkeerd-om aangesloten wordt vertoont 'ie
een grote lekstroom, en in sommige gevallen kan 'ie veel te heet worden en
zelfs exploderen. (De PlofCo)
Bij tantaal
condensatoren (ook elektolytisch) wordt gebruik gemaakt van de poreusheid
van een bepaalde legering van het metaal tantalum. Hierdoor ontstaat
ook weer een grote oppervlakte in een klein volume.
Tantaal condensatoren vind je in waardes van ca. 1 uF tot enkele honderden
uF, en met werkspanningen van enkele volts tot zo'n 50 Volt.
Ze zijn de laatste jaren wat in onbruik geraakt, en er gaan geruchten dat de
betrouwbaarheid te wensen overlaat. Verder is Tantalum een zwaar metaal, met
atoomnummer 73 een buur van Wolfram, eng: Tungsten, zowat het zwaarste
metaal dat we kennen, en mogelijk om milieutechnische redenen ongewenst in
elektronische apparatuur.
Bipolaire (elektrolytische) condensatoren bestaan uit twee tegengesteld in serie geschakelde elektrolytische aluminium condensatoren.
Bij keramische
condensatoren zie je vaak een opeenstapeling van laagjes geleider en
isolator. De geleiders steken om-en om aan de ene en de andere kant uit en
kunnen dan doorverbonden en aangesloten worden. Het isolatie materiaal is
een mengsel van diverse metaal-oxiden en andere stofjes dat bij een hoge
temperatuur (sinteren) de gewenste eigenschappen krijgt.
De waardes gaan van 1 pF tot ca. 1 uF, bij werkspanningen van 25 volt tot
een paar honderd volt. Omdat er materialen met sterk uiteenlopende epsilon
gebruikt worden (10 tot 10000) kun je condensatoren van dezelfde waarde en
spanning vinden met zeer uiteenlopend volume. (hogere epsilon geeft dezelfde
capaciteit en spanning in een kleiner volume) De C's met materiaal van hoge
epsilon hebben meestal ook een sterkere temperatuur- afhankelijkheid (tot
wel 50%)
Er bestaan nog veel meer bouwwijzen voor condensatoren, maar die zul je niet gauw tegenkomen in de audio techniek. Eentje wordt er wel eens genoemd in high-end kringen: de papier-in-olie condensator. Hij lijkt op de folie-condensator maar het isolatie materiaal is een soort papier dat in een olie gedrenkt is. Papier-in-olie is een volstrekt verouderde techniek, die condensatoren oplevert die veel volumineuzer zijn dan nodig, en op geen enkele manier beter dan meer gangbare types.
Als je een wisselspanning op een condensator zet dan blijkt dat de stroom door die condensator erg afhangt van de frequentie van de wisselspanning en van de capaciteit.
Hoe hoger de frequentie, hoe groter de stroom, en ook: hoe groter de capaciteit hoe groter de stroom. Da's wel logisch, want hoe sneller de spanning verandert, des te groter de stroom moet zijn om de lading er in en er weer uit te krijgen.
Bij sinusvormige wisselspanning geldt dat de stroom gelijk is aan: I = U * C * 2 * pi * F, waarbij I in Ampere, U in volt, C in Farad, pi = 3.14, F in Hertz.
Je kunt het ook anders formuleren: Een condensator vertegenwoordigt bij hogere frequenties een lagere weerstand of impedantie.
De formule is : Xc = 1/ (6.28 * F * C), waarbij F de frequentie in Hertz, C de capaciteit in Farad en Xc de impedantie in Ohms.
Dit is een benaderings formule omdat er geen rekening gehouden wordt met de faseverschuiving.
In deze tabel kun je snel opzoeken
wat (ongeveer) de relatie is tussen de impedantie van een condensator, de
frequentie en de waarde van de condensator.
Condensator waardes kleiner dan ca. 1 pF heb ik niet aangegeven, omdat dergelijk
kleine C'tjes niet voorkomen in de audio praktijk.
| 1 Hz | 10 Hz | 100 Hz | 1 KHz | 10 KHz | 100 KHz | 1 MHz | 10 MHz | 100 MHz | 1 GHz | |
| 10 MOhm | 16 nF | 1.6 nF | 160 pF | 16 pF | 1.6 pF | |||||
| 1 MOhm | 160 nF | 16 nF | 1.6 nF | 160 pF | 16 pF | 1.6 pF | ||||
| 100 KOhm | 1.6 uF | 160 nF | 16 nF | 1.6 nF | 160 pF | 16 pF | 1.6 pF | |||
| 10 KOhm | 16 uF | 1.6 uF | 160 nF | 16 nF | 1.6 nF | 160 pF | 16 pF | 1.6 pF | ||
| 1 KOhm | 160 uF | 16 uF | 1.6 uF | 160 nF | 16 nF | 1.6 nF | 160 pF | 16 pF | 1.6 pF | |
| 100 Ohm | 1.6 mF | 160 uF | 16 uF | 1.6 uF | 160 nF | 16 nF | 1.6 nF | 160 pF | 16 pF | 1.6 pF |
| 10 Ohm | 16 mF | 1.6 mF | 160 uF | 16 uF | 1.6 uF | 160 nF | 16 nF | 1.6 nF | 160 pF | 16 pF |
| 1 Ohm | 0.16 F | 16 mF | 1.6 mF | 160 uF | 16 uF | 1.6 uF | 160 nF | 16 nF | 1.6 nF | 160 pF |
| 0.1 Ohm | 1.6 F | 0.16 F | 16 mF | 1.6 mF | 160 uF | 16 uF | 1.6 uF | 160 nF | 16 nF | 1.6 nF |
Als je goed kijkt naar wat er bij een condensator gebeurt (bij sinusvormige wisselspanning) zul je zien dat de stroom door de condensator en de spanning er over niet tegelijkertijd hun maximum bereiken.
Als de spanning op z'n maximum is, is de stroom net nul. Als de spanning gaat dalen wordt de stroom negatief, want dan moet die lading er weer uit. Spanning en stroom zijn 1/4 periode verschoven, oftewel 90 graden. De stroom gaat vóór de spanning uit, we noemen dat vóórijlen. (Bij zelfinducties gebeurt iets soortgelijks, maar dan is het ná-ijlen)
Het is ook interessant
om even te kijken naar het vermogen, dat is het product van stroom en spanning.
Je ziet in de grafiek dat het vermogen afwisselend positief en negatief is, maar
gemiddeld nul. De (ideale) condensator neemt gemiddeld geen vermogen op (wordt
dus niet warm) Er wordt slechts een hoeveelheid energie heen en weer geslingerd
tussen de condensator en de spanningsbron.
Bedenk dat als stroom en spanning wél in fase zijn het product altijd positief
is, want min maal min is plus.
Inperfecties van praktische condensatoren.
Praktische condensatoren komen met een aantal eigenschappen die afwijken van de ideale condensator.
Hieronder zie je het vervangings schema van een praktische condensator:
Van boven naar beneden:
De ideale C waar het echt om gaat.
De serieweerstand
Rs. Ten eerste van de aansluit draden, maar bij hogere frequenties wordt het
ook moeilijker om die moleculen in het isolatie materiaal iedere keer om te
draaien. Daarbij ontstaat warmte, oftewel een verlies. Rs wordt ook vaak de
verliesweerstand genoemd, in het engels "dielectric loss".
In het audio frequente gebied is Rs minder dan een duizendste van de
impedantie van de C. Die verhouding heet de verliesfactor of tangens-delta.
(die tangens is de hoek waarmee de faseverschuiving afwijkt van de zuivere
90 graden van de ideale condensator)
De Rs wordt ook vaak "Effective Series Resistance" genoemd,
afgekort ESR. Ook de termen "Power factor" en "Dissipation
factor" worden wel gebruikt
Bij elektrolytische condensatoren is Rs vaak vrij groot en sterk afhankelijk
van de waarde. Grote C's hebben doorgaans een lagere Rs dan kleine.
Met de opkomst van schakelende voedingen is de vraag naar condensatoren
(vooral elko's) met zeer lage Rs sterk toegenomen. Een schakelende voeding
vraagt of levert grote piekstromen met hoge frequenies in de condensatoren.
Omdat de warmte-ontwikkeling met het kwadraat van de stroomsterkte gaat
wordt een lage Rs steeds belangrijker.
Voor ontkoppelcondensatoren in snelle digitale
schakelingen is een lage Rs -in tegenstelling tot wat je op het eerste
gezicht zou denken- ongewenst. Zulke condensatoren kunnen met de altijd
aanwezige zelfinducties (printspoortjes) namelijk resonantie kringen vormen
waardoor de bedoelde ontkoppeling compleet mislukt. Een beetje weerstand in
zo'n kring zorgt voor een slechte Q en daarmee voor het DISSIPEREN = in
warmte omzetten van de stoor energie. Het is dezelfde functie die de
schokdempers in je auto, motor of fiets hebben: Het gaat steeds om een
massa-veer systeem (in de elektronica een zelfinductie-condensator
combinatie) dat een bepaalde resonantie frequentie heeft. Er moet een
weerstand aan te pas komen om te zorgen dat het niet eindeloos blijft
resoneren.
Cda en Rda
modelleren de diëlectrische absorptie. Sommige condensatoren hebben
de eigenschap om, als ze wat langer onder een gelijkspanning staan en dan
kortstondig ontladen worden, na enige tijd weer wat spanning te produceren.
Het lijkt wel of er wat lading geabsorbeerd is in het isolatie materiaal, en
dat die lading er weer langzaam uitkomt.
Vooral elektrolytische condensatoren vertonen dit effect. Het verschijnsel
speelt zich af op een tijdschaal van een aantal seconden tot vele
minuten.
Het netto effect is dat de condensator bij extreem lage frequenties (ver
onder 1 Hertz) een wat grotere waarde lijkt te hebben.
Rleak is de lekweerstand. Geen enkel isolatie materiaal is perfect, en er treedt altijd een beetje lek op. Bij de meeste condensatoren is Rleak honderden tot duizenden MegaOhms. Alleen elektrolytische condensatoren hebben vaak wat lagere lekweerstanden, maar meestal is de lekstroom klein genoeg om een lading uren of dagen te bewaren. (Bij buizenverterkers kun je soms uren nadat 'ie uitgezet is nog een flinke optater krijgen van de spanning op de voedings elko's)
Polariteit.
De diode D en diens serieweerstand Rd vind je alleen in elektrolytische
condensatoren. Deze mogen alleen met een bepaalde polariteit aangesloten
worden. De spanning mag niet omkeren. Als dat wel gebeurt gaat er al gauw
een flinke lekstroom lopen, en de condensator kan in korte tijd intern zo
heet worden dat 'ie explodeert. (de elko verandert in een plofko)
Ook als de elko niet echt stuk gaat kan de waarde door zo'n ompoling
blijvend teruglopen, en kan de lekweerstand blijvend kleiner worden.
De serie zelfinductie
Ls. Voornamelijk van de aansluit-draden, maar ook van de wikkelingen van
folie condensatoren (ook bij veel aluminium condensatoren).
Ls ligt typisch in het bereik van enkele 10-tallen nano-Henry. In het
algemeen: hoe kleiner de afmetingen van de condensator hoe kleiner de
zelfinductie.
Soms wordt niet de Ls opgegeven, maar de frequentie waarbij Ls resoneert met
C. (serie resonantie)
Dan zijn er nog wat eigenschappen die ik niet in het vervangings schema kan tekenen:
Frequentie afhankelijkheid. Vooral Rs neemt bij sommige diëlectrica nogal toe bij hogere frequenties en C neemt wel eens af. (vele Megahertzen)
Temperatuur
coefficient. Alle eigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur. De
C kan zowel toenemen als afnemen. Bij nagenoeg alle kunststof folie
condensatoren praten we over afwijkingen van hooguit een paar procent bij
een realistisch huiskamer temperatuur bereik. De lekweerstand neemt meestal
af met de temperatuur.
Elektrolytische condensatoren en sommige keramische types kunnen wel
20% afwijken bij 50 graden of zo.
Spannings
afhankelijkheid. Bij sommige materialen is de C afhankelijk van de
spanning over de condensator. Zulke spanningsafhankelijkheid veroorzaakt in
principe intermodulatie vervorming. Bij enkele keramische materialen met
hoge epsilon is er een flinke spannings afhankelijkheid. Ik heb voor andere
condensator types hierover weinig gegevens kunnen vinden, maar gedurende
mijn 35 jarige elektronica praktijk heb ik ook nog nooit iets over zulke
problemen vernomen, dus ik vermoed dat het nogal meevalt.
Zo er een spanningsafhankelijkheid is zal die zich zich sterker manifesteren
naarmate de spanning dichter bij de maximaal toegestane spanning komt.
Er bestaan wel doelbewust gemaakte spannings afhankelijke condensatoren, de
z.g. varicap's, maar die berusten
bijna altijd op een halfgeleider techniek.
Initiele fabricage
toleranties. Met name elektrolytische condensatoren komen met een
vrij grote aanmaak tolerantie. (soms wel -20 tot + 50 %) Je vindt elko's dan
ook alleen in de grovere reekswaarden
Andere condensator types komen met 10% of 5% tolerantie. Echte precisie
condensatoren zijn zeldzaam en duur, en kunnen -zeker in de audio techniek-
bijna altijd vermeden worden.
Bouwvorm.
Aluminium condensatoren zijn bijna altijd cylindrisch. De aansluit draden
zitten aan weerskanten (axiaal) of beide aan 1 kant.
Tantaal condensatoren komen meestal in druppel vorm, met de aansluitingen
aan 1 kant. De SMD uitvoeringen zijn meestal rechthoekige blokjes.
Film condensatoren zijn cylindrisch of enigszins plat. Aansluit draden
zitten axiaal bij de cylinders, of dwars aan de korte kant. Film
condensatoren lenen zich wat minder voor SMD technieken, vanwege de hoge
temperatuur bij het solderen.
Keramische condensatoren komen vaak als schijf of als een tamelijk plat
rechthoekig blokje. De draaadjes meestal evenwijdig. De SMD uitvoeringen
kunnen meestal kortstondig tegen vrij hoge temperaturen.
Zelf herstellend. Met name bij gemetalliseerd-folie condensatoren zal er, als er onverhoopt een doorslag plaats vindt, een geringe hoeveelheid metallisatie verdampen, waardoor de korstluiting voorbij is. Deze eigenschap is belangrijk voor de toepassing in netfilters. Zie verderop.
Veroudering. Met name aluminium elko's lopen op een termijn van 15 tot 30 jaar wel eens zo terug in waarde dat er bij een krap gedimensioneerde voeding een probleem kan ontstaan. (brom). Voor alle condensatoren geldt dat ze sneller verouderen of eerder stuk gaan als ze bij hogere temperaturen gebruikt worden.
Afmetingen. Condensatoren
lopen sterk uiteen in afmetingen. In het algemeen geldt dat 'ie groter wordt
bij grotere capaciteit, en ook groter bij hogere werkspanning.
Diëlectrica met een hoge epsilon geven een evenredig kleinere condensator,
maar vaak zijn ze slechter qua verliezen en temperatuur afhankelijkheid.
Daarnaast zijn er construktieve aspecten die de grootte mee- bepalen. In de
loop der jaren heeft men kans gezien om condensatoren aanzienlijk kleiner te
maken, ook bij dezelfde dielctrische materialen.
Waarvoor worden condensatoren gebruikt
In de elektronica techniek gebruiken we condensatoren eigenlijk maar voor een beperkt aantal toepassingen, maar die komen wel heel vaak voor. Ik geef hieronder wat voorbeelden met de typische voorkeur voor een bepaald soort condensator, en het waarom.
Tijdelijk opslaan van energie:
de elko's in het voedingsdeel, of de condensator die in je PC de real-time
clock laat doorlopen als de PC uitstaat.
Vrijwel altijd worden hiervoor elektrolytische condensatoren gebruikt. Bij
waardes boven ca. 100 uF en / of werkspanning boven ca. 50 Volt altijd
aluminium condensatoren. Bij kleinere waardes en spanning is het veelal
tantaal.
In de afgelopen jaren (200x) zijn er condensatoren op de markt gekomen met
een ongelooflijke capaciteit. Bijvoorbeeld 350 Farad / 2.5 Volt is nu
verkrijgbaar in een behuizing waar we tot nog toe zo'n 4700 uF / 50Volt
verwachtten. Serieuze toepassingen zijn o.m. het opslaan van de rem-energie
van elektrische voertuigen (recuperatie). Kijk eens bij www.maxwell.com
Blokkeren van gelijkspanning,
maar doorlaten van wisselspanning: (koppel condensatoren)
In audio toepassingen gaat het meestal om capaciteiten van ca 0.1 uF tot
zo'n 10 uF, dat hangt af van de ingangs weerstand van de volgende trap.
Bij de kleinere waardes gebruiken we keramische of folie condensatoren, bij
de grotere waarden zie je folie of elektrolytisch. De waarde wordt meestal
flink over-gedimensioneerd, zodat je geen last hebt van aanmaak toleranties
of temperatuur effecten.
Ontkoppelen: zorgen dat
een signaal in een bepaald deel van de schakeling niet via de
voedingsleidingen in een ander deel van het apparaat komt. We willen hier
een lage impedantie over een breed frequentie bereik.
Bij laagfrequente situaties zien we waardes tot een paar honderd uF, dat
zijn dan altijd elko's, soms ook tantaal. Als er ontkoppeling nodig is voor
hoge frequenties gebruiken we steevast keramische condensatoren, typisch 100
nF, met zo kort mogelijke aansluit draden voor een geringe zelfinductie.
Als zowel hoog- als laagfrequente ontkoppeling nodig is kiezen we het beste
uit twee werelden: paralellen van elko's met kort-dradige keramische
C's.
In filters. Schakelingen
die bepaalde frequenties doorlaten en andere blokkeren (klankregeling,
luidspreker wissel-filters)
In de audio wereld komen we op twee plaatsen filters tegen: Klank regeling /
equalizers / actieve wisselfilters, en het wisselfilter in de luidspreker kasten. HET GROTE verschil
daarbij is de impedantie van het filter. Bij luidsprekers is die laag (4
of 8 Ohm) en in de regelversterkers of een actief filter een aantal kilo-Ohms. De typische
waardes van de condensatoren zijn navenant verschillend.
Bij luidspreker filters zien we 1 tot 10-tallen uF. Het is verleidelijk om
hiervoor (bipolaire) elektrolyten te gebruiken, maar die komen met een nogal
grote tolerantie. Liever niet doen. Het alternatief is de folie condensator,
maar je valt wel gauw in de "grote maten", en die kosten meer dan
een paar dubbeltjes. Het is niet anders. De werkspanning kan meestal beperkt
blijven tot zo'n 50 Volt.
Voor condensatoren in klankregel circuits gebruiken we keramisch voor de
kleinere waarden (tot een paar honderd pF) en folie voor de wat grotere waardes
(10-tallen nF) Voor keramisch tiepjes nemen we er liefst 1 met een geringe
temperatuur afhankelijkheid en een lage epsilon.
Frequentie bepalend
element in oscillatoren en (radio/TV) ontvangers.
Hier gaat het altijd om kleine capaciteiten (hooguit een paar honderd pF) en
komt uitsluitend keramisch in aanmerking. Wel de types met geringe
temperatuur coefficient, dus die met een "lage-epsilon" materiaal.
Integrerend of differentierend
element in analoge rekenschakelingen.
In dit soort toepassingen kunnen ESR, DA, spanningsafhankelijkheid en
temperatuur afhankelijkheid erg belangrijk zijn. In de audio techniek kom je
dit soort circuits niet tegen. Er is bovendien een sterke tendens om
dit soort functies met digitale middelen (=software) te doen.
Het afleiden van hoogfrequente
signalen die elders mogelijk storing zouden kunnen veroorzaken. (EMC
filters)
Als het om lichtnet filters gaat worden hier uitsluitend gemetaliseerd-folie
condensatoren gebruikt, of bepaalde types keramische condensatoren. Dat
hangt samen met een veiligheids eis die volgt uit de CE-markering: Bij een
eventuele doorslag brandt er zeer plaatselijk een stukje folie en metaal
weg, maar er ontstaat geen volkomen kortsluiting waarbij er zoveel warmte
zou kunnen vrijkomen dat de condensator ontploft of dat er gloeiende deeltje
uit kunnen komen die ergens anders brand zouden kunnen veroorzaken.
Voor EMC filters in niet-lichtnet toepassingen gebruiken we meestal
keramische condensatoren, omdat die met hun kleine bouw en korte draadjes
het goed doen bij zeer hoge frequenties.
Corrigeren van
faseverschuiving in het energie-distributie net. Condensatoren spelen
een belangrijke rol bij het constant houden van de 230 Volt op je
huisinstallatie.
Dit is alleen om eens een toepassing buiten het audio gebied te noemen. We
praten hier over condensatoren met afmetingen van een zeecontainer en een
werkspanning van een paar honderd kilovolt. Niet zelden hebben ze een
geforceerde koeling. (olie circulatie en ventilatoren)
Overigens: ook op kleinere schaal wordt er aan correctie van
faseverschuiving gedaan. In wat grotere lichtinstallaties met T.L buizen
(winkels, bedrijven) moet een flink deel van de armaturen voorzien zijn van
condensatoren om de faseverschuiving binnen de perken te houden. Een
"gewoon" T.L. armatuur is inductief en veroorzaakt een na-ijlende
stroom. Door condensatoren bij te schakelen wordt e.e.a gecompenseerd.
Waar op te letten bij het toepassen
Ik geef hieronder een resumé van de imperfecties van condensatoren en wanneer je er wel of niet rekening mee moet houden.
Polariteit van
elektrolytische condensatoren (tantaal,- zowel als aluminium-):
Nooit gebruiken in omgekeerde polariteit of met wisselspanning, dus niet in
luidspreker-wisselfilters.
Bipolaire elko's kunnen weliswaar omgepoold worden, maar er blijft een risico met de mogelijke niet-lineariteit (THD) en met de tolerantie op de capaciteit. Verder is de ESR hoger dan die van een enkele elko, en zeker hoger dan die van een folie condensator. Beter niet gebruiken in luidspreker wisselfilters.
Effective Series Resistance,
ESR. Voor bijna alle types condensatoren ligt de ESR ruim onder 1 Ohm,
veelal nog veel-en-veel lager. De ESR kan interessant zijn als de belastings
weerstand van de (koppel) condensator erg laag is, zoals soms in een
luidspreker wisselfilter, maar meestal is ook daar de capacitieve impedantie
van de condensator ook bij de hoogste audio frequenties nog steeds veel
groter dan de ESR, of is de bedradings weerstand de beperkende factor.
Op andere plaatsen in de audio elektronica worden condensatoren meestal zo gebruikt
dat de ESR totaal oninteressant is.
Bij ontkoppel condensatoren voor hoogfrequente (digitale) circuits is een
beetje ESR zelfs gunstig, omdat dat voorkomt dat er in combinatie met de
altijd aanwezige zelfinducties resonantiekringen met een hoge Q-factor
kunnen ontstaan. Dan is het middel erger dan de kwaal.
Bij elko's in schakelende voedingen willen we wel een lage ESR, omdat daar
vaak grote piekstromen lopen. De dissipatie (=warmte ontwikkeling) van die
elko kan dan te groot worden. Ook ligt er er een EMC probleem op de loer als
die hoogfrequente piekstromen niet goed afgefilterd worden. Voor schakelende
voedingen bestaan er speciale low-ESR elko's.
Bij afstemkringen in radio/TV- ontvangers en zenders willen we wel vaak een
grote Q-factor, en dan is de ESR van belang.
Power factor, Dissipation Factor, Tangens Delta. Dit zijn andere definities van ESR. Zie boven.
L, of Zelfinductie van
alle condensatoren is zo gering dat die in het audiofrequente gebied geen
enkele rol speelt. (zelfs niet in luidspreker wisselfilters) Voor ontkoppel
condensatoren in snelle digitale circuits verdienen gelaagde keramische
SMD-types de voorkeur, vooral door hun zeer korte verbindings draden/paden
en dus lage zelfinductie.
In de (analoge) audio techniek moet er alleen op de Ls gelet worden bij het
ontkoppelen van geintegreerde spannings regelaars en OpAmps. Zulke circuits
vereisen een goede ontkoppeling tot tientallen megahertzen. Als dat niet
goed gedaan is kan het circuit heel hoogfrequent gaan oscilleren. Hier
voldoet een kleine keramische C van 100 nF, als 'ie maar dicht op het te
ontkoppelen circuit zit en met korte verbindingen aangesloten wordt.
DA, Diëlektrische Absorptie
speelt zich af op een tijdschaal van vele seconden tot minuten. Het effect
is alleen van belang bij nauwkeurige timer circuits of integrator circuits
in langzame analoge rekenschakelingen (allebei achterhaald). In de audio
techniek heeft DA geen enkele betekenis.
En zo DA nog merkbaar zou zijn bij (de laagste) audio frequenties: het
effect is dat de capaciteit wat groter wordt bij de laagste
frequenties. Zowel voor koppel- als ontkoppel condensatoren is dit
juist voordelig, want daar willen we juist een grote capaciteit !
Temperatuur coefficient.
In geen enkel audio versterker circuit is de waarde van een condensator zo
kritisch dat je je zorgen moet maken om de tempco. Alleen in het afstem deel
van radio / tv ontvangers worden maatregelen genomen om temperatuur
verloop tegen te gaan. (en natuurlijk in heel wat
industriele/medische/miltaire/wetenschappelijke toepassingen)
Bovendien komen grote temperatuur verschillen nauwelijks voor in huiskamer
audio apparatuur.
Isolatie of lekweerstand.
Alleen voor koppelcondensatoren die een grote DC-spanning moeten blokkeren
is het nuttig om even naar de lekweerstand te kijken. Neem hiervoor beter
geen elektrolytische condensatoren.
Als je condensatoren in serie wilt schakelen om het geheel bruikbaar te
maken voor een veel hogere (DC) spanning dan die van de afzonderlijke
condensatoren, dan moet je er voor zorgen dat de (DC) spannings verdeling
door paralelle weerstanden bepaald wordt. De lekweerstanden van de
condensatoren kunnen een grote spreiding vertonen, en daar mag je niet op
vertrouwen. (deze situatie komt in de audio techniek soms voor bij
elektrostatische luidsprekers, waar er met erg hoge spanningen gewerkt
wordt)
Veroudering. Aluminium -condensatoren kunnen in waarde teruglopen op een termijn van 15+ jaar (je hoeft dus niet elk half jaar al je elko's te vervangen). Meestal merk je er niets van, maar soms is er een toegenomen brom-nivo. Bij te kleine voedings condensatoren wordt het maximale uitgangs vermogen niet meer gehaald, maar ook dat valt niet gauw op bij al die herrie. Eigenlijk kun je er alleen door een meting achter komen of de elko's in waarde zijn teruggelopen.
Harmonische- of
intermodulatie- vervorming D.w.z. dat de capaciteit een beetje afhangt
van de spanning over de condensator. Van elektrolytische condensatoren is het
bekend dat die daar in geringe mate aan lijden. In praktische versterker
schakelingen gebruiken we elco's (vooral om een handvol andere
redenen) niet op zodanige plaatsen dat je daar last van zou kunnen
hebben.
Ook andere condensatoren worden steeds zo gebruikt dat evt. vervorming
slechts voor een heel klein deel in het signaal terecht komt. Bij koppel- en
ontkoppel condensatoren streven we er steeds naar dat ze in de signaal band
(het audio frequente bereik) een lage impedantie hebben, d.w.z. dat er
weinig signaalspanning over staat. Als die lage impedantie dan ietsje
spannings afhankelijk zou zijn zal er ook maar een fractie van dat ietsje in
het signaal terecht komen.
Als je toch nog bang bent voor vervorming van condensatoren neem dan
exemplaren met een maximaal toegestane spanning die flink groter is dan de
signaalspanning waarbij je 'm gebruikt.
Aanmaak tolerantie.
Voor voedings-, koppel- en ontkoppel condensatoren is de precieze waarde
nooit kritisch. Neem de naast-grotere reeks-waarde.
Alleen in filtercircuits (luidspreker wisselfilter, klankregeling,
equalizer) is de waarde enigermate kritisch. Maar zelfs dan geldt dat een
afwijking van 10% minder dan 1 dB verschil oplevert, en dat is vrijwel
altijd onhoorbaar. Neem wel voor links en rechts dezelfde waarde!
Nog enkele laatste opmerkingen over
het uiteindelijk effect van de inperfecties van condensatoren:
Met uitzondering van THD veroorzaken alle imperfecties -zo al aanwezig- een
geringe verandering in de frequentie karakteristiek. Zelfs bij de
"slechtste" condensatoren is die invloed minder dan een promille,
oftewel minder dan 0.0087 dB. Als je nu weet dat afwijkingen in de frequentie
karakteristiek pas vanaf ca. 1 of 2 dB hoorbaar worden en dat zelfs de beste
luidspreker systemen afwijkingen van 6 dB of meer vertonen dan moet je toch
concluderen dat er hier geen echt ernstig probleem is.
In audio toepassingen worden
condenatoren meestal zo gebruikt dat de impedantie van de condensator in het
audiofrequente gebied zeer laag is (bij koppel-, ontkoppel- en voedings
condensatoren) of juist zeer hoog is (condensatoren die een rol spelen bij de
hoogfrequente stabiliteit van de schakeling) In al die gevallen wordt de waarde
van de condensator zo gekozen dat die niet erg kritisch is, en zijn de
inperfecties van die condensatoren nauwelijks van belang.
Ik heb overwogen om de belangrijkste
eigenschappen van diverse condensator typen op te geven in tabellen en
grafieken. Als ik dat echter enigszins volledig zou doen dan wordt dit hoofdstuk
zeker twee maal zo lang, en dat wil ik mijn lezers niet aandoen.
Als je details wilt weten dan kun je terecht in de databoeken en op de websites
van condensator fabrikanten. (Maar ga niet op zoek naar "Hifi
condensatoren" want dan krijg je pseudo techniek voorgschoteld)
Een voorbeeld met een eindversterker.
Hieronder een min-of-meer klassieke basis schakeling voor een eindversterker. Aan de hand van dit schema geef ik aan waar de condensatoren voor dienen en welke eisen er aan gesteld moeten worden.
C1vormt met R1 een low pass
filter voor frequenties boven ca. 100 KHz. Als de eindversterker in 1 kast
zit met een regelversterker kunnen ze beide wegblijven, maar bij een losse
eindversterker zorgen ze ervoor dat de versterker "dood", of
immuun is voor evt. hoogfrequente stoorsignalen.
Bij audio frequenties vormt C1 een impedantie van minimaal 800 KOhm, dus
nogal verwaarloosbaar.
Een type met lage zelfinductie verdient de voorkeur, maar bijna alle
praktische C's van deze waarde hebben dat.
C2 heeft tot taak om DC te
blokkeren. We kiezen de kantelfrequentie met R2 op minder dan 10 HZ. (Hier 3
Hz). Zelfs bij 20 KHz is de capacitieve impedantie zo'n 5 Ohm, en wint het
nog ruimschoots van de ESR.
Hier geen elco gebruiken, want je weet niet wat voor polariteit DC er
"binnen kan komen".
C3 en C4 vormen ontkoppel
condensatoren. In samenwerking met R8 en R12 moet de rimpel van de primaire
voeding verder onderdrukt worden. Om dat te bereiken moet bij 50 of 100 Hz
de impedantie ruim kleiner zijn dan R12 of R8 . Bij 100 Hz is de impedantie
van C3/4 in de grootte orde van 10 Ohm De rimpel wordt dus een factor 10
onderdrukt.
De signaalstromen door deze condensatoren worden begrensd door de kleinste
weerstand tussen het "signaalpad" en die condensator. Dat is hier
R9.
Een ESR van zelfs 1 Ohm geeft een afwijking van minder dan 1% (0.086 dB)
C5 zorgt voor een DC-blokkering.
Voor AC wordt de totale spannings versterking bepaald door R16/R7 Ca 21 x,
dus met 1 volt ingangsspanning is de versterker zo goed als uitgestuurd.
Voor DC is de schakeling echter volledig tegengekoppeld, zodat het
instelpunt erg stabiel zal zijn.
Omdat R16 gelijk is aan R2 zal de spanningsval t.g.v. de basis-stromen van
Q1 en Q2 ook zo goed als gelijk zijn.
C6 zorgt voor een DC-blokkering, zodat de AC-versterking van Q3 bepaald wordt door R9, maar de DC-instelling alleen door R10. Er kan hetzelfde over gezegd worden als over C3 en C4. Maar er geldt nog iets: Een eventule afwijking in de frequentie karakteristiek wordt hier (flink) verminderd door de all-over tegenkoppeling.
C7 is een z.g. lag-capacitor, die ervoor moet zorgen dat de open lus versterking bij frequenties boven het audio gebied gelijkmatig afvalt. Dit is nodig voor de hoogfrequent stabiliteit van de versterker. De waarde van C7 ligt typisch in de buurt van 1 nF, maar is ook afhankelijk van sommige transistor eigenschappen. In sommige schakelingen is zo'n C7 overbodig, en dus afwezig. In het audiofrequente gebied heeft C7 geen effect.
C8 is een z.g. lead-capacitor, die ervoor moet zorgen dat de fase-verschuiving bij frequenties ver boven het audiofrequente gebied binnen bepaalde grenzen blijft. Dat is nodig voor de stabiliteit van de versterker bij (vele) megahertzen. De waarde is typisch een paar honderd pF, soms enkele nF, en hangt af van bepaalde transistor eigenschappen. In sommige schakelingen is zo'n C8 overbodig, en dus afwezig. In het audiofrequente gebied heeft C8 geen effect.
C9 is een "booster"
condensator. Hij moet er voor zorgen dat bij de positieve uitsturing van de
eindtrap het knooppunt R13-R14 flink boven de voedingsspanning +Vb uit kan
komen, zodat R14 voldoende basisstroom aan Q6 kan leveren.
De "load" van deze condensator is ruwweg de paralellschakeling van
R13 en R14. Bij deze waarde heeft C9 een impedantie van zo'n 80 Ohm bij 20
Hertz. Nou, dan gaat dat wel goed. En als het niet helemaal goed gaat heeft
dat geen invloed op de frequentie karakteristiek, wel op de vervorming bij
de laagste frequenties. Evt. tekortkomingen worden ook hier sterk verminderd
door de overall-tegenkoppeling.
C10 vormt met R20 en L1 een
netwerkje dat ervoor zorgt dat de versterker bij zeer hoge frequenties
(MegaHertzen) de luidsprekers en de speaker kabel niet meer
"ziet", maar slechts R20. Bij zulke hoge frequenties is het gedrag
van de kabels en de luidsprekers onvoorspelbaar, en dat zou in sommige
gevallen tot instabiliteit van de versterker kunnen leiden.
In het audio frequente gebied doet dit netwerkje niets. Voor L1 moet wel een
ding met een lage serieweerstand gekozen worden, maar dat kan gemakkelijk,
want zo'n kleine zelfinductie heeft maar een hand vol windingen. Een beetje
ESR kan hier geen kwaad want we willen juist dat de versterker een ohmse
weerstand ziet. Lage zelfinductie lijkt interessant, maar daavoor moet je
niet alleen kijken naar C10, maar ook naar de bedrading in de eindtrap. Die
heeft al gauw meer zelfinductie dan de L van zo'n condensator.
C11 en C12 vormen de buffer
condensatoren voor de voedingsspanning. Via de trafo en de gelijkrichter
brug worden ze slechts 100 x per seconde opgeladen. In die tussentijd moeten
ze voldoende lading bewaren om de versterker goed te laten werken.
Het hangt van het versterker vermogen af hoe groot ze moeten zijn. De waarde
hier is die voor een bescheiden eindtrap van zo'n watt of 20.
Ja, de luidspreker (retour) stromen gaan door deze condensatoren. De
tegenkoppellus kijkt echter naar de spanning over de pure luidspreker
aansluiting.
Evt. misdragingen van deze condensatoren worden daardoor zwaar onderdrukt.
De voedingsspanning in dit voorbeeld is plus-en-min ca. 20 Volt. Daarmee kan deze versterker een krappe 20 Watt leveren in 8 Ohm.
Condensatoren in een klankregelcircuit
Hierboven zie je een typische klankregelschakeling. (variant van de Baxandal schakeling, ontleend aan de Quad 33 regelversterker)
Met de potmeters in de middenstand is
de schakeling recht. R2 naar links geeft meer hoog, naar rechts minder hoog. Op
vergelijkbare wijze regelt R4 het laag.
Realiseer je dat het in- en uitgangssignaal in tegenfase zijn.
De condensatoren C1 en C4 zorgen er voor dat er zo goed als geen laag over R25 staat, en C2 en C3 sluiten het hoog kort over R4.
Deze capciteits waarden zijn wat aan de grote kant voor keramische C's. Die zijn er wel, maar dan met een diëlctricum met hoge epsilon. Liever niet, want er is een risico voor intermodulatie vervorming.
Meer voor de hand liggend zijn film
condensatoren, en dan maakt het niet uit welk isolatie materiaal je gebruikt. De
stabiliteit van alle film-condensatoren is ruim voldoende.
Materialen als MKP hebben weliswaar een veel kleinere tangens-delta, maar daar
heb je niets aan, want er zitten altijd nog weerstanden van honderden Ohm in
serie met de condensatoren. Bij 1 Khz hebben deze C's een Xc van ongeveer 5
Kohm. Een "slechte" condensator heeft dan 5 Ohm ESR, en een
"betere" wel 0.5 Ohm. Op die 500 of 5000 Ohm die er al zitten maakt
dat niet uit.
Condensatoren in luidspreker wisselfilters
Hierboven zie je de typische schakeling van een tweede orde 3-weg filter.
C1 moet voor de hogere frequenties een korsluiting van de basluidpreker veroorzaken. Stel dat het laag-kantelpunt op 200 Hz ligt. L1 en C1 zijn dan zo gekozen dat bij die frequentie L1 ongeveer 4 Ohm is en C1ongeveer 8 Ohm vertegenwoordigt (C1 ongeveer 100 uF). Bij 20000 Hz heeft L1 dan 400 Ohm en C1 0.08 Ohm. Bij een relatief "slechte" papier condensator komt daar een honderste of 0.0008 Ohm bij aan ESR.
C4 moet de hoogste frequenties juist goed doorlaten. Stel het kantelpunt op 2000 Hz, dan moet C4 ongeveer 20 uF zijn, zodat 'ie bij 2 KHz een impedantie van 4 Ohm heeft.
Bij 20 Khz is de capacitieve impedantie dan nog steeds 0.4 Ohm, en een tiepje met "slechte" ESR heeft dan ook nog 0.004 Ohm serie weerstand. Wederom minder dan de bedradings weerstand en geen reden om de duurdere polypropylene condensatoren te gebruiken.
N.B. Film condensatoren van deze waarde kunnen best wel een handje euro's kosten. Koop ze bij een elektronica winkel, of bij een specialzaak in luidspreker zelfbouw onderdelen. Laat je geen "hifi" condensatoren o.i.d. aanpraten.
Er is een pagina waar ik wat meetresultaten aan enkele condensatoren een een spoel presenteer. Het is vooral bedoeld om je een idee te geven over de orde-grootte van enkele bekende imperfecties van spoelen en condensatoren. Het gaat meer over de meet-techniek dan dat er conclusies over z.g. "Audio"componenten getrokken worden.
Condensatoren in lichtnet filters
(losse lichtnet filters hebben meestal geen enkel nut in audio installaties, maar dat verhaal vertel ik elders op mijn website)
De condensatoren in een netfilter moeten wettelijk (*) voldoen aan een aantal veiligheids eisen. De belangrijkste zijn:
Als er een incidentele doorslag optreedt mag er geen kortsluiting optreden, ook niet als die doorslag veroorzaakt werd door een stoorpuls op het lichtnet (bliksem inslag bij de buren o.i.d.)
Bij zo'n doorslag mag de condensator niet exploderen en er mogen geen gloeiende deeltjes uit komen die ergens brand zouden kunnen veroorzaken.
De meeste gemetalliseerd-folie condensatoren hebben zulke eigenschappen, maar je moet een type hebben dat ook voor deze toepassing gecertificeerd is.
Er zijn condensatoren in de handel
die aan deze eisen voldoen. Ze zijn gekwalificeerd als X- en/of Y condensator,
en dat moet er ook op staan.
X-condensatoren worden tussen de lichtnet polen onderling aangesloten en
Y-condensatoren worden aangesloten tussen iedere lichtnet pool en de veiligheids
aarde.
(*) De in Europa wettelijk verplichte CE-markering en de daarmee verbonden regelgeving. In de US gelden de UL regels.
Noot: Deze paragraaf is ingegeven door het artikel "Picking the right capacitor" dat ik hier becommentarieer. In dat artikel geeft de schrijver weliswaar ook een meetschakeling, maar daar kom je niet ver mee, tenzij je een heel goede vervormings analyzer hebt.
Als je zelf metingen aan de vervorming van condensatoren wilt doen kan ik je het onderstaande schema aanbevelen:
Het uitgangspunt is dat we twee
condensatoren van het zelfde type en waarde vergelijken bij signaal nivo's die
een factor 10 verschillen.
Gebruik voor het meetsignaal een sinus generator, of een functie generator in de
sinus-stand. Een beetje vervorming van de sinusgolf is bij deze vergelijkings
meting niet van belang.
Uitgang A geeft het signaal over C1 bij ca. 1/10 van het ingangssignaal. Uitgang
B geeft ca. 1/10 van het signaal over C2 bij nagenoeg het volle uitgangssignaal.
In het ideale geval zijn deze signalen identiek en vind je geen residu. Als er
vervorming is zal die van C2 sterker zijn dan die van C1 (de procentele
vervorming neemt altijd toe met het signaalnivo).
De signaalsterkte zowel als de fase van de grondgolf bij A en B kunnen
precies gelijk gemaakt worden door afwisselend R4 en R6 te verstellen.
R4 beinvloedt vooral de
faseverschuiving van het signaal B, en heeft een geringe invloed op de
amplitude. De stand van R6 beinvloedt uitsluitend de amplitude.
Meet met een gevoelige 2-kanalen oscilloscope in de verschilmodus het verschil
tussen A en B.
Vergewis je ervan dat je geen vervorming van de oscilloscope meet, door beide ingangen een keer op hetzelfde signaal aan te sluiten. Bedenk dat de vervorming die je wilt meten (het verschilsignaal) tenminste 100 of 1000 x kleiner is dan het gemeenschappelijke signaal.
Voer de signalen A en B direct toe aan de oscilloscope, gebruik geen 10x verzwakker probes, zodat je de maximale gevoeligheid van je oscilloscope ter beschikking hebt.
Kies een frequentie zodanig dat het
laagdoorlaat filter het signaal ongeveer 2 x verzwakt. Als je daarbij op
onaangename frequenties komt kun je alle weerstanden in de schakeling door 10
delen of met 10 vermenigvuldigen.
Voor de verschil-meting kun je ook een differentiele versterkertrap gebruiken,
of -nog beter- een instrumentatie versterker. Let op de common-mode
onderdukking.
Ook een 1:1 signaaltrafo voor audio is bruikbaar, sluit de primaire aan tussen A en B, en de secondaire tussen gnd en je oscilloscope.
Er zijn tenminste drie verschillende meetprincipes in zwang.
1. De subtractie methode. Het komt er op neer dat je het verschil bepaalt tussen het aangeboden signaal (een redelijk zuiver sinus signaal) en wat de te testen schakeling of apparaat ervan maak Dat verschil is de pure vervorming. Het probleem hierbij is dat die twee signalen meestal van een flink uiteenlopend nivo zijn, en dat er in het te testen circuit faseverschuiving kan optreden waardoor het verschil niet goed te bepalen is. Je moet je er ook terdege van verzekeren dat je geen vervorming van de aftrek-schakeling meet, in het bijzonder als je een twee-kanalen oscilloscope gebruikt in de verschil modus.
2. Spectraal-analyse. Hierbij geef je de te testen unit en zeer zuiver sinus signaal en wordt het uitgangssignaal van de unit op harmonischen geanalyseerd d.m.v. spectraal-analyse. Dit kan met analoge filterbanken gebeuren of -digitaal- met fourier analyse.
In beide gevallen moet je heel erg zeker zijn van de zuiverheid van het aangeboden signaal. Ik verzeker je, het opwekken van een sinus signaal met een gegarandeerde zuiverheid van beter dan een tiende promille is bepaald geen eenvoudige zaak.
Je moet altijd controle metingen doen om zeker te zijn dat je geen vervorming van de generator of van de meetversterker meet.
3. De Mixed Signal methode. Hierbij meet je de intermodulatie vervorming. (Intermodulatie- en harmonische vervorming gaan altijd hand in hand)
Aan de te meten schakeling of apparaat wordt een mix van twee frequenties toegevoerd, zodanig dat die twee generatoren elkaar niet kunnen beinvloeden.
Het uitgangssignaal van de te testen schakeling wordt geanalyseerd met een spectrum analyser die ook weer opgebouwd kan zijn met analoge filterbanken of -digitaal- werkt met fourier analyse. Je zoekt naar som-en verschil frequenties.
Het voordeel van de Mixed-Signal methode is dat het resultaat (som- of verschil frequenties) niet gemakkelijk verward kan worden met harmonische vervorming van de gebruikte toongeneratoren. Ook generatoren die een substantiele harmonische vervorming produceren zijn bruiikbaar.
Je moet wel frequenties kiezen zo dat de hogere geen heel veelvoud van de lagere frequentie is, en ook hier moet je controle metingen doen om er zeker van te zijn dat je geen vervorming van de meetapparatuur meet.
In het september 2002 nummer van het tijdschrift Elektuur wordt een zelf te bouwen ESR tester beschreven, waarmee je (elektrolytische) condensatoren vanaf ca 0.1 uF kunt meten.
Het streepje op foliecondensatoren.
Op sommige folie condensatoren staat een streep aan 1 kant. Hieronder zie je een voorbeeld. (Het is een wat ouder model, ik kon in mijn voorraad niet zo gauw een modern tiepje met streep vinden.)
Elektrolytische condensatoren hebben een bepaalde polariteit. Als je ze fout aansluit kunnen ze zelfs exploderen. Folie condensatoren hebben geen polariteit. Waarom dan toch die streep?
Een folie condensator is een opgewikkelde rol van afwisselend geleidend materiaal (meestal metaalfolie) en isolatie materiaal. Beter gezegd 4 lagen: geleider-1, isolator, geleider-2, isolator. Als je dit oprolt kun je gemakkelijk eindigen met 1 van de geleidende lagen aan de uiterste buitenkant, eventueel nog met een isolatie laag er om heen. De condensator wordt ook altijd nog in een wat ruimere "verpakking" gezet, een voorgevormd doosje met gietmassa of er wordt een plastic omhulling of alleen maar lak omheen gespoten.
Die streep geeft aan met welke aansluitdraad de buitenste geleidende metaallaag is verbonden.
Overigens, niet alleen folie condensatoren hebben zo'n binnen- en buitenkant, ook de wat ouderwetse keramische buiscondensatoren hebben dat (je ziet aan de constructie bijna onmiddelijk wat de binnen- en de buitenkant is, dus er hoeft geen streep op) en ook bij de z.g. doorvoer condensatoren zie je direct wat er aan de hand is.
Waarom is dat belangrijk?
Nou, die buitenste laag van de condensator kan een afscherming vormen voor e.v.t. storing die capacitief ingekoppeld zou kunnen worden. In dat geval moet de streep-kant van de condensator verbonden zijn met dat deel van het circuit dat de stoorstroom het beste op een onschadelijke manier kan afvoeren. Bij ontkoppelcondensatoren is dat duidelijk: die streep moet aan de massa- of Gnd kant.
Maar bij koppelcondensatoren ligt het wat anders. Ik illustreer dit a.d.h.v. een artikel in Elektuur van feb. 2004 waarin een hoofdtelefoonversterker met buizen beschreven wordt, en in het maart nummer waarin de zelfde schrijver (H. Friedli) nog eens uitgebreid op die streep en die afscherming ingaat, maar helaas zonder enige getalsmatige aanpak.
Ik zal dat laatste goed maken, want dan zie je hoe onbenullig klein het verschil is, en dat als er wel een echt probleem is, je steevast nog meer moet doen dan de condensator op de juiste manier aansluiten. (hoe me ten goede, dat laatste kan natuurlijk nooit kwaad)
Ik neem het vereenvoudigde schema van de hoofdtelefoon versterker. Het gaat om een gain trap gevolgd door een kathodevolger naar de pakweg 300 Ohm hoofdtelefoon. Elke trap is met een 1/2 ECC82 uitgevoerd)
Het gaat om de koppel condensatoren C1 en C2.
Ik concentreer me eerst op C2. De redenering van Friedli luidt ongeveer "Het zeer hoogohmige rooster circuit van B2 moet met de binnen folie verbonden zijn, en de afschermende buitenste folie met de anode van B1". Nou, op zich klopt dat wel, maar hoe erg is het als je het fout doet? Hier dus wat rekenwerk dat dhr. Friedli nagelaten heeft.
Het moet onmiddelijk duidelijk zijn dat het voor hoge frequenties niet uitmaakt of een stoorsignaal bij A of bij B binnen komt. De impedantie van C2 is dan erg laag en het stoorsignaal zal even sterk aan beide zijden van de condensator verschijnen. Bij lage frequenties ligt het iets anders, want dan is de impedantie van de condensator niet meer zeer laag t.o.v. de andere impedanties in het circuit.
Ik ga uit van een 50
Hz sinus vormig stoorsignaal. Dat is ook 1 van de meest waarschijnlijke
stoorsignalen, want in de versterkerkast loopt ergens een netsnoer met 230 Volt.
Als dat te dicht bij deze schakeling komt zul je dat beslist merken.
Bij 50 Hz vormt C2 een schijnbare weerstand van Cx = 1 / (omega * C) = 1 /
(2 * pi * 50 * 1E-6) = 3.2 kOhm, als we geen rekening houden met de
faseverschuiving.
Stoorsignalen die capacitief overgedragen worden kunnen bijna altijd gemodelleerd worden als een stoor-stroom-bron. (de koppel capaciteit is meestal erg klein)
Een stoorstoom die op A binnen komt "ziet" een impedantie van R3 paralell aan de anode impedantie van B1, die is ca. 6 kOhm, bij elkaar is dat 3.75 kOhm (noot 1) De stoorstroom I(s) ontwikkelt dus een stoorspanning van I(s) * 3.75 kOhm.
Als de stoorstroom aan de B-kant binnen komt ziet 'ie een impedantie van 3.75 kOhm (noot 1) + die van de condensator. Je moet hier beslist rekening houden met de fase en dan blijkt die impedantie bijna 5 kOhm te zijn. (noot 1, noot 2). De stroom ontwikkelt een stoorspanning van I(s) * 5 kOhm.
Het verschil in effect
van de zelfde stoorstroom is dus 30% oftewel 2.3 dB. Voorwaar dramatisch
.........
In alle gevallen geldt dat het verschil tussen storing die via A dan wel B
binnenkomt afneemt met toenemende frequentie. Bij 50 Hz is het verschil al
gering (Als je echt last hebt van een brom-storing dan is een verbetering van 3
dB nauwelijks merkbaar) bij wat hogere frequenties verdwijnt het geheel.
Voor C1 is de som wat lastiger te maken omdat we op voorhand niets weten over de bronimpedantie van het toegevoerde input signaal. In de praktijk zijn hedendaagse signaal bronnen echter zeer laagohmig. Als je dan de sommen gaat maken zal de streep-kant wat belangrijker worden. Bij 0 Ohm signaal bronimpedantie hebben we met de volle 3.2 kOhm XC van C1 te maken.
Het belangrijkste
is natuurlijk dat een evt. stoorsignaal nooit alleen op C1 of C2
binnen komt. Als er bij je schakeling een stoorveld is dat zo sterk is dat je er
last van hebt dan zal dat op zo goed als alle componenten, en de
al-of-niet gedrukte bedrading inwerken, ongeacht streepjes op koppel
condensatoren. Je moet dan de stoorbron ver weg verplaatsen of een afscherming
aanbrengen, bijv. door het hele versterker deel in een metalen omhulling te
plaatsen die gescheiden is van het voedingsdeel met de 230 Volt. Die omhulling
moet dan verbonden zijn met de nul, return, gnd, massa, of hoe je het ook wilt
noemen, van de versterker. Het hoeft niet ook geaard
te worden.
Noot 1. Voor zulke impedantie berekeningen moet je de voedingsspanning kortgesloten zien met Gnd.
Noot 2. De fase verschuiving is hier 90 graden, en dan tellen de R en de C op als: Wortel uit (R ^ 2 + XC ^ 2). R = 10 KOhm en Xc = 3.2 kOhm geeft dan ca. 10.5 kOhm.
Koppel- zowel als ontkoppel
condensatoren in audio circuits dimensioneren we zo dat de impedantie van de
condensator laag is t.o.v. de belastings impedantie, bij de laagste frequentie
die we willen doorgeven. In dit ontwerp zijn C1 en C2 goed voor een -3dB
kantelpunt van 0.15 Hz. Dat is rijkelijk laag. Als je die condensatoren 10
x kleiner neemt kom je op 1.5 Hz, hetgeen ook nog rijkelijk laag is. Het
verschil tussen A en B is dan een factor 8 (bijna 18 dB), en dan lijkt dhr.
Friedli wat meer gelijk te hebben.
Deze situatie hangt samen met de omstandigheid dat er in deze schakeling een
zeer groot verschil is tussen de bron-impedantie en de belastings impedantie (3
kOhm vs. 1 MOhm) In transistor schakelingen is dat vaak veel minder, en dan pakt
het steeds zo uit dat het belang van die streep erg klein blijft.
Opm: Als je goed naar een (versterker) circuit kijkt zie je dat ontkoppel
condensatoren vaak op dezelfde manier "in het signaal pad" zitten als
koppelcondensatoren. Meestal kiezen we de waarde van ontkoppel condensatoren
echter vele malen groter dan wat er echt nodig is voor de ontkoppel functie.
Vooral bij buizen schakelingen zie je dat. De dimensionering is daar meestal
ingegeven door de mate waarin brom uit het (niet gestabiliseerde) voedingsdeel
moet worden onderdrukt.
Dhr. Friedli geeft in
het maart nummer van Elektuur wel een goede methode om uit te vinden waar die
streep had moeten staan op condensatoren waar de fabrikant 'm heeft weggelaten.
Het komt neer op het volgende: Zet op de condensator een sinus-spanning van
minstens een paar volt bij een frequentie van een kHz of zo (bij kleinere
condensatoren moet je mogelijk een hogere frequentie kiezen, en misschien werkt
het nog wel beter met een blokgolf). Plak een stukje aluminium folie
(zilverpapier) op het lichaam van de condensator. Meet met een oscilloscoop de
spanning tussen de massa van de signaalgenerator en het stukje aluminium folie.
Sluit de condensator dan omgekeerd aan en meet opnieuw. De streep moet staan bij
de aansluitdraad die met massa verbonden is in de situatie waar je het kleinste
signaal meet.
Let op! Bij deze meting kun je gemakkelijk meet fouten maken, vooral door
capacitieve koppeling van de meet probe met de rest van het circuit, buiten de
condensator om.
Een tweede Let Op ! is dat nogal wat moderne folie condensatoren niet gewikkeld zijn, maar gezaagd worden uit lange stroken van om-en-om gestapelde gemetaliseerde folies. Het is daarbij best wel mogelijk dat de ene zijkant-folie met de ene aansluitdraad verbonden is en de andere zijkant-folie met de andere draad. In dat geval is er geen voorkeursrichting en heeft de fabrikant de streep terecht weggelaten. Met de hierboven beschreven methode kun je wel uitvinden welke zijkant met welke aansluitdraad verbonden is.
Hieronder een voorbeeld van een condensator waar dat het geval zou kunnen zijn.
In welke situaties is die streep echt wel belangrijk.
Ik heb mijn hersens
gepijnigd om een sprekend voorbeeld te vinden (dus waar de goede werking van een
circuit valt of staat met waar die streep zit) maar ik heb het nog niet kunnen
vinden. Ik verwacht wel dat het iets tamelijk hoogfrequents zal zijn. Suggesties
zijn welkom
Ik volsta met een wat algemenere aanpak: Wanneer maakt de plaats van die streep uit:
Er
moet een elektrisch stoorveld zijn van een bron zeer dicht bij die
condensator. (Als de stoorbron verder weg zit zal 'ie ook op allerlei andere
componenten en geleiders inwerken, en dan helpt de afschermende werking van
die enkele condensator maar een beetje. Je moet dan veel meer doen dan die
condensator op de juiste wijze monteren)
De
impedantie van de condensator moet bij de frequenties van het stoorsignaal
beduidend hoger zijn dan voor de werkfrequenties waarvoor de condensator in
dat circuit gedimensioneerd is. (Als de impedantie van de condensator bij de
stoorfrequentie erg klein is maakt de plaats van de streep niet uit).
Dat betekent dat de stoorfrequentie laag moet zijn t.o.v. de frequenties
waarbij het circuit moet werken.
De boodschap van dit verhaal:
Bezie evt. nadelige of voordelige aspecten van ontwerpen in samenhang en vooral in proporties. Maak berekeningen over hoe erg het wel is, of zou kunnen zijn.
Neem niet klakkeloos allerlei beweringen over. Maak berekeningen over hoe erg afwijkingen (maximaal) kunnen zijn. Meestal zijn dat heel eenvoudige sommen, want ze hoeven niet erg nauwkeurig te zijn. Pas als blijkt dat je "in het gevaren gebied zit" moet je nauwkeuriger gaan rekenen.
Ga na of er efficientere manieren zijn om een mogelijk probleem op te lossen of te elimineren. In dit specifieke geval: Die condensator op de juiste manier monteren kost weinig, maar als er echt een probleem is dan moet er meer gebeuren. Zorg dat er geen stoorvelden in de buurt zijn, dus hou het netsnoer en het voedingsdeel uit de buurt van de versterker en/of zorg voor voldoende afscherming tussen die delen. Als je dat goed gedaan hebt blijkt die streep niet meer interessant te zijn.
Als iemand erg veel ophef maakt over een bepaald probleem, maar geen enkele getalsmatige benadering geeft is het vrij waarschijnlijk dat 'ie de ernst van het probleem overdrijft