Condensatoren en HiFi

 

Inleiding

Wat is een condensator

Impedantie van condensatoren

Faseverschuiving

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

ESR - Tester

Het streepje op folie condensatoren

 

Top


Inleiding

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.

Top


Wat is een condensator

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 diŽlektrische 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 vacuŁm), 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. 

Top


Impedantie van condensatoren

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

 

Top


Faseverschuiving

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 vůůr de spanning uit, we noemen dat vůůrijlen. (Bij zelfinducties gebeurt iets soortgelijks, maar dan is het nŠ-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 wťl in fase zijn het product altijd positief is, want min maal min is plus.

Top


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: 

Dan zijn er nog wat eigenschappen die ik niet in het vervangings schema kan tekenen:

Top


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.

Top


Waar op te letten bij het toepassen

Ik geef hieronder een resumť van de imperfecties van condensatoren en wanneer je er wel of niet rekening mee moet houden.

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)

Top


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.

 

Top


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 diŽlctricum 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.

Top


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.


Top


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:

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.

Top



Meetschakeling

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.

Top


Hoe wordt THD gemeten.

 

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.

Top


ESR tester

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.

Top


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: 

De boodschap van dit verhaal:


Top
Home