Любая аудиосистема без источника питания — ничто, поэтому начинается она в автомобиле с аккумулятора. Однако возможности аккумулятора не безграничны, поэтому, начиная с некоторого момента, увеличение громкости приводит не только к миганию фар в такт музыке, но и к заметному искажению звучания. Применение силовой проводки большого сечения или специальных аккумуляторов только оттягивает этот момент, но полностью не исключает. Вот тут (или даже раньше) понадобится конденсатор.
КОНДЁРЫ
Происхождение этого термина окутано тайной. Лингвисты эту загадку пока игнорируют. С легкой руки радиолюбителей этот «узкоспециальный» термин распространился и среди поклонников car audio.
Любой источник напряжения (в том числе, и аккумулятор, и генератор) обладает определенным внутренним сопротивлением, в результате чего напряжение на его выходе зависит от нагрузки. Чем больше внутреннее сопротивление, тем сильнее снижается выходное напряжение с увеличением тока нагрузки. Обладают сопротивлением и провода питания, и кузов.
Схема питания аудиосистемы приведена на рисунке. Для простоты «чисто автомобильные» цепи не показаны, а сопротивление кузова приведено к сопротивлению линий связи. Внутреннее сопротивление компонентов обозначено как ri, сопротивление линий связи — как rs.
Внутреннее сопротивление генератора достаточно велико, но его выходное напряжение поддерживается реле-регулятором. К сожалению, «таблетка» контролирует напряжение на клеммах встроенного выпрямителя (в точке A), а не на клеммах аккумулятора (точка B), и это еще один повод содержать генератор и проводку от него до аккумулятора в порядке.
Выходное сопротивление исправного заряженного аккумулятора мало (тысячные доли ома). На этом, кстати, основан контроль аккумуляторов нагрузочной вилкой — просто и наглядно. Ток в сотни ампер аккумуляторы разных типов переносят по-разному, но при нагрузке до нескольких десятков ампер снижение напряжения малозаметно.
Однако низкое внутреннее сопротивление свойственно аккумуляторам только при постоянной или медленно изменяющейся нагрузке. Ток, потребляемый мощными усилителями класса AB, быстро изменяется в достаточно широком диапазоне, и аккумулятор просто не успевает отдать нужный ток. Время реакции зависит от скорости ионных процессов (то есть от типа и состояния аккумулятора), и составляет у штатных батарей до нескольких десятых долей секунды. У специальных «аудиофильских» аккумуляторов этот показатель заметно меньше.
Однако даже сотые доли секунды — это много. За это время усилитель, оставшись «на голодном пайке», ограничивает сигнал. Вот в этот момент и нужна помощь конденсатора. Хотя накопленная им энергия не идет ни в какое сравнение с запасенной в аккумуляторе, именно эти сотые доли секунды определяют правильность воспроизведения импульсных сигналов, из которых и состоит музыка.
Кроме того, не надо забывать и о сопротивлении проводов. Чтобы полностью использовать все преимущества, которые дает конденсатор, он должен быть установлен как можно ближе к основному потребителю энергии (то есть усилителю). Если усилителей несколько, лучше для каждого из них использовать отдельный конденсатор. Необходимая емкость конденсаторов определена эмпирическим путем и составляет примерно 0,5—1,0 Ф на каждый киловатт выходной мощности усилителя.
Подобно аккумуляторной батарее, конденсатор накапливает энергию. Но в то время как аккумулятор накапливает и отдает энергию в результате электрохимических реакций, конденсатор накапливает энергию в виде электростатического заряда. Именно различие в принципе действия делает конденсатор полезным компонентом аудиосистемы.
Простейший конденсатор состоит из двух пластин (обкладок), разделенных изолятором. Когда конденсатор присоединен к источнику напряжения, одна обкладка теряет электроны и приобретает положительный заряд, вторая получает электроны и приобретает отрицательный заряд. В итоге конденсатор накапливает электростатический заряд. Когда конденсатор разряжают, происходит обратный процесс. В обоих случаях ток течет во внешней цепи, поскольку обкладки разделены изолятором.
Накопленная конденсатором энергия измеряется в джоулях и описывается следующей формулой:
V — напряжение в вольтах, C — емкость в фарадах.
Таким образом, заряд пропорционален квадрату напряжения и емкости конденсатора. Емкость конденсатора определяет количество запасенной энергии, с другой стороны энергия определяется произведением мощности на время работы. Здесь можно провести параллель с емкостью аккумулятора в ампер-часах.
Емкость конденсатора прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Вследствие этого конденсаторы большой емкости должны иметь обкладки значительной площади, разделенные очень тонким промежутком.
Электролитические конденсаторы
Электролитические (оксидные) конденсаторы стали первыми конденсаторами большой емкости. Их конструкция за последние семьдесят лет не претерпела значительных изменений. Обкладки выполнены из тонкой алюминиевой фольги, покрытой оксидным слоем, и разделены слоем электролита. Для увеличения рабочей поверхности фольга скатана в рулон, поэтому большинство конденсаторов имеет цилиндрическую форму и относительно небольшой объем.
Электрохимические конденсаторы
В последние годы в развитии конденсаторов произошел гигантский скачок. Появились двухслойные электрохимические конденсаторы (Electrochemical Double Layer Capacitors, сокращенно EDLC). В печати также используют термины суперконденсатор (supercap) или ультраконденсатор (ultracap). В отечественной практике используется термин ионистор, отражающий другую особенность этих приборов — участие ионов в формировании заряда.
Новые конденсаторы используют принцип, открытый еще в 50-е годы прошлого века. Для увеличения площади обкладок используются пористые угольные электроды, разделенные сепаратором (рис.1). Суммарная площадь пор может достигать площади футбольного поля. Поэтому запасаемая энергия в среднем в 300 раз больше, чем у электролитических конденсаторов тех же габаритов.
Напряжение пробоя ионисторов не превосходит нескольких вольт, поэтому для получения нужных рабочих напряжений используется последовательное соединение отдельных конденсаторов. Обычно в цепочке 6-8 элементов. Чтобы уравнять напряжения на отдельных элементах этой батареи, каждый из них шунтируется резистором. Такая батарея создает некоторую нагрузку на аккумулятор и может привести к его разряду при длительных перерывах в работе. Поэтому во многих конденсаторах предусмотрена схема управления включением.
Потери в конденсаторах
Теоретически в конденсаторе два источника потерь: эквивалентное последовательное сопротивление (Equivalent Sereis Resistance, ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (Equivalent Sereis Inductance, ESL). Обычно вместо двух отдельных параметров используют обобщенный — эквивалентное реактивное сопротивление потерь (Equivalent Sereis Reactance, ESR). Именно этот фактор является ограничивающим в тех случаях, когда от конденсатора требуется получить продолжительный разряд.
Идеальный конденсатор не имеет сопротивления, поэтому при коротком замыкании заряженного конденсатора ток достигнет бесконечного значения в течение ничтожно малого промежутка времени. В реальном конденсаторе ток короткого замыкания ограничивается эквивалентным сопротивлением потерь в полном соответствии с законом Ома:
Например, конденсатор, имеющий сопротивление потерь 0,01 Ом, заряженный до напряжения 14 вольт, в состоянии отдать ток до 1400 А. В действительности мы не устраиваем короткое замыкание, поэтому отдаваемый ток зависит от разности двух напряжений — напряжения бортовой сети без нагрузки и этого же напряжения под нагрузкой. Тот же конденсатор при разряде до напряжения 11 вольт отдаст ток (14‑11)/0,01=300 А. Значение имеют также и другие параметры, прежде всего время переходного процесса (нарастания тока нагрузки).
Рулон фольги в традиционных электролитических конденсаторах обладает заметной индуктивностью. Ее можно снизить при смешанном соединении электродов или использовать бифилярную намотку (в чередующихся направлениях). Ионисторы и без этих ухищрений имеют относительно низкое эквивалентное реактивное сопротивление потерь.
Приводимые далее результаты исследований помогут разобраться, в каких случаях конденсатор окажет реальную помощь, а каких его применение не даст ощутимого эффекта. Материал позаимствован из журнала Car Audio & Electronics за ноябрь 2002 г. (Robert Zeff, «Stiffing Capasitors«). В роли подопытных кроликов выступили конденсаторы, выпускаемые ведущими производителями аудиотехники: Alumapro, Phoenix Gold, Xstatic.
От переводчика:
Сокращённый перевод не является буквальным изложением статьи, оставлены только технические подробности, без излишней патетики. Попытка полностью сохранить стиль оригинала заставила бы предположить, что читатели обучались в школе для детей, мягко скажем, не совсем обычных, где обучение заканчивается на началах арифметики, а названия физических величин вызывают буйный восторг. Ерничать по этому поводу уже поздно — наше образование за прошедшие двадцать лет успешно приблизилось к американскому…
Характеристики при постоянной нагрузке
В тесте, имитирующем соревнования по SPL, измерялась мощность и искажения сигнала. Хотя мощность была далека от той, которая используется на реальных соревнованиях, результаты будут аналогичными. Использовался синусоидальный сигнал частотой 50 Гц, усилитель доводился до заметного клиппирования. Измерения проводились с буферным конденсатором емкостью 50 фарад и без него.
В результате оказалось, что напряжение питания в обоих случаях снижается на 1,4 В. Запасенная конденсатором энергия некоторое время поддерживает напряжение батареи, но этого времени явно недостаточно, чтобы существенно повлиять на выходную мощность. Добавление конденсатора увеличивает мощность всего на три ватта, меньше, чем на один процент.
Измерялся также уровень пульсаций напряжения питания и выходная мощность при гармонических искажениях 20%. Прибавка мощности с конденсатором составила всего несколько ватт.
Результат станет понятным, если обратиться к формуле, описывающей время заряда или разряда конденсатора:
Например, при разряде током 50 А напряжение на конденсаторе емкостью 50 Ф снижается со скоростью 1 вольт в секунду. Если ток разряда возрастет до 500 А, напряжение на конденсаторе снизится на 1 вольт уже за 1/10секунды. Таким образом, заметно улучшить характеристики аккумулятора при разрядке большим током могут только гиперконденсаторы емкостью в сотни фарад.
С другой стороны, в усилителе уже есть несколько накопителей энергии — входные и выходные фильтры питания, в составе которых есть дроссели и конденсаторы. В случае использования усилителя со стабилизированным источником питания эффект от внешних фильтров будет еще меньше. Поскольку запасенная энергия пропорциональна квадрату напряжения, внутренние буферные конденсаторы в цепях вторичного (повышенного) напряжения гораздо эффективнее. В чем же тогда польза буферных конденсаторов в цепи первичного напряжения?
Характеристики при импульсной нагрузке
В этом тесте усилитель воспроизводил импульсный сигнал, длительность пачки импульсов составляла 300 миллисекунд. Видно, что просадка напряжения с конденсатором вдвое меньше.
Поскольку аккумулятор запасает намного больше энергии, чем конденсатор, его последовательное сопротивление потерь также намного выше. Как и в случае конденсатора, оно ограничивает максимальный ток батареи. Конденсатор берет на себя часть нагрузки, продлевая тем самым жизнь батарее.
Стабилизация напряжения бортовой сети
Приведенные выше результаты получены при работе от аккумулятора, без участия генератора и системы зарядки, то есть при напряжении около 12 вольт. Что же произойдет, если идет зарядка батареи: генератор работает и напряжение в системе более 14 вольт?
Внутреннее сопротивление батареи во время зарядки сильно возрастает. Ее номинальное напряжение составляет 12 вольт, именно при нем она обеспечивает номинальный ток нагрузки. У свежезаряженной батареи напряжение несколько выше, но быстро снижается до 12 вольт под нагрузкой. Кроме того, батарея не может отдать большой ток, пока напряжение не снизится до 12 вольт.
В те моменты, когда усилитель потребляет большой ток, напряжение бортовой сети моментально снижается до 12 вольт. Это вызвано тем, что встроенный в генератор регулятор напряжения не успевает отслеживать быстрые изменения тока нагрузки. Легко заметить, что зарядный ток в эти моменты отсутствует, более того — энергию для потребителей поставляет в основном аккумулятор.
В остальные периоды времени внутреннее сопротивление бортовой сети складывается из выходного сопротивления генератора и сопротивления проводки. Подключение конденсатора заметно снижает колебания напряжения.
Таким образом, суперконденсатор выступает в роли стабилизатора напряжения. Кроме того, он снижает уровень помех. Особенно это актуально в тех случаях, когда усилитель установлен в багажнике. Протекающие по длинным проводам питания импульсы тока могут вызвать наводки в несимметричных RCA-кабелях, что приведет к росту гармонических искажений на низких частотах. В некоторых случаях искажения возрастают до 0,5%. Если установить конденсатор непосредственно возле усилителя, это уменьшит импульсный ток, протекающий в цепях его питания, и снизит искажения.
ВЫВОДЫ
Буферные конденсаторы вряд ли окажут существенную помощь участникам — SPL-состязаний, хотя и стабилизируют напряжение питания головных устройств и сигнальных процессоров. Однако они расширяют возможности батареи и обеспечивают неискаженную передачу импульсных сигналов, снижают коэффициент гармоник на низких частотах и будут весьма полезны поклонникам чистого звучания.