Материализация чувственной идеи: визуализируем искажения звукового сигнала при прохождении через керамические конденсаторы

Довольно общеизвестен факт, что в аудиотехнике среднего и высокого класса в цепях прохождения звукового сигнала не используются керамические конденсаторы.

Более того, приличные производители устанавливают на платы усилителей с миниатюрными элементами непропорционально-огромные плёночные конденсаторы в сигнальных цепях, кажущиеся на этих платах чем-то чужеродным, как на следующей фотографии:

В этом материале далее разберёмся, откуда возникают искажения при прохождении сигналов через керамические конденсаторы, и можно ли их увидеть на экране осциллографа.

Зависимость ёмкости керамических конденсаторов от напряжения

Керамические конденсаторы бывают разными, в том числе и очень стабильными. Но последнее относится только к конденсаторам относительно небольшой ёмкости, в которых используется диэлектрик, для которого не столь важна диэлектрическая проницаемость, сколь важна стабильность при изменении любых рабочих параметров: температуры, напряжения, частоты сигнала и т. п.

В противоположность этому, в керамических конденсаторах большой ёмкости самое важное — это их ёмкость, и они изготовляются на основе диэлектрика с приоритетом максимальной диэлектрической проницаемости, не обращая внимания на всё остальное. Обычно для них применяются диэлектрики X5R, X7R, Y5V. Последний из перечисленных имеет максимальную диэлектрическую проницаемость, но наихудшие остальные параметры в отношении стабильности.

Для этих диэлектриков при повышении напряжения характерна особенность, аналогичная ферромагнетикам при чрезмерном повышении силы магнитного поля. Подобно тому, как ферромагнетики при росте магнитного поля превращаются по свойствам почти в «деревяшку», так и перечисленные выше диэлектрики перестают реагировать на изменение электрического поля.

То есть, при повышении напряжения на конденсаторе его ёмкость снижается!

Для примера был взят керамический конденсатор 10 мкФ 50 В выводной конструкции. Продавцом был заявлен диэлектрик X7R (что, конечно, может быть, и не факт; но исследовать проблему это нам не помешает).

Чтобы подаваемая на керамический конденсатор постоянная составляющая не вывела из строя мультиметр, измерение ёмкости проводилось с подключением последовательного «доверенного» плёночного конденсатора ёмкостью тоже 10 мкФ типа К73-16 с последующим пересчетом результатов к ёмкости керамического конденсатора. Постоянное напряжение подавалось через резистор 200 кОм; параллельно щупам мультиметра тоже был подключен резистор 200 кОм для разряда конденсатора и защиты мультиметра.

Результаты измерений по нескольким значениям напряжения на керамическом конденсаторе — в следующей таблице:

Итак, ёмкость конденсатора при повышении постоянного напряжения с 0 до 30 В снизилась даже свыше 10-ти раз!

А уже из этого проистекает факт, что такой конденсатор является нелинейным элементом. То есть, при прохождении через него переменного тока его ёмкость будет меняться прямо в процессе прохождения тока; и, как следствие, будет искажаться форма сигнала.

Можно ли увидеть это искажение на экране осциллографа?! Можно, если правильно подобрать параметры сигнала.

Наблюдаем на экране осциллографа нелинейные искажения при прохождении сигнала через керамический конденсатор

Схема измерения для наблюдения предполагаемого эффекта — не простая, а очень простая. Сигнал от DDS-генератора просто подавался через керамический конденсатор на вход осциллографа. В результате конденсатор и входное сопротивление осциллографа (1 МОм) образовали RC-цепочку аналогично входным цепям НЧ-усилителей.

Нужно было только подобрать правильную частоту и амплитуду сигнала, при которых нелинейный эффект становится виден на экране осциллографа «невооруженным глазом».

Амплитуда напряжения была установлена на 4 В; а частота, с учётом большой постоянной времени получившейся цепи, — очень низкая: 0.007 Гц (семь тысячных Герца).

И вот — первая картинка:

На изображении голубая линия — это входной сигнал «как есть», а желтая линия — после прохождения керамического конденсатора (обратить внимание на разные масштабы по вертикали).

На картинке видно яснее ясного, что сигнал после прохождения керамического конденсатора исказился — стал «горбатым».

На картинке также присутствует вполне законный сдвиг фаз между сигналами, что вполне соответствует теории электрических цепей.

Затем я попробовал так подобрать параметры сигнала, чтобы амплитуды входного и выходного сигналов визуально совпали. Для этого оказалось достаточным поднять частоту до 0.009 Гц:

Горб на желтой линии стал менее заметным, но не пропал.

Теперь — немного графической работы: передвигаем в популярном в народе графическом редакторе голубую линию так, чтобы её вершины совпадали с вершинами желтой линии:

Если бы оба сигнала были синусоидальными, они бы просто совпали. Но желтая линия оказалась не совсем синусоидальной.

Разница между этими двумя линиями как раз и образует нелинейные искажения, создаваемые керамическим конденсатором.

Конечно, тут можно возразить, что тест проводился в искусственных условиях на частоте, которой не бывает в реальных аудио-сигналах.

Но на самом деле есть факторы, ухудшающие ситуацию в реальных условиях.

Во-первых, когда искажения уже становятся видны на экране осциллографа хотя бы едва-едва, то по жизни такие искажения уже «режут» слух не хуже звуков добротной бензопилы (фигурально выражаясь). Так что даже незаметные на осциллограммах искажения могут быть очень заметными на слух даже без музыкального «абсолютного слуха».

Во-вторых, наибольшие колебания напряжения на конденсаторах с наиболее выраженной нелинейностью последних возникают на низких частотах. А вот здесь уже начинает работать ещё один эффект, связанный с особенностями нашего слуха: на низких частотах чувствительность слуха растёт вместе с ростом частоты сигнала. То есть, гармоники сигнала, возникающие из-за нелинейности керамических конденсаторов, оказываются в зоне более высокой чувствительности слуха, чем основной сигнал!

По поводу последнего факта — немного пояснений.

Симметричные искажения (как на приведённых выше осциллограммах) вызывают появление нечётных гармоник — 3-ей, 5-ой, 7-ой и так далее. Поэтому, если на вход подан сигнал, например, с частотой 20 Гц (граница восприятия слуха), то на выходе будут гармоники с частотами 60, 100, 140 и так далее Герц, которые воспринимаются слухом уже очень хорошо.

В третьих, обычно в звуковых сигналах как раз наибольшую энергетическую долю составляют низкочастотные сигналы, особенно — для рок-музыки и эстрады (для симфонической музыки — чуть меньше). То есть, и спектр сигнала как раз оказывается в той области, которая создаёт максимальные искажения при прохождении через керамические конденсаторы.

Итоги и выводы

Итак, в данном материале был экспериментально подтверждён известный теоретический постулат, что керамические конденсаторы нельзя устанавливать в сигнальных цепях аудио-устройств: усилителях, фильтрах, эквалайзерах и тому подобном.

Из этого, конечно, ещё не следует, что их там не устанавливают. Устанавливают, да ещё как!

Но, естественно, так делается в аппаратуре, предназначенной не для наслаждения музыкой, а для музыкального сопровождения алкогольных и тому подобных мероприятий, где важно просто, чтобы что-нибудь орало. :)

Речь идёт о примитивных бумбоксах, дешевых Bluetooth-колонках и тому подобном.

Где же можно применять керамические конденсаторы на основе диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью?

Областей их применения мало, но они есть. В первую очередь они полезны в качестве помехоподавляющих в цепях питания, в сглаживающих фильтрах высокочастотных выпрямителей, в DC-DC преобразователях и тому подобных устройствах.

При этом необходимо учитывать падение их ёмкости под напряжением. В связи с этим наилучший вариант применения — с параллельно подключенными электролитическими конденсаторами, которые имеют лучшую стабильность параметров и успешно подавляют нижнюю часть спектра помех.

Если кого-то заинтересовали упомянутые в материале керамические конденсаторы ёмкостью 10 мкФ, то купить их можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца.

При создании материала использовался осциллограф Fnirsi-1013D (обзор).

Всем спасибо за внимание!