СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ

Опубликовано в журнале "Мастер 12вольт" № 50(июль 2003)

От переводчика:
Перевод не является буквальным изложением статьи, особенно это касается вводной части. 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 не будем - неизвестно, что будет с нашим образованием лет через двадцать… Материал вводной части переработан и дополнен, в практической части - наоборот, оставлены только технические подробности, без излишней патетики.

СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ

Если фары моргают, диски сбоят, динамики хрипят - система электропитания никуда не годится. Похоже, что генератор вашей машины под нагрузкой не всегда обеспечивает напряжение 14 вольт, аккумулятор же не может дать больше 12 вольт. Напряжение питания изменяется на пару вольт, если не больше, отравляя впечатление от прослушивания. Вам необходима помощь, и одно из решений - конденсатор. В предлагаемом материале рассказывается о важности конденсаторов, принципах работы, о том, как и когда их использовать.

Конденсаторы большой емкости стали обычным явлением в современном car audio, особенно в инсталляциях класса Hi-End. Их используют в качестве буфера между аккумулятором и усилителем или другим электронным оборудованием. Если фары подмигивают в такт басу, то аудиокомпоненты тоже получают нестабильное напряжение питания. При недостаточно удачной конструкции встроенных стабилизаторов напряжения это может привести к искажениям сигнала. Однако роль конденсаторов часто недооценивают, когда и как их использовать - понятно не всегда. Итак, главный вопрос: действительно ли конденсаторы оказывают воздействие на работу аудиосистемы? Результаты интересны и поучительны.

УСТРОЙСТВО КОНДЕНСАТОРА

     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. Как мы увидим далее, 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:

где
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 (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.

ДВУХСЛОЙНЫЕ 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 традиционных конденсаторов тех же габаритов.

Рис. 1 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 их 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.

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.

Рис. 2

Рис. 3
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.

Рис. 4

Рис. 5
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.

Рис. 6

Рис. 7
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.

Рис. 8

Рис. 9
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.

ТЕСТ

Обыкновенный тестер не рассчитан на измерение ТАКОЙ емкости, поэтому использованы другие методы, обеспечивающие вполне достаточную точность. Емкость измерялась при заряде конденсатора от источника стабильного тока фирмы Agilent, результат отслеживался при помощи цифрового запоминающего осциллографа Tektronix. Внутреннее сопротивление измерялось при разряде конденсатора через резистор сопротивлением 0,23 Ом, результат также фиксировался осциллографом. Подробно эти методы описаны ниже.

XSTATIC SUPERCAP 100
www.batcap.net/SuperCap.htm

     Этот конденсатор заявлен как 35 Ф/16 В, стоимость 369$. Пластиковый корпус сравнительно небольшого размера изготовлен методом инжекционного литья. Поэтому вес конденсатора менее 0,8 кГ, это рекордный показатель. На верхней части корпуса установлены две золоченые клеммы "под гайку", других соединений нет.
     В конденсаторе использовано 12 ионисторов емкостью по 100 Ф и рабочим напряжением 2,7 В. Они соединены по смешанной схеме - две последовательные цепи по шесть элементов соединены параллельно. Для равномерного распределения напряжения каждый элемент зашунтирован резистором. В результате "ток покоя" этой батареи составляет около 60 мА, поэтому при длительных перерывах в работе конденсатор лучше отключать.
     Емкость вычислялась по скорости изменения напряжения при зарядке стабильным током:

Рис. 10

Рис. 11
Для измерения внутреннего сопротивления конденсатор разряжался через сопротивление 0,23 Ом. Эта величина включает в себя сопротивление собственно резистора, а также сопротивление соединительных проводов и выключателя. Резкое падение напряжения, (обведено на графике овалом) вызвано внутренним сопротивлением конденсатора. Ток в этот момент достигал 60 А, поэтому в соответствии с законом Ома внутреннее сопротивление этого конденсатора составляет 0,037 Ом (37 миллиОм).

ALUMAPRO C.A.P. 50
www.alumapro.com/cap.html

     Этот конденсатор имеет емкость 50 Ф, стоимость уже 1299,95$. Корпус выполнен из алюминия с серебристым анодированием. Шильдик с логотипом фирмы можно наклеить в любом месте (господа офицеры, молчать!).
     С одной стороны корпуса расположены массивные золоченые терминалы, к которым можно подключить до трех усилителей. Между ними расположен аналогичный терминал для управляющего сигнала (Remote). В корпусе установлена схема контроля заряда и управления включением конденсатора. Это исключает риск разрядки аккумулятора через выравнивающие резисторы. Над терминалами расположены индикаторы "Зарядка"(желтый светодиод) и "Готов" (зеленый светодиод). Последний загорается при накоплении 3/4 полного заряда.
     В конструкции использован 21 ионистор плоской конструкции, емкость каждого 1000 Ф. Схема соединений обеспечивает минимальную индуктивность и внутреннее сопротивление. По результатам измерений емкость составляет:

Отклонение емкости от номинальной составляет 10%, что соответствует спецификации. Кроме того, использованный метод измерения тоже дает погрешность 5-10%. Внутреннее сопротивление этого конденсатора составляет 0,009 Ом (9 миллиОм) - прекрасный показатель.

Рис. 12

Рис. 13

PHOENIX GOLD POWERCORE 20
www.phoenixgold.com

Заявленная емкость конденсатора - 20 Ф, стоимость 649,99$. Облик подстать линейке усилителей Titanium. Гнутый корпус из листового металла окрашен "под титан" и радует глаз. С одной стороны корпуса размещены массивные латунные золоченые терминалы. Можно использовать "входящий" провод вплоть до нулевого калибра, четыре "исходящих" провода - до 4 калибра. Система дистанционного включения снабжена тремя индикаторными светодиодами голубого цвета. Внутри корпуса находится 288 ионисторов 20 Ф/2,5 В. Они соединены по смешанной схеме - восемь параллельных цепей по тридцать шесть элементов соединены последовательно. Измеренная емкость составила:

Внутреннее сопротивление этого конденсатора составляет 0,008 Ом (8 миллиОм) - прекрасный показатель. На измерения попал прототип, поэтому вполне возможно, что в серии характеристики будут еще улучшены. На момент написания статьи на сайте компании информация отсутствовала.

Рис. 14

Рис. 15