浅谈电源滤波用电解电容

有了靜電容量及工作耐壓兩個參數，若你正在選購電容，接下來你會考慮什麼？直覺上是價錢。嗯，這個參數很重要，而且數值愈低愈佳。也有人先想到品牌，並堅持日本貨打死不用─還存著八年抗戰情結？美國貨也僅能排第二，瑞典或德國製造的才能排第一。嗯，這個參數也很重要。但既然談到品牌，那就不能忽略系列型號；因為一個製造廠會生產許多不同系列的產品，系列不同，品質及價格就會不同。OK，我們先整理一下，有關電源平滑濾波電容器的參數已知有：靜電容量、額定工作電壓、湧浪崩潰電壓、價格、品牌、型號系列。
等效串聯電阻ESR
一只電容器會因其構造而產生各種阻抗、感抗，比較重要的就是ESR等效串聯電阻及ESL等效串聯電感─這就是容抗的基礎。電容器提供電容量，要電阻幹嘛？故ESR及ESL也要求低…低；但low ESR/low ESL通常都是高級系列。
ESR的高低，與電容器的容量、電壓、頻率及溫度…都有關連，當額定電壓固定時，容量愈大ESR愈低。有人習用將多顆小電容併接成一顆大電容以降低阻抗，其理論是電阻併聯阻值降低。但若考慮電容接腳焊點的阻抗，以小併大，不見得一定會有收穫。
漣波電流與頻率剛好成正比，因此低頻時漣波電流也比較低。可是對我們音響迷來說，低頻段的Irac值才是重要。所以在採購電容器時，漣波電流數字高低是極為重要的依據。不要認定Screw鎖螺絲式電容的漣波電流絕對比snap-in插PC板式來得高，以UCC電容為例，81DA系列是插PCB式，32DA系列是鎖螺絲式。但相同容量、耐壓比較，81DA的ESR不但比32DA低，Irac卻又比32DA高很多。
漏…漏電流
哇！漏電！最好沒有。可是沒辦法，鋁電解電容在工作時一定會產生漏電流。
漏電流(leakage current)當然要低，它的計算公式大致是：I＝K×CV。漏電流I的單位是μA，K是常數，例如是0.01或0.03，每家製造廠會選擇不同的常數。但不論如何，電容器容量愈高，漏電流就愈大。如果你有容量愈大平滑效果愈好的想法，這個「漏電流」也請考慮在內。從計算式可得知額定電壓愈高，漏電流也愈大，因此降低工作電壓亦可降低漏電流。
不應該只有小貓兩三隻，外型尺寸也應該很重要，因為與它相關的有重量及接腳型態，snap-in是插焊PC板式，少則兩隻接腳，體型大的則還多出固定接；screw是鎖螺絲式。至於重量，同容量同耐壓，但品牌不同的兩個電容做比較，重量一定不同；而外型尺寸更與機箱規劃有關。有些電容不是全圓型，有點像是多角型，Philips、BHC都有這種看起來似乎很高級的系列。現在我們再整理一下，加上重量、外型尺寸、接腳型態─已有9個參數。
前面談到的散逸因數DF-損失角tanδ、漏電流、ESR-串聯等效電阻…等，其值都是愈低愈好，但現在要提的漣波電流ripple current卻是愈高愈好。特別是現在都特別講究後級擴大機要有大電流輸出，電源平滑濾波電容器的漣波電流Irac(或Iac)就顯得格外突出。
漣波電流Irac的標示至少應有低頻及高頻工作時兩種規格數字，低頻大約是以120Hz做標準，高頻大概是以10KHz做標準，但不同製造廠商可能會有略微的差別。
可是真正有關電容器品質的幾個重要參數，卻都只存在原廠規格書中பைடு நூலகம்完全不會顯露在成品封裝外皮上，而這些重要參數才是本文談論的重點。
散逸因數─損失角
散逸因數dissipation factor(DF)存在於所有電容器中，有時DF值會以損失角tanδ表示。想想，損失角，既有損失，當然愈低愈好。塑料電容的損失角很低，但鋁電解電容就相當高。DF值是高還是低，就同一品牌、同一系列的電容器來說，與溫度、容量、電壓、頻率…等都有關係；當容量相同時，耐壓愈高的DF值就愈低。舉實例做說明，同廠牌同系列的10000μF電容，耐壓80V的DF值一定比耐壓63V的低。所本刊選用濾波電容常會找較高耐壓者，不是沒有道理。此外溫度愈高DF值愈高，頻率愈高DF值也會愈高。
電容器的電荷能量是以Q＝CV來表示，Q是庫倫，C是靜電容量，V是電壓；故當電壓值不變時，加大靜電容量就能增高電荷能量。請注意，電容器的容量單位應是F(farad)，可是因計量太高造成數值偏低，故多改用μF，1F=一百萬μF。國外也有用mF表示μF，其實mF不十分貼切，但機械式打字機上沒有μ鍵，故用m代表micro。
有時電容器規格上會有Z，它與ESR的意義不同，但Z的計算示與ESR有關，同時也考慮到容抗及感抗，是真正的內阻。剛才提到電容的ESR單位是mΩ，那是指大電容，若是220μF小容量電容，其ESR單位就不是mΩ而是Ω。何種電解電容器的ESR最低？答案只有一個：Sanyo的OS有機半導體電容！
漣波電流Irac
現在你應該已經明瞭六成以上，或許你想問：有沒有體型不大，漏電低、ESR低、tanδ低、誤差低、價格低，但漣波電流高、適用溫度範圍高的鋁電解電容？嗯…，沒有！
關於容量誤差，近年來鋁質電解電容頗有進步，以往是-20％～+40％，現在大多是+/-20％。但其容量常偏＋而不是偏－，故10,000μF測量起來有可能會接近12,000μF。
面對電源穩壓線路中擔任電源平滑濾波的電容器，你首先想到的會是什麼？容量？耐壓？電容器的封裝外皮上一定有容量標示，那是指靜電容量；也一定有耐壓標示，那是指工作電壓或額定電壓。
工作電壓(working voltage)簡稱WV，為絕對安全值；若是surge voltage(簡稱SV或Vs)，就是湧浪電壓或崩潰電壓;，超過這個電壓值就保證此電容會被浪淹死─小心電容會爆！根據國際IEC 384-4規定，低於315V時，Vs=1.15×Vr，高於315V時，Vs=1.1×Vr。Vs是湧浪電壓，Vr是額定電壓(rated voltage)。
曾經有一種說法：RIFA的10,000μF相當於其它廠牌15,000μF，因為大部份日製電容的漣波電流都不高，而RIFA又特別高，故好像可以一個當兩個用。德國Siemens、英國BHC電容，在Irac這項特性上也常優於日製品。就筆者目前所知，Irac最大的電容，是Siemens SIKOREL系列電容為最高，6,800μF/63V就高達20A！若是小容量電容，Irac最大的是Sanyo OS電容。在電腦主機板CPU旁，有一排(大約6個)電容，不論是華碩、微星或技嘉，它們的demo板都是插滿OS電容，但賣到市場上就全部換掉─因OS電容很貴！
可是也有不少名廠走低容量路子，例如美國Amcron有台250W×2專業後級擴大機，兩聲道合計500W，只用了2只8200μF小濾波電容器(好像是小了點？)。瑞士Goldmund算是Hi-End品牌，產品送到各雜誌社試聽，沒有一個評論員膽敢說它壞，它的大後級就是採用小電容。瑞士FM Acoustics更是貴到斃，一台立體聲後級後級可換一部Benz車。它的220W×2專業後級，號稱數十A電流輸出，本人親眼得見，全機只使用2只10,000μF/100V濾波電容。
外皮顏色？這是誰提出來的？很妙。因白色、黑色、藍色塑膠封裝都有廠商在用，它有時也具有某些意義，例如日規黑底金字常代表高級for audio音響級電容。僅憑外觀還能想到哪些？製造日期，9627就是1996年第27週出廠；近年來日製電容似乎逐漸有意省略製造日期的標示。但外皮顏色及文字印刷不直接與品質有關，故僅加上製造日期參數。還有，別忘了適用工作溫度，因為105度C比85度C更適用於真空管機。若機器要擺在南極，最好選耐壓負55度C的品種。
精確量取大容量電容器的靜電容量，是我多年來一直想做的事。不要懷疑，這種測試儀器很難買到，美國曾製造過，可量至99,999μF，並能同時顯示DF值及ESR值；而且電容量是100Hz、1KHz、10KHz三段（不是兩段）頻率測試的平均值。這種儀器國內市場曾出現過，小賣新台幣十萬元─只差漏電流的測試。
額定工作電壓的安全度，在我的標準是：至少理讓15％。例如某電容的額定電壓是50V，雖然湧浪電壓可能高至63V，但我最高只會施加42V電壓。讓電容器的額定電壓具有較多的餘裕，能降低內阻、降低漏電流、降低損失角、增加壽命，一舉數得何樂不為？以前曾看過日製擴大機，±48V工作電壓配上10,000μF/50V濾波電容；短時間內當然不會燒壞，但時日長久，壽命有可能降低，那就得更換新品或另購新機。所以日製品常有「時間到了，該走了」的宿命，你也不能指責它是偷工減料，畢竟做生意總要圖利，若一輩子只能賣你一次，如何賺錢？
容量誤差也別遺漏，當採多顆併聯，為求得單只特性均勻，誤差當然是愈低愈佳。現在再加上工作溫度及容量誤差，咱們手上已有12個參數，對電容器應有三成以上瞭解。
請別會錯意，電容的工作溫度不是指環境或表面溫度─不管幾度，封裝塑膠外皮都是一樣，它是指鋁箔工作溫度，所以裝管機選用85度C品種也絕對OK，只要將電容器遠離管仔就比較安全。
就後級擴大機的動作來說，很多人會認定低頻時吃電流。有個方法可以試：以電表直流電壓(DCV)最低檔量任一只射極電阻壓降，最好是指針電表，播放唱片，將前級音量轉大，注意電表指針的擺動，你就會發現低頻固然會吃電流，四把吉它連彈也會猛吃電流！什麼音樂最適合run-in後級擴大機？Holst的《行星組曲》第一曲MARS。
反過來說，當容量固定時，選用高WV額定電壓的品種也能降低ESR；故耐壓高確實好處多多。頻率的影響：低頻時ESR高，高頻時ESR低；當然，高溫也會造成ESR的提升。
串聯等效電阻ESR的單位是mΩ，高級系列電容常是low ESR及low ESL。若比較低內阻及低漏電流兩種特性，則低內阻容易達成，故標示low ESR的電容倒很常見。ESR與損失角有關聯，ESR＝tanδ/(ω×Cs)，Cs是電容量。
每台音響機器都要吃電源─除了被動式前級，既然需要供電，那就少不了「濾波」這個動作。我們現在習用的濾波電容，正式的名稱應是：鋁箔乾式電解電容器。就我的觀察，除加拿大Sonic Frontiers真空管前級，曾在高壓穩壓線路中選用PP塑料電容做濾波外，其它機種一概都是採用鋁箔乾式電解電容；因此網友有必要對它多做瞭解。
淺談電源濾波用電解電容
●●2003-06-16
在音響組件中，電容器(capacitor)被廣泛運用，平滑濾波、反交連、高頻補償、提供直流回授、隔阻直流、抑制米勒效應…等，隨處可見。但若依功能及製造材料、製造方法細分，那可不是一朝一夕能說得明白。所以縮小範圍，本文只談電解電容，而且只談電源平滑濾波用的鋁質電解電容。
容量愈高哼聲愈低？
自己裝，最討厭的就是哼聲除不掉。有人將濾波電容加大，哼聲就沒了。我是不十分相信，因擴大機的哼聲常是因地回路不當引起，來自電容器微乎其微。但是理論上，容量愈高，電源平滑效果也就愈佳，所以大容量的做法，是許多設計者及DIY迷亦深信不疑。
因此不少後級擴大機，特別是美國產品Krell、Mark Levinson，最愛採用大水塘─大電容；丹麥的Dynaudio，連前級擴大機都用到十數萬μF之容量。至於AC & DC交直流，也比較傾向於「大容量」派，但尚適可而止。
但許多電容器製造廠，在規格書上常不註明散逸因數DF值，因為數值甚高很難看。以瑞典RIFA為例，其藍色PHE-420系列是MKP塑料電容，它的DF值最低是0.00005，最高是0.0008。但白色頂級PEH169系列鋁質電解電容，就未標示損失角規格。若真註明DF值，電解電容可能會是1.0000，小數點是在1的後面。
大容量濾波電容與小容量濾波電容，兩種理論基本上是對立的，但卻同時存在於音響圈。以低容量論點設計擴大機，也可以完全沒有哼聲，而且低頻表現也不比「大水塘」機差。重點是什麼？Irac漣波電流。如果你如今還是滿腦子的大容量，那你還不瞭解電解電容！
但降低電容器的漏電流並不容易，低漏電流low leakage current-LL系列價格高昂，我曾向國內廠商訂製一批低漏電流LL系列電容，價格比許多進口電容還貴。漏電流規格，鋁電解電容就比鉭電解電容差許多，鉭質電容也有乾式及濕式兩種，不過它的容量及耐壓都較低。
除特別定製外，面對一般品，想要降低它的漏電流可設法提高Vs對Vr的比值。Vs是湧浪電壓，其值當然比Vr額定電壓高，但施加電壓(真正的工作電壓)還應該比Vr低，例如取Vr的90％；找高耐壓品種可說是完全正確。