電源濾波用電解電容詳解

電源濾波用電解電容詳解

    電容器(capacitor)在音響組件中被廣泛運用，濾波、反交連、高頻補償、直流回授…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。

    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。不要和我爭，採用電池供電當然無必要電源平滑濾波。但電池充電電路也有整流及濾波，故濾波電容器還是會存在。

我們現在慣用的濾波電容，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了解。

    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麽？─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)，就是涌浪電壓或崩潰電壓;，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是涌浪電壓，Vr是額定電壓(rated voltage)。

    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，接下來你會考慮什麽？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、涌浪崩潰電壓、價格、品牌、型號系列。

    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，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─已有九個參數。

    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周出廠；近年來日制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，最好選耐負55度C的品種。

    容量誤差也別遺漏，當采多顆並聯，為求得單隻特性均勻，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了解。

    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一定安全。

    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，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……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。

    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，可能會是1.0000，小數點是在1的後面。

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。

    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是涌浪電壓，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。

等效串聯電阻ESR

    一隻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，當額定電壓固定時，容量愈大 ESR愈低。有人慣用將多顆小電容並接成一顆大電容以降低阻抗，其理論是電阻並聯阻值降低。但若考慮電容接腳焊點的阻抗，以小並大，不見得一定會有收穫。

    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。

    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

    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。 

   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。在一般狀況下，同品牌時，鎖螺絲式電容的漣波電流通常比snap-in插PC板式來得高。

    曾經有一種說法：RIFA的10000μF相當於其它廠牌15000μF，因為大部份日制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。就筆者所知，Irac最大的電容，是Siemens SIKOREL系列電容為最高，6800μF/63V就高達20A！若是小容量電容，Irac最大的是Sanyo OS電容。

    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：以電錶直流電壓-DCV最低檔量任一隻射極電阻壓降，最好是指針電錶，播放唱片，將前級音量轉大，注意電錶指針的擺動，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！什麽音樂最適合run-in後級擴大機？Holst的《行星組曲》第一曲MARS。

    現在你應該已經明了六成以上，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10000μF測量起來有可能會接近12000μF。

    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99999μF，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，雖然涌浪電壓可能高至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？以前曾看過日制擴大機，±48V工作電壓配上10000μF/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迴路不當引起，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。

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隻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隻10000μF/100V濾波電容。

    大容量濾波與低容量濾波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。重點是什麽？Irac漣波電流。如果你如今還是滿腦子的大容量，那你還不了解電解電容！

    給大家一個建議：組裝後級若採用低容量濾波電容時，千萬要配用高功率電源變壓器。也就是「瘦了電容器、肥了變壓器」，這可能就是擴大機好聲的秘絕。以這幾年詳細之觀察，後級擴大機若要好聲，採用大功率電源變壓器比採用大容量濾波電容有效多了。

一顆大的？多顆小的？

    OK，有人放心不下，濾波電容堅持要大μF─那是找一個大的，還是用十來個小的並接？又有人說用小顆並，不但內阻可以降低，反應速度也會也快，透明度及解析度都比較好。

    Mark Levinson及Krell的後級不是以小並大，但有誰認為它反應速度慢、不透明有霧？面對此問題，我自己都長期陷入迷陣中。就機箱規劃來說，用多顆小電容並聯似乎比較理想，而且進貨量大價格也便宜，甚至前級、後級、綜合機，都可採用同一種電容。

    進口機與國產機的命運有些不同，當消費者面對數十萬元進口機採用多顆小電容時，他會自我解釋：這個很有道理；但面對國產品時，他可能會有另一套惡毒的說法：偷工減料！

    就音質表現，大水塘or小水塘、一顆大的or多顆小的，應該沒有絕對關係。鄧小平說得好：管它黑貓、白貓，會捉老鼠的就是好貓。

    製造廠牌也關乎品質特性，前述有人終其一生不用日製品。美國原本有兩大電容器品牌Mallory及Sprague，現在 Sprague已成絕響，因為它被日本Nippon Chemi-con收購，且公司名稱註冊United Chemi-Con/簡稱UCC。但只要是仍在美國製造，外皮印有made in USA，商標更改與製造品質應無關聯。

    不過外界已有耳語：UCC比Sprague差，可能性如何？日本商社一旦接手，行銷政策自然會大幅改變，為了提高出貨量必得降低售價；但假格下滑也會導致品質下滑。詢問本地代理商瑞普公司，UCC電容銷售量比Sprague低，顯示國內廠商有排斥UCC的反映。若比較UCC及Sprague的規格特性，果然是一付Japanese樣─體型大為縮水，原本40mm×80mm的改成40mm×50mm，價格可能較低廉，但ESR增加、Irac減小─怎不令人擲筆三嘆？

    你對日製品有疑慮？沒辦法，非但美國如此，德國也需要日本資金進入來個德日合作，Siemens就和松下Matsusita共同生產S＋M電容器。這是未來趨勢，幾乎不可避免。RIFA也早就被EVOX吃下，EVOX是大集團，到處設廠，本刊SigEnd單端前級有用到1μF電容，就是EVOX品牌，雖然自美國進口，但一付台製品模樣。

儲存及工作壽命

    比起電阻、IC、電晶體、塑料電容這些半永久性元件，鋁電解電容的壽命就值得重視。一是儲存年限，自然與壽命有關，10～20年應無問題。存放過久的電容不宜立刻使用，利用power supply先將它aging(活化)；夾上端子，緩慢調整power supply電壓，由低至高，最高可調至此電容的額定電壓。

    工作壽命就很難說得明白，所謂長壽命LL-long life電容，通常是表示漣波電流Irac穩定。前面曾談到電容的Irac與工作溫度及頻率都有關，例如同是10KHz，40度C時是15A，85度C時是9A；15A/9A＝1.67。此數字就是電容的壽命因數（本人臨時想出來的），數字愈高壽命愈低，數字愈接近1壽命愈長。

    如果沒記錯，1.93表示10萬小時，1.85表示20萬小時，故1.67至少50萬小時！但電容器的主要功用是充、放電特性，因此不宜經常快速充、放電。有兩個方法可有效延長電容器壽命：一是減少開機、關機次數，二是設法降低開機時的瞬間充電電流─你聽懂了嗎？本刊也注意到此問題，故多年來都是這樣做。

    即令是如此，若問：到底是哪一種電容的音質較好？這也實在難以回答。基本上，不同品牌、系列的電容，它的聲音表現自然也是不同。我個人不會「日製品打死不用」，只要處理得當，日製品也不輸歐美貨。多年前曾用過ELNA高級Cerafine音響級電容，它的ESR雖然低，但Irac也不高，裝在amp.上，低頻很厚實，但霧氣較重，不夠透明。可是並上speed-up小電容後，就豁然開朗。

    故實際裝配時，記得一定要在主濾波電容上加並speed-up小電容，此舉「至少」會改善高頻響應。數值是多少？最好是一大一小，大的1μF、小的0.1μF，MKP是最低要求。

    有時並上小電容會發現助益不大，這可能是小電容未選對。RIFA的電解及塑料電容，若想加並speed-up，奉勸你不要找WIMA，建議各位試試MIT的PPFX-S錫箔或RTX系列0.1μF。寫這篇文章的同時，也留意各雜誌的廣告，美國Krell及加拿大Class''e Audio的Hi-End後級新機種竟然都採用日本Nichicon電容做主電源平滑濾波！但雜誌評論員有誰敢說它差？！

    前級擴大機吃不了數百mA電流，故濾波電容較易選擇。高瓦數、高輸出電流擴大機就很難伺候，此時濾波電容的Irac特性就要考慮在內。

    對於濾波用電解電容，有幾點值得網友注意：

一、大致上來說，日製品的Irac比歐美品低；

二、低漏電流比低ESR更重要；

三、大濾波電容宜並接小電容；

四、盡量選高耐壓電容；

五、最頂級的電容，容量及耐壓都不高，故數百瓦的大power通常聲音粗糙，不是沒有道理。

    筆者不建議哪種電容最好，因為只要用得恰當，每種電容都可發出好聲。至於刻意強調電容、電阻、焊錫、保險絲非xxx品牌不用的人，絕對是不懂線路結構的外行人！

關於鋁質電解電容的構造

    電容器依其元件構造大致可分成：一、卷繞型，二、積層型，三、電解型。而電解型又分鋁質及鉭質兩類，鋁質再分成液態電解質及固態電解質。若說液態電解質是鋁箔濕式、固態電解質是鋁箔乾式，那就錯了，因鋁箔乾式及鋁箔濕式都是液態電解質電容。

     鋁質電解電容是以經過蝕刻的高純度鋁箔做為陽極，以其表面經陽極氧化處理之化成薄膜做為電介質，再以浸有電解液的薄紙或布做陰極。由於電解液是用吸浸式，故稱鋁箔乾式電解電容。

    何謂鋁箔濕式？在電容器內直接加電解液─例如硼酸胺＋乙二醇混合液，這種用手電筒容搖一搖還會發出流水聲，瑞典RIFA的PEH169系列就是這種電容。

    即使是歐洲名廠，做為陽極的鋁箔也非自行生產，而是統一由某公司供應，就好像瑞士錶廠甚多，但只有少數幾家會做油心。大約10年前義大利某公司無法正常供應陽極鋁箔時，全球各名廠如Mallory/RIFA/Sprague或Rubycon/Philips…就只得拖延交貨脫時間，沒原料怎麽生產交貨？至於吸浸電解液的紙，也絕非在一般文具店即可購得，最大供應商是在馬來西亞。