Выбор пассивных элементов для тракта ЗЧ

Кроме полупроводниковых приборов и микросхем, любой узел тракта ЗЧ содержит большое число пассивных элементов: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, соединительных проводников. Разрабатывая или исследуя тот или иной узел тракта, мы идеализируем пассивные элементы, хотя каждый из них, помимо основных, обладает рядом нежелательных характеристик, в той или иной степени влияющих на параметры устройства. Рассмотрим некоторые из них.

Проводники могут существенно влиять на шумовые и переходные характеристики электронных устройств. Наиболее важны индуктивность и сопротивление проводника. Даже на звуковых частотах он может иметь индуктивное сопротивление, превышающее активное. Индуктивность (в микрогенри на 1 см длины) прямолинейного проводника диаметром d, расположенного на расстоянии h от “заземленной” плоскости, можно оценить по формуле L=0,002ln(4h/d).

Если “заземленная” поверхность является цепью возврата тока, то при приближении к ней индуктивность уменьшается. Если же расстояние между ними превышает 50…100 мм, индуктивность близка к тому значению, которое она имеет при расположении проводника в свободном пространстве.

Другая важная характеристика проводника — его активное сопротивление. Оно зависит от материала, диаметра и длины проводника, которые выбирают, исходя из максимально допустимого падения напряжения на нем. Проводник прямоугольного сечения обладает меньшими сопротивлением переменному току и индуктивностью, чем круглого, поэтому а качестве заземляющих проводников целесообразно применять ленты или оплетки.

Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы. Катушки индуктивности можно разделить на два основных вида: с магнитным сердечником и без него. Эквивалентная схема, пригодная для анализа любой катушки, приведена на рис. 1,а. Здесь резистор R — активное сопротивление провода, которым намотана катушка, С — междувитковая емкость. Последняя вместе с индуктивностью катушки образует параллельный колебательный контур, резонирующий на некоторой частоте fp. Она-то и является тем пределом, до которого можно использовать данную катушку.

Катушка, намотанная на замкнутом магнитном сердечнике, создает относительно небольшое магнитное поле, так как почти весь магнитный поток концентрируется внутри сердечника. Для защиты катушек от внешних магнитных полей на звуковых частотах применяют экраны из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Чтобы разделить сигнальные цели по постоянному току, применяют трансформаторы. Однако между его обмотками всегда есть паразитная емкость, через которую могут передаваться электрические помехи. Для устранения этого канала проникания помех между обмотками помешают электростатический экран (в простейшем случае изолированную однослойную обмотку). С общим проводом этот экран необходимо соединять в точке подключения нагрузки (а не с первичной обмоткой).

Резисторы. По виду проводящего (резистивного) элемента постоянные резисторы делятся на проволочные и непроволочные, среди которых можно выделить две большие группы: пленочные и композиционные. Для большинства резисторов пригодна эквивалентная схема, изображенная на рис. 1,б.

В композиционных резисторах шунтирующая емкость С обычно составляет примерно 0,1…0,5 пФ. Индуктивность L непроволочных резисторов определяется в основном выводами, а проволочных — обмоткой из высокоомного провода, являющейся, по сути дела, катушкой. Из-за малой величины индуктивностью резисторов обычно пренебрегают (это не относится к проволочным резисторам малого сопротивления). Шунтирующая емкость С существенна у высокоомных резисторов. Например, модуль полного сопротивления углеродистого резистора активным сопротивлением 1 МОм на частоте 100 кГц не превышает 860 кОм, а фазовый сдвиг достигает 16°.

Конденсаторы различают по виду диэлектрика. Помимо емкости, реальный конденсатор обладает сопротивлением и индуктивностью. Эквивалентная схема конденсатора показана на рис. 1,в. Здесь L — индуктивность выводов конденсатора, R1 — его эффективное последовательное сопротивление, зависящее от тангенса угла диэлектрических потерь, R2 — сопротивление так называемой параллельной утечки.

Максимальная частота, на которой конденсатор еще работает нормально, ограничивается обычно индуктивностью L, образующей совместно с емкостью С последовательный колебательный контур с резонансной частотой fp. На частотах выше fp конденсатор имеет индуктивное сопротивление и его использовать нельзя. Наибольшее применение в аппаратуре звукового диапазона частот находят электролитические конденсаторы, у которых емкость, приходящаяся на единицу объема, максимальна и, следовательно, габариты по сравнению с конденсаторами других типов минимальны.

Выбор резисторов и конденсаторов для тракта ЗЧ. Большое разнообразие и недостаточное освещение эксплуатационных особенностей резисторов и конденсаторов в справочной литературе нередко приводят к неправильному их выбору и применению. Статистике показывает, что до 30…40% всех отказов этих элементов радиоаппаратуры связано с их неправильным применением.

Для облегчения выбора резисторов и конденсаторов и режимов их работы в трактах ЗЧ ниже приводятся таблицы сравнительных характеристик и рекомендации по применению современных резисторов и конденсаторов в звуковоспроизводящей аппаратуре.

В табл. 1 и 2 приведены справочные данные постоянных и переменных резисторов. При выборе типа резистора необходимо принимать во внимание следующее:

— наличие нужного номинала (пределы номинальных сопротивлений, ряд номиналов Е);
— допускаемое отклонение сопротивления от номинала;
— уровень собственных шумов;
— номинальную мощность рассеяния и предельное рабочее напряжение;
— рабочие интервалы температур, влажности;
— срок службы;
— размеры, способ монтажа и т. п.;
— стоимость.

Номиналы резисторов и конденсаторов установлены стандартом СЭВ 1076—78 и имеют 7 рядов: ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96 и E192. Цифры после буквы Е указывают число номинальных значений сопротивлений или емкости в каждом десятичном интервале (декаде). Например, ряд Е6 состоит из шести номинальных значений, соответствующих 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7 и 6,8 или числам, полученным умножением или делением их на 10n, где n — целое положительное или отрицательное число; ряд Е12 — из двенадцати (к указанным числам добавлены промежуточные: 1,2; 1,8; 2,7; 3,9; 5,6 и 8,2) и т. д. В бытовой аппаратуре обычно используют резисторы с номиналами из рядов Е6, Е12 и Е24 с допускаемыми отклонениями ±5 и ±10%.

Таблица 1

Резистор	Номинальная рассеиваемая мощность, Вт	Пределы номинальных сопротивлений, Ом	Ряд номиналов, допускаемое отклонение, %	Предельное рабочее напряжение, В	Уровень шумов, мкВ/В	ТКС, х103 °С-1	Температура окружающей среды, °С	Минимальная наработка, ч
Резисторы с углеродистым проводящим слоем
ВСа	0,125	10…1•104	Е24 ±5; ±10; ±20	200	1 (группа А), 5 (группа Б)	от -600 до -20001	-60…+125	15000
	0,25	27…2,2•104		350
	0,5	27…10•106		500
Резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем
МЛТ	0,125	8,2…3•106	Е24; Е96 ±2; ±5; ±10	200	1 (группа А), 5 (без обозначения)	от ±600 до ±12001	-60…+125	15000
	0,25	8,2…5,1•106		250
	0,5	1…5,1•106		350
	1	1…10•106		500
	2			750
С2-8	0,125	10,2•103…1•106	Е24; Е96 ±1; ±2; ±5	200	1	от -500 до ±12001	-60…+155	10000
	0,25	10,2•103…5,11•106		250
	0,5			350
	1	10,2•103…10•105		500
С2-33	0,125	1…3•106	Е24 ±2; ±6; ±10	200	1 (группа А), 5 (без обозначения)	от ±300 до ±12001	-60…+200	15000
	0,25	1…5,1•106		250
	0,5			350
	1	1…10•106		500
	2			750
Резисторы с металлоокисным проводящим слоем
С2-26	0,5	1…103	Е96 ±0,5; ±1; ±2	75	0,5	от ±100 до ±2001	-60…+155	15000
	1			100
	2			150

¹ В зависимости от сопротивления и интервала температур.

Таблица 2

Резистор	Назначение (Р — регулировочный, П — подстроечный)	Функциональная характеристика	Номинальная мощность рассеяния, Вт	Пределы номинальных сопротивлений, Ом (ряд Е6)	Предельное рабочее напряжение, В	Уровень собственных шумов, мкВ/В	ЭДС шумов вращения, мкВ	Температура окружающей среды, °С	Минимальная наработка, ч (к-во циклов)
Металлоокисные резисторы
СП2-2	Р	А	0,5; 1	47…100•103	250…3301	10	50	-60…+125	10000
СП2-2а	П
СП2-5	Р		0,5; 1; 2	10…100•103	150…3501			-60…+155	15000
СП2-62			0,5	100…2,2•103 100…100•103	125…2501	20		-60…+125
		Б, В, И	0,25
Пленочные композиционные резисторы
ВК	Р	А	0,5	2,2•103…6,8•106	350	50	60	-40…+70	3000
		Б, В	0,25	15•103…2,2•103	200
ВКУ-13		В		2,2•103; 1•106
ВКУ-24				470•103
СПI, СПII	Р и П	А	1	470…4,7•103	500	10…406	—	-60…+125	(12500)
СПIII, СПIV5		Б, В	0,5	4,7•l03…2,2•106	400
СП3-17	П	А	0,25	470…1•103	250			-40…+70	2500
СП3-4М8	Р			220…470•103	150	5…206	47	-45…+70	10000
		Б, В	0,125	4,7•103…470•103	100
СПЗ-4е9		В	0,05; 0,125	10•103	20…351		100		5000
СПЗ-10М10		А, Б, В	0,25; 0,5; 1; 2	470…4,7•106	400…5001	10…406	50	-60…+100
СПЗ-1211		А	0,25	2,2•103…2,2•106	—	50	47	-20…+70	3000
		Б, В	0,125	4,7•103…2,2•106
		Е, И		100•103…2,2•106
СПЗ-227	П	А		100…1•106	150	10…206	—	-45…+70	5000
СПЗ-2312	Р		0,125; 0,25; 0,5	220…4,7•103	100…2501	10…406	25…47	-45…+75	7500
		Б, В, С	0,05; 0,125; 0,25	1•103…2,2•106	50…1001
		Е, И		22•103…2,2•103
СПЗ-2513		А, Б, В	0,125…0,5	680…680•103	100…2501	10…2014	50	-60…+100	10000
СПЗ-3015		А, Б, В, Е/И		2,2•103…6,8•106	200	20…406	47	-45…+70	5000
Объемные композиционные резисторы
СП4-1	Р и П	А	0,25; 0,5	100…4,7•106	250	6	50	-60…+125	10000
	П	Б, В	0,25	1•103…2,2•106	200
СП4-2	Р	А	1	47…4,7•106	350
	П	Б, В	0,5	1•103…2,2•106	300
СП4-3		А	0,125	100…4,7•106	150

¹ В зависимости от рассеиваемой мощности.
² Одинарные со сплошным (СП2-6в) и полым валом (СП2-6б), сдвоенные с концентрическими валами
(СП2-6в).
³ С одним дополнительным выводом.
⁴ С двумя дополнительными выводами.
⁵ Сдвоенные резисторы.
⁶ В Зависимости от сопротивления.
⁷ Для печатного монтажа.
⁸ СПЗ-4аМ, СПЗ-4вМ — для навесного, СПЗ-4бМ, СПЗ-4гМ — для печатного монтажа (резисторы с индексами в и г — с выключателями.
⁹ Сдвоенные резисторы.
¹⁰ СПЗ-10аМ — сдвоенные с концентрическими валами, СПЗ-10бМ — одинарные с двухполюсным выключателем, СПЗ-10вМ — сдвоенные с концентрическими валами и двухполюсным выключателем.
¹¹ СПЗ-12а, СПЗ-126, СПЗ-12в — одинарные соответственно без дополнительных выводов, с одним и двумя дополнительными выводами; СПЗ-12г,
СПЗ-12д, СПЗ-12е — то же, но сдвоенные; СПЗ-12и — сдвоенные с концентрическими валами; СПЗ-12л — то же, с двухполюсным выключателем; СПЗ-12к — одинарные с двухполюсным выключателем.
¹² Одинарные и сдвоенные с линейным перемещением движка, для навесного и печатного монтажа, с фиксацией и без фиксации движка в среднем положении, с одним и двумя дополнительными выводами.
¹³ Сдвоенные с концентрическими валами.
¹⁴ В зависимости от функциональной характеристики.
¹⁵ Одинарные и сдвоенные с одним и двумя дополнительными выводами и без них, сдвоенные с концентрическими валами, одинарные с двухполюсным выключателем.

Собственные шумы резистора складываются из тепловых и токовых. Первые из них обусловлены тепловым движением электронов в веществе, из которого изготовлен резистивный элемент, и зависят от температуры и сопротивления, вторые (возникают при включении резистора под нагрузку) обусловлены флуктуацией контактных сопротивлений между проводящими частицами. При заданном сопротивлении и определенном постоянном напряжении они зависят от материала и конструкции резистивного элемента и наиболее характерны для непроволочных резисторов. Частотные спектры обоих видов шумов непрерывные, однако если у первых энергия распределена равномерно вплоть до очень высоких частот, то у вторых она спадает, уже начиная примерно с 10 МГц. Следует отметить, что токовые шумы непроволочных резисторов существенно больше тепловых.

Шумы резистора характеризуются уровнем шума D, представляющим собой отношение действующего значения переменной составляющей напряжения шумов Еш (в микровольтах) к приложенному постоянному напряжению U (в вольтах), т. е. D=Еш/U. Уровень собственных шумов резистора тем выше, чем выше температура и приложенное напряжение. Для непроволочных резисторов D=0,1…10 мкВ/В.

Переменные резисторы генерируют те же шумы, что и постоянные, но им, кроме того, присущи шумы, возникающие в месте контакта движка с резистивным слоем. Эти дополнительные шумы прямо пропорциональны току через резистор и его сопротивлению, поэтому для уменьшения шумов их следует выбирать минимальными, а постоянную составляющую тока вообще исключить.

Условия эксплуатации влияют на стабильность и надежность работы резистора. Наибольшее влияние оказывают повышенные электрическая нагрузка и окружающая температура (происходит тепловое старение). Среди непроволочных резисторов наиболее устойчивы к воздействию этих факторов углеродистые (ВС, С1-4 и т.п.), металлодиэлектрические (МЛТ, МТ, С2-33) и металлоокисные (С2-26) резисторы. При работе в облегченном режиме их сопротивление имеет тенденцию к уменьшению. Повышенная влажность приводит, как правило, к возрастанию сопротивления. Наибольшей нестабильностью отличаются композиционные резисторы с проводящим элементом на органической основе (КИМ, КЛМ, СП и т.п.).

В качестве основных резисторов для трактов ЗЧ можно рекомендовать резисторы С2-33 (или МЛТ), для входных цепей предусилителей-корректоров и микрофонных усилителей — малошумящие резисторы С2-26, а для регулировок — резисторы СПЗ-4, СП3-10, СП3-12, СП4-1.

Справочные данные наиболее широко применяемых в трактах ЗЧ конденсаторов приведены в табл. 3 и 4. При выборе конденсаторов необходимо учитывать, что на такие их параметры, как надежность и долговечность большое влияние оказывают температура окружающей среды и электрическая нагрузка. При повышении температуры ускоряется процесс старения, снижается сопротивление изоляции, изменяется емкость, уменьшается электрическая прочность, возрастают ток утечки и тангенс угла диэлектрических потерь.

Таблица 3

Таблица 3

Конденсатор	Группа ТКЕ	Пределы номинальных емкостей, пФ	Допускаемое отклонение, %	Номинальное напряжение, В	Температура окружающей среды, °С	Минимальная наработка, ч
Керамические монолитные конденсаторы
КМ-5	П33	16…680	±5; ±10; ±20	160	-60…+125	10000
	МП0	68…1600
	М47	27…680
	M75	47…1300
	М750	68…2700
	М1500	150…5600
	Н30	1500…68•103	-20…+50	100
	Н90	15•103…150•103	-20…+80	50
КМ-6	ПЗЗ	120…5100	±5; ±10, ±20 -20…+50	50 25; 351
	М47	120…6200
	М75	180…5600
	М750	470…10•103
	M1500	820…15•103
	Н30, H50	10•103…150•103
	Н90	22•103…2200•103	-20…+80	25
К10-23	П33	2,2…360	±5; ±10; ±20	16	-60 …±85	15000
	М47	2,2…330
	М75	10…820
	М750	33… 1500
	M1500	75…3000
	Н30	680…33•103	20…+50
Полиэтилентерефталатные конденсаторы
К73-17		10•103…4700•103	±5, ±10; ±20	63…6302	-60…+125	10000
Лакопленочные конденсаторы
К76-3		100•103…10000•103	±5; ±10; ±20	250	-60…+85	5000

¹ В зависимости от
конструктивного исполнения.
² В зависимости от номинальной емкости.

Таблица 4

Конденсатор	Пределы номинальных емкостей, мкФ	Допускаемое отклонение, %	Номинальное напряжение, В	Допустимая амплитуда напряжения переменной составляющей частотой 50 Гц при +40 °С, %	Температура окружающей среды, °С	Ток утечки, мкА	Минимальная наработка при температуре +70°С, ч
Алюминиевые оксидно-электролитические конденсаторы
К50-3Б	1…5000	-20…+50	6…4501	3…152	-40…+70	12…1500	10000
К50-6	1…4000	-20…+80	6,3… 1601	3…252	-10…+85	4…5000	5000
К50-9	0,5…20	-10…+100	3; 6	20	-20…+60	2…4	20003
К50-16	0,5…10000	-20…+80	6,3… 1601	2,5…202	-20…+70	4…5000	5000
К50-18	1000…470000	-20…+60	3…2501	до 10	-25…+70	2200…12500	100004
К50-20	1…5000		6,3…4501	3…162	-40…+70	12…1500	5000
K50-24	2,2…10000		6,3…1601	до 20	-25…+70	18…3200	10000
Танталовые оксидные объемно-пористые конденсаторы
К52-1	1,5…470	±10; ±20; ±30; -20…+50	3…1001	8…202	-60…+85	1,2…8,5	10000
К52-2	10…1000		6…901	6…202	-50…+155	2…30
Танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы
K53-1	0,033…100	±10; ±20; ±30	6…30	20…405	-80…+85	2…5	15000
K53-1A			6…100		-60…+125	1…8	10000
К53-18	0,033…1000		6…40	10…405	-60…+1256	1…63	15000

¹ В зависимости от емкости и
конструктивного исполнения.
² В зависимости от номинального напряжения
и конструктивного исполнения.
³ При температуре +25 °С.
⁴ При температуре +60 °С.
⁵ В зависимости от емкости.
⁶ Для конденсаторов диаметром до 9 мм.

Понижение температуры наиболее сильно воздействует на оксидные конденсаторы, у которых резко снижается емкость и растет тангенс угла потерь. При температуре ниже -60° оксидные конденсаторы не работоспособны.

Необратимые изменения параметров конденсаторов вызываются длительным воздействием повышенной электрической нагрузки, приводящим к старению, ухудшению электрической прочности. Это необходимо учитывать, выбирая значение рабочего напряжения (по отношению к номинальному). При воздействии постоянного напряжения основной причиной старения являются электрохимические процессы, возникающие в диэлектрике под действием постоянного поля и усиливающиеся с повышением температуры и влажности.

Эксплуатация конденсатора при напряжении, превышающем номинальное, резко снижает его надежность. Превышение допустимой переменной составляющей напряжения может вызвать нарушение теплового равновесия в конденсаторе, приводящее к термическому разрушению диэлектрика. Наиболее стабильны и устойчивы к воздействию нагрузки защищенные керамические конденсаторы.

Среди оксидных конденсаторов наиболее стабильны оксидно-полупроводниковые герметизированные конденсаторы (например, К53-1). Низкая стабильность электролитических оксидных конденсаторов (К50-6) объясняется наличием в них жидкого или пастообразного электролита, сопротивление которого в большой степени зависит от температуры. Длительное воздействие электрической нагрузки, особенно при высокой температуре, вызывает испарение летучих фракций электролита, что еще больше увеличивает его сопротивление, резко ухудшает температурную и частотную зависимость и увеличивает тангенс угла потерь. Наиболее интенсивно этот процесс протекает у малогабаритных алюминиевых конденсаторов.

При выборе конденсатора для работы в цепях переменного или пульсирующего тока необходимо учитывать его частотные свойства, зависящие от вида диэлектрика, значений индуктивности и сопротивления. Наихудшими частотными свойствами обладают электролитические танталовые конденсаторы (за исключением специально предназначенных для работы на высоких частотах конденсаторов К53-25, К53-28). Верхняя граница частотного диапазона конденсаторов ЭТО меньше 20 кГц, конденсаторов К50-6, К53-25, К53-28 — около 100 кГц. Наиболее хорошими частотными свойствами обладают керамические конденсаторы.

Номинальные значения емкостей и допускаемые отклонения от них также регламентированы стандартом. Для бытовой аппаратуры используют в основном конденсаторы, номинальные емкости которых соответствуют рядам Е12 и Е6 с допусками ±10% и ±20%. Стандартные номиналы не всегда распространяются на оксидные конденсаторы; их емкость часто имеет значения, кратные 1, 2 и 5 (10, 20, 50, 100, 200, 500 мкФ и т. д.). При этом допускаемое отклонение достигает 20% в сторону уменьшения емкости и 50…80% в сторону увеличения.

При выборе оксидного (электролитического) конденсатора для тракта ЗЧ и блока питания, кроме номинальной емкости, необходимо учитывать номинальное напряжение, которое следует выбирать на 10…20% выше фактического, причем ток утечки этих конденсаторов не должен превышать 0,1 мА/1 мкФ.

Д. АТАЕВ, В. БОЛОТНИКОВ
г. Москва

ЛИТЕРАТУРА

1. Резисторы (Справочник). Под редакцией И. И. Четверткова. — М.: Энергоиздат, 1981.
2. Справочник по электрическим конденсаторам. Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. Ф. Смирнова. — М.: Радио и связь, 1983.

Радио №6, №7, 1985