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Condensatori adatti per impieghi audio

Indice Argomento Corrente

1) I condensatori audio: questi sconosciuti

2) Il mito dei condensatori audio

3) I condensatori: circuito equivalente

4) I condensatori Audio e l'effetto memoria o assorbimento del dielettrico (Dielectric Absorption o DA) o isteresi del dielettrico

5) I condensatori audio negli accoppiamenti interstadio

6) Quindi come scegliere un condensatore audio?

7) Alcuni appunti sulla tensione massima da scegliere per i condensatori più critici

8) Creare un buon condensatore per audio

9) Il mito della risonanza delle armature

Lungi dal volere trattare in modo esaustivo l'argomento vi daremo solo qualche ragguaglio che vi permetterà di scegliere senza troppa difficoltà il condensatore giusto.
Una trattazione completa sarebbe inutile, in definitiva a noi serve solamente sapere cosa è opportuno impiegare, senza addentrarci troppo in modelli teorici.

1 - I condensatori audio: questi sconosciuti

Per condensatori per impieghi audio si intendono i condensatori che vengono attraversati dal segnale in una qualsiasi apparecchiatura audio, da non confondersi con i condensatori di livellamento presenti nella parte dedicata all'alimentazione.
In genere si trovano fra uno stadio e l'altro di un apparato audio e in tal senso vengono anche chiamati condensatori interstadio.
L'impiego di detti condensatori è quello di bloccare le componenti continue e lasciar passare le componenti alternate.
In linea di massima il miglior condensatore è quello che non c'è quindi un buon condensatore in serie al segnale deve essere "trasparente" ovvero non alterare in alcun modo lo stesso.
Come può un condensatore alterare un segnale audio? Principalmente in tre modi:

Comportandosi come un filtro, quindi con ripercussioni sulla banda passante dell'apparato in cui opera.
Comportandosi come una resistenza (per via della corrente di fuga) quindi alterando la polarizzazione con l'apporto di una corrente continua.
Effetto "memoria" che analizzeremo in seguito.

2 - Il mito dei condensatori audio

Nelle applicazioni audio la banda passante in genere, se si tratta di un apparato HI-FI è di 20Khz, quindi stiamo parlando di nulla in confronto ad un amplificatore a larga banda per strumenti di misura, ad esempio che ha una banda passante di svariati Mhz.
Quindi che condensatori dovrebbero impiegare ... per strumenti di misura??

Dai diciamola fuori dai denti, i condensatori audio sono una bella trovata per vendere dei normalissimi condensatori di ottima qualità, ma sempre normalissimi a dei prezzi assolutamente ingiustificati.
Più che di condensatori audio si può parlare di condensatori di qualità contrapposti a quelli da pochi soldi. Cosa fa la differenza?
La cura nella costruzione e nella selezione delle materie prime, soprattutto il dielettrico nel caso dei condensatori posti sul percorso del segnale.
E' addirittura ininfluente l'induttanza serie, troppo bassa in rapporto alle impedenze in gioco nel caso di un accoppiamento fra due stadi preamplificatori.

3 - I condensatori: circuito equivalente

Il circuito equivalente di un condensatore reale è riportato sotto.
Come vedete è abbastanza complesso, i componenti aggiunti servono nel modello a giustificare alcuni comportamenti che diversamente non sarebbero prevedibili.
I componenti "parassiti" sono la vera discriminante fra un condensatore ed un altro, ci danno la possibilità di avere un metro per valutare la qualità del condensatore in esame.

C è il valore della capacità complessiva. Il condensatore vero e proprio.
RP è la resistenza che rappresenta il piccolo passaggio di corrente continua attraverso il dielettrico di C, si trova in parallelo a C e viene chiamata resistenza di isolamento.
RS è la resistenza equivalente serie che rappresenta la resistenza complessiva delle masse metalliche che costituiscono il corpo di C, reofori compresi.
LS è l’induttanza parassita dei reofori e delle armature interne.
G rappresenta l'effetto "memoria" del condensatore (detto anche assorbimento del dielettrico o Dielectric Absorption) che tende a riportarlo all'ultimo stato precedente. Si può considerare come un residuo di polarizzazione del dielettrico ed è strettamente connesso al tipo di dielettrico utilizzato.
Questo blocco in genere viene rappresentato con un condensatore con in serie una resistenza. Su questo parleremo diffusamente nel prossimo paragrafo.

4 - I condensatori Audio e l'effetto memoria o assorbimento del dielettrico (Dielectric Absorption o DA) o isteresi del dielettrico

Probabilmente l'effetto "memoria" che andremo a descrivere è l'unico effetto reale per quello che riguarda l'impiego audio del condensatore. L'unico effetto che impone l'uso di un dielettrico piuttosto che un altro.
Ma iniziamo da una spiegazione del fenomeno: se noi carichiamo un condensatore ad una tensione V1 e poi lo scarichiamo e lo mettiamo infine in cortocircuito, quando togliamo il cortocircuito fra i terminali il condensatore la tensione non rimane a zero Volt ma fra i suoi reofori si genera una tensione diversa da zero con la stessa polarità della tensione V1.
Questa tensione V2 è una sorta di effetto memoria dovuto al dielettrico che si è polarizzato.

L'effetto memoria (DA) è espresso come rapporto tra la tensione residua e la tensione di carica, in percentuale. La misura viene effettuata nel seguente modo:

Si carica un condensatore ad una tensione V1 sottoponendolo alla tensione per un minuto.
Si scarica e si mette in cortocircuito per 10 secondi.
Si toglie il cortocircuito e si aspetta un tempo di 1 minuto.
Si effettua la misura rilevando la tensione V2 e si calcola il rapporto fra V2 e V1.

Se avete un buon multimetro digitale con una alta impedenza in ingresso sarete anche voi in grado di controllare i condensatori che andrete a montare.

Un condensatore adatto per impiego audio sul percorso del segnale dovrebbe avere un DA di 0,1 o meno. Sotto una tabella di esempio con i più diffusi tipi di condensatori e relativa DA.

Tipologia	Assorbimento del dielettrico (Dielectric Absorption o DA)
Condensatori ad aria e a vuoto	Molto basso. Non misurabile
Condensatori Ceramici Class-1, NP0	0.6%
Condensatori Ceramici Class-2, X7R	2.5%
Condensatori a film di polipropilene (PP) - MKP Metallised Polypropylene	0.05 to 0.1%
Condensatori a film di poliestere (PET) - KT Polyester Film / Foil - MKT Metallised Polyester (PETP)	0.2 to 0.5%
Condensatori a film polyphenylene sulfide (PPS)	0.05 to 0.1%
Condensatori a film Polyethylene naphthalate (PEN)	1.0 to 1.2%
Condensatori a film in policarbonato - MKC Metallised Polycarbonate	0.2 to 0.5%
Condensatori elettrolitici al Tantalio con elettrolita solido	2 to 3%, 10%
Condensatori elettrolitici in Alluminio con elettrolita non solido	10 to 15%

Come vedete i più adatti sono i condensatori a film di polipropilene. Infatti in genere i condensatori a film plastico audio in vendita con i marchi più blasonati sono in polipropilene.

5 - I condensatori audio negli accoppiamenti interstadio

Condensatori "audio" sul percorso del segnale in un amplificatore di potenza audio a valvole

I condensatori in serie al segnale in questo amplificatore (disegno sopra) con reazione globale sono quelli evidenziati nel cerchietto rosso.
Sono di due tipi, sostanzialmente, non polarizzati C1-C2-C3 e polarizzati, C7. C1, C2 e C3 sono dei condensatori di disaccoppiamento della continua ed è bene che abbiano perdite limitate il più possibile, in particolar modo in questo caso C2.
Se la corrente di perdita di C2 fosse rilevante, ovvero se la resistenza equivalente fosse troppo bassa questo andrebbe a cambiare la polarizzazione della griglia di controllo di V2 spostandone il punto di funzionamento.
E' la stessa cosa che succede quando un condensatore si danneggia e va in perdita.
Quindi la resistenza di C2 (resistenza di isolamento) deve essere di un ordine di grandezza superiore rispetto a R4 in modo da non alterare la polarizzazione.
La capacità di C2 invece deve essere tale che unitamente a R4 formi un filtro passa-alto con la frequenza di taglio più bassa possibile (si tratta di un filtro del primo ordine). Lo stesso vale per il gruppo C1-R1 e R5-C7. Gli effetti di filtro di tali capacità globalmente si sommano.

Questo circuito (disegno sopra) è praticamente uguale al precedente, non vi è l'anello di reazione globale, quindi gli effetti di filtro delle capacità sono ancora più dannosi.
Immaginate che tutti gli stadi, tranne in qualche caso particolare, sono accoppiati in questo modo, quindi abbiamo un numero notevole di filtri passa-alto in serie al segnale con un considerevole decremento dei bassi nel caso questo effetto non sia stato doverosamente previsto.
Nel caso di C2 e C4 essendo basso il valore di resistenza di R3-R5 devono avere una capacità notevole, tuttavia la tensione ai loro capi è più bassa ed è anche meno critica la resistenza parassita serie di fuga, quindi si possono senza problemi usare dei comunissimi condensatori elettrolitici di buona qualità, magari surdimensionati come capacità.
Tutti gli effetti induttivi di questi condensatori sono, in questo genere di impiego, trascurabili.
E' rilevante invece l'effetto memoria che deve essere ridotto il più possibile.
In definitiva in questo caso e quasi sempre il miglior condensatore è quello che non c'è.
Questo si può ottenere progettando il circuito in modo che impieghi il più basso numero di condensatori.
In questo caso l'eliminazione dei condensatori C2 e C4 comporta una diminuzione dell'amplificazione dei due stadi introducendo una controreazione locale.
Progettando scrupolosamente il circuito e adottando una valvola V1 diversa in modo da compensare la minor amplificazione si potrebbe fare.

Nel caso dei condensatori elettrolitici di grande capacità posti a bypassare la componente alternata ai capi della resistenza posta fra catodo e massa in ogni caso è sempre bene mettere in parallelo delle capacità più piccole basate su condensatori non polarizzati per migliorarne le caratteristiche e sceglierli di ottima qualità magari a film di polipropilene.
Per quello che riguarda i condensatori elettrolitici, la scelta è più mirata alla durata che non alle caratteristiche che in ogni caso non possono essere ottimali.
Quindi sceglieremo dei condensatori con temperatura operativa massima di +105°C o anche +150°C.
Se poi volessimo fare un lavoro di selezione particolarmente accurato potremmo prendere in considerazione i parametri cos φ e/o tan δ che sono riportati nel datasheet dei costruttori.
Per scendere più nel dettaglio la reattanza del condensatore (capacitiva) fa sì che la corrente sia sfasata in anticipo di 90° rispetto alla tensione.
Tuttavia, vari fattori di perdita fanno sì che questo angolo sia leggermente inferiore al caso ideale di 90°.
Viene definito di conseguenza l'angolo δ dato dalla differenza tra i 90° ideali e il reale angolo di sfasamento φ.
Nelle specifiche tecniche di alcuni condensatori possono esservi due parametri, cos φ e/o tan δ. Entrambi tendono a 0 per φ che tende al valore ideale di 90°, quindi quanto più questi due valori sono piccoli, tanto migliore è la qualità del condensatore.

6 - Quindi come scegliere un condensatore audio?

Parlando di condensatori di accoppiamento in serie al segnale, semplicemente in funzione del dielettrico impiegato. I migliori in ordine dal migliore al peggiore sono i seguenti:

Carta e Olio
PPA (poliammide semi aromatica)
MKP (polipropilene)
MKS (poliestere)
MKC (policarbonato)

I condensatori carta e olio nel tempo assorbono umidità dall'ambiente e perdono in parte l'isolamento.
La piccola corrente che ne deriva sposta la tensione di polarizzazione dello stadio accoppiato con esiti a volte nefasti.

7 - Alcuni appunti sulla tensione massima da scegliere per i condensatori più critici

La tensione massima dei condensatori di accoppiamento fra l'anodo della valvola che precede e la griglia della valvola successiva devono essere scelti di tensione più alta rispetto alla tensione più alta presente sul circuito.
Questo perché nel momento iniziale, a meno di impiegare un ritardatore di tensione anodica, le valvole saranno spente e ci metteranno diverso tempo per andare in conduzione scaldandosi, quindi non conducendo sui condensatori di accoppiamento avremo tutta la tensione a cui è sottoposto il circuito a vuoto.
Quindi è opportuno sceglierli di tensione abbondantemente alta rispetto alla più alta presente sul circuito anodico.
Prendendo ad esempio il disegno sopra per uno dei casi più catastrofici che si possono presentare, se C3 dovesse andare il corto o più banalmente in perdita la tensione presente sull'anodo della valvola V1 si riverserebbe sulla griglia di V2, rendendola positiva e modificando il punto di lavoro di V2, aumentando la corrente che passa nella stessa con la possibilità di bruciare V2 e tutto il circuito di alimentazione.

8 - Creare un buon condensatore per audio

In genere negli apparati a valvole termoioniche i condensatori di accoppiamento interstadio devono poter gestire delle tensioni abbastanza alte (centinaia di Volt).
Questo fa si che il dielettrico sia particolarmente spesso.
Questo a sua volta determina che per avere grandi capacità occorrono armature con una grande superficie.
Armature di grande superficie hanno una induttanza parassita più alta.
Il mio consiglio è il seguente:

Prendendo ad esempio che lo scopo che ci prefiggiamo sia una capacità di 1uF a 630V (per 2 canali di uno stereo quindi due pezzi uguali).
Prendiamo 9 condensatori da 100nF e li mettiamo in parallelo.
Misuriamo il tutto ed aggiungiamo un condensatore da 47nF poi altri da 10nF poi da 1nF (sempre da 630V) e più piccoli fino a che non otteniamo per addizione la capacità di 1uF.
In questo modo possiamo tarare la capacità in modo fine fino ad arrivare ad una tolleranza che è quella dello strumento che utilizziamo per misurare. Si può arrivare con un po' di accortezza allo 0,5% o meno (con un ponte di misura LCR), risultato nettamente superiore ai condensatori commerciali e ad una induttanza serie di meno di un decimo di un analogo condensatore commerciale. Se non si dispone di uno strumento molto preciso si possono comunque ottenere 2 condensatori quasi uguali (misurandoli in fase di costruzione con lo steso strumento e alla stessa temperatura, quindi l'errore sarà il medesimo).
Alla stessa temperatura ambiente costruiamo nello stesso modo il secondo condensatore.
A questo punto abbiamo 2 condensatori quasi esattamente uguali che varieranno la loro capacità in funzione della temperatura nello stesso modo.
Chiudiamo il tutto in un contenutore ferromagnetico (ferro o meglio permalloy) con della resina epossidica sottovuoto con la possibilità di mettere a massa la carcassa. I componenti devono avere qualche millimetro di distanza dal contenitore, sia per ragioni di isolamento che per non avere capacità parassite verso il contenitore metallico.
Abbiamo appena costruito una coppia condensatori selezionati a coppia e insensibili ai disturbi di natura elettrostatica e magnetica.

9 - Il mito della risonanza delle armature

Tempo addietro ho letto un interessante articolo che cercava di spiegare le differenze udibili fra vari condensatori di accoppiamento audio.
Partiva dal presupposto che all'interno del condensatore si possono instaurare delle vibrazioni di natura meccanica per via delle forze di attrazione e repulsione reciproche delle armature e della relativa comprimibilità del dielettrico.
Come principio una specie di altoparlante elettrostatico per intenderci.
Questo creerebbe delle variazioni di capacità e una variazione nel segnale, avvertibile ad orecchio.
Mi sembra una cosa che non sta ne in cielo ne in terra anche perché essendo il condensatore progettato per far passare il segnale, quindi di relativamente grande capacità, la tensione del segnale fra le armature è veramente minima, in linea di principio idealmente zero.
In ogni caso per ovviare basterebbe adottare una capacità più grande.