Gemeten verschillen tussen condensatoren voor Audio-toepassingen

Nederlandstalige bewerking van een artikel van Conrad Hoffman 

Gedreven door de steeds weer oplaaiende discussies tussen de objectieve- en subjectieve kampen, over de kwaliteitsverschillen tussen de gebruikte condensatoren in de audio, heeft Conrad Hoffman een serieuze poging gedaan om de verschillen die tussen de diverse typen audio-condensatoren bestaan, te meten en vast te leggen. De uitkomsten van dit onderzoek kun je in het artikel hieronder lezen.

Er is algemene overeenstemming dat verschillende condensatoren verschillende geluidskwaliteiten kunnen vertonen in audio-toepassingen onder verschillende omstandigheden. Welke condensatoren in welke schakelingen en onder welke omstandigheden blijft echter een veelbesproken onderwerp. De kwestie wordt bemoeilijkt door een enorme hoeveelheid mythen, verhalen en legendes, evenals marketinghype en gebrekkige testmethodologieën, die de discussie verwarren en zorgen voor een grote kloof tussen de objectieve en subjectieve kampen van audiodesignfilosofie.

Laat er geen misverstand over bestaan, ik zit stevig bij het kampvuur met de objectivisten. Ik heb geen tolerantie voor het standpunt dat geluidskwaliteit buiten onze schijnbaar primitieve en nutteloze meetmogelijkheden valt, dat er een "parameter X" is die we nog moeten ontdekken en die niet gemeten kan worden met de huidige technologie. De gevallen die een dergelijk argument ondersteunen, vallen onvermijdelijk uiteen onder een zorgvuldige analyse - metingen werden nooit echt uitgevoerd, de verkeerde metingen werden gedaan of ze werden slecht uitgevoerd. Vaak verdwijnt het vermeende verschil onder strengere luisteromstandigheden. Het lijkt voor het subjectieve kamp onbegrijpelijk dat ze onderhevig zijn aan dezelfde vooroordelen als de rest van ons, maar dat zijn ze wel. Ik zou nooit zeggen dat het opsporen van geluidskwaliteitsverschillen eenvoudig is; het kan zelfs berucht moeilijk zijn, maar de tools en technieken bestaan wel degelijk. Het enige wat vaak ontbreekt is vasthoudend doorzettingsvermogen.

Ik ga testgegevens presenteren voor een kleine groep van 0,01 uF condensatoren om ten eerste aan te tonen dat wanneer mensen het over "metingen" hebben, ze meestal dingen negeren die de geluidskwaliteit kunnen beïnvloeden, en ten tweede, dat er duidelijke meetbare verschillen zijn tussen alle onderdelen. Hoewel ik niet kan zeggen op welk niveau deze verschillen hoorbaar worden, zou ik sterk willen suggereren dat als twee onderdelen zeer vergelijkbaar zijn bij een volledige reeks tests, men met bijna volledige zekerheid kan zeggen dat, gegeven een goed uitgevoerd luistertest, hun geluid niet te onderscheiden zal zijn - ongeacht kosten, constructie en bloemrijke marketingtaal. Helaas zal ook duidelijk worden dat elk onderdeel zijn eigen onderscheidende kenmerken heeft en dat de gelukkige situatie van gelijkwaardige onderdelen minder vaak voorkomt dan men zou hopen.

De groep condensatoren bestaat voornamelijk uit 0,01 uF filmtypes vanwege de beschikbaarheid van een 0,01 uF Teflon condensator die ik in de tests wilde opnemen (dank je, Stefano!). Een zilver-mica en een keramische condensator zijn ook inbegrepen, zodat de line-up een voorbeeld bevat van de meeste mogelijke keuzes die men zou kunnen overwegen voor een crossover- of RIAA-netwerk. Een paar types waren iets verschillend in waarde, maar dicht genoeg om te vergelijken voor onze doeleinden. Dus we hebben:

• Audience Aura-T, 0,01 uF, 600V, 1%, Teflon - een matig dure condensator gericht op de high-end audiomarkt
• MIAL, 0,012 uF, 160V, 2,5%, polystyreen - een goedkope condensator die vaak wordt aangetroffen in consumentenelektronica
• Philips, 0,0095 uF, 63V, 1%, polystyreen (twee 4750 pF KS radiale eenheden parallel) - een premium commerciële styreen
• Panasonic, 0,0082 uF, 50V, 2%, polypropyleen - een veel voorkomende en goedkope polypropyleen van Digikey (niet meer verkrijgbaar)
• Acushnet, 0,01 uF, 600V, 10%, polyester (Mylar) - een zeer typische axiale polyester
• Component Research, 0,01 uF, 50V, 1%, polyester (Mylar) - een ontsnapt lucht- en ruimtevaartcomponent van uitstekende constructie
• CDC, 0,01 uF, 500V, 1%, zilver-mica - de bovengrens qua grootte van zilver-mica condensatoren, waarschijnlijk duur
• CGW, 0,01 uF, 50V, 10%, K5L - een Corning Glass Works "Spinseal" C0G/NP0 keramische condensator

De testreeks bestond uit de gebruikelijke laag-niveau metingen van capaciteit en dissipatiefactor bij 1 kHz, seriemodel. Er werd een eenvoudige test voor diëlektrische absorptie uitgevoerd, plus enkele hoogfrequente metingen. Dit zouden de typische metingen zijn die men op een datasheet zou kunnen vinden. Daarnaast werd de parasitaire capaciteit naar een metalen plaat gemeten. Sommige "boutique" condensatoren hebben de neiging om erg groot te zijn en parasitaire capaciteit naar omringende objecten zoals grondvlakken en chassis kan een zorgpunt worden, hoewel de hier geteste Audience-condensator slechts iets groter is dan een polystyreen. Tot slot werd er een nieuwe test voor niet-lineariteit en vervorming toegevoegd aan de reeks - niets meer dan het onderzoeken van het brugresidu op null. Daarover later meer. Merk op dat ik gemakkelijk een stuk of zes of meer metingen kan bedenken die ik niet heb uitgevoerd, dus dit moet niet worden beschouwd als een definitief oordeel over condensatormetingen, maar slechts als een illustratie dat er veel meer gedaan kan worden naast de gebruikelijke waarde- en DF-metingen.

De Resultaten!

Wat betekent dit allemaal?
In een perfecte wereld zou je verwachten dat een condensator exact overeenkomt met de opgegeven waarde, met de meeste andere parameters op nul of oneindig. De basismetingen van de capaciteit hier zijn onopvallend, aangezien de onderdelen grotendeels binnen de toleranties vallen. Alle foliescondensatoren hebben een significante temperatuurcoëfficiënt, dus het is een beetje zinloos om ze te meten op een standaardbrug op een niveau van delen per miljoen, behalve dat dezelfde brug zeer nauwkeurige dissipatiemetingen mogelijk maakt op bijna perfecte diëlektrica zoals Teflon. Er werd veel tijd besteed aan het wachten totdat de capaciteitswaarde stabiliseerde, zelfs na het aanraken van de aansluitdraden, wat de temperatuur verhoogt. Men moet rekening houden met de temperatuurcoëfficiënt bij het bouwen van een RIAA-netwerk en de afwijking berekenen wanneer de condensatoren variëren van inschakelen op een koude dag tot volledig opgewarmd op een hete zomerdag. De meeste voorversterkers hebben geen ventilatie, en dit zou een reden kunnen zijn om hier rekening mee te houden.

De dissipatiefactor is nuttig bij het evalueren van de gezondheid van elektrolytische condensatoren in voedingen. Het effect ervan op de geluidskwaliteit van signaalcondensatoren is niet algemeen aanvaard, maar kan vrij gering zijn. Het getal vertegenwoordigt interne verliezen en kan indien gewenst worden omgezet in effectieve serieweerstand (ESR). ESR is niet constant met de frequentie, maar neigt zo laag te zijn in hoogwaardige condensatoren dat het weinig invloed heeft op de prestaties van de schakeling. Als men hoge Q-resonantiecircuits zou bouwen, zou het een ander verhaal zijn. Toch lijkt een lage dissipatiefactor een kenmerk te zijn van goede diëlektrica, dus een hoog getal kan een aanwijzing zijn dat meer onderzoek nodig is.

Diëlektrische absorptie is mogelijk verontrustender. Er is opmerkelijk weinig gepubliceerd over dit onderwerp. Het was een significant probleem bij vroege analoge computers en sommige gerelateerde boeken bespraken het. Er was ook een goed artikel van Bob Pease, gepubliceerd door National Semiconductor, dat mogelijk de beste beschrijving tot nu toe is. Ik vermoed dat hoge diëlektrische absorptie niet altijd ernstig is, aangezien zilver-mica-condensatoren er in overmatige mate last van hebben, maar toch zeer goed klinkende RIAA-netwerken kunnen produceren. In latere metingen van resterende vervorming veroorzaakt hoge diëlektrische absorptie geen hoge restvervorming, maar ik blijf er toch wantrouwend tegenover staan totdat het als onschadelijk is bewezen.

DC-lekmetingen zouden geen invloed op iets moeten hebben, aangezien de weerstand in elke signaalcondensator zeer hoog zou moeten zijn. Ze geven echter wel iets interessants aan over de constructie van condensatoren. Bij materialen met een hogere diëlektrische constante is minder oppervlakte nodig en kan de lekkage bijna onmeetbaar laag zijn. Materialen met een lagere diëlektrische constante, zoals Teflon, kunnen ondanks hun hoge basale resistiviteit zoveel oppervlakte vereisen dat de lekkage, mogelijk door de geringste verontreiniging of onzuiverheid, kan toenemen. DC-lekstromen zijn waarschijnlijk een goede kwaliteitscontrolemethode, maar niet relevant voor het geluid. Merk op dat condensatoren met een lagere spanningswaarde zijn gemeten bij 50 VDC in plaats van 100 VDC.

Foliecondensatoren hebben over het algemeen uitstekende hoogfrequente eigenschappen, maar dit wordt vaak gecompromitteerd door hun grote formaat en lange aansluitdraden. Je zult merken dat de kleine radiale Panasonic-condensator een veel hogere zelfresonantie (9,7 MHz) heeft dan de Audience-condensator (4,5 MHz). Dit komt niet door een gebrek aan de hoogwaardige Teflon-condensator, maar door het feit dat deze enkele inches aan aansluitdraad heeft en niet dicht bij het lichaam kan worden aangesloten. De Panasonic-condensator heeft slechts een fractie van een inch aansluitdraad en het lichaam is kleiner. Als je hoogfrequente prestaties nodig hebt, mogelijk niet voor geluid, maar om stabiliteit te behouden bij halfgeleiders met hoge bandbreedte, houd dan het formaat en de lengte van de aansluitdraden tot een absoluut minimum. Voor bypass-taken zal oppervlaktebevestiging altijd beter zijn dan met aansluitdraden.

Een vaak verwaarloosde parameter is hoeveel capaciteit een apparaat presenteert aan nabijgelegen objecten. Een fysiek grote condensator zal een significante capaciteit hebben tussen zijn buitenste elektrode en omliggende onderdelen. Er kan ongewenste koppeling optreden naar een aardvlak. Minder gewaardeerd is dat de condensator mogelijk niet is omgeven door hetzelfde geweldige diëlektricum waarmee hij is gebouwd. Hij kan bijvoorbeeld zijn omwikkeld met polyester, ongeacht wat het diëlektricum is. De kwaliteit van de ongewenste capaciteit kan daarom slecht zijn. Een betere opstelling (strikt afgeschermde 3-terminalverbindingen naar een gesloten meetkamer) zou nodig zijn om een betrouwbare DF-waarde voor deze lage waarden te krijgen, dus dat werd deze keer genegeerd.

Onervaren ontwerpers simuleren vaak schakelingen in Spice, maar zelden nemen ze de extra capacitatieve en inductieve koppelingen op die bestaan in echte fysieke schakelingen. Er is geen vervanging voor praktijkervaring. Als je een nauwkeurig netwerk bouwt, zorg er dan voor dat je rekening houdt met parasitaire effecten. De capaciteit tussen een metalen plaat en de te testen condensator werd gemeten met de aansluitdraden kortgesloten en het grootste vlak van de condensator in contact met de metalen plaat. Het Philips-onderdeel was een speciaal geval, omdat het paar niet goed contact kon maken met de plaat. Een aparte Philips-condensator werd op alle oppervlakken getest voor de maximale parasitaire waarde, waarna de waarde werd verdubbeld om het paar te vertegenwoordigen. Alle metingen waren bij 1 kHz, seriemodel. Alle geteste condensatoren vertoonden slechts enkele pF ten opzichte van de plaat, dus in elke normale audiofrequentienetwerktoepassing zou er weinig zijn om je zorgen over te maken. Als een condensator met een vergelijkbare parasitaire capaciteit zou worden gebruikt over een opamp feedbackweerstand, of op het zeer hoge impedantie rooster van een buis, zou deze hoeveelheid capaciteit zorgvuldig moeten worden overwogen. (ja, ik vergat de keramische condensator te meten, maar omdat het lichaam klein is, zou de capaciteit ook klein moeten zijn).

Brugresidu - Vertelt het ons iets nieuws?
Het laatste onderwerp om over te praten is brugresidu. Dit werd gemeten met behulp van een Schering-brug, een oude General Radio Corp. 716C. Deze werd gekozen omdat de belangrijkste instelbare impedanties in de brugarmen hoogwaardige luchtcondensatoren zijn. Er zijn ook enkele onderdelen voor bereik en afstemming die polystyreen- en zilver-mica-condensatoren gebruiken, maar over het algemeen draagt de brug bijna geen niet-lineariteit of vervorming bij aan een meting.

Normaal gesproken wordt een traditionele brug uitgebalanceerd met behulp van een afgestemde null-detector. Een enkele frequentie wordt ingevoerd en alles behalve die frequentie wordt uitgefilterd wanneer men naar de uitgang kijkt. Op die manier is de signaal-ruisverhouding enorm en kunnen metingen met hoge precisie worden uitgevoerd zonder zorgen over brom en ruis.

De brug werkt nog steeds prima zonder de uitgang te filteren. Sterker nog, vroege bruggen werden uitgebalanceerd met niets meer dan gevoelige koptelefoons als detector. Zonder filtering valt een merkwaardig fenomeen op. Sommige condensatoren kunnen tot een veel dieper nulniveau worden uitgebalanceerd dan andere. Dit betekent dat de condensator niet perfect voldoet aan het standaardmodel voor een condensator, een perfecte reactantie in serie of parallel met een perfect weerstandselement, maar het signaal enigszins vervormt.

Dit kan een andere manifestatie zijn van diëlektrische absorptie specifiek voor de meetfrequentie (of misschien ook niet), maar het blijkt een zeer nuttige manier te zijn om naar condensatorvervorming te kijken. De gebruikelijke tests voor diëlektrische absorptie zijn omslachtig en moeilijk uit te voeren bij de frequenties die het meest interessant zijn voor audiofanaten, maar dit is niet zo. Als je naar de volgende oscilloscoopbeelden kijkt, zul je merken dat ze niet goed correleren met de reeds gemaakte metingen van diëlektrische absorptie bij zeer lage frequenties (of met veel anders), maar ik geloof dat ze mogelijk enige relatie hebben met waargenomen geluid, althans in het geval van polyester (Mylar). Ik geloof dat Bates verschillende artikelen heeft geschreven over condensatorvervorming in de Britse publicatie Electronics and Wireless World, en het zou interessant zijn om te zien of de resultaten enige gelijkenis vertonen met deze.

Nieuwe informatie! Vertelt dit ons iets nieuws? Waarschijnlijk niet. Na een discussie op een van de audioforums heeft een lid meer tests uitgevoerd met een vergelijkbare opstelling. Het lijkt erop dat een niet in aanmerking genomen variabele de vervorming is van de signaalgenerator die de brug voedt. Ik moet mijn eigen test nog doen, maar als je die variabele elimineert en een zeer schone generator gebruikt, zal het residu de dissipatiefactor volgen. Dus je kunt dit residugedoe waarschijnlijk negeren, tenzij je het interessant vindt.

De meetopstelling was identiek voor alle condensatoren. De brug werd opgewekt met 120 Hz bij ongeveer 40 VRMS, wat ongeveer 3,6 VRMS over de te testen condensator oplevert. De uitgang van de brug werd bekeken met een oscilloscoop met hoge versterking, ingesteld op 0,5 mV/divisie. Alle oscilloscoopbeelden kunnen dus direct worden vergeleken. Het residu voor alle geteste condensatoren was 360 Hz, de 3e harmonische. Dit is duidelijk "de aard van het beestje", maar is een beetje contra-intuïtief en nogal ongewenst. Verschillende andere condensatoren werden getest en de resultaten waren consistent per type, dat wil zeggen per diëlektrisch materiaal.

Hier is het brugresidu voor de Audience Teflon-condensator:

Vervolgens de Philips polystyreen: 

Daarna de Panasonic polypropyleen:

Vervolgens de CDC zilver-mica:

En tenslotte de Acushnet polyester (Mylar):

Als dit niets anders doet, kan het misschien de consistente afkeer van polyestercondensatoren in de high-end audiogemeenschap verklaren. Wat de rest betreft, ik vraag me af of er een voorkeur is voor een niet-nul hoeveelheid 3e harmonische vervorming, en dat "cap-rolling" mogelijk een poging is om een specifieke voorkeur te bereiken. Is het mogelijk dat aan het ene uiteinde (polyester) de term "hard en grimmig" ontstaat, en aan het andere uiteinde (polypropyleen) "zuigt het leven uit de muziek"? Misschien ligt ergens in het midden (Teflon?) precies de juiste hoeveelheid "rand"? De ingenieur in mij wil dit alles afwijzen omdat de residuen zo klein zijn, maar als je een enorme hoeveelheid anekdotisch bewijs hebt, is het verstandig om er op zijn minst over te speculeren. Ik geloof dat dit ook consistent zou zijn met de bijna universele afwijzing van high-end versterkers met bijna nul harmonische output, hoewel het vermogen van mensen om verschillende versterkers te onderscheiden in dubbelblinde tests bijna onmogelijk is gebleken.

Conrad R. Hoffman
Rev. 1, 6/6/2010 Bewerkt op 30/4/2022

Addendum & Gedachten
7/6/2010 Ik voel me niet helemaal comfortabel bij het rangschikken van de condensatoren op basis van de brugresiduen. In tegenstelling tot THD-metingen bij versterkers, waar het bijna onmogelijk is dat vervormingen elkaar opheffen, is een brug gebaseerd op annulering tussen twee "identieke" paden en kan deze interne en externe fouten compenseren. Daarom vraag ik me af of er een lichte bijdrage van de brug is die de rangschikking tussen de bijna perfecte condensatoren kan veranderen. Het blijft knagen dat de Teflon-condensator niet de beste van de groep is. Wat betreft de polyestercondensator is er geen twijfel, die is gewoon slecht, maar ik moet een manier vinden om "nul" te bevestigen. In het ideale geval zou dat een gigantische luchtcondensator van 0,01 uF zijn, maar zoiets bestaat niet. 0,001 uF is de grootste luchtcondensator die ik heb, en ik wil de metingen bevestigen op dezelfde schaal als de oorspronkelijke metingen. Het is mogelijk om dezelfde meting uit te voeren met de GR1615A-standaardbrug, die alleen luchtreferentiecondensatoren en een verhoudingstransformator gebruikt, hoewel het moeilijker is om brom- en ruisopname te verminderen met die eenheid.

14/6/2010 Het aansluiten van 3 grote GR-luchtcondensatoren in parallel gaf ongeveer 0,0035 uF, waardoor een test kon worden uitgevoerd op hetzelfde bereik als de testgroep. Bromcontaminatie was een groot probleem, omdat er geen afgeschermde kabels konden worden gebruikt—de kabels zouden een extra diëlektricum vormen dat de resultaten zou beïnvloeden. De test was niet doorslaggevend, omdat er nog steeds een klein residu was, vergelijkbaar met dat van de betere condensatoren in de testgroep. Een andere test werd uitgevoerd met de 0,01 uF-range extender-condensator van de standaardbrug. Deze is goed afgeschermd en het residu was lager dan wat zichtbaar was op de schaal waarop de tests werden uitgevoerd. Het is echter geen luchtcondensator. Het is waarschijnlijk polystyreen, dus dezelfde vraag over geannuleerde vervormingen blijft bestaan. Het lijkt erop dat bromopname de resultaten aanzienlijk kan verstoren, dus de frequentie werd veranderd naar 200 en 400 Hz om de effecten te scheiden. Meer condensatoren werden getest met de volgende conclusies:

• De test is in principe geldig, hoewel de exacte rangschikking van de beste condensatoren anders zou kunnen zijn.
• Geen enkele condensator met hoge DF was goed, maar een lage DF is niet de bepalende factor.
• Polyester (Mylar) varieert van slecht tot verschrikkelijk en moet worden vermeden, tenzij je van dat geluid houdt.
• Miniatuur foliecondensatoren leken slechter dan grotere.
• Er zijn weinig vuistregels om op te vertrouwen—de bouwkwaliteit kan zeer belangrijk zijn.

15/6/2010 Heb een grote inspanning geleverd om bromopname te verminderen door nabijgelegen apparatuur los te koppelen van het elektriciteitsnet en een complete afscherming over het testgebied van de brug te plaatsen. Ik heb een ASC x463 polycarbonaatcondensator en een General Radio kalibratiecondensator toegevoegd (een enorme zilver-mica folie stapelontwerp—niet bijzonder indrukwekkend voor audiogebruik). Deze test was bij 60 Hz omdat het residu groter lijkt te zijn bij lage frequenties. Het is erg niet-lineair met de testspanning—moet dat verder onderzoeken. Hier is een nieuwe rangschikking—de cijfers zijn in mV van residusignaal.

Een spreidingsdiagram in Excel toonde geen correlatie met diëlektrische absorptie, maar sommige condensatoren vallen wel op een lijn ten opzichte van de dissipatiefactor. Merk op dat DF is weergegeven op een logaritmische schaal. De polystyreen- en Tefloncondensatoren vielen niet op deze lijn, zoals hieronder getoond.

11/7/2015 Gevonden gegevens over CGW keramische condensatoren en toegevoegd aan de beschrijving. Het is een unieke condensator met een uitzonderlijk lage temperatuurcoëfficiënt en stabiliteit, helaas niet meer verkrijgbaar.

19/7/2015 Henry P. Hall (gepensioneerd van GR, ontwerper van de Digibridge) stelde voor dat ik de condensatoren controleer op spanningscoëfficiënt en diëlektrische absorptie. Bij het opzetten van de 716-C met de door GR aanbevolen bias-adapter was de verandering in capaciteit voor alle betreffende condensatoren bijna onmeetbaar. De Mylar-condensator had ongeveer 0,0001%/volt met een bias van 250 VDC. Dat lijkt niet de bron van enig probleem te zijn, dus op een gegeven moment zal ik betere DA-tests doen.

De website van Conrad Hoffman:

Electronic Mess (conradhoffman.com)