Ток утечки старых электролитических конденсаторов и деградация блока питания УМЗЧ

Усилитель мощности, которому исполнилось двадцать лет, может звучать превосходно и при этом медленно деградировать в режиме, который никакой стандартной диагностикой не обнаруживается. Причина спрятана в электролитических конденсаторах фильтра блока питания. Не в их очевидных дефектах вроде вздутой крышки или высохшего электролита, а в постепенном росте тока утечки и эквивалентного последовательного сопротивления. Ток утечки в данном случае служит диагностическим индикатором химического разрушения оксидного слоя, тогда как рост ESR непосредственно создаёт динамический перекос питающих шин на пиках нагрузки и нарушает симметрию работы выходного каскада. Это не теоретическая угроза, а вполне измеримое явление с понятной физикой.

Физика оксидного слоя и механизм роста тока утечки при старении

Алюминиевый электролитический конденсатор использует в качестве диэлектрика тончайший слой оксида алюминия Al2O3, нарощенный электрохимически на поверхности анодной фольги. Толщина этого слоя прямо пропорциональна рабочему напряжению конденсатора: примерно 1,4-1,5 нм на вольт. Для конденсатора на 63 В это означает слой толщиной около 90 нм, что в 700 раз тоньше листа бумаги.

Оксид алюминия является полупроводником с запрещённой зоной около 8,8 эВ. Ток утечки через него в свежем, только что сформованном состоянии описывается механизмом туннелирования Фаулера-Нордхейма и ионной проводимости:

IL = A · exp(-B / E) + σion · E

где E является напряжённостью поля в оксидном слое, A и B являются константами туннельного тока, σion является ионной проводимостью, зависящей от температуры по закону Аррениуса. В свежем конденсаторе этот ток мал и укладывается в нормативные пределы.

При хранении без напряжения электролит начинает химически взаимодействовать с оксидным слоем. В зонах с наименьшей толщиной оксида, там, где при первоначальной анодировке образовались дефекты или поры, растворение идёт интенсивнее. Местное утончение слоя означает локальный рост напряжённости поля E при том же приложенном напряжении, что по экспоненциальному члену формулы даёт непропорционально большое увеличение тока утечки именно в этих точках. Каждый тепловой цикл ускоряет образование новых дефектов: фольга и оксидный слой расширяются и сжимаются с разными коэффициентами, создавая микромеханические напряжения.

Нормативное значение тока утечки и что оно сигнализирует

Производители электролитических конденсаторов нормируют максимально допустимый ток утечки через 5 минут после подачи рабочего напряжения. Для алюминиевых электролитических конденсаторов общего применения используется формула:

IL = k · C · UR

где константа k = 3·10⁻³, C является ёмкостью в мкФ, UR является рабочим напряжением в вольтах, а IL выражается в мкА.

Для типичного конденсатора фильтра УМЗЧ ёмкостью 10 000 мкФ на напряжение 63 В:

IL_норм = 3·10⁻³ · 10 000 · 63 = 1890 мкА ≈ 1,9 мА

Это норматив для нового конденсатора в установившемся состоянии. У конденсатора, простоявшего без напряжения 5-10 лет, реальный ток утечки при первом включении может в 5-20 раз превышать нормативное значение. Контур, по которому замыкается этот ток, проходит через полуобмотку трансформатора и выпрямительный диод. Внутреннее сопротивление этого источника составляет 1-3 Ом, поэтому статический перекос шин питания от разницы токов утечки в двух плечах оказывается на уровне единиц-десятков милливольт и схемотехнически несущественен.

Важен другой факт: повышенный ток утечки является надёжным индикатором того, что оксидный слой химически разрушен. А разрушенный оксидный слой неизбежно сопровождается деградацией второго параметра, который уже прямо влияет на работу усилителя, а именно ESR.

ESR как главная причина динамического перекоса питания

Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) складывается из сопротивления выводов, обкладок, электролита и переходного сопротивления на границе оксид-электролит. Новый конденсатор Nichicon серии KW ёмкостью 10 000 мкФ/63 В имеет ESR около 12-15 мОм при частоте 100 Гц. После длительного хранения без напряжения и частичного разрушения оксидного слоя ESR того же конденсатора после неполной формовки может составлять 200-500 мОм, то есть вырасти в 15-30 раз.

Пиковый ток нагрузки выходного каскада при мощности 100 Вт на нагрузке 8 Ом составляет:

Iпик = √(2·P / Rн) = √(2·100 / 8) = 5 А

Падение напряжения на ESR при этом токе:

ΔUESR = Iпик · ESR = 5 А · 0,3 Ом = 1,5 В

Это динамическое проседание шины питания на каждом пике басового или мощного среднечастотного сигнала. Если ESR конденсаторов в двух плечах деградировал несимметрично, что при независимом старении двух разных экземпляров вполне типично, проседание положительной и отрицательной шин при одинаковом пике тока оказывается разным.

Пусть ESR+ = 0,3 Ом, а ESR- = 0,08 Ом. При пиковом токе 5 А:

ΔUESR+ = 5 · 0,3 = 1,5 В ΔUESR- = 5 · 0,08 = 0,4 В

Разность просадок питающих шин в момент пика сигнала составляет 1,1 В. Именно это и есть динамический перекос: он существует не постоянно, а возникает строго синхронно с крупными пиками сигнала, то есть модулирует сигнал с частотой его же огибающей.

Динамический клиппинг и его влияние на спектр искажений

Асимметричное проседание шин питания при пиках нагрузки означает, что максимальная амплитуда выходного напряжения в положительном и отрицательном направлении оказывается разной. Положительное плечо, питание которого проседает на 1,5 В, уходит в ограничение на 1,1 В раньше, чем отрицательное.

В двухтактном каскаде класса AB симметричное ограничение порождает нечётные гармоники при взаимной компенсации чётных. Асимметричное ограничение нарушает эту компенсацию: чётные гармоники, в первую очередь вторая, перестают взаимно вычитаться и появляются в спектре выходного сигнала. При динамической асимметрии шин в 1 В уровень второй гармоники на выходе усилителя при работе вблизи максимальной мощности возрастает на 15-25 дБ относительно симметричного режима.

На осциллографе это выглядит как модуляция огибающей сигнала пульсациями 100 Гц. На слух это воспринимается как "грязный" бас, "схлопывание" сцены на громких фрагментах и общее ощущение потери динамики. Эффект нарастает именно при больших уровнях громкости и практически незаметен при тихом воспроизведении, поскольку при малых токах нагрузки падение на ESR мало.

Почему PSRR не спасает от асимметричного ESR

Здесь важно разграничить два физически разных явления. PSRR (Power Supply Rejection Ratio) описывает способность усилителя с замкнутой петлей ООС подавлять постоянные и медленно меняющиеся помехи питания. Типичный УМЗЧ с дифференциальным входным каскадом и глобальной ООС имеет PSRR на постоянном токе 60-80 дБ. Это означает ослабление статических отклонений питания в тысячи раз, и поэтому небольшой статический перекос шин действительно не создаёт ощутимого смещения постоянки на выходе.

Но динамическое проседание шины при пиках сигнала это не помеха питания в обычном смысле. Это уменьшение доступного напряжения питания синхронно с самим сигналом. Усилитель не может выдать больше, чем разность питающего напряжения и насыщения выходного транзистора. Когда питание просело на пике, никакая ООС не восстановит недостающие вольты: ограничение происходит на физическом пределе, который ООС преодолеть не способна.

Постоянное смещение на выходе: где настоящий виновник

Отдельного внимания заслуживает вопрос о постоянном напряжении на клеммах акустики. В усилителях с глобальной ООС коэффициент передачи по постоянному току равен единице: в цепи ООС стоит конденсатор, который шунтирует цепь обратной связи по постоянному току и делает усиление по постоянному току равным одному. Это означает, что на выход уйдёт ровно та ошибка, которую создаёт входной дифференциальный каскад.

Настоящими причинами роста постоянного смещения на выходе стареющего УМЗЧ являются два процесса, не связанные с фильтрующими конденсаторами блока питания. Первый: деградация разделительного электролитического конденсатора в цепи обратной связи, который задаёт граничную частоту и постоянную составляющую ООС. При росте его тока утечки через него начинает протекать постоянный ток, создающий падение напряжения на резисторе цепи ООС. Это напряжение воспринимается усилителем как входной сигнал и воспроизводится на выходе с коэффициентом единица. Второй: несимметричное изменение бета транзисторов дифференциальной пары со временем и при длительном воздействии температуры. Разный hFE двух транзисторов пары создаёт ненулевое напряжение смещения, которое также проходит на выход с коэффициентом единица.

Диагностика: как разделить деградацию по ESR и по току утечки

Измерение тока утечки требует правильной методики. Конденсатор подключают к источнику постоянного напряжения, равного его рабочему номиналу, через токоограничивающий резистор 1-2 кОм. Ток измеряют через 5 минут после подачи напряжения, когда ёмкостная составляющая зарядного тока полностью спала. Превышение нормативного значения по формуле IL = k·C·UR более чем в 3 раза указывает на химическую деградацию оксидного слоя и является основанием для замены.

ESR измеряют специализированным прибором при частоте 100 Гц. Для конденсаторов 10 000 мкФ/63 В браковочный порог ESR составляет 100-150 мОм: это в 8-10 раз выше нормы нового конденсатора. Именно превышение ESR, а не рост тока утечки, непосредственно определяет динамическое проседание шин и асимметричный клиппинг.

Практический сигнал о деградации без приборов можно получить наблюдением за осциллограммой выходного сигнала при работе с синусоидой на уровне 80-90% максимальной мощности. Модуляция вершин синусоиды с частотой 100 Гц, видимая как лёгкое "дрожание" или несимметрия положительных и отрицательных полупериодов, является прямым следствием разного ESR в плечах фильтра. После замены конденсаторов эффект исчезает немедленно.

Почему симптомы нарастают постепенно и не связываются с питанием

Хитрость этого отказа в его постепенности. Новый усилитель имеет ESR конденсаторов в норме, и оба плеча питания просаживаются одинаково на пиках нагрузки. Через несколько лет ESR начинает расти, сначала у одного конденсатора быстрее другого. Асимметрия просадок нарастает от десятков миллиомов до сотен. Искажения растут медленно, и владелец не замечает изменений, потому что на малой громкости усилитель звучит по-прежнему чисто: при токах нагрузки 0,5-1 А разница просадок мала даже при значительном разбросе ESR.

На больших уровнях громкости, именно там, где пиковые токи достигают 3-5 А, асимметрия ESR проявляется в полную силу. Бас теряет чёткость, пространство "сужается", динамика ощущается как зажатая. Владелец обычно не связывает это с блоком питания, потому что никакой "поломки" внешне не произошло. Замена конденсаторов фильтра на новые с низким ESR возвращает усилитель в исходное состояние полностью, если только деградация не успела затронуть разделительные конденсаторы в цепях ООС.