Аудиофильские электролитические конденсаторы

Именно материалом по очень популярным в аудиофильской среде конденсаторам Black Gate® Rubycon я когда-то и хотел начать тему «Аудиофильские электролитические конденсаторы», но сразу не получилось. Информации в Интернете вроде много, а с первоисточниками плохо, почти нет. В сети циркулирует единственный листок типа коллективный «даташит» без указания производителя и с минимумом информации, но, к сожалению, в виде картинки весьма низкого разрешения, на которой основной текст читается очень плохо, а более мелкие примечания вообще не читаются. Приводить такой материал я считаю невозможным — это будет халтура. Вот и пришлось подождать несколько лет до развития нейросетей, с помощью которых удалось «починить» картинку и прочитать всю текстовую информацию. А затем стало возможным поправить этот коллективный «даташит» до читабельного состояния:

Как можно заметить, материал не очень информативный; дается немного информации по особенностям применения каждой серии и табличка с номенклатурой, в которой нет никаких параметров, кроме размеров. Этому есть объяснение. Начать с того, что разработчиком всей серии Black Gate является вовсе не Rubycon, а гораздо менее известная небольшая японская компания Jelmax Co. Ltd. (Shinbashi, JP) не имеющая своих производственных мощностей. Rubycon являлся только производителем, выпускавшим конденсаторы по заказу Jelmax, причем Rubycon не единственный производитель, были таковые и до него, но Rubycon стал основным (и последним) производителем Black Gate с 1988 года и по 2006 год. Поэтому Rubycon не указывал конденсаторы Black Gate в своих каталогах и не выпускал открытых даташитов, лишь потому, что все права на серию Black Gate принадлежали Jelmax (на обложке каталога Rubycon 1991 года есть фото кучки конденсаторов, где присутствует и Black Gate, но внутри про него ни слова).

Компания Jelmax не будучи производителем, не придавала особого значения такому важному сопровождающему сложный товар документу, как даташит, и пыталась продвигать свою продукцию несколько другими методами, как-то: реклама в профильных журналах, участие в выставках и нерегулярный выпуск собственных информационных материалов под названием «Jelmax Technical Reports».

Тут надо сказать, что само явление «даташит» в электронике сформировалось примерно к 60-м годам прошлого столетия и содержимое даташита никогда не нормировалось, а возникло стихийно, по мере осознания необходимости подачи того или иного материала. Сначала даташиты появились на более сложную продукцию, типа микросхем и полупроводников, а потом постепенно распространились и на другие продукты. Jelmax запатентовала Black Gate в 1978 году, в эпоху, когда даташиты на пассив выпускали только несколько очень крупных производителей типа Phillips, а большинство более мелких отделывалось скромными табличками с перечнем номенклатуры. Так что, уверен, что даташиты на Black Gate можно даже не искать и наличие хоть такого листка уже большая удача.
Виды Black Gate
Так уж исторически сложилось, что основное применение конденсаторы Black Gate нашли в аудио. Вот наиболее приближенная к аудиореалиям таблица назначений.

Таблица 1. Назначение серий Black Gate

Рис. 1. Зависимость ESR от частоты для конденсаторов 2200 мкФ ´ 63 В различных производителей

Таблица 2. Сравнительные спецификации конденсаторов

Все перечисленные в таблице 2 типы конденсаторов уже давным-давно стали винтажными и я привожу эту таблицу здесь только для иллюстрации неактуальности данного сравнения на сегодняшний день.
Голубая серия АС по-прежнему занимает твердую позицию в пассивных кроссоверах акустических систем и востребована по сей день.
Серия NH предназначена для импульсных ИП, как их представляли себе 40 лет назад в Японии, т.е. под напряжение сети 100 В. Как минимум морально устарела.
Серии WKZ и, отчасти, WK заточены в основном под ламповые усилители и в этой области остаются весьма актуальны и востребованы.
Самые интересными на сегодня с инженерной точки зрения представляются неполярные красная (N и NX) и сапфировая (NX) серии, а также производные от них Super E-Cap. В основном потому, что позволяют создавать весьма актуальные на сегодня ультрамалошумящие ИП, применяемые в частности для создания опорного напряжения и формирования выходных напряжений ЦАП.
Уникальные особенности Black Gate
Black Gate имеют уникальную особенность – процесс формовки или активации (иногда еще называемый «холостым ходом»). Это единственные электролитические конденсаторы, которые обладают подобным свойством, что сразу же ставит их особняком от прочих. Стадия формовки оказалась необходимой для завершения запатентованного структурного разделения зон на пути передачи электронов. Формовка небыстрый электрохимический процесс, ее минимальная гарантированная длительность составляет 30 часов. Формовка происходит при первом включении аппаратуры, в которой установлены Black Gate. После подачи рабочих токов свойства Black Gate непрерывно меняются и процесс выходит на плато через 30 часов. Строго говоря длительность процесса зависит от силы протекающего тока и при малых токах может длиться гораздо более 30 часов. Если говорить о звуке, то при первом включении Black Gate ведут себя как обычные электролиты, затем звук постепенно меняется, это заметно, но описать происходящие изменения трудновато именно вследствие их текучести. Именно эта особенность в свое время надолго отвратила меня от конденсаторов Black Gate .
Печальный опыт
Где-то в первой половине 90-х на случайные свободные деньги я приобрел «настоящий» японский усилитель Yamaha AX-392 (они тогда продавались во всех магазинах). Сказать, что я был разочарован, это ничего не сказать. Это был самый отвратительный усилитель из тех, что я имел когда-либо (кроме, пожалуй, следующего «покупного» усилителя Arcam, номер которого память милосердно не сохранила). На слух гораздо хуже моего старого самодельного, сделанного по схеме из журнала Радио. Но я никак не мог смириться с тем простым фактом, что «фирменный» усилитель культовой фирмы Yamaha просто портит звук. И вот через небольшой период времени один из знакомых энтузиастов-аудиофилитиков посоветовал мне заменить электролиты в БП AX-392 на «волшебные» конденсаторы Black Gate (я тогда первый раз о них услышал). В БП AX-392 стояла пара заказных то ли 4700х56, то ли 6800х56 (точно уже не помню) от солидной фирмы Nippon Chemi-Con. Знакомый предлагал заменить их на черные Black Gate 2200х63 из серии с утраченным названием, уверяя меня, что Black Gate на 2200 мкФ соответствует примерно 10000 мкФ обычного электролита. Он же готов был предоставить и сами конденсаторы «по дешевке» примерно в четверть цены самого усилителя. Я, естественно, отказался, но где-то через месяц этот приятель зашел ко мне поздно вечером сильно подшофе и предложил купить 4 конденсатора Black Gate 2200х63 по 10 долларов каждый, типа «даром». Я почему-то сдался и эти конденсаторы приобрел, но, после небольшого торга, всего за 25 долларов. Правда, до модернизации усилителя дело дошло не сразу, а только где-то через год. Сначала я особой разницы не почувствовал, но, памятуя про формовку, не выключал усилитель несколько дней, каждый вечер пытаясь уловить разницу в звучании. И действительно уловил, дня через два слушать стало интереснее, только звучание все время неуловимо менялось, что было легко заметить, прослушивая один и тот же трек несколько раз в течение часа. Может мои конденсаторы были не новые и слега «испортились» при хранении, но процесс формовки никак не хотел заканчиваться, и я все время слышал какие-то изменения в звуке, хотя в общем звук стал заметно лучше. Эффект еще более усиливался при повторном включении усилителя после паузы в несколько дней. Короче, скоро мне это надоело, и я легко и без сожаления расстался с модернизированной Ямахой AX-392, а попутно на четверть века потерял всякий интерес к конденсаторам Black Gate.
О грейдах Black Gate
Конденсаторы Black Gate не обделены дополнительными надписями на корпусе, которые встречаются на большей части номенклатуры Black Gate .

Рис. 2. Внешний вид различных конденсаторов Black Gate

Некоторые явно поясняющие и не вызывают никаких вопросов, например, «NONPOLAR» или «NP», да и, очевидно, что такие надписи не могут считаться обозначением грейда. Но вот надписи типа «ELECTRON TRANSFER», «AUDIO use» или «Heart of Muse» очень похожи на грейд. Для того, чтобы являться грейдом, должны существовать конденсаторы этой же серии, но без этой надписи. Увы, но таковых не замечено. Значит указанные надписи не грейд, а его имитация. Просто маркетинговый прием.
Конструктивные отличия Black Gate
Наверное, прежде чем рассуждать о конструктивных отличиях различных серий Black Gate друг от друга, надо кратко рассказать об отличии конденсаторов Black Gate от «обычных» электролитов. Интернет изобилует материалами по конструкции Black Gate и нет особого смысла повторять их здесь еще раз (ссылка). Уже из названия Black Gate (Черные ворота) понятно, что все они содержат в составе сепаратора черный углеродный микропорошок. Эта, казалось бы, незначительная особенность и обуславливает революционное улучшение параметров. В остальном конструкция Black Gate абсолютно тривиальна — две обкладки из алюминиевой фольги свернутые в рулон. Одна (или обе) из обкладок предварительно оксидирована. Обкладки разделяет сепаратор из манильской бумаги пропитанной электролитом и содержащий в себе порошок углерода. Манильская бумага сделана из манильской же конопли и характеризуется очень длинными волокнами. На вид она похожа скорее на вату, чем на бумагу. Довольно сложная и недешевая технология наполнения манильской бумаги порошком углерода, разработанная Jelmax, является узким местом всего процесса изготовления Black Gate и, в конечном итоге, основной причиной прекращения производства.
Главный вопрос сразу возникающий при просмотре «листка»: чем же таким существенным отличаются друг от друга различные серии Black Gate? Указанная в листке специализация серий по идее должна обуславливаться конструктивными отличиями. Увы, прямых указаний на это не дается. Кое-какие подробности удалось подчерпнуть из патентов Jelmax. Выяснилось, что «черные» серии Black Gate в основном различаются вариациями состава электролита, некоторыми конструктивными особенностями и содержанием углеродного микропорошка в сепараторе (от 0,5 до 7% от веса сепаратора), но конкретные значения по сериям нигде не указываются.
Отдельно стоят неполярные красная и сапфировая серии. Конденсаторы этих серий помимо углеродного микропорошка содержат еще микропорошок из металлов платиновой группы; платины, палладия и их сплавов (от 0,1 до 1% от веса сепаратора, т.е. ничтожное количество). Единственный тип конденсаторов Black Gate для которого известно точное содержание микропорошков — это красная серия N, сепаратор которой содержит 4% микрочастиц графита и 0,4% палладия в расчете на массу сепаратора.
С большой долей вероятности можно предположить, что наличие в составе неполярных серий Black Gate драгметаллов наверняка было еще одной причиной снятия этих серий с производства.
Весьма важными для потребителя являются различия в сериях Black Gate, связанные с напряжением формирования катодного электрода, что с точки зрения внутренней структуры определяется толщиной слоя оксида на катодном электроде. На Рис. 3 показаны два крайних случая.

Рис. 3а. Полярный Black Gate

 

Рис. 3б. Неполярный Black Gate

Таблица 3. Напряжения формирования катодного электрода для всех продуктов Black Gate

Величина напряжения формирования оксидной пленки катодного электрода Black Gate может быть выбрана достаточно произвольно, в отличии от напряжения формирования анодного электрода, жестко задаваемого величиной рабочего напряжения конденсатора.
Тут надо напомнить, что оксидная пленка формируется на стадии изготовления и напряжение формирования оксидной пленки анодного электрода всегда должно быть выше на 20...100% предполагаемого номинального положительного напряжения полярного конденсатора, при этом предполагается, что отрицательное напряжение к этому конденсатору не прикладывается. Это справедливо и для первой строки таблицы 2 (серии Standard, PK, C), а уже во второй строке видно, что серии FK, VK, K могут выдержать небольшое отрицательное напряжение, например, работая в качестве разделительных конденсаторов. В дальнейших строках видно, что все серии WK и WKZ являются «частично» неполярными, т.е. могут выдерживать достаточно высокое отрицательное напряжение (ниже номинального), а серия WKZ 500V, конкретно заточена для работы в составе лампового усилителя. Неполярные серии здесь в комментариях не нуждаются.
Неполярные Black Gate
Сегодня неполярные электролитические конденсаторы в основном применяются в пассивных кроссоверах АС, т.е. являются достаточно узкоспециализированными компонентами. Усилиями фирмы Jelmax неполярные конденсаторы Black Gate должны были стать конденсаторами воистину универсального применения, предполагая занять часть ниши пленочных конденсаторов. Основанием для этого были сравнимые с пленкой параметры при гораздо меньших габаритах, а значит и стоимости. Жаль, что эти планы не были полностью реализованы, но так случилось в основном не из-за технических просчетов, а неправильной торговой политики. И именно недооценка и непонимание важности политики стало неодолимой стеной на пути всех замечательных планов Jelmax, но обсуждать этот вопрос мы тут не будем, т.к. это уведет нас слишком далеко в сторону.