Maykol Rey
Ing. Electrónico
17/02/2025
Capacitor de acoplamiento AC
Hace unos días terminé el diseño de un amplificador clase D de texas instruments el TPA3116D2. Mi objetivo era conseguir la máxima calidad de audio ya que hay algunos fabricantes que están logrando eso con estos amplificadores integrados. Ellos presumen de inductores japonés de la marca Sumida y de capacitores Wima alemanes y capacitores de filtrado de la marca Nichicon.
En este pequeño artículo trataré de explicar cómo puede afectar un capacitor de acoplamiento la calidad del sonido de un amplificador, me estoy basando en foros de audio especializados, artículos científicos y uno que otro libro de audio.
Vamos a ver porque todo el mundo venera los capacitores Wima como lo máximo en capacitores para la línea de audio y porqué no se debe usar un capacitor electrolítico como capacitor de acoplamiento.
Capacitor de acoplamiento AC
El capacitor de acoplamiento AC es el capacitor que se ubica en la entrada de la señal de un amplificador, el objetivo de este capacitor es cancelar la señal de corriente continua que pueda entrar al amplificador. Se suele cometer el error de llamar a este capacitor, “capacitor de desacoplamiento” la verdad es, que el capacitor de desacoplamiento es el que se usa para cancelar las señales de alta frecuencia en AC.
¿Cómo funciona el capacitor de acoplamiento AC?
El capacitor de acoplamiento AC es básicamente un filtro pasa altas de primer orden. Como ya sabemos la frecuencia audible para los humanos va desde los 20Hz hasta 20kHz, es importante tener en cuenta las bajas frecuencias ya que si se escoge un capacitor de una capacitancia muy elevada se estará dejando pasar señales subsónicas que no aportan valor al sonido, por otra parte, si se escoge un valor muy bajo de capacitancia se podrían estar cortando señales bajas que sí podrían interesarnos.
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Escoger el valor correcto de un capacitor de acoplamiento
Como mencioné antes el capacitor de acoplamiento forma parte de un filtro pasa altas de primer orden, ósea:
Donde,
- = Frecuencia de corte, 20 Hz por ejemplo.
- = Impedancia de entrada del amplificador
- = Capacitancia
La impedancia de entrada generalmente está en la hoja de datos del dispositivo o si es un amplificador transistorizado es la impedancia de la etapa de la etapa diferencial del amplificador.
Bien, digamos que conocemos y , entonces.
Vamos a asumir que R tiene un valor de 100k como en el TDA7294 y Fc= 20 Hz, en este caso C tendra un valor de 79.57nF, esto es técnicamente correcto, sin embargo, hay gurús del audio1 que no están de acuerdo con esto principalmente porque se trata de un filtro pasa alta de primer orden.
Es decir que a pesar que la frecuencia de corte esté correcta el filtro no cortara la frecuencia exactamente ahí, al contrario estará atenuando frecuencias por encima de los 20 Hz, como se ve el Figura 1, las señales se atenúan hasta los 100 Hz más o menos.
Debido a esto surge algo de la regla de las 10 veces o incluso las 100 veces, Esto consiste en multiplicar por 10 el valor de capacitancia que ha resultado es decir en vez de ser 79.57nF debería ser 795,77 nF o incluso podría ser 7,95 uF. Esto genera frecuencias de corte de 2 Hz y 0,2 Hz con lo cual se evita el ingreso de señales de corriente continua pero se obtiene la mayor cantidad de información de señal, como se ve en el Figura 2.
En este caso se puede ver como la frecuencia de corte está en 2 Hz y que deja de atenuarse por encima de los 15 Hz.
Desde mi punto de vista es un poco exagerado multiplicar por 100, ya que se estaría ingresando señales que realmente no aportaría ni sonido ni cuerpo al sistema de audio, multiplicar por 10 sería suficiente.
Escoger el tipo de capacitor correcto
Este es un tema que genera un sin fin de debates en foros de expertos de audio. daré mi opinión en función de todos los temas que he leído y con el cual se ha llegado a un consenso.
Hay una amplia variedad de capacitores disponibles, cada uno hecho con diferentes materiales. Por ejemplo, podría seleccionar un capacitor cerámico, un electrolítico o un capacitor de film, todos de 0,08 uF y colocarlos en la línea de audio, pero, ¿obtendría el mismo resultado? la respuesta simple es NO y aquí te explicaré las razones.
Capacitor Cerámico en señal de entrada de audio
Comenzamos por los capacitores cerámicos SMD, parecen la opción más conveniente debido a su bajo costo y la forma fácil de instalación. Sin embargo, hay un parámetro en los capacitores cerámicos que se denomina coeficiente térmico, este es un valor que indica cuán estable es la capacitancia en función de la temperatura y el voltaje aplicado, entre los más comunes están el XR7, el XR5 y C0G.
Usar un capacitor X7R o X5R hace que el sistema sea propenso a inestabilidad, porque en un momento la capacitancia puede ser de 80 nF y en otro momento de 90 nF lo que provocaría que unas frecuencias se escuchen más fuertes y que otras de forma aleatoria, sin mencionar, el efecto piezoeléctrico que estos producen en la señal de entrada llegando producir un zumbido que puede ser amplificado. Debido a esto se deben descartar los capacitores cerámicos en la línea de entrada de audio, sin embargo hay una excepción; los capacitores C0G estos capacitores son térmicamente estable, es decir que su capacitancia prácticamente no varía en función de la temperatura 2.
La desventaja con el uso de capacitores C0G, es que el máximo valor que he visto hasta ahora es de 2 uF y viene en un encapsulado 2220 x 3, es decir una torre de capacitores como se ve en la imagen.
Para un valor de 0.082 uF (el valor más cercano al calculado) el tamaño es 1206 y con un costo de 0.44$, 4 veces más caro que un capacitor X7R.
Capacitor electrolítico en señal de entrada de audio
Ahora analizaremos la opción de usar un capacitor electrolítico, porque realmente se ve bastante en las entradas de audio.
Es técnicamente correcto usar un capacitor electrolítico como capacitor de acoplamiento aunque hay que tener en cuenta algunas propiedades.
- Un capacitor electrolítico debe tener un valor bastante grande, de esta forma se podría compensar la distorsión que se produce en baja frecuencia 3.
- Los capacitores electrolíticos tienen un porcentaje de absorción dieléctrica bastante grande lo que también estaría generando distorsión a la entrada del sistema 4
- Los capacitores electrolíticos tiene un dieléctrico que con el tipo se seca y varía su capacitancia, es por esta razón que en muchos equipos antiguos esto sea un punto de reemplazo.
Usar capacitores polarizados y no polarizados también son un motivo de controversias, según Jung y Marsh en Picking Capacitors 4 , usar un capacitor de electrolítico polarizado no debería suponer un problema a bajos niveles de voltajes (3 Vrms) sin embargo el uso de 2 capacitores polarizados conectados negativo con negativo podría suponer una mejora de 10 veces en la distorsión armónica total.
En la siguiente imagen se puede ver las 2 formas de conectar un capacitor polarizado en la entrada de audio.
Cómo puede deducir, usar un capacitor electrolítico no es la mejor opción para usarlo como capacitor de acoplamiento en sistemas de audio de alta fidelidad, pienso que la razón por la que se usar bastante es por el bajo costo que estos tienen en comparación con los capacitores que hablaremos a continuación.
Capacitor film en señal de entrada de audio
Estos capacitores son los más ideales para el acoplamiento en AC de un amplificador, tienen una alta estabilidad térmica, tienen una absorción dieléctrica baja, no cuenta con un dieléctrico que se pueda secar y el mejor fabricante da una vida útil mayor a 30 años.
Una de las desventajas de este tipo de capacitor es que no se pueden encontrar valores de capacitancias muy elevados y el tamaño del encapsulado es bastante grande en comparación a un capacitor cerámico XR7 0805, por ejemplo.
Una de las marcas más populares es Wima, es una compañía alemana que se ha especializado en fabricar capacitores lo más ideal pueden.
El capacitor que he calculado para el TDA7294 es de ~800 nF en Digikey solo esta disponible el FKP2D011001D00KSSD, un capacitor de 1000pF, con una densidad dieléctrica de 0.05% y un rango de operación de -55ºC a 100ºC
Estos capacitores se caracterizan por ser de color rojo y por lo general solo se ven en equipos de alta calidad. Otra alternativa podría ser el Kemet R82EC1100DQ50K, sin embargo todas su características parecen inferiores a pesar de ser un capacitor de la misma familia, pienso que si no muestran alguna información es porque es información no les conviene.
Claro, el costo de un capacitor Kemet es la mitad de uno Wima.
Conclusión
Esta investigación la verdad me ayudo mucho en conocer la importancia del capacitor de entrada y su gran importancia en un sistema de audio de alta fidelidad, es increíble cómo cada pequeña parte de un amplificador puede hacerse tan compleja al punto de generar grandes debates en foros, creación de varios artículos en revistas y hasta artículos científicos donde se observa el efecto que produce un capacitor de entrada en la línea de audio.
Referencias
- Syfer Capacitor Basics, https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/x7r-x5r-c0g...-a-concise-guide-to-ceramic-capacitor-types/
- https://www.digikey.com/en/products/detail/kemet/C2220C205K5GLC7810/25922814
- https://www.knowlescapacitors.com/getmedia/565a0258-02ca-401e-8d59-71edb1c12573/an0034.pdf
Footnotes
- Choosing the correct coupling capacitor ↩
- IAN Z. ANDERSON, Evaluating Electrolytic Capacitors Specified for Audio Use: A Comparative Analysis of Electrical Measurements and Capacitor Distortion Products in Line Level Interstage Coupling Applications, https://www.aes.org/tmpFiles/elib/20250217/20891.pdf ↩
- Self, Douglas, Small Signal Audio Design ↩
- Walter G. Jung, Richard Marsh, Picking Capacitors 1 ↩ ↩2
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