キャパシタの発生する歪

歪率が0.01% (-80dB) 程度までなら、CRの歪はたいてい無視できます。(B特性のセラミックC除く) 0.001%(-100dB)辺りから品種の配慮が必要となり、-120dBでは使える部品が限られてきます。 →電圧が直接印加されるキーとなる部品には、カーボン抵抗や小形の積層フィルムCは使えない。
-140dB以下を狙うと使える品種はさらに少なくなり、究極の-160dBでは個別に選別が必要となります。

低歪の歪率計の製作で最も大きなハードルはキーパーツとなるキャパシタの品種選定です。
抵抗の歪みで紹介したLow Distortion Oscillator Designの資料でキャパシタの歪もデータがあり、小型積層タイプの"Rifa MMK5 100V 0.01uF"(誘電体はPolyesterFilm)の歪は1kHz 7V印加で-102dBです。

0.01μF以上の容量で1kHz10V印加時に-160dB以下の歪が得られる品種は、良いスチコン(PS)とごく一部のポリプロピレン(PP)だけのようです。
スチコンは誘電体の性能は非常に良いのですが熱や吸湿での電極引出部の劣化に注意が必要で、-150dB以下には選別必須。(現在も製造されている海外の安価な品種は歪は良くない)
ポリプロピレン(PP)は安価で大容量品が手に入りますが、品種のばらつきが大きくて高周波・高耐圧、低損失の立派な物でも10V印加では-140dB取れないのが多く、実測での評価必要。

数1000pFまでの小容量では一般のフィルムコンデンサでも-160dBに近い歪率が得られる品種があり、普通のマイラ(ポリエステル)で0.47uF程度の容量でも-140dB取れるのもあります。

低誘電率セラミック(CH,C0G,NP0)は品種(電極構造?)や容量にもよりますが、7V印加で-140dB程度の実力。複数個シリーズで印加電圧下げればもう少し下がりますが、-150dB以下にはやや性能不足。

マイカは高価なうえに駄目なものも多い(手持ちの測定器ジャンク基板から外した立派なマイカは全滅だった)ので無理して大容量品を手配するのはギャンブル。マイカは誘電体吸収による高次の歪(クロスオーバー歪のような印加電圧が反転する所での非直線性)が多い傾向にあります。


● 1000pFの各種コンデンサの歪 実測値

最初に1000pFから測定します。まずはスチコン(PS)関係を4種。
【注】:たまたま手持ちにある品種(中古品が多い)を見ているだけなので、現在店頭に並んでいる品種ではありません。

測定には1kHz SPOT歪率計のリメイク版を使用し、22kHzサンプリングで13万ポイントのFFTでスペクトルを観測。歪計のゲインが+80dB、印加レベルが10V(+20dBv)なので、グラフの-60dBは信号レベルに対し-160dBとなります。


(1) SOSHIN QS30 50V 1000pF 0.25%:3次歪で-157dBとまずまずの性能。測定器の基板から外したので、熱や機械的ストレスが加わっていて、新品より劣化している可能性はあります
(2) 富士通マーク入り横型スチコン、1000pF J:何度か使って半田の熱が加わっており、劣化しているかも。スチコンにしてはあまり良くありません。(5次歪も見える)スチコンでも1個1個選別は必要。
(3) メーカー不明(Zマーク) 縦型スチコン(中)、1000pF J:
 これもこてを当てていますが、歪は良好。測定系の限界に近い値です。
(4) メーカー不明(TK?) 縦型スチコン(小)、50V 1000pF J:
 2次歪が少し大きめですが、3次は良好。小さくても性能は問題なし。


・次は、マイカを5種とチップ型セラミック(1608のCH特性)です。


(5) SOSHIN CML2YB 132J3 (1300pF J):見た目は高級なマイカですが、特性は良くない。歪波形を見るとクロスオーバー歪のように、印加電圧が反転する所で段差が見えます。何個測っても同じなので、マイカの特性か?
(6) SOSHIN D152G3 (1500pF G):これも良くある双信のディップマイカですが、歪はさらに劣化。高周波特性は優れているのでしょうが、ppmオーダーの歪を問題にする所では使えない。
(7) SOSHIN 102K1 SE(1000pF K):測定器の基板から外した物で、SEと書いてありますがこれも双信のディップマイカ。性能は6と同じ
(8) NTK 102K1 (1000pF K):メーカーが違う(NTK製)ので期待したのですが、やはり同じ
(9) メーカー不明 小型ディップマイカ(1000pF F):一度こてを当てた物は(8)のNTKと同じレベルでしたが、新品を測ると20dBも歪が低い!上のマイカは全て基板から外した中古品ですので、劣化しているのかも。但しどれも安定して悪いので、半田付けすると全部ダメになるのでは使えない。新品でもマイカの特徴(5次以上の奇数次歪が大きい)が見られます。
(10) 村田chip型セラミック GRM1882C1H102JA01 (50V 1000pF J):3次歪は出ていますが、それ以外の歪成分はなし。10V印加で-140dBなので、電圧を3Vに下げれば-160dB歪で使えます。(ポリプロピレンやスチコンは温度係数が大きいので、AP社では温度安定性を求めてC0Gのセラミックを使っている。)


・次は、普通のフィルムコンデンサ。


(11) 松下ポリプロピレン1% 100V P102F (1000pF F):
 計測器用の高級ポリプロピレンなので期待したのですが、セラミックと大して変わらない
(12) メーカー不明、102J 多分ポリプロピレン:水色の高級品です。見かけは高級ですが性能はそこそこ
(13) ニッセイ 黄色の扁平型 100V 102J:ごく普通のニッセイのフィルム。スチコンに劣らない性能
(14) ニッセイ 黄色扁平小型 102J Z:これも良く見る黄色のニッセイ。見かけによらず歪特性は優秀
(15) メーカー不明、緑の扁平型 0.001K 50(HS):普通のマイラーの認識で買った物。悪くない
(16) ニッセイ 緑の扁平型 50V 102K:少し2次が出ていますが、上のポリプロピレンよりも優秀


・さらに追加で4点


(17) 昔の円盤型セラミック 102J:大昔のセラミックですが、高誘電率型でなければそこそこの歪。但し、最新型と違って電極構造の問題か、2次成分も大きい。
(18) Taitsuマーク、100V 1200pF J:音質改善用との触れ込みで使っていたもの。12番の水色と似た特性
(19) メーカー不明、1800pF J:容量が大きいので測定系のノイズレベル下がっている。18とほぼ同じ
(20) ニッセイAPS 821 JT (820pF J):APSならポリプロピレンのはず。歪特性はスチコンに劣らず優秀

1000pFという小容量品では、大きなサイズの高級品よりちっちゃい安物が良いという結果になりました。黄色いニッセイが思いのほか優秀。


● 0.01μFの各種コンデンサの歪 実測値

まずはスチコンとマイカ。1000pFと同じく10Vrms印加時のスペクトルで比較。


(1) 横型のスチコン 0.01G SE:約30年前に購入した長期保管品ですが、未使用新品。3次歪は-173dBと測定系の限界以下
(2) 縦型スチコン、10000pF J:プリアンプのEQ基板から外した中古品。わずかに歪が増加
(3) 縦型スチコン、10000pF G:これもEQ基板から外した中古品。さらに歪が増加。
(4) 縦型スチコン、103J 1H (50V 10000pF J):半田付けの熱にやられたのか、スチコンにしては歪が大きめ。スチコンは、小型化でフィルムを薄くし過ぎると3次歪が現れて来るようです。印加電圧を大きくしたい場合は耐圧の高い大型品が望ましい。
(5) SOSHIN CM30YB 682J3 (6800pF)と332J3(3300pF)のパラ:
 見た目は高級で立派なマイカですが、1300pFと同じく歪は良くない。
(6) SOSHIN D392G3 (3900pF G)の2個パラ:双信のディップマイカですが、歪はさらにひどい。歪がオーバーレベルなので測定系のゲインを20dB下げています。これで手持ちのマイカ(1000pF以上)は全滅。


・次はフィルム系(その1)


(7) 松下ポリプロピレン1% 100V P103F:計測器用の高級ポリプロピレンですが、1000pFの時よりも悪いデータ。測定器の中で足にビーズを入れて浮かして取り付けてあった物で、大事に取っておいたのですが歪はダメでした。
(8) 松下ECHR(PPS) 103J AUDIO:
 「AUDIO」用の水色の高級品。見かけは高級ですが性能はそこそこ。
(9) 松下と思われる630V高耐圧の103K:
 高耐圧でも歪が良い訳ではない。高次の歪があるのが気になる。
(10) メーカー不明、小形の積層フィルム 103:表示には 89L 103とあります。かなり歪が大きい。フィルム(誘電体)の性能ではなくて電極構造の問題のような気がします。
(11) ニッセイのAPS?、153J 100V:
 かなりまともな特性ですが、1000pFのようなスチコンに迫る値ではない。
(12) メーカー不明、スチコンに似た白い153J:外観は立派ですが、歪はダメ。


・フィルム系の続き+おまけ2点


(13) ニッセイ 黄色の扁平型 100V 103J:ごく普通のニッセイのフィルム。赤いAPSと似た性能です
(14) ニッセイ 黄色の扁平型(小) 50V 103J:小型化して耐圧が低い分、歪が悪くなっているようだ
(15) 岡谷のマーク、緑の扁平型 153K:
 昔からある普通のマイラー。高性能ではないフィルムの一般的な値。
(16) 松下ECQ-Mか?、とても古いタイプの1H (50V) 103K フィルム
 見栄えはパッとしないが、歪はニッセイの黄色と同じで良い方。
(17) 松下の積層型 M01 103J:TFコンと呼ばれるタイプで、性能は悪いかと思っていたが意外と健闘
(18) 松下の積層型 103J B250:高耐圧で性能良いかと思ったが、がっかりするレベル。
(19) 双信のQSコン QS50 17200pF±0.25% 50V:
 測定器から取り外した物。2次歪がかなり大きく、積層による端子構造が原因なのかも。
(20) 村田の1608chipセラミック3300pF50V(CH)を9個並列してそれを3段直列:
 合計27個使って9900pFの値。1個あたりに印加される電圧が1/3になるので歪が減る。かなり優秀な値だが、スチコンには太刀打ちできない。

ここまではスチコン一択の結果です。

・追加の2点


(21) XICONの50V 10000pF J スチコン:
 今も生産されている現行品。(2016/7/30購入)鉄リードではなくて非磁性のリードです。新品のスチコンなのに歪は普通のフィルム並み、非常に小型なのでフィルムを薄くし過ぎて性能が落ちているようだ。

(22) Taitsuの旧PHシリーズ、1200VH PH 103H:
 メタライズドポリプロピレン。歪が全く検出されず、測定系のノイズに埋もれています。探せばポリプロピレンにも良いものはある。Taitsuの旧PHはさらに古い円筒形状のもあるが、1.5kV耐圧で現行のPHSより少し良い程度。この形状のPHシリーズは入手困難。

以上、0.01μFの容量では良いスチコンか、ごく一部のポリプロピレンだけが-160dB以下の歪。スチコンといえども無条件に信用は出来ない。
スチコンの市場流通在庫を何種か取り寄せてみましたが、10000pF品では3次歪で-150~-157dB程度と160dB以上の性能の物はなく、沢山買って選別しても見込みは薄そうです。(3000pF程度の高耐圧品では160dB以上の物もある。)


● 0.1μFの各種コンデンサの歪 実測値
  まずは大型品から。


(1) スチコン0.047uF G の2個パラ接続で0.094uF:2次のスペクトルは測定系の歪で、コンデンサの歪ではありません。(10Vrms印加に±9mAピークの駆動電流を要するので、アンプ側の歪が出ている)
3rd歪が-160dB取れるのは、状態の良いスチコンだけ。
(2) TOWAのハーメチックシールのMF 0.1uF F 50V:
 1978の印字があり、38年前か?高次の歪も非常に大きい。
(3) TOWAの高耐圧品 6MFT-D 600V/ .1K の印字あり:
 大型で高耐圧ですが歪は悪い。5次以上も沢山出ている。
(4) 松下の計測器用ポリプロピレン1%品。 P104F 100V:
 これまでに出てきた1000pF, 0.01uFと同じく、歪は全くダメ。
(5) 松下ECHR(PPS) 104J AUDIO:「AUDIO」用の水色の高級品。
 このグループの中では一番まともだが3次で-140dBはクリアできず
(6) 松下 別の100V 104J品。:2次歪は出ていない(測定限界)が、3次は普通レベル。


・次は小型の0.1μF品。 (2次歪はいずれも測定限界以下なので省略)


(7) ニッセイの黄色扁平型フィルム 104J 100V:
 スチコン以外では3次で-144dBと最も良いが、それでも-160dBには遠い
(8) ニッセイの黄色扁平型フィルム 104J 50V:耐圧低い方が歪は増えるが-140dBはクリア
(9) メーカー不明、扁平型フィルム 104JP:ニッセイの黄色と同等。悪くない。
(10) TとOの重なったマークのマイラ 100V 0.1±10:
 0.1±10の表記が古さを物語る、30年前のマイラ。歪は悪くない
(11) ルビコンのマークあり、104K 50 のマイラ:これも古いマイラですが、性能は全然OK
(12) 松下TFコン(の一種)、大型サイズの104J 100℃表記:
 積層フィルムですが巻物と同等の立派な歪特性。-140dBクリア。
(13) 松下TFコン、中型サイズの104J 表記:小型化の為か、10dB以上歪が悪化している
(14) 無印の小型積層フィルム 90L 104の表記:非常に奇数次の歪大きく、スケールオーバーするので20dBゲインを下げた。最近の物ですが超小型の物はこんなレベル。
(15) TOWAの0.22uFG 200Vを2個直列で0.11uF:
 2個直列なので1個には5Vしか印加していないのにひどい歪。
(16) 岡谷のマーク、0.22uFK 100Vを2個直列で0.11uF:松下のオシロ基板から外した物。1個当たり5V印加なので歪は良いが、スチコンのレベルにはまだまだ遠い。

手持ちの中古部品の中では、見かけの立派な大型の高耐圧フィルムは歪の点では全滅で、小型の安い普通品に負けています。ポリプロピレンでスチコンに迫る性能の物はなく、大差でスチコンの勝ち。


出所の分からない中古品ばかりでは役に立たないので、現在購入できる品種を新品で取り寄せてみました。MM以外は全てポリプロピレンで0.1μF付近の容量値です。(基本的に各種1個のみなので、測定データがその品種の代表値とは限らない)
ニッセイのAPSのみは古い基板から外した昔の物。なお、タイツウの旧MM(マイラ)は若松の古い在庫品。

2次歪が多い物もありますが、2次は複数個で極性を調節して打消しをすることで30dB以上改善できます。(測定系の2次歪と干渉するので、測定時の極性で2次の値は変動する) 表は3次の歪の良い順に並べました。

0.1μFで-140dB台は普通のマイラ(ポリエステルフィルム)でも出せる値なので、歪が-140dBの後半に届いていない品種は歪に関してはポリプロピレンの良さを出せていない。

タイツウの旧PHやPMAが非常に良かったので現行品を手配しましたが、古い品種と違って歪は良くありませんでした。旧シリーズではMM(マイラ)でさえ150dB以上出ているので、現行品は電極部の材料や製法が変わってしまったのかも。
日本ケミコンのHACD, TACD、ルビコンのMPB(MPS)がいい感じです。TaitsuのPHSは大容量品がない。


【新規購入した0.1uFキャパシタ現行品の 1kHz 10Vrms印加時 歪比較】
容量、定格メーカーシリーズ品番2次歪3次歪
124J 1.25kV日本ケミコン HACDFHACD1C2V124J-132-155
104J 630VRubyconMPB630MPB104J-140-154
104J 630V日本ケミコン TACDFTACD631V104J-149-151
104K 1.6kVKemetR76R76TN3100SE40K-152-151
393H 1.6kVtaitsuPHS-145-151
683K 1250Vtaitsu旧MM(マイラ)-138-151
104J 630VRubyconMPS630MPS104J-147-150
104K 800VNichiconQXPQXP2K104KRPT-150-149
104J 1.25kVPanasonic ECW-H(C)ECW-HC3B104JA-156-149
104J 100V(旧ニッセイ)APS-144-146
104G 160VVishay BCMKP1837MKP1837410161G-159-145
104K 400VNichiconQXTQXT2G104KRPT-144-143
104J 1000VKemetR75R75QI3100AA00J-143-143
104H 160VVishay BCMKP1839MKP1839410163-132-142
104K 250VCornell-Dubilier DPMDPM2P1K-F-137-141
104J 400VtaitsuPMS-130-137
104K 1000VEPCOS (TDK)B32652B32652A0104K-144-135
224K 250VRubyconMPH250MPH224K-143-131
104J 450VPanasonic ECW-F(A)ECW-F2W104JAQ-115-128
224J 450VtaitsuPMF-134-127
104H 630VPanasonic ECW-F(L)ECW-F6104HL-132-123
104J 100VPhilipsCBB-127-123
104K 450VEPCOS (TDK)B32671PB32671P4104K-144-111
104J 630VtaitsuPS-120-96


現在はスチコンの程度の良い大容量品が入手できないので、0.1uF以上の容量で10Vrms印加時に-160dB以下の歪は難しい事が分かります。-180dB歪を実現するには、多数個使いで対処する(複数個シリーズに接続して1個当たりの印加電圧を下げて歪を減らす)しかありません。

例:10Vでは3次-150dB歪の1.0uFを6個直列で使用(容量=0.167uF)
  →1個当たりの電圧が1/6になるので3次歪は31dB改善され、-180dB可能。



● 0.47~1.0μFの各種コンデンサの歪 実測値

まずは0.47uF。印加電圧はこれまで通り10Vrmsで、これが現在の測定系の限界。
(30mArms以上の電流を流すとアンプの歪が急増)
-130dBの2次歪は測定系の歪で、3次歪の量で性能差を判断します。

※全体写真ではマークが見にくいので、測定データのグラフにマーク部拡大を表示。


(1) 30年前に秋葉の店頭で一番安いフィルムで選んだ、ルビコンのマイラ 474K 50V:
 3次で-144dBと非常に優秀。マイラ=ポリエステルフィルムです。
(2) ニッセイの黄色い扁平フィルム 334K 1H:容量が0.33uFと小さいので駆動電流が少なく、その分測定系の2次歪が低下。3次は-135dBとまあまあ。
(3) 岡谷のVXコン 2B 474K:昔に音質用として開発された品種ですが、歪は大きい。
(4) 昔懐かしいラムダコン 2A 474K:何故か1個持っている未使用品。とても歪が大きく、劣化しているようです。
(5) 以前も出た、松下のポリプロピレン1%品 P474F 100V:やはり歪はダメ。
(6) 松下 PPSフィルム AUDIO 474J:ひどくはないが、3次で-130dBとニッセイの黄色に負けている
(7) Taitsuの PMA 684H 400V:容量が0.68uFと大きいので駆動電流が増え、2次歪は増加にも関わらず3次は-147dBと優秀。(その後、測定系改善で3次は-150dBの実測)
 高圧のポリプロピレンでやっとまともなのがあった。
(8) NCCの黄色チューブラ型 FNX-H 0.22K 600V:2個並列の0.44uFとして測定。
 最近の小型積層フィルム並みの歪。古くて劣化しているかも。
(9) 松下TFコンの1種(かなり大型) 474 S 表記:最近の積層タイプはこのように
 5次以上の歪が出る。1/4W型カーボン抵抗並みの歪。
(10) 松下TFコンの小型タイプ 0L6 474 表記:さらに歪がひどくて測定系のゲインを
 20dB下げている。超小形カーボン抵抗並み。

その後、追加で新品を入手しました。(測定系の限界は-160dBに改善)
 Rubycon 630MPH474K : -159dB
 Rubycon 630MPS474J : -157dB
 Rubycon 450MPS474J : -151dB
 Nichicon QXP2G474K(400V): -144dB
 Rubycon 250MPS474J : -132dB
 Taitsu PSF 450V 474J : -96dB
同じシリーズでも耐圧が低いと歪は悪い。タイツウの小型品は450V耐圧でも歪はダメ。



次は1μF品。1kHzで10V印加するための電流(60mA)が流せないので5Vrmsで評価。
2次歪は測定系の歪であり、3次歪の量で相対比較する。(印加レベルが6dB低いので、歪率はグラフの-40は-134dBに相当)


(1) フィルムコンブームの発端となった岡谷のVコン。 HFV 2E 105K:
かなり良い性能ですが、印加電圧が5Vなので10V換算では3次は12dB UPの-139dBとなり、140dBはクリアしない
(2) 岡谷Vコンの小型化:VXコン。VX 2B 105K:小型化の為か、3次歪は増加
(3) マルコン NUD 2E 105K:大型だが、初代Vコンよりは悪い。
(4) ユーコンSA J105K:VXより少し悪い。(ほとんど同じレベル)
(5) 測定機に付いていた富士通 M-ESCON 1.0K 160:マルコン NUDと同じ
(6) 大型の積層フィルム(キャラメル型) 2E105J: 岡谷VXと同じ。
(7) 日本ケミコンの平型 DFDD105K 2E: これも岡谷VXとほとんど同じ。
(8) 日本ケミコンの丸型の緑 TACD 105J 250:3次歪で-156dBと1uFフィルムの中では最良
 (10V換算では-144dB)
(9) 日本ケミコンのTACDと同型の赤 N2E 105J:これも3次で-153dBと良い値
(10) Taitsu、4本足の PM 125J 200V:容量が1.2uFと大きいので電流を増やしている分、3次は4dBほど測定系の歪が増加している事を考慮すると悪くない。


・最後に小型の1uF品。



(11) 松下 Q-K(ポリエステル) 105J 100V:
 計測器用1%ポリプロピレンが悪かったのに対し、これはそこそこ良い。
(12) 松下 105K 100:11と近いサイズだが、これはダメ
(13) 松下TFコンの一種 105K 100A:積層フィルムと思われるが5次歪が出ていない
 (これ以降はどれも5次以上の高次歪が大きい)
(14) 松下TFコン(中型) 105 T:端子引出構造の問題なのか、高次の歪も大きい。
 小型化している積層フィルムは大体このレベル
(15, 16) 松下TFコン(小型) 105:わずかに形状が異なるがロット違いか?ほぼ同じ特性
(17) 松下 TFコン(さらに小型) 89L 105: 歪は同じくらい
(18) ニッセイ平型積層フィルム 2A 105:形状大きめのせいか、少し歪少ない
(19、20) ニッセイ小形積層フィルム 105 U、105 O: 松下小型TFコンと同等

全体に、大容量では積層より大型の巻物が良い特性のようです。

その後、測定系の手直しで5Vでの3次限界を-164dBに改善して再測定。(追加購入の新品も含む) 3次は5Vで162以上なら、10V印加時で-150dBクリアします。
 Rubycon 630MPS105J : -164dB
 赤い円筒形の N2E 105J : -163dB
 Taitsu 旧PM 125J 200V : -156dB
 Taitsu PMS 630V 105J : -155dB
 日本ケミコンTACD 105J 250V : -150dB
 Taitsu PMS 250VAC 105J : -149dB
 岡谷Vコン HFV 2E 105K : -148dB
(何故か、TACDとVコンは数値が悪くなった。個体間のばらつき?)


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