I Cavi

Il rame, Effetto Pelle,  proprietà del Dielettrico, Velocità di propagazione e altre cose

di Mario Bon

29 ottobre 2009, ultima revisione 8 Giugno 2017

 

Paragrafi di questo capitolo
 

I Metalli

Resistività

Crudo, cotto e ricotto

Rapporto tra peso e conducibilità

Il rame (simbolo Cu, numero atomico 29, elemento di transizione)

Rame: Corrente Massima Rame: Effetto pelle

Rame: Elettromigrazione

Rame: Flessibilità de cavi

Guaine: Tensione di rottura del dielettrico (breakdown)

Guaine: Dielettrico ed Effetto Piezoelettrico

Guaine: L’effetto Maxwell-Wagner

Guaine: Polarizzazione per deformazione

Guaine: Polarizzazione per orientamento

Guaine: distorsione dielettrica (Anti-Cable)

Guaine: invecchiamento

Cavi: La componente resistiva

Cavi: Le componenti reattive
Cavi: Velocità di propagazione

Cavi: Impedenza caratteristica

Cavi: Modello  a parametri distribuiti

Cavi: Modello a parametri concentrati e linee corte

Cavi: Cavi schermati

Cavi: Effetti meccanici: Attrazione tra fili percorsi da corrente

 

Cavi: Geometria dei cavi

Cavi: Cordatura

Cavi: Calibratura, Centratura, Crimpatura, Trafilatura.

Cavi: Rumore nei cavi

Cavi: La distorsione dei cavi

Cavi: La connessione Multi-wire

Cavi: Connettori

Leggende Metropolitane: Verso di Percorrenza

Leggende Metropolitane: Il Rodaggio dei Cavi

Leggende Metropolitane: Super conduttori a temperatura ambiente

Leggende Metropolitane: elettroni veloci

Leggende Metropolitane: meglio la qualità della quantità

Cavi di alimentazione

La tensione di rete

Un buon Compromesso
Conclusioni

Argomenti correlati:

 

AWG = American Wire Gauge

Velocità di propagazione e impedenza caratteristica

TABELLE AGGIUNTIVE:

Impurità presenti nel Rame

Alcuni materiali utilizzati per realizzare l’isolamento e/o le guaine dei cavi (dal sito www.novacavi.it):

Costante dielettrica relativa di alcuni materiale e velocità di propagazione

Diametro esterno dei fili di rame

 

 

 

 

I Cavi

 

Questo articolo è stato pubblicato da Audio Review e viene riproposto riveduto, corretto (perché conteneva degli errori) e molto ampliato. Si vedano le appendici dove ci sono tabelle di un certo interesse.

 

I Metalli

 

I metalli sono caratterizzati dalla sovrapposizione tra la banda di valenza e la banda di conduzione. Ne segue che, già a temperatura ambiente, una quantità di elettroni si trova in banda di conduzione dove sono liberi di muoversi non appena venga applicato un campo elettrico esterno (una differenza di tensione). In generale, tranne poche eccezioni, i metalli sono di natura cristallina (eccetto i cristalli singoli) e , visti al microscopio, mostrano una struttura a grani. I grani sono di varie forme e dimensioni e riempiono completamente il metallo senza lasciare intercapedini (se non ci sono impurità). Esiste comunque, tra un grano e l’altro, una superficie di separazione. La dimensione dei grani determina le caratteristiche meccaniche ed elettriche del metallo (meno grani, meno separazioni).  In questo scritto ci soffermiamo in particolare sul rame ma, in campo audio, vengono utilizzati anche oro, argento, alluminio, titanio, rodio, berillio, tungsteno oltre ad altri materiali tra cui costantana, grafite, ossidi vari, diamante ecc..

In generale le caratteristiche che influenzano la resistività sono la purezza e la dimensione dei grani. Per rendere il rame più puro lo si sottopone a dei processi che ne aumentano anche la dimensione dei grani. Per rendere la superficie più dura si usano tecniche criogeniche (freddo) queste però riducono la dimensioni dei grani.

 

 

simbolo Be numero atomico 4. Il berillio è un metallo alcalino terroso color grigio acciaio, tenace, leggero ma fragile. La relazione diagonale con l'alluminio fa sì che questi due elementi abbiano proprietà simili. La velocità del suono nel Berillio è pari a 13000 metri al secondo.

È il metallo con il miglior rapporto tra resistività e peso.

Con il berillio si realizzano le cupole dei tweeter.

Struttura cubica. Densità 2.7. Buona conducibilità termica ed elettrica. Molto utile per realizzare bobine per altoparlanti (CCAW)

Struttura cubica a facce centrate

In natura il rame è presente con 2 isotopi 63Cu (circa 30%) e 65Cu (circa 70%). Il 64Cu è sintetico ed instabile. Sicuramente qualche “purista” pretenderà un cavo realizzato con rame mono-isotopico (per esempio 100% di 63Cu).

Il rame elettrolitico ha purezza del 99.97% .

Struttura cubica a facce centrate. Stessa famiglia del rame. E’ il miglior conduttore di corrente.  Il  numero atomico è 47. Densità relativa 10,5 e peso atomico 107,868. L’ Ag presenta scarsa reattività: a temperatura ambiente non reagisce con l'ossigeno e con l'acqua. Non si ossida se esposto all'aria ma viene facilmente attaccato dallo zolfo e dai solfuri presenti in atmosfera (annerimento = solfuro di argento). L’ossido di argento è conduttivo. Disponibile in lingotti con purezza 999/1000 quindi meno puro del rame elettrolitico.

Anche l’argento si lega con il cloro in AgCl2

 

 

Conducibilità elettrica = 17.85 · 106 /m Ω

Resistenza per unità di lunghezza = 0.056 ohm/km

 

Viene usato per realizzare cavi esoterici

L’elevata resistenza “maschera l’induttanza” e consente di ottenere una banda passante più ampia (che non serve) ma con forti perdite a causa della resistenza in continua. Lo stesso risultato si ottiene collegando una piccola resistenza in serie a un conduttore in rame.

 

Vengono commercializzati altoparlanti con diaframmi in titanio, ceramica, diamante… in realtà si tratta di alluminio sul quale viene vaporizzato uno strato sottilissimo di titanio, ceramica, diamante, ecc. .

 

Resistività

La resistività elettrica (indicata con r), anche detta resistenza elettrica specifica, è l'attitudine di un materiale ad opporsi  al passaggio delle cariche elettriche. Si misura in Ohm per metro (Ω*m). Per in cavi viene indicata la resistenza per unità di lunghezza in modo che la resistenza possa essere ottenuta moltiplicando per la lunghezza del conduttore.

 

Materiale

Resistività in Ohm × mm2 / m a 20 °C

Coef. di temperatura 

Conduttori

Argento (Crudo, Ricotto, Semicrudo)

0.0159

0.0038

Rame LC OFC  e Annealed Copper

0.0168

0.0039

Rame ricotto OFC

0.0176 - 0.0172

0.0039

Rame Crudo

0.0178

0.0039

Rame stagnato

0.017931

0.0039

Rame nichelato

0.01796

0.0039

Oro

0.0230-0.0244

0.0039

Alluminio crudo

0.0282

0.0043

Alluminio ricotto

0.0276

0.0043

Aldrey (Al 99% +0.5% Mg +0.5% Si)

0.031-0.033

0.0036

Berillio

0.0319

 

Tungsteno

0.056 (3.2 volte il rame)

0.0045

Ottone

0.07  (4 volte il rame)

 

Grafite

3-10 (1000 volte il rame)

negativo

 

 

Crudo, cotto e ricotto

Il rame elettrolitico (ottenuto per elettrolisi) viene detto “crudo” ed è puro al 99.97%. L’argento “crudo” è puro al 99.9%. Il processo di cottura o ricottura è sostanzialmente una fusione che avviene, a seconda dei casi, scegliendo la temperatura e l’ambiente appropriati. Per esempio per purificare il rame questo viene rifuso in un ambiente privo di ossigeno (rame OFC). La ricottura, in assenza di ossigeno, aumenta la dimensione dei grani del rame il quale acquista una conducibilità maggiore del rame crudo. Quindi i termini crudo, cotto, ricotto o semicrudo si riferiscono ai processi di fusione cui il metallo è stato sottoposto.

Per quanto riguarda l’alluminio la resistività tra crudo e ricotto varia da 0.0282 a 0,0276 (-2.12%)

Anche l’argento esiste nelle versioni crudo, cotto o semicrudo e con diversi gradi di purezza. Ne segue che un cavo in argento o di alluminio (dal punto di vista della purezza del metallo) può essere più o meno buono esattamente come uno di rame.Megli altoparlanti, per ridurre il peso della bobina mobile si usa filo di alluminio che, per consentire la saldatura, viene ricoperto di uno strato di rame e quindi smaltatati. Questo filo si chiama CCAW (Copper Clad Allumium Wire = Filo di alluminio ricoperto di rame).

 

Rapporto tra peso e conducibilità

Si considerino questi metalli Berillio (3), Alluminio (13), Rame (29) e Argento (47). L’Argento ha la conducibilità migliore ma è il più pesante. Il Berillio ha conducibilità bassa ma è leggero. Quando è importante ridurre il peso conservando la stessa conducibilità il metallo più conveniente è il Berillio (molto costoso) e in seconda battuta l’Alluminio. Tra alluminio e rame il rapporto di peso è circa 3 mentre il rapporto tra le conducibilità è circa 2. Ne segue che si può realizzare un cavo in alluminio con la stessa resistenza di un cavo di rame ma con meno peso. Con il Berillio si potrebbe fare un cavo ancora più leggero. Il miglior conduttore per realizzare la bobina mobile di  un tweeter dinamico è il berillio (per ridurre il peso).

 

Argento

quando è richiesta la massima conducibilità indipendentemente da altri fattori

Rame

quando è richiesta la massima conducibilità con la minima sezione di filo ma a prezzo ragionevole

Alluminio

Quando è richiesta il minor peso a prezzo ragionevole

Berillio

quando è richiesto il minor peso a qualsiasi prezzo

Tungsteno

quando un minor ritardo di gruppo è ritenuto più importante della conducibilità (?)

Grafite

quando di vuole fare colpo senza badare alle caratteristiche elettriche

 

Il rame (simbolo Cu, numero atomico 29, elemento di transizione)

 

Struttura cubica a facce centrate

In natura il rame è presente con 2 isotopi 63Cu (circa 30%) e 65Cu (circa 70%). Il 64Cu è sintetico ed instabile.

 

I cavi sono realizzati con fili di rame, argento o alluminio (almeno un produttore di cavi audio usa tungsteno).

Il rame viene preferito per l’ottima conducibilità ed il costo ragionevole. Il rame è un metallo con reticolo cubico a facce centrate come l’argento. Nella tavola periodica degli elementi il rame appare nella stessa colonna di oro e argento con i quali condivide molte proprietà chimico-fisiche. Il rame si lega facilmente con altri metalli dando origine a svariate leghe. Il rame è disponibile in lastre  di 95 cm x 95 cm x 1 cm, dal peso di circa 100 kg e purezza 99.97% (rame elettrolitico standard ASTM B 115-00 o N4). Le lastre di rame subiscono poi ulteriori lavorazioni  (attraverso una successiva fusione in assenza di ossigeno) e diventano rame ricotto (OFC standard A STM B 170  puro al 99.99% o N5).  Anche l’argento è disponibile con purezza diversa fino a 99.999% (in letteratura non si trovano riferimenti ad argento puro al 1000 per 1000, nella pubblicità dei cavi si).

 

N4

Puro al 99.9x  (la prima cifra diversa da 9 è la quarta)

N5

Puro al 99.99x

N6

Puro al 99.999x          si arriva a N9 ma è già difficile distinguere un N6 da un N7

 

Il rame si lega all’Ossigeno ed al Cloro dando origine ai seguenti composti:

 

CuO

ossido di rame, stabile in ambiente

Cu2 O

ossido rameoso che è un semiconduttore (rettifica la corrente) dal caratteristico colore verde

CuCl2

In presenza di cloro il rame si combina in CuCl2.

 

 

Osservato al microscopio il rame si presenta composto da grani (150000  grani per metro nel rame normale – dimensione dei grani 0.010 mm). Più questi grani sono grandi e tanto migliore è la conducibilità. La dimensione dei grani dipende dal processo di ricottura e dalla presenza di gas quali ossigeno ed idrogeno. Quando i grani sono grossi la superficie del rame è più liscia e compatta (minore rugosità) il che consente una copertura più uniforme e una migliore lavorazione. Quando i grani sono ultrasottili il rame acquista una maggiore durezza conservando la duttilità. In letteratura si trovano ricerche che hanno il fine di ridurre la dimensioni dei grani (per aumentare la durezza) ed altre tese ad aumentarla per migliorare la conducibilità.

 

Rame OFC

Rame LC-OFC

Numero di grani per metro = 50000

Numero di grani per metro = 200-400  (dimensione dei grani 5 mm)

 

Il rame è disponibile con diversi gradi di purezza ottenuti con procedure di purificazione brevettate: LC-OFC, OHFC, OCC e probabilmente altre ancora. 

 

LC-OFC

Il rame LC_OFC (Linear Crystal Oxygen-Free Copper) è stato prodotto da Hitachi a partire dalla metà degli anni ’80 fino ai primi del 2000. La produzione è stata ripresa nel 2008 su richiesta di alcuni produttori di cavi. Il rame LC-OFC è prodotto per cristallizzazione a partire dal rame OFC di classe 1 ottenendo una purezza del 99.995%. Il contenuto di ossigeno è nell’ordine di 10ppm.   E’ un rame di categoria N5

OFHC

OFHC è un marchio registrato di  American Metals Climax, Inc. Il marchio, i processi di produzione e la linea di prodotti come pure le macchine per la produzione sono state cedute alla  Phelps Dodge che è ora proprietaria del prodotto. Le specifiche del rame OFHC sono contenute nel documento ASTM F68 (identiche a alle specifiche UNSC-10100 UNSC-10100).

OFE

Equivalente al rame  OFHC

OCC

Il processo OCC è stato sviluppato e brevettato da  Professor Ohno del Chiba Institute of Technology in Giappone. Il processo OCC ottiene grani più grandi e più puri (99.9995%) vicini alla categoria 6N ( 99.9998%).

UP-OCC

Con il rame UP-OCC Ultra Pure vengono realizzati cavi con coppie di conduttori  twistati.

 

I fili di rame, quando necessario, vengono smaltati (per esempio per realizzare trasformatori, bobine presenti nei cross-over dei diffusori acustici o per realizzare la bobina mobile degli altoparlanti). La smaltatura è classificata in funzione della temperatura che può sopportare. 

 

Classe Rame Smaltato

Range di Temperatura

B

-60 + 130

F Gr 1 e 2

-60 + 155

H Gr 1

-60 + 180

H Gr 2

-60 + 220

 

Quando la bobina mobile di un altoparlante viene riscaldata oltre la massima temperatura consentita, la smaltatura si sfalda e le spire dell’avvolgimento entrano in contatto elettrico tra loro (cortocircuito). L’altoparlante non funziona più e ai suoi capi si misura una resistenza prossima a zero (cortocircuito). Quando invece l’altoparlante subisce uno stress meccanico, i contatti della bobina mobile si strappano. L’altoparlante non funziona più e ai suoi capi si misura una resistenza infinita (circuito aperto). Quando l’altoparlante va in cortocircuito l’amplificatore vede una impedenza di carico molto bassa e va il protezione oppure si brucia. Quando i contatti della bobina mobile si strappano, l’amplificatore vede un carico molto alto e non succede niente. La smaltatura di classe B è tipica degli altoparlanti prodotti in Cina.

 

Rame: Corrente Massima

 

La corrente che attraversa un cavo produce calore, il calore scalda la guaina che con il tempo si deteriora (provoca dereticolazione e se in PVC rilascia Cloro che si combina con il rame). La tabella che segue indica la sezione minima di un conduttore in rame in funzione della massima corrente che lo attraversa. I valori indicati devo essere intesi come raccomandazioni non impegnative non essendo specificati tutti i fattori che possano incidere nella particolare applicazione. I valori indicati per le sezioni si riferiscono a una temperatura ambiente di 35°C ed una temperatura del conduttore massima ammissibile di 70°C (che per esempio per una guaina in PCV è già troppo alta). Per quanto riguarda l’HiFi domestica adottando cavi a partire da AWG 11 si scongiura qualsiasi pericolo. Quindi consigliare come minimo degli AWG 10 appare, da questo punto di vista, ancor più giustificato.

 

         

Corrente Massima in Ampere

Potenza continua erogata su 1.6 ohm 3.2 Ohm (3.2 +60°) in Watt

 

 

Sezione del filo in mm²

5

40

X1

0,1

AWG 27

6

57.60

 

0,14

 

7

78.40

 

0,2

 

9

129.60

 

0,25

 

10

160

X4

0,35

 

12,5

250

 

0,5

AWG 21-20

15

360

 

0,75

 

18

518.40

 

1,0

AWG 17

20

640

X6

 

21

705.60

 

1,5

 

30

1440

 

2,5

 

40

2560

X64

4,0

tra AWG 12 e 11

44

3097.60

 

5,25

AWG 10

55

4840

 

6

 

70

7840

 

8

 

80

10240

X256

 

85

11560

 

10

AWG 7

La tabella si legge così: un filo in rame di sezione pari ad 1 mm²  raggiunge una temperatura massima di 70°C quando è attraversato da una corrente di 18 Amper RMS ammesso che la  temperatura ambiente non superi a 35°C. Con sezioni superiori ad AWG 11 è molto poco probabile possano insorgere problemi su questo fronte (eccessivo riscaldamento).

Il carico minimo equivalente ammesso dalla norma DIN 45500 per un diffusore da 4 ohm nominali è di 3.2 che si riducono a 1.6 ohm nelle peggiori condizioni (fase = 60°).

Il coefficiente termico del rame vale 0.4% per grado di temperatura quindi la resistenza dei cavi considerati aumenta del

35 x 0.4 = 14%

 

Possiamo allora chiederci: la variazione di temperatura di un cavo può causare compressione termica? Difficile. Consideriamo le condizioni peggiori:

 

-          fattore di cresta del programma musicale = 3 (il minimo)

-          carico di 1.6 ohm (il minimo pari a 3.2 ohmcon 60° di svasamento)

-          amplificatore da 100 Watt (40 Volt di picco sul carico -> 500 Watt su 1.6 ohm)

 

la potenza continua erogata sul carico vale 111 Watt (quella di picco vale 1000 Watt) per una corrente di 8.33 Ampere rms. (25 A di picco). Ne consegue che la temperatura del cavo aumenta di 35° solo se la sua sezione è compresa tra 0.2 e 0.25 mm2 (AWG 27). In pratica se si usano cavi di segnale al posto di cavi di potenza.

Se il fattore di cresta del programma musicale aumenta -> la corrente rms diminuisce.

Se il carico aumenta -> la corrente rms diminuisce. 

Un  cavo composto da conduttori di sezione AWG 10 è opportunamente sovradimensionato.

 

Rame: Effetto pelle

 

L’ “effetto pelle” è un fenomeno fisico ben conosciuto e ampiamente studiato (Tesla): quando un conduttore è percorso da corrente alternata (segnale audio) la densità di corrente non si distribuisce uniformemente su tutta la sezione del conduttore ma, all’aumentare della frequenza, tende a concentrarsi vicino alla superficie. In questo modo la sezione “efficace” del conduttore diminuisce con conseguente aumento della resistenza. È come se il conduttore diventasse sempre più cavo all’interno man mano che aumenta la frequenza. Lo spessore δ, all’interno del quale rimane confinata la corrente, è detto “Skin detph” (letteralmente “profondità della pelle” o “lunghezza di penetrazione”) e va confrontato con il raggio del filo del conduttore.

 

\delta=\sqrt{{2\rho}\over{\omega \mu}}

ρ = resistività (resistenza specifica) del conduttore

ω = pulsazione = 2π × frequenza

μ = permeabilità magnetica assoluta del materiale conduttore ( per i metalli = 4* π *10^(-7)).

 

La lunghezza di penetrazione diminuisce con l’inverso della radice della frequenza. Se la lunghezza di penetrazione è maggiore del raggio del conduttore non c’è effetto pelle. La tabella che segue riporta lo skin-detpth al crescere della frequenza.

 

Frequenza in Hz

Stima dello Skin depth δ = spessore dello strato conduttore

50 Hz

9.5 millimetri

100 Hz

6.715  millimetri

1000 Hz

2.123 millimetri

10 kHz

0.671 millimetri

20 kHz (Banda Audio)

0.475 millimetri

200 kHz

0.3 millimetri

2 MegaHz

47 micro metri

20 MegaHz

30 micro metri

200 MHz

9 micro metri

Tabella: Lunghezza di penetrazione in funzione della frequenza (rame) . Tanto più il conduttore è grosso e tanto più bassa è la frequenza alla quale si manifesta l’effetto pelle. Per cavi di diametro superiore a 20 millimetri  l’effetto pelle si fa sentire già a 50 Hz. I tecnici dell’ENEL tengono in debito conto questo fenomeno e sfruttano la parte centrale dei cavi (che  conduce poca corrente) per far scorrere al loro interno il liquido di raffreddamento.

 

In banda audio, l’effetto pelle si manifesta quando il raggio del conduttore supera il mezzo millimetro (raggio = 0.475 mm., diametro = 0.95 mm ). Detto in altro modo: i conduttori a sezione circolare e  diametro minore di un millimetro sono esenti dall’effetto pelle fino all’estremo della banda audio (20kHz). Ne segue che l’impiego del filo Litz in banda audio non è giustificato: basterebbe usare fasci di conduttori (isolati) di diametro appena inferiore a un millimetro.

 

La prossima tabella riporta l’attenuazione del segnale, causato dall’effetto pelle, valutato su un carico da 4 ohm collegato con 10 metri di cavo (5 in andata e 5 in ritorno) alla frequenza di 20 kHz e per diversi diametri del conduttore.

 

Frequenza

diametro del filo in millimetri

Resistenza in CC (senza effetto pelle) in milli ohm per metro

Resistenza in AC (con effetto pelle)

in milli ohm per metro

Aumento di resistenza per effetto pelle in milli ohm

Aumento dell’attenuazione su  carico resistivo di 4 ohm in deciBel causata dall’effetto pelle (10 metri di cavo)

20 kHz

1

22.7

22.7

0

0. dB

20 kHz

2

5.7

7.8

2.1

0.046 dB

20 kHz

3

2.5

4.7

2.2

0.048 dB

20 kHz

4

1.4

3.4

2.0

0.042 dB

20 kHz

6

0.61

 

 

 

20 kHz

20

0.06

0.61

0.55

0.012 dB

Attenuazione del segnale, causato dall’effetto pelle, valutato su un carico da 4 ohm collegato con 10 metri di cavo (5 in andata e 5 in ritorno) alla frequenza di 20 kHz e per diversi diametri del conduttore.

 

E’ vero che l’effetto pelle diventa sempre più importante all’aumentare del diametro del filo, ma è anche vero che l’attenuazione causata dall’effetto pelle NON aumenta perché compensata dalla diminuzione, in valore assoluto, della resistenza. In altre parole all’aumentare del diametro del filo la resistenza aumenta in percentuale ma rimane comunque bassa in valore assoluto (che è quello che interessa). Ad esempio per il diametro massimo di 20 millimetri la resistenza, a causa dell’effetto pelle, aumenta di 10 volte ma il valore assoluto della resistenza rimate di soli 0.610 millesimi di ohm per metro (0.00061 ohm per metro !).

La cosa è ulteriormente rimarcata dalla figura qui sopra dove si vede l’aumento della resistenza del conduttore in funzione del rapporto tra raggio del conduttore e lunghezza di penetrazione.

Se si parte con un filo a resistenza molto bassa (per esempio 0.01 ohm) la lunghezza di penetrazione aumenta di 5 volte per effetto pelle ma la resistenza del cavo rimane  comunque bassa (meno di 0.03 ohm).

E allora quando è importante l’effetto pelle? La tabella qui sotto è simile alla precedente ma riguarda un cavo lungo 50 centimetri con conduttori molto più sottili e frequenze molto più alta. Le resistenze sono espresse in ohm anziché milli ohm.

 

Frequenza

diametro del filo in millimetri

Resistenza in CC (senza effetto pelle) in ohm per metro

Resistenza in AC (con effetto pelle)

In ohm per metro

Aumento di resistenza per effetto pelle in  ohm

Aumento dell’attenuazione su  carico resistivo di 4 ohm in deciBel causata dall’effetto pelle (10 metri di cavo)

20 MHz

0.1

2.26

4.44

2.2

2.5 dB

20 MHz

0.2

0.55

2.04

1.5

2.4 dB

Attenuazione per effetto pelle per un cavo lungo 50 centimetri con conduttori molto più sottili a 20 MHz.

 

Con filo sottile e frequenza elevata l’attenuazione per effetto pelle è importante, ma siamo a frequenze 1000 volte oltre la banda audio.

Per concludere l’effetto pelle esiste, è prevedibile e misurabile, ma , se il diametro del conduttore è nell’ordine di AWG 6, si manifesta con attenuazioni trascurabili. E’ invece più sensibile quando la sezione del filo è nell’ordine di AWG 10 – AWG 14. Per quanto riguarda i cavi di potenza per diffusori è  sempre conveniente impiegare cavi di grosso diametro (AWG 10, AWG 9, AWG 8,…). Il rame argentato non è più attraente perché meno soggetto all’effetto pelle ma perché l’argento (e anche lo stagno) proteggono la superficie del rame dall’ossidazione. L’ossido di argento, diversamente dall’ossido di rame, è conduttivo (e comunque non di forma a temperatura ambiente). L’argento tuttavia si combina con il cloro dando origine al cloruro di argento (AgCl). Quindi le guaine in PVC e PVDF sono sconsigliate anche quando il conduttore è argento o rame argentato. Il PVC ed il PVDF, come dielettrico, devono essere comunque evitati. Possono essere usati solo come guaina esterna per cavi coassiali schermati al 100%.

Secondo alcune scuole di pensiero (Supra) un cavo multistand (composto da molti strand o trefoli) realizzato con trefoli argentati favorisce il passaggio di elettroni da uno strand all’altro aumentando il rumore. E’ una considerazione degna della massima attenzione anche perché, a ben guardare, l’unica cosa che può fare un cavo, oltre ad introdurre attenuazione, è proprio introdurre rumore. Il rumore termico aumenta all’aumentare della resistenza (altro buon motivo per usare cavi di sezione generosa).

 

Rame: Elettromigrazione

 

Gli elettroni che si muovono all’interno di un conduttore urtano gli atomi del reticolo cristallino. Ad ogni urto una parte della quantità di moto dell’elettrone viene straferita al cristallo che rincula. La parte di energia trasferita al cristallo diventa calore. Gli elettroni sono molto più leggeri degli atomi e il rinculo è molto piccolo. Quando la corrente diventa particolarmente intensa (nell’ordine di un milione di  Ampere per centimetro quadro) gli urti degli elettroni riescono a spostare gli atomi del cristallo fino a scavare  delle cavità specialmente lungo i bordi del metallo. Nei circuiti integrati queste cavità riducono la larghezza dell2 tracci2 fino ad interrompere il contatto.  L’elettromigrazione è una causa importante di guasti dei circuiti elettronici integrati specialmente per i dispositivi integrati a “larga scala di integrazione” (VLSI) dove le tracce conduttrici sono molto sottili (per esempio nelle CPU dei computer).

 

Per quanto riguarda i cavi di potenza per diffusori acustici la densità di corrente è nell’ordine di 1000-10000 Ampere per centimetro quadro ovvero almeno 100-1000 volte più piccola di quanto richiesto per innescare l’elettromigrazione. Nei cavi per usi audio non c’è elettromigrazione (il cavo non si consuma col tempo). La resistenza alla elettromigrazione migliora aumentando la dimensione dei grani e ottenendone la disposizione a “bamboo”. Il rame OFC presenta grani più grandi rispetto al rame di purezza inferiore.

 

Rame: Flessibilità de cavi

 

il rame OFC consente di ottenere trefoli di diametro inferiore e quindi più flessibili. Con il rame elettrolitico non è possibile realizzare trefoli con diametro inferiore a 0.2 mm perché si spezzano. Più il rame è puro e i trefoli sottili più aumenta il costo. L’unico motivo tecnicamente valido per utilizzare rame con elevato grado di purezza è per ottenere cavi molto flessibili. I cavi flessibili costano giustamente di più dei cavi rigidi.

 

Guaine: Tensione di rottura del dielettrico (breakdown)

 

Le guaine che ricoprono i cavi sono fatte di materiale isolante.

Nei materiali dielettrici (o isolanti che dir si voglia) gli elettroni sono fortemente legati agli atomi e la banda di conduzione e di valenza sono ben separate. Tuttavia, se si applica una tensione sufficientemente alta, questa riuscirà a “staccare gli elettroni” ed a produrre una corrente nel dielettrico. Nei dielettrici la relazione tra tensione applicata e corrente risultante non è lineare: se la tensione è inferiore ad un certo valore (tensione di breakdown) non c’è corrente, se lo si supera si osserva una debole corrente. Una volta raggiunta la tensione di breakdown il comportamento del materiale dipende dall’alterazione che ha subito la sua struttura molecolare: il flusso delle correnti di perdita si concentra nei punti dove è avvenuta la rottura (per questo è importante che lo spessore del dielettrico sia costante e con struttura omogenea). Detto per inciso queste caratteristiche (omogeneità e costanza dello spessore) si ottengono impiegando opportune macchine: la lavorazione manuale non dà garanzie paragonabili alle lavorazioni automatiche. La tensione di breakdown si misura in Volt per metro (anche se la relazione tra tensione applicata e spessore del materiale non è lineare). In prima approssimazione, se un dato spessore di isolante “resiste” fino ad una certa tensione, raddoppiando lo spessore anche la tensione di rottura diventa doppia. 

L’isolante dei cavi di potenza per altoparlanti è sottoposto a tensioni inferiori a  400 Volt  e la distanza tra i conduttori è nell’ordine dei millimetri. Assumendo uno spessore di un millimetro per l’isolante interposto tra i due conduttori è sufficiente che il dielettrico resista ad una tensione di 4 KiloVolt per centimetro (circa 10 KiloVolt per pollice) per scongiurare il breakdown. Come si vede dalla tabella qui sotto 4 KiloVolt è un valore di molto inferiore al più basso valore di breakdown riportato. In condizioni normali nei cavi di potenza per HiFi il breakdown nel dielettrico non è un problema.

 

Materiale
Tensione di Rottura (kV/centimetro)    
Tensione di Rottura (kV/pollice)    
Vuoto
 
20                     
Aria
 
20 - 75             
Porcellana
 
40 - 200           
Gomma
170 – 270
450 - 700        
Carta
 
1250                
Teflon
 
1500                
 
 
 
PVC
200 – 400                    
500 – 1000 circa
Polietilene
> 700             
> 1700 circa
Polipropilene
> 500          
> 1250 circa
Polistirene
> 500
> 1250 circa
Politetrafluoroetilene
200 - 400          
500 – 1000 circa
Policarbonato
350               
880 circa
Poliammide
100 - 150       
250 - 380 circa

 

 

Guaine: Dielettrico ed Effetto Piezoelettrico

 

Il miglior dielettrico è il vuoto che è omogeneo ed isotropo ed è l’unico che consente al segnale di viaggiare alla velocità della luce. Un dielettrico è tanto migliore quanto più assomiglia al vuoto. Nel mondo reale i dielettrici migliori presentano:

 

-          costante dielettrica bassa e indipendente dalla frequenza

-          tensione di rottura elevata

-          resistenza al calore, acqua, agenti chimici, ecc,

-          bassa fumosità in caso di incendio

 

L’isolamento delle guaine plastiche dovrebbe produrre valori di G nell’ordine di 10-12 o inferiori (più e piccolo e meglio è). I materiali più diffusi come isolanti per cavi audio sono  PVC, Polietilene, Polipropilene, ecc. Il PVC (e il PVDF) contengono alogeni (Cloro, Fluoro) che sono responsabili di due effetti: rendono la guaina piezoelettrica e inquinano il rame.

Anche il Teflon contiene Cloro ma la sua struttura cristallina è molto più “rigida” e il Cloro non si può muovere.

Un materiale è detto piezoelettrico quando cambia forma in presenza di campi elettrici. Oltre al quarzo e ad alcune ceramiche, presentano effetti piezoelettrici  la gomma, il nylon, il PVC, la lana, la fibra di legno, la seta e anche materiali organici come le ossa ed i tendini. Negli anni ottanta è stato scoperto un polimero, detto PVDF (fluoruro di polivinilidene) che è dieci volte più piezoelettrico del quarzo. Il PVDF viene usato nel campo biomedico (sostituisce il timpano negli apparecchi acustici) ma anche per le realizzare le guaine dei cavi impiegati nel cablaggio negli aerei (resiste al fuoco, alla temperatura e agli agenti chimici). L’effetto piezoelettrico, negli aerei, è irrilevante rispetto al fattore sicurezza.

 

PVDF (piezoelettrico)

PVC (piezoelettrico)

Polipropilene

Polietilene (non piezo)

 

Strutture molecolari di PVDF, PVC, Polipropilene e Polietilene.  Il PVC contiene Cloro che giustifica le propietà piezoelettriche. Il polietilene non è piezoelettrico.

 

Le proprietà piezoelettriche del PVDF derivano dalla presenza, al suo interno, del fluoro. I gruppi -CF2, fortemente polari, in presenza di un campo elettrico esterno, tendono ad allinearsi alla direzione del campo. Se il campo elettrico è variabile (un segnale audio) il PVDF “suona” (nel vero senso della parola).  Il PVC è parente stretto del PVDF ed è anch’esso piezoelettrico anche se in misura minore. In letteratura si trovano esplicite conferme sulla piezoelettricità del PVC e sull’assenza di tale effetto nel Polietilene e Polipropilene.

Supponiamo allora che un cavo sia rivestito da un materiale piezoelettrico come il PVC (o la seta).  Il campo elettrico, associato alla corrente che fluisce nel cavo, provoca la vibrazione delle molecole del PVC: una parte dell’energia erogata dall’amplificatore viene “dirottata” per muovere le molecole del dielettrico. Il movimento delle molecole causa altri fenomeni dissipativi (isteresi, calore). Prima ancora di verificare eventuali effetti udibili e vista la disponibilità di cavi isolati in polipropilene e polietilene, si può semplicemente prevenire qualsiasi problema evitando i materiali piezoelettrici quali PVDF, PVC,  nylon, seta e altri.  Il PVC, benché non adatto, è largamente utilizzato nei cavi in quanto molto economico ma soprattutto perché è facile da colorare. 

Nei cavi coassiali il campo elettromagnetico è tutto confinato all’interno della schermatura quindi la guaina esterna può anche essere realizzata in PVC (che non viene eccitato). Resta comunque il problema della migrazione del Cloro nella schermatura in rame.

Per quanto riguarda il Polietilene ed il Polipropilene questi differiscono tra loro per il diverso grado di fumosità e tossicità prodotta in caso di incendio. Per il resto si equivalgono.

In teoria il dielettrico dovrebbe avere la stessa costante dielettrica del vuoto (o dell’aria). I dielettrici migliori sono delle schiume (di teflon, kapton) anche caricate con gas inerti che permettono di raggiungere velocità di propagazione pari a 0.92 volte la velocità della luce.

 

 

 

 

Costante dielettrica (Costante dielettrica assoluta del vuoto  = 8,854·10-12 [F/m])

Mezzo dielettrico

Costante dielettrica

relativa

Rigidità dielettrica

[KV/mm]

Aria secca (alla pressione di 1 [bar])

1,0006

3

cotone

1,2-1,4

 

Olio minerale

2,2 ÷ 2,5

7,5 ÷ 16

Olio per trasformatori

2 ÷ 2,5

12 ÷ 17

Silicone

2.6 ÷ 3,5

 

Bachelite 

5,5 ÷ 8,5

10

Carta comune

2

6

Carta paraffinata

2,5 ÷ 4

40 ÷ 50

Carta da condensatori

5 ÷ 5,5

30

Gomma

2,2 ÷ 2,5

15 ÷ 40

Mica

6 ÷ 8

50 ÷ 100

Porcellana

4 ÷ 7

12 ÷ 30

Vetro

6 ÷ 8

25 ÷ 100

Ossido di titanio

90 ÷ 170

5

 

 

Guaine: L’effetto Maxwell-Wagner

Se esiste riguarda le frequenze nella banda delle micro-onde (e già questo sarebbe indicativo).

Oltre all’effetto pelle ed all’effetto piezoelettrico  si è voluto attribuire al dielettrico un ulteriore effetto, dal nome quanto mai affascinante: l’effetto Maxwell-Wagner (detto anche rilassamento interfacciale o polarizzazione interfacciale). Si parla di effetto Maxwell-Wagner nell’ambito delle proprietà dielettriche dei modelli cellulari ma anche nei modelli bidimensionali per magneto-tellurica. Affinché l’effetto Maxwell-Wagner abbia luogo ci devono essere delle cellule o delle molecole che contengono al loro interno delle  cariche libere, immerse in un fluido che contiene anch’esso altre cariche libere. Queste non sono le condizioni riscontabili all’interno della guaina di un cavo. L’effetto Maxwell-Wagner non ha nulla a che fare con i cavi ed è solo un modo per attirare l’attenzione.

 

Guaine: Polarizzazione per deformazione

Fenomeno fisico tipico dei dielettrici costituiti da molecole polari (per esempio PVC e PVDF). I dipoli tendono ad allinearsi al campo magnetico associato alla corrente che scorre nel conduttore. Se la corrente è alternata (musica) 
i dipoli devono muoversi parecchio e, urtandosi, danno origine a dissipazione termica. Ciò avviene alle frequenze 
nel campo della banda ottica. A bassa frequenza (rispetto alla banda ottica) il fenomeno è irrilevante. La banda  ottica è centrata attorno a 60000 1014 ovvero oltre 14 decadi oltre il limite superiore della banda audio.
 

Guaine: Polarizzazione per orientamento

Fenomeno fisico tipico dei dielettrici costituiti da molecole non polari. Gli atomi, sottoposti al campo magnetico associato alla corrente che scorre nel conduttore, acquistano un momento polare (per separazione del baricentro 
delle cariche). Avendo acquistato un momento polare tendono ad allinearsi al campo magnetico. L’effetto è quindi 
analogo alla polarizzazione per deformazione ma si manifesta alle frequenze nel campo delle micro onde. A 
bassa frequenza (rispetto alle micro onde) il fenomeno è irrilevante. 
 

Guaine: distorsione dielettrica (Anti-Cable)

Il campo magnetico associato alla corrente che percorre il cavo penetra nella guaina. Una parte dell’energia magnetica verrebbe accumulata nel dielettrico e rilasciata il ritardo. Questo rilascio di energia di trasformerebbe 
nuovamente in corrente (?) ma in ritardo rispetto alla corrente che la ha generata. Questo comporterebbe un 
deterioramento udibile della Chiarezza della riproduzione. 
Visti gli effetti della polarizzazione per deformazione e per orientamento se questa distorsione dielettrica esiste si manifesta a frequenze in banda ottica o in banda micro-onde e non certo a frequenze audio. 
 
Guaine: invecchiamento
 
 
Invecchiamento dei Cavi:
 
Zi peggiora da 5 a 30 volte in 10 anni con valor medio di 10 volte (25% = 2 dB anno)
 
Si noti che i dati sono riferiti alla frequenza di 300 MegaHertz  che è una frequenza 1500 volte più alta del limite della banda audio.
 
 
 
 

 

Cavi: La componente resistiva

 

Un cavo con una resistenza complessiva di 0.2 ohm (dieci metri di cavo da 20 milli ohm per metro) può essere ritenuto tollerabile o scadente a seconda sia connesso ad un diffusore con impedenza nominale di 16, 8 o 4 ohm .  Si vedano le due Tabelle  che seguono.

 

Resistenza totale del cavo in ohm

(andata e ritorno)

Impedenza nominale del diffusore (carico) in ohm

Attenuazione in decibel

0.2

16

-0.108  (tollerabile)

0.2

8

-0.215 

0.2

6

-0.285

0.2

4

-0.424  (scadente)

0.2

3

-0.56

0.2

2

-0.83  (disastroso)

 

Attenuazione in deciBel

Tensione utile sul carico in %

Potenza Persa in %

0.45

0.95

10

0.35

0.96

7.84

0.26

0.97

5.91

0.18

0.98

3.96

0.09

.99

1.99

0

1.0

0

 

La potenza ha un costo: perdere 0.45 dB di segnale significa perdere circa il 11% della potenza dell’amplificatore. I dati in tabella indicano che l’attenuazione causata dal cavo può raggiungere e superare il dB (negli amplificatori OTL a valvole il fattore di smorzamento può valere meno di 1). Si capisce allora quanto siano importanti la sezione e la lunghezza del cavo in rapporto, per prima cosa, alla impedenza di uscita dell’amplificatore e quindi rispetto ai minimi di impedenza del diffusore acustico. Di norma i diffusori dinamici presentano il minimo di impedenza in gamma bassa o medio-bassa, gli altoparlanti elettrostatici tendono ad avere i minimi in gamma alta: un cavo sotto-dimensionato, oltre ad attenuare certe gamme di frequenza più di altre, riduce il fattore di smorzamento alterando la risposta sui bassi con esiti udibili.  Ne scaturisce anche una considerazione sul costo dei cavi: in assoluto non è conveniente spendere per i cavi più del 5-10% del costo dell’amplificatore.

 

Un buon cavo produce attenuazione minore di 0,1 dB. Tutti gli attuali modelli di diffusori Opera presentano minimi di impedenza superiori (nella parte reale) a 3 ohm e modulo maggiore di 3,2 e rispettano quindi la normativa DIN 45500. Purtroppo sono in commercio diffusori con minimi di impedenza che scendono a 0.8 ohm mentre valori compresi tra 2 e 3 ohm sono tollerati. E’ evidente che questi diffusori richiedono cavi con resistenza particolarmente bassa (a partire da AWG 8 e AWG 6 per lunghezze tra 2.5 e 5 metri).

 

Ci sono diffusori acustici che “suonano meglio” con cavi “sottili”. Non si tratta di una eccezione e ci sono delle ragioni tecniche: se l’impedenza del diffusore presenta rotazioni di fase rapide ed importanti e l’amplificatore non è adatto a pilotare carichi reattivi, l’interposizione di una resistenza da qualche decimo di ohm tra amplificatore e diffusore, disaccoppiando il carico, favorisce il lavoro dell’amplificatore. Quindi se i diffusori “suonano meglio” con un cavo sottile significa che l’amplificatore non è adeguato a quel particolare diffusore (o che il diffusore è oltremodo difficile).     

 

Argento e Rame sono utilizzati per costruire fili, l’oro è utilizzato per placcare i contatti e i connettori (non ossida), l’Alluminio viene usato sia per i cavi che per realizzare l’avvolgimento delle bobine mobili degli altoparlanti e in generale quando sono necessarie resistenza meccanica e leggerezza. Il rame offre il miglior rapporto resistività/prezzo ed è per questo largamente utilizzato. La resistività dell’ Argento è circa il 10% più bassa rispetto al rame: fissato un diametro D per un filo in argento, la stessa resistenza si ottiene con un filo di rame di diametro maggiorato del 5%. Conviene quindi aumentare un poco il diametro del filo e usare il rame che costa meno. Il vantaggio del rame OFC come ricordato riguarda la flessibilità dei cavi.

 

Cavi: Le componenti reattive

 

Veniamo ora all’accoppiamento amplificatore-cavo. In teoria l’impedenza di uscita di un amplificatore dovrebbe essere nulla o comunque piccola (centesimi di ohm) e puramente resistiva. Esiste una classe di amplificatori allo stato solido, con banda passante ad anello aperto limitata (attorno 100 Hz)  fortemente retroreazionati, che presentano una spiccata componente induttiva nella impedenza di uscita. Questi amplificatori hanno una impedenza di uscita che, praticamente, si presenta come una resistenza con una bobina in serie.  Questa induttanza, con la capacità parassita del cavo, forma un circuito risonante serie che può portare l’amplificatore alla instabilità. L’ instabilità si manifesta con un picco nella risposta in frequenza dell’amplificatore o peggio con l’innesco di oscillazioni che non sono udibili ma “succhiano corrente” e  producono distorsione per intermodulazione. Tutto ciò non aiuta. Anche nel caso si generi “soltanto” un picco nella risposta questo porta l’ aumento della corrente nel tweeter e non è detto che il tweeter stesso la gradisca (specie se si tratta di un tweeter con la membrana in metallo). Al minimo aumenta l’intermodulazione.  Le reti di Zobel non sono sempre sufficienti per  evitare questi inconvenienti. Anzi la presenza di una rete di Zobel all’uscita dell’amplificatore spesso indica la necessità di compensare l’impedenza di uscita. In ogni caso la rete di Zobel diminuisce il guadagno ad anello aperto (è a tutti gli effetti una compensazione applicata all’uscita). 

 

Riassumendo: la combinazione cavo-diffusore può alterare la risposta del diffusore (a causa di R), la combinazione amplificatore-cavo-diffusore può mandare in crisi l’amplificatore (a causa di L e C parassite del cavo). La presenza della componente induttiva (del cavo) da sola produce una attenuazione all’estremo alto della banda audio che potrebbe addirittura avere effetti favorevoli (per esempio se il tweeter è troppo esuberante). Ecco quindi che, sostituendo il cavo, si possono ottenere risultati udibili anche rilevanti. Se, nel confrontare due cavi, si avvertono delle differenze nella qualità sonora significa che almeno uno dei due è da buttare. Un cavo a bassa capacità, a parità degli altri parametri, è, in linea di principio, sempre preferibile.

 

Alcuni cavi di potenza per altoparlanti presentano una componente capacitiva molto alta. In tal modo si ottiene un cavo con velocità di propagazione bassa e impedenza caratteristica tra 5 e 10 ohm. Una impedenza vicina a quella dell’altoparlante potrebbe sembrare interessante per limitare le riflessioni o per ottenere “il massimo trasferimento di energia”: Sono balle: nelle linee corte la frequenza è troppo bassa per dare origine a questi fenomeni. Bisogna tenere presente che l’impedenza caratteristica del cavo si stabilisce a frequenza abbastanza alte (oltre la banda audio) e che, in ogni caso, il formato CDA presenta una banda passante rigorosamente limitata a 22050 Hz. In banda audio l’impedenza caratteristica di un cavo si rappresenta con il modello a parametri concentrati.

 

Cavi: Velocità di propagazione

 

La velocità di propagazione del segnale lungo un cavo viene espressa come frazione della velocità della luce c. Per un cavo coassiale RG58 la velocità di propagazione vale 0.66c (198000 chilometri al secondo circa). La velocità di propagazione dipende dalla costante dielettrica del materiale isolante che riveste i conduttori  (vds riquadro qui sotto).

 

 

 

Il Kapton possiede la costante dielettrica più bassa (1.5-1.3) e permette di realizzare cavi con velocità di propagazione compresa tra 0.82 e 0.88 volte la velocità della luce (con una struttura bifilare o coassiale analoga ad un RG58). Utilizzando particolari schiume si arriva a 0.92.

 

Utilizzando semplici misure impulsive è possibile misurare la velocità di propagazione con un errore del 10% e valutare indirettamente il valore della costante dielettrica relativa dell’isolante utilizzato.

 

È importante notare che la velocità di propagazione dipende dal prodotto di L e C. Ne segue che non è possibile fissare contemporaneamente la velocità di propagazione, la capacità e l’induttanza di un cavo.

 

Cavi: Impedenza caratteristica

 

L’ impedenza caratteristica di un cavo dipende, trascurando le perdite, dalla radice quadrata del rapporto tra induttanza e capacità per metro. Il suo valore non è importante in assoluto ma lo diventa in relazione al valore dell’impedenza del carico. In alta frequenze il massimo trasferimento di energia si ottiene quando l’impedenza del carico è uguale all’impedenza della linea. Quando l’impedenza del carico e della linea sono diversi si parla di linee non adattate. Nel caso di linee corte, cavi lunghi meno di dieci metri e nel range delle frequenze audio, l’impedenza vista all’ingresso del cavo (per perdite trascurabili) è pari al carico collegato all’estremità del cavo.

Per fare un esempio pratico: prendiamo un amplificatore, un cavo e un diffusore acustico. L’amplificatore vede, alla propria uscita, una impedenza pari alla impedenza del diffusore (indipendentemente dalla impedenza del cavo). Questo è dovuto al fatto che il cavo è comunque molto più corto della lunghezza d’onda corrispondente alla massima frequenza che vi deve transitare. Nella peggiore delle ipotisi (un cavo con velocità di propagazione 0.5c)

La lunghezza d’onda dei 20kHz all’interno del cavo vale 7.5 chilometri. Anche un cavo lungo 7.5 metri è 1000 volte più corto della lunghezza d’onda a 20kHz. Si ricorda che i CD contengono un segnale a banda passante rigorosamente limitata a 22050 Hz.

 

Cavi: Modello  a parametri distribuiti

 

I cavi, sia quelli impiegati per i segnali che quelli impiegati per collegare i diffusori acustici,  sono linee di trasmissione di lunghezza finita. A rigore vanno rappresentati con il modello a  “parametri distribuiti” (vedi figura) dove appaiono :

 

-          Parametri longitudinali (in serie) : resistenza R per metro e induttanza L per metro

-          Parametri Trasversali (in parallelo): conduttanza G per metro e capacità C per metro

 

In prima approssimazione si può trascurare G, se le perdite possono essere trascurate R e G non compaiono. E’ possibile trascurare R in due casi: quando il suo valore è effettivamente molto piccolo (cavi di potenza di grande sezione) o quando R è molto più piccola di wL (a frequenze elevate).

 

Rappresentazione di un cavo con il modello a parametri concentrati.

 

Questi quattro parametri dipendono dalla frequenza e presentano comportamenti non lineari (per esempio la rottura del dielettrico a tensioni eccessive). La conduttanza G è l’inverso di una resistenza e rappresenta l’isolamento del dielettrico (dovuto alle guaine che isolano i conduttori). I quattro parametri caratteristici del cavo sono definiti in modo che il loro valore totale, per un cavo di lunghezza nota, si ottiene moltiplicando il valore “per metro”  per la lunghezza totale del cavo. Per esempio se un cavo presenta una induttanza di 1 microHenry per metro, tre metri di cavo presenteranno una induttanza complessiva di 3 microHenry. Lo stesso vale anche per R ,C e G. 

Ne segue che più un cavo è corto e maglio è.

Da questi parametri si ricavano: l’impedenza caratteristica (Z0) , la velocità di propagazione del segnale lungo la linea, i coefficienti di riflessione e di attenuazione ecc.. Non sempre R,G,L e C sono dichiarati dal costruttore ma possono essere ricavati se, per esempio, si conoscono l’impedenza e la velocità di propagazione.

 

Cavi: Modello a parametri concentrati e linee corte

 

Il modello a parametri concentrati non è diverso, nella forma, dal modello a parametri distribuiti ma, invece di rappresentare un tratto infinitesimo di cavo, rappresenta l’intero cavo.  Nel modello a parametri concentrati R non rappresenta la resistenza per metro ma la resistenza totale e analogamente L C e G rappresentano l’ induttanza totale, la capacità totale e la conduttanza totale del cavo.

Usare il modello a parametri concentrati significa togliere la linea di trasmissione e sostituirla con un quadripolo: alcune proprietà della linea di trasmissione (per esempio la velocità di propagazione) non sono più deducibili dal modello e restano solo le proprietà del quadripolo rappresentate da R, L , C e G. In particolare, a bassa frequenza, dove  R e G sono dominanti, il quadripolo si riduce ad un partitore resistivo di tensione dove G è assolutamente trascurabile. 

 

La condizione necessaria affinché la linea possa essere rappresentata da un quadripolo è che sia “molto corta” rispetto alla lunghezza d’onda del segnale trasmesso. Per segnali compresi nella banda audio e lunghezze del cavo nell’ordine dei metri,  questa condizione è rispettata. 

 

Impedenza presentata da una linea corta chiusa in cortocircuito, chiusa su una generica impedenza Z e aperta (senza carico).

 

 

Confronto tra l’impedenza di ingresso del cavo “lungo” e del cavo “corto” in condizione di corto circuito.

 

Linea sta per linea “lunga”. La retta tratteggiata rappresenta la linea “corta”.

 

Cavi: Cavi schermati

 

Il cavo migliore è il cavo coassiale schermato. Oggi si preferisce utilizzare il doppino twistato ma questa scelta è dovuta a fattori economici. Quindi c’è poco da discutere: se si vuole la qualità migliore di devono adottare cavi coassiali schermati al 100%.

 

Nel pannello posteriore dell’amplificatore sono connessi l’alimentazione, i cavi che portano il segnale dalla sorgente ed i cavi che portano il segnale amplificato ai diffusori. La corrente che circola nel cavo di alimentazione e nei cavi dei diffusori è da tre a quattro ordini di grandezza più intensa di quella che scorre nei cavi di segnale. Per questo motivo i cavi di segnale sono schermati in modo da impedire fenomeni di induzione tra l’uscita e  l’ingresso. La schermatura deve essere efficace al 100%. E’ necessario schermare anche i cavi dei diffusori acustici? Certamente non è un male. Il cavo schermato irradia meno di un cavo non schermato. Normalmente si preferisce schermare il cavo di segnale (più corto) e utilizzare cavi non schermati (più lunghi) per i diffusori acustici. Si tratta quindi di una scelta economica e pratica visto che i cavi schermati sono normalmente più grossi,  meno flessibili e non devono essere calpestati. E’ anche opportuno adottare cavi di alimentazione schermati. L’efficacia della schermatura dipende da due fattori: la copertura e la resistenza. I cavi schermati con calze metalliche possono avere copertura inferiore al 100% (dal 60% al 95 o 97%) il che evidentemente indica una schermatura non perfetta. I cavi a doppia schermatura sono migliori e assicurano una copertura più prossima al 100%. Per ottenere il 100% di schermatura si impiegano anche quattro schermature. La resistenza della schermatura è fondamentale: più è bassa e più la caduta di tensione lungo lo schermo è bassa e con essa la tensione di rumore. Nei cavi schermati il campo elettrico è confinato all’interno della schermatura quindi non è in grado di eccitare la piezoelettricità della guaina esterna. Se la calza metallica non è in rame allora la guaina può essere realizzata in PVC senza controindicazioni (a meno che la schermatura non si scaldi troppo).

 

Cavi: Effetti meccanici - Attrazione tra fili percorsi da corrente

 

Due fili conduttori paralleli, percorsi da corrente, si attirano (o si respingono) con una forza proporzionale al prodotto delle intensità delle correnti che li attraversano e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa (vds legge di Lorentz e Legge di Biot-Savar valide quando la distanza tra i conduttori è grande rispetto al loro diametro). Se i conduttori sono molto vicini la legge è più complicata ma la sostanza resta. Possiamo limitarci a considerazioni di tipo qualitativo.

La forza di attrazione tra i fili paralleli è responsabile, per esempio, delle vibrazioni dei trasformatori. Nel caso di un cavo di potenza per diffusori acustici la corrente che percorre i conduttori (in andata e ritorno) ha la stessa intensità e verso opposto e possiamo esprimere  la forza come segue:

 

F = (μ0 /2π)   * ( i1 *i2 *L) /d   ->  ( i1 = -i2)  -> F = (μ0 /2π)   * (- i2 ) *L/d

Per una corrente alternata (w = pulsazione):

F = (μ0 /2π)   * ( i2    cos2 (wt)) *L/d

Ricordiamo che :

Cos2(alfa) = 1 + sin (2*alfa)

 

Ciò significa che la frequenza della vibrazione meccanica prodotta è doppia rispetto alla frequenza della corrente che percorre il filo (la stessa cosa avviene nei trasformatori che, in Italia, vibrano a 100 Hz e a 120 negli USA). L’impedenza di radiazione acustica del filo è molto bassa e non è facile sentir “suonare” un cavo.

L’ effetto piezoelettrico, eventualmente presente nel dielettrico, produce invece vibrazioni che hanno la stessa frequenza della corrente (distorsione a parte). Questo permette di distinguere le vibrazioni indotte per piezoelettricità (stessa frequenza) dalle vibrazioni indotte dall’attrazione tra i fili (frequenza doppia).

La vibrazione meccanica si contrasta irrigidendo la struttura del cavo o con i cavi a struttura coassiale. L’effetto piezoelettrico si evita utilizzando guaine non piezoelettriche. I conduttori formati da più strand tra loro isolati sono maggiormente soggetti alle vibrazioni meccaniche (fili Litz).

Nel cavo coassiale, per questioni di simmetria, il conduttore centrale non vibra perché la forza risultante su di esso è nulla. Anche da questo punto di vista il cavo coassiale è preferibile.

 

Cavi: Geometria dei cavi

 

La “geometria” del cavo, il modo in cui è realizzato e i materiali impiegati, determinano l’entità di L , C e G. Dal punto di vista della realizzazione  (geometria) del cavo, si possono distinguere tre tipologie principali:

 

cavo solid-core (unico conduttore)

cavo multi-strand (molti trefoli non isolati tra loro)

cavo Litz (multi strand isolati singolarmente e intrecciati in modo particolare)

 

I cavi “solid-core” e  “multi strand”  a parità di sezione si equivalgono, per resistenza ed effetto pelle, e differiscono per la flessibilità e per la diversa possibilità di ossidazione superficiale (meglio il solid core). Il cavo Litz  è realizzato con un elevato numero di trefoli, di piccolo diametro e isolati tra loro, offre una bassa induttanza (e capacità elevata). Il costo di un Litz è elevato a causa della realizzazione complicata e, come visto, non presenta reali vantaggi in banda audio. I cavi Litz, in banda audio, sono inutili.

Esistono anche dei cavi “misti” che sono dei multi-strand con un’anima solid-core al centro.

Per questi tipi di cavo se i conduttori non sono tra loro isolati l’unico vantaggio, nei confronti di un solid-core, sta in una certa flessibilità unita alla resistenza alla trazione.

Il vero problema è che i modi per realizzare un buon cavo sono pochi mentre i costruttori di cavi sono tanti e tutti hanno la necessità di differenziare i prodotti per distinguersi gli uni dagli altri. Questo è il motivo per cui si vedono cavi realizzati nei modi più fantasiosi. Si tratta spesso di espedienti commerciali per differenziare un prodotto dalla concorrenza.

 

Il tipico cavo rosso-nero è un multi-strand con dielettrico (e guaina) in PVC realizzato con rame elettrolitico puro al 99.97%. Il PVC è piezoelettrico. Costa poco. E’ obbligatorio quando il valore dell’impianto stereo è inferiore a 500 Euro.

 

Cavi: Cordatura

 

Un cavo contiene almeno due conduttori, ma potrebbero essercene anche 4, 6 o più. La cordatura definisce come questi cavi sono “attorcigliati” tra loro. Un passo di cordatura di 20 cm significa che nello spazio si 20 cm. i cavi sono stati “girati” di 360 gradi. La cordatura permette di ridurre l’induttanza del cavo: le cordature più efficaci sono brevettate.

 

 

 

 

Cavi: Calibratura, Centratura, Crimpatura, Trafilatura.

Sono aspetti che riguardano la realizzazione del cavo e che hanno un effetto sulla qualità. Va ricordato che il filo con cui viene realizzato il cavo è prodotto da pochi produttori nel mondo quindi tutti i cavi sono assemblati a partire dalle stesse materie prime. Si ricordi anche che il cavo deve essere omogeneo ed isotropo.

 

Calibratura: 

il filo conduttore che compone il cavo deve avere sezione costante in modo che tutti i parametri geometrici (vedi cordatura, distanza tra i conduttori, diametro ed omogeneità del dielettrico…) siano a loro volta costanti. Con rame non puro (95%) è difficile ottenere un trefolo di diametro inferiore a 0.2 mm di diametro ed è invece facile che il trefolo si spezzi.

Centratura

Il filo di rame deve essere perfettamente centrato all’interno della guaina isolante. Contrariamente le parti più sottili possono spezzarsi a causa delle continue piegature.

Il raggio di curvatura di un cavo di segnale è tipicamente di 80 mm e diventa  160 mm per un cavo di potenza. La centratura è una operazione delicata che va fatta con appositi macchinari. I cavi realizzati a mano non danno sufficienti garanzie sotto questo aspetto.

Crimpatura

l’estremità del cavo viene crimpata per fissare il connettore. La  crimpatura deve essere circolare (e non quadrata) per non introdurre strozzature (dislocazioni) nel conduttore.

Se il cavo non è terminato non deve essere crimpato (che è meglio)

Trafilatura

la trafilatura della guaina di un cavo è molto importante: la guaina esterna deve aderire perfettamente alla guaina interna o al conduttore. Eventuali bolle contribuiscono ad aumentare il rumore. Le guaine devono essere anche in grado di impedire al cavo di vibrare (repulsione tra i fili). Vedere anche Centratura

 

Cavi: rumore nei cavi.

Se le guaine non sono perfettamente  aderenti si formano delle bolle d’aria (che dovrebbero essere scartate in fase di controllo qualità) e queste generano rumore. Altro rumore viene generato quando gli elettroni devono superare delle discontinuità (causate dalle impurità). In tal caso si innescano dei micro archi voltaici. Ne segue che la purezza del rame porta a diversi benefici: la flessibilità, minore probabilità di interruzione dei trefoli, meno rumore, alta conducibilità. Non è invece il caso di parlare di rumore termico causato dalla componente resistiva perché è assolutamente trascurabile.

 

Cavi: La distorsione dei cavi

 

C’è un principio generale che è bene chiarire. Partiamo dalla conservazione dell’energia. Consideriamo un cavo con una guaina in PVC. L’energia proveniente dall’amplificatore per la maggior parte giunge al carico ma una parte viene spesa per mettere in movimento la guaina in PVC che è piezoelettrica. Supponendo che questi siamo gli unici due fenomeni presenti scriviamo il bilancio energetico in questo modo:

 

Energia totale = (Energia sul carico) + (Energia sulla Guaina)

 

Se k rappresenta la frazione di energia spesa dalla guaina possiamo scrivere:

 

(Energia sul carico)  = (1- k) (Energia totale)     (1)

 

ora se k è costante (in particolare indipendente dalla frequenza e dall’ampiezza dello stimolo) la relazione (1) è lineare e non c’è distorsione. Se k non è una costante sarà, per esempio, sviluppabile in serie di Taylor ( k(x) = a + bx + cx2 + cx3 + …) allora anche (1-k) diventa “non lineare” e la non linearità della guaina si ritrova sul carico (in una qualche misura da valutare).

 

(Energia sul carico)  = [1- (a + bx + cx2 + cx3 + …)] (Energia totale)    

 

Questo ragionamento vale in generale quando , nel bilancio energico, appaiono termini non lineari (si consideri, per esempio, per la distorsione magnetica negli amplificatori).

 

Il rame puro non produce alcuna forma di distorsione. Tuttavia ci sono fenomeni che possono provocare distorsione e sono i fenomeni non lineari e le vibrazioni meccaniche.

 

Causa

Natura

Probabilità di causare distorsione

Riscaldamento

Non lineare

Molto Scarsa

Tensione di break down

Non lineare

Molto Scarsa

Piezielettricità

Vibrazione Non lineare

Buona (con PVC e PVDF)

Attrazione tra i fili

Non lineare

Buona

Ossidazione delle terminazioni

Non lineare

Sicura

 

La capacità e l’induttanza del cavo dipendono anche dalla geometria della cordatura. Se i cavi vibrano anche la capacità e l’induttanza cambiano di valore seguendo il segnale (al quadrato). Un cavo composto da molti strand tra loro isolati ha maggiore probabilità di vibrare (infatti le induttanze avvolte con  filo Lits presentano tassi di distorsione maggiori rispetto agli avvolgimenti realizzati con solid core).

 

Il rame, a contatto con l’aria, si ossida producendo una combinazione di CuO e Cu2O . Il Cu2O è un semiconduttore e si comporta come un diodo lasciando passare la corrente prevalentemente in un verso. Ne segue che il rame ossidato produce distorsione per rettificazione. Questo fenomeno è molto rilevate nei paesi a clima umido come la Malesia (dove si ossidano anche i fili di cablaggio all’interno dei diffusori). Maggiore è il numero dei trefoli (strand) che compongono il cavo, tanto più il cavo è flessibile ma tanto più aumenta la possibilità che si formi ossido sulle superfici a contatto con l’aria. Da questo punto di vista, il cavo migliore è quello unipolare (solid core) che però non è flessibile. Tutti questi problemi scompaiono se il cavo è in rame stagnato ed i connettori dorati (niente ossido, niente rettificazione). Le morsettiere dorate presenti sui diffusori acustici, da questo punto di vista, trovano una giustificazione: preservano le superfici di contatto dalla corrosione e dagli ossidi. Le terminazioni ossidate vanno pulite.

Un cavo produce distorsione?  Se non è realizzato rispettando determinate regole si. L’unica causa sulla quale possiamo intervenire è l’ossidazione delle terminazioni (che vanno periodicamente pulite).

 

A questo punto si dovrebbe fare una considerazione: il cavo migliore è sicuramente un cavo coassiale con il conduttore interno in solid core. Questo cavo è grosso, nero, ingombrante, brutto da vedere, poco flessibile e pesante. In sostanza possiede ottime caratteristiche elettriche ma pessime caratteristiche “estetiche”. L’audiofilo preferisce i cavi flessibili e spende una montagna di soldi per dei cavi che, nella migliore delle ipotesi difficilmente arriveranno alle prestazioni elettriche dei un buon cavo coassiale. Il cavo coassiale, strutturalmente non può vibrare.

 

A questo punto dovrebbe essere possibile definire delle procedure per misurare la distorsione prodotta dai cavi.

Per esempio una misura di distorsione integrale con stimolo multitono condotta a livelli di corrente crescenti (fino ad almeno 10  Ampere).

 

Cavi: La connessione Multi-wire Viene trattata in un articolo dedicato.

 

Cavi: Connettori

 

 

I dati mettono in evidenza che la resistenza dovuta al connettore è una percentuale importante della resistenza totale del cavo.

 

-          Valore tipico della resistenza di contatto di una crimpatura: 0.5 milli Ohm

-          Valore tipico della resistenza di contatto del connettore avvitato a mano (maschio con femmina): 3 milli Ohm

-          Totale (considerando le due terminazioni: 2 x (0.5 + 3) = 7 milli Ohm

 

3 metri di cavo AWG 10  presentano circa 20 milli Ohm di componente resistiva (3 metri in andata e 3 metri in ritorno)

 

 

Da qualche tempo a questa parte la rivista SUONO consiglia di utilizzare i cavi di potenza NON terminati: ha ragione, la soluzione migliore è NON terminare i cavi di potenza.

 

Leggende Metropolitane: Verso di Percorrenza

 

I cavi hanno un verso privilegiato di percorrenza? Alcuni si per esempio i cavi semibilanciati (la massa va collegata dal lato sorgente) e anche certi cavi dotati di filtri terminati con un condensatore verso massa (se connessi “rovesci” possono bruciare l’amplificatore). Lasciamo da parte questi case particolari (di cui il secondo ai limiti della criminalità). Limitiamoci ai cavi non bilanciati o bilanciati senza filtri o ammennicoli strani.

 

Consideriamo un segnale sinusoidale: per mezzo periodo percorre il cavo da destra e sinistra e per il successivo semiperiodo da sinistra a destra. Se il cavo non è uguale nelle due direzioni uno dei due semiperiodi viene alterato. Quindi se un cavo ha un verso di percorrenza privilegiato significa che ha sicuramente un difetto nella propagazione in una direzione e quindi non deve essere acquistato. Il cavo deve essere omogeneo ed isotropo contrariamente, per definizione, non è un cavo. La matrice che descrive una linea di trasmissione è simmetrica.

 

Leggende Metropolitane: Il Rodaggio dei Cavi

 

C’è chi sostiene che i cavi abbiano bisogno di un periodo di “rodaggio” che ne stabilizza le prestazioni. Vediamo cosa può cambiare nel cavo con l’utilizzo o il tempo. Quando un cavo è percorso da corrente, magari poco, ma si scalda.  Il PCV è molto sensibile al calore (si ammorbidisce a circa 70-80°) e, quando riscaldato, rilascia il Cloro che migra nel rame rendendolo impuro. I 30-35 gradi che si raggiungono in estate sono già sufficienti per degradare il PVC (basta osservare come si riduce il PVC con il tempo) . Per questo motivo è inutile utilizzare rame OFC e guaine in PVC: con il tempo il rame si inquina. Con una guaina in PE o in PP questo non avviene e il rame OFC rimane OFC nel tempo. 

 

Il suono dei cavi cambia nel tempo…. Il suono dei cavi di bassa qualità cambia nel tempo e se il suono cambia nel tempo il cavo è di bassa qualità. Se un cavo prevede un periodo di rodaggio è meglio non acquistarlo.

Con il tempo ed il contatto con l’aria il rame si ossida ma questo riguarda solo le terminazioni scoperte. Se le terminazioni si ossidano basta pulirle o stagnarle preventivamente. 

 

Leggende Metropolitane: Super conduttori a temperatura ambiente

 

Attualmente (20 aprile 2017) non esiste un materiale superconduttore a temperatura ambiente anche se c’è un notevole interesse nella ricerca di un materiale che diventi super conduttore a temperature superiori a quelle dell’azoto liquido. Anzi sembra che propriorecentemente la cosa sia riuscita ad alcuni ricercatori dell’Università di Padova (che, ricordo, è in Italia).

Nel film Avatar si parla di un materiale superconduttore a temperatura ambiente che si trova sul pianeta Pandora: l’unobtanium. Al momento il miglior conduttore disponibile in questo sistema solare è l’argento puro.

 

Leggende Metropolitane: elettroni veloci

 

La velocità di propagazione del segnale lungo un cavo è determinata da induttanza e capacità per metro del cavo stesso. Quello che si propaga lungo il cavo è un campo elettromagnetico (onde elettromagnetiche). La corrente continua è costituita da un flusso di elettroni.

 

Leggende Metropolitane: meglio la qualità della quantità

 

Come dire che un cavo sottile (AWG 16, 18,…26…) ma di rame OFC funziona meglio di un cavo di grossa sezione (AWG 6) ma in rame elettrolitico. Non è vero, salvo eccezioni funziona meglio il cavo AWG 6.

Il dielettrico non deve essere piezoelettrico, la velocità di propagazione deve essere alta (maggiore di 0.65c), e la sezione del conduttore deve essere adeguata (AWG 10, 9, 8…6). In buona sostanza la variazione di risposta in frequenza misurata all’uscita dell’amplificatore e ai morsetti di ingresso del diffusore acustico deve essere limitata a qualche decimo di dB.

Per non creare problemi all’amplificatore la capacità del cavo deve essere bassa (cavo “veloce” e più corto possibile).

 

Cavi di alimentazione

 

I cavi di alimentazione trasportano “tutta” la potenza utilizzata dall’amplificatore. Il “suono” dell’impianto può dipendere dal cavo di alimentazione? L’unico modo in cui il cavo di alimentazione può interferire con il suono dell’impianto stereo è attraverso l’induzione in particolare verso i cavi di segnale.

Se i cavi di segnale sono schermati al 100% non ci sono problemi.

Il cavo di rete deve essere tenuto ben lontano dai cavi di segnale (e non attorcigliato con tutti gli altri cavi). Contemporaneamente i cavi di segnale vanno accorciati alla minima lunghezza (per esempio ponendo il lettore CD sopra all’amplificatore). Altra cosa da evitare è avvolgere i cavi in spire perché questo aumenta l’induzione magnetica. Esistono cavi di alimentazione schermati che vanno utilizzati in particolare per i dispositivi che richiedono più potenza (e quindi irradiano di più).  

 

 

La tensione di rete (….si chiami l’ENEL sia fatta la luce…)

 

La tensione di rete ha un suo suono e una sua voce. I 220 Volt di rete sono soggetti a variazioni di ampiezza, asimmetrie, presenza di componenti continue, transitori e rumori che interferiscono con il buon funzionamento di ogni apparecchiatura che non sia dotata di una alimentazione stabilizzata e filtrata.

Gli stadi di uscita degli amplificatori non hanno, in genere, una alimentazione stabilizzata e soffrono le variazioni di tensione (vedere il Power_Supply_ Rejection_Ratio degli amplificatori). Ciò accadere, in particolare, con amplificatori a basso fattore di controreazione  (che sono potenzialmente i migliori come qualità ma da questo punto di vista più delicati). Un tempo i televisori dovevano essere collegati a stabilizzatori di tensione proprio per proteggerli dalle variazioni della rete. Oggi i televisori sono migliorati e gli stabilizzatori di tensione sono finiti in soffitta, la rete elettrica, invece, è più disturbata di prima. Esistono i gruppi di continuità (come  quelli per computer). I più completi svolgono quattro funzioni:

 

-          continuità rispetto alle interruzioni di rete (grazie alla presenza di batterie)

-          filtro antidisturbo

-          stabilizzazione della tensione

-          protezione dalle extra-tensioni tramite disgiuntore

 

Se avete problemi di rete (stabilità, disturbi, rumori, interruzioni ) installate un gruppo di continuità ad onda sinusoidale (magari uno per l’amplificatore e uno separato per il lettore CD….). Quanto potente? Diciamo almeno quattro volte la potenza complessiva erogata dall’amplificatore: per un amplificatore da 100 watt per canale calcolate 100+100=200*4=800 VA (o più). Non è difficile, con un oscilloscopio, controllare la qualità della sinusoide prodotta dal gruppo di continuità. Esistono anche i filtri di rete ed i cavi di alimentazione schermati.

 

Un buon Compromesso

 

Realizzare un cavo di buona qualità non è difficile: basta prendere un conduttore AWG10 in rame OFC e isolarlo con una guaina in polipropilene o polietilene. Se viene realizzato e terminato seguendo le regole base un cavo simile è già molto buono.

Per migliorare ulteriormente il miglior compromesso per ottenere un buon rapporto qualità/prezzo è il seguente:

la sezione può rimanere AWG 10 da realizzarsi con un multistrand formato da trefoli stagnati di diametro minore di 0.9 mm (per esempio 0.5 mm). Lo stagno ha due funzioni: protegge il rame da ossidazione ed inquinamento e si comporta come una sorta di guaina conduttiva. Uno dei problemi dei cavi multistrand è il passaggio di elettroni da uno strand all’altro. Questo passaggio innesca dei micro archi voltaici che generano rumore. Se lo strand è rivestito di stagno gli elettroni (piuttosto che attraversarlo) preferiscono rimanere nel rame che ha conducibilità maggiore.

Quando il diametro del filo è minore di 0.9 mm non c’è effetto pelle fino a 20kHz. Il cavo multstrand con strand stagnati presenta caratteristiche meno estreme del Litz ma è anche più lineare.

 

Conclusioni

 

Le caratteristiche di un cavo dipendono:

 

-          dalla sua lunghezza

-          dalla sezione del conduttore

-          dalla purezza del rame (flessibilità)

-          dalla velocità di propagazione

-          della qualità della guaina e dell’isolante

-          dalla cordatura

 

La sezione del conduttore è fondamentale per la risposta alla basse frequenze e va sovradimensionata. Sappiamo che se la guaina è realizzata in materiale privo di alogeni la velocità di propagazione è buona e il rame non rischia di essere contaminato. La cordatura riduce le componenti reattive (specie l’induttanza). L’impedenza del diffusore acustico deve rispettare la norma DIN e l’amplificatore deve essere stabile sui carichi reattivi. Ne segue che il cavo di riferimento può essere realizzato con le seguenti caratteristiche :

 

-          sezione AWG 6

-          guaina in materiale privo di alogeni (Halogen-free)

-          4 conduttori in configurazione anti-induttiva (4 x 8 mm2)

-          lunghezza minima possibile

 

Su un carico di 3.2 ohm le perdite resistive per tale cavo sono nell’ordine di 0.05 dB a 20kHz mentre la componente induttiva rimane attorno a 40 microHenry per metro (per chi desidera cavi a bassa induttanza).

 

Il “suono” dei cavi dipende sostanzialmente dalla conducibilità e dalla velocità di propagazione: se un cavo presenta una resistenza trascurabile rispetto alla impedenza di uscita dell’amplificatore, non può alterare le basse frequenze. Lo stesso vale sulle alte frequenze se la velocità di propagazione è prossima a 0.8 c .

 

Se esistessero delle normative per definire le caratteristiche di interfaccia dei dispositivi audio HiFi sarebbe ancora più semplice. Le difficoltà derivano proprio dalla carenza di normative e dallo scarso rispetto di quelle esistenti (per esempio la norma DIN 45500 che indica dei valori minimo di impedenza per  i classici 4, 8, e 16 ohm nominali). Per prima cosa dovremmo scegliere diffusori acustici con una impedenza elettrica quanto possibile regolare e con minimi di impedenza comunque non inferiori a 3 ohm.

La mancanza di norme ci costringe a scegliere un cavo sovradimensionato.

 

Conoscere l’impedenza dei propri diffusori acustici e le caratteristiche dell’amplificatore è molto importante: uno sguardo alle misure proposte dalle riviste specializzate è obbligatorio.

L’andamento dell’impedenza del diffusore è un segno della cura che è stata posta nel progettarlo: un buon progetto non può prescindere dalla “pilotabilità” del diffusore e deve rispettare la normativa DIN. Se l’amplificatore non è stabile sui carichi reattivi è meglio tenere il cavo e cambiare l’amplificatore. Un amplificatore instabile non ha ragione di essere.

 

Infine vale la pena di disporre l’impianto ed i diffusori in modo da minimizzare la lunghezza dei cavi.

Non ha senso disquisire sul suono dei cavi e sulle sinergie tra i componenti e poi collegare i diffusori con 10 metri di filo AWG 16. 

Per fare ciò conviene mettere amplificatore e sorgente tra i due diffusori acustici. Per limitare qualsiasi effetto dovuto alla loro presenza disponeteli su un tavolino basso, a ridosso della parete di fondo, in modo che restino al di sotto dell’altezza del midrange dei vostri diffusori (che dovrebbero essere un po’ avanzati rispetto alla parete di fondo). Curate la simmetria della disposizione. 

E’ probabile che molti problemi siano generati dalla tensione di rete la cui stabilità è sempre peggiore di quello che si immagina (specie vicino ad un insediamento industriale).

Un ultimo consiglio che può sembrare banale: i cavi che collegano gli altoparlanti trasportano correnti rilevanti (anche superiori a 10 Amper di picco) e vanno tenuti lontani tra loro, dai cavi che trasportano segnali deboli e dai cavi di alimentazione. In linea di principio tutti i cavi dovrebbero essere schermati e di lunghezza minima.   


------------------------------------------------------------ argomenti correlati:

 

AWG = American Wire Gauge

 

Accanto alle serie di diametri e sezioni trasversali metriche, si è affermato su scala internazionale il sistema AWG, soprattutto nelle industrie dell'aeronautica e cosmonautica, nell'elettronica e nel settore militare.

 

Una delle caratteristiche delle serie AWG consiste nel continuo aumento delle sezioni trasversali del 26%, da un numero AWG all'altro. Bisognerebbe però far attenzione ad alcuni aspetti particolari collegati a questa graduazione.

I numeri AWG in aumento risultano in sezioni trasversali sempre minori.

Un'alterazione di 6 numeri AWG corrisponde ad un raddoppio oppure dimezzamento del diametro.

Una alterazione di 3 numeri AWG corrispondono al raddoppio o dimezzamento della sezione trasversale.

Esempio (approssimativo):

 

AWG 30 = 10 mils = 0,254 mm

AWG 24 = 20 mils = 0,51 mm

 

AWG 30 = 100.5 circular mils = 0,051 mm²

AWG 33 =   50.2 circular mils = 0,0254 mm²

 

 

WIRE TABLE FOR SOLID, ROUND COPPER CONDUCTORS 

 

Size        Diameter         Cross-sectional area      Weight   
AWG          inches        cir. mils     sq. inches  lb/1000 ft 
=============================================================== 
4/0 -------- 0.4600 ------- 211,600 ------ 0.1662 ------ 640.5   
3/0 -------- 0.4096 ------- 167,800 ------ 0.1318 ------ 507.9   
2/0 -------- 0.3648 ------- 133,100 ------ 0.1045 ------ 402.8   
1/0 -------- 0.3249 ------- 105,500 ----- 0.08289 ------ 319.5   
1   -------- 0.2893 ------- 83,690 ------ 0.06573 ------ 253.5   
2   -------- 0.2576 ------- 66,370 ------ 0.05213 ------ 200.9   
3   -------- 0.2294 ------- 52,630 ------ 0.04134 ------ 159.3   
4   -------- 0.2043 ------- 41,740 ------ 0.03278 ------ 126.4   
5   -------- 0.1819 ------- 33,100 ------ 0.02600 ------ 100.2  
6   -------- 0.1620 ------- 26,250 ------ 0.02062 ------ 79.46   
7   -------- 0.1443 ------- 20,820 ------ 0.01635 ------ 63.02   
8   -------- 0.1285 ------- 16,510 ------ 0.01297 ------ 49.97   
9   -------- 0.1144 ------- 13,090 ------ 0.01028 ------ 39.63   
10  -------- 0.1019 ------- 10,380 ------ 0.008155 ----- 31.43   
11  -------- 0.09074 ------- 8,234 ------ 0.006467 ----- 24.92   
12  -------- 0.08081 ------- 6,530 ------ 0.005129 ----- 19.77  
13  -------- 0.07196 ------- 5,178 ------ 0.004067 ----- 15.68   
14  -------- 0.06408 ------- 4,107 ------ 0.003225 ----- 12.43   
15  -------- 0.05707 ------- 3,257 ------ 0.002558 ----- 9.858   
16  -------- 0.05082 ------- 2,583 ------ 0.002028 ----- 7.818   
17  -------- 0.04526 ------- 2,048 ------ 0.001609 ----- 6.200   
18  -------- 0.04030 ------- 1,624 ------ 0.001276 ----- 4.917   
19  -------- 0.03589 ------- 1,288 ------ 0.001012 ----- 3.899   
20  -------- 0.03196 ------- 1,022 ----- 0.0008023 ----- 3.092   
21  -------- 0.02846 ------- 810.1 ----- 0.0006363 ----- 2.452   
22  -------- 0.02535 ------- 642.5 ----- 0.0005046 ----- 1.945   
23  -------- 0.02257 ------- 509.5 ----- 0.0004001 ----- 1.542   
24  -------- 0.02010 ------- 404.0 ----- 0.0003173 ----- 1.233   
25  -------- 0.01790 ------- 320.4 ----- 0.0002517 ----- 0.9699  
26  -------- 0.01594 ------- 254.1 ----- 0.0001996 ----- 0.7692  
27  -------- 0.01420 ------- 201.5 ----- 0.0001583 ----- 0.6100  
28  -------- 0.01264 ------- 159.8 ----- 0.0001255 ----- 0.4837   
29  -------- 0.01126 ------- 126.7 ----- 0.00009954 ---- 0.3836  
30  -------- 0.01003 ------- 100.5 ----- 0.00007894 ---- 0.3042  
31  ------- 0.008928 ------- 79.70 ----- 0.00006260 ---- 0.2413  
32  ------- 0.007950 ------- 63.21 ----- 0.00004964 ---- 0.1913  
33  ------- 0.007080 ------- 50.13 ----- 0.00003937 ---- 0.1517  
34  ------- 0.006305 ------- 39.75 ----- 0.00003122 ---- 0.1203  
35  ------- 0.005615 ------- 31.52 ----- 0.00002476 --- 0.09542  
36  ------- 0.005000 ------- 25.00 ----- 0.00001963 --- 0.07567  
37  ------- 0.004453 ------- 19.83 ----- 0.00001557 --- 0.06001  
38  ------- 0.003965 ------- 15.72 ----- 0.00001235 --- 0.04759  
39  ------- 0.003531 ------- 12.47 ---- 0.000009793 --- 0.03774  
40  ------- 0.003145 ------- 9.888 ---- 0.000007766 --- 0.02993   
41  ------- 0.002800 ------- 7.842 ---- 0.000006159 --- 0.02374  
42  ------- 0.002494 ------- 6.219 ---- 0.000004884 --- 0.01882  
43  ------- 0.002221 ------- 4.932 ---- 0.000003873 --- 0.01493  
44  ------- 0.001978 ------- 3.911 ---- 0.000003072 --- 0.01184 

 

 

 

Velocità di propagazione e impedenza caratteristica

 

La velocità di propagazione del segnale lungo una linea di trasmissione, in presenza di perdite, è data da:

 

 

dalle espressioni qui riportate si deduce che non è possibile costruire un cavo con valori di L e C arbitrari: dovendo risultare la velocità di propagazione minore di quella luce deve sussistere un rapporto tra C e L : se uno aumenta l’altro diminuisce e viceversa.

La velocità di propagazione del segnale è un indice della qualità del cavo: affinché la velocità sia elevata sia la capacità che l’induttanza devono avere valori bassi e le perdite nel dielettrico devono essere minime. Inoltre è opportuno che la velocità di propagazione non cambi con la frequenza il che richiede la stabilità dei valori di R,L,C e G con la frequenza (contrariamente il cavo diventa dispersivo).

L’impedenza caratteristica di una linea di trasmissione è data dall’espressione:

 

 

 

 

TABELLE AGGIUNTIVE:

 

caratteristiche del rame:

 

Temperatura di fusione

1083 °C

Temperatura di ebollizione

2595 °C

Densità a 20 °C

8.89 g/cm3

Carico di rottura (ricotto)

~ 220 N/mm2

Coefficiente di dilatazione termica a 20°C

1,65 10-6 m/(m*K)

Ritiro di solidificazione

4.92 %

Calore specifico a 20°C

385 KJ/(Kg*K)

Conduttività termica a 20 °C

391 W/(m*K)

Resistività elettrica a 20 °C (ricotto)

0.017241 Ohm mm2/m

Coefficiente di temperatura della resistività elettrica (-100° : +150°)

393 *10-5 K-1

RT = R20 [1 + alfa (1 - 20)]

alfa = 0,00393

Velocità del suono

3600 m/s

Potenziale E° (Cu2+ +2e- Cu)

0,337 V

                Caratteristiche del Rame ricotto campione a 20°C  (sezione uniforme di 1 mm2 e lunghezza di 1 metro)

 

Tipo

Conduttività IACS

Resistività di volume ohm/m mm2

a 20oC – lavorato a freddo

97.0-97.7 %

0.017668 - 0.01876

Rame UNI 5649/1 CU-ETP

98,28 %

0,017544

Rame UNI 5649/1 CU-OF

100 %

0,017241

a 20oC – ricottura dolce

100.0-101.5 %

0.016978 - 0.01724

                Valori di resistività

 

Impurità presenti nel Rame

 

 impurità presenti

RAME ELETTROLITICO
(ETP)

RAME OXYGEN-FREE
(OFHC)

Argento

.0013

.0012

Zolfo

.0015

.0012

Arsenico

.0006

.0002

Piombo

.0010

.0005

Antimonio

.0010

.0005

Bismuto

.0001

.00003

Selenio

.0003

.0001

Tellurio

.0001

.00005

Stagno

.0004

.0001

Nickel

.0014

.0005

Zinco

.0004

.00005

Ossigeno

.0340

.0003

Conducibilità (IACS)

100.7%

101.5%

 

 

Alcuni materiali utilizzati per realizzare l’isolamento e/o le guaine dei cavi (dal sito www.novacavi.it):

 

Etileneclorotetrafluoroetilene

ECTFE

Etilenetetrafluoroetilene

ETFE

Fluoroetilenpropilene (Teflon®)

FEP

Fluoruro di polivinilidene

PVDF (piezoelettrico)

Gomma etilenpropilene

EPR EPDM

Gomma silicone

SI

Gomma termoplastica Alcryn®

 

Gomma termoplastica

HT SEBS

Gomma termoplastica Santoprene®

 

Mescola LS0H reticolata

 

Mescola LS0H termoplastica

 

Metilvinileterefluoroalkoxy

MFA

Perfluoroalkoxy

 PFA

Poliammide

PA

Poliestere termoplastico elastomero

PETE

Poliimmide (Kapton®)

PI

Polipropilene

PP

Politene alta densità

HDPE

Politene bassa densità

LDPE

Politene reticolato

XLPE

Politene tereftalato

 PTE

Politetrafluoroetilene

PTFE

Poliuretano poliestere

PUR

Poliuretano polietere

PUR

Polivinilcloruro 105° C

PVC 105° C (piezoelettrico)

Polivinilcloruro 70° C

PVC 70° C (piezoelettrico)

Polivinilcloruro per basse temperature

PVC BT (piezoelettrico)

Polivinilcloruro resistente agli oli

PVC OR (piezoelettrico)

Polivinilcloruro semirigido

PVC SR (piezoelettrico)

Polivinilcloruro-nitrile

PVC-NBR (piezoelettrico)

Polivinilcloruro-poliuretano

PVC-PUR (piezoelettrico)

 

Questa tabella contiene diversi tipi di isolanti/dielettrici ciascuno dei quali presenta particolari caratteristiche di resistenza alla temperatura, all’acqua e agli agenti chimici ed atmosferici. Come si vede esistono molti tipi di polietilene diversi.

 

 

 

Costante dielettrica relativa di alcuni materiale e velocità di propagazione

 

La tabella riporta i valori della costante dielettrica e della velocità di propagazione ottenibile (nell’ipotesi di perdite nulle)

 

Materiale

erif

velocità di propagazione

Nylon

2.8-3.0

 

PVC (in generale)

2.7 -14

 

PVC nero

3.4

 

PVC a 1 MHz

2.

 

PVC a 800 Hz

3.4

 

Policarbonato

3 3

 

PE (Polietilene)

2.3

0.66c

PP (Polipropilene)

2.3

0.66c

Teflon

2.1

0.68c

Kaptopn

1.3 – 1.5

0.88 – 0.81 c

Silicone

2.6-3.5 a 1000Hz