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Lo Zen e l'arte del cablaggio - 1

January 8, 2018

Un argomento di questo tipo presupporrebbe non una newsletter (od una serie di queste) ma una decina di volumi enciclopedici, che iniziassero a spiegare i principi fisici che ruotano attorno al trasferimento dei segnali elettrici, nonchè teoria e pratica del cablaggio. Queste brevi righe servono ad avere idee, ed a mio modesto avviso le più vicine alla realtà dei fatti, che aiutino nella scelta consapevole dei cavi da usarsi e come interconnettere le apparecchiature elettroniche tra loro.

 

Parte 1°: I cavi audio come componenti della catena di riproduzione.

La maggior parte delle persone crede che i cavi colleghino semplicemente i componenti della catena e basta. Questo è corretto solo in teoria. Il cavo teoricamente perfetto dovrebbe trasportare il segnale senza influenzare in alcun modo il suono ma Il cavo perfetto - assolutamente passivo, assolutamente neutrale - è straordinariamente difficile da progettare e costruire nel mondo reale. I cavi di tutti i tipi hanno sempre un effetto sulle prestazioni del sistema.

In questa breve lettura analizzeremo gli aspetti legati all'impedenza del cavo, per cui il cavo come filtro tra componenti (sia per cavi di potenza che di segnale) e come i cavi modificano il fattore di smorzamento (solo per cavi di potenza).

 

 

Il cavo ed i suoi parametri elettrici: perchè il cavo è un filtro.
 

In elettronica, un filtro lo si realizza con almeno almeno due componenti: una resistenza (R) ed un condensatore (C), o una resistenza (R) ed un'induttanza (L), o un condensatore (C) ed un'induttanza (L). Se un filtro possiede condensatore e resistenza si dice filtro "passa alto", ovvero che lascia passare segnali sopra una certa frequenza (detta di "taglio").  Un filtro con resistenza e induttanza realizza esattamente l'opposto, ovvero un filtro "passa basso" cioè lascia passare segnali solo sotto la frequenza di taglio. Un filtro agisce sia nel dominio della frequenza (con il "taglio"), che nel dominio del tempo (agendo sulla fase tra tensione e corrente).
 

Tutti i cavi REALI posseggono una resistenza, un'induttanza ed una capacità (cioè possiedono un'impedenza, detta parassita, parametro non voluto)  in grado di alterare la trasmissione del segnale audio, in quanto le frequenze di taglio e le rotazioni di fase possono cadere nello spettro delle frequenze udibili. Oltretutto l'impedenza del cavo, interferisce con l'impedenza di uscita dell'apparecchio che sta trasmettendo il segnale e con l'impedenza d'ingresso dell'apparecchio che lo sta ricevendo.

In un cavo, cosa determina la capacità parassita, l'induttanza parassita e la resistenza ?

Come anticipato sopra la lunghezza peggiora qualsiasi parametro. Più è corto, meglio è.
Ricodiamocelo
.

La capacità indica l'attitudine di un corpo conduttore ad accumulare carica elettrica qualora sia dotato di un potenziale elettrico rispetto all'ambiente o sia soggetto di una differenza di potenziale elettrico rispetto ad altri corpi conduttori. La capacità di un corpo conduttore non dipende dalla sostanza da cui è costituito ma solo dalle sue caratteristiche geometriche, come forma e dimensioni, e dalla sua posizione rispetto ad altri conduttori.
In un cavo è proporzionale alle superfici dei conduttori affacciati l'un l'altro ed inversamente proporzionale alla distanza tra questi, separati dal dielettrico. Semplificando i ragionamenti: per avere la minor capacità parassita, dovremmo avere la minor superficie dei conduttori affacciato tra loro, la maggior distanza tra di essi ed il valore del dielettrico (proprietà del materiale che isola i due conduttori) maggiore. Per conoscenza, il dielettrico con le migliori proprietà è l'aria (difficilmente utilizzabile in un cavo). Ottimo il Teflon: per cui sappiate che un cavo che utilizza come "isolante" tra i conduttori questo materiale (ed suoi derivati) ha ottime caratteristiche in termini di isolamento dielettrico.

L'induttanza è la proprietà dei circuiti elettrici (com'è in realtà il nostro cavo) tale per cui la corrente (intesa variabile nel tempo, come lo sono i segnali audio e video) che li attraversa induce una forza elettromotrice che, per la legge di Lenz, è proporzionale alla variazione del flusso magnetico concatenato dal circuito. Più i conduttori sono vicini, più questa diminuisce (autocancellandosi). Più è piccola la sezione del cavo, più questa aumenta. Aumenta anche con più spirali che si creano con il cavo.

Dalle considerazioni appena descritte relative a capacità e induttanza, potete capire che è veramente difficile conciliare a livello progettuale la minimizzazione di entrambi i parametri contemporaneamente. Le variabili in gioco non sono poche. Qui sotto potere vedere una tabella che riassume il variare dei parametri induttanza (L) e capacità (C) al variare della distanza dei conduttori. Ogni costruttore cercherà soluzioni ottimali usando geometrie di intreccio diverse, materiali dielettrici diversi per ottimizzare questi parametri a seconda che si viglia realizzare cavi di segnale o cavi di potenza.

 

Il terzo parametro di cui abbiamo parlato in precedenza è la resistenza (R). Ci sono solo tre modi per ridurla: diminuire la lunghezza del cavo, utilizzare materiale conduttore di maggior sezione, usare un conduttore con minor resistività.

Diciamo che la soluzione "maggior sezione" usando semplicemente materiali di diametri più elevati, se non progettata con adeguata oculatezza, potrebbe portare effetti collaterali negativi dati dal cosiddetto "effetto pelle". Questo, fa sì che il flusso degli elettroni si disponga tanto più sulla superficie esterna del singolo conduttore, tanto più aumenta la frequenza. Questo implica sfasamenti generati dai diversi campi elettromagnetici generati dai diversi flussi.

 

Per cui, l'incremento della sezione globale del conduttore la si deve ottenere grazie a un incremento del numero di trefoli ma a ridotta sezione, per minimizzare l'effetto pelle globale (la somma delle singole circonferenze dei trefoli sarà maggiore della singola circonferenza di un conduttore di pari sezione)..

Per  aumentare la qualità del materiale conduttore (abbassando così la resistività), si devono impiegare materiali di alta qualità come per esempio rame OFC (Oxygen Free Copper), rame LC (Linear Crystal), rame OCC (Ohno Continuous Casting) e rame 6N (99.99997% di purezza).

 

 

Il Fattore di Smorzamento.
 

Il fattore di smorzamento dell'amplificatore, "Damping Factor" (DF) è definito come " il rapporto tra l'impedenza di carico e l'impedenza di uscita interna dell'amplificatore." Ma dobbiamo tenere in considerazione che tra amplificatore e diffusore ci sta l'impedenza del cavo. Per cui lo smorzamento reale sarà il rapporto tra impedenza del diffusore e resistenza del cavo + impedenza di uscita dell'amplificatore.

Il parametro "smorzamento" indica in pratica la capacità dell'amplificatore di controllare l'extra-escursione dell'altoparlante, cioè la capacità di arrestare il cono quando si deve fermare istantaneamente. È più evidente a basse frequenze, diciamo sotto i 300 Hz circa, dove le dimensioni e il peso dei coni (= inerzia) diventano significativi e più difficilmente "frenabili". Un sistema in cui il fattore di smorzamento dell'intero circuito altoparlante / cavo / amplificatore è molto basso (indicativamente al di sotto di 18 o 16), presenterà una scarsa definizione in gamma bassa. I transienti a bassa frequenza suoneranno imprecisi invece di essere percepiti come scolpiti e nitidi.
La formula per calcolare il fattore di smorzamento, DF, reale è:

 Dove:
Z L = L'impedenza del diffusore
Z AMP = L'impedenza di uscita dell'amplificatore
R W = La resistenza dei cavi (x 2) totale del circuito.


Prendiamo un Mark Levinson 536 (anzi, due perchè sono monofonici...). Posseggono un'impedenza di uscita di 0.054 Ohm e li colleghiamo alle nostre JBL 4367 con 6Ohm di impedenza nominale cadauna. Guardando il grafico del modulo dell'impedenza, vediamo che anche un gamma bassa questa non scende sotto i 6 Ohm. Possiamo dire di avere un fattore di smorzamento teorico di DF = 6/0,054= 111,11.
Prendiamo ora in considerazione il cavo audio di potenza: sezione 2 x 2,5 mmq. e 2 filler distanziatori entro guaina tubolare da 9,8 mm, Conduttori in Rame OFC puro 99,99% twisted pair a bassa capacità parassita, per un'impedenza di 0,017 Ohm/metro (tralasciamo la resistenza dei connettori). Abbiamo 4 metri di cavo per diffusore, per cui la resistenza introdotta da questi è 0,017 Ohm x 4m x 2 (polo + e -) = 0,136.
Lo smorzamento reale sarà ora di DF = 6 / (0,136+0,054) = 31,57. Molto diverso dai 111,11 teorici !

Anzichè usare i Mark Levinson avremmo potuto prendere in considerazione un test con un McIntosh MC275, a valvole che usa un trasformatore di uscita (per adattare l'impedenza elevatissima delle valvole al mondo reale dei diffusori con impedenza che oscilla nominalmente da 8 a 4). Bene, il nostro MC275 ha 0.57Ohm di impedenza di uscita sui morsetti del trasformatore a 8Ohm.
In questo caso lo smorzamento, usando lo stesso cavo usato con Mark Levinson, sarebbe di DF= 6/(0,136+0,57) = 8,49... . Un po' pochino per godere di una gamma precisa. 
Meglio usare per esempio, un cavo Xxx Xxx Xxx ( ... ;-) ) con una resistenza di 0,0021Ohm/m per un totale (sempre per 4m, x2) di 0.016Ohm  e collegare l'uscita a 4Ohm del trasformatore dell'MC275 ottenendo un DF = 6/(0,016+0,33) = 17,34.
Decisamente meglio.


 

Conclusione
 

I cavi possono alterare la risposta di fase a varie frequenze, la risposta in frequenza stessa, sia per quanto riguarda il trasferimento audio di segnale che di potenza. Abbiamo pure visto come lo smorzamento possa alterare la risposta del sistema diffusore / amplficatore, in modo percepibile non solo strumentalmente, sopratutto sulla gamma bassa. 
Non abbiamo parlato dei connettori, di come pure loro contribuiscono ad introdurre una ulteriore variabile con la loro impedenza. Di come sia meglio preferire connettori con metalli con minori proprietà magnetiche, ... con punti di contatti multipli, ...
I cavi sono un argomento serio che non deve essere sottovalutato cercando soluzioni al ribasso, eccessivamente economiche a discapito della qualità della catena di riproduzione, ma nemmeno sopravvalutato con argomentazioni esoteriche che non hanno basi scientifiche.

Avremmo modo di parlare in seguito delle diverse tipologie di collegamento nel trasporto del segnale (bilanciato / sbilanciato), di come collegare le alimentazioni degli apparecchi alla rete elettrica, dell'Arte delle messa a Terra (il cosiddetto "grounding").

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