mercoledì 1 febbraio 2012

Realizzare cavi audio da cavo di rete CAT6

Da diversi progetti trovati in rete ho deciso di auto costruire dei cavi di potenza per il mio t-amp 2020 e casse acustiche. La base di partenza è un cavo di rete categoria 6.
Si tratta di un cavo con fili in rame di sezione 23AWG che corrispondono a 0,574mm.
Presi due cavi con lunghezza 1,5m ho rimosso la guaina isolante per circa 7cm per parte e per entrambe i cavi e ho tagliato il separatore interno a croce.


Ho unito e stagnato tutti i conduttori bianchi per il polo negativo e quelli colorati per il polo positivo in entrambe le estremità e in entrambi i cavi. Ho utilizzato della guaina termo restringente nera e rossa da 6mm nelle estremità e della guaina 'sleeve' intreccata in nylon nera a mascherare (e proteggere) il cavo arancione. Ho quindi terminato i cavi con spine a banana.
Gli spinotti sono dei 'Nakamichi' in rame puro non magnetizzato, placcati oro 24k con doppia vite di collegamento del cavo senza saldature e accettano cavi fino a 4mm di diametro (art. 0534B100).
Di seguito qualche foto dei cavi in funzione...



Veniamo ora a qualche considerazione tecnica. L'intreccio delle coppie dei fili permette la reiezione del rumore di modo comune (CMNR).  In particolare il rumore si inietta contemporaneamente sia nel conduttore che trasporta il positivo, sia in quello che trasporta il negativo; i due segnali viaggiando in direzione opposta si elidono reciprocamente.

- Conduttori: Effetto Pelle
Altro effetto della frequenza del segnale è l'effetto pelle; cioè la tendenza di una corrente elettrica alternata a distribuirsi dentro un conduttore in modo non uniforme: la sua densità è maggiore sulla superficie ed inferiore all'interno.
Questo comporta un aumento della resistenza elettrica del conduttore particolarmente alle alte frequenze. In altre parole, una parte del conduttore non viene utilizzata: è come se non esistesse.

Per i conduttori in rame AWG23 l'effetto pelle si presenta per frequenze superiori ai 53KHz; infatti i conduttori di diametro minore di un millimetro sono esenti dall’effetto pelle fino all’estremo della banda audio.

- Guaine: Dielettrico ed Effetto Piezoelettrico
 I dielettrici migliori presentano:
- bassa costante dielettrica
- tensione di rottura elevata
- resistenza al calore, acqua, agenti chimici, ecc,
- bassa fumosità
- costante dielettrica indipendente dalla frequenza
L’isolamento delle guaine plastiche dovrebbe produrre valori di conduttanza nell’ordine di 10^(-12) o inferiori (più e piccolo e meglio è). I materiali più diffusi come isolanti per cavi audio sono PVC, PVDF, Polietilene, Polipropilene, ecc. Il PVC e il PVDF contengono Cloro e Fluoro (alogeni). Cloro e Fluoro sono responsabili di due effetti: rendono la guaina piezoelettrica e inquinano il rame.
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).
Le proprietà piezoelettriche del PVDF derivano dalla presenza, al suo interno, del fluoro. I gruppi -CF2, fortemente polari, in presenza di un campo elettrico 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 (PE) e Polipropilene.
Supponiamo allora che un cavo sia isolato con un materiale piezoelettrico come il PVC.  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 dissipata per muovere le molecole del dielettrico. Il movimento delle molecole causa ulteriori 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 piezolettrici quali PVDF, PVC,  nylon e altri.  Il PVC è largamente utilizzato in quanto molto economico e facile da colorare. 

- Guaine: Effetto Maxwell-Wagner
Oltre all’effetto pelle ed all’effetto piezoelettrico esiste un altro effetto, che si è voluto attribuire al dielettrico, 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 contengano al loro interno delle  cariche libere, immerse in un fluido che contenga 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.

- Cavo: modello reale a parametri distribuiti
I cavi, sia quelli di impiegati per i segnali che quelli impiegati per collegare i diffusori acustici,  sono linee di trasmissione di lunghezza finita e vanno rappresentati con il modello a  “parametri distribuiti” 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


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.
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. Di seguito le specifiche del cavo:


Il nostro cavo presenta una resistenza massima di 0,82Ohm/m, una capacità massima di 1,6pF/m alla frequenza di 1KHz; l'isolante è polietilene (PE) e quindi privo dell'effetto piezoelettrico.
La conduttanza G del dielettrico vale 0,2us per ogni metro di cavo (=1/5000MOhm/km=1/5000KOhm/m=0,2*10exp-6 siemens * m).

- Cavi: Modello a parametri concentrati
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 e sostituirla con un quadrupolo: alcune proprietà della linea di trasmissione (velocità di propagazione, coefficienti di riflessione, ecc) non sono più deducibili dal modello e restano solo le proprietà del quadrupolo rappresentate da R, L , C e G. In particolare, a bassa frequenza, dove  R e G sono dominanti, il quadrupolo si riduce ad un partitore di tensione.
La condizione necessaria affinché la linea possa essere rappresentata da un quadrupolo 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.

- Cavi: La componente resistiva
Un cavo con una resistenza complessiva di 0.123 ohm (1,5m di cavo) può essere ritenuto tollerabile o scadente a seconda sia connesso ad un diffusore con impedenza nominale di 16, 8 o 4 ohm.
Con diffusori di impedenza nominale 8Ohm, nel nostro caso si ha una perdita di 0,05db che equivale a circa 1,2% della potenza dell'amplificatore; trascurabile.

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 e medio-bassa, gli altoparlanti elettrostatici possono presenta minimi in gamma medio-alta: un cavo sotto-dimensionato, oltre ad attenuare la gamma bassa, riduce il fattore di smorzamento della risposta sui bassi con esiti udibili.Un buon cavo produce attenuazione nell’ordine dei centesimi di dB. Alcuni potrebbero ritenere sufficiente una attenuazione nell’ordine del decimo di dB. Purtroppo sono in commercio diffusori con minimi di impedenza che scendono a 0.8 ohm mentre valori prossimi a 2 ohm sono tollerati.
E’ evidente che questi diffusori richiedono cavi con resistività particolarmente bassa (a partire da AWG 8 e AWG 6 per lunghezze tra 2.5 e 5 metri).
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 particolari doti di resistenza meccanica.
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 1.05*D (maggiorato del 5%). Conviene quindi aumentare un poco il diametro del filo e usare il rame che costa meno. Lo stesso discorso però non si può fare per il rame OFC ed il rame elettrolitico: il rame OFC “suona” effettivamente meglio del rame elettrolitico probabilmente perché il rame utilizzato per i cavi di uso industriale è peggiore di quanto ci si potrebbe aspettare. Comunque i processi di purificazione del rame sono costosi.

- Cavi: La distorsione dei cavi
Il rame in se non produce alcuna forma di distorsione.  Nel caso tipico di un amplificatore collegato al diffusore acustico con un cavo se l’impedenza del diffusore NON è lineare (e non è lineare) non sarà lineare nemmeno la tensione ai capi del cavo.
Un cavo produce distorsione?  E’ possibile ma solo sulle terminazioni esposte all’aria.
Il rame che, a contatto con l’aria, si ossida producendo una combinazione di Cuo e Cuo2. Il Cuo2 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. 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 possono essere pulite.

- Leggende metropolitane: Verso di percorrenza
I cavi hanno un verso privilegiato di percorrenza? 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 sarà alterato. Quindi se un cavo ha un verso di percorrenza privilegiato significa che ha un difetto e quindi non deve essere acquistato. Un cavo deve essere isotropo contrariamente, per definizione, non è un cavo.

- 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 scioglie a circa 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 lasciato all’aperto). Per questo motivo è inutile utilizzare rame purificato 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 e 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.  

Per approfondimenti sui vari aspetti trattati vi rimando agli articoli/post su TNT-Audio e all'articolo pubblicato nel 2009 su Audio Review da Mario Bon: 'I Cavi, Velocità di propagazione, Effetto Pelle, proprietà del Dielettrico e altre cose'



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