Geometrie dei conduttori e misure elettriche RLC: qualche nozione per orientarsi sulle scelte

[saperusa]

Spesso parlando con audiofili, magari interessati a capire meglio cosa comporta lo sviluppo di un cavo si va regolarmente a discutere delle geometrie e le misure che danno a fronte di una scelta di progetto.

Non è banale, perché la geometria di per se determina un range di valori RLC e a fronte di questi un impostazione del cavo in fase di ascolto.

Tradotto vuol dire che nel momento che scegliamo una geometria sappiamo (dovremmo saperlo) dove possiamo arrivare.

A seguire cerco di spiegare, magari dividendo l'argomento in modo da rendere il più chiara possibile la trattazione e arrivando anche allo studio degli schermi, che solo in questi ultimi anni hanno cominciato ad essere studiati e sviluppati da moltissime aziende.

Spero che possa interessare, è una cosa lunga che a me appassiona  e spero che possa interessare anche molti di voi.

 

S.

 

 

[pro61]

Seguo con interesse.

[saperusa]

Parte prima : cavi di segnale, le due tipologie di cavi

 

Parliamo specificamente dei cavi di segnale cercando di fare chiarezza sulle geometrie adottata e sulle scelte che si possono fare.

I cavi di segnale si dividono in due grandi famiglie: braided e a geometria elicoidale.

Braided è una geometria dove i conduttori normalmente sono a coppie di due tenute insieme da un drain (in genere non conduttore).

Possono essere con 3 conduttori, dove il terzo conduttore è il drain nel caso di cavi XLR.

Questo tipo di geometria applicata al modulo base ha una serie di vantaggi.

Il primo è che i conduttori sono fra loro ortogonali per tutta la lunghezza a parte le terminazioni e quindi hanno "naturalmente" una reiezioni ai disturbi indotti.

Un valore induttivo contenuto e una geometria che permette di sviluppare cavi con complessità elevate.

Su un gran numero di moduli la capacità aumenta e rispetto ad un cavo a bassa capacità è un cavo più "lento" anche se con un'ottima dinamica.

A seconda delle sezioni che vengono utilizzate per formare questi moduli possiamo linearizzare la risposta del cavo arrivando ad un limite di progetto. 

Non è una scelta "facile" e oltre un certo grado di complessità diventa impossibile da produrre industrialmente.

 

 

[saperusa]

Harrison (patent 6388188 del 2002) aveva capito i benefici di questa geometria rispetto ad una semplice coppia di cavi twistati visto che migliorava sensibilmente i valori di induttanza, una maggiore reiezione ai disturbi con una minore resistenza (legata alla frequenza alla quale veniva fatta la misura).

Dopo di che giocando sulla distanza che avevano tra di loro i conduttori si riusciva ad ottenere il valore capacitivo di progetto per ogni modulo.

Ovviamente come ho spiegato lo step successivo è quello di utilizzare AWG diversi con un rapporto specifico tra loro in modo di ottenere un cavo "naturalmente" esteso.

[saperusa]

Sulla scelta  del numero di moduli con AWG diverso esiste uno studio iniziale (non completo e non completamente esatto) della composizione del rapporto degli AWG ad opera di Cardas, a mio parere estremamente interesante che stabiliva come doveva essere la composizione del cavo ed il rapporto tra i conduttori.

Era il lontano 1986 e ripeto, malgrado che Cardas non era andato oltre quello studio stabiliva (leggendo tra le righe) qualcosa che non era stato affrontato prima.

Cardas (patent 4.628.151)  aveva capito che la scelta degli AWG (sezione dei conduttori) si legava alla frequenza e specializzava i conduttori .

Dopo di che lo step successivo era la scelta del numero dei conduttori a parità di AWG perché il cavo fosse lineare.

Credo sia chiaro che questo complicava enormemente la progettazione del cavo ma permetteva una volta capito il meccanismo (che Cardas non spiegava a fondo) di avere un cavo che fosse estremamente esteso.

La teoria di Cardas si poteva applicare a tutte e due le famiglie di cavi: Braided o a geometria elicoidale.

Tutta la produzione di Cardas aveva un legame con questo studio che io trovo a distanza di quasi quarant'anni ancora valido.

 

 

 

 

[paolosances]

Leggo con rinnovato interesse un argomento che,in un mio passato assai remoto e altrove,avevo smesso di seguire per i flames che si verificavano tra i lettori;confido nella  cortesia degli utenti del Melius.club nel non intralciare la serena e costruttiva iniziativa.

[Rimini]

@saperusa Grazie Sandro per i tuoi post che sollecitano ad approfondire la materia cavi.

Non fosse altro per curiosità, comprensione e cultura.

 

[Ornito_1]

19 ore fa, saperusa ha scritto:

aveva capito che la scelta degli AWG (sezione dei conduttori) si legava alla frequenza e specializzava i conduttori

Posso cortesemente chiedere, andando di “lana grossa” senza scendere nel dettaglio, semplificando e generalizzando..

awg dal n. X al Y - relativa influenza su quali frequenze

È giusto per capire…

ovviamente le variabili, variazioni etc sono millemila ma solo per cominciare  a comprendere.

Grazie in anticipo.

[ildoria76]

19 ore fa, saperusa ha scritto:

.

@saperusa tanto per capirci, geometria simile ai Kimber Kable?

[saperusa]

@Ornito_1 i prossimi post parlano esattamente di questo

 

@ildoria76 la geometria kimber la tratto nei prossimi post

 

[Ornito_1]

1 minuto fa, saperusa ha scritto:

@Ornito_1 i prossimi post parlano esattamente di questo

@ildoria76 la geometria kimber la tratto nei prossimi post

👍🙏
Sai com’è, dai al topolino un biscotto e lui ti chiederà la tazza di latte…😄

[saperusa]

Torniamo alla teoria sulle geometrie dei cavi.

Quello che mano a mano scrivo vi renderete conto è che era già tutto molto chiaro già dall'inizio degli anni 2000.

Tutti i principali brevetti che hanno fatto la storia dei cavi audio e dietro ai quali ci sono tutti i brand più famosi e anche quelli meno famosi (leggi Silcable) erano già presenti e visionabili; si doveva solo studiare e avere la strumentazione giusta.

 

Torniamo alla nota che ha fatto @Ornito_1 sulla sezione dei cavi e spieghiamo cosa ha scritto Cardas e tecnicamente su cosa si è basato George Cardas quando parlava di Circular Mil e Circular Mil Area.

 

Partiamo dal concetto di AWG che magari non tutti conoscono

 

 

La notazione AWG:American Wire Gauge

Da ora in poi  non parleremo più di conduttore di diametro di 0.5 millimetri  ma di un conduttore per esempio 24 AWG.

La ragione e’ che tutti i conduttori che troviamo in commercio utilizzano questa notazione e quando dobbiamo decidere le varie sezioni con la notazione AWG riusciamo a gestire meglio il tutto e risulta un linguaggio comune a prescindere se l’unita di misura siano i millimetro o le inch.

AWG e’ l’abbreviazione di AMERICAN WIRE GAUGE, in questa notazione la sezione del cavo e quindi anche il suo diametro aumentano mano a mano che diminuisce il corrispondente AWG.

Passando da un AWG al precedente la sezione aumenta del 26% e ogni 3 salti abbiamo un raddoppio della sezione.

Mentre ogni 6 salti abbiamo un raddoppio del diametro.

Esempio:

Awg 24 =0.2050 mm2

Awg23= 0.2590 mm2

Incremento % di sezione 26%

AWG21=0.4120  ovvero la sezione e’ raddoppiata

Stessa cosa con il diametro

Awg 24=0.51 mm

Awg 23= 0.57 mm

Incremento % di diametro 12%

AWG 18 (6 salti)  il  diametro è raddoppiato ovvero 1.02 mm

 

Esistono su internet tutte le tabelle AWG con sezione e diametro corrispondenti oltre alla resistenza per ogni AWG del conduttore equivalente in rame per una lunghezza di un metro.

 

 

 

[saperusa]

E adesso diamo qualche cenno alla CIRCULAR MIL e CIRCULAR MIL AREA.

 

 

Circular Mil & Circular Mil Area: CMA

 

La Circular Mil é una unita di misura e precisamente una circular  Mil e’ una unita di area uguale a quella di un cerchio di diametro 0.001 inch (.0254 mm) .

Quindi se abbiamo un conduttore il cui diametro e’ un 24 AWG (0.0201 inch) la sua circular mil sara di 20.1 e si otterrà prendendo il suo diametro in inch moltiplicato per mille.

Si definisce circular mil area  CMA l’area equivalente al suo diametro espresso in mil elevato al quadrato.

Quindi un conduttore AWG 24 avrà una CMA equivalente di 400 (20.1*20.1)

Allo stesso modo potremmo risalire al suo diametro sapendo il suo valore di CMA

Infatti il suo diametro sarà dato dalla radice quadrata del CMA e diviso successivamente per 1000.

Facciamo l’esempio con un awg 20 (0.8 mm/0.032 inch)

La circular mil di un AWG 20 sarà 32 mentre la sua CMA equivalente sarà 1024.

 

Cardas ha quindi fatto una tabella che legava un range ottimale di frequenza e una sezione del conduttore che copriva quel range di frequenza e mano a mano che si saliva di frequenza si andava ad un conduttore di AWG maggiore e quindi sezione minore.

 

 

 

 

Del resto l'effetto pelle è chiaro e lega la resistenza in un conduttore di sezione circolare rispetto alla frequenza.

R= (L/PI*D) SQR(omega*mu*ro/2   R proporzionale SQR (omega)  dove omega è la pulsazione 2*PI*f

 

 

In poche parole la resistenza è legata alla frequenza del segnale.

 

 

 

 

 

 

 

[audio2]

1 ora fa, saperusa ha scritto:

l'effetto pelle

in merito chiederei se possibile un mini approfondimento delle differenze ( a parità di sezione ) tra un conduttore multifilare oppure di tipo solid core.

[Rimini]

12 ore fa, saperusa ha scritto:

R= (L/PI*D)

Se interpreto bene la simbologia,  'L' rappresenta la lunghezza del conduttore, mentre 'D' è il diametro.

[BEST-GROOVE]

Il 28/4/2024 at 17:22, pro61 ha scritto:

Seguo con interesse.

 

+1   anche solo per apprendere.

[FedeZappa]

@saperusa Grazie mille per i tuoi post. Ricordi che ti chiesi se avevi ancora il tuo articolo con le misure, perduto con l’incendio?

ti chiedo inoltre se le argomentazioni di questo estratto, prese dal famoso articolo di audioreview sui cavi di potenza di una trentina di anni fa, oggi sono ancora valide

:

[saperusa]

@audio2 I conduttori multifilari si utilizzano anzi, si devono utilizzare per legge sui cavi di alimentazione anche se in realtà è un conduttore a 360°

Il punto è che in teoria un conduttore multifilare aggira l'effetto pelle essendo composto da n conduttori di sezione minima; il problema è che tutti questi fili estremamente sottili sono a contatto fra di loro e non sono isolati come sui conduttori LITZ dove è presente uno smalto isolante per ogni filo che compone il conduttore.

Sui cavi di segnale non è necessario visto che le sezioni (gli AWG in gioco) sono minimi e si può tranquillamente utilizzare il solid core.

Sui cavi di potenza in quel caso cambia tutto visto che i valori di corrente che scorrono magari su un finale, magari in classe AB sono estremamente elevati e si preferisce utilizzare conduttori di sezione adeguata comunque minori di AWG16.

In quel caso le scelte sono diverse, magari con conduttori LITZ fino ad arrivare alla sezione da specifiche di progetto.

Oppure conduttori di AWG diverso in modo che la corrente sia ripartita in modo da ottenere un cavo equlibrato  all'ascolto.

Anche qui la modalità con la quale scegliamo la geometria determina a parità di conduttori valori elettrici completamente diversi.

Possiamo passare da un cavo con conduttori Braided che arriva tranquillamente a 335 PF/m; stessi identici conduttori versione a bassa capacità e ci ritroviamo attorno ai 60pf/m.

Come vedi la geometria è tutto in un cavo...

Silcable per esempio produce sia la versione a medio alta capacità che quella a bassa capacità e quello che cambia è la tipologia della catena.

Elettroniche a valvole prediligono cavi di potenza a medio alta capacità mentre elettroniche a SS vogliono cavi di potenza a bassa capacità.