cables are to be considered as components...... kabels moeten beschouwd worden als onderdelen

Cables are to be considered as

components......Kabels moeten beschouwd worden als onderdelen......

www.breem.nl

Components can only be well considered in their environment......

Onderdelen kunnen alleen goed beschouwd worden in hun omgeving......

www.breem.nl

• Jan Breemer.• Elektronica techneut, beroep & hobby.• Hifi, maar niet fanatiek.• Veel onzin in High-End Audio• Stel nuchtere techniek tegenover

• Maak eenvoudige vervangings schema’s en EENVOUDIGE BEREKENINGEN.

www.breem.nl

INHOUD• Spanningsdeler, Weerstand, Capaciteit,

Zelfinductie, Skin-effect • Karakteristieke Impedantie, Afsluiten• Beschadiging van het analoge audiosignaal

• Signaalkabels, EMC: Aardlus, HF detectie• Luidspreker kabels, Demping• Lichtnet kabels, EMC

• Bijzondere materialen / constructies.

Spannings deler

• Bron, serie-weerstand en belasting.

Vout Rl Overdracht = gewenst = 1 Vin Rl + Rs

Weerstand van een geleider

Neemt toe met de lengte l van de draad.

Neemt af met de doorsnede s (mm2) = π / 4 * d

= Neemt af met kwadraat van diameter d (mm)

Materiaal eigenschap: Zilver heeft de laagste soortelijke weerstand, Koper is ca. 6% slechter.

Zelfinductie

• Soort weerstand die toeneemt met de frequentie.• Hangt samen met de “lus” die de geleiders

vormen.• Veroorzaakt verlies van hoge frequenties, in

combinatie met de belasting.

Capaciteit

• Soort weerstand die afneemt met de frequentie.• Bepaald door oppervlakte en afstand van

geleiders die “elkaar zien” en de epsilon van het isolatie materiaal.

• Veroorzaakt verlies van hoge frequenties in combinatie met de bron / serie weerstand

Skin-effect (1/4) -- wat is het.

• Magnetisch wisselveld IN de geleider veroorzaakt stroomverdringing: de stroom loopt voornamelijk in de buitenste laag van de geleider.

• Ohmse weerstand die toeneemt met de frequentie.

Skin-effect (2/4) -- formule.

• Indring diepte δ (delta) =

• δ = 2 / ωσμ (m)

• ω = 2 * π * frequentie (Hz)• σ = 5.8 107 S/m (koper)• μ = 4 π 10-7 H/m

• 95% van de stroom loopt in 3 x de indring diepte

Skin-effect (3/4) -- tabel.• Indring diepte en weerstand van 10 meter kabel

heen-en-weer, in Ohm.

δ (mm) 0.5 mm2 0.75 mm2

1,5 mm2 2.5 mm2

Diameter(mm)

- 0.8 0.98 1.38 1.8

R-dc - 0.68 0.46 0.23 0.141 kHz 2 0.68 0.46 0.23 0.1410 kHz 0.66 0.68 0.46 0.23 0.1450 kHz 0.33 0.69 0.49 0.33 0.24100 kHz 0.21 0.83 0.65 0.44 0.33

Skin-effect (4/4) -- conclusies.

• Neemt toe met de wortel uit de frequentie.• Neemt toe met de diameter van de draad.

• Maar: de weerstand neemt af met het kwadraat van de diameter.

• Dikkere draad wint het altijd. • Bij draaddoorsnede tot 2.5 mm2

verwaarloosbaar voor luidsprekers

Karakteristieke impedantie van een kabel (1/8)

• Zelfinductie en capaciteit zijn gelijkmatig verdeeld over de lengte.

• Bij een lange kabel komen stroom en spanning uiteindelijk in een vaste verhouding te staan: Z0


• Een lange kabel = niet klein t.o.v. de golflengte.

• Golflengtes:• 1 kHz 300 km• 10 kHz 30 km• 100 kHz 3 km

• Als kabellengte << golflengte is de K. I. volstrekt oninteressant. Dan geldt het “lumped element” model.


• Stel: een oneindig lange kabel zonder verliezen.• Stroom en spanning hebben een vaste

verhouding Z0

• Z0 wordt bepaald door Zelfinductie / m en Capaciteit / m.

• Z0 is Ohms, en onafhankelijk van de frequentie.


• Knip een eindig stuk af, vervang de rest door een R = Z0

• De situatie aan de ingang is niet veranderd.


• Maximale vermogens overdracht als RL = Ri

• Bij RL <> Ri wordt altijd een geringer vermogen overgedragen.


• Maximale vermogens overdracht alleen als ZL = Z0

• Bij Zl <> Z0 treedt reflectie op.

• Gebruik dit om de Z0 van een kabel te meten.

• De bron impedantie doet er in 1e instantie niet toe.


• Hoe meet je de Karakteristieke Impedantie?

• Regel RL af op minimale reflecties, meet RL daarna.


• Hoe meet je de Karakteristieke Impedantie?

RL te laag, correct, te hoog.

Blokgolf ca. 5 MHz, kabellengte 10 meter

Impedantie van een audio kabel: Lumped Element model. (Lump = klonter)

• Weerstand, zelfinductie en capaciteit geconcentreerd in de ongelukkigste volgorde.

Enkele voorbeelden Type

mm2

R / m Ω

C / m

pF

L / m

uH

Z0

Ω

0.70 0.04 40 0.48 110

2.5 0.014 50 0.72 120

veter

drop

0.22 adr

0.28 mtl

130

(240)

0.67(0.22)

72

(30)

Symm 120

Beschadiging van het audiosignaal (1/7)

• Elektrisch signaal van 1 apparaat naar een ander

• Verzwakking (alle frequenties)• Frequentie / fase karakteristiek• Intermodulatie / Harmonischen productie (THD)• Principiele Ruis• Ongewenste signalen (storing) (EMC)

• Demping van de luidspreker• HF stabiliteit van de (eind)versterker


Verzwakking

• Voor alle frequenties hetzelfde• Meestal uiterst gering: zie spanningsdeler• Compenseren met volume regelaar

• Hoorbaar: - niet

• Geen probleem


Frequentie / fase karakteristiek

• Audio kabels vormen meestal een laagdoorlaat filter.• Afwijkingen < 1 dB onhoorbaar (1 dB = 12 % signaal)• Afwijkingen met hoge Q zijn mogelijk beter hoorbaar,

maar komen bij kabels niet voor.

• Hoorbaar: - minder sprankelend, dof geluid

• Mogelijk een probleem bij zeer lange kabels.


Intermodulatie / Harmonischen (THD)

• Veronderstelt dat de weerstand / impedantie van de kabel afhankelijk is van stroom of spanning.

• Redenering berust op misvatting / misleiding.

• Kabels introduceren geen IM vervorming.

• Slechte verbindingen (connectoren) introduceren mogelijk wel IM vervorming, maar dat gaat meestal ook gepaard met uitval.

• Geen probleem


Principiele Ruis

• Overal aanwezig.• Ruisvermogen evenredig met temperatuur.• Ruisspanning evenredig met wortel uit weerstand

en bandbreedte.• 1 Ohm ruist ca. 0.02 uVolt (- 154 dbV)• I.v.m. audio kabels altijd verwaarloosbaar.

• Geen probleem


Ongewenste signalen (storing) (EMC)

• Hoorbaar: Brom, zoem-, fluittonen, gelispel etc, soms herkenbare spraak / muziek van zender.

• Zet CD op pauze en draai volume op. Probleem?• Draai een CD met heel zachte passages. Storing

hoorbaar?

• Bij een echt EMC probleem helpen andere kabels meestal niet; er moet iets IN DE KASTEN gedaan worden.

• Soms een probleem. • Er zijn meestal eenvoudige oplossingen.


• Demping van de luidspreker• HF stabiliteit van de (eind)versterker

• Komen verderop aan de orde

Typisch voorkomen van audio kabels

• Luidsprekerkabels:- Lage impedantie, flinke stromen, matig lang- Typisch: Bron: < 0.1 Ω, belasting 8 Ω - Vermogens overdracht

• Signaalkabels (Interlinks): - Matig hoge impedantie, kleine spanningen, nog veel keinere stromen, kort- Typisch: Bron: < 100 Ω, belasting > 50 kΩ - Spannings overdracht

• Microfoon kabel- Lang, niet zelden storende omgeving.- Zeer kleine signaal spanning

LS kabels: Verzwakking

• Overdracht is hier 8 / 8.5 = 0.94 of -0.53 dB• Bij 0.14 Ω wordt dat 8 / 8.14 = 0.98 of -0.15 dB

LS kabels: Hoog verlies door zelfinductie

• Overdracht 8 / (82 + 0.92) = 0.99 of – 0.05 dB• Houd rekening met faseverschuiving

LS kabels: Capaciteit en stabiliteit v/d versterker

• Stabiliteit bij vele MHz: Kabel capaciteit kan roet in het eten gooien.

• Snubber netwerkje isoleert versterker van kabel.• Laten zitten !

Demping van de luidspreker (1 / )

• Een luidspreker in beweging wekt een spanning op.• Eigen beweging geeft spanning <> versterker

Demping van de luidspreker (2 /

• Kortsluiten: er gaat een grote stroom lopen en die dempt de beweging.

• Spanning = beweging (snelheid)• Stroom = kracht


• Eigen weerstand van de luidspreker beperkt het effect van de demping.

• Eigen weerstand is ~6Ω voor 8Ω luidsprekers.


• Kabel weerstand, Z-out van de versterker en Z van

filter spelen ook mee.• Meestal is Re bepalend, soms Z-filter.• Kabel en versterker doen meestal weinig.


• Een eenvoudig wisselfilter.


• Luidspreker kijkt in een resonantiekring !• Afgestemd op ca. de cross-over frequentie

• Remedie: Gebruik multi-amping + actief filter

Luidpreker kabels: Bi / multi wiring

• Mono - wire voorbeeld.


• Bi - wire voorbeeld.

• Welk probleem lost dit op / voorkomt het ?


• Bi - wire kabels doorverbinden geeft lagere weerstand.

Luidpreker kabels: Conclusies

• Weerstand / zelfinductie : Hou ze kort. Kleine lus.

• Weerstand, Skin-effect: Hou ze dik. Grotere doorsnede wint het altijd van het skineffect.

• Capaciteit: Niet interessant.

• Karakteristiek afsluiten: Je hebt er niets aan.

• Bi- / multi- wiring: Verspilling van kabel.

>> Gebruik actief filter en multipele versterkers.

Signaal kabels

• Ri typisch: < 500 Ω• Zl typisch: > 50 kΩ• Rk typisch: < 1 Ω• Lk typisch: 0.5 uH → 0.062 Ω/m

Signaal kabels

• Voorbeeld: Ri = 500 Ω, kabel 20m à 240 pF/m.Tijdconstante = 0.5 * 4.8 = 2.4 usec → 66 kHz

• Versterkers geven op de “rec-out” output veelal direct het ingangssignaal door. Ri is dan de Ri van de signaalbron.

• Gebruik dan een lijnversterker voor lange verbindingen

Signaal kabels voor MD (MM) vinyl elementen

• Zelfinductie element geeft met (kabel) capaciteit een 2e orde laagdoorlaat filter op ~ 8 kHz

• Deze compenseert de mechanische resonantie van de naalddrager.

• Kabel capaciteit zit nadrukkelijk in de overdracht.• Zie lezing voor DDIY dag 2005 op www.breem.nl.

Signaal kabels voor MC vinyl elementen

• Vaak zeer lage ingangs impedantie van voorversterker / step-up trafo ~ 2 Ohm

• Weerstand van binnen-ader en mantel doet er toe.• Mantel verbinding in speler geeft verlies

kanaalscheiding

Signaal kabels: Conclusies

• Bij signaal kabels tussen bijv. CD en Versterker spelen weerstand, zelfinductie en capaciteit geen enkele rol.

• Bij erg lange kabels wordt de capaciteit een issue: gebruik een laagohmige line-driver.

• Bij Vinyl-MD elementen is de kabel capaciteit een onderdeel van de overdracht.

• Bij Vinyl-MC elementen zijn weerstand en zelfinductie belangrijk als de impedantie van de voorversterker / step-up trafo erg laag is.

EMC (1 / 5)

• Elektro- Magnetische Compatibiliteit: de mate waarin apparaten elkaar niet storen

• Gewenst signaal vs. ongewenst signaal (storing)• Emissie, Susceptibiliteit = gebrek aan immuniteit.

• Stoorbron, gestoord apparaat, koppelweg, alle 3 nodig.

• Stoorsignaal in / buiten de band:• In de band: direct hoorbaar• Buiten de band: vertalings mechanisme nodig

EMC (2 / 5) Aardlus probleem

• In de band: meestal aardlus probleem• Voorbeeld: Versterker geaard via stopcontact, FM tuner

geaard via kabelmaatschappij.

• De weerstand van de return leiding kan het stoorsignaal niet "kortsluiten"

EMC (3 / 5 ) Aardlus : remedies • 1: Isolatie trafo'tje voor antenne leiding • 2: Alles voeden uit hetzelfde stopcontact • 3: "Ontaarden" (alleen als elektrische veiligheid dit toelaat)• !! Aarden is voor elektrische veiligheid.

EMC (4 / 5) Capacitieve aardlus

• Bij een gevoelige microfoon leiding is capacitieve koppeling vaak al voldoende voor een probleem

EMC (5 / 5) Capacitieve aardlus: remedie

• Remedie: gebruik een symmetrische verbinding met een differentiele ingang of een symmetreer trafo.

• Ook voor de verbinding naar multi-amp bij de luidspreker

EMC (6 / 5) Buiten de band

• Meestal naburige zender (legaal of illegaal)• Koppelweg boven 30 Mhz: antenne werking• Niet direct hoorbaar, vertaal mechanisme nodig• Vertaalmechanisme = HF detectie in halfgleiders.

Bijzondere geleiders: OFC (Cu)

• OFC = Oxigen Free Copper• “Gewoon” koperdraad = 99.9 % zuiver Cu• OFC is zuiverder en wordt voor speciale

omgevingscondities gemaakt.• OFC heeft geen andere/betere elektrische eigenschappen.

• Welk probleem met niet-OFC ?• Geleiding zou stroom? of spannings? afhankelijk zijn?• “Cristal Cross-over Distortion”

• Wat staat er in die grafiek? spannig? stroom? weerstand? Wat zijn de schaal factoren?

• Wat wordt hier gesuggerereerd?

Crystal Cross-over Distortion (1)

• Toch klopt het wel......• Bij bij zo’n 270° onder nul


• Vergelijk het met een plaat met zandkorreltjes

• Elektronen zijn bij –270° sterk gebonden aan atoom / kristal


• Een beetje scheefstand geeft nog geen beweging

• Een klein elektrisch veld levert nog geen stroom op, pas bij een sterk veld gebeurt er iets...


• Hysteresis:


• Breng de plaat in trilling, zodat de zandkorreltjes op en neer dansen.

• Bij “normale” temperatuur is er sterke beweging van atomen en elektronen.


• Bij de geringste scheefstand gaat het zand 1 richting op.

• Het geringste elektrische veld veroorzaakt al een stroom.

• De stroom / spanning relatie is weer lineair.


• Het hysteresis effect is geheel verdwenen.


• Niet “onder de ruis begraven”, maar echt weg.• Ook niet met uitgebreid middelen terug te vinden

Bijzondere geleiders: Zilver (Ag)

• Iets betere geleiding dan koper. • Ag: 16.3 10-3 Cu: 17.5 10-3 (Ω m)• Oxide is geleidend• Véél duurder (belangrijk ++ voor High End)

• Zilver houdend soldeer:• Voorkomen van bepaalde migratie problemen

Sn(60)Pb(39)Ag(1)

• Loodvrij solderen verplicht vanaf 2007. (RoHS) Sn(96)Ag(4) is een goede candidaat

Bijzondere geleiders: Goud (Au)

• Matige geleider Rho = 32 10-3 (Ω m)• Edel metaal: oxideert niet• Relais / schakelaar contacten / connectors• Bij spanningen < 0.5 V, stromen < 0.1 A• Geen oxidatie probleem op lange termijn

Bijzondere geleiders: Koolstof (C)

• Matig slechte geleider Rho = 100 .. 1000 (Ω m)• Veel voorkomens: diamant, grafiet, fibers• Koolweerstanden: ruis, slechte temperatuur

coefficient• Carbon Fibers: relatief hoge weerstand.

Isolatie materialen (diëlectrica) in kabels

• Kabel capaciteit speelt meestal geen rol.• Dan hebben evt. diëlectrische afwijkingen helemaal geen

effect.

• ESR......• Lekweerstand....• Spannings-afhankelijkheid....

Bijzondere Isolatie materialen: Teflon (PTFE)

• o Hoge temperaturen• o Hoge isolatie weerstand• o Hoge doorslagspanning• o verglijkbaar • - - Taai, slecht verwerkbaar• + Glad, vuil hecht niet gemakkelijk• - Glibbert door trekontlasting• - Geen extreem dunne lagen: Condensatoren• +++ Duur. (high-end)

Nog te behandelen

• microfonie in kabels• 3x4 aders UTP voor LSP-kabels• Lelijke dingen over tulpstekkers• EMC 3/5 ontaarden met diodes antiparalell• ferrietkralen voor HF isolatie / common mode

bevordering

cables are to be considered as components...... kabels moeten beschouwd worden als onderdelen

Documents

impedantie van een audio

meter dia

van een kabel te meten

eindversterker dia

symm120 dia

weerstand impedantie

van stroom of spanning

elektrisch signaal van