Cables are to be considered as components......

Presentatie over: "Cables are to be considered as components......"— Transcript van de presentatie:

1 Cables are to be considered as components......
Kabels moeten beschouwd worden als onderdelen......

2 Components can only be well considered in their environment......
Onderdelen kunnen alleen goed beschouwd worden in hun omgeving......

3 Elektronica techneut, beroep & hobby. Hifi, maar niet fanatiek.
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.

4 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.

5 Bron, serie-weerstand en belasting.
Spannings deler Bron, serie-weerstand en belasting. Vout Rl Overdracht = gewenst = 1 Vin Rl + Rs

6 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.

7 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.

8 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

9 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.

10 Skin-effect (2/4) -- formule.
Indring diepte δ (delta) = δ = / ωσμ (m) ω = 2 * π * frequentie (Hz) σ = S/m (koper) μ = 4 π 10-7 H/m 95% van de stroom loopt in 3 x de indring diepte

11 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 0.14 1 kHz 2 10 kHz 0.66 50 kHz 0.33 0.69 0.49 0.24 100 kHz 0.21 0.83 0.65 0.44

12 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

13 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

14 Karakteristieke impedantie van een kabel (2/8)
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.

15 Karakteristieke impedantie van een kabel (3/8)
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.

16 Karakteristieke impedantie van een kabel (4/8)
Knip een eindig stuk af, vervang de rest door een R = Z0 De situatie aan de ingang is niet veranderd.

17 Karakteristieke impedantie van een kabel (5/8)
Maximale vermogens overdracht als RL = Ri Bij RL <> Ri wordt altijd een geringer vermogen overgedragen.

18 Karakteristieke impedantie van een kabel (6/8)
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.

19 Karakteristieke impedantie van een kabel (7/8)
Hoe meet je de Karakteristieke Impedantie? Regel RL af op minimale reflecties, meet RL daarna.

20 Karakteristieke impedantie van een kabel (8/8)
Hoe meet je de Karakteristieke Impedantie? RL te laag, correct, te hoog. Blokgolf ca. 5 MHz, kabellengte 10 meter

21 Impedantie van een audio kabel: Lumped Element model. (Lump = klonter)
Weerstand, zelfinductie en capaciteit geconcentreerd in de ongelukkigste volgorde.

22 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

23 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

24 Beschadiging van het audiosignaal (2/7) Verzwakking
Voor alle frequenties hetzelfde Meestal uiterst gering: zie spanningsdeler Compenseren met volume regelaar Hoorbaar: - niet Geen probleem

25 Beschadiging van het audiosignaal (3/7) 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.

26 Beschadiging van het audiosignaal (4/7) 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

27 Beschadiging van het audiosignaal (5/7) Principiele Ruis
Overal aanwezig. Ruisvermogen evenredig met temperatuur. Ruisspanning evenredig met wortel uit weerstand en bandbreedte. 1 Ohm ruist ca uVolt (- 154 dbV) I.v.m. audio kabels altijd verwaarloosbaar. Geen probleem

28 Beschadiging van het audiosignaal (6/7)
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.

29 Beschadiging van het audiosignaal (7/7)
Demping van de luidspreker HF stabiliteit van de (eind)versterker Komen verderop aan de orde

30 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

31 LS kabels: Verzwakking
Overdracht is hier 8 / 8.5 = of dB Bij 0.14 Ω wordt dat 8 / 8.14 = 0.98 of dB

32 LS kabels: Hoog verlies door zelfinductie
Overdracht 8 / ( ) = of – 0.05 dB Houd rekening met faseverschuiving

33 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 !

34 Demping van de luidspreker (1 / )
Een luidspreker in beweging wekt een spanning op. Eigen beweging geeft spanning <> versterker

35 Demping van de luidspreker (2 /
Kortsluiten: er gaat een grote stroom lopen en die dempt de beweging. Spanning = beweging (snelheid) Stroom = kracht

36 Demping van de luidspreker (3 / )
Eigen weerstand van de luidspreker beperkt het effect van de demping. Eigen weerstand is ~6Ω voor 8Ω luidsprekers.

37 Demping van de luidspreker (4 / )
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.

38 Demping van de luidspreker (5 / )
Een eenvoudig wisselfilter.

39 Demping van de luidspreker (5 / )
Luidspreker kijkt in een resonantiekring ! Afgestemd op ca. de cross-over frequentie Remedie: Gebruik multi-amping + actief filter

40 Luidpreker kabels: Bi / multi wiring
Mono - wire voorbeeld.

41 Luidpreker kabels: Bi / multi wiring
Bi - wire voorbeeld. Welk probleem lost dit op / voorkomt het ?

42 Luidpreker kabels: Bi / multi wiring
Bi - wire kabels doorverbinden geeft lagere weerstand.

43 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.

44 Signaal kabels Ri typisch: < 500 Ω Zl typisch: > 50 kΩ
Rk typisch: < 1 Ω Lk typisch: 0.5 uH → Ω/m

45 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

46 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

47 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

48 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.

49 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

50 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"

51 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.

52 EMC (4 / 5) Capacitieve aardlus
Bij een gevoelige microfoon leiding is capacitieve koppeling vaak al voldoende voor een probleem

53 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

54 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.

55 EMC (7 / 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

56 EMC (8 / 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

57 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”

58 Crystal Cross-over Distortion (1)
Wat staat er in die grafiek? spannig? stroom? weerstand? Wat zijn de schaal factoren? Wat wordt hier gesuggerereerd?

59 Crystal Cross-over Distortion (2)
Toch klopt het wel...... Bij bij zo’n 270° onder nul

60 Crystal Cross-over Distortion (3)
Vergelijk het met een plaat met zandkorreltjes Elektronen zijn bij –270° sterk gebonden aan atoom / kristal

61 Crystal Cross-over Distortion (4)
Een beetje scheefstand geeft nog geen beweging Een klein elektrisch veld levert nog geen stroom op, pas bij een sterk veld gebeurt er iets...

62 Crystal Cross-over Distortion (5)
Hysteresis:

63 Crystal Cross-over Distortion (6)
Breng de plaat in trilling, zodat de zandkorreltjes op en neer dansen. Bij “normale” temperatuur is er sterke beweging van atomen en elektronen.

64 Crystal Cross-over Distortion (7)
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.

65 Crystal Cross-over Distortion (8)
Het hysteresis effect is geheel verdwenen. Niet “onder de ruis begraven”, maar echt weg. Ook niet met uitgebreid middelen terug te vinden

66 Bijzondere geleiders: Zilver (Ag)
Iets betere geleiding dan koper. Ag: Cu: (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 (RoHS) Sn(96)Ag(4) is een goede candidaat

67 Bijzondere geleiders: Goud (Au)
Matige geleider Rho = (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

68 Bijzondere geleiders: Koolstof (C)
Matig slechte geleider Rho = (Ω m) Veel voorkomens: diamant, grafiet, fibers Koolweerstanden: ruis, slechte temperatuur coefficient Carbon Fibers: relatief hoge weerstand.

69 Isolatie materialen (diëlectrica) in kabels
Kabel capaciteit speelt meestal geen rol. Dan hebben evt. diëlectrische afwijkingen helemaal geen effect. ESR...... Lekweerstand.... Spannings-afhankelijkheid....

70 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)

71 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