Основы кабелестроения от Стивена Лампена


000photo_2025-01-18_01-50-31.jpg

Основы
Basics

Провод – это простая жила из токопроводящего материала, покрытая диэлектриком, а кабель – это группа из двух или более проводов.

Оптические кабели и кабели из неметаллических проводников в книге не рассматриваются. 

Материал книги охватывает основные 6 типов проводов и кабелей. 

1. Провод. Одиночный изолированный проводник (рис.1).
2. Многопроводный кабель.  Кабель, состоящий из нескольких проводов под общей изоляцией (рис.2).  
3. Витая пара. Скрутка из двух проводов (рис.3).
4. Многопарный кабель. Кабель, имеющий несколько витых пар и прочих проводов под общей изоляцией (рис.4).
5. Коаксиальный кабель. Это кабель, у которого имеется центральный проводник, окруженный диэлектриком. Поверх диэлектрика наматывается еще один проводник в виде спирали или сетки. Далее идет общий диэлектрик.  Коаксиальный, значит имеющий одну общую ось (рис.5).
6. Мульти-коаксиальный кабель. Под общей изоляцией группируются несколько коаксиальных кабелей (рис.6).

Рисунки взяты из книги. McGraw-Hill©️

000photo_2025-01-18_01-51-42.jpg
Metals.
Металлы.

Проводники – это материалы, которые проводят электричество. Подавляющее большинство проводников – металлы, хотя существует небольшое количество неметаллических проводников. 

Металлы имеют различные физические и электрические свойства и, соответственно, их эффективность в тех и иных областях применения тоже различается. На рисунке вверху представлен список наиболее востребованных металлов из которых производят проволоку для кабелей. 

В таблице приведены данные по сопротивлению металла (миллиом на фут) при пропускании через него прямого тока при T=20C. 

000photo_2025-01-18_01-54-04.jpg

Oxidation and Corrosion. 
Окисление и коррозия.

Металлы вступают в реакцию со средой, которая их окружает. Если проводник зачищен от диэлектрика, то всевозможные химические соединения, такие как соли и сера, содержащиеся в воздухе вступают с металлом в реакцию. 

В процессе экструзии диэлектрика на проводник, некоторые химические соединения при нагреве могут вступать в реакцию с металлом. Поэтому при выборе кабеля обращайте внимание на качество изоляции. *

_____________
*Хочу отметить, что автор описывает кабели, которые выпускались в 80-х годах прошлого века. Тогдашняя изоляция действительно могла испортить проводник при наложении на металл. Современные диэлектрики, которые имеют кучу добавок и пластификаторов, превратились в лучших друзей проводников: защищают их от атмосферных проблем, противостоят прямым солнечным лучам и, в процессе экструзии, не вредят металлу.  

Исключение может составить только тефлон, который необходимо сильно разогреть при нанесении на медь, что может её перегреть. Но на данном этапе есть современные технологии,  которые позволяют безвредно наносить тефлон на чистую медь.

Книга написана в 1997-1999 годах, поэтому некоторые опасения автора уже давно сняты с повестки. 

Честно говоря, до сих пор можно прочитать тексты на сайтах очень известных брендов, которые пугают потребителей поливинилхлоридом, утверждающие, что хлор, в этом самом распространенном  диэлектрике, вреден медному проводнику.  И тут же рекламируют свой запатентованный диэлектрик, не содержащий хлора, который на самом деле является подвидом этиленвинилацетата (EVA), который применяется в кабелестроении как безгалогеновый.
_________________________

При контакте металла с воздухом начинается процесс окисления и металл покрывается оксидной пленкой. Для проводника в кабеле важно, чтобы диэлектрик плотно прилегал к металлу и не пропусках воздух. 

Но все же, уберечь проволоку от попадания воздуха в процессе эксплуатации кабеля невозможно (оголение концов, деструкция изолятора и тд.) Потому важно понимать, как оксидная пленка влияет на электропроводность. 

В таблице вверху приведены оценки электропроводности оксидной пленки металла по сравнению с самим металлом. Это важно понимать при выборе проводника для различных типов кабелей. Как видим, лучше все работает серебро, которое хоть и быстро окисляется на воздухе, но его оксидная пленка не мешает общей электропроводности.  

Медь формирует на своей поверхности оксид, который является полупроводником и плохо проводит ток.

Медь можно защитить слоем серебра в дорогих кабелях, или оловом в проектах подешевле. Олово увеличивает срок службы медного кабеля до 100 лет.

Если нужно очень дорого, то покрываем золотом.

Anealing. 
Отжиг.

Это процесс, который необходим для восстановления гибкости металлической проволоки. Медную проволоку изготавливают, пропуская прут через отверстие меньшего диаметра. Процесс с уменьшением диаметра волочильного отверстия повторяют несколько раз до получения нужного диаметра проволоки. После волочения проволока становится хрупкой и перенапряженной. Чтобы вернуть ей гибкость и снять внутреннее напряжение её надо нормализовать или отжечь. Для этого необходимо нагреть проволоку до определенной температуры (380С – 650С) и вернуть молекулярные связи меди в норму.

Silver.
Серебро.

Серебро лучше всех металлов проводит электрический ток, но оно дорого и с ним трудно работать в кабелестроении. 

Серебряная проволока не отжигается, поэтому остается все время относительно хрупкой. В принципе, хрупкость серебра можно понизить определенными легирующими добавками, но сплавы имеют плохую проводимость. Поэтому от этой идеи отказались. Зато серебро при окислении формирует на своей поверхности оксид, который проводит ток так же, как и чистое серебро. 

Следовательно, серебром можно покрыть медную жилу и, за относительно небольшие деньги, сделать гибкий провод с прекрасными электрическими показателями, особенно на высоких частотах (уменьшение скин-эффекта) и защитить медную жилу от окисления.  

Посеребренные медные кабели хорошо работают в высокочастотных коаксиалах, межблочных аудио и акустических кабелях.

Copper.
Медь.

Медь – самый распространенный металл для производства проводников кабельной продукции. С медью легко работать, её можно легко отжечь и, тем самым, восстановить первоначальную гибкость после волочения. Электропроводность меди не сильно отстает от серебра и стоит она гораздо дешевле последней. 

Единственный недостаток у этого металла, это плохая проводимость оксида, который образуется со временем на открытой поверхности проводника. Это оказывает эффект при пропускании высокочастотного сигнала по оголенному медному кабелю. Из-за поверхностного эффекта, от которого никак не избавиться, высокие частоты стремятся распространяться все ближе к поверхности проводника и, если, они налезают на поверхностный слой оксида, то начинают сильно тормозить. 

Для аудио диапазона это не является проблемой, он распространяется на достаточной глубине и практически не затрагивает оксидный слой. А вот высокочастотные коаксиалы и витые пары могут столкнуться с этой проблемой. Поэтому при их производстве нужно следить за качеством диэлектрика и стараться делать герметичные соединения. 

Качественный герметичный диэлектрик спасает ситуацию. Если вы эксплуатируете кабели внутри помещения, где отсутствуют соли, сера и влага в окружении провода, то волноваться не стоит. Волноваться следует при проектировании кабелей для наружной и подземной прокладки. 

Аудиофилы могут выдохнуть!

S.Lampen/McGraw-Hill


000photo_2025-01-18_02-14-27.jpg

Capacitance.
Ёмкость.

Берём два куска или две пластины металла, разделяем их диэлектриком и пропускаем через них переменный ток. (https://t.me/daxxcables/191) Получаем работающее устройство, которое называется конденсатором. Это устройство накапливает напряжение. Данный эффект называют ёмкостью. Измеряется ёмкость в Фарадах (или пикофарадах). 

Обычный кабель, который состоит из двух, рядом лежащих проводников, залитых диэлектриком, тоже может работать как конденсатор и накапливать напряжение когда по нему идет сигнал. Чем длиннее кабель, тем больше напряжения (энергии) он накапливает. 

Например, кабель длиной 1000 футов (305м), у которого ёмкость равна 30пФ / фут будет иметь ёмкость 30 000пФ, что является значительной величиной и ощутимо повлияет на пропускную способность кабеля данной длины. 

Удельное сопротивление металлического проводника, которое зависит от самого металла, «тормозит» прохождение сигнала. Но оно (R), в отличие от ёмкости (С), оказывает своё негативное влияние одинаково на все частоты, из которых состоит наш сигнал. 

Ёмкость же, которая накапливается в кабеле, «подтормаживает» частоты сигнала в разной степени, реагируя на высокие частоты в большей степени, чем на низкие (фильтр). Сопротивление, которое порождает ёмкость, называют реактивным ёмкостным сопротивлением (измеряется в омах, формула вверху). 

И так, если у нас имеется кабель, состоящий из двух или более проводов, то с ёмкостью надо начинать бороться. Во-первых, можно подобрать диэлектрик с меньшей диэлектрической константой (у воздуха она равна 1, а, например, у тефлона около 2, у ПВХ более 3 и т. д.)

Во-вторых, можно увеличить расстояние между проводами в кабеле, заполнив его чем-либо. Чем больше расстояние, между пластинами конденсатора, тем меньше он накопит ёмкости.

Можно вообще «убить» ёмкость акустического кабеля, разделив его на два одиночных раздельных (такие примеры на рынке есть). Но тут есть одна загвоздка: разделённые провода, избавившись от ёмкости, сильно обрастают индуктивностью.

 А чтобы скомпенсировать индуктивность в далеко расположенных друг от друга проводах, их надо приблизить друг к другу максимально плотно. Гася ёмкость, мы увеличиваем индуктивность и наоборот. 

Inductance.
Индуктивность.

Это явление возникает при прохождении эл. тока по проводу, который из-за этого создает электромагнитное поле вокруг проводника. В силу немагнитных свойств меди, данное поле исчезает, как только напряжение спадает. Если сигнал в кабеле является переменным, то магнитное поле возникает и спадает соответственно его частоте.  

Возникшее вокруг провода магнитное поле запасает энергию. Если провод скрутить в катушку, то он запасет больше энергии. Этот запас энергии и называют индукцией. Глагол induct означает «наводить», «всасывать», «помещать внутрь». 

Если кабели находятся близко друг к другу, то они могут «влиять» друг на друга посредством индукции (то есть полей, возникающих вокруг них). 

В мульти-парных кабелях, одни пары могут давать наводки на другие пары, упакованные рядом. Это явление называют cross-talk, то есть «помехи» или «вмешательство в телефонные разговоры», что, собственно, мы могли наблюдать при разговорах по телефону в прошлом веке.

Cross-talk может возникнуть и из-за ёмкости, возникшей между парами. Для уменьшения ёмкости между парами, каждую пару заворачивают в фольгу, а для уменьшения индуктивности самой пары её провода скручивают друг с другом (витая пара (https://t.me/daxxcables/380)). 

Индуктивность (L)  оказывает сопротивление прохождению сигнала по проводнику. Реактивное индуктивное сопротивление прямо пропорционально индуктивности и частоте сигнала в проводе. 
X=2п•L•f
Оно воздействует в большей степени на низкие частоты (фильтр). 

Если ёмкость кабеля з (https://t.me/daxxcables/574)ависит от качества диэлектрика, то индуктивность зависит от сечения кабеля. Чем больше сечение акустического провода, тем больше у него индуктивность. Снизить индуктивность кабеля можно, если свить провода в витую пару.

Impedance.
Импеданс. 

В прошлых статьях мы с вами разобрались в трех величинах, которые препятствуют прохождению сигнала по кабелю:

1. Сопротивление R – зависит от свойств материала проводника, оказывает «торможение» всех частот сигнала одинаково, нагревает проводник.  
2. Ёмкостное реактивное сопротивление – препятствует в большей степени прохождению высоких частот в сигнале. Возникает благодаря возможности кабеля накапливать и высвобождать энергию (напряжение). Не нагревает проводник. 
3. Индуктивное реактивное сопротивление – тормозит низкие частоты, так же накапливает и отдаёт назад энергию в цепь. Не нагревает проводник. 

Импеданс – это полное сопротивление провода, которое учитывает все три вышеперечисленных сопротивления. Глагол imped означает «препятствовать».    

Величина импеданса обязательна для указания в характеристиках кабелей, которые несут высокочастотные сигналы (более 1Мгц). Есть определенные стандарты, например, для коаксиальных кабелей, которые должны иметь импеданс, равный 75 или 50 Ом. Это важно для согласования источника и приемника сигнала. 

Для аудио кабелей, которые транспортируют сигнал с частотами от 20 до 20 000 Гц, импеданс кабеля не имеет значения, и он не указывается в характеристиках межблочных и акустических кабелей.   Диапазон частот сигнала от 0 до 30кГц принято называть низкочастотным диапазоном.

Источники и приемники аналогового сигнала из этого диапазона наименее требовательны к конструкции кабелей, которые их соединяют. Кроме того, домашние аудио кабели не бывают очень длинными. 

Это дает простор для фантазии и полёта мысли при конструировании межблоков и акустических кабелей. Их можно делать из любых материалов, применять любые диэлектрики, делать их плоскими, круглыми витыми, расщеплять на литцендрат и отливать в моножилу квадратного сечения. 

Как ни крути, все равно сигнал достигнет своего назначения, и музыка будет играть! Огромное разнообразие хайэнд кабелей обусловлено именно слабой требовательностью низкочастотного диапазона к их конструкциям и формам разъёмов (а можно вообще без разъёмов).

Но стоит только частоте сигнала дойти до десятков и сотен миллионов герц (высокочастотный диапазон), как сразу становится скучно от жесткой стандартизации коаксиалов, номеров категорий витых пар, специальных разъёмов и ограничении по ценам, которые должны быть обоснованными для эффективности инфраструктурных проектов. 

Здесь уже нужна определенная скорость сигнала, частотный диапазон и чёткий импеданс по всей длине кабеля для обеспечения устойчивого обмена информацией между континентами и трансляции телевизионных сигналов по всей планете.  

В капризном высокочастотном диапазоне нет никакой свободы творить хайэнд: мастерить кабели из алюминия, покрывать их золотом, накачивать газами, втыкать в диэлектрик 70В батарейки с лампочками, надевать на кабель, как на гирлянду, кучу ферритов и елозить ими туда-сюда в поисках идеального восприятия.  И все это по цене концертного рояля!

Тут игры заканчиваются! Телевизор должен показывать, интернет должен работать!

А мы с вами - в другой комнате ... винил слушаем!


S.Lampen/McGraw-Hill©️
Отредактировал и дополнил daxx0064



Комментарии
Отзывов еще никто не оставлял
Обратный звонок
Запрос успешно отправлен!
Имя *
Телефон *
Предзаказ
Предзаказ успешно отправлен!
Имя *
Телефон *
Добавить в корзину
Название товара
100 ₽
1 шт.
Перейти в корзину
Яндекс.Метрика