CABLES
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Una primera aproximación al circuito equivalente de un cable: se modela como uniones de este bloque, que constan de una resistencia y una bobina en serie, y un condensador en paralelo. |
Circuito equivalente del cable |
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| El cable está formado por multitud de uniones del bloque |
Cada bloque representa una unidad de longitud, un metro normalmente, y en las especificacioens del cable se señalan los efectos parásitos con el valor que tienen para 1 metro de cable.
De esto se puede deducir que cuanto más largo sea el cable, mayores serán las perdidas producidas en él.
Además de esto, existen componentes selectivos a la frecuencia, e interacciones con el filtro, que causan coloración.
La conductividad del cobre es 0,0175 Ohm/m*mm2?. Cuanto más largo sea el cable, más resistencia en serie tendrá, y cuanta más área tenga su sección, menos resistencia.
La resistencia en serie hace que parte de la potencia suministrada por el amplificador se pierda en el cable. En principio afecta a todo el rango de frecuencias, pero donde más se nota es en los graves, que son los que más potencia emplean y más obvias son las pérdidas.
Normalmente los cables rojo y negro que se suministran para audio tienen menos de 1mm de diámetro, y son pésimos.
Utilizar cable de cómo mínimo 1,5 mm2 es completamente necesario para poder tener unos graves potentes. Es mejor usar cable grueso que cable OFC. Se puede conseguir cable normal con el 330% del area de un OFC del mismo precio, y tendrá mejores características el grueso, si se impide su oxidación. Obiamente lo mejor es que sea grueso y OFC, lo anterior es sólo por si hay que elegir.
En otra sección se explicará porqué es mejor dividir un cable grueso en varios cables en paralelo.
Toda circulación de cargas (corriente) produce campo magnético. Un campo margnético constante no puede inducir corrientes, pero uno variable si. La señal de audio es variable y el campo magnético que crea un conductor del cable paralelo puede inducir corrientes en el otro.
Esto se manifiesta como una impedancia en serie dependiente de la frecuencia. Aunque no se indujesen corrientes entre los cables, la sola creación de campo magnético es una inductancia y causará resistencia en serie.
Una forma de reducir la inducción de corriente de un cable en otro es trenzarlos. Así los cables dejan de ser perfectamente paralelos, y los campos magnéticos creados por cada uno pierden eficiencia para inducir corriente en el otro. No existe solución analítica para el caso de los cables trenzados, las ecuaciones se resuelven de forma numérica, pero lo que está claro es que así se reduce la inducción de coriente.
Esto tiene como contrapartida el aumento de la capacidad, ya que la superficie de los cables que está próxima al otro aumenta.
Dos cables paralelos separados por un dieléctrico forman un condensador.
Esto equivale a una resistencia dependiente de la frecuencia en paralelo con el altavoz, y hará que la impedancia vista desde el amplificador sea menor. Esto le obliga a proporcionar más corriente en ciertos momentos.
Cargar un condensador de algún microfaradio a través de la etapa de salida de un amplificador puede ser problemático. Se debe suministrar mucha corriente en poco tiempo y la etapa de salida no suele estar preparada para esto en muchos diseños comerciales. Además en casos extremos se pueden producir oscilaciones por el rebote de la potencia reactiva, o quemar los transistores de salida.
Cabe destacar que la capacidad de un cable no va a quemar el amplificador, pero en amplificadores viejos de no mucha potencia puede causar oscilación, que.puede causar una subida de la temperatura significativa, au
Cuando el amplificador tiene una cierta potencia y la capacidad del cable no es muy alta (menos de 100 pF/m), su efecto puede pasar desapercibido. Las capacidades suelen ser pequeñas y no suelen afectar al rango audible. Como mucho, se puede mostar una disminución en la potencia de los agudos.
Sobre la capacidad, hay un punto que conviene resaltar: la absorción dieléctrica. Es un fenómeno parásito de los aislantes, que produce el llamado "efecto memoria". Si se prueba cargar un condensador electrolítico a una tensión, y luego descargarlo cortocircuitando sus terminales, se puede ver que su tensión es cero con los terminales cortocircuitados. Pero luego al abrir el circuito se ve rápidamente que su tensión sube hasta alrededor de +1V. Si la resistencia es prácticamente cero, toda la carga debería abandonar el condensadorinmediatamente.
Es una distorsión sobre la que hay muy poca documentación, pero es de bastante importancia en circuitos de filtros activos, circuitos de sample and hold y conversores analógico-digital.
No se puede medir con los métodos tradicionales, con una onda senoidal no indica absolutamente nada, la distorsión se produce en el dominio el tiempo y no en un dominio frecuencial, que es donde se hacen el 99,9% de las pruebas. Por eso existe la creencia generalizada entre los teóricos de que no influye y si no fuese por los circuitos de sample & hold, donde se ven en forma de dato digital los resultados de esta distorsión, los teóricos puros ni se molestarían en estudiarla.
La absorción dieléctrica se muestra como si el voltaje fuera función de un voltaje anterior. En los condensadores cerámicos ocurre con voltajes tanto positivos como negativos. En general todo condensador y todo cable con capacidad sufre de este fenómeno parásito. Lo que es cierto es que en algunos dieléctricos como el poliestireno estos efectos son muy inferiores a los del PVC o los óxidos de los condensadores electrolíticos. |
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| Modelo más complejo de la absorción dieléctrica |
El PVC es un aislante muy corriente en cables, y tiene una absorción dieléctrica importante. Sus efectos no son muy grandes, pero están ahí. Fabricantes de prestigio y aceptados por sus métodos científicos como Van den Hull lo eliminaron hace tiempo. El teflón, junto al poliestireno, es el mejor material para aislar cables y en general para fabricar condensadores, por su baja permitividad, su alta ruptura dieléctrica y su baja absorción. El problema del poliestireno es su bajo punto de fusión, y que no puede trabajar a más de 80ºC. El teflón por otro lado tiene un punto de fusión bastante más alto y puede trabajar a 125ºC. Su otro problema es el precio. |
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| Comparativa de materiales |
La señal eléctrica del sonido es una señal alterna, y de diferentes frecuencias, desde 20Hz hasta 20kHz.
Cuando una carga se mueve con una cierta velocidad, crea campo magnético. La dirección de una carga varían en función de la tensión, y la velocidad del cable usado.
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| Los electrones son empujados al exterior del conductor |
Los retrasos que sufre el campo magnético en cambiar empujan a las cargas al exterior del conductor. Esto reduce el área eficaz del conductor a una pequeña parte.
Se puede evitar de una manera muy simple: con cables que tengan más superficie y que mantengan constante la densidad de corriente. Esto lleva a cables planos. Existen pocos cables así. La otra opción es usar cables finos, ya que en ellos se produce a frecuencias mucho mayores. Esto es la pescadilla que se muerde la cola, porque evitas este efecto pero la resistencia en serie aumenta, y según mis experiencias, la resistencia en serie se agrava al interaccionar con los demás efectos parásitos. La solución a estos dos problemas juntos es usar muchos cables finos, lo quedependiendo de la topología empleada para unirlos puede aumentar la capacidad.
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Los efectos magnéticos hacen que las cargas se desplacen hacia el exterior del cable, es decir hacia el aislante. Esto hace que los cables formados por hilos (no cables) muy finos tengan el mismo comportamiento que los cables sólidos ante este fenómeno.
En principio, todo efecto resistivo supone que para ser despreciable debe ser alrededor de 120dB menor que la resistencia de referencia (altavoz en nuestro caso), tal vez 80-100dB en frecuencias más agudas. Pensando en los agudos por sí sólos, hace falta un buen equipo para que los efectos sean perceptible, aunque una resistencia de 0,2 Ohm a 10kHz es bastante posible de encontrar, y supone que el apreciado damping factor se reduce a 40.
Los picos de corriente instantáneos demandados por un tweeter no son grandes como en un woofer (respecto a una misma potencia), pero no despreciables, ya que aunque su desplazamiento decrece a la inversa del cuadrado de la frecuencia, estos picos son proporcionales al cuadrado de la frecuencia, por lo que se compensan y quedan dos factores más: masa, que es baja, y BL, que es bajo, y es en esa proporción donde sale ganando un tweeter. Aún así, tenemos ahí una fuente de problemas, porque más graves en todo caso son las interacciones entre graves y agudos, ya que una corriente de 1A puede influir en el comportamiento de una débil señal 10-100 veces menor.
En la aparente confusión sobre los cables de señal, hay unos cuantos puntos en los que se coincide.
Los dos primeros puntos nos llevan a que el aislante debe ser teflón, poliestireno o polipropileno, por este orden. El polipropileno tiene una permitividad dieléctrica mayor que los otros dos y se trata de evitar la capacidad parásita. También la capa de aislante debe estar sobredimensionada.
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El tercer punto nos lleva a que con un toroide de ferrita de grado N27 rodeando el cable en una conexión XLR se pueden producir pérdidas audibles y medibles, y que si la tierra es común para las dos señales, por muy baja que sea esa resistencia, sólo se puede considerar despreciable cuando es un millón de veces menor que la resistencia del final de línea, es decir..prácticamente nunca. Por eso las resistencias deben ser bajas en todo caso.. un cable de señal con 100Ohm posiblemente tenga otro tipo de interacciones que no serán puramente resistivas.
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El punto 4 supone que la longitud de onda para 20kHz suponiendo que la señal se desplaza a 200.000Km/seg es de 10 metros. Teóricamente no se puede producir ninguna reflexión en la señal, aunque es cierto que cualquier variación en la impedancia del medio supone la reflexión de parte de la onda. Esto es válido para ondas en cuerdas, ondas sonoras (Tline por ejemplo), fibra óptica y ondas eléctricas. Por lo tanto, para que teóricamente se puede producir, con 10 metros de cable podemos tener reflexión.
Como especulación y para añadir polémica, si aplicamos una analogia con lasTline, a 1/4 de onda se producen fenómenos de interacción entre el final de la línea y la fuente, la longitud ahora se reduce a 2.5 metros para señales audibles. pero con otro efecto añadido, que se pueden generar componentes de intermodulación a frecuencias menores, deducido del test CCIF (consiste en introduir dos ondas de 14kHz y 15khz y generan componentes de IMD desde 1khz en adelante).
Como solución, utilizar el cable lo más corto posible, que de por sí ya era obvio.
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El quinto punto se basa en algo tan simple como la ley de Ohm. La resistencia parásita de la malla hace que no se comporte como una verdadera pantalla electromagnética. Y lo peor es que también tiene inductancia, que causa efectos peores.
Los altavoces tienen baja resistencia (impedancia, mejor dicho) y eso quiere decir que a través de ellos fluye una gran cantidad de corriente, y los voltajes no son muy altos.
En un altavoz de 8 Ohm, 12.5W RMS significan que por el altavoz pasan 1.25 Amperios y la diferencia de tensión en los contactos del altavoz son 10 Voltios. 1.25 A son una cantidad muy respetable, y 10 V es una cantidad bastante pequeña, la da una pila que todo el mundo puede comprar en un supermercado..
Las etapas de salida de los amplificadores a transistores están adaptadas para proporcionar voltaje, y esto es lo que controlan.
Para entendernos en pocas palabras, diremos que las bobinas "funcionan" con corriente y los condensadores con tensión. Es fácil controlar qué corriente atraviesa una bobina, pero es más dificil conocer su tensión, y con los condensadores pasa lo contrario.
Como consecuencia de las altas corrientes, los bajos voltajes y la muy baja impedancia de salida (o damping factor si se prefiere), los efectos de la inductancia son muy perniciosos, y los de la capacidad son bastante inocuos. Los últimos cables que van saliendo al mercado son cables de capacidades relativamente altas, y resistencias e inductancias muy bajas.
En el caso de un amplificador de transistores, es mejor tener un cable con alta capacidad y mínima inductancia, si es necesario tener que eleir entre estos dos fenómenos. En este aspecto, es muy posible, con un cable de alta capacidad y un altavoz de alta inductancia que el amplificador oscile. Esto se soluciona con una red Zobel RC.
Ésta técnica consiste en llevar dos pares de cables desde el amplificador hasta el altavoz. Un par se conecta exclusivamente a agudos y el otro par a graves. Los resultados son que los efectos de una gran corriente en el cable (un grave potente por ejemplo) no influyen el resto de la banda, donde siempre son los agudos los más perjudicados. Además permite usar cables más adecuados para cada altavoz, como cables muy gruesos para gravescon baja RDC y cable plano para agudos. |
Ejemplo de tricableado |
Hay que pensar que esta técnica sólo se refiere al cable, no va a dar resultados con grandísimas diferencias, aunque es una buena elección. Como he dicho antes, un cable es un elemento de pérdidas. ¿Puede haber diferencia? Si. ¿A mejor? Si la hay, siempre. Una de las distorsiónes más intrusivas y perniciosas es la intermodulación entre frecuencias. ((IMD) Tal y como se describe sólo existe en amplificadores, pero es análoga en cables, y se ha detectado que puede existir en la red Zobel de salida de un amplificador (la que se genera mediante una resistencia y una bobina), en la que los graves con más potencia saturan la bobina y varían el comportamiento de los agudos.
En un sentido menos estricto, cuando los graves afectan a los agudos, se produce, y esta técnica hace que no se produzca esta distorsión en el cable.
Los cables formados por miles de hilos muy finos (OFC estándar, por ejemplo) no son buenos. Son mucho más sensibles a oxidación, la superficie es mayor así y el aire puede "colarse" mejor. Sobre lo que se dice de evitar el skin effect, no es cierto, ya que los cables van en contacto entre sí, los electrones pueden saltar de un hilo a otro. El extremo opuesto es el cable de un hilo rígido, difícil de encontrar y peor para trabajar con él, pero con buenos resultados.
Un mismo cable puede tener diferentes efectos sobre altavoces de la misma impedancia. Cada conjunto amplificador-altavoces es un mundo. El cable depende del equipo, no existe el cable perfecto y lo mejor es hacer pruebas.
El equipo suena como el peor de los componentes siempre. A veces se intenta mejorar una parte cuando en realidad se debería mejorar otra. La cuestión importante es saber cual de las partes falla y no obsesionarse con una. Mejorar el aislante de cable puede no ervir para nada si se usa un condensador MKT en el filtro del tweeter, o viceversa, utilizar un condensador de teflón en el tweeter puede no servir para nada si se usa un cable aslado con PVC.
Un cable muy malo puede producir una seria degradación, pero poner un cable de oro en una minicadena no va a hacer que suene como un equipo de 100.000€.
Se comercializan cables de precios exagerados, siendo que excepto en el caso de superconductores, la materia prima no vale nunca 500€ el metro. En todo caso existe mucha desinformación y la publicidad se aprovecha de este desconocimiento y de impresiones subjetivas que no se pueden corroborar más que cuando se ha adquirido el cable. No creo necesario usar cables de precios extremos si el resto equipo no está en un nivel muy superior.
Trenzar los cables es una técnica que suele dar buen resultado en cables paralelos.
Para trenzar conviene ayudarse de un taladro. Con uno de baja velocidad, mejor. Se sujetan firmemente las dos puntas del cable con algo (un tornillo, un sargento...), y las otras dos se meten en el taladro como si fuesen una broca, y luego dar vueltas, tirando del taladro para que no se enreden. Así se pueden trenzar 10m de cable grueso en un minuto.
Conviene pensar en algo para evitar que se destrenzen. Lo más elegante y limpio es el tubo termorretráctil. Lo venden en las tiéndas de electrónica. Se calienta con un mechero y se estrecha hasta reducir su diámetro a la mitad. Problema, es algo caro para cubrir todo el cable con eso, pero con poner 3cm de tubo cada 30 cm de cable es suficiente.
Recomiendo usar cables que no sean para audio, como cable de 1.5, 2.5 o 4 mm^2 para las instalación fija interior, preferiblemente del que no va aislado con PVC*, cable de red LAN de 50 Ohm, cable de TV de 75 Ohm, o pares trenzados de comunicaciones. En concreto los pares trenzados de comunicaciones son un filón, ya que suelen tener diámetros reducidos, aislantes de teflón, y permiten gran libertad en la construcción. Un paso más avanzado es utilizar partes de cables. Tasker y Emelec tienen cables por máximo 2€ el metro y que llevan dentro cables recubiertos de espuma de teflón (los de TV suelen llevar ese material) o teflón, y es posible encontrarlos con un recubrimiento de varios mm, por lo que reduciría significativamente la capacidad parásita.
Con estos tres tipos se pueden construir diversas configuraciones que minimizan los efectos de la capacidad o la inductancia, o de ambos si así se elije.
* el PVC se reconoce porque al doblar en un ángulo muy agudo el material, las esquinas creadas se vuelven blancas, como en las antiguas botellas de agua.
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Modelo de la absorción dieléctrica