Кабель и его структура простыми словами

Назад           

 

>>> Основные понятия

Если серьезно, то кабель - это  устройство для передачи электромагнитной энергии или сигналов от одного объекта к другому.
Конструкция состоит из одного или нескольких изолированных друг от друга проводников, заключённых в оболочку.

Если говорить простыми словами, кабель, это два или более элементарных провода под общей изоляцией. Провод состоит из металлического проводника, например, медного, покрытого диэлектриком (см. рисунок слева). Диэлектриком или изолятором называют материал или вещество, которое плохо проводит электрический ток.

Имея в своем распоряжении токопроводящие жилы и изоляторы, можно создать много типов кабелей для снабжения электрической энергией домов, освещения, передачи аудио и видео сигналов, трансляции телевидения и передачи данных для Интернета и пр. В зависимости от структуры передаваемого сигнала, кабель меняет свою конструкцию. Разберем несколько типов кабелей, наиболее часто встречающихся в аудио-видео инсталляциях.

Простой плоский кабель. Это самая простая и очень распространенная конструкция кабелей. В аудио инсталляциях это акустические кабели, которые нужны для подключения усилителей мощности с громкоговорителями. В большинстве случаев, проводники в данной конструкции применяются многожильные медные, а изолятором служит поливинилхлорид. Данная конструкция часто встречается в межблочных аудио кабелях. 

Витая пара. Эта конструкция состоит из двух изолирова
нных проводов, скрученных друг с другом. Кабель может содержать несколько таких пар. Например, кабель 5-ой категории (Cat5e) содержит 4 витых пары для передачи цифровых данных Ethernet, цифрового видео или аудио. Важной особенностью этого кабеля является определенное количество скруток на единицу его длины, что необходимо для эффективной передачи цифрового сигнала на длину до 100 метров. В HDMI кабелях основную нагрузку передачи цифрового видео и звука несут 5 витых экранированных пар. Витой парой можно также передавать аналоговые аудио сигналы. 

Коаксиальный кабель. Два проводника, имеющие соосное расположение и разделенные диэлектриком образуют коаксиал (coaxial). Такая геометрия необходима для передачи высокочастотных сигналов, таких как телевизионный сигнал, видео сигнал, сигнал цифрового аудио, передачи данных и пр. Второй проводник, как видно из рисунка, является еще и экраном от электромагнитных помех и состоит из множества медных жил, сплетенных в плотную сетку. Центральный проводник может быть одножильным или многожильным. Диэлектриком, чаще всего, является полиэтилен, который обладает хорошими диэлектрическими свойствами, обеспечивающими низкую емкость между проводниками, что очень важно для передачи высокочастотных сигналов на большие расстояния. Данная конструкция, по сути, является универсальной и отлично справляется с передачей аналоговых аудио и видео сигналов, цифрового аудио, ТВ и спутниковых сигналов, передачи данных, а также для конструирования спикерных туровых (акустических) кабелей. 

Имея в своем распоряжении вышеперечисленные базовые конструкции, инженеры создают более сложные кабельные комбинации.  Кабели могут быть мульти-коаксиальными, т.е. состоящими из нескольких коаксиальных кабелей в одной оплетке, состоять из нескольких витых пар или быть комбинацией простых кабелей с коаксиальным (мульти-кабели) и пр. В дополнение необходимо сказать, что конструкции могут быть усовершенствованы экранами из металлической фольги или медных сеток для защиты кабеля от электромагнитных наводок.

>>> Проводники 

Проводники в кабелях могут быть одножильными (solid wire) или многожильными (stranded wire). В принципе, многожильный кабель - это набор из более тонких одножильных кабелей. Но при передаче электрических сигналов, они ведут себя по-разному. Одножильный проводник более эффективен для передачи высокочастотных сигналов. Коаксиальные кабели для передачи ТВ и спутниковых сигналов (от 5 до 2000МГц) на большие расстояния (100м) обязательно имеют в качестве центрального проводника моножилу. Витые пары для передачи данных Ethernet (рабочая частота 100МГц и выше) обязательно изготавливаются из моножил.  В обоих случаях моножилу можно заменить на многожильный провод и сделать кабель более гибким, но расстояние, на которое можно будет эффективно, без помех передавать высокочастотные сигналы сократится.

Все дело тут в правильной и строгой геометрии моножилы по всей длине кабеля, представляющей из себя четкий цилиндр с ровной поверхностью. Такая конструкция моножилы генерирует меньшую электрическую емкость между двумя проводниками внутри кабеля, а многожильный провод имеет форму неровного цилиндра, что увеличивает емкость кабеля.

Следует помнить:

1.Чем больше емкость кабеля, тем хуже он пропускает высокие частоты. 
2. С увеличением длины кабеля увеличивается и его емкость.
3. Чем лучше диэлектрик между двумя проводниками внутри кабеля, тем меньшей емкостью обладает кабель.
4. Чем больше расстояние между проводами в кабеле, тем меньше емкости они создают.

 
Данные правила не очень критичны для передачи аудио сигналов, частоты которых лежат в диапазоне от 20 до 20000 Герц, поэтому межблочные аудио и акустические кабели в основном изготовлены из многожильных проводов для придания им гибкости (удобство в прокладке, смотке на бухты и т.д.) Кроме того, аудио кабели не бывают очень длинными (максимально 20м, а в быту их длина колеблется от 0,5м до 6м).

Однако, это не означает, что при создании высококачественных аудио кабелей вышеперечисленные правила абсолютно игнорируются. Что добиться хорошего эффекта от кабельного продукта важны все параметры: и качественный проводник, и диэлектрик, и правильная геометрия кабеля. На хорошей аудио аппаратуре можно легко отличить посредственный кабель от качественного.

Рассмотрим кратко материалы, из которых делают проводники кабелей.

Самым распространенным металлом для производства аудио и видео кабелей является медь.  Это относительно недорогой металл с отличной электропроводностью, гибкий, мягкий и устойчивый к коррозии.

Серебро лучше меди проводит электрический ток, но оно реже используется так как стоит гораздо дороже меди и является более хрупким металлом (не поддается отжигу как медь). Но зато серебро лучше противостоит воздействию окружающей среды. Оксидная пленка, возникающая на поверхности серебра, в отличие от меди, проводит электрический ток также как и чистое серебро. Серебром покрывают медные жилы для защиты медной поверхности от окисления и улучшения передачи высоких частот, которые распространяются в проводнике ближе к его поверхности. Более подробно о меди и других металлах для проводников читайте в этой статье

>>> Диэлектрики
   
Диэлектрики - это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях они могут стать проводниками. Этими условиями выступают механические, тепловые, климатические и прочие виды воздействия. Если сильно увеличить напряжение в цепи, то диэлектрик может пропустить ток (пробой). В домашних аудио-видео кабелях напряжение небольшое и с климатом все хорошо поэтому пробой диэлектрика нам не грозит.

Качество диэлектрика (изолятора) определяется параметром, который называется диэлектрической проницаемостью или диэлектрической постоянной диэлектрика. Это безразмерная относительная величина. Самым хорошим диэлектриком является вакуум, он абсолютно непроницаем для электрического поля.  В вакууме нет ничего, никаких частиц, могущих переносить электрический заряд. Его диэлектрическая постоянная равна 1. Все остальные диэлектрики имеют значение диэлектрической проницаемости больше единицы. Чем больше это число, тем более диэлектрик проницаем относительно вакуума, и, следовательно, тем он хуже.

Например, диэлектрическая постоянная полиэтилена равна 2.3, а ПВХ около 4.  Следовательно, полиэтилен менее проницаем для электричества, чем ПВХ и, соответственно, будет генерировать меньше емкости в кабеле, что создаст лучшие условия для передачи сигнала.  При конструировании кабеля необходимо принимать во внимание не только его проницаемость диэлектрика, но и его температуру плавления, гибкость, влагостойкость, устойчивость к морозу, агрессивным жидкостям и огню. Поэтому выбор диэлектрика обусловлен многими факторами и зависит от области применения кабеля и типа транслируемого сигнала (его частоты, напряжения и пр.).

Диэлектрик можно вспенить воздухом, у которого диэлектрическая постоянная почти как у вакуума (1.016) и, тем самым, улучшить его свойства. Специальные химические добавки могут сделать диэлектрик негорючим, малодымным, стойким к ультрафиолету, очень гибким или прозрачным. Более подробно о диэлектриках и их свойствах читайте в этой статье

>>> Экраны

Экран - это слой из металла вокруг провода из проводов внутри кабеля для защиты от электромагнитного излучения и радиочастотных помех, проникающих в кабель извне. Сам по себе кабель также может являться источником помех, поэтому экранирование защищает не только его самого, но и другие кабели и устройства от его собственного излучения. Экраны делают из металлической фольги или из металлических жил. За основу фольгированного экрана берется пластиковая (ПЭТ) пленка и на её поверхность наносится слой алюминия или меди. Пленка становится токопроводящей со стороны нанесения металла. Обратная её сторона работает как диэлектрик. Экраны из металлической проволоки бывают плетеными или спиральными. Чтобы экран эффективно работал, необходимо его заземлить, то есть припаять на ноль/землю для дренирования накопленных помех. То есть контактный слой фольги должен обязательно иметь контакт с нулевым проводником (на рисунке второй проводник выполняет роль экрана и нулевого проводника).  На рисунке вверху спиральный медный экран лежит на контактной поверхности нижней фольги, а верхняя фольга контактирует с медным экраном нижней своей поверхностью. В итоге, мы имеем коаксиальный кабель с тройным экраном (фольга+ медная спираль+фольга). 

На следующем рисунке справа представлен мульти-кабель, в конструкции которого есть плетеный медный экран и несколько экранов из фольги. Плетеная сетка лежит на контактной поверхности фольги. Припаяв медную сетку к "земле", мы получим полноценный двойной экран, который защищает две пары внутренних проводов, несущих аудиосигнал. В свою очередь, каждая пара закрыта фольгой, токопроводящая поверхность которой обращена вовнутрь. Так как фольга пайке не подлежит, внутри проложены дренажные провода, которые контактируют с фольгой по всей длине кабеля и могут быть припаяны к заземлению. В итоге получаем экранирование каждой пары аудио проводов по отдельности и общий двойной экран всего кабеля. Данная конструкция кабеля очень хорошо противостоит электромагнитным помехам и применяется в автомобиле, где много устройств, генерирующих помехи в непосредственной близости от аудио кабелей.       

>>> Основные типы кабелей для AV инсталляций

Межблочные аудио кабели предназначены для подключения источников звука: проигрывателей винила, магнитофонов, ЦАПов и прочих устройств к усилителям звука и процессорам. Иногда эти кабели называют линейными или низкоуровневыми, так как напряжение сигнала в них всего около 1В. Межблочные кабели должны быть хорошо защищены от электромагнитного излучения, что бы не вносить помехи в слаботочный аудио сигнал. Два рисунка вверху показывают внутреннюю геоме
трию межблочных кабелей и возможные варианты экранирования. Разберем еще одну конструкцию межблочного аналогового аудио кабеля, который наиболее часто встречается в аудиотехнике (рисунок слева). В основе кабеля лежит витая пара из медных многожильных проводников в полиэтиленовом диэлектрике, два экрана из фольги и плетеной медной сетки. Хлопковый или нейлоновый наполнитель в виде нитей укладывается в кабель для придания ему ровной круглой формы. Подобная конструкция применяется для производства стерео кабелей, микрофонных кабелей (иногда без фольги), кабелей для подключения наушников, а также для балансных соединений. Для передачи цифровых (высокочастотных) аудио сигналов подходящей конструкцией является коаксиальная, которую мы уже рассматривали вверху и оптоволоконные кабели с разъемами типа Toslink.

Акустические кабели соединяют усилители мощности с акустическими системами (громкоговорителями). В отличие от межблочных кабелей, акустические или как их еще называют, спикерные кабели транслируют гораздо более мощный сигнал и поэтому в экранировании не нуждаются.  Проблему уменьшения емкости тут можно решить не только хо
рошим диэлектриком, но простым увеличением расстояния между проводниками по всей длине кабеля, что гораздо дешевле и эффективнее. Некоторые производители выпускают плоские плетеные и ленточные акустические кабели, которые благодаря такой форме генерируют меньшую емкость. Самое главное в акустических кабелях, это качество металла проводника, т.е. степень его чистоты от примесей. Сечение акустических кабелей для домашних аудиосистем колеблется в пределах 14 - 10AWG (2,1-5,2мм.кв) в зависимости от мощности колонок и длины кабелей. 

HDMI кабели предназначены для передачи цифрового видео и аудио сигналов (фактически цифровых данных) от DVD и компьютеров на дисплеи (телевизоры, мониторы, проекторы). HDMI кабель состоит из 5 витых экранированных пар и нескольких простых проводов управления. Все это припаивается к 19-ти контактному разъему. Так как передаваемый сигнал имеет высокую частоту, то проводники изготавливаются из медных моножил с полиэтиленовым диэлектриком и хорошо экранируются фольгой и плетеным медным экраном. В принципе, данная конструкция схожа с кабелями 5-ой категории Cat5e, которые передают цифровые данные Ethernet.

Качество формируемого изображения зависит от скорости передачи цифрового сигнала, которая может быть 10.2Gbit/s, 18Gbit/s, или 48Gbit/s в зависимости от версии HDMI сигнала.   Важным параметром качества изображения является количество пикселей, которые формируют картинку на экране. Его принято обозначать как 2K, 4K или 8K, где К - это тысяча пикселей по ширине или высоте экрана. Чем больше скорость сигнала, т.е. количество передаваемых единиц информации в секунду (Gbit/s), тем больше пикселей и цветов можно передать на экран. Еще одним параметром качества картинки является частота кадров изображения (25Hz, 30Hz, 60Hz и более). Чем больше кадров в секунду передается от источника сигнала, тем плавнее  будет изображение на экране. 
HDMI сигнал характеризуется не только вышеперечисленными параметрами, но множеством других, отвечающих за качество аудио сигнала, метода кодирования цветов, передачу интернета и прочее.

Следует помнить, что с одной и той же скоростью можно передавать меньшее или большее количество пикселей или цветов, увеличивая или уменьшая соответственно частоту кадров. Для характеристики различных комбинаций этих параметров введено понятие версия или спецификация HDMI сигнала: 4.1, 2.0 или 2.1. Номер версии описывает диапазон скоростей сигнала, который может выдавать источник, а приемник принимать, и, соответствующее каждой скорости определенное количество пикселей при разных частотах смены кадров изображения и прочие параметры, описывающие звук, кодировку цвета и пр.  

Номер версии HDMI характеризует параметры цифрового сигнала, а не конструкцию HDMI кабеля как такового. Конструкция кабеля остается неизменной и не зависит от номера версии сигнала (вплоть до версии HDMI 2.1). Версия необходима для понимания совместимости источника и приёмника HDMI сигнала. 

Главное при выборе HDMI кабеля, это обратить внимание на толщину моножил его витых пар и качество экранирования. Чем толще жилы в кабеле, тем на большую длину он сможет передать сигнал. Это особенно важно понимать при выборе HDMI кабелей длиной более 4 метров. В любом случае, при закладке длинных кабелей следует проверить их пропускную способность на конкретной аппаратуре перед установкой. Максимальная длина медных кабелей может достигать 20 метров, а площадь сечения моножилы в витой паре может колебаться от 30AWG до 23AWG (от 0.05 до 0.25 мм.кв.). Для передачи HDMI  на более длинные расстояния применяются специальные усилители или активные оптоволоконные HDMI кабели. Длина кабеля в таком случае может достигать 200 метров.     

Назад