Tipos de alambre

La forma más simple de alambre es un conductor de cobre único sin aislamiento. El cobre se empaña rápidamente, por lo que el alambre de cobre estañado (TCW) está comúnmente disponible en varios calibres (diámetros) y se usa a menudo para barras colectoras de tierra.

El siguiente paso es aislar el alambre, tal vez con esmalte de poliuretano. El alambre de cobre esmaltado (ECW) se usa comúnmente para enrollar transformadores y electroimanes, de ahí su otro nombre, alambre magnético. El esmalte se debe quitar antes de soldar, ya sea por abrasión o quemándolo con una plancha mucho más caliente (450°C, 850°F), aquí es donde un soldador controlado electrónicamente se vuelve útil. Aunque es adecuado para cableado que no se puede mover, ese esmalte delgado no es lo suficientemente robusto para uso general, y un aislante más adecuado para cableado general es una funda de plástico, generalmente PVC.

El cable de cobre sólido no es muy flexible, lo que es una ventaja al torcer el cableado del calentador porque retiene el giro aplicado, pero no es tan bueno para el cable de una herramienta manual como un soldador. Romper el conductor en una serie de hilos finos aumenta la flexibilidad: cuantos más hilos, mejor, por lo que los fabricantes a menudo describen el cable trenzado por el número de hilos y su calibre individual, tal vez 10/0, 1 mm para denotar diez hilos cada uno de 0,1 mm de diámetro, o 7/32 AWG para denotar siete hilos cada uno de los 32 Calibre americano de alambre (AWG). Por lo general, el parámetro más importante es la capacidad de carga de corriente del cable y esto se determina principalmente por su área de sección transversal total, por lo que el cable anterior de 10/0, 1 mm también se puede especificar como 0.079 mm2 y apto para corrientes de hasta 500 mA. Un parámetro secundario es la clasificación de voltaje del aislamiento de cierre, y esto debe verificarse para cables muy finos o altos voltajes.

Aunque un solo conductor es útil como cable de conexión para el cableado interno, a menudo necesitamos más conductores, y una colección de conductores aislados dentro de una envoltura común se conoce como cable multinúcleo (bastante distinto de un cable de múltiples hilos).

Un cable que solía verse comúnmente en bobinas de radiofrecuencia es Litzendraht (generalmente abreviado como Litz). El cable se compone de una serie de hilos aislados, todos los cuales están conectados entre sí en cada extremo, formando un solo conductor (por lo que se considera que es alambre, en lugar de cable). La importancia de aislar (o servir) hilos individuales es que el efecto piel fuerza las corrientes de señal a la superficie exterior a altas frecuencias, por lo que el aumento de la superficie del cable Litz reduce la resistencia de alta frecuencia (>100 kHz) y, por lo tanto, las pérdidas. La idea se resucita periódicamente para el audio, pero la única señal de audio remotamente sensible a la resistencia del cable es la que se encuentra entre el altavoz y su amplificador, sin embargo, la mayoría de los tweeters son inductivos a menos que se corrijan y tienen una impedancia de >10 Ω a 20 kHz, por lo que el efecto de piel necesitaría causar un aumento de la resistencia del cable de alta frecuencia en >1 Ω para causar un cambio de nivel de 1 dB, y eso simplemente no sucede en las frecuencias de audio. La mejor manera de mejorar un cable de altavoz es acortarlo.

Los cables que transportan señales de bajo nivel deben estar protegidos de señales de interferencia externas. Torcer firmemente las patas de envío y retorno de una señal proporciona protección contra los campos magnéticos, mientras que agregar una pantalla conductora coaxial conectada a tierra protege el conductor interno de los campos electrostáticos. No hay nada que nos impida combinar las dos técnicas, por lo que el par trenzado en la pantalla general es común para los cables de micrófono.

La pantalla conductora de un cable coaxial se puede formar simplemente envolviendo hilos de alambre sin aislar alrededor de un interior aislado, pero doblar dicho cable hace que los hilos exteriores se separen, permitiendo la entrada de interferencias, por lo que una mejor solución es trenzar los hilos exteriores. El cable de televisión terrestre doméstico barato tiene una trenza muy abierta, lo que hace que el cable sea casi tan efectivo (pero mal sintonizado) como la matriz dipolar intencional en su extremo. El cable de video coaxial de calidad Broadcast tiene dos capas de trenza ajustada para minimizar la entrada de interferencias, pero esto es costoso, por lo que una solución más barata utiliza una sola pantalla trenzada sobre una pantalla lapeada de lámina metálica o poliéster aluminizado.

El cable coaxial está casi invariablemente destinado al uso de radiofrecuencia y el parámetro clave tiende a ser la impedancia característica en lugar de la capacidad de carga de corriente. La impedancia característica es la impedancia que se ve entre los dos conductores mirando a cada extremo de un cable de longitud infinita. Imagine que tiene una longitud infinita de cable coaxial de impedancia característica de 50 Ω y corta un metro de un extremo. Ahora tiene una longitud infinita de cable y una longitud de cable de un metro. Por definición, la longitud infinita todavía debe parecerse a 50 Ω, pero la longitud de un metro también se parece a 50 Ω cuando termina con la longitud infinita, y no se vería diferente si la terminamos con una resistencia de 50 Ω entre los dos conductores. Por simetría, la longitud infinita del cable parece una resistencia de 50 Ω desde cada extremo, por lo que la longitud de un metro del cable debe terminarse con una resistencia de 50 Ω en cada extremo para mantener su impedancia característica.

Una vez que un cable es lo suficientemente largo como para que se produzcan múltiples longitudes de onda de señal a lo largo del cable, se comporta como una línea de transmisión, y siempre que esté terminado en cada extremo por una resistencia igual a su impedancia característica, una señal propagada desde un extremo se absorbe totalmente en el extremo lejano sin reflejos. La terminación errónea en el extremo lejano hace que una sola reflexión regrese por el cable a la fuente, donde es totalmente absorbida por la impedancia emparejada de la fuente. Sin embargo, si la resistencia de la fuente tampoco coincide con la impedancia característica del cable, el reflejo se refleja de vuelta desde la fuente y rebota hacia atrás y hacia adelante por el cable hasta que es absorbido por las pérdidas del cable. El efecto en la televisión analógica era causar una imagen fantasma ligeramente a la derecha de la imagen original.

Los reflejos se suman o restan a la señal deseada, pero son imperceptibles siempre que el cable sea corto en comparación con las transiciones de la señal, y es por eso que las definiciones de línea de transmisión generalmente se expresan en términos de longitud de onda y longitud del cable. Sin embargo, las señales viajan más lentamente por un cable que el espacio libre, por lo que los fabricantes generalmente especifican el factor de velocidad, que es la proporción de la velocidad de la luz (c). Los cables coaxiales típicos tienen un factor de velocidad de ≈⅔c.

Recordando que todos los condensadores sufren una pérdida dieléctrica creciente con la frecuencia, los cables coaxiales de radiofrecuencia requieren un aislante sólido de buena calidad, como PTFE, o el uso cuidadoso de un aislante menor. El PTFE debe extruirse a una temperatura lo suficientemente alta como para oxidar el cobre y fundir la soldadura, por lo que el conductor interno está plateado en lugar de estañado (nada que ver con el efecto de la piel). Después de un vacío, el aire es el mejor dieléctrico, por lo que algunos cables de radiofrecuencia minimizan el efecto de un dieléctrico de peor calidad entre el núcleo y el conductor exterior al espumarlo o colocarlo en radios de soporte radiales delgados que reducen el valor promedio de er. El cable coaxial de aislamiento sólido típico de 50 Ω tiene una capacitancia de ≈100 pF/m, o ≈30 pF por pie, y esto se vuelve significativo en frecuencias de audio si la resistencia de la fuente es significativa (≥1 kΩ) o el cable es largo (≥2 m).

Debido a que una sonda de osciloscopio pasa corriente insignificante a la impedancia de entrada de 1 MΩ//≈12 pF de un osciloscopio, la resistencia en serie no es un problema y el cable coaxial de la sonda puede tener un diámetro conductor central mucho más pequeño, lo que reduce significativamente la capacitancia por unidad de longitud.

Un subproducto útil de la necesidad de un dieléctrico grueso (en comparación con un condensador explícito) es que los cables coaxiales de radiofrecuencia tienden a tener >clasificaciones de voltaje de CC de 2 kV entre el núcleo y la pantalla. Por lo tanto, cuando haya robado la pantalla de trenzado para hacer un cable umbilical o de audio personalizado, no deseche el interior (aislado), ya que es un cable de alto voltaje útil.

Todo el cable tiene un radio de curvatura mínimo, y doblar un cable coaxial tan firmemente que el aislante interno comienza a colapsar cambia la impedancia característica, lo que resulta en una reflexión desde ese punto, lo que es un problema para el audio digital. Lo que es más importante para las válvulas, la deformación del aislador concentra la carga y reduce el voltaje nominal local, por lo que debe tratar los cables con cuidado y no doblarlos firmemente. El cable de red es suministrado por su fabricante enrollado suavemente en un tambor, sin embargo, muchos equipos llegan con un cable de red IEC con forma de ojo apretada, cuyas torceduras son casi imposibles de quitar. ¿Por qué?

No hay nada que nos impida agrupar varios cables coaxiales o pares trenzados en una sola funda. Una vez que los pares trenzados se agrupan, pueden interferir entre sí, por lo que se pueden apantallar individualmente, o agregar una sola pantalla general debajo de la funda exterior, y los catálogos de componentes están llenos de tales cables y conectores asociados. Como ejemplo extremo, la antigua cámara de televisión en color EMI 2001/1 necesitaba diez cables coaxiales para señales de vídeo analógicas entre el cabezal de la cámara y la unidad de control de la cámara, además de más cables para señales de control y alimentación, que conducían al cable de cámara G101 (101 conductores).

Los cables multinúcleo personalizados son costosos de fabricar y terminar, por lo que la solución de cámara de televisión posterior fue modular todas las señales en portadores de radiofrecuencia y mover la fuente de alimentación al cabezal de la cámara. El cable de señal necesitaba ser una línea de transmisión coaxial que pudiera transportar señales más alimentación de red entre su núcleo y la pantalla, por lo que (por seguridad) se colocó otra pantalla conectada a tierra alrededor (pero aislada) del conductor neutro, lo que resultó en un cable triaxial. Aunque la electrónica adicional necesaria para la multiplexación de señales era costosa, fue superada por el ahorro de costos de cable cuando se necesitaban millas de cable, como en transmisiones externas.

Los cables y conectores triaxiales también se utilizan en la entrada de los electrómetros (amperímetros cuyo rango más alto es de solo 20 mA) porque arrancar la pantalla interna a través de un seguidor de voltaje de la señal reduce las corrientes de fuga del cable mientras se deja que la pantalla exterior realice su función de detección tradicional. En teoría, arrancar la pantalla interna de un cable triaxial podría reducir la capacitancia del cable lo suficiente como para conectar una cápsula de micrófono de condensador a su amplificador de entrada, pero invariablemente es mejor resolver el problema de capacitancia moviendo el amplificador de entrada adyacente a la fuente. El autor aún no ha encontrado una aplicación de audio genuina para cable triaxial.

Aunque el cable umbilical fabricado comercialmente se vuelve rápidamente costoso, los cables cortos personalizados se fabrican fácilmente agrupando cables individuales o cables dentro de una funda común, y la trenza de nailon para precisamente este propósito está fácilmente disponible. Si quisiéramos, podríamos agregar una pantalla trenzada tomada de un cable de video, lo que permitiría la construcción de un cable umbilical compuesto de cables retorcidos de gran calibre para suministros de calefacción en su propia pantalla, cables de control finos, cables de señal apantallados, además de una pantalla exterior y, finalmente, una trenza de nylon de retención y aislamiento. La trenza aislante es necesaria porque si se permite que una pantalla conductora raspe a través de la carpintería metálica a tierra, crea crujidos de audio a medida que se crean y rompen corrientes de tierra sustanciales.