Что такое AWG (американская система маркирования толщины проводов) и какое это имеет значение? … а также когда это имеет значение и почему?

29.06.2016

Система оценки кабельных размеров немного сбивает с толку, и мы получаем много вопросов о них. Почему один акустический кабель 12 AWG выглядит меньше, чем другой? Является ли калибр кабеля хорошим индикатором качества кабеля? Что такое калибр кабеля, так или иначе, и когда и почему это важно? Давайте рассмотрим эти вопросы.

 

Что такое AWG (American Wire Gage)?

  Калибр кабеля является индексом, который показывает косвенно (обратно и логарифмически), площадь поперечного сечения круглой проволоки. В случае твердых проводников, измерение этой области довольно простое: область - это радиус проволоки в квадрате, умноженный на ∏ (число Пи). Ради простоты выражения, вместо меры часто используется "circular mil area(СМ)"(круговой мил) - один круговой мил, это площадь круга диаметром 1мм. (1/1000 дюйма), и круглой области миллиметра твердой проволоки, следовательно, диаметр провода, всегда измеряется в мм² (миллиметр в квадрате).

  Крученая проволока другое дело. Для любого заданного размера AWG, многожильный провод будет занимать больше места, чем одножильный, так как калибр кабеля измеряется путем суммирования площади поперечного сечения прядей. Поскольку существуют воздушные карманы между нитями, любая площадь поперечного сечения проволоки будет занимать более полное пространство в многожильных конфигурациях, чем это будет с твердой проволокой. Следовательно, когда мы говорим о диаметре по отношению к толщине проводов, нужно помнить, что диаметр будет меняться не только с толщиной кабеля, но и со скручиванием. В этой статье, когда мы говорим о относительных диаметрах, наши примеры для простоты даны на твердом проводе.

  Отношение толщины к размеру провода является для многих людей противоречащим здравому смыслу. Чем больше калибр, тем меньше жила кабеля. Более того, эта зависимость является не линейной, но логарифмической. Два провода калибра 16 AWG, взятых вместе, составляют жилы кабеля калибра 13 AWG. Если вы знакомы с децибелами (дБ), то будет здравый смысл. Если мы идем вверх или вниз 10 размером манометра, мы увеличиваем или уменьшаем площадь проводника с коэффициентом 10. Если мы идем вверх или вниз на 3 размера толщины, мы увеличиваем или уменьшаем площадь на коэффициент около 2. По некоторым причинам (мы на самом деле не знаем, почему) отношение не является точным, но оно достаточно близко, для большинства целей, к линейной логарифмической формуле. Например, 40 AWG одножильный провод имеет круговой мил, как указано в Национальном бюро стандартов 9,61; 30 AWG провод имеет 100,5 СМ, провод 20 AWG - 1020 СМ и 10 AWG - 10380 СМ.

  Кстати, важно помнить, что в AWG измеряется именно размер проволоки, а не размер провода с его изоляцией. В некоторых случаях, мы получаем звонок от партнера, который убежден, что наш акустический кабель 26 AWG не может быть 26 AWG, потому что он выглядит меньше, чем другой кабель 26 AWG, которым он пользуется. Многие акустические кабели покрыты очень толстой оболочкой из полупрозрачного ПВХ, которая не только делает общий профиль громоздким, но и дает эффект увеличительного стекла, в результате чего проволока выглядит немного больше, чем на самом деле.

Как калибр кабеля взаимодействует с электрическими свойствами провода?

  Наиболее значительное влияние калибр кабеля из электрических свойств оказывает на сопротивления провода. Любой материал провода (медь, сталь, алюминий, и так далее) имеет сопротивление, а сопротивление постоянному току обратно пропорционально площади круговой мил. Если наш провод из меди, то жила калибра 40 AWG, с 9.61 СМ, имеет сопротивление 1080 Ом на 1000 футов; 10 AWG, примерно с в 1000 раз большей площадью, имеет сопротивление только приблизительно в 1 Ом.

  Сопротивление является свойством проводника, который описывает, как ток, протекающий через проводник преобразуется в тепло. В проводнике с очень низким сопротивлением относительно мало энергии будет потеряно на тепло; с возрастанием сопротивления все больше и больше будет преобразовано в тепло. Как это влияет на электрические цепи зависит от типа схемы, однако, и мы немного затронем эту тему.

Но разве это не "Сопротивление постоянному току"? Не являются ли сигналы переменным током?

  Одно из наиболее распространенных заблуждений, с которым мы сталкиваемся, говоря о сопротивлении, это то, что сопротивление каким-то образом не имеет отношения к аудио- и видеосигналам, потому что эти сигналы переменного тока (AC), и сопротивление проволоки выражается как сопротивление постоянному току, который подразумевает, конечно, постоянный ток, а не переменный. Таким образом, большинство людей часто спрашивают, если сопротивление постоянному току, но сигнал переменного тока, то с каким сопротивлением мы можем иметь дело?

  Сопротивление действует на переменный ток и постоянный ток. Причина, по которой сопротивление обозначается на спецификациях как сопротивление постоянному току не в том, что сопротивление не применяется к сети переменного тока. Скорее всего, это из-за так называемого "скин-эффект"(поверхностный-эффект). Поскольку частота сигнала увеличивается, электрический ток в проводе концентрируется во внешнем направлении, или к "скин-эффекту" проводника. Это означает, что для любого провода, если измерить сопротивление на различных частотах, мы найдем, что сопротивление возрастает с увеличением частоты. Сопротивление выражается в спецификациях как "сопротивление постоянному току", так как величина сопротивления одного провода на постоянном токе может быть значительна по сравнению с сопротивлением любого другого провода на постоянном токе. В теории, если кто-то хочет сделать это, можно было бы указать сопротивление проводов на любой частоте; мы могли бы составить таблицы "сопротивления 1 МГц" вместо сопротивления постоянному току. Но этому не бывать, потому что:

1) не существует "справочника" частоты, который широко применим ко всем видам использования проволоки,

2) более трудно измерить сопротивление должным образом на более высоких частотах, так как трудно отделить потери других факторов, которые становятся актуальны с увеличением частоты: емкости, индуктивности и обратных потерь. Но не обольщайтесь: сопротивление преобразует электроэнергию в тепло в проводе, независимо от того, является ли ток постоянным или переменным. И, кстати: для многожильного провода, "скин-эффект" в этом случае по-прежнему вне пучка; это не "скин-эффект" каждой отдельной пряди, как часто предполагают люди.

           

AWG соотносится к сопротивлению. Что сопротивление значит для качества сигнала?

  Сопротивление имеет отношение к качеству сигнала? Что ж, это очень сильно зависит от использования кабеля. Принято считать, что AWG является хорошим индикатором качества кабеля, и это предположение восходит к самым ранним дням маркетинга акустических кабелей на вторичном рынке. Подача, с которой был запущен весь потребительский вторичный рынок кабельного бизнеса, по сути дела, "больший провод лучше." И, как мы видим, это, безусловно, верно для акустических кабелей (в определенных пределах), но не обязательно для другого использования.

  Перед тем, как углубиться в тему, пара предисловий. Во-первых, важно помнить, что нас интересует в первую очередь качество сигнала, а не амплитуда. Если потери в системе не зависят от частоты, то это все очень легко отрегулировать. Например, типичный канал ввода видеосигналов будет просто принимать слабые сигналы и усиливать их до стандартного уровня использования в дисплее. В таком случае, мы хотим быть уверены, что качество сигнала чистое, но это не имеет значения, - по крайней мере, это не имеет особого значения, в разумных пределах - является ли амплитуда сигнала высокой, или низкой.

  Во-вторых, чтобы понять следующее обсуждение, полезно знать немного о том, что называется законом Ома. Немецкий физик Георг Ом обнаружил простой принцип сопротивлений, который является фундаментальной идеей, лежащей в основе всякого рода электрических цепей. Если схема содержит ряд сопротивлений - то есть, если ток будет течь через один резистор, а затем через другой, а затем другой - энергия электрического потока будет поглощена этими резисторами пропорционально их сопротивлению (что, конечно же, мы измеряем в Омах, в честь работы Георга Ома). Вы также, вероятно, знакомы с другим использованием "Ом": импеданса. Импеданс представляет собой более сложное явление, чем сопротивление, и можно много говорить об этом; но для следующих примеров, мы можем рассматривать Ом импеданса равным Ом сопротивления, как если бы импеданс и сопротивление были тем же самым явлением.

  Таким образом, чтобы проиллюстрировать закон Ома, давайте рассмотрим схему акустической системы, и мы предположим, ради этого примера, что установщик решил использовать акустический кабель очень маленького размера. Каждый проводник этого кабеля имеет сопротивление 4 Ом, а динамик имеет сопротивление 8 Ом. Сигнал, поступающий от одного терминала громкоговорителя в другой будет проходить через сопротивление провода акустической системы в 4 Ом, через динамик в 8 Ом, а затем еще через 4 Ом сопротивления провода акустической системы. Что это значит? Общее сопротивление цепи составляет 16 Ом (для простоты, мы будем считать нулевой Ом "выходным сопротивлением", это не реально, но достаточно, чтобы проиллюстрировать здесь принципы работы). Таким образом, часть энергии сжигается в цепи, одна четверть (4 Ом из 16 Ом) сожжена на пути от «плюс» терминала на динамик; одна половина (8 Ом из 16 Ом) подается на динамик; и одна четверть сжигается на другой стороне кабеля колонки, между динамиком и "минус" клеммы усилителя.

  Очевидно, что очень много энергии сжигается в акустическом кабеле. В нашем обсуждении ниже мы объясним, почему это плохо (просто пустая трата электроэнергии). Но прежде чем говорить об этом, давайте представим себе другое приложение. Давайте предположим, что мы берем кабель с теми же свойствами сопротивления (4 Ом выход, 4 Ом вход) и подключим его к разъемам RCA, и используем его на линии уровня аналогового аудио соединения между источником сигнала (скажем, проигрыватель компакт-дисков) и усилителем. Вход схемы усилителя не будет иметь низкий импеданс как у динамика; 10000 Ом, а не 8 Ом, где-то в районе обычного значения. Теперь, когда мы подключим схему, что увидим? Общее сопротивление цепи 10,008 Ом. Из, энергии доставляемой от источника, 8/10008 от него … почти ничего … сгорает в кабеле, и 10000/10008 его доставляется к усилителю. Сопротивление, которое было чрезмерным в акустическом кабеле и потребляло половину энергии, подаваемого на цепь, незначительно в соединительных проводах.

  Урок в том, что одно приложение не похоже на другое. Калибр кабеля является критически важным, если вы поставляете энергию от гидроэлектростанции до города; это критически важно, если вы запускаете автомобильный стартер; это довольно важно, если вы запускаете динамик; и это практически незначительно, если вы соединяете несбалансированный звук линейного уровня. Так как здесь мы не очень заинтересованы гидростанцией и коробкой передач, давайте пройдем по списку обычных аудио и видео свойств и поговорим о том, как калибр кабеля соотносится к тому где мы их, применяем.

 

Схемы акустических систем:

  В акустическом кабеле, за исключением некоторых действительно странных методов производства, несомненно, самый важный аспект – калибр кабеля. Почему? Вернемся на пару пунктов выше к закону Ома. Хотя это крайний случай, но тем не менее, половина энергии усилителя сгорает в проводе акустической системы, а не доставляется к динамику. Можно было бы подумать, "какая разница? Система будет на несколько дБ тише, но в остальном будет звучать так же." Это было бы верно, но мы не рассматривали в нашем примере один фактор. Импеданс динамика может быть номинально 8 Ом, но в действительности это зависит от частоты, начиная с высокого на низких частотах и ​​уменьшаясь. Рассмотрим, что происходит на нашем примере закона Ома. Если на одной частоте импеданс действительно 6 Ом, а на другой 10, закон Ома распределит эти различные частоты в цепи по-разному. Если сопротивление динамика низкое, больше энергии поглощается кабелем; где сопротивление динамика высокое, больше энергии поступает на динамик. Результатом является то, что чрезмерное сопротивление в акустическом кабеле приведет к потере более высоких частот, чем низкочастотного сигнала; звучание системы будет отличаться от звучания системы с надлежащим размера кабеля.

 

Звуковые соединительные провода (межблочный кабель):

  Аудио взаимосвязь, как мы указали, как правило работает в цепях очень высокого импеданса. Следовательно, калибр кабеля не является действительно значимым фактором качества кабеля сама по себе. Тем не менее, калибр кабеля взаимодействует с качеством кабеля в переносном смысле - и в этом переносном смысле довольно парадоксально, что меньший, а не больший проводник является предпочтительным.

  В цепях с высоким импедансом емкость становится существенным фактором качества кабеля; емкость - тенденция кабеля хранить часть сигнала в себе и медленно сбрасывать, а не доставить его непосредственно к месту назначения. Емкость в кабеле с одним центральным проводником и внешним экраном, будет определяться внешним диаметром центрального проводника, внутренним диаметром экрана, а также типом материала (диэлектрика), отделяющего их. В несбалансированном аудио соединении существуют практические пределы того, что можно сделать, чтобы внутренний диаметр экрана (кабель должен быть такого размера, чтобы практически подключиться к RCA разъему), и к типам материалов, которые могут быть использованы в качестве диэлектрика, и поэтому лучше всего, на полях, уменьшить емкость, чтобы уменьшить AWG центрального проводника. Центральный проводник 25 AWG, который достаточно мал, оставаясь при этом достаточно большим, чтобы иметь хорошую гибкость (т.е., не ломаться, когда сгибается) и быть восприимчивым к твердому обжимному соединению. Порой люди спрашивают, почему AWG настолько мал, неустановленное предположение таково, что больший центральный проводник будет лучше; но даже в 15 метровой длине, сопротивление центрального проводника составляет всего 1,6 Ом, исчезающе малая величина по сравнению с типичной величиной несбалансированного сопротивления цепи аудиовхода.

 

Analog Video, Serial Digital Video и S/PDIF Digital Audio соединительные провода:

  Аналоговые схемы видео соединений, будут ли они радиочастотные, композитные, S-Video, компонентные или RGB, все они имеют импеданс цепи 75 Ом. Поскольку все эти сигналы действуют в радиочастотном диапазоне, скин-эффект увеличивает сопротивление используемых проводов,  а также потому, что длины кабеля часто бывает достаточно, чтобы сделать волновое сопротивление кабеля (которое связано с его сопротивлением - это функция емкости кабеля и индуктивности) значительным, самым важным аспектом конструкции кабеля, с точки зрения сохранения качества сигнала, является то, что кабель должен иметь волновое сопротивление 75 Ом во всем диапазоне частот использования.

  В длинных соединительных проводах, затухание, которое возникает в результате, среди прочего, сопротивления центрального проводника, в конечном счете станет достаточным, чтобы навредить качеству сигнала; но для трасс средней длины это редко имеет значение. Следовательно, калибр кабеля имеет некоторое значение для качества сигнала, но не является главным фактором. Как и с аналоговым звуком, однако, есть переносный смысл, в котором калибр кабеля имеет отношение к конструкции кабеля; Волновое сопротивление кабеля привязано к его индуктивности и емкости, и калибр кабеля влияет на них, так как центральный проводник должен быть в правильной пропорции к другим физическим размерам кабеля. Если мы возьмем 16 AWG проводник в центр кабеля RG-6, в который входит проводник 18 AWG, мы сделаем волновое сопротивление слишком низким; если мы коммутируем 20 AWG проводник в том же самом месте, волновое сопротивление будет слишком высоким. Итак, в то время как не может быть никакого сильного влияния на конкретный выбор толщины провода для большинства областей применения, тем не менее, важно, чтобы все внутренние размеры в кабеле были в правильных пропорциях друг к другу, и то что включает в себя толщину центрального проводника.

 

Параллельное цифровое видео (например, DVI и HDMI):

  Доминирующими потребительскими цифровыми форматами видео являются HDMI и DVI. В HDMI и DVI, цифровые сигналы работают на битрейтах, которые изменяются с разрешением, и которые могут работать достаточно быстро; В настоящее время, самое высокое разрешение HDMI в общем пользовании – 4К (3840×2160p / 60Гц), который включает пропускную способность сигнала до 18 Гбит/сек. На что влияет калибр кабеля в подобных приложениях?

  Как и в случае аналогового видео – а на самом деле, гораздо больше, так как из-за очень высоких задействованных частот - действительно важным атрибутом кабеля является его волновое сопротивление. Здесь мы имеем дело не с коаксиальным кабелем, а с витыми парами, где волновое сопротивление гораздо труднее контролировать, и оно склонно существенно изменяться от одного дюйма к другому.

  Использованные частоты оказывают интересное воздействие на значении калибра кабеля, для понимания нужно пространственное мышление. В битовом потоке 1.485 Гбит/сек наша основная частота обычно считается равной примерно половине битрейта, или 742,5 МГц, а также потому, что мы пытаемся передать некоторые гармоники этой основной частоты, чтобы наши разрядные края не округлялись слишком сильно, чтобы быть признанным приемной схемой, пропускная способность, необходимая для работы должна быть примерно в три раза больше, чем частота, или 2.2275 ГГц. Помните "скин-эффект"? Ну, идет ли речь о 742 МГц или 2,2 ГГц, скин-эффект на этих частотах имеет экстремальные значения. Там по существу, нет никакого сигнала, протекающего через середину проводника кабеля HDMI - все скользит по поверхности.

Значит, увеличение толщины провода уже не столь значительно, как это было бы при более низких частотах, так как увеличение площади поверхности проволоки пропорционально диаметру, а не квадрату диаметра. Давайте рассмотрим, скажем, разницу между 24 и кабелем 22 AWG. Если бы мы покупали 24 или 22 AWG кабель для сети постоянного тока и хотели бы знать, сколько мы потеряем при работе, нам была бы интересна в первую очередь область поперечного сечения. A 24 AWG кабель имеет круговой мил 404; 22 AWG провод имеет круговой мил 640,4. Так как сопротивление постоянному току обратно пропорционально этой области, то получается большая разница - сопротивление 22 AWG кабеля немного меньше, чем 2/3 сопротивления 24, для любого заданного расстояния.

  Но если мы смотрим на скин-эффект, картина меняется. Площадь поперечного сечения практически не имеет значения, потому что "глубина оболочки" близка к нулю. Вместо площади поперечного сечения, потери сопротивления будут обратно пропорциональны количеству меди, через которое сигнал на самом деле проходит - то есть, они будут обратно пропорциональны площади поверхности кабеля - или, говоря терминами поперечного сечения, его периметра. 24 AWG кабель имеет диаметр .0201 дюйма, и 22 AWG кабель имеет диаметр .0253 дюйма. Так как периметр - это произведение этих цифр на ∏, мы можем увидеть отношение периметров, не делая умножение. 22 AWG «больше», чем 24 на .0253/.0201 или коэффициент 1.259. Когда речь шла о площади поперечного сечения, а не периметре, отношение круговых милов было намного более крутым: 640,4/404, в результате чего 22 AWG "больше" на коэффициент 1,585. Вместо использования 22 AWG уменьшающего сопротивления примерно до 63% от сопротивления 24 AWG кабеля, как это происходит при постоянном токе, сопротивление падает только примерно до 80% от значения 24 AWG.

  Теперь, любое уменьшение сопротивления хорошо; тут дело в том, чтобы просто показать, что это не так хорошо, как можно было бы ожидать. Если все остальное было бы равно, можно было бы ожидать, что 22 AWG HDMI кабель будет полезнее на расстояниях около 20% больше, чем аналогичный 24 AWG кабель (это почти наверняка завышает преимущество, потому что, все остальное не равно. Большее расстояние покажет большие потери производительности от других факторов, включая емкость, перекрестные помехи, косые и возвратные потери).

  Факторы качества кабеля, которые действительно имеют значение в кабеле HDMI -  в первую очередь, контроль импеданса на парах TMDS (которые делают основную работу в кабеле HDMI), и смещение (разность фаз), что является разницей в электрической длине проводников и пар (под «электрической длиной" мы имеем в виду длину проволоки, измеренную временем, которое требуется импульсу, чтобы пройти по кабелю, это значение может отличаться от физической длины по ряду причин, большинство, но не все из которых связаны с контролем импеданса). Эти параметры, как известно, трудно контролировать, и они не имеют никакого отношения к толщине кабелей, за исключением тех случаев, когда легче контролировать пределы допуска в более крупных, чем в меньших кабелях. Таким образом, калибр кабеля что-то значит в кабеле HDMI; но это обычно не основной фактор измерения качества кабеля. Кабель с превосходящей возвратной потерей и смещением (разностью фаз) может легко превзойти больший кабель на расстоянии.

Вывод:

Калибр кабеля может быть значимым фактором качества кабеля; но так как это очень важно для некоторых областей применения, таких как провода акустической системы, умеренно значимо для других, как аналогового, так и цифрового видео, и практически не имеет значения для третьих, важно понять требования использования кабеля до вынесения решения о качестве кабеля на основе его толщины. Когда производители не публикуют подробные спецификации на продукты, вынесение суждения о качестве на основе ограниченной предоставленной спецификации может быть ошибкой, идет ли речь о толщине кабеля или о чем-то другом.

 

Vention, special for you!