Cavi Audio Analogici – III

Connettori e Connessioni Bilanciate

A parte i Jack TRS come visto nella parte 2 di questo argomento, i cavi, connettori e connessioni più utilizzati a livello professionale per portare segnali bilanciati sono gli XLR che ha differenza dei precedenti hanno la direzionalità, un connettore è generalmente utilizzato per le connessioni di uscita ( fig. 1 ) ed un connettore è generalmente utilizzato per le connessioni di ingresso ( fig. 2 ).

fig. 1 maschio fig. 2 femmina

Il cavo XLR è detto anche CANON dal nome del suo inventore, è detto anche cavo microfonico perchè fu inventato principalmente per il trasporto del segnale dei microfoni ( pochi millivolt ) su lunghe tratte.

La sezione delle anime interne portanti segnale dell’XLR come visto in argomentazione Cavi Audio Analogici – I  è generalmente inferiore a quella dei cavi Jack ( molto simile a quella del mini Jack ) in quanto che la bilanciatura consente di eliminare rumori ed interferenze elettromagnetiche caricate lungo il cavo permettendo di ridurne la sezione quindi anche costi e dimensioni.

Un’alternativa all’XLR è il mini XLR ( fig. 3 ) utilizzato per lo più per il trasporto del segnale bilanciato da microfoni di piccole dimensioni ( come possono essere i piezoelettrici e gli head set ) verso dispositivi con apposito ingresso mini XLR ( come possono essere campionatori, ricevitori in ear monitor e bodypack wireless ) o viceversa secondo il percorso di segnale ed eventuali adattatori utilizzati.

fig. 3 PSG02964_MINI.jpg

In figura 3 una chiara differenza tra le dimensioni di un XLR ed un mini XLR.

Ad oggi l’ XLR viene anche usato per trasportare segnali di linea a livello pro + 4dBu = 1,224 v, ( che è la differenza di potenziale tra la tensione sul conduttore di linea e la massa posta a 0 V) o livello pro a 0dBv = 0,770 V, come ad esempio l’uscita master left-right-mono, master aux, sub group out, matrix out, bus out di un mixer audio. Non esistono cavi XLR stereo, per tali trasporti se ne utilizzano una coppia ( caso a parte per la trasmissione dati AES/EBU in cui digitalmente e multiplexati possono essere trasmessi segnali stereo su di un connettore xlr ). Questi cavi, oltre ad avere una schermatura contro le interferenze elettrostatiche hanno anche un conduttore di ritorno che serve per bilanciare il segnale in modo da eliminare le interferenze elettromagnetiche esterne, in totale 3 conduttori.

Vediamo come:

Un connettore e connessione XLR bilanciata ha 3 pin o poli ( fig. 4 ), perché è formato da 3 cavi conduttori ( X = ground, generalmente di rame, L = line, generalmente di colore bianco in cui passa il segnale audio, R = return o red, per indicare che è generalmente di colore rosso, in cui passa il segnale audio invertito di fase utile come si vedrà per eliminare le interferenze ).

Fig. 4 connessioni

Quando si connettono i cavetti portanti di segnale ai terminali ( pin ), di cui come visto è composto il connettore, c’è una numerazione da seguire per rispettare il collegamento già presente nella connessione di ingresso o uscita in cui verrà alloggiato il connettore, cosi da far scorrere il segnale una volta data l’alimentazione ed evitare certi fenomeni che andremo ad analizzare.

1 = ground       2 = line       3 = return

A volte si può trovare invertito il 2 con il 3, ma non c è problema per il segnale audio, si incombe però in una inversione di fase, quindi fare attenzione soprattutto quando si miscelano più segnali.

L’importante è che comunque entrambi i conduttori siano cablati, in quanto il ritorno del segnale che nei cavi sbilanciati viene dato dalla massa, nei cavi bilanciati è dato dal pin 2 ( line ) per il segnale in fase e dal pin 3 ( return ) per il segnale in controfase. Se si prova a scollegare uno dei due pin, il segnale sparirà e farà la sua presenza solo il rumore di fondo. Mentre in questo caso se i rumori caricati dalla massa sono eccessivi e difficilmente attenuabili è possibile provare scollegando la massa. Scollegando la massa in una connessione bilanciata il segnale continua ad esserci ma bisogna però stare attenti che quelle interferenze caricate lungo il tragitto dalla massa invece che essere scaricate dai dispositivi ( in quanto abbiamo scaricato la massa ) a cui il cavo è collegato non vengano scaricate in altre direzioni. Un esempio classico è il prendere una leggera scossa toccando il microfono o lo strumento musicale se elettrico, il problema è la massa che probabilmente non è collegata, ha deformazioni interne lungo la tratta del cavo o non ha la giusta sezione per poter portare correttamente le interferenze verso la massa del dispositivo a cui è connesso.

Non variare la posizione della massa, altrimenti tutte le interferenze vanno sul segnale creando elevati rumori di fondo.

Esistono 2 metodologie di bilanciamento, modalità PASSIVA e modalità ATTIVA.

n.b. Non tutti i costruttori di connettori e/o dispositivi che presentano connessioni bilanciate utilizzano questo standard nell’associazione dei conduttori ai relativi pin di conduzione, per questo è sempre bene informarsi per non determinare controfasi o mal funzionamenti della linea audio ( soprattutto se si necessità del trasporto di phantom di alimentazione a + 48 V che se non opportunamente inviata al giusto pin può anche danneggiare eventuali dispositivi ad esso collegati ).

 

Modalità Passiva

Per realizzare una connessione bilanciata basta inviare il nostro segnale sbilanciato ( perchè in origine il segnale elettrico è sempre sbilanciato ) all’ingresso di un trasformatore a presa centrale, cosi che alla sua uscita ogni polarità del segnale sia essa positiva o negativa presenterà anche una polarità invertita sul pin di conduzione opposto ( nel caso dell’ xlr, pin 2 in fase e pin 3 in controfase ) ( fig. 5 ). L’uscita bilanciata dei microfoni dinamici è sempre realizzata passivamente attraverso il trasformatore, mentre in altri dispositivi come ad esempio l’uscita audio di microfoni a condensatore o di mixer audio di livello pro la si può trovare anche con componenti elettronici quali amplificatori che come vedremo definiscono un tipo di bilanciatura attiva, più qualitativa del trasformatore soprattutto nella linearità in frequenza e distorsione dell’onda ( anche se soprattutto nei microfoni con bilanciatura attiva viene spesso interposto prima dell’uscita un dispositivo trasformatore per prevenire sovraccarichi sul circuito “ punto debole del bilanciamento attivo “, e rendere maggiormente compatibile l’impedenza di uscita dello stesso microfono con quella di ingresso del pre-amplificatore microfonico interno al mixer audio o outboard, il quale a sua volta e per lo stesso motivo presenta quasi sempre un trasformatore ).

fig. 5 2015-12-26_22-40-45

Nei microfoni dinamici in particolare, si preferisce mantenere il loro timbro e la loro caratteristica, molto utile per la ripresa di alcuni strumenti, ed è per questo che la bilanciatura attiva non viene usata. Mentre in quelli a condensatore, come poi si vedrà quando si parlerà di microfoni, essendoci già un amplificatore al loro interno, utile per aumentare il basso voltaggio di uscita e non solo, può essere sfruttato per bilanciare anche il segnale senza l’introduzione di un ulteriore componente, per lo più non lineari come il trasformatore.

Quando entrambi i segnali ( quello in fase e quello in controfase ) ad esempio in uscita da un microfono, arrivano alla connessione di ingresso (es. ingresso microfonico del mixer audio ), lo stesso dispositivo presenterà se analogico, il processo inverso, e quindi un trasformatore a presa centrale inverso ( fig. 5 ).

A questo punto, il segnale in controfase verrà invertito di polarità ( messo in fase ) e miscelato con quello già precedentemente in fase cosi da riottenere il segnale originario ( all’interno delle apparecchiature analogiche o digitali il lavoro sul segnale elettrico è sempre a livello sbilanciato ). Da queste somme, tutte le interferenze magnetiche che hanno attraversato il cavo saranno annullate perché il segnale tornerà in fase, mentre le interferenze andranno in controfase e si annulleranno.

Dividendo la tensione in uscita da un dispositivo bilanciato, si avrà un dimezzamento della tensione ( quindi 6 dB di perdita ), mentre quando si rimette tutto in fase, la tensione risultante sarà quella di partenza ( 6 dB di guadagno ).

n.b.: Se si va a sbilanciare un segnale bilanciato e si aumenta il livello di guadagno di 6 dB non si avrà il segnale originale in quanto che le interferenze elettromagnetiche caricate lungo il tragitto saranno ben presenti ed amplificate a loro volta in quanto non sono state annullate.

Se si vuole sbilanciare un segnale bilanciato, perchè il circuito funzioni sarà necessario connettere a massa uno dei due cavi portanti segnale ( generalmente il 3, in modo da ritrovarci il segnale in fase del pin 2 ).

La rappresentazione grafica in figura 4 è puramente indicativa per la comprensione del funzionamento, nella realtà il circuito è molto più completo di componenti elettrici ed elettronici. Il principio della bilanciatura vale sia per i segnali microfonici che di linea, mentre per i segnali di potenza non si bilancia mai, sia perchè il segnale ha alti valori di tensione e quindi risente meno delle interferenze esterne sia per prevenire forti fenomeni di auto induzione e capacitivi.

Vediamo nel dettaglio il funzionamento di una bilanciatura passiva:

L’uscita del segnale ( sbilanciato in natura ) dal generatore entra nel trasformatore a presa centrale in cui ne viene creata una copia in controfase, per cui in uscita dal trasformatore avremo 2 cavi in cui un segnale circola in un senso ed uno in un altro su conduttori differenti. Quando tali segnali arrivano al trasformatore a presa centrale della connessione di ingresso, essi saranno prelevati e quello in controfase sarà riportato in fase e sommato a quello già in fase, cosi da compensare l’attenuazione di 6 dB dal dimezzamento della tensione come visto prima, ed eliminando le interferenze caricate durante il percorso del segnale, in quanto esse, non subendo dell’azione del trasformatore, verranno sempre caricate in fase e poi sommate invertite di fase. Il terzo conduttore è la massa, utile per scaricare le interferenze elettrostatiche generate e caricate dal trasformatore, generatore, e i cavi stessi alla quale come sappiamo vi è collegato lo schermo che avvolge le anime di conduzione come ulteriore protezione contro le interferenze magnetiche.

In figura 6 una rappresentazione grafica della bilanciatura passiva.

Fig. 6 2017-04-29_20-23-19

n.b. Se lo schermo si scollega dalla massa è molto probabile che le interferenze da lui caricate si trasferiscano sul segnale, è bene quindi controllare periodicamente lo stato dei cavi.

Come visto nelle connessioni bilanciate il ritorno del segnale non è dato dalla massa come nelle connessioni sbilanciate, ma dal return o pin 3.

Non è un caso, ma tale circuito è stato appositamente costruito e pensato in questo modo, tale per cui è possibile quando vi siano forti interferenze elettrostatiche caricate dalla massa che creano disturbi sul segnale, distaccarla. È bene distaccarne sempre e solo una, da un lato o dall’altro dei due connettori che fanno capo al cavo, facendo valutazioni oggettive, come quelle che si vedranno in questo argomento quando si parlerà di Ground Loop. Generalmente è sempre quella in cui il dispositivo con la sua connessione di ingresso o uscita, presenta in aggiunta alla massa del conduttore anche quella di terra propria.

La presenza del trasformatore è un punto critico di questo circuito, ma che, grazie alla forte riduzione dei rumori esterni e al buon mantenimento della risposta in frequenza e dinamica per lunghe tratte di cavo, gli consentono di padroneggiare come standard di utilizzo nelle connessioni audio professionali.

Il punto critico dei trasformatori sta principalmente nel fatto di generare rumore di fondo e dare distorsione nella risposta in frequenza, soprattutto sulle alte, per forti sbalzi di tensione anche sulla basse ( e anche il peso ). Ottimi trasformatori che consentono di minimizzare questi fattori di distorsione sono anche molto costosi. Il trasformatore ha impedenze di ingresso elevate e questo insieme all’impedenza complessiva del conduttore favorisce l’insorgere dei problemi visti precedentemente, quali reattanze capacitive e induttive. Trasformatori con rapporti di spire variabili, sono fonte di maggiore disturbi rispetto a quelli unitari.

Il cavo bilanciato è un tipo di connessione che può compiere lunghe distanze, anche decine di metri, senza perdere la qualità del proprio segnale. Le connessioni moderne professionali non utilizzano più una bilanciatura cablata fisicamente ( passiva ), ma elettronicamente ( attiva ).

Il conduttore di Return poi, è utilizzato anche per inviare la Phantom a + 48 V o tensioni analoghe come + 24, + 12 V in alcuni casi, dal mixer o generatori di phantom verso i dispositivi che necessitano di alimentazione per i propri componenti di amplificazione ( come D.I.Box, microfoni a condensatore e altri sistemi attivi ). Questo non comporta variazioni nel segnale audio che passa sullo stesso conduttore in quanto è una corrente continua di senso circolante opposto.

n.b. Se la phantom non arriva è probabile che anche il cavo non funzioni, potrebbe essere che il cavo sia scollegato al pin 2 o che il segnale si sia sbilanciato ( cavo di return fa contatto con la massa ), o che sia scollegata la massa in quanto che è il pin 1 che viene usato per il suo ritorno ( da qui si capisce come in caso di invio phantom è fondamentale che la massa sia collegata ).

 

Considerazione sui trasformatori ( fig. 7 )

fig. 7 2015-12-26_23-31-11

Come si vede dalla figura 7 un trasformatore ( generico ) presenta un circuito di ingresso detto primario ed uno di uscita detto secondario, il numero di spire determina l’impedenza di ingresso e di uscita e quindi anche il valore ( tensione ) che avrà il segnale. Se le spire del primario sono uguali a quelle del secondario allora si dice che il trasformatore ha un rapporto 1 : 1 cio’è la tensione che entra è uguale a quella che esce ( generalmente gli adattatori Jack-XLR hanno questo tipo di trasformatori in quanto il loro principale obbiettivo è quello di bilanciare un segnale e non di amplificarlo o attenuarlo ).

n.b. Un trasformatore è utile anche contro eventuali interferenze in corrente continua in quanto esso non lascia passare questo tipo di corrente ( quando si hanno strumenti con forti rumori di interferenza spesso lungo il segnale si interpone una D.I. Box passiva che presenta un trasformatore ed aiuta a ridurne il rumore ).

In un trasformatore il rapporto delle spire non deve necessariamente essere 1 : 1, in quanto tale valore dipende fortemente da ciò che si vuole ottenere e dal tipo di timbro che si vuole sentire ( in quanto variando le spire varia anche la dinamica e risposta in frequenza ). Vi sono comunque regole da seguire in relazione anche a ciò che è la differenza tra l’impedenza di uscita ( esempio un microfono ) e quella di ingresso ( esempio un pre-amplificatore microfonico ) per non sovradimensionare o sottodimensionare il circuito ( se out > in il segnale faticherebbe a muoversi ed essere correttamente trasferito al processo di amplificazione generando forti rumori di fondo ed interferenze, se out < troppo di in, il segnale viaggerebbe troppo velocemente creando alterazioni della risposta, per il migliore trasferimento del segnale è considerato un buon compromesso avere rapporti di trasformazione da 1 : 10 a 1 : 20 ).

n.b. Se una linea microfonica trova all’ingresso una batteria di valvole può essere di aiuto interporre prima un trasformatore che alzi l’impedenza di carico in quanto l’impedenza di ingresso delle valvole è molto elevata ( anche nell’ordine dei M Ohm ). In una linea attiva, costruita come vedremo con l’ausilio di amplificatori e circuiti integrati, il rapporto tra le impedenze in/out può essere molto più basso in quanto l’amplificatore soffre meno della dissipazione energetica e dei problemi visti per il trasformatore, ma a differenza di esso ha maggiori problemi nel processo di bilanciamento del segnale.

Va comunque detto che, un collegamento tra trasformatori a rapporto variabile ( differente tra uscita e ingresso ), porta all’incremento dei problemi di simmetria, causati dalla diversa impedenza tra i dispositivi, porta anche all’insorgere di maggiori effetti capacitivi lungo il conduttore e differenze di potenziale sulle masse dei due trasformatori con conseguenti disturbi sul segnale, per cui più il rapporto tra i trasformatori è elevato e tanto più di qualità dovranno essere i trasformatori.

Un altro problema non trascurabile, è la frequenza di risonanza del trasformatore in quanto è un induttore passivo. In fase di progetto, tale frequenza è bene che sia la più alta possibile, generalmente può arrivare a 100 Khz – 200 Khz, tale che possa consentire un corretto carico applicato senza danneggiare la utile banda audio ( 20 – 20.000 hz ). Ciò è raggiungibile riducendo il numero di spire utilizzate, la loro sezione e interagendo con i valori del campo magnetico. Per fare un’esempio, se al trasformatore di ingresso avente una frequenza di risonanza a 200 Khz applichiamo un carico ( colleghiamo l’uscita di un dispositivo con l’ingresso di un altro ) con molta più bassa impedenza, la risposta in frequenza risultante in uscita sarà facilmente filtrata ( passa – basso ), ad esempio con frequenza di taglio a 10 Khz, questo perché come detto, l’alta impedenza di ingresso fatica a far passare la più veloce tensione di uscita a bassa impedenza e tanto più è alta la frequenza di risonanza del trasformatore in cui entra il segnale e tanto più alta sarà la frequenza di taglio. I 200 Khz, sono comunque considerati un limite come rapporto tra qualità, quindi disturbi in alta frequenza caricati, e quantità, quindi banda audio utile con le variazioni di carico applicate.

Nel caso in cui l’impedenza di uscita sia molto maggiore, succede proprio il contrario, e quindi un filtraggio passa-alto, problema molto più grave, in quanto si trova subito in banda audio e non è compensabile con la frequenza di risonanza se non con particolari circuiti contro reazionati che tendono a ri-stabilizzare l’impedenza. Se i due carichi si approssimano la frequenza di risonanza viene compensata adeguatamente e si ottiene cosi una banda passante molto più estesa, ma come visto precedentemente non è utile al prelievo del segnale per poterlo amplificare correttamente. È fondamentalmente per questo motivo, che quando si ha un circuito di pre-amplificazione con trasformatore passivo si utilizzi inserire un filtro passa-basso, per eliminare eventuali interferenze di ordine superiore sui 200 Khz ( banda utile per una buona qualità audio ), cosi che in caso di carico mal adeguato, esempio basso valore, il filtraggio passa – basso visto prima risulti più limitato. L’ideale, se pur poco utilizzato ad oggi per questioni qualitative sarebbe l’utilizzo di un dispositivo che consenta di variare l’impedenza.

Il metodo passivo, nonostante le distorsioni e i rumori generati, consente a differenza di alcune modalità attive di ottenere il 100 % di rendimento, e quindi eliminare le interferenze esterne completamente.

Un segnale bilanciato passivamente può essere facilmente sbilanciato per il trasferimento di carico su connessioni sbilanciate. Di contro vi è il fatto di ottenere due impedenze differenti tra quello di uscita e quello di ingresso che possono generare un non corretto trasferimento di carico e differenze di potenziale lungo il circuito generando i soliti disturbi sul segnale. Il vantaggio nell’utilizzo di una bilanciatura con trasformatore è la possibilità di sconnettere la massa anche quando il segnale bilanciato viene collegato ad un ingresso sbilanciato, cosa che come abbiamo visto in un segnale puramente sbilanciato non può essere fatta e come vedremo nemmeno su di un segnale bilanciato attivamente anche se attiva è la sola bilanciatura di ingresso o di uscita.

Di seguito vediamo 2 modalità di circuito passivo con uscita bilanciata ed ingresso sbilanciato ( fig. 8 – fig. 9 ), di cui la prima utile a risolvere il problema del disturbo caricato sulla massa potendola cosi disconnettere.

fig. 82015-12-27_14-18-06

In questo caso ( fig. 8 ) la massa può essere sconnessa in quanto il ritorno del segnale avviene comunque per il conduttore adibito al trasporto del segnale in controfase come da segnale bilanciato. Si riescono comunque ad eliminare i disturbi in bassa frequenza in quanto parte di essi riescono ad essere scaricati a massa, mentre sempre presenti in alta per le differenze di impedenza tra i due circuiti e per lo sbilanciamento del segnale. Le correnti indotte per differenza di potenziale tra uscita e ingresso date le diverse impedenze possono creare sovracorrenti che qualora caricate dallo schermo verrebbero sbilanciate sui due conduttori e quindi sommate al segnale con meno intensità che nel prossimo caso.

fig. 9 2015-12-27_14-21-31

In questo circuito invece ( fig. 9 ), il cavo adibito al ritorno non viene portato verso la connessione sbilanciata ma viene posto a massa subito dopo la bilanciatura, per cui la massa non può essere disconnessa in quanto il ritorno del segnale avviene proprio su di essa. E quindi, tutte le interferenze caricate arriveranno allo stadio di ingresso. Per quanto riguarda le sovracorrenti caricate dallo schermo andrebbero anch’esse sommate al segnale con maggiore intensità in quanto caricate solamente dall’unico conduttore portante segnale.

È quindi utile qualora si necessiti di sbilanciare un segnale bilanciato passivamente, di porre a massa sempre la connessione verso il circuito sbilanciato portando entrambi i connettori ( line – return ) da monte a valle.

n.b. Alcuni connettori hanno il pin 1 ( massa ) leggermente più lungo rispetto al 2 e 3 in cui circola segnale, questo per consentire di collegare e scollegare il cavo anche con le apparecchiature accese, senza che via si crei una sovra tensione sul circuito ( il ciocco che si sente ) con conseguente possibilità di danneggiare l’apparecchatura stessa. Questo avviene perchè al momento dell’inserimento il primo cavo che si connette è la massa e poi i due segnali ( fig. 10 ).

Fig. 10 2017-05-16_12-13-40.png

n.b. Il cavo XLR ha comunque il pregio rispetto al Jack ed altri connettori che vedremo più avanti, di non creare ronze e scoppietti quando connesso ad apparecchiatura accesa, se non minimi per i ritorni di corrente, e comunque sempre consigliato effettuare collegamenti ad apparecchiatura spenta. Questo perchè il tipo di connessione obbliga l’innesto simultaneo di tutti e 3 i poli.

 

Altro sui Cavi Audio Analogici:

Cavi Audio Analogici – I ( Caratteristiche Tecniche, Schermatura, Ambienti di Utilizzo )

Cavi Audio Analogici – II ( Tipologie di Connettori e Connessioni, Connettori e Connessioni Sbilanciate )

Cavi Audio Analogici – IV ( Bilanciatura Attiva )

Cavi Audio Analogici – V ( Differenze tra Jack e XLR, Bantam, Speakon, Powercon )

Cavi Audio Analogici – VI ( RCA, MiniJack, BNC, Midi, Starquad, Edac, D-Sub, Socapex, Euroblock, Tipologie di Adattatori )

Cavi Audio Analogici – VII ( Tipologie di Connessione, Ground Loop, Saldare un Cavo, Inquinamento Acustico )

 

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