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Tutto ciò che serve sapere per cablare la rete elettrica di uno studio evitando spiacevoli sorprese rumorose e proteggendo i preziosi e costosi strumenti di lavoro.

Ronzii, fruscii e disturbi vari. L’evoluzione tecnologica ha reso le apparecchiature elettroniche sempre più sensibili ai disturbi di rete a causa della continua miniaturizzazione dei circuiti o delle tecnologie adottate. Inoltre l’interconnessione e la complessità delle reti di distribuzione elettrica e di telecomunicazione sono in continua crescita: viviamo in un’intricatissima rete elettrica che causa il propagarsi delle scariche anche a chilometri di distanza, in modo difficilmente prevedibile.

fig1Cenni di elettromagnetismo

L’esistenza della carica elettrica è esperienza comune: è capitato a tutti di vedere un fulmine o prendere una scossa toccando la carrozzeria dell’auto in una giornata ventosa. La forza attrattiva o repulsiva tra due cariche elettriche (cariche uguali si respingono, cariche opposte si attraggono) è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. Ciò sarà molto importante più avanti quando cercheremo di risolvere alcuni problemi comuni. Una carica elettrica ferma provoca una perturbazione dello spazio circostante, chiamata campo elettrostatico (Fig.1): se avvicino alla carica ferma una carica di prova, questa sente la sua presenza (Fig.2). Se le cariche elettriche non sono ferme, ma in movimento, si ha la corrente elettrica, che tutti noi utilizziamo quotidianamente.Fig.2

La corrente elettrica è caratterizzata da un’intensità che si misura in ampère (simbolo A) e da una differenza di potenziale (comunemente nota anche come tensione) che si misura in volt (V). Nelle nostre abitazioni viene fornita una corrente alternata sinusoidale a 50 Hz di 220 V ed è convertita in corrente continua dai trasformatori dei nostri apparecchi elettrici. Un altro tipo di campo ben noto è il campo magnetico, generato per esempio da una calamita, che si esplica con forze attrattive nei confronti dei materiali ferrosi o con forze attrattive/repulsive verso altri magneti. Campi elettrici e magnetici sono in realtà due manifestazioni del medesimo fenomeno: l’elettromagnetismo. Infatti un filo conduttore (un comune cavo di segnale o di alimentazione) percorso da corrente elettrica genera nello spazio circostante un campo magnetico e viceversa, un magnete esercita delle forze su un circuito percorso da corrente (Fig.3).Fig.3Un altro fenomeno importantissimo per comprendere i problemi di interferenza tra apparecchiature elettroniche è che il campo magnetico variabile nel tempo genera in un conduttore elettrico fermo, posto nelle vicinanze, una corrente elettrica. Tale corrente è detta corrente indotta e il fenomeno è quello dell’induzione elettromagnetica. In parole semplici un comune trasformatore genera un campo magnetico capace di introdurre disturbi in un cavo di segnale che vi passa vicino.

L’onda elettromagnetica

Se si produce una variazione di un campo elettrico o magnetico, eventualmente periodica come nel caso della corrente di rete, si origina di conseguenza la propagazione di una successione di impulsi elettromagnetici, cioè un’onda elettromagnetica (Fig. 4). Campo elettrico e campo magnetico risultano essere perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda elettromagnetica. Sotto è possibile vedere un’animazione per comprenderne meglio il funzionamento.

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Fig. 4 – Onda elettromagnetica (clicca per l’animazione): è visibile la direzione di propagazione dell’onda, in rosso il campo elettrico ed in blu quello magnetico. La distanza tra due massimi è detta λ (lambda) ed è in funzione della frequenza (50 Hz in Italia). – Fonte wikimedia
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Fig.5 Misuratore di campi elettromagnetici in bassa frequenza

L’unità di misura del campo magnetico è il Gauss (G) o il Tesla (T) e vale la relazione 1G = 10-4T. Esistono in commercio apparecchi capaci di rilevare l’intensità dei campi magnetici statici e variabili, molto utili per rilevare e misurare i campi generati nel nostro studio (Fig.5). Le onde, sebbene non coinvolgano lo spostamento di materia, trasportano energia e quindi potenza. In particolare, alle onde elettromagnetiche è associata una densità di potenza data dal prodotto del campo elettrico E per il campo magnetico H e si esprime in watt/m2. L’intensità del campo magnetico decade molto rapidamente. In termini matematici: l’intensità è inversamente proporzionale al cubo della distanza. In pratica significa che se a un metro di distanza dalla sorgente l’intensità vale 1 Gauss, raddoppiando la distanza l’intensità si riduce a 1/8 Gauss. Tali caratteristiche sono molto utili quando occorre evitare che alcune interferenze giungano ai nostri monitor.

I disturbi elettromagnetici

Per disturbo elettromagnetico intendiamo un qualunque rumore provocato da un fenomeno elettromagnetico che va ad aggiungersi al segnale audio. Possiamo suddividere i disturbi in base alla loro provenienza o alla loro natura. Questi infatti possono essere generati all’esterno dello studio oppure all’interno, direttamente dagli apparecchi, magari quelli più economici o installati non correttamente. Possiamo anche suddividerli in base alla loro natura: fruscii da una parte e ronzii dall’altra, analizzando le cause per ciascuna delle due categorie. Analizziamoli fornendone innanzitutto la descrizione, in seguito le cause più frequenti e infine la soluzione per evitarli (Fig. 6).

Fig.6

A) Disturbi esterni
L’alimentazione elettrica fornita nelle nostre abitazioni è di tipo alternato sinusoidale con frequenza di 50 Hz e tensione di 220 V. Forse non tutti sanno, però, che la corrente elettrica è spesso sporcata da disturbi di varia natura: alterazioni della forma d’onda, variazioni della frequenza o della tensione (Fig. 7). Analizziamo le diverse tipologie cominciando da quelle più diffuse. I picchi sono causati da fulmini o apparecchi ad alto assorbimento di corrente e sono degli aumenti rapidissimi e brevissimi di tensione, anche no al 200% della tensione nominale. Se invece i fenomeni sono più blandi e durano più di 100 microsecondi vengono classificati come sovratensioni. Esiste anche il fenomeno di fulminazione indiretta, quando il campo elettromagnetico creato da un fulmine genera una sovratensione in ogni anello dell’impianto (per induzione, effetto trasformatore/accoppiamento elettromagnetico).

Fig7Questo fenomeno è pericoloso perché non è sufficiente isolarsi elettricamente. L’unica soluzione è proteggere i propri apparecchi dalle sovratensioni. I cali di tensione agiscono nel modo opposto, ma, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, sono ugualmente frequenti e dannosi per gli apparecchi elettrici. La corrente elettrica può inoltre contenere impurezze sotto forma di armoniche o di rumore introdotto da apparecchi elettromagnetici e trasmettitori radio installati anche a molti km di distanza dalla nostra postazione. Le conseguenze di questi disturbi sono diverse: le sottotensioni causano i blocchi di sistema nei computer o nei sintetizzatori vintage, o il riavvio di quelli più recenti.

I moderni alimentatori switching sono molto resistenti a cali di tensione fino al 50%, ma una sovratensione anche solo del 10% può far esplodere i condensatori in essi contenuti. I rumori e i picchi possono invece raggiungere il vostro sistema di amplificazione ed essere chiaramente udibili. Inoltre i picchi potrebbero danneggiare seriamente i vostri monitor. La soluzione più economica, ma non adeguata, è quella di utilizzare una presa multipla filtrata. Tali dispositivi vengono prodotti per proteggere TV e impianti stereo dai disturbi provocati dai fulmini e vengono impropriamente utilizzati anche in alcuni studi, immaginando che possano risolvere tutti i problemi. La soluzione migliore è quella che prevede l’utilizzo di un più costoso gruppo di continuità o UPS (Uninterruptible Power Supply) meglio se a doppia conversione (on line) (Fig. 8).

Fig.7 Da sx a dx: una presa filtrata, un UPS e un modulo soppressore/scaricatore
Fig.8 Da sx a dx: una presa filtrata, un UPS e un modulo soppressore/scaricatore

Esiste una soluzione ancora migliore, ma più costosa, per evitare i danni provocati da picchi e sovratensioni: gli scaricatori o soppressori. Tali dispositivi si pongono in parallelo (Fig. 9) alla linea elettrica (al contrario degli UPS che vengono connessi in serie) e proteggono da sovratensioni e picchi. L’installazione richiede l’intervento di personale specializzato per la scelta dei componenti e la loro installazione.

Fig.9

B) Disturbi interni
Una volta protetti dai disturbi esterni dobbiamo eliminare o perlomeno evitare le numerose fonti di disturbi presenti all’interno del nostro home/project studio. In un normale impianto composto da personal computer, monitor CRT, amplificatori, diffusori acustici e altri apparecchi elettrici, convivono numerose sorgenti di campi magnetici e altrettanti apparecchi molto sensibili a interferenze elettromagnetiche (EMI: ElectroMagnetic Interference). I disturbi che possiamo udire sono principalmente di due tipi: Hum e Hiss traducibili in Italiano con rombo/ronzìo e fruscìo. Avendo cause diverse richiedono un’analisi separata.

HUM

L’hum è un fastidioso ronzìo a bassa frequenza, composto dalle armoniche della frequenza della rete elettrica. In pratica si tratta di una sinusoide con frequenza di 50-60 Hz (dipende dal fornitore dell’energia elettrica, in Italia è 50 Hz, in alcune zone del mondo è 60 Hz) addizionata eventualmente delle sue armoniche superiori. Provate a collegare un cavetto di segnale, meglio se di scarsa qualità, al vostro impianto di amplificazione avvicinandolo a un trasformatore acceso. Molto probabilmente udirete un disturbo continuo: ecco a voi l’HUM.

Le cause sono molteplici: i cavi di alimentazione e i trasformatori producono dei campi magnetici con frequenza di oscillazione pari alla frequenza della rete elettrica. Questi inducono una corrente elettrica nei cavi di segnale adiacenti. Se avete deciso di non leggere l’introduzione teorica all’inizio dello speciale, questo è il momento per leggerla! Per questo i migliori outboard audio hanno il trasformatore di alimentazione separato e distante dal telaio principale oppure sono inseriti in una gabbia di Faraday. La prima protezione verso i campi elettromagnetici è costituita dalla calza dei cavi di segnale, quella trama metallica (chiamata comunemente massa), composta da fili molto sottili, che avvolge il cavo che porta il segnale elettrico (Fig. 10). Esistono altre tipologie di cavi che hanno un sottile foglio di alluminio al posto dell’intreccio di fili metallici.

Esempio di cavi audio schermati, in alto con singola schermatura, sotto con doppia schermatura
Esempio di cavi audio schermati, in alto con singola schermatura, sotto con doppia schermatura

La loro flessibilità è inferiore, ma la protezione dai disturbi è superiore. Il principio di funzionamento è quello della gabbia di Faraday precedentemente citata. Se questa protezione viene accidentalmente rovinata a causa di un’improvvisa trazione o della cattiva abitudine di arrotolarli non correttamente, torcerli o schiacciarli, il cavo comincerà a essere più sensibile alle interferenze. Anche la struttura metallica dei nostri apparecchi costituisce uno schermo che protegge i circuiti interni dai campi elettromagnetici. Per questo motivo, tranne rari casi, gli chassis sono collegati elettricamente alla massa. Fortunatamente i campi elettromagnetici sono direzionali e la loro intensità decresce molto rapidamente allontanandoci dalla sorgente che li produce. Questo ci suggerisce alcune soluzioni di semplice attuazione:

– Evitare che gli apparecchi che assorbono molta corrente e producono quindi campi magnetici molto intensi siano vicini al resto della strumentazione.
– Evitare di installare parafulmini sul tetto e, se questi sono presenti, assicurarsi che la discesa sia lontana dal locale dove avete allestito il vostro studio. Lo stesso vale per alberi molto alti e pali della luce sui quali potrebbero cadere i fulmini, fonte di intensi campi magnetici e sovratensioni.
– Posizionare lo studio lontano dal pannello di distribuzione elettrica, perché qui sono collegati i cavi che portano tutta la corrente all’abitazione/studio e quindi generano intensi campi magnetici, anche se murati nelle pareti.

– Tenere separate le linee di alimentazione da quelle di segnale. È sufficiente farle correre ad almeno 25cm di distanza le une dalle altre. Qualora le linee debbano intersecarsi, posizionarle ad angolo retto perché abbiamo visto che i campi magnetici indotti da campi elettrici sono ortogonali. Usate fascette in velcro per organizzare ordinatamente i percorsi dei cavi, raggruppando separatamente linee audio e MIDI da una parte e di alimentazione dall’altra. In altre parole l’intensità del campo magnetico indotto, e quindi il ronzio, è facilmente annullabile.

– Evitare lampade a fluorescenza o dimmer per la regolazione dell’intensità delle luci. Questi ultimi introducono numerose armoniche sulla rete elettrica (soprattutto tra 25% e 75% di dimming), i quali possono tradursi in ronzìi.
– Se non è possibile individuare o eliminare la causa del disturbo, una protezione contro le interferenze elettromagnetiche è offerta dalle linee bilanciate.
– È buona regola utilizzare apparecchi di qualità, che montano circuiti di alimentazione schermati, componenti selezionati e sono costruiti secondo standard più elevati. Gli apparecchi professionali, inoltre, utilizzano spesso livelli di segnale più elevati, migliorando il rapporto segnale/rumore.
– È necessario utilizzare connettori di qualità per assicurare un contatto elettrico ottimale.

La principale causa dei ronzìi sono i Ground Loop o loop di massa, causati a loro volta da errati collegamenti tra gli apparecchi. Le soluzioni sono diverse: innanzitutto è buona norma non utilizzare cavi di segnale più lunghi del necessario. Quando si utilizzano cavi a Y (quelli Send/Return utilizzati ad esempio per i processori di segnale) collegate tutte e tre le estremità. Se si deve semplicemente o prelevare o inserire un segnale utilizzate cavi costruiti ad hoc. Utilizzate cavi stereo anziché una coppia di cavi mono quando occorre collegare apparecchi stereo. Alcuni apparecchi possiedono un interruttore che permette di scollegare la massa dallo chassis (Ground Lift) e quindi interrompere il Ground Loop. Provate ad agire su di esso o, in mancanza di tale interruttore, scollegate la calza del cavo di segnale bilanciato dalla parte della sorgente di segnale. Nel caso di connessioni tra apparecchi con cavo di alimentazione con messa a terra (spine a tre contatti) questo accorgimento può rimuovere il ronzìo. In alternativa, utilizzate una direct box (DI box) o un trasformatore disaccoppiatore (1:1): tali dispositivi permettono di trasmettere il segnale senza connettere gli chassis. Vi siete chiesti forse perché alcuni apparecchi utilizzano cavi di alimentazione a due conduttori senza messa a terra? È proprio per evitare il rischio di Ground Loop che affliggerebbe tali apparecchi con uscite sbilanciate. Vi sconsiglio però di scollegare la massa sugli apparecchi con prese di corrente a tre connettori, perché c’è il rischio di scosse elettriche. Strumenti come bassi elettrici, chitarre elettriche e microfoni sono ulteriori punti deboli del nostro studio, perché producono segnali molto bassi (vedi sotto: rapporto segnale/rumore) che richiedono notevole amplificazione aumentando inevitabilmente anche il livello dei disturbi catturati. Ecco un breve elenco di accorgimenti:

– Preferire microfoni a bassa impedenza (almeno 150 ohm) che catturano meno ronzìi
– Utilizzare microfoni con uscita bilanciata e connetterli con linee bilanciate

– Utilizzare connessioni adeguate (bilanciate, cavi con maglia fitta, possibilmente cavi attorcigliati)
– Scegliere una posizione del musicista che comporti un minore rumore

Fig.14 - Ground Loop. La Figura 14 mostra un esempio pratico di Ground Loop. Due apparecchi sono connessi tra loro sia dalla massa del cavo di segnale che dalla messa a terra delle spine di alimentazione. Questo circuito chiuso è sensibile ai campi magnetici descritti prima. Inoltre se tra gli chassis dei due apparecchi si instaura una differenza di potenziale dovuta a una non corretta messa a terra la conseguenza è una corrente che scorre tra i due apparecchi producendo ronzio. Questi in breve i due meccanismi di generazione di Ground Loop Hum.
Fig.14 – Ground Loop. La Figura 14 mostra un esempio pratico di Ground Loop. Due apparecchi sono connessi tra loro sia dalla massa del cavo di segnale che dalla messa a terra delle spine di alimentazione. Questo circuito chiuso è sensibile ai campi magnetici descritti prima. Inoltre se tra gli chassis dei due apparecchi si instaura una differenza di potenziale dovuta a una non corretta messa a terra la conseguenza è una corrente che scorre tra i due apparecchi producendo ronzìo. Questi in breve i due meccanismi di generazione di Ground Loop Hum.

Hiss

L’Hiss è il classico fruscìo simile al rumore di una radio non sintonizzata. Potete anche ascoltarlo facilmente portando al massimo il volume del vostro amplificatore o mixer senza fornirgli alcun segnale. Una delle cause è il rumore termico prodotto inevitabilmente da tutti i componenti elettronici (sia attivi che passivi). Per i più curiosi aggiungo che tale rumore è prodotto dagli elettroni che invece di scorrere coerentemente lungo le linee di segnale si urtano tra di loro. Per questo tipo di problema non ci sono vere e proprie soluzioni: a bassissime temperature il rumore termico sparisce, ma non è certo possibile raffreddare i nostri apparecchi ed è anche sconsigliabile nel caso di circuiti analogici vintage (valvole soprattutto). Innanzitutto sarebbe meglio utilizzare solo apparecchi di buona fattura, che solitamente montano circuiti progettati con cura e utilizzano componenti che hanno effettuato un burn-in test, utile per evidenziare difetti costruttivi. L’unico vero rimedio da adottare è quello di massimizzare il rapporto segnale rumore (S/N Ratio).

Operativamente si tratta di regolare l’uscita di tutti i vostri generatori di suono (tastiere, expander, computer, ecc) al massimo e regolare il guadagno degli ingressi del mixer, dell’interfaccia audio e del campionatore più alto possibile, prima che sia udibile distorsione. Negli apparecchi digitali il segnale non deve superare gli 0 dBFS ed è necessario capire a qualche valore in dBU corrisponde lo 0 dBFS, mentre in quelli analogici (più sensibili ai fruscii) è possibile spingersi anche a +24 dBu o oltre, a seconda del margine disponibile (headroom) prima che sia udibile distorsione. Ogni outboard ha il suo livello ottimale di lavoro, che viene riportato dai manuali. Anche le RFI (Radio Frequency Interference) si traducono in fruscii e l’unica protezione sono i case metallici dei nostri apparecchi correttamente collegati a massa. Rimane valida la regola di non usare apparecchi wireless in studio, o comunque tenere il ricevitore lontano da apparecchi digitali (processori d’effetti, computer, tastiere) che possono generare RFI. Gli apparecchi digitali, che utilizzano un clock ad alta frequenza, possono introdurre anche sulla rete elettrica disturbi di alcuni kHz che si traducono in fruscii e questa è un’ulteriore ragione per tenere ben separate le linee di tensione da quelle di segnale.

Per completezza aggiungo che anche gli apparecchi guasti a causa di una saldatura fredda (chiamate così perché eseguite senza un adeguato riscaldamento delle super ci metalliche da saldare) o un componente che si sta guastando sono sorgenti di fruscìi. Sono facilmente riconoscibili perché l’intensità del disturbo non è costante e spesso è accompagnata da schioppettìi, soprattutto quando il circuito è appena acceso e quindi freddo.

Tra il dire e il fare…

Il metodo per individuare la provenienza di un disturbo è semplice: per prima cosa scolleghiamo ogni ingresso dal nostro amplificatore o monitor amplificati e portiamo il volume al massimo. Se udiamo ronzii o fruscii abbiamo già individuato il responsabile: il nostro impianto di amplificazione. Altrimenti abbassiamo il volume, colleghiamo il mixer o la scheda e alziamo nuovamente il volume al massimo. Se siamo fortunati, o semplicemente possediamo un buon impianto di amplificazione e un buon mixer, non udiremo ancora nulla tranne un inevitabile leggero fruscio. Proviamo quindi a collegare i nostri apparecchi uno a uno. Una volta individuato l’apparecchio colpevole occorre capire la causa del disturbo e quindi trovare una soluzione: modificare il percorso dei cavi (incrocia cavi di alimentazione? passa vicino a monitor CRT o ai trasformatori?), osservare la tipologia e la qualità dei cavi, la posizione dell’apparecchio, valutare la riparazione o sostituzione dell’apparecchio o una delle altre soluzioni illustrate in queste pagine.

Per quanto riguarda i rack soffermiamoci a osservare che le guide forate alle quali fissiamo i vari apparecchi, oltre a reggerli fisicamente, connettono elettricamente tutti i cabinet e quindi tutte le loro masse. Questo, nel caso di apparecchi con segnali sbilanciati, può provocare Ground Loop. Per prevenirlo è consigliabile utilizzare rondelle di nylon o del semplice nastro isolante per isolare reciprocamente i cabinet e le guide. Inoltre, alcuni rack sono completamente in metallo e possono quindi catturare interferenze e trasmetterle alla strumentazione contenuta. Questo è un ulteriore motivo per attuare isolamenti. Tenete ben presente che i computer sono una fonte di intensi campi magnetici: collocatelo dunque a debita distanza dalle linee di segnale. Lo stesso vale per il monitor se è di tipo CRT. Per quanto riguarda le interfacce audio è meglio scegliere modelli esterni che non prevedono connessioni analogiche su schede installate all’interno del computer.

I circuiti analogici all’interno di un computer sono ad alto rischio di interferenza, molto meglio per esempio la scelta di interfacce esterne, che sono connesse al computer per mezzo di schede PCI/PCI Express o di un comuni cavi USB, FireWire, Thunderbolt.

Prestiamo infine attenzione ai collegamenti della rete elettrica, anche se potranno sembrare nozioni ovvie. La soluzione migliore prevede un interruttore (magari magneto-termico e con salvavita differenziale) che tolga tensione a tutto lo studio, UPS compresi. A valle di questo interruttore colleghiamo l’UPS, posizionato in un ambiente separato se possiede ventole di raffreddamento. Facciamo correre i cavi di alimentazione degli UPS lungo gli angoli tra le pareti e il pavimento, lontano da dove corrono i cavi di segnale, magari impiegando delle canaline in PVC. Alle uscite degli UPS colleghiamo delle prese multiple multiformato (10 A, 16 A e schuko) cui collegare i nostri apparecchi. Razionalizziamo i collegamenti accorciando i cavi quando sono troppo lunghi (se non siete sicuri, fatevi aiutare da una persona esperta, non sottovalutate i 220 V!), evitiamo di arrotolarli a solenoide (a cavatappi o truciolo) e disponiamo una presa ai piedi del banco mixer, una sotto ogni rack o postazione, una ai piedi di ciascuno degli eventuali stand delle tastiere e una dedicata all’impianto di amplificazione. Da qui facciamo salire i cavi verticalmente fino alle prese degli apparecchi, intersecando ad angolo retto le linee di segnale. Evitiamo di creare troppi percorsi: meglio allungare un tragitto, ma crearne il minor numero possibile, possibilmente lontani da quelli dei cavi di segnale. In altre parole non creiamo una ragnatela coi cavi di tensione!

Conclusione

Mi rendo conto che alcuni passaggi potranno aver disorientato i più, ma spero di aver fornito delle soluzioni ad alcuni dei problemi più comuni in fase di cablaggio e allestimento di uno studio. Se possibile fatevi aiutare da una persona esperta, indispensabile per operare in tutta sicurezza sulla rete elettrica a 220 V.

Stefano Airoldi