AWG (American Wire Gauge) là gì và sự quan trọng của nó

Giá trị gauge của cable có liên quan đến chất lượng, điện tính của nó không? Thông số này thực sự là gì và nó có quan trọng không? Chúng ta hãy cùng điểm qua các kiến thức về AWG nhé.

AWG, viết tắt từ American Wire Gauge, là tiêu chuẩn đo lường dây dẫn điện của Mỹ, tính bằng công thức bình phương bán kính lõi dây nhân với số pi, và được biểu thị bằng Circular MIL Area (khu vực đường tròn MIL). Circular MIL Area của dây chính là khu vực hình tròn đo bằng đường kính của 1 MIL (1/1000 inch), trong khi đó Circular MIL Area của lõi dây luôn luôn là đường kính của lõi dây đó, tính bằng số MIL bình phương.



Lõi dây nhiều sợi thì được tính theo kiểu khác do nó chiếm nhiều không gian hơn lõi dây chỉ có 1 sợi duy nhất, đó là vì thông số gauge sẽ được tính từ phần trọng tâm của các lõi dây. Do giữa các lõi dây vẫn có các bóng khí, tổng kích thước của chúng sẽ lớn hơn so với lõi dây 1 sợi. Trong các ví dụ dưới đây, chúng ta sẽ đặt trường hợp lõi dây chỉ có 1 sợi để dễ hình dung hơn.

Mối tương quan giữa thông số gauge và kích thước của lõi dây nhìn chung không có tính trực quan và dễ làm người ta phân vân. Giá trị gauge càng lớn thì lõi dây càng mảnh. Thêm vào đó, thông số gauge và kích thước dây còn có mối tương quan logarit. Hai lõi 16 AWG quấn với nhau sẽ bằng với lõi 13 AWG. Gần giống với decibel, nếu tăng hoặc giảm 10 gauge, chúng ta sẽ làm tăng hoặc giảm khu vực tính của dây trong khoảng +/-10, tuy nhiên nếu tăng hay giảm 3 gauge thì sẽ chỉ làm tăng hoặc giảm khu vực tính của dây trong khoảng +/-2. Cách tính này cũng chỉ dừng lại ở mức gần đúng mà thôi theo công thức logarit. Ví dụ với lõi 40 AWG theo quy định bởi tiêu chuẩn NBS (National Bureau of Standards) sẽ có Circular MIL Area là 9,61, tương tự với lõi 30 AWG là 100,5, 20 AWG là 1020 và 10 AWG là 10380.

Tuy nhiên cũng cần lưu ý rằng các giá trị này được tính bằng kích thước của lõi dây trần chứ không phải của dây (nghĩa là có cả phần bọc ngoài). Đó là do đôi khi lõi dây được bọc quá dày và làm nó trông to hơn bình thường.

Thông số gauge có liên quan gì đến điện tính của lõi dây?

Ảnh hưởng dễ thấy nhất chính là mức điện trở của lõi dây, và thông số này tỷ lệ nghịch với giá trị Cirlcular MIL Area, đồng thời cũng phụ thuộc vào chất liệu của lõi dây nữa. Nếu lõi bằng đồng với gauge 40 AWG và Circular MIL Area 9,61 thì sẽ cho điện trở 1080 Ω cho mỗi 300m, trong khi đó lõi 10 AWG với Circular MIL Area gấp khoảng 1000 lần sẽ cho điện trở chỉ khoảng 1 Ω mà thôi. Điện trở cũng thể hiện tính sinh nhiệt của dây, nghĩa là điện trở càng nhỏ thì nhiệt sinh ra càng ít và ngược lại.


Điện trở có liên quan gì đến chất lượng tín hiệu?

Trước đây người chơi loa chắc hẳn đã trải qua 1 thời kỳ khi thị trường âm thanh "tự quy định" rằng dây càng to thì càng tốt. Điều này nói chung không sai (đối với dây loa), tuy nhiên có 1 số giới hạn nhất định.



Điều chúng ta đang bàn đến hiện tại là chất lượng tín hiệu chứ không phải độ lớn. Hao hụt tín hiệu trong 1 hệ thống hoạt động không phụ thuộc vào tần số sẽ có thể được tinh chỉnh khá dễ dàng, ví dụ như bộ nhận tín hiệu video đầu vào có thể nhận tín hiệu yếu và khuếch đại nó lên thành mức tiêu chuẩn để hiển thị được. Trong trường hợp này, chúng ta chỉ cần đòi hỏi tín hiệu phải sạch mà thôi, không cần quá quan tâm đến mức khuếch đại nhiều hay ít.

Thêm vào đó, định luật Ohm quy ước rằng nếu dòng điện đi qua nhiều điện trở thì nó sẽ bị hấp thu theo tỷ lệ điện trở của chúng, tính bằng đơn vị Ω. Đơn vị Ω còn được dùng để tính trở kháng nữa. Thế thì ví dụ chúng ta nối 1 dây có kích thước cực nhỏ vào 1 chiếc loa, mỗi lõi dây có điện trở 4 Ω và bản thân chiếc loa có trở kháng 8 Ω. Tín hiệu sẽ được truyền tải qua dây có điện trở 4 Ω đến loa 8 Ω và sau đó quay trở lại dây 4 Ω, tổng điện trở là 16 Ω (bỏ qua những thông số linh tinh khác cho dễ tính). Điều này có nghĩa là năng lượng sẽ bị tiêu hao 1/4 (4/16 Ω), sau đó 1/2 (8/16 Ω) và cuối cùng là 1/4 (4/16 Ω) nữa.

Tuy nhiên tưởng tượng đến trường hợp khác nếu sử dụng dây có cùng mức điện trở (4 Ω đi, 4 Ω về) và cắm vào jack RCA, sau đó sử dụng line analog để kết nối giữa nguồn phát (ví dụ: đầu CD) với amplifier. Amplifier sẽ có mức trở kháng cao hơn nhiều so với loa, ví dụ 10.000 Ω chẳng hạn. Thiết lập này sẽ cho mức điện trở mạch là 10.008 Ω, nghĩa là dây chỉ tiêu hao 8 Ω trong 10.008 Ω - 1 con số chẳng thấm vào đâu, trong khi 10.000 Ω còn lại thì sẽ được gởi đến amplifier. Như vậy mức điện trở cực cao của dây trong ví dụ trên đã được giải quyết bằng phương thức nối liên kết.

Chúng ta có thể thấy mỗi ứng dụng sẽ cho kết quả hoàn toàn khác nhau. Thông số gauge của dây sẽ rất quan trọng trong 1 số trường hợp, tuy nhiên ở vài trường hợp khác thì lại không quan trọng cho lắm. Điều đáng chú ý nhất là cách thiết lập sao cho phù hợp mà thôi.

Các trường hợp cần lưu ý

Đối với mạch loa

Thông số gauge của dây sử dụng trong mạch loa rất quan trọng. Không như ví dụ được nhắc đến bên trên, trong thực tế, trở kháng của loa sẽ thay đổi tùy theo tần số tín hiệu, từ đó kết quả tính toán sẽ khác rất nhiều. Đó là chưa kể đến các ảnh hưởng khác từ trở kháng đầu ra nữa. Nếu trở kháng của loa thấp, năng lượng sẽ được hấp thu bởi dây nhiều hơn, trong khi nếu trở kháng của loa cao thì năng lượng sẽ được truyền tải đến loa nhiều hơn. Dây có điện trở càng lớn sẽ làm hao hụt năng lượng của tín hiệu tần số cao nhiều hơn so với tín hiệu tần số thấp, từ đó cũng làm thay đổi chất âm mà ta nghe được qua loa.

Khi liên kết nhiều thiết bị âm thanh

Hệ thống âm thanh gồm nhiều thiết bị thường có trở kháng khá cao, và việc sử dụng dây càng nhỏ sẽ càng có nhiều lợi thế. Trong mạch có trở kháng cao, mức điện dung sẽ là thành phần chính để đánh giá chất lượng của dây dẫn. Điện dung sẽ giữ lại 1 phần tín hiệu và truyền tải nó từ từ đến đích thay vì truyền ngay lập tức. Mức điện dung được quyết định bởi đường kính ngoài của lõi dây, đường kính trong của lớp bọc chống nhiễu và vật liệu điện môi ngăn cách chúng.

Trong kết nối Unbalanced, thường thì phần điện dung sẽ được bỏ qua hoàn toàn bằng cách giảm thông số AWG của trung tâm lõi dây. Thiết kế này giúp giữ mức điện trở của dây nhỏ nhất có thể so với trở kháng của hầu hết các chân cắm input Unbalanced.

Đối với Analog Video, Serial Digital Video và S/PDIF Digital Audio



Kết nối Analog Video, Serial Digital Video và S/PDIF Digital Audio dù là RF, Composite, S-Video, Component hay RGB đều có giá trị trở kháng 75 Ω. Vì những tín hiệu này hoạt động trong dải tần radio nên hiệu ứng "skin-effect" sẽ làm tăng điện trở của lõi dây khi sử dụng. Và cũng vì độ dài dây thường sẽ làm mức trở kháng tăng đáng kể (nhưng không liên quan đến điện trở) do đó dây phải đảm bảo có được giá trị trở kháng 75 Ω trong suốt dải tần làm việc.

Hiện tượng suy giảm tín hiệu dù sao cũng vẫn sẽ xảy ra do điện trở của phần trung tâm dây dẫn, bù lại vấn đề này chỉ đáng quan tâm với các thiết lập dây dài, còn trong khoảng cách ngắn thì thường không sao. Thông số gauge cũng có ảnh hưởng 1 chút đến chất lượng tín hiệu tuy nhiên như nói trên cũng không đáng quan tâm vì rất nhỏ. Trong hệ thống analog, thông số gauge tuy vậy sẽ có liên quan đến thiết kế của dây dẫn, đồng thời có ảnh hưởng đến cả mức điện cảm lẫn điện dung của cable do phần lõi trong phải có tỷ lệ tương ứng với kích thước ngoài của dây. Lấy ví dụ nếu thay lõi 16 AWG cho cable RG-6 (sử dụng lõi 18 AWG), trở kháng sẽ rất thấp, ngược lại nếu thay bằng lõi 20 AWG thì trở kháng lại quá cao. Nói cách khác, lõi cable phải được sử dụng cho dạng cable phù hợp với nó để có thể cho hiệu năng cao nhất.

Đối với Parallel Digital Video (DVI/HDMI)



Tín hiệu kỹ thuật số DVI và HDMI có bitrate thay đổi tùy theo độ phân giải của hình ảnh từ đó cho phép tăng độ phân giải lên rất cao, hiện tại là 1080p/60fps với tín hiệu 1,485 Gbps. Đặc điểm quan trọng nhất của dây sử dụng cho nhu cầu này chính là mức trở kháng. Với dòng bitstream 1,485 Gbps, mức tần số cơ bản cần thiết sẽ nằm trong khoảng 1 nửa giá trị đó, nghĩa là khoảng 742,5 MHz. Tuy nhiên để bảo toàn tín hiệu truyền tải đến bộ thu, băng thông cần thiết phải đạt khoảng gấp 3 lần con số này, nghĩa là xấp xỉ 2,275 GHz. Hiện tượng "skin-effect" cũng xảy ra và cho dù ở 742 MHz hay 2,2 GHz thì kết quả vẫn rất lớn. Đó là lý do vì sao không có dòng tín hiệu nào được truyền tải ở trung tâm dây HDMI mà được phân bố hết ra phần vỏ của lõi dây.



Điều này cũng có nghĩa là cho dù dây có kích thước càng lớn thì cũng không đạt hiệu quả hơn bao nhiêu ở tần số thấp, đó là vì bề mặt lõi dây gia tăng theo tỷ lệ với bán kính dây chứ không còn là bình phương bán kính như trước nữa. Ví dụ dây 24 AWG có Circular MIL Area là 404 còn dây 22 AWG có Circular MIL Area là 640,4, do điện trở DC tỷ lệ nghịch với thông số Circular MIL Area nên dây 22 AWG sẽ cho mức điện trở chỉ bằng khoảng 2/3 so với dây 24 AWG ở bất cứ độ dài nào.

Tuy nhiên nếu bàn về hiệu ứng "skin-effect" thì mọi thứ lại thay đổi. Lúc này phần năng lượng bị tiêu hao do điện trở sẽ tỷ lệ nghịch với lượng đồng mà tín hiệu được truyền tải qua, hay nói cách khác là tỷ lệ nghịch với bề mặt của dây, hoặc chu vi của phần cắt lớp của cable. Dây 24 AWG có đường kính 0,0201 inch và dây 22 AWG là 0,0253 inch. Như vậy dây 22 AWG sẽ "lớn" hơn dây 24 AWG là 1,259 lần. Tỷ lệ chênh lệch của thông số Circular MIL Area là 640,4/404, hay nói cách khác là dây 22 AWG sẽ "lớn" hơn dây 24 AWG là 1,585 lần. Thay vì dây 22 AWG làm giảm điện trở xuống bằng 63% so với dây 24 AWG khi truyền tải dòng DC, nó chỉ giảm điện trở xuống khoảng bằng 80% của dây 24 AWG mà thôi.

Giảm điện trở luôn là điều tốt, nhưng mục tiêu của ví dụ này là nhằm cho thấy độ giảm không quá nhiều. Theo đó, dây 22 AWG có thể cho hiệu năng tương đồng với dây 24 AWG ở độ dài lớn hơn khoảng 20%, tuy nhiên vẫn chỉ là các tính toán theo lý thuyết.

Chất lượng của dây HDMI thực ra dựa vào khả năng kiểm soát trở kháng trên các cặp TMDS (cặp chịu tải nặng nhất của dây), cũng như hiệu năng truyền tải tín hiệu tương ứng với chiều dài cable. Các thông số này nói chung rất khó để được theo dõi chính xác và dường như không có liên quan gì đến thông số gauge ngoài việc cho phép ước tính hiệu năng xấp xỉ của các cable cỡ lớn so với cỡ nhỏ. Điều này nghĩa là thông số gauge cũng có ý nghĩa nào đó đối với cable HDMI nhưng không quá quan trọng. Cable kích thước nhỏ nhưng có chất lượng cao vẫn có thể cho hiệu năng cao hơn nhiều so với cable kích thước lớn.

Kết

Thông số gauge nhìn chung rất có ý nghĩa khi đề cập đến chất lượng của dây, tuy nhiên còn tùy vào từng trường hợp cũng như từng ứng dụng khác nhau. Điều cần thiết ở đây là chúng ta phải hiểu được nhu cầu sử dụng của từng ứng dụng để có thể lựa chọn dây phù hợp. Đánh giá chất lượng của dây bằng thông số gauge là điều không sai, và được khuyến khích, nhất là khi hãng sản xuất thiết bị không cung cấp rõ ràng các thông số kỹ thuật của sản phẩm bán ra. Tuy nhiên người dùng vẫn cần tham khảo thêm từ các nguồn hướng dẫn chuyên sâu để có thể đạt được hiệu năng cao nhất cho hệ thống của mình.