In het kort:
Vaak wordt beweerd dat audio kabels van "zuurstofvrij" koper gemaakt moeten worden.
Hier wordt die onzin doorgeprikt.
Verwante onderwerpen:
kabeltechniek bekabeling luidsprekerkabels
Over Oxigen Free Copper (OFC) kreeg ik dit bericht toegestuurd van een deskundige in de metaalwereld.
Een
andere deskundige heeft er wat aanvulling op gegeven in twee
reacties die
hieronder staan. Reactie1
en Reactie
2.
Accentueringen
en opmerkingen in vette tekst zijn van breem.nl
OFC Er doen nogal wat
verhalen de ronde over problemen die zouden bestaan bij
gewoon koperdraad, als het gaat om de geleiding bij heel
kleine signalen. Die
"problemen" worden nogal eens geïllustreerd met een
plaatje zoals hieronder, waarin een niet lineaire
vervorming gesuggereerd wordt. (met dank aan v.d. Hull,
die er zelfs een term voor bedacht heeft:
"Grensvlaktransmissievervorming" of in het Engels:
"Crystal Cross over distortion") Steevast
ontbreekt er in zulke publicaties wat er op de Y-as staat.
Is het de spanning?, is het de stroom? of de weerstand? en
tevens is er nergens informatie te vinden over hoe erg dit
fenomeen is. Praten we over procenten? promillen?
duizendsten van promillen? Kortom, het hele OFC
verhaal gaat om een verzinsel van leken die slechts een
klok hebben horen luiden en zelfs niet besef fen dat er
ook een klepel is, en van fabrikanten en handelaren die de
onkunde op dit gebied uitbuiten om hen dure spullen te
slijten.
Er wordt gesuggereerd dat als de elektronen van het ene
metaalkristal naar het andere moeten springen er een
minimale spanning nodig zou zijn of iets dergelijks.
Zie de bijdrage van enkele deskundigen
uit de metaal verwerkende industrie.
Ik
heb een paar argumenten die aaangeven dat dit "probleem"
volstrekt niet bestaat.
1
/ Nergens in de elektronica techniek (Industrieel,
Consumenten, Militair, Wetenschappelijke of Medische
instumenten) worden er probleem ervaren met de geleiding van
kleine signalen door gewoon koperdraad. Als er echt zo'n
probleem is, zou dat allang bekend zijn. Alleen in het zeer
beperkte wereldje van High-end audio wordt er over gezeurd.
2/
Het is uit talloze onderzoekingen en praktijksituaties
gebleken dat de wet van Ohm, het lineaire verband tussen
stroom en spanning, ook bij de kleinste signalen blijft
kloppen, zelfs bij signalen die "ver onder de ruis begraven"
zijn en alleen door uitgebreide middeling zichtbaar gemaakt
kunnen worden.
3/
Op het nivo van indivuduele elektronen klopt de wet van Ohm
ongetwijfeld niet meer. Er zijn dan quantum-mechanische
effecten in het geding waarvan alleen fundamenteel-
onderzoekers der materie weet hebben.
Zelfs bij de allerkleinste signalen die we in het audio-land
tegenkomen zijn er vele miljarden elektronen betrokken, en de
eventuele problemen die deze elektronen wellicht hebben om
door het materiaal te lopen middelen zodanig uit dat er niets
van terug te vinden is.
Een voorbeeldje: Een weerstand van 1 Ohm heeft bij
kamertemperatuur een ruisspanning van 20 nVolt, gemeten over
de audio bandbreedte van 20 kHz. Die spanning
vertegenwoordigt een stroom van 20 nA (20 E-9). De
lading van het elektron is 1.6 E-19 Coulomb, dus voor het
ruisstroompje zijn er 125 E9 of ruim een honderd miljard
elektronen aan het werk. Bij extreem lage temperaturen (dicht
bij het absolute nulpunt, -273 graden onder nul) worden zulke
niet-lineaire verschijnselen wel waargenomen. De elektronen
zijn dan sterk aan hun atomen gebonden en hebben weinig
bewegings vrijheid. Er is een minimum spanning nodig om ze
"van hun plek te krijgen". Bij kamertemperatuur trillen de
atomen zo heftig in het kristalrooster dat er a.h.w. een
"elektronen wolk" omheen hangt. De elektronen blijven
gemiddeld genomen wel op hun plek maar zwerven verder
willekeurig uit in de omgeving.
Een goede vergelijking is het volgende: Neem een vlakke
horzontale plaat en strooi er wat droog zand op. (zand =
elektronen) Zet de plaat een beetje scheef (leg een elektrisch
veld aan) Het zand blijft liggen, er ontstaat geen
elektrische stroom. Je moet de plaat flink scheef houden,
minstens 20 graden of zo, voordat het eerste zandkorreltje in
beweging komt. Dit is de situatie bij extreme koude.
Voor de situatie bij kamertemperatuur laten we de plaat snel
trillen, zodat de zandkorreltjes continu op en neer dansen.
Zelfs bij de geringste scheefstand zal het zand uiteindelijk
van de plaat rollen. De wet van Ohm klopt weer: Stroom
(horizontale beweging van het zand) is evenredig met de
scheefstand van de plaat (elektrisch veld)
Reactie
van Paul B
Ja inderdaad is de gebruikte kreet OFC (Oxygen Free Copper) redelijk onzinnig. Onze metallurgen stellen zelfs dat, wanneer volledig zuurstofvrij koper al zou kunnen bestaan (theoretisch alleen mogelijk in een zuurstofvrije omgeving met alleen edelgas of absoluut vacuum), dit helemaal geen goede geleider zou zijn. Waar het in contact komt met zuurstof gaat koper altijd direct een verbinding daarmee aan. Er is door ons bedrijf veel onderzoek hieraan gedaan in samenwerking met het Philips NatLab.
Vroeger (tot in de jaren 70) begon de productie van koperen geleiders (draad) in Europa normaal met het uitwalsen van koperen z.g. broden nadat deze eerst tot roodgloeiend waren verhit. Deze grote broden (100 kg zwaar of meer) kwamen dan rechtstreeks van de kopermijnen waar het kopererts na raffinage werd gesmolten en tot deze broden werden gegoten. De verhitte broden werden (in de kabelindustrie) in een aantal walsgangen uitgewalst tot koperdraad met een diameter van zo’n 6 tot 10 mm. Daarna werd dit draad verder koud getrokken (door hardmetalen of diamanten trekstenen) tot de gewenste diameter.
Een groot nadeel van de broden en het walsproces was dat de veel voorkomende verontreinigingen en insluitingen (slak, stukken ijzer of spijkers), die bovendien meestal harder waren dan het koper zelf, tijdens het verwerkingsproces (walsen of trekken) heel vaak tot breuk leidden. Hoe dunner de te trekken draad, hoe groter de problemen.
Zo heb ik bijv. ook apparatuur ontwikkeld om in een zo vroeg mogelijk stadium insluitingen in koper te detecteren. Zo werden ook broden die bestemd waren om er dunne geleiders uit te trekken eerst rondom “geschild” om zoveel mogelijk verontreinigingen te verwijderen.
In de jaren 70 is het productieproces veranderd en steeds meer geconcentreerd bij enkele grote bedrijven die toeleveren aan de koperverwerkende (kabel en draad producerende) industrieën. Dat toe te leveren product, het z.g. “contirod” is elektrolytisch zuiver koperdraad, met een diameter van meestal zo’n 8 mm. De naam komt van het feit dat het gezuiverde en vloeibare koper continue direct tot draad wordt gegoten.
Alle koperen geleiders worden vandaag aan de dag getrokken uit dit van maar een paar industrieën afkomstige contirod.
Het is dus allemaal het zelfde en wordt door iedereen gebruikt en verder verwerkt. Of het nu voor huis-tuin en keukengebruik is, voor KPN, voor defensie of voor de ruimtevaart.
Er bestaat in dit stadium van het basismateriaal dus geen verschil tussen wat men (later) OFC noemt of niet. Dit basismateriaal is qua eigenschappen al gespecificeerd in IEC publikatie nr. 28 sinds 1925 als 100% geleidbaar en tot op heden nog steeds ongewijzigd.
In de kabelindustrie zelf wordt overigens de term OFC alleen gebruikt voor Optical Fibre Cable.
Het is nu alleen nog zaak de eigenschappen tijdens verdere verwerking (trekken en isoleren) niet te verpesten. Als laatste wordt het draad in de eindmaat (maar ook tussentijds tijdens het trekken in meerdere gangen) altijd uitgegloeid in een zuurstofvrije omgeving. Daarna volgt dan het op 1 of andere manier isoleren.
Conclusie: Wat Oxygen Free Copper is weet niemand. Dit is een door commercianten bedachte kreet. Je weet toch dat commercianten een samenvoeging is van commercieel en komedianten?
Alleen zilver heeft nog een iets beter geleidingsvermogen. Overigens is het gebruik van zilver als geleider in audio weinig zinvol omdat het geleidingsvermogen hiervan maar een paar procent beter is als van koper. De prijs is wel onevenredig hoger.
Paul
B.
Reactie
van Ruud van W.
Helaas of gelukkig voor jou bestaat OFC koper wel degelijk. Dit is inderdaad koper met een lager zuurstofgehalte dan gebruikelijk. Het heeft in de professionele kabel en draad wereld waar ik in werkzaam ben echter geheel geen binding met Hifi en zijn puristen.
Het artikel van Paul B. klopt wel in grote mate maar is toch niet helemaal correct of bij. Koper wordt als erts gewonnen en wordt in verschillende stappen geraffineerd tot het gewenste product. Zo is koper voor waterleiding buizen anders van chemische samenstelling als koper wat gebruikt wordt voor elektriciteit. Voor de verreweg de meeste elektrische toepassingen wordt koper gebruikt met een zo laag mogelijke elektrische weerstand, hoewel er uitzonderingen zijn, anders zou je strijkbout zoveel stroom trekken.
Contirod in het artikel van Paul B. is een proces merknaam van de uitvinders hiervan, firma Umicore, tegenwoordig Cumerio uit Olen in België.
Het is een proces waarin na het elektrolytische raffineren van koper, de zeer zuivere koperplaten gesmolten worden in een gasoven en onder zoveel mogelijk gelijke omstandigheden continu worden uitgegoten in een machine met rondraaiende eindloze banden en kettingen. Hierdoor stolt het koper als een continu blok/streng die op zijn beurt gewalst wordt tot de gewenste uitgangsmaat, vaak 8 mm diameter zoals voor klanten als wij. Er zijn echter nog meer soortgelijke processen zoals Southwire, wat met een gietwiel werkt.
Waar het op neerkomt, is de mate van raffineren en de gewenste zuiverheid of juiste legering voor de gewenste toepassing. OFC koper is ook afkomstig uit zo’n soort proces, volgens mij ooit uitgevonden door de (Finse?) firma Outokumpu. In bijvoorbeeld het Up Cast / Foxrod proces wordt uit een enorme gietpan gesmolten koper onder een afscherming van zuurstofvrije gassen en grafietafdekking een draad omhoog getrokken die direct wordt afgekoeld en die daardoor minder rest zuurstof bevat dan koperwalsdraad uit de overige processen.
Dit
OFC koper (norm EN
1977 Cu-OFE / CW009A) is veelal bedoeld voor elektrische
draden voor specialere
toepassingen. Gewoon koper voor gewoon draad en kabel bevat
volgens
specificaties (EN 1977 Cu-ETP1 / CW003A) b.v. tussen 140-160
ppm zuurstof en OFC
(ook wel OFE) minder dan 3 ppm.
OFC koper wordt o.a. vaker gebruikt in toepassingen waarin
bijvoorbeeld de
temperatuur op kan lopen zoals windingen en collectoren van
motoren,
supergeleiders e.d.. Dit omdat bij gewoon Contirod o.i.d. de
aanwezige rest
zuurstof in het koper zich door de hoge temperatuur kan
binden aan waterstof uit
de omgeving.
Volgens specificaties van Cumerio is het geleidingsvermogen echter gelijk. De zuiverheid is altijd groter dan 99,9% geleidingsvermogen >101,5% IACS . Bijna alle gewone kabelfabrikanten gebruiken dan ook gewoon zuiver koper zoals Contirod voor productie van standaard kabel en draad. Er zullen er echter ook zijn die voor specialere toepassingen OFC koper gebruiken en waarschijnlijk komt een deel hiervan terecht in de audio kabeltjes.
Echter als mede elektronicus kan ik elektrisch ook geen reden bedenken om OFC te gebruiken behalve marketing.
Met vriendelijke groet,
Ruud van W.
(Medewerker van een bekende Nederlandse kabelfabrikant)
Op mijn vraag of o.a. de oxide huid van koper ook een beschermende werking heeft, zoals bij aluminium gaf Ruud van W me het volgende antwoord:
Op zich heeft Draka hier verder niets mee, wij zijn producent van draad en kabel. Het kan zelfs zo zijn dat zuster vestigingen van ons wel OFC koper gebruiken. Wel meen ik te weten dat het in RF (coaxiale) kabels ook wel toegepast wordt, waarom precies weet ik echter ook niet, wij produceren namelijk alleen standaard installatiekabel hier in Amsterdam (en meestal dan nog groter dan 6mm²).
Op www.cumerio.com wordt bij Foxrod (=OFC koper) vermeld dat het o.a. geschikt is voor fijntrek, brandbestendige kabels e.d..
Bij het trekken van koperdraad zijn verschillende gradaties te benoemen. Meestal begint het met een 8 mm walsdraad (vaak ‘rod’ genaamd) die in verschillende etappes dunner wordt getrokken op zogenaamde trekbanken. Hierin worden meestal 4 gradaties onderscheiden, tot circa 1mm Ø = groftrek, tot circa 0,4 mm Ø middeltrek, tot circa 0,1 mm Ø fijntrek en daaronder fijnst-trek. Wij gaan hier in Amsterdam tot middeltrek. Nu is het inderdaad zo dat hoe dunner de draad getrokken wordt des te gevoeliger wordt het proces voor verontreinigingen in het koper. En op een gegeven ogenblik worden zelfs restjes zuurstof atomen verontreinigingen en dus bepalend voor de trekbaarheid.
Er zijn ook overige stoffen die ook een rol spelen, bij de prospectus van het koper zit vaak ook een lijstje met de maximale waarden van andere stoffen die aangetroffen kunnen worden. Bijvoorbeeld Fe 0.7 ppm, Ag 10.8 ppm, S 4.4 ppm enz.
Het is dus zo dat bij fijntrek en kleiner liever OFC koper wordt toegepast vanwege de trekbaarheid en niet zozeer om andere redenen. Dit verkleint de kans op trekbreuken tijdens het proces en dus een hogere output. Zelfs wij merken het al bij middeltrekken dat het zuurstof gehalte een sterke rol speelt. Wij gebruiken al verschillende kwaliteiten walsdraad koper voor groftrek en middeltrek. Bij gebruik van OFC koper bij grof en middeltrek gaat het meer om de chemische samenstelling van het koper, bij dunner speelt de trekbaarheid meer een rol. Zuurstof speelt ook een rol op de gloeibaarheid van het koper. Na het trekken is het koper erg hard, door elektrisch weerstand gloeien wordt dit koper weer zacht gemaakt.
Zover ik weet zijn signaalkabeltjes voor audio e.d. altijd erg soepel. Soepelheid verkrijg je door gebruik van dunne draadjes en die samen te slaan of te bundelen i.p.v. 1 dikkere draad. Dit geldt voor elektriciteit kabel, staalkabel, touw en ga zo maar door. Voor de allersoepelste kabels gebruik je dus de dunste draadjes en om die te trekken gebruiken producenten waarschijnlijk liever OFC koper. En ik vermoed dat er een paar slimmeriken hierop ingespeeld hebben door dit tevens als geluidstechnisch beter te verkopen. Of dit werkelijk zo is? Het lijkt mij dat dit wel te meten moet zijn.
Oxideren van koper speelt een rol maar niet zo als bij aluminium. Bij aluminium komt er ogenblikkelijk een (isolerende) oxide laag op het materiaal die het basismateriaal afsluit en verdere oxidatie tegengaat. Dit speelt een belangrijke rol bij het aansluiten van aluminium elektriciteitskabels, de oxide huid geeft b.v. overgangsweerstanden bij de kabelschoenen e.d.. Anodiseren is het proces die de sterke oxidelaag nog veel verder vergroot, hierdoor wordt het aluminium bijvoorbeeld sterker, krasvaster of mooier. Koper heeft hier veel minder last van, na isolatie ontstaat er nauwelijks oxide, alleen vocht en ouderdom geven verhoogde oxide werking. Maar blank zacht koper uit onze trekbanken kan best een tijdje in opslag staan, onder droge omstandigheden, voordat het verder gebruikt wordt. De oxide laag bij koper is amper aanwezig en mechanisch niet sterk genoeg om zoals bij aluminium problemen te veroorzaken. Bij koper ontstaat wel een z.g. halfgeleidende patina laag. Dit is die groenige kleur op oude kerkdaken, ook op koolborstels van elektromotoren bouwt dit zich op. Bij dit laatste is dit erg belangrijk dat dit juist gebeurd, te weinig patina geeft mechanische slijtage van borstels op de collector, teveel een te hoge elektrische weerstand en dan ontstaan er allerlei commutatie problemen.
Als je meer wilt weten over koper neem dan kontakt op met Christian Raskin van Cumerio, een heel aardige man die hier enorm veel van weet. Zijn gegevens vindt je op de Cumerio site onder Products & Services – Technical.
Met vriendelijke groet,
Ruud
van W.