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Ausgleichsströme und Ausphasen | ||
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pelmazo Inventar |
erstellt: 30. Jun 2006, 13:12 | |
 http://www.hifi-foru...=1125&postID=529#529Das könnte zu einem interessanten Wissen-Thread ausgebaut werden, meine ich. ________ Gruß pelmazo |
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KSTR Inventar |
erstellt: 10. Aug 2006, 16:51 | |
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Ausgleichsströme, Brummschleifen, Ausphasen Teil 1: Theorie, Hintergründe. A) Fangen wir mit dem einfachsten Fall an. Wann enstehen ganz sicher keine Brummschleifen, keine Ausgleichsströme? Wenn wir nur batteriebetriebene Geräte haben (Fig.1). Gerät 1 sei z.B. ein CD-Player, Gerät 2 ein kleiner Verstärker (und beide der Einfachheit halber Mono). Über die NF-Verbindung (Cinch-Kabel) fließt nur der -- winzige -- Signalstrom. In der Zeichung z.B. der Momentanzustand für ein positives Ausgangssignal, eine positive Halbwelle: Strom fließt aus dem Ausgang von Gerät 1 heraus, durch den Innenleiter der Kabelverbindung, durch den Eingang von Gerät 2 (dessen Eingangswiderstand) und zurück über die Abschirmung des Verbindungskabels zu Gerät 1, womit der Stromkreis geschlossen wird (deswegen heißt es Stromkreis). An all dem ändert sich nun nichts, wenn genau ein Gerät von beiden (egal welches) mit Netzspannung betrieben wird. Das andere Gerät hängt ja in der Luft (ist vollkommen und perfekt potentialfrei, in der Fachsprache), deswegen kann nach wie vor nichts anderes als der gewollte Signalstrom I(signal) zwischen beiden Geräten fließen.  B) Was passiert nun konkret mit einem Gerät, wenn es am Netz hängt? Prinzipbedingt ist es nicht möglich, Netzteile zu bauen, die sich genau so verhalten wie der perfekt potentialfreie Batteriebetrieb. Etwas Kopplung ans Netz hat man immer. Diese Kopplung ist jedoch nur für Wechselstrom wirksam, weil es sich, vereinfacht dargestellt, um einen Kondensator handelt. Zur simplen Betrachtung kann man sich aber einen Kondensator auch als Widerstand vorstellen, der je nach Freqzenz einen anderen Wert hat: je höher die Frequenz, desto weniger Widerstand. Betrachten wir also nur das Verhalten auf einer bestimmten Frequenz und den Fall eines ungeerdeten Geräts (üblich für die meisten HiFi-Komponenten), dann kommen wir zu Fig.2: Man kann für das Netzteil ein Ersatzschaltbild zeichnen, bei dem die "Masse" (die Abschirmung der Cinch-Verbindung) über den besagten Widerstand an eine Spannung angeschossen ist, welche durch interne Details des Netzteils einen bestimmten Anteil der Netzspannung darstellt. Hier habe ich, bei Gerät 1, mal 90V dargestellt, die über einen Widerstand von 1000Ohm die "Masse" des Geräts anschließen. Bei Gerät 2 seien es 60V, mit 3000Ohm an dessen "Masse" angeschlossen. Beide Spannungswerte seien der Einfachheit halber wieder Momentanwerte (deswegen die Batteriesymbole). Und weil diese Spannungen in der Praxis gegenüber (Schutz-)Erde auftreten bzw. gemessen werden, sind auch Erd-Symbole eingezeichnet. Das soll hier aber NICHT bedeuten, dass die Geräte tatsächlich Schutzleiteranschluss haben, sondern es ist im Sinne der Ersatzschaltung zu betrachten.  C) Wenn man die beiden "Massen" der Geräte per Cinch-Kabel verbindet, ergibt sich was? Das Ohmsche Gesetz schlägt zu, es fließt ein Strom zwischen den Geräten (und, wie immer, auch wieder zurück, in dem Fall "hintenrum" über das Netz -- dessen Impedanz "in sich" sei hier zu beliebig klein vereinfacht). Der Strom berechnet sich aus der Formel I = U/R. U ist die Differenz von 90V und 60V, also 30V. R ist dier Summe der beiden Widerstände (der Strom muss nacheinander durch beide), also 1000Ohm plus 3000Ohm = 4000Ohm. Es fließen also im Beispiel 30V/4000Ohm = 7.5mA durch die Masseverbindung zwischen beiden Geräten. Das ist der Ausgleichsstrom, I(stör) (und dieser Beispielwert wäre schon recht hoch, ein Vielfaches der Signalströme, die sich im Bereich von 100µA bewegen, also hier um den Faktor 75). D) Kommen wir zu Fig.3, wo Gerät 2 geerdet ist. Dadurch wird die Spannung praktisch zu Null, und der Widerstand ebenfalls, weil "Masse" und Schutzerde verbunden sind. Dann haben wir die vollen 90V von Gerät 1, und nur dessen Widerstand von 1000Ohm ist wirksam. Sind also 90V/1000Ohm = 90mA, das ist mal satt das 12-fache vom vorigen Fall. Innerhalb des geerdeten Geräts 2 passiert im Prinzip genau das gleiche (die Kopplung im Netzteil ist ja auch hier weiterhin vorhanden): Die Spannung auf Masse wird halt schon intern nach Schutzerde kurzgeschlossen, es fließt ein Ausgleichsstrom auf dem Schutzleiter, was aber meist völlig folgenfrei bleibt (deshalb auch nicht eingezeichnet).  E) Weiter mit Fig.4, beide Geräte sind an verschiedenen Schutzerden angeschlossen, was z.B. der Fall ist bei Antennenzuleitungen an HiFi-Anlagen, die selber (mindestens) ein geerdetes Gerät (typische Kandidaten: PC, Röhrenverstärker) haben. Dabei liegen die Massen mit praktisch Null Widerstand auf der jeweiligen Schutzerde. Nehmen wir mal an, der Widerstand zwischen den unterschiedlichen Schutzerden sei 1 Ohm, der Spannungsunterschied 1 Volt (als Batterie gezeichnet, welche mit 1 Ohm Innenwiderstand zu betrachten ist), dann haben wir stolze 1A an Ausgleichsstrom.  F) Warum sind nun diese Ausgleichsströme ein Problem? Weil die Masseverbindung zwischen den Geräten nicht perfekt ist, keine 0 Ohm Widerstand hat (und auch die Masseverkabelung in den Geräten nicht). Den Effekt sehen wir in Fig.5, da ist in die Masseleitung symbolisch ein Widerstand von 0.1Ohm eingezeichnet -- ein Wert, der sich bei einem längeren Kabel und wegen unvermeidlicher Übergangswiederstände der Stecker/Buchsen schnell in der Praxis ergeben kann. So, und je nach Ausgleichsstrom ergibt sich an diesem Widerstand ein zusätzlicher Spannungsabfall U(stör), der sich zur Signalspannung U(signal) der Senderseite addiert. Das ist die Ursache dafür, dass die Ausgleichsströme sich auch als Störung bemerkbar machen, als sogennante "Brummschleife" (kein besonders gelungener Begriff). Ein paar Rechnungen für die Störspannung (U=R*I), mit angenommenen 1V als Signalspannung, und den 0.1Ohm "Masse-Widerstand": 1) bei 7.5mA: 0.75mV, also 1/1333tel der Signalspannung 2) bei 90mA: 9mV, also 1/111tel (0.94%) der Signalspannung 3) bei 1A: 100mV, 1/10tel (10%) der Signalspannung Schon Fall 1) wäre deutlich hörbar, bei 2) und speziell bei 3) der Brumm bereits unerträglich. Bei 3) sind es genaugenommen nur 0.909A und damit 90.9mV, weil der 0.1Ohm-Widerstand ja in Serie zu den 1 Ohm der Schutzleiter liegt, also entspr. 1V/1.1Ohm = 0.909A an Strom fließen. Das gilt auch für 1) und 2) aber da ist der Beitrag von 0.1Ohm zu 4000Ohm oder 1000Ohm völlig irrelevant.  G) Was ist nun das Ausphasen? Eine Symptombehandlung, in letzter Konsequenz. Die beschriebenen Ersatzspannungen der ungeerdeten Geräte (also die Spannungen, auf denen die Masse zu liegen kommt) haben meist die Eigenschaft, sich durch Umpolen des Netzsteckers geringfügig zu ändern. Das kommt, wenn die Netzteile nicht 100% in sich symmetrisch sind, jedoch ist die Unsymmetrie meistens nicht besonders stark, also ein Gerät mit einem Verhältnis von 2:1 muss man schon suchen. Im Fall C) versucht man, die Konstellation zu finden, bei der die Unterschiede zwischen den Massespannungen aller beteiligten Geräte am kleinsten sind -- dann werden auch die Ausgleichsströme und damit auch die erzeugten Störspannungen am kleinsten, wobei der Unterschied zwischen den Extremen aber klein ist, oft weniger als 20%. Wichtiger ist der Fall D), da versucht man, die Polung des ungeerdeten Geräts zu finden, bei der die Spannung absolut am kleinsten ist, weil das wieder kleineren Ausgleichsstrom und kleinere Störspannung bedeutet -- die aber beide insgesamt viel größer sind (typisch: Faktor 10) als im allseitig ungerdeten Fall. Der Fall E) (zwei "verschieden" geerdete Geräte) kann durch "Ausphasen" (hier: Polung mit dem jeweils niedrigsten Strom auf dem Schutzleiter) NICHT verbessert werden, denn der Störstrom kommt ja vor allem extern zustande, durch einen warum auch immer vorhandenen Spannungsunterschied der Schutzleiter/Erden. Jedoch, hängen zwei geerdete Geräte an der gleichen Steckdosenleiste und damit am gleichen Schutzleiterpotential, sind die Störströme wieder nur allein die, welche durch die Kopplung der Netzteile intern entstehen, und dann kann die Polung mit dem geringsten Schutzleiterstrom (pro Gerät unabhängig zu ermitteln) schon wieder etwas Besserung bringen, aber wieder nur im Bereich von vielleicht 20%. (Sorry, dass es etwas gedauert hat. Und falls jemand Fehler im Text oder den Skizzen findet, bitte melden, per PM) Fortsetzung (die Praxis) folgt. Grüße, Klaus ________ ~~rÖhren~~hÖrner~~dipÖle~~ ++trAnsen++wAveguides++bAssnieren++ LF-Testsignale [Beitrag von KSTR am 11. Aug 2006, 01:49 bearbeitet] |
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