Erdschleife
Brummschleife ist ein Ausdruck der Tontechnik. Er bezeichnet eine geschlossene Schleife der Masseverbindung einer elektrischen Verkabelung, die einen ungewollten und störenden Brummton in tontechnischen Anlagen hervorbringt.
Brumm- und Erdschleifen haben auch in messtechnischen Installationen und im Labor störende Auswirkungen.
Die Ursache kann auf dem Induktionseffekt beruhen. Dieser besteht darin, dass in elektrischen Leitern, die sich in einem veränderlichen Magnetfeld befinden, eine elektrische Spannung hervorgerufen wird. Bei ungünstiger Auslegung der Verkabelung und/oder der beteiligten Geräte wird die induzierte Spannung in das Nutzsignal eingekoppelt und mit diesem zusammen z. B. über die Lautsprecher wiedergegeben.
Eine häufigere Ursache sind jedoch auf den Masseverbindungen fließende Ausgleichsströme, die durch geringfügig abweichende Erdpotentiale (z. B. der Antennenleitung und des Schutzleiters) entstehen und Spannungsabfälle auf den Masseverbindungen der Signalmasse verursachen. Diese Spannungsabfälle addieren sich direkt zum Nutzsignal.
Den störenden Effekt von Brummschleifen versucht man aus verständlichen Gründen zu vermeiden. Dazu gibt es folgende Strategien. Es hängt von den Umständen ab, welche Strategie zum Erfolg führt.
Auftrennen der Schleife
Diese Maßnahme ist, wann immer möglich, den anderen Lösungen vorzuziehen.
Wenn die Schleife an einer Stelle unterbrochen wird, dann kann auch kein Brummstrom mehr durch die Schleife fließen, und das störende Brummen verschwindet. Diese Unterbrechung kann an vielen Stellen erfolgen, aber sie steht oftmals im Konflikt mit anderen Erfordernissen, wie z. B. Sicherheit und Unempfindlichkeit gegenüber Einstrahlung von Funksignalen. Wenn also die Brummschleife an einer bestimmten Stelle unterbrochen werden soll, muss man sich zunächst vergewissern, dass dadurch kein Sicherheitsrisiko entsteht – man könnte sich und andere ansonsten gefährden.
Tontechnische Geräte verfügen gelegentlich über einen sog. "Groundlift" Schalter. Mit diesem kann die Verbindung zwischen dem Schutzleiteranschluss des Geräts und der Signalmasse im Gerät aufgetrennt werden. Dadurch kann die Brummschleife entfernt werden, wenngleich dadurch Nachteile für die Unempfindlichkeit gegenüber Funkeinstrahlungen und anderen kapazitiven Störeinflüssen entstehen können.
Eine gute Lösung kann ein Kondensator (ca. 0,1 µF) zwischen Signalmasse eines Gerätes und dessen Schutzleiter/Gehäuse sein: der Kondensator bildet gegenüber dem Brummstrom einen hohen Widerstand, gewährleistet jedoch weiterhin die Abschirmwirkung des Gehäuses gegenüber höherfrequenten Störungen.
Voraussetzung für diese beiden Maßnahmen (Groundlift-Schalter oder Kondensator) ist eine sog. Sichere Trennung zwischen netzspannungsführenden Teilen einerseits und Audiosignale als Niederspannung andererseits: die Geräte müssen die Anforderungen an eine Schutzkleinspannung (PELV - Protective Extra Low Voltage) erfüllen.
In Antennenleitungen - sie sind oft die Ursache der Brummschleife - kann ein Mantelstromfilter eingefügt werden. Dadurch wird der Außenleiter aufgetrennt und so die Brummschleife unterbrochen. Manchmal reicht es aber bereits aus, den Verstärker von sämtlichen Antennenleitungen zu trennen. Dies kann beispielsweise das Antennenkabel zum Radioempfang via Kabel sein oder das Audiokabel zum Fernseher (da dieser meist an eine Antennenleitung angeschlossen ist).
In die Signalverkabelung der HiFi-Anlage kann ein Übertrager eingefügt werden. Dadurch wird die Verbindung der Signalmassen aufgetrennt.
Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen ist wiederum davon abhängig, ob der Verlauf der Brummschleife richtig eingeschätzt wurde.
Verringerung des erzeugenden Magnetfeldes im Bereich der Schleife
Induktion in Brummschleifen entsteht durch die zeitliche Änderung magnetischer Streuflüsse die beispielsweise durch Hausinstallation, elektrische Bahnen oder Transformatoren hervorgerufen werden können.
In der Praxis haben netzfrequente Magnetfelder die größte Bedeutung, denn wir sind umgeben von elektrischer Verkabelung, die der Stromversorgung der Haushalte und der Industrie dient. In Europa arbeitet man mit einer Netzfrequenz von 50 Hz (Nordamerika: 60 Hz). Durch die Stromflüsse in der Netzverkabelung, Transformatoren und dgl. werden zeitlich verändliche magnetische Flüsse erzeugt, die sich mit dieser Frequenz periodisch ändern. Die magnetische Flussdichte ist dabei in der Nähe von stromführenden Leitungen stärker als in größerer Entfernung. Die Netzfrequenz von 50 Hz liegt im unteren Bereich der vom menschlichen Ohr wahrnehmbaren Frequenzen und wird deshalb als Brummton wahrgenommen.
Straßenbahnoberleitungen und deren Speiseleitungen und Schienen können Störungen bei 300 Hz verursachen, welche im Unterwerk beim Gleichrichten aus dem Drehstromnetz entstehen (Ripplestrom).
Die Verringerung des magnetisches Flusses in der Brummschleife gelingt entweder dadurch, dass man die gestörte Leiterschleife an einem Ort platziert, welche weiter entfernt vom Verursacher ist. Oder dadurch, dass man die ansich unerwünschten magnetischen Streuflüsse am Verursacher durch entsprechende Führung minimiert. Abschirmungen von äußeren magnetischen Feldern direkt an der Brummschleife sind aufgrund der Quellenfreiheit des magnetischen Feldes nicht möglich. Beispielsweise werden Netztransformatoren hochwertiger Tonbandgeräte und magnetisch abgetasteter Plattenspieler durch Kapselung in magnetisch gut leitfähigen Gehäusen wie beispielsweise MU-Metall montiert, um den magnetischen Streufluss außerhalb des Transformators zu minimieren.
Falsch konstruierte Audiogeräte haben manchmal intern Erdschleifen oder ungünstige Masseführung und können durch den eigenen Netztransformator oder nahgelegene andere Netztransformatoren gestört werden.
Verringerung der induzierten Spannung in der Schleife
Die in einer Leiterschleife induzierte Spannung ist proportional zur Fläche, die von der Schleife umschrieben ist. Man kann also den störenden Effekt vermindern, indem man die umschriebene Fläche verkleinert. Zunächst wird es dazu in der Praxis nötig sein, festzustellen, welchen Weg die Schleife tatsächlich nimmt. Ein Beispiel soll das illustrieren:
Ein Fan klassischer Musik bemerkt in seiner HiFi-Anlage einen störenden Brummton. Dieser verschwindet, wenn der Antennenanschluss des Radioempfängers abgezogen wird. Es handelt sich offensichtlich um eine Schleife, die die Antennenverkabelung des Hauses mit einschließt. Dazu muss man folgendes wissen:
- Der Außenleiter (Abschirmung) des Antennenkabels ist mit der Erde verbunden. Das ist aus Sicherheitsgründen und für einen guten Empfang erforderlich.
- Der Schutzleiter der Netzsteckdose ist – ebenfalls aus Sicherheitsgründen – mit der Erde verbunden.
- Das metallische Gehäuse vieler Geräte ist mit deren Schutzleiteranschluss verbunden.
- Die Signalmasse (der elektrische Bezugspegel für das Nutzsignal) ist bei HiFi-Geräten in der Regel mit dem Schutzleiter verbunden, falls die Geräte einen Schutzleiteranschluss haben.
- Der Außenleiter des Antennenanschlusses ist bei Radioempfängern in der Regel ebenfalls mit der Signalmasse verbunden.
Es ergibt sich somit die Möglichkeit einer geschlossenen Leiterschleife, die von der Erde über den Schutzleiter zur Signalmasse eines HiFi-Gerätes, und von dort über den Außenleiter der Antennenanlage wieder zurück zur Erde führt. Die von dieser Schleife umschriebene Fläche kann viele Quadratmeter betragen, da die beteiligten Leitungen durch das gesamte Haus gehen. Entsprechend groß kann die darin induzierte Spannung sein, die sich dann als Brummen in der HiFi-Anlage äußert.
Die Verkleinerung der umschriebenen Fläche kann nun z. B. dadurch erfolgen, dass man die beteiligten Leitungen nahe beieinander führt oder sogar miteinander verdrillt. Das ist insbesondere dann erfolgversprechend, wenn nicht die Gefahr besteht, dass andere Störungen von einer auf die andere Leitung übertragen werden. So ist es z. B. nicht ratsam, Netzkabel und Antennenleitungen eng nebeneinander zu führen, weil dann Schaltknackse (vom Ein- bzw. Ausschalten elektrischer Verbraucher) auf das Antennensignal übertragen werden können. Alternativ kann auch die Außenleitung des Antennenkabels näher an der HiFi-Anlage mit dem Schutzleiter verbunden und so einen Großteil der Schleifenfläche „abgeschnitten“ werden.
Generell hängt die Wirksamkeit dieser Strategie davon ab, dass zutreffende Annahmen über den Verlauf der Schleife getroffen werden. Diese Annahmen können überprüft werden indem die Wirksamkeit der darauf basierenden Gegenmaßnahmen beobachtet werden. In anderen Worten: Wenn eine Gegenmaßnahme nicht zufriedenstellende Ergebnisse liefert, spricht vieles dafür, das die Brummschleife anders verläuft als zuvor angenommen.
Verringerung des Einflusses der induzierten Spannung auf das Nutzsignal
Der in der Brummschleife umlaufende Störstrom beeinflusst das Nutzsignal deshalb, weil er mindestens zum Teil in der gleichen Verkabelung wie das Nutzsignal fließt. In der Regel fließt er dabei in der Verbindung der Signalmasse zwischen zwei Geräten. Da die Signalmasse den Bezugspunkt für die Übertragung des Nutzsignals von einem Gerät zum anderen darstellt, wird jeder Unterschied des Bezugspunktes zwischen den Geräten als Störsignal in Erscheinung treten. Wenn man also dafür sorgt, dass diese Bezugspunkte gleich bleiben, dann werden umlaufende Störströme keine Auswirkungen auf das Nutzsignal haben.
Es ist daher von Vorteil, wenn die Masseverbindung zwischen den Geräten möglichst wenig Widerstand hat. Das lässt sich durch Kabel und Steckverbindungen guter Qualität oder durch zusätzliche Masseverbindungen hohen Querschnitts erreichen. Manche Geräte besitzen hierzu zusätzliche Masseschrauben.
Noch bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Störströme nicht über die Signalmasse fließen. Die Störströme fließen dann über die Kabelabschirmung und die Signalmasse wird innerhalb dieser Abschirmung separat geführt.
In der professionellen Tontechnik wird mit symmetrischer Signalübertragung gearbeitet. Diese hat besonders günstige Eigenschaften zur Vermeidung von Brummstörungen. Das Nutzsignal wird dabei zweimal übertragen, einmal in normaler Form und einmal mit umgekehrter Polarität. Beim Empfänger wird zwischen beiden die Differenz gebildet. Dadurch erübrigt sich der Bezug auf die Signalmasse, die darum gar nicht im Kabel mitgeführt zu werden braucht. Eventuell auftretende Brummschleifen werden dadurch vom Nutzsignal ferngehalten, und Unterschiede im Pegel der Signalmassen zwischen verschiedenen Geräten verursachen keine Probleme.
