Erdschleife
Die Brummschleife oder besser die Erdschleife ist ein Begriff aus der Elektronik und Tontechnik. Er bezeichnet eine geschlossene Schleife der Masseverbindung einer elektrischen Verkabelung, die zum Beispiel einen ungewollten und störenden Brummton in tontechnischen Anlagen hervorbringt.
Schließt man die Sekundärwicklung eines Transformators kurz, so wird darin der maximal mögliche (Wechsel-) Strom induziert, der sogenannte Kurzschlußstrom. Bei diesem Strom fließt auch in der Primärwicklung maximaler Strom, die Induktion in das Umfeld wird maximiert.
Verbindet man die Masse von mehr als zwei Geräten über geschirmte Leitungen oder Schutzkontakte, so wirkt diese Anordnung auf alle Störquellen (Trafos, Kabel usw.) der Umgebung wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung eines Transformators. Alle Störquellen induzieren maximalen Strom in die entstehende Schleife, die nun wie eine kurzgeschlossene Sekundärwindung eines Transformators wirkt.
Fließt in dieser Kurzschlußwindung oder sogenannten Erdschleife aber ein Wechselstrom, so bildet dieser seinerseits wieder ein Magnetfeld aus (rechte-Hand-Regel). Das Magnetfeld aber bewirkt wieder eine Induktion in die in den geschirmten Leitungen liegenden Signalkabel.
Damit brummt es, sobald eine Erdschleife geschlossen wird.
Zum Bild: Ein Streustrom eines Gerätetransformators möge in der Erdschleife A,B,C einen Strom induzieren. Dann induziert dieser wiederum einen Strom als Störung in ein Signalkabel.
Einfachste Abhilfe schafft Schutzisolation. Praktisch alle Konsumgeräte sind schutzisoliert.
Regeln zur Vermeidung von Erdschleifen siehe Symmetrische Signalübertragung.
Von besonderer Brisanz sind Erdschleifen in Audiogeräten. Werden Eingangsbuchsen (Cinch) auf Masse gelegt, und arbeiten Lautstärkepoti sowie Endstufen gegen Masse, so sind interne Erdschleifen unvermeidbar, die Streuinduktionen des Netztransformators aufnehmen. Es brummt.
Insbesondere die Anfänge der elektronischen Datenverarbeitung (RS-232, Parallelport) waren von permanenten Problemen mit Erdschleifen begleitet. Damals waren EDV-Geräte meist mit Schutzerde (Schuko) ausgerüstet. Die Außenleiter von abgeschirmten Kabeln zwischen den Geräten erzeugten dann Erdschleifen, die die Datenübertragung stören konnten.
Im Maschinenbau treten Erdschleifen häufig bei über Koaxleitungen angeschlossenen Sensoren auf. Wird zum Beispiel ein Beschleunigungsaufnehmer an einen geerdeten Eingang angeschlossen, so wird die Erdschleife über das Gehäuse der geerdeten Maschine geschlossen.
Praktische Erklärungen entstehender Effekte
Brumm- und Erdschleifen haben auch in messtechnischen Installationen und im Labor störende Auswirkungen. Auffällig ist, dass die Tonhöhe des Brumms ganz in der Nähe des Tones G liegt, was wiederum mit der Netzfrequenz zu tun hat, die in Europa einheitlich bei 50 Hertz liegt. Zu hören und zu messen sind nie der Grundton "G" als Frequenz f von 50 Hz, sondern immer nur die Harmonischen f2, f3, f4 usw. mit unterschiedlichen Anteilen. Meistens sind auch die 100 Hz kaum vorhanden, mehr jedoch 150 Hz, 200 Hz und 250 Hz. In den USA sind das bei einer Netzfrequenz von 60 Hz die Harmonischen von 180, 240 und 300 Hz. An der Tonhöhe des leisen Brumms ist beispielsweise bei einer Tonaufnahme feststellbar, ob diese in den USA oder Europa gemacht wurde. In den USA liegt die Brummtonhöhe eine Terz höher als in Europa, also bei etwa dem Ton der schwarzen Taste "B". Der Brummton kann hier jedoch auch von Leuchtstofflampen kommen.
Auch auf Fernsehsignale kann sich eine Brummschleife auswirken, man sieht dann häufig ein dem Bild überlagertes, hin und her wanderndes Streifenmuster. Fernseh- und Audiogeräte für den Hausgebrauch waren bisher gemäß der Schutzklasse II aufgebaut und daher nicht mit einem geerdeten Netzanschluss versehen. Mit dem zunehmenden Einsatz von Multimedia-PCs und ursprünglich aus dem Computerbereich stammenden Bildschirmgeräten, die im Allgemeinen über einen geerdeten Netzanschluss verfügen, werden durch die hierbei auftretenden Brummschleifen oft jahrzehntelang unbemerkte Fehler in der Hauselektrik oder der Antennenverkabelung offenbart.
Es gibt drei Ursachen für Brummschleifen. Erstens kann ein Transformator nicht als Toroid ausgeführt sein und ein magnetisches Dipolfeld in seiner Umgebung hervorrufen, das in Schleifen (sozusagen Sekundärwicklungen) eine Spannung induziert. Zweitens kann ein Transformator eine zu hohe kapazitive Kopplung zwischen seinen beiden Wicklungen aufweisen, sodass die Sekundärwicklung die nicht ausbalancierten Spannungen spürt (beim Haushaltswechselstrom ändert nur ein Leiter das Potential, gestapelte Transformatoren weisen eine asymmetrische Kopplung auf). Eine Abschirmung koppelt genauso an die Primärwicklung. Drittens können Transformatoren (oder Operationsverstärker oder bei höheren Frequenzen Baluns) komplett fehlen und, wenn dann ein elektrischer Verbraucher die Masse hochzieht, spüren dieses wegen des endlichen ohmschen Widerstandes alle anderen Verbraucher in der Nähe aber nicht die in der Ferne. Üblicherweise wird die Fläche innerhalb von Schleifen gering gehalten, indem verdrillte Paarleitungen oder Koaxialleitungen verwendet werden. Wenn ein Kontakt vergessen wird oder ausfällt, vergrößert sich die Schleife auf die nächstgelegene Masse. Anstatt eines Totalausfalls des Gerätes tritt dann Brummen auf.
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 zum Beispiel über die Lautsprecher wiedergegeben.
Eine häufigere Ursache sind jedoch auf den Masseverbindungen fließende Ausgleichsströme, die durch geringfügig abweichende Erdpotentiale (zum Beispiel der Antennenleitung und des Schutzleiters) entstehen und Spannungsabfälle auf den Masseverbindungen der Signalmasse verursachen. Diese Spannungsabfälle addieren sich direkt zum Nutzsignal.
Vermeidung einer Brummschleife
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 zum Beispiel 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 sogenannten "Groundlift"-Schalter. Mit diesem kann die Verbindung zwischen dem Schutzleiteranschluss des Gerätes 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.
Auf keinen Fall sollte eine Trennung der Masseverbindungen durch das häufig anzutreffende Abkleben der Schutzkontakte des Netzanschlusses der Geräte geschehen. Hierbei wird die Schutzfunktion aufgehoben, was im Fehlerfall zu lebensgefährlichen Spannungen an den Gerätegehäusen führen kann.
Eine gute Lösung kann ein Kondensator (etwa 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 sogenannte 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. Dieses kann beispielsweise das Antennenkabel zum Radioempfang über ein Kabel sein oder das Audiokabel zum Fernseher, da dieser meistens 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 dergleichen werden zeitlich veränderliche 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 gehörten Frequenzen und wird als Brummton mit allen seinen stark vorhandenen Obertönen wahrgenommen. Die Netzfrequenz selbst ist als Ton dabei so gut wie nicht vorhanden!
Straßenbahnoberleitungen und deren Speiseleitungen und Schienen können Störungen bei 300 Hz verursachen, die im Unterwerk beim Gleichrichten aus dem Drehstromnetz entstehen (Ripplestrom).
Die Verringerung des magnetischen Flusses in der Brummschleife gelingt entweder dadurch, dass man die gestörte Leiterschleife an einen Ort platziert, der weiter entfernt vom Verursacher liegt, oder dadurch, dass man die unerwünschten magnetischen Streuflüsse am Verursacher durch entsprechende Führung minimiert. 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. In professionellen Anwendungen befinden sich viele Metallgehäuse, in Metallracks geschraubt, mit Schutzkontaktsteckern angeschlossen und mit masseführenden Außenleitern von Koaxialkabeln gegenseitig verbunden auf engem Raum. Manchmal dienen diese Geräte zur Steuerung einer großen Maschine aus Metall. Dadurch wird die Masse sehr niederohmig und die das Magnetfeld verringernden Ströme (Gegen-induktion) führen zu ganz geringen Spannungen.
Falsch konstruierte Audiogeräte haben manchmal intern Erdschleifen oder ungünstige Masseführung und können durch den eigenen Netztransformator oder nahgelegene andere Netztransformatoren gestört werden.
Eine andere Aufstellung von HiFi-Geräten kann ein durch Einstreuung von Netzteilen induziertes Brummen oft beheben. Zum Beispiel könnte der Transformator des Verstärkers in das Tape-Deck einstreuen, was durch eine Ortsveränderung (CD-Spieler dazwischenschieben) gegebenenfalls beseitigt werden kann. Häufiger Problemfall dieser Art in der Tontechnik ist zum Beispiel eine direkt auf einem Gitarren- oder Bassverstärker stehende DI-Box, die sich damit im Magnetfeld des Transformators befinden und Brummen erzeugen kann.
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.
Beispiel
Beim Musikhören mit einer HiFi-Anlage macht sich ein störender Brummton bemerkbar. Dieser verschwindet, wenn der Antennenanschluss des Radioempfängers abgezogen wird. Es handelt sich also um eine Schleife, die die Antennenverkabelung des Hauses mit einschließt. Dabei kommt folgendes zum Tragen:
- 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 zum Beispiel 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 zum Beispiel 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. Mit anderen Worten: Wenn eine Gegenmaßnahme nicht zufriedenstellende Ergebnisse liefert, spricht vieles dafür, dass 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 einen möglichst geringen 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 hierbei vom Nutzsignal ferngehalten und Unterschiede im Pegel der Signalmassen zwischen verschiedenen Geräten verursachen keine Probleme.
