HMS Elektronik – Kabel, Netzfilter & Zubehör – Alles Voodoo oder was? – Teil 1

Teil 1 von insgesamt 3 Teilen des ausführlichen FIDELITY-Interviews mit HMS-Chef Hans M. Strassner. Bild & Diagramme: HMS

Teil 1 – Kabel, Netzfilter & Zubehör

Teil 2 – Brummschleifen und Netzverkabelung

Teil 3 – Elektrosmog und Hochfrequenzbelastungen im Stromnetz

 

FIDELITY bat Hans M. Strassner, Chef der HMS Elektronik GmbH, zu einem ausführlichen Interview. Der Ingenieur für technische Physik hat sich nicht nur durch seine Produkte, sondern auch durch Vorträge und Veröffentlichungen zum Thema Kabel und Co. einen Namen gemacht und versteht es, komplexe Zusammenhänge auch für den Nichtfachmann verständlich darzustellen. So wurde aus dem ursprünglichen Interview eine hochinteressante, umfangreiche Technikstrecke, die wir nun in mehreren Teilen veröffentlichen werden. Lesen Sie in der vorliegenden Ausgabe Teil 1 unseres Interviews.

FIDELITY: Herr Strassner, die HMS Elektronik GmbH trägt als Handelsregistereintrag den Untertitel „Messtechnik für Forschung und Industrie“. Was ist darunter zu verstehen?

Bei Gründung der HMS Elektronik 1975 erhielten wir die Vertriebsrechte eines führenden US-Herstellers in der Lock-in-Verstärkertechnologie – eine Gerätetechnik, mit der kleinste und von daher immer stark gestörte periodische Signale messbar werden. Darunter sind Signale im Picovolt- und Femtoampere- Bereich zu verstehen. In Zahlen ausgedrückt sind das (notiert auf Papier) 0,000.000.000.001 Volt bzw. 0,000.000.000.000.001 Ampere. Derartig kleine Signale sind typisch für die Grundlagenforschung in sehr vielen Fachbereichen wie etwa Kern- und Atomphysik, Optik, Biologie, Medizintechnik bis hin zu Astrophysik. Für die damals aufkommende Entwicklung von Glasfaser-Lichtwellenleitern entwickelte und fertigte HMS eine abgestrippte Version der ansonsten komplexen Laborgeräte für elektrooptische Dämpfungsmessungen im industriellen Produktionseinsatz. Diese industrieanwendungstauglichen Lock-in- Verstärkersysteme wurden durch unseren US-Partner weltweit mit vertrieben.

FIDELITY: Im Zusammenhang mit HiFi-Kabeln fiel der Name HMS erstmals 1993/94 in einem Testbericht, der für Furore sorgte. Wie kamen Sie eigentlich dazu, Kabel zu fertigen?

Stimmt, dieser Testbericht hat vieles losgetreten. Bei uns stand das Telefon für Tage nicht still. Wie es dazu kam, ist tatsächlich erklärungsbedürftig und in der Rückschau schon fast skurril. Der damalige US-Präsident Reagan kündigte ein Programm an, das unter dem Spitznamen „Star Wars – Laserkanonen im All“ lief. Unser US-Partner hatte mit seiner Abteilung „Space“ bereits Hubble und viele andere, auch militärische Satelliten mit Steuerungsplattformen zur Ausrichtung im All ausgerüstet. Hier stand also ein Großauftrag ins Haus – mit der Folge, dass sich unser Partner auf „Space“ konzentrierte und die Messtechniksparte verkaufte. Keine gute Entscheidung für HMS, wir verloren damit unseren weltweiten Vertrieb. Kurz darauf – und das ist wohl die positive Folge der „Star Wars“- Drohung – kam die Wiedervereinigung. Für viele Anbieter von Forschungsgeräten und auch für uns brachen harte Zeiten an. Die Forschungsgelder wurden eingefroren und für die Sanierung der Gebäude der Ost-Universitäten eingesetzt. Finanziert wurden nur noch Sonderforschungsbereiche. Hierzu gehörte das Anfang der 90er Jahre stark beforschte Thema Supraleitung. HMS hatte einen solchen Messplatz entwickelt und im Angebot. Neben der hochempfindlichen Elektronik – es mussten Widerstandsänderungen von einem Nano-Ohm in stark störendem Umfeld gemessen werden – gehörten auch extrem verlustarme Verbindungskabel dazu, die immun gegen starke Magnetfelder sind. Die gab es nirgendwo zu kaufen, also war Eigenherstellung angesagt. Ein solches Kabel schickten wir als Lautsprecherkabel konfektioniert an den Redakteur eines Fachverlages (stereoplay), der heute übrigens auch für FIDELITY schreibt. Der dann folgende Testbericht hat uns bestätigt, das gewünschte zweite Standbein gefunden zu haben. Noch dazu auf einem Gebiet, das ich als Jugendlicher intensiv als Hobby verfolgte.

FIDELITY: Inzwischen umfasst das HMS-Programm ja die gesamte Palette vom Lautsprecherkabel bis hin zu Netzkabeln und einer Reihe von Netzfiltern …

Ja, bei deren Entwicklung konnten wir natürlich von unserer Arbeit im Forschungsbereich profitieren. Technische Anforderungen wie etwa Verlustarmut, Einstreufestigkeit oder Netzstörungen sind hier ebenfalls wichtige Themen. Und dass die Anwendung unserer Erfahrungen in besonders klangneutralen HiFi- Produkten mündet, wurde ja hinlänglich bewiesen und hat mit Voodoo rein gar nichts zu tun.

FIDELITY: Was sagen Sie Ihren Kunden zu den klanglichen Einflüssen von Netzkabeln? Denn die spielen doch bei der Übertragung des Musiksignals offenbar keine Rolle?

Die wohl am häufigsten gestellte Frage lautet sinngemäß: „Wie kann es sein, dass das letzte Stück Netzkabel als Komponenten-Anschlusskabel den Klang meiner Anlage verbessern soll, wenn doch viele Meter einer Standard-Netzleitung in der Wand vorgeschaltet bleiben?“ Nun, es erscheint zunächst auch ohne Erklärung logisch, dass eine eigene, nur für die HiFi-Anlage gelegte, querschnittstärkere Netzleitung ab Zählerkasten in der Wand positive Auswirkungen haben wird. Dennoch kann man so auch eine Enttäuschung erleben, denn der Aufwand der Nachrüstung steht in keinem guten Verhältnis zum klanglichen Zugewinn. Wer neu baut, sollte allerdings gleich eine „HiFi-Leitung“ legen lassen; über die Leitungsqualitäten, die Sicherung und Steckdosen spreche ich später noch. Viel wichtiger ist es, mit den Komponenten-Zuleitungskabeln zu beginnen.

Entstehung von Differenzspannungen in den letzten 1,5 Metern

Entstehung von Differenzspannungen in den letzten 1,5 Metern

Wie Abbildung 1 für eine einfache, nur aus CD-Player und Vollverstärker bestehende Anlage zeigt, ist die vom Zählerkasten über die Sicherung und die Leitung in der Wand bis zur 2-fach-Steckdose gelangende Netzspannung an jedem Steckplatz gleich. Instabilitäten und überlagerte Störungen wirken sich hier noch für beide Komponenten gleich aus. Gegen diese als sogenannte Gleichtaktstörung auf unsere Komponenten einwirkende Störungsart sind die Geräte innerhalb gewisser Grenzen recht unempfindlich – solange es sich nicht um Hochfrequenz handelt –, denn es entsteht keine Spannungsdifferenz zwischen ihnen. Niederfrequente, also langsame Spannungsänderungen werden von fast immer vorhandenen Spannungsstabilisatoren auf der Gleichspannungsseite unserer Komponenten ausgeregelt. Ganz anders sieht die Situation allerdings aus, wenn man den unterschiedlichen Stromfluss zu den Komponenten auf den letzten anderthalb Metern Netzkabel von einer gemeinsamen Steckdosenleiste aus betrachtet. Der CD-Player nimmt eine geringe Leistung auf und dies auch konstant, unabhängig von der gehörten Musik. Die daraus resultierenden Spannungsabfälle am ohmschen und induktiven Widerstand der Netzleitung, den Kontaktübergangswiderständen des Schukosteckers und des Kaltgerätesteckers sind typischerweise eher gering, sofern wir hier nur die durch die gemittelte Stromaufnahme bedingten Spannungsabfälle betrachten. Der Vollverstärker jedoch nimmt deutlich höhere Leistung auf und dies auch noch in unmittelbarer Abhängigkeit zu der gehörten Musik und der Lautstärke. Der Spannungsabfall auf seinem Anschlusskabel mit allen Übergangswiderständen ist deutlich höher und ständig schwankend. Es entsteht eine Netzspannungsdifferenz am rückwärtigen Netzeingang beider Komponenten. Und wie das mit Differenzen so ist, versuchen diese sich auszugleichen.

FIDELITY: Dies kann dann aber nur über die Wicklungskapazitäten der Transformatoren für die hochfrequenten Anteile der Differenzspannung erfolgen, denn die Primärwicklungen der Transformatoren sind ja galvanisch von der Sekundarseite isoliert …

Das ist richtig. Abbildung 2 zeigt den typischen Aufbau eines Netzteiles und mit C1 und C2 die durchaus unterschiedlich großen Ersatzkapazitäten der Wicklungskapazität.

Typische Gleichrichterschaltung

TR Transformator
C1 – C2 Wicklungskapazität
GL Brückengleichrichter
C Ladekondensator
ST Stabilisator

Hierüber fließen die höherfrequenten Anteile der ungewollt erzeugten Differenzspannung von Masse beispielsweise über die Cinch-Signalkabel ab. Ein Störstrom auf dem Schirm der Signalleitung? Das kann nichts Gutes bedeuten. Ganz nebenbei: Dies erklärt auch, warum die Ratschläge der Hersteller und der Fachpresse richtig sind, die Massekontakte der Cinchbuchsen und Kabelstecker sauber zu halten und auf festen Sitz zu achten. Würde man durch Verschmutzung oder zu geringen Kontaktdruck einen Übergangswiderstand von beispielsweise 100 mOhm zulassen, wäre dies für den Signalstrom wegen der Impedanzverhältnisse von typisch 1 bis 100 Ohm für die Quelle und 10 bis 100 Kiloohm für den Folgeverstärker kein ernsthaftes Problem. Das Nutzsignal würde günstigstenfalls einen Abfall von 0,001 ‰ bis ungünstigstenfalls von 0,01 ‰ erleiden. Ganz anders sieht es dagegen mit dem Störstrom aus. Dieser treibt mit zunehmender Frequenz immer niederohmiger werdend einen größeren Strom durch die verschmutzten Kontakte. Der entstehende Spannungsabfall am Übergangswiderstand wie auch am Kabel addiert sich unmittelbar zum Nutzsignal.

FIDELITY: Dann sollten XLR-Verbinder dieses Problem nicht haben?

Das ist grundsätzlich richtig wegen der Gleichtaktunterdrückung dieses Verstärkertyps, die allerdings zu hohen Frequenzen hin sukzessive nachlässt. Und noch ein Phänomen hängt mit der Trafowicklungskapazität C1/2 zusammen, nämlich das Thema „Ausphasen“ – dem Highender vielleicht bekannt. Sind C 1/2 sehr klein (< 100 pF) oder gleich groß, wird man keine klangrelevante Abhängigkeit der Netzsteckerpolung in der Verteilerleiste feststellen. Sind C1 und 2 aber sehr groß (>> 100 pF) und unterschiedlich – wie bei vielen Geräten der Fall –, sollte man auf korrektes Ausphasen keinesfalls verzichten. Über eine Empfehlung, wie man das auch ohne Messgeräte tun kann, sollten wir später noch einmal reden. Zunächst möchte ich noch auf einen sehr wichtigen Aspekt hinweisen, der durch die Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung entsteht. Die typische Anordnung im Netzteil, bestehend aus Transformator TR, Vollweggleichrichter GL und Ladekondensator C, (Abb. 2) erzeugt sehr kurze und kräftige, das Netz weit über die mittlere Stromentnahme hinaus belastende Impulse.

Entstehung von Stromimpulsen durch Wechselspannungs- / Gleichspannungsumformung

Entstehung von Stromimpulsen durch Wechselspannungs- / Gleichspannungsumformung

Wie Abbildung 3 zeigt, leitet der Gleichrichter nur während eines kurzen Zeitfensters pro Halbwelle der Wechselspannung, um den Ladekondensator nachzuladen. Wählt der Konstrukteur eine besonders geringe Restwelligkeit der Gleichspannung als Ziel, muss er den Ladekondensator vergrößern. Dies führt zu immer kürzeren Ladestromimpulsen, die in kürzerer Zeit die gleiche Ladungsmenge befördern müssen, das heißt, die Ladestromspitzen werden immer größer. Der nur während dieses kurzen Impulses stromliefernde Transformator (vereinfachte Darstellung) entnimmt einen entsprechend seinem Wicklungsverhältnis reduzierten Stromimpuls aus der 230-Volt-Netzleitung. Dieser erreicht aber dort noch Werte, die leicht den 10- bis 20-fachen Nennstromwert übersteigen. Ein ganz normaler 100-Watt- Verstärker erzeugt also Stromspitzen von bis zu zehn Ampere und dies periodisch mit 100 Hertz. Nimmt man diesen Wert und die Tatsache, dass es sich bei diesen Impulsen um ein sehr oberwellenreiches Signal handelt, wird klar, dass die ohmschen und speziell induktiven Widerstände der Netzleitung und auch die Übergangswiderstände der Schuko- und Kaltgerätestecker eine entscheidende Rolle spielen. An ihnen baut sich ein Spannungsabfall proportional zum Widerstandswert auf, entsprechend dem Augenblickswert des Stromes und seines impulsbedingten, hohen Frequenzinhaltes. Die Höhe dieses Spannungsabfalls erreicht leicht mehrere Volt, wie der Impedanzverlauf zweier Kabel nach Abbildung 4 zeigt.

Impedanzverläufe von unzerschiedlichen Kabeln

Impedanzverläufe von unzerschiedlichen Kabeln

Übrigens lässt sich mit einem batteriebetriebenen Taschen- oder Kofferradio leicht nachweisen, dass dieser Störstrom sehr hochfrequente Anteile besitzt: Gehen Sie mit der Antenne dicht an das Netzkabel der Endstufe heran, und Sie werden im LW- und MW-Bereich die Störspannung akustisch feststellen können. Der induktive Widerstand wurde und wird meist noch unzureichend beachtet. Dies ist jedoch angesichts des impulshaften Stromflusses eindeutig ein Fehler. Es nutzt wenig, die Querschnitte der Kabel auf Daumendicke zu vergrößern, wenn nicht gleichzeitig die Induktivität drastisch reduziert wird. Die Störung durch Differenzspannungen ist in jeder Anlagenzusammenstellung zu erwarten und unabhängig vom Einsatzort, weil selbst erzeugt. Dies erklärt, warum Netzkabel – die berühmten „letzten eineinhalb Meter“ – selbst unter sauberen Netzbedingungen und geringem Elektrosmog noch deutliche Verbesserungen erwarten lassen.

FIDELITY: Also keinesfalls Voodoo! Folgt man der Erklärung bis hierher, muss man zu dem Schluss kommen, dass dies speziell auf die Hochstrom-Verbraucher wie Vollverstärker und Endstufen zutrifft?

In der Praxis zeigt sich, dass digital arbeitende Geräte wie etwa CD-/DVD-Player und alle Videokomponenten ebenso wichtig sind. Die internen Arbeitsfrequenzen dieser Geräte liegen im hohen MHz-Bereich. Natürlich versucht ein Teil dieser Frequenzen das betreffende Gerät, trotz bester Schirmung, über die Transformator-Wicklungskapazitäten C1/C2 und das Netzkabel nicht nur gegen Erde fließend zu verlassen. Hat das Netzkabel eine hohe Induktivität, entsteht unabhängig davon, ob geschirmt oder nicht, ein hoher Spannungsabfall dieses Frequenzinhaltes. Diese hochfrequente Differenzspannung sucht ebenfalls über die Signalverbindungen fließend den Ausgleich und kann so zu intensiven Störungen Anlass geben. In einer HiFi- oder Heimkinoanlage profitieren also alle Endstufen sowie digital oder im Video- und HF-Bereich arbeitende Geräte von einem hochwertigen Netzkabel. Rein analoge Komponenten wie Vorverstärker oder Tapedecks sind unkritischer. Die Netzkabel sollten möglichst niederinduktiv und von höherem Querschnitt sein. Drei Quadratmillimeter bei einer Induktivität von weniger als 150 nH pro Meter ist eine gute Empfehlung. Eine Schirmung ist nicht erforderlich, denn eine niederinduktive Leitung besitzt gleichzeitig auch eine niedrige Streuinduktivität. Wo wenig herausstreut, streut auch wenig ein. Ein Schirm ist leider auch nur gut für die elektrische Komponente eines nicht stromdurchflossenen Kabels. Die bei Stromfluss entstehende zusätzliche magnetische Komponente des dann elektromagnetischen Feldes kann er nicht verringern; es kann sogar zu ungewollten Schirmresonanzen mit negativen Folgen für den Klang kommen. Natürlich sollten die Netzkabellängen so kurz wie möglich und die Kontaktqualitäten zur Erzielung niedriger Übergangswiderstände so hochwertig wie möglich gehalten werden (siehe die Messergebnisse zu Schuko- Steckern und -Dosen). Es ist weiterhin besonders wichtig, dass alle Komponenten einer Anlage aus möglichst nur einer hochwertigen Steckdosenleiste betrieben werden, bestenfalls mit integrierten, komponentenspezifisch getrennten Filtern gegen die bis jetzt noch gar nicht angesprochenen hochfrequenten Störungen aus dem Netz. Wo dies nicht ohne Schwierigkeiten oder Kabelsalat im Wohnzimmer möglich ist, etwa bei Anschluss aktiver Lautsprecher, aktiver Subwoofer oder Projektoren, lassen sich hohe Differenzspannungen wegen der Benutzung unterschiedlicher Steckdosen im Raum nicht verhindern. Kann man die Ursache schädlicher Ausgleichsströme nicht vermeiden, lassen sich deren Auswirkung auf Ton und Bild aber noch mit anderen Mitteln unterdrücken. HMS hält ein breites Programm hochwirksamer Filter für alle Einsatzbereiche von Video-, Digital- und Audio-Filtern bereit (Silenzio SAT bis Silenzio- Audio-Mantelstromfilter, siehe auch „Konsequent gegen Brumm- und Interferenzstörungen – die HMS Silenzio- Mantelstromfilterserie“). Dies gilt auch für SAT-TV und UKW/TV über Kabelanschluss, wo Ausgleichsströme, das heißt Brummschleifen, wegen der zweiten Masse (Erde) über die Antenne praktisch unvermeidlich sind.

Mir ist schon klar, das dies alles ein „dickes Pfund Technik“ und vielleicht nicht unbedingt allgemein verständlich ist. Ich bin aber gerne bereit, Fragen der FIDELITY-Leser am Telefon gezielt und verständlich zu beantworten. Meine Durchwahl ist 02171 734007.

Im Teil 2 unserer Serie „Alles Voodoo oder was?“ spricht Hans M. Strassner über Brummschleifen und Netzverkabelung.

 

www.hmselektronik.com

 

Dieser Beitrag erschien ursprünglich in FIDELITY Nr. 9 (5/2013)

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