Netzentstörung für Beginner
Hier sollen noch einmal Grundlagen und Hintergründe für die Netzentstörung im Audiobereich zusammengefasst werden.
Es geht also hier nur um die audiophilen Aspekte der Netzentstörung, also alles, was in Zusammenhang mit Netzstörungen und Netzentstörung innerhalb einer Musikwiedergabeanlage hörbar ist.
Es geht nicht um durch Netzstörungen verursachte Funktionsstörungen der Geräte.
Man darf davon ausgehen, daß EMV-Vorschriften und CE-Konformität hier für weitgehende Störungsfreiheit sorgen.
Worum geht es bei der Netzentstörung im Audiobereich?
Hochfrequente elektromagnetische Wellen treten überall auf, in der Luft (WLAN, DECT, DAB, DVBT usw.) und in der Netzstromversorgung (Schaltnetzteile, digitale Geräte allgemein, Power-LAN, Schaltregler für Beleuchtung, benachbarte Solar-Anlage u.v.m.).
Das EMV-Gesetz verpflichtet zwar die Hersteller, ihre Geräte konstruktiv so zu gestalten, daß durch externe hochfrequente Einflüsse diese in ihrer Funktion nicht gestört werden können und ihrerseits ebenfalls andere Geräte nicht durch emittierte Störungen in ihrer Funktion stören.
Zwischen einer echten "Funktionsstörung" und einer subtilen Klangveränderung liegen allerdings aus Sicht audiophiler Hörer noch Welten, die durch keine Vorschriften reguliert sind. Es liegt im Ermessen der Audiohersteller, ob sie ihre Geräte über die gesetztlich vorgeschriebene Störfestigkeit hinaus störungsfest konstruieren.
Die Erkenntnis, daß der Einfluß von HF-Störungen auch maßgeblich für den resultierenden Klang ist, hat sich allerdings noch nicht in breiter Front durchgesetzt. Es ist aber zweifellos feststellbar, daß sich "bessere" Geräte i.d.R. durch ein aufwendigeres gearbeitetes abgeschirmtes Gehäuse, aufwendigere gefilterte und stabilisierte Netzteile mit integrierter Netzfilterung auszeichnen. Allerdings sind diese Maßnahmenen ein erheblicher Kostenfaktor, den viele Hersteller scheuen. Wenn man es richtig machen will, dann sind z.B. gute Netzfilter teuer, großvolumig und benötigen ein eigenes abgeschirmtes Gehäuse, wenn sie wirklich effektiv sein sollen. Außerdem sind die individuellen Anforderungen an eine Netzentstörung von Standort und Anlagenkonfiguration abhängig, so daß eine "Vorausentstörung" nicht immer sinnvoll ist.
Daher hat sich um diesen Themenkomplex mittlerweile eine Sekundärindustrie entwickelt, die die nötigen externen Geräte für die Netzentstörung anbietet.
Wie wirken sich Netzstörungen auf den Klang aus?
Zunächst einmal sei betont, daß Netzentstörmaßnahmen keinen direkten Einfluß auf das Musiksignal haben können.
Das öffentliche Stromnetz soll eine Wechselspannung von 230V mit einer Frequenz von 50Hz und einem so niedrigen Innenwiderstand liefern, daß ein möglichst großer Strom (begrenzt nur durch die vorgeschriebenen Schutzeinrichtungen) fließen kann. Das jeweilige Netzteil des angeschlossenen Gerätes transformiert die hohe Spannung von 230V in eine (oder zwei) niedrigere Wechselspannung, wandelt sie durch Gleichrichtung in eine Gleichspannung um, die dann so gut wie möglich gefiltert und stabilisiert wird.
Filtern heißt hier: jegliche Wechselspannung so weit wie möglich entfernen. Es ist daher prinzipiell technisch nicht möglich und auch nicht gewünscht, daß sich eine "Klangsignatur" seitens irgendwelcher Netzentstörmaßnahmen auf die Sekundärseite des Netzteils hinüberretten kann. Ziel ist es nämlich, für die modulierenden Bauteile der Verstärkerschaltung ein möglichst sauberes und "unbeschriebenes Blatt" ohne eigene wie auch immer zustande gekommende "Klangsignatur" zur Verfügung zu stellen.
Das gelingt eigentlich mit entsprechend konstruierten Netzteilen bis zur einer gewissen Frequenz (< 1 MHz) ganz gut. Nach unten hin wird der Regelbereich durch die gewünschte Übertragungsbandbreite des Musiksignals begrenzt, schließlich soll das Musiksignal nicht weggeregelt werden. Konventionelle Netztrafos bieten zwar aufgrund der galvanischen Entkopplung zwischen der Primär- und Sekundärseite einen gewissen Schutz, aber durch die kapazitive Kopplung sinkt die Dämpfung mit der Höhe der Störfrequenz.
Hochfrequente elektromagnetische Wellen benötigen eigentlich keinen Leiter (im Gegenteil, es ist sehr schwierig, sie überhaupt im Leiter zu halten), so daß diese auch über nicht ausreichend abgeschirmte Gehäuse und Leitungen induziert werden. Sind diese erstmal in der Schaltung des betreffenden Audiogerätes gelangt (jede Leiterbahn wirkt als Antenne), so werden diese an der ersten auftretenden Halbleiterstrecke (z.B. Transistor) demoduliert. Demoduliert heißt hier, daß die HF auf ihre Hüllkurve (Schwankungen der Amplitude) in nun niederfrequenter Form reduziert wird.
Es handelt sich also um eine Amplituden-Demodulation, wie sie in jedem Mittelwellenradio (AM = Amplitudenmodulation) stattfindet.
Die HF hat sich nun in eine NF verwandelt, die sich meist in Form von Rauschen wegen der zufälligen und vielfach überlagerten HF-Störungen manifestiert. Diese Artifakte modulieren sich wiederum mit dem Musiksignal und verändern dessen spektralen Gehalt. Die EMV-Grenze für HF-Störungen bei Geräten, die im Haushalt Verwendung finden, liegt im Schnitt bei ca. 1mV (= 60dBµV, ist frequenzabhängig).
Das hört sich erstmal wenig an. Allerdings darf man nicht vergessen, daß diese Störungen kapazitiv in z.B. Verstärker eingekoppelt werden. Sie gelangen dort in Bereiche, wo das Musiksignal auch nur sehr klein ist und hinterher mit den demodulierten Störungen zusammen verstärkt wird. Die Tatsache, daß auch ein TEMPEST-Filter mit durchgehend mindestens 80dB Dämpfung noch deutliche Wirkung zeigt, zeigt hier, daß auch kleinste Störspannungen nicht vernachlässigbar sind.
Eine durch Netzstörungen infizierte Musikwiedergabe kann sich durch Langzeitlästigkeit, Kleben der Musiksignale am Lautsprecher, verringerte Raumabbildung und Durchhörbarkeit und auch sonst durch Einfluß in fast jedem Problembereich auszeichnen.
Als Beispiel sei hier z. B. schlechtere Kanaltrennung genannt, die sich auch in einer eingeschränkten Raumabbildung manifestiert. Die demodulierten HF-Störungen wirken sich auf beide Kanäle (quasi monofon) aus, so daß eine Art neues Mittensignal entsteht, das über die Stereosignale aufmoduliert wird. Allerdings sind viele Symptome als solche erst erkennbar, nachdem man sie beseitigt hat. Also nochmal zusammengefaßt: Als klangliche Veränderung wird nicht die Stör-HF selbst wahrgenommen, sondern ihre zu NF mutierte demodulierte Hüllkurve.
Der Wirkbereich der im Audiobereich für den Klang relevanten Netzstörungen ist auf analoge Geräte beschränkt, also überall da, wo das dekodierte Musiksignal in seiner Ursprungsform auftritt. Digitale Geräte treten hier mehr als Störungsverursacher auf, das in Paketen verpackte, codierte und durch verschiedene Sicherheitsmechanismen geschützte digitale Signal ist weitgehend unempfindlich gegen Störungen aller Art.
Je nach Protokoll wird ein Paket, das die Prüfung auf Unversehrtheit nicht besteht, entweder erneut gesendet oder verworfen. Fehler würden sich hier als Dropouts bzw. Knackser bemerkbar machen (infolge Paketverlusts).
Meßtechnischer Nachweis des Einflusses von Netzstörungen auf das Audio-Signal
Ein schwieriger Punkt. Die demodulierten HF-Störungen sind stochastisch, d.h. zufälliger Natur und daher auch nicht explizit harmonisch oder unharmonisch zum Musiksignal. Sie haben auch keine konstante Amplitude oder Frequenz.
Auch läßt sich kaum aus der Art der klanglichen Veränderung ein Rückschluss auf die ursprüngliche Natur der Stör-HF ziehen (außer man kann es direkt zuordnen wie z. B. die Einbuchungsgeräusche eines Handys). Der Frequenzbereich, in dem sich HF-Störungen im Audiosignal manifestieren, hängt vom zeitlichen Verlauf der Amplitudenschwankungen der Störungen ab.
Vermutlich überlagern sich aber sehr viele HF-Störungen aus unterschiedlichen Quellen, so daß entsprechende Zuordnungsversuche schwer bis unmöglich sind. Bei der Messung der Übertragungseigenschaften eines Geräts (z.B. durch FFT-Analyse) fallen sie bei der Messung unter den Tisch, d.h. sie werden durch Averaging (zeitlich aufeinanderfolgende Messungen, aus denen ein Mittelwert gebildet wird) ausgemittelt, ebenso wie bei einer reinen Signalanalyse. Das liegt an den physikalischen und mathematischen Bedingungen einer Spektumsanalyse. Die Störungen modulieren sich auf das Musiksignal und verändern minimal (aber leider eben hörbar) seinen spektralen Gehalt und damit das Impulsverhalten und die Raumabbildung bzw. virtuelle Kanaltrennung.
Theoretisch wird man die Einflüsse der HF-Störungen z.B. am Ausgang eines Verstärkers messen können, wenn dafür gesorgt wird, daß keine Mittelung stattfindet und die Auflösung hoch genug ist, z.B. im Zeitbereich durch ein Oszilloskop.
Man wird allerdings dann nur einen Momentanwert messen können, der sich in der nächsten halben Sekunde wieder ändern kann. Die klanglichen Einflüsse der Netzstörungen wird man also z.B. mit einer Frequenzgangmessung des Lautsprechers schon mal nicht feststellen können. Man muß auch noch einmal genauer über die Hörschwellen nachdenken.
Die Amplitudenauflösung war früher deutlich begrenzer als heute. Es ist z.B. heute bei digital angesteuerten Aktivboxen völlig normal, den Hochtonkanal im Pegel um 0,5dB anzuheben, nur um festzustellen, daß das ganze Klangbild "kippt". Das tatsächliche menschliche Auflösungsvermögen bei Musik wird also noch deutlich unter diesem Wert liegen.
Wie merkt man, ob in der eigenen Musikanlage HF-Störungen am Wirken sind?
Diejenigen, die es zuerst bemerken, leiden meist unter einem gewissen Lästigkeitsgefühl beim Langzeithören.
Es stellt sich eine gewisse Unzufriedenheit ein, die mit der Zeit akkumuliert. Ein entspanntes längeres Musikhören ist dann nicht mehr möglich.
Meist ist das Ganze noch tag- bzw. wochentagabhängig.
Auch das Phänomen, daß einem die Musik "zu laut" erscheint, ist Anzeichen einer beginnenden Lästigkeit.
Daher sind immer Langzeittests wichtig, egal, ob jetzt Geräte oder Entstörmaßnahmen getestet werden sollen.
Ob ein Gerät oder eine Entstörmaßnahme, die vielleicht kurzfristig gefällt (oder auch nicht) Bestand hat, zeigt sich erfahrungsgemäß erst nach einer längeren Hörperiode.
Viele Hörer sind sich allerdings garnicht bewußt, daß ihre Musikwiedergabeanlage von Netzstörungen kontaminiert ist.
In der Regel werden permanent auftretende HF-Störungen durch die entsprechende Auswahl von Audiogeräten und Leitungen kompensiert, da sie meist nicht als solche erkannt werden, sondern entsprechende "Signaturen" den Geräten zugeordnet werden.
Eine Abstimmung bzw. homogene Zusammenstellung der Anlage ohne Netzentstörung bedeutet nichts anderes als die Harmonisierung der "Klangsignaturen" der einzelnen Komponenten inklusive der Netzstörungen.
Das bedeutet, daß die Komponenten durch die Auskompensation der Netzstörungen auf einem niedrigeren Auflösungslevel als theoretisch möglich performen.
Permanente HF-Störungen können z.B. in der eigenen Anlage durch minderwertige Schaltnetzteile von Netzwerkkomponenten und alle Geräte, die intern mit HF-Signalen arbeiten, erzeugt werden.
Ein Beispiel-Szenario:
Man legt sich neue Lautsprecherboxen zu, weil sie optisch und mit der Raumakustik harmonieren.
Nun werden passende Verstärker gesucht.
Sie sollen zusammen mit den verwendeten Lautsprechern ein harmonisches Klangbild erzeugen.
Liegen Netzstörungen vor, so können sich diese u.a. in einem etwas hochtonlastigem Klangbild auswirken.
Man würde also bei der Verstärkerauswahl die Geräte bevorzugen, die diesem Trend etwas entgegenwirken und den Hochtonbereich etwas "zähmen", leider meist auf Kosten der Durchhörbarkeit zugunsten einer Homogenität.
Würde man danach die Netzstörungen beseitigen, wäre die Kette "überkompensiert", d.h. der nun fehlende "Pseudo-Hochtonanteil" würde die Homogenität zerstören und die "Durchhörbarkeit" verringern.
So kann es passieren, daß eine Netzentstörung zunächst zu einer negativen Bewertung der Wiedergabequalität führt.
Konsequent wäre es jetzt, nach Beseitigung der Netzstörungen eine neue Verstärkerwahl zutreffen, die dann aufgrund der nun nicht mehr erforderlichen Kompensationseffekte zu mehr Durchhörbarkeit führt, also auf einen ganz neuen audiophilen Level.
Man kann daraus folgern, daß
1. man, bevor Geräte in der eigenen Anlage zusammengestellt werden sollen, für eine möglichst komplette Netzentstörung zu sorgen hat und
2. eine Klangveränderung nach dem Einsatz von Netzentstörmitteln (egal, ob man die jetzt als positiv oder negativ empfindet) auf jeden Fall ein Beleg für die Anwesen von Netzstörungen ist, da Entstörmaßnahmen auf der Netzseite nicht direkt das Musiksignal beinflussen können.
Die schnellste, sicherste und preiswerteste Methode, um die Anwesenheit von Netzstörungen in der Anlage festzustellen, besteht darin, z. B. ein Auth 503 Netzfilter zu besorgen und dieses dann vor einzelne Komponenten in der Anlage (z.B. CD-Player, Streamer, Router, usw., also potentielle Störungsverursacher) zu schalten, um dann zu hören, ob sich klangliche Veränderungen ergeben.
Wie diese Veränderungen empfunden werden (positiv oder negativ), ist nicht relevant.
Ist dies der Fall, dann liegen hier Netzstörungen vor.
Ebenso ist die Klangveränderung beim Austausch der Netzkabel durch Ferritkabel ein sicheres Indiz für vorhandene Netzstörungen.
Maßnahmen zur Verminderung von Netzstörungen ohne Einsatz von speziellen Netzentstörmitteln
Die erste und wichtigste Maßnahme zur Netzentstörung ist die Auftrennung der gemeinsamen Stromversorgung von Störungsverursachern und Störungsempfängern.
Zu den Störungsempfängern gehören grundsätzliche alle Geräte, die analoge Musiksignale verarbeiten, wie Vorverstärker, Endstufen und Aktivlautsprecherboxen.
Zu den Störungsverursachern gehören alle Geräte, die mit hochfrequenten Takten arbeiten, wie Schaltnetzteile, Netzwerkgeräte wie Router, Switches, NAS und Streamer, CD-Transports, PCs und Laptops, Radio- und TV-Geräte mit DAB oder DVBT, LED-Lampen.
Es empfiehlt sich daher, für beide Gerätegruppen getrennte Verteilerleisten zu verwenden.
Jede gute Netzleitung wirkt auch als HF-Filter, bei dem die Dämpfung abhängig von der Kabellänge ist.
Es ist daher auch eine gute Idee, von der Hausverteilung aus zwei getrennte Leitungen mit getrennten Steckdosen in den Hörraum zu verlegen.
Man kann in einem Dreiphasenhaushalt auch zwei getrennte Phasen verwenden, allerdings ist eine vollständige galvanische Trennung natürlich nicht möglich, da allen drei Phasen der Nullleiter gemeinsam ist, d.h. als Rückleiter für den Strom dient.
Am besten wählt man hier z.B. 3x2,5qmm Ferritkabel, um eine maximal mögliche Kabeldämpfung zu erreichen.
Welche verschiedenen Bauteile für die Netzentstörung in der eigenen Audioanlage gibt es?
- Netzkabel
- Netzfilter
- Klappferrite
- Verteilerleisten mit Filter
- Netzaufbereiter
- DC-Filter
Es gibt noch einige andere Geräte aus dem Esoterik-Bereich, die angeblich der Netzentstörung dienen sollen.
Diese sollen "Wirkmechanismen" haben, die mit der sog. "Schulbuch-Physik" nicht erklärt werden können.
Denen soll hier aber kein Raum eingeräumt werden.
Netzkabel
Netzkabel stellen aufgrund ihrer Kabelparameter ein Filterelement für hochfrequente Störungen dar.
Stecker, Buchsen und Sicherungen sind aus HF-Sicht Impedanzstörstellen, die hochfrequente Störungen reflektieren und den Inhalt der Störungen verändern können.
Nachfolgend das Ersatzschaltbild einer beliebigen Leitung:
L= Induktivität
R= ohmscher Widerstand
G = ohmscher Querwiderstand (z.B. Isolierung)
C= Kapazität
Zusammen mit den Steckern stellt ein Netzkabel für HF ein komplexes System dar.
Daher ist es auch kein Wunder, wenn beim Einsatz unterschiedlicher Netzkabel zuweilen unterschiedliche klangliche Veränderungen beobachtet werden können.
Aber:
Es gibt keine spezifischen "Klangsignaturen" bei Netzkabeln, Steckern, Sicherungen und sonstigem, das auf der Primärseite des Stromnetzes vor den Audiogeräten hängt - selbst wenn das oft und gerne mangels besserer Einsichten behauptet wird.
Warum das so ist und nicht anders sein kann, wird im Abschnitt "Wie wirken sich Netzstörungen auf den Klang aus?" beschrieben.
Es geht also nicht um die Frage, ob Netzkabel den Klang verändern, sondern warum.
Und dazu muß man keine altenative Physik oder andere unbekannte Wirkmechanismen bemühen.
Da das Einbringen von Entstörelementen in den Störungspfad meist nicht das Eliminieren der Störungen, sondern nur das Abblocken und Reflektieren der HF-Störungen zur Folge hat, suchen sich die HF-Störungen einen anderen niederimpedanteren Weg, bzw. genauer einen Weg, der möglichst der Impedanz der Störungsquelle entspricht.
Das bedeutet, daß die Störungen nun an ganz anderer Stelle der Anlage auftauchen können und ein direkter Rückschluß auf die Relevanz einer bestimmten Entstörungsmaßnahme an einer bestimmten Stelle nicht mehr möglich ist.
Einzelne Entstörmaßnahmen können in unterschiedlichen Anlagen an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich zur Wirkung kommen und sind daher kaum vorhersagbar.
Die Lösung lautet hier: möglichst alles und überall mit maximaler Entstöreffizienz bekämpfen - viel hilft viel.
Die Aufgabe der Netzzuleitungen ist die möglichst ungestörte Spannungsversorgung der Geräte mit 230V@50Hz.
Alles über 50Hz ist als Störung zu betrachten.
Das kann ein Netzkabel allein nicht gewährleisten, dazu sind noch weitere Filterelemente mit unterschiedlichsten technischen Ansätzen nötig.
Zur Dämpfung hochfrequenter Netzstörungen empfehlen sich seit Jahrzehnten ferritummantelte Netzkabel in verschieden Querschnitten bis hin zu 3x6mm².
Es gibt auch fertig konfektionierte Netzkabel mit integrierten Netzfiltern.
Jedes Netzkabel mit selbst geringsten Dämpfungseigenschaften ist immer noch besser als ein Netzkabel ohne jede Dämpfung, wie z.B. eines mit induktionsarmen Leitern aus Silber.
Mit letzterer Lösung lädt man die HF-Störungen gerade zu ein, sich klangverändernd in der Anlage auszubreiten.
Eine Aufgabe, die Ferrit-Netzkabel gut erledigen können, ist das "Verheizen" von Netzstörungen über ihre Ummagnetisierungsverluste.
Hier der Dämpfungsverlauf vom Eupen-Ferritkabel:
Zum Thema "Verheizen von Netzstörungen" gibt es hier später noch weitergehende Erläuterungen.
Netzstecker
Netzstecker haben nur eine Aufgabe: Das Verbinden von Geräten mit z.B. einer Wandsteckdose oder einer Verteilerleiste.
Es empfiehlt sich hier immer, auf eine robuste Qualität des Kontaktmaterials zu achten.
Hier hat sich oberflächenvergütetes Messing, eine Kupfer-Zink-Legierung, bewährt.
Als Oberflächenvergütung hat sich ebenfalls Nickel bewährt.
Hier kann man einen jahrzehntelangen Korrosionsschutz erwarten.
Das ist bei weniger robusten Oberflächenvergütungen wie z.B. Gold, Silber, Platin, Rhodium im Netzsteckerfall nicht die Regel.
Diese Vergütungen sind meist nur wenige Atome stark und difundieren mit der Zeit in das Trägermaterial.
Aus HF-Sicht sind diese Oberflächen zwar ideal, was die Leitfähigkeit betrifft, aber gerade im Netzsteckerbereich wäre sowas kontraproduktiv.
Netzstecker sind ebenso wie Netzbuchsen und Sicherungen aus HF-Sicht Impedanzstörstellen, die je nach Frequenz und Impedanz hochfrequente Störungen durchleiten oder reflektieren.
So sind dann auch resultierende "Klangunterschiede" beim Einsatz verschiedener Produkte zu erklären.
Verschwindet allerdings die HF, verschwinden auch die Klangunterschiede.
Die folgenden Abschnitte behandeln teilweise Themen, die nur von ausgebildeten Fachkräften unter Beachtung aller gültigen VDE-Vorschriften in die Praxis umgesetzt werden sollten.
Es besteht bei Arbeiten am 230V-Netz potentiell Lebensgefahr.
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DIN VDE 0105-100: Elektrotechnische Arbeiten dürfen nur durch Elektrofachkräfte oder unter deren Leitung und Aufsicht ausgeführt werden. Die fachlichen Anforderungen der Elektrofachkraft erfordern: - Fachliche Ausbildung (Elektrotechnik) |
Einleitung Netzfilter
Die Hauptlast einer (nachträglichen) Netzentstörung in der Audioanlage tragen die Netzfilter.
Normale Netzfilter wirken in einem bestimmten Frequenzbereich und bestimmter Impedanzverhältnisse, die vorher bei der Berechnung der Netzfilter festgelegt wurden.
Dazu muß natürlich zumindest Größe und Frequenzbereich der zu dämpfenden Störungen bekannt sein, ebenso wie die Impedanzen der Leitungen nebst denen der geschlossenen Geräte.
Um dieses Dilemma zu lösen, bleibt einem als Laie und Anwender ohne Meßgeräte und diesbezügliche Fachkenntnisse nichts anderes übrig, als Netzfilter zu wählen, die möglichst breitbandig und maximal möglicher Dämpfung wirken. Damit kann der Bereich der tatsächlichen Störungen sicher abgedeckt werden.
Die geeignetsten Netzfilter für diesen Zwecks sind die, die der militärischen TEMPEST-Norm entsprechen.
Leider sind diese teuer, meist schwer erhältlich und auch nur als Einbaumodul erhältlich, benötigen also noch ein Gehäuse mit Steckdose und Anschlußleitung.
Grundsätzlich gilt:
Netzfilter sind keine Blackboxes, die man vor die Anlage schaltet und danach klingt dann alles besser....
So funktioniert das nicht.
Netzfilter sind immer Teile eines Konzepts zur Netzentstörung, das immer in seiner Gesamtheit betrachtet werden muß.
Es gibt derzeit sehr wenige bis keine kommerzielle Netzfilter für den Audiobereich, die dem heutigen Stand der Entstörtechnik entsprechen.
Meist sind es sehr einfache einstufige Filter mit begrenzter Wirkung.
Früher, als man die Zusammenhänge noch nicht überblickte, war man der Meinung, daß Netzfilter die "Dynamik" begrenzen würden und das um so stärker, je effektiver das Netzfilter.
Das ist zwar längst widerlegt, aber hat sich bei vielen Firmen noch nicht herumgesprochen.
Man hat sowieso den Eindruck, daß viele audiophile Netzfilteranbieter nur gegründet wurden, um einen offensichtlich käuferseitig relativ unkritischen Markt mit hoher Kaufkraft abzuschöpfen.
Die meisten Anbieter haben meist nur wenig Bezug zur Audiotechnik und sind auf die Informationen angewiesen, die der Markt oder andere mehr in die Audiotechnik involvierte Anbieter zur Verfügung stellen. Da hinkt man natürlich der Entwicklung immer etwas hinterher.
Man fährt also als Anwender besser und auch preisgünstiger, wenn man auf hochwertige Industriemodule zurückgreift und die, sofern Fachkenntnis vorhanden, entweder selbst oder durch einen befreundeten Fachmann in entsprechende Gehäuse einbaut.
Auch hier nochmal der Hinweis auf die abschließenden VDE-Sicherheitsprüfungen.
Bevor wir die Funktion von Netzfiltern näher betrachten, ein kurzer
Grundsätzlicher Blick auf die elektromagnetischen Wellen.
EM-Wellen reichen im Spektrum vom niederfrequenten Wechselstrom bis zum Licht und darüber hinaus.
Eine EM-Welle bewegt sich durch den wechselseitigen Auf- und Abbau von elektrischem und magnetischem Feld fort.
Frequenz und Wellenlänge sind über die Lichtgeschwindigkeit verknüpft.
Ein 30Hz-Wechselstrom besitzt eine Wellenlänge von 10.000km, hochfrequente 30MHz-Radiowellen immer noch 10m und eine EM-Welle mit 300MHz eine Wellenlänge von 1m.
Grundsätzlich benötigen EM-Wellen keinen Leiter, aber wenn die Wellenlänge sehr groß ist, wird eine "Führungsschiene" in Form eines Leiters benötigt, damit die EM-Wellen zwecks Nutzung kanalisiert werden können.
Wenn allerdings die Wellenlänge so klein (bzw. die Frequenz so hoch) wird, daß die Abmessungen des jeweiligen Leiters erreicht werden, wird es schwierig, die HF im Leiter zu halten, gleichzeitig können aber diese Leitungen auch als Antennen wirken.
Antennen können entsprechend ihren Abmessungen senden und empfangen.
Im häuslichen Stromversorgungsnetz haben wir es i.d.R. mit offenen Netzleitungen zwischen 1-10m zu tun.
Das entspricht dem Frequenzbereich zwischen 30 - 300MHz. Für optimale Sende- und Empfangsqualität kann man mit der halben Wellenlänge rechnen, d.h. 15 - 150MHz.
Wenn eine elektrische Welle durch eine Leitung geführt wird, die mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, gibt sie ihre Energie vollständig, ohne Reflexion und unabhängig von ihrer Frequenz an den Lastwiderstand ab.
Wenn man also verhindern möchte, daß auf der Stromversorgung hochfrequente Energie transportiert werden soll, muß verhindert werden, daß die Leitung mit ihrem spezifischen Wellenwiderstand abgeschlossen wird.
Man benötigt also eine gezielte Impedanzfehlanpassung.
Für Interessierte: In der Praxis würde das dann so aussehen:
Funktion von Netzfiltern
Nachfolgend ein erster Überblick über Störungsarten und mögliche netzfilterinterne Abhilfemaßnahmen:
Quelle: TDK
Abkürzungen der Abhilfemaßnahmen:
Symmetrisch:
X-Ko = X-Kondensatoren
PK-Dr = Pulverkern (Ferrit)-Drosseln
Asymmetrisch:
Y-Ko = Y-Kondensatoren
SK-Dr. = Stromkompensierte Drosseln
Wir können oben erkennen, daß ab ca. 30MHz die Störungseinleitung in das Netz hauptsächlich durch Einstrahlung geschieht.
Daher ist Abschirmung ebenso wichtig wie Filterung.
Ferner kann man ablesen, daß sich die Störungen bis ca. 100kHz direkt über die Leitung ausbreiten und verhältnismäßig einfach durch X-Kondensatoren (zwischen Phase und Null) und Längsinduktivitäten in Phase oder Null bedämpft werden können (symmetrische Störungen oder Differential-Mode).
Der Großteil (ca. 90%) der Störungen wird im Bereich 100kHz-30MHz erzeugt und meist in die Leitung oder in die Geräte kapazitiv eingekoppelt.
Diese werden durch Y-Kondensatoren (zwischen Schutzleiter und Phase bzw. Null) und stromkompensierte Drosseln in Phase und Null bedämpft (asymmetrische Störungen, Common Mode).
Netzfilter haben die grundsätzliche Aufgabe und Funktion, hochfrequente Störungen durch gezielte Impedanzfehlanpassung abzublocken bzw. zu reflektieren.
D.h., der Anteil der Störungen (von kleineren bauteilbedingten Verlusten einmal abgesehen) in der Anlage ändert sich beim Einsatz von Netzfiltern nur minimal.
Man kann also nur hf-störungsempfindliche Komponenten (meist die mit analoger Signalverarbeitung) schützen und andererseits Komponenten mit hochfrequenten Netzrückflüssen daran hindern, diese ins Netz abzugeben.
Hochfrequente Störenergie kann wie alle Energiearten nicht rückstandsfrei vernichtet, sondern nur in eine andere Energieart umgewandelt werden.
In diesem Fall ist das Wärmeenergie.
Daher reden wir hier auch vom "Verheizen" von Störungen.
Das Verheizen während des Stromflusses findet beim Ferrit über Ummagnetiserungverluste, allgemein über ohmsche Verlustanteile in den Bauteilen und im Fall von Turmalin beim Auftreten eines Spannungspotentials über die Umwandlung elektrischer Felder in Wärme (elektrokalorischer Effekt) oder in Bewegung (piezoelektrischer Effekt) statt.
Zusammengefaßt bedeutet das, daß die HF-Störungen in der Anlage zunächst kanalisiert und dann verheizt werden müssen.
Interne und externe Netzstörungen
Wichtig ist die Kenntnis, ob es sich hauptsächlich um interne (von anlageneigenen Komponenenten wie z.B. Schaltnetzteilen) oder um externe (PV-Anlage, Industrie in der Nachbarschaft usw.) Störungen handelt.
Bei sehr hohen externen Störungen muß ein Netzfilter vor die gesamte Anlage oder eben ein Netzfilter vor jede Komponente der Anlage installiert werden.
Die erste Lösung ist zwar preiswerter, hat aber den Nachteil, daß sämtliche intern erzeugten Störungen in der Anlage bleiben müssen, da der niederimpedante Weg ins öffentliche Stromnetz durch das Filter versperrt ist.
Netzfilter wirken in beide Richtungen.
Da hilft dann nur das massive Verheizen der intern erzeugten Störungen durch viel Ferrit (Kabel und Ringe).
Bei begrenztem Budget ist es daher sinnvoller, zunächst die störungsempfindlichen Geräte (Vor-Endverstärker usw.) mit einem Netzfilter zu schützen.
Langfristig ist es aber sinnvoller, alle Geräte der Anlage mit einem Netzfilter zu schützen, bzw. am Stören zu hindern.
Günstig ist auch, wenn ab Hausverteilung zwei (für digital und analog) getrennte Ferrit-Leitungen zum Hörraum verlegt werden.
Die Dämpfung der Ferritleitungen ist pro Meter definiert, so daß von außen in die Verteilung eindringende Störungen schon allein durch die Länge der Zuleitungen sehr gut vorbedämpft werden.
Einen Schritt weiter würde man gehen, wenn noch vor den Zuleitungen in den Hörraum entsprechend leistungsfähige (16-20A) Netzfilter in die Verteilung integriert werden.
Aufbau von Netzfiltern
Netzfilter bestehen grundsätzlich aus Spulen und Kondensatoren.
Her mal der Aufbau eines aufwendigen TEMPEST-Filter (TE Corcom 6VAQ):
Wir sehen hier ein vierstufiges Filter, das aus Spule-Kondensator-Kombinationen aufgebaut ist.
Diese bilden jeweils Resonanzkreise, die auf die unterschiedlichen und aufeinanderfolgenden Frequenzbereiche abgestimmt sind.
Die Widerstände dienen einerseits der Spannungsentladung bei Trennung vom Netz, andererseits der Dämpfung der Resonanzkreise.
Der resultierende Dämpfungsverlauf stellt sich so dar:
Man sieht, die Dämpfung ist sehr hoch und gleichmäßig, die einzelnen Resonanzkreise sind als solche nicht mehr in der Grafik erkennbar.
Dieses Ausbalanzieren der Resonanzkreise ist die eigentliche Kunst beim Netzfilterbau und muß entsprechend dann auch bezahlt werden.
Um solch hohe Dämpfung zu erreichen, müßen sogar die einzelnen Filterstufen voneinander durch separate hf-dichte Kammern getrennt werden.
Hier ein dreistufiges TEMPEST-Filter (Schaffner FN700Z):
Daher sind unabgeschirmte offene Mehrfach-Filter, wie man sie oft bei Anbietern für Audio-Netzfilter findet, nicht Stand der Technik und es wird vermutlich viel Wirkung verschenkt.
Allerdings läßt sich das schwer nachprüfen oder vergleichen, da diese Firmen vorsichtshalber erst gar keine detailierten Angaben zur Dämpfung machen.
Hier ist Mißtrauen also durchaus angebracht.
Grundsätzlich unterscheidet ein und mehrstufige Filter.
Ein sehr aufwendiges vierstufiges TEMPEST-Filter wurde weiter oben gezeigt.
Die meisten Netzfilter sind ein- oder zweistufig:
Anwendung von Ferriten bei der Netzentstörung
Bei der Entstörung des Stromnetzes werden bevorzugt Ferritkabel oder Klappferrite, die nachträglich auf das Netzkabel aufgesetzt werden, verwendet.
Dabei wird das Phänomen des "Verheizens" von hochfrequenter Energie beim Ferrit ausgenutzt.
"Verheizen" meint das Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie.
Dazu wird immer ein ohmscher Wirkwiderstand und ein elektrischer Strom benötigt.
Ferrite werden für die EMV zur Beseitigung hochfrequenter Störsignale verwendet.
Dabei wächst die Entstörwirkung mit der Frequenz. Das setzt also auch einen ohmschen Widerstand voraus, der mit der Frequenz wächst.
Wie kann man sich den erklären?
Das Magnetfeld des fließenden Stromes magnetisiert die einzelnen Ferritpartikel entsprechend der jeweiligen Polarität des Magnetfeldes.
Bei einem hochfrequenten Wechselstrom wechselt das je nach Frequenz mehrere millionen Mal in der Sekunde.
Das Ummagnetisieren bedeutet Arbeit für das Magnetfeld und kostet elektrische Energie, die in Wärme umgewandelt wird.
Diese Energie wird dem hochfrequenten Strom entzogen und wirkt sich als Dämpfung bzw. als Erhöhung des ohmschen Wirkwiderstandes aus.
Wenn wir uns die Impedanzen eines Ferrits (hervorgerufen natürlich durch einen enstprechenden Strom) anschauen....
...so erkennen wir drei Kurven:
Z = Gesamtimpedanz, Scheinwiderstand
XL = Induktive Impedanz, Blindwiderstand
R = Ohmscher Widerstand, Wirkwiderstand
Die interessante Kurve ist R (grau gestrichelt).
Wir sehen hier, daß der ohmsche Widerstand tatsächlich ab einer bestimmten Frequenz (hier 4 MHz) mit der Frequenz steigt und somit anfängt zu "heizen".
Bei f1 (hier ca. 45MHz, die Übergangsfrequenz) ist der ohmsche Widerstand genauso groß wie der induktive Widerstand und ab hier sogar dominierend.
D.h., ab der Übergangsfrequenz f1 beginnt der Bereich, wo hauptsächlich "verheizt" wird.
Die reine Filterwirkung aufgrund der Induktivität nimmt ab hier stetig ab.
In unserem Beispiel ist dann bei f2 (ca. 700MHz) der induktive Widerstand fast Null, die sog. Resonanzfrequenz.
Dort hat auch der ohmsche Widerstand sein Maximum, die Verheizwirkung ist hier am größten.
Ab hier sinkt die Gesamtimpedanz mit der Frequenz, der Ferrit arbeitet kapazitiv (bedingt durch seine parasitären Eigenkapazitäten durch Drahtwicklung etc.)
Obige Grafik bzw. deren Zahlwerte sind nur ein repräsentatives Beispiel für die Zusammenhänge.
Die realen Zahlen hängen vom Ferritmaterial ab.
Nachstehend die Kernverluste verschiedener Materialien:
Wir sehen hier die Verläufe des ohmschen Widerstandes bei verschiedenen Ferritmaterialien.
Durch Wahl des jeweiligen Materials kann man also den Bereich des Verheizens steuern.
Ferrit-Materialien wie Nanocrystalline oder Finemet sind Low-Loss-Materialien, die für die Anwendung auf Signalleitungen entwickelt und daher besonders verlustarm sind.
Für EMV-Zwecke sind sie daher weniger geeignet.
Nachstehend die Kernverluste verschiedener Materialien:
Wird fortgesetzt