HMS Elektronik – Elektrosmog und Hochfrequenzbelastungen im Stromnetz – alles Voodoo oder was? – Teil 3
Teil 3 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: Herr Strassner, Sie haben eindeutig klären und auch erklären können, dass ein verlustarmes Komponenten-Netzkabel kein Voodoo ist, sondern schlicht ein Muss. Was ist aber mit netzleitungsgebundenen Störungen durch andere Verbraucher, etwa das berüchtigte „Kühlschrank-knacken“?
Die Hochfrequenzbelastung des Netzes ist der zweite Teil der Netzproblematik. Lassen Sie mich hierzu eine kleine Geschichte erzählen. Noch als Jungspund hatte ich eines der damals ersten Taschenradios geschenkt bekommen. Ausgerüstet mit einer kleinen Teleskopantenne und – wie später klar wurde – auch mit einer integrierten Ferritpeilantenne war es empfangsbereit für Lang- und Mittelwelle. Mir fiel schnell auf, dass das Berühren der Stabantenne den eingestellten Sender lauter spielen ließ. Auch die Berührung von Mutters gusseisernem Herd hatte ein solches Ergebnis. Dann – wir wohnten im ersten Stock und Mutter war nicht im Haus – die Berührung des Wandsteckdosen- Erdkontaktes: toll laut! Das Ergebnis ermunterte mich, den Versuch an der Kellersteckdose zu wiederholen. Doch am Erdkontakt im Keller war es deutlich leiser, praktisch kein Empfang mehr. Dann in eines der runden Steckdosenlöcher – Riesenschreck! Radio kaputt! Danach hatte ich einen ernsthaften Erklärungsnotstand, wusste aber nun, dass das Radio mit drei OC70- Transistoren aufgebaut war und ich die Berührung der runden Steckdosenkontakte zukünftig vermeiden sollte! Dieses frühjugendliche Experiment sagt uns in heutiger Deutung allerdings mehr. Der aus dem Keller kommende Erddraht und damit auch die Phasen- und Nullleitung wirken trotz der Verlegung im Mauerwerk als recht effektive Antenne, und zwar um so effektiver, je länger und höher raus. Oder zusammengefasst: Jedes Stück Draht, jeder metallischer Gegenstand, so wie er aus der Erde herausschaut oder frei in Luft schwebt, wirkt wie eine Antenne, gewollt oder ungewollt. Denken Sie dabei auch an die Wurfantenne Ihres Radioweckers oder an die Stummelantenne auf Ihrem Autodach. Und zwar nicht nur für die zahllosen Radio-, TV- und Handy-Aussendungen, sondern auch für die zahllosen elektromagnetischen Wellen, z.B. die durch Funken erzeugten Störungen, etwa unser Kühlschrankthermostatschalter.
Der Begriff „Funk“, wie er z.B. im Wort „Rundfunksender“ enthalten ist, stammt übrigens aus der Zeit um 1900, als es noch keine Röhren gab. Damals wurden Schwingkreise und Antennen durch Funkeninduktoren angeregt – ähnlich wie bei einer alten Türklingel. Unser Leben ist heutzutage geprägt vom elektrischen Strom aus der Steckdose und aus Batterien, vom elektrischen Dosenöffner bis zum Handy. Kaum auszudenken, wenn der mal länger ausfällt – aber auch fast selbstverständlich, dass trotz EMV-Richtlinien und CE-Verordnungen Störungen der elektronisch betriebenen Geräte untereinander möglich, ja fast an der Tagesordnung sind.
Bis jetzt reden wir von netzleitungsgebundenen Störungen. Über die nicht leitungsgebundenen, durch elektromagnetische Einstrahlung auf die als Antenne wirkende Verkabelung unserer HiFi-Anlage werden wir sicher zu einem späteren Zeitpunkt noch reden.
Das missglückte Taschenradio-Experiment lehrt uns aber insbesondere, dass Erdung nicht das ist, was der Begriff suggeriert, was wir davon erwarten. Die Erdleitung selbst wirkt wie eine Antenne. Sie liefert Störspannungen, kann aber solche, die durch den Verbraucher erzeugt werden, nur sehr begrenzt ableiten. Sie ist nur für tiefe Frequenzen wie z.B. der 50-Hz-Netzfrequenz wirksam, wegen ihrer Induktivität aber nicht für hohe Frequenzen. Nach der „absoluten Erde“ brauchen wir also nicht zu suchen – sie gibt es in der Praxis nicht. Auch eine im Garten vergrabene Platte gehört nicht dazu; da hilft auch tägliches Wässern nicht viel …
Richtig ist jedoch, dass der glückliche Highender aus dem Glottertal mit einem Hörraum im Souterrain deutlich besser dran ist als der unglückliche Highender in Berlin-Mitte im fünften Stock mit freiem Blick auf den Fernsehturm und die nächsten Handy-Masten. Dennoch tun beide gut daran, die Erdung ihrer Komponenten über möglichst kurze und hochwertige Netzkabel – und/oder auch Erdleitungen auf einen zentralen Punkt gebracht – mit der Schuko-Erdung nur einer Wandsteckdose zu verbinden. Dies garantiert, dass alle Komponenten auf dem gleichen, wenn auch gestörten Erdpotenzial liegen und sich keine unnötigen Differenzspannungen zwischen ihnen aufbauen, denn die Differenzen sind die Störursache. Doppelerdung ist dringend zu vermeiden. Antennenanlagen mit ihrer zusätzlichen Masse/Erdleitung sind ein typischer Grund für die dann entstehenden Brummschleifen (siehe auch Teil 2 dieser Serie).
FIDELITY: Haben Sie eigentlich eine Erklärung für das Phänomen, dass manche Anlagen je nach „Tagesform“ besser oder schlechter zu klingen scheinen?
Viele unserer Kunden sind davon überzeugt, dass tatsächlich tageszeitenabhängige Spannungsschwankungen klangliche Probleme auslösen. Neulich sagte mir jemand: „Gestern Abend spielte meine Anlage noch zum Verlieben – und das lag nicht am Wein oder meiner Frau neben mir –, heute Mittag allerdings zum Verschenken.“ Doch Spannungsschwankungen sind in der Regel nicht die Ursache; die meisten Geräte sind durch interne Stabilisatoren in hohem Maße dagegen geschützt. Sehr wohl schädlich sind sehr schnelle, hochfrequente Spannungsänderungen, die der Netzspannung überlagert sind. Leitungsgebunden haben sie leichtes Spiel in Geräten, die nicht durch Filter geschützt sind, um letztendlich wieder über die Koppelkapazitäten C1/2 der Transformatoren in unsere Elektronik einzudringen. Da unsere Netzleitung in der Wand aber nicht nur als Empfangs-, sondern auch als Senderantenne wirkt, wird diese Störung zusätzlich abgestrahlt und addiert sich zum bereits vorhandenen, allgemein als Elektrosmog bezeichneten Störnebel. Sie hören den Kühlschrankknackser auch z.B. im Mittelwellen-Bereich eines batteriebetriebenen Kofferradios.
Zeichnet man die Empfindlichkeit verschiedener Anlagenzusammenstellung gegen diesen hochfrequenten Störnebel einmal auf, erhält man solche Kurven:
Wir erkennen, dass es völlig unnötig ist, die Störstärke zu null machen zu wollen. Jede Anlage hat eine gewisse Störungstoleranz; wird sie vor dem Abknickpunkt der jeweiligen Kurven betrieben, bleibt die Störauswirkung unauffällig. Dies wird vermutlich die Situation unseres „verliebten“ Kunden am Sonntagabend gewesen sein. Steigt der Störpegel, und häufig ist kein großer Anstieg erforderlich, werden Verzerrungsprodukte hörbar, unabhängig von der Lautstärke der Wiedergabe.
Diese Erkenntnis ist die wichtigste – heißt sie doch, dass eine Maßnahme ausreichen kann, entweder auf der Netzseite oder der Signalseite zu entstören und damit zu jeder Tageszeit im horizontal verlaufenden Ast der Abbildung 8 zu bleiben. Dies herauszufinden ist eine Sache des Ausprobierens, denn die Bedingungen sind natürlich stark von Wohnlage und Umfeld abhängig. Geht es um den Kühlschrankknackser, ist jedoch Netzfilterung ein eindeutiges Muss. In schlimmen Fällen muss auch noch im Signalbereich entstört werden, wie der Knackser im Kofferradio hörbar verdeutlicht.
FIDELITY: Wie kommt es zu der Empfindlichkeit von Audiogeräten gegen Hochfrequenz? Die allermeisten Geräte haben doch nur Bandbreiten von vielleicht 100 kHz, verstärken höherfrequente Signale also gar nicht mehr …
Genau das ist der Punkt. Allgemein bekannt ist, dass ein Verstärker, dem man zu viel Nutzsignal bietet, also zu laut aufdreht, dies mit Verzerrungen quittiert; wir reden dann vom Klirrfaktor. Hingegen ist nur wenigen bekannt, was passiert, wenn man einem Verstärker ein zu schnelles Signal zuführt, also z. B. die 100 MHz vom nächsten UKW-Funkturm – 1000-mal schneller als mit besagter 100 kHz Bandbreite max. linear verarbeitbar. Schauen Sie mal hier:
Abbildung 9 zeigt mit den blau strichlierten Kurven die maximal mögliche Steigrate (Slew Rate) des Verstärkers von Spannung oder auch Strom. Die positiv gehende blaue Kurve liegt typischerweise für Transistorverstärker höher und steiler als das negativ gehende Pendant. Dies liegt an dem unterschiedlichen Leitermechanismus der zum Einsatz kommenden NPN- und PNP-Transistoren. (Die schnelleren NPN-Typen sind elektronenleitend, die PNPs sind löcherleitend und immer langsamer. Leider hilft da auch kein Selektieren und Paaren. Wenn auch sonst alle anderen Parameter stimmen, stimmt dieser mit Sicherheit nicht; es würde im Übrigen auch nur wenig helfen). Zu erkennen ist, dass das grüne Störsignal die begrenzenden blauen Slew-Rate-Kurven nicht berührt, das hochfrequente Signal dieser kleinen Spannung also unverfälscht weiter verstärkt wird. Dies erklärt den langen horizontalen Verlauf der Kurvenzüge in Abbildung 8. Vergrößert sich das Störsignal wie in der gelben Kurve, wird es aber bereits im negativen Bereich an der Slew-Rate-Kurve (blau) begrenzt. Steigt die störende Spannung weiter an (rote Kurve), wird diese sowohl negativ kräftig als
auch positiv begrenzt. Das Signal wird nur noch stark deformiert und asymmetrisch weiter verstärkt – Stichwort Offset.
Damit sind wir jetzt im steil ansteigenden Teil der Störauswirkung nach Abbildung 8 angekommen. Neben der Offsetbildung, die in seltenen schlimmen Fällen zur Zerstörung der Tieftöner führen kann, entstehen jetzt an der – auch für das viel größere überlagerte Audiosignal wirksamen – Nichtlinearität Mischprodukte, die sich als nichtharmonische Verzerrungsprodukte, sogenannte TIM-Verzerrungen, im Audiosignal bemerkbar machen. Es wird so aus einem sehr guten Signal-zu- Störspannungsabstand eines Verstärkers von z.B. 120 dB (1 zu 1 000 000) mal eben hörbar schlechte 60 dB (1 zu 1000) oder sogar noch weniger. Hierzu reichen je nach Frequenz der Störung bereits Störpegel im Millivolt-Bereich. Das muss wohl die Situation unseres Kunden beim mittäglichen Hören gewesen sein.
Die Kurvenverläufe der Abbildung 8 zeigen mit 1, 2 und 3 zu erwartende Reaktionen unterschiedlich empfindlicher Anlagen. Der Kurvenzug 3 gehört zu einem sehr breitbandigen Verstärker (MHz), der aufgrund seiner deutlich höheren Slew Rate erst sehr viel später reagiert. Dies erklärt die klanglich positive Auswirkung von Verstärkern mit weit über den Hörfrequenzbereich hinaus reichenden Bandbreiten. Man könnte bei nur kurzem Nachdenken glatt das Gegenteil vermuten.
FIDELITY: Da das 230-Volt-Netz nach dem bisher Besprochenen einen sicher nicht unerheblichen Teil zur Hochfrequenzbelastung beiträgt, dürfte Netzfilterung wohl ein probates Gegenmittel sein …
Richtig. Hierbei ist wichtig, dass für jede Komponente ein getrenntes und auf den Strombedarf – auf die Impedanz – der anzuschließenden Komponente optimiertes Filter zur Verfügung steht. Verwendet man nur ein Filter direkt am Netzeingang der gemeinsamen Verteilerleiste, kommt es zu einer meist kräftigen Modulation der Netzspannung, verursacht durch die starken Stromimpulse überwiegend der Endstufe. Diese zusätzliche Störung teilt sich ungehindert den übrigen, an der gleichen Stromentnahmestelle hinter dem Filter liegenden Komponenten mit. Dies führt zu einem Dynamikverlust und unkonturierter Wiedergabe und ist sicherlich ein Grund für die unter Highendern immer noch bestehenden Vorurteile gegen Netzfilterung.
Mit getrennten Filtern, also schlicht „richtig gemacht“, passiert dies nicht. Es hat sogar den zusätzlichen Vorteil, dass die von den Komponenten selbst erzeugten Störungen – die bereits zu Beginn erläuterte Ursache für die störende Differenzspannung – jetzt zwei Filter durchlaufen müssen: das eigene in Rückwärtsrichtung, das der Nachbarkomponente in Vorwärtsrichtung. Hierbei entsteht neben der gewünschten Dämpfung der direkt aus dem Netz stammenden Störungen auch noch eine unterstützende, die Differenzspannung dämpfende Rückflussdämpfung.
FIDELITY: In Ihren Energia-Netzfiltern verwenden Sie passive Filterkomponenten und teilweise spezielle Trenntransformatoren. Was ist denn mit den ebenfalls im Markt befindlichen aktiven Netzsynthesizern, die den Netzsinus neu generieren?
Wir sind alle gewöhnt, dass aus der Netzsteckdose eine sinusförmige Spannung kommt, weil ja der Generator im Kraftwerk kreisrund läuft und die Abwicklung eines Kreises einem Sinus entspricht. Da liegt die Vermutung nahe, dass ein sauberer, ungestörter Kurvenzug die Lösung aller netzbedingten Klangprobleme für uns sein muss. Ein sicherlich eingängiges Marketing-Argument, das scheinbar keiner weiteren Erklärung bedarf. Nur, als Tesla sich vor über 100 Jahren wegen der verlustärmeren Übertragung des transformierbaren Wechselstromes gegenüber Edisons Gleichstrom durchsetzen konnte, ging es um elektrisches Licht in den Häusern. An die vielen hundert technischen Geräte der Neuzeit, die Verstärker aller Art beinhalten und nur mit Gleichspannung zu betreiben sind, konnte damals niemand denken. Auch gab es die Alternative nicht. So sind wir zu den Wechsel- in Gleichspannung umformenden Netzteilen in unseren HiFi-Geräten bis hin zu Batterieladestationen gekommen.
In dieser Umformung liegt aber ein beachtliches Problem. Gehen wir dazu noch einmal zurück zu dem zu Abbildung 2 und 3 Gesagten (siehe Teil 1 dieser Serie). Da der Konstrukteur eine möglichst glatte Gleichspannung mit geringer Restwelligkeit fordert, muss der Ladekondensator C sehr große Werte annehmen, damit er den Strombedarf der Elektronik als Speicher dienend – mit nur geringem Spannungsabfall in den Zeitabschnitten, in denen der Augenblickswert des Sinus kleiner ist als die Spannung am Ladekondensator – halten kann. Der Gleichrichter, als Ventil wirkend, schaltet die Verbindung zur Sekundärseite des Transformators also erst durch, wenn der Augenblickswert der Trafospannung größer ist als die Restspannung am Ladekondensator, und er trennt die Verbindung wieder, wenn der Sinus sein Maximum in Richtung null verlässt. Von den 10 Millisekunden einer Sinushalbwelle verbleibt also nur ein kleines Zeitfenster zur Nachladung des von der Elektronik im Mittel verbrauchten Stromes. Dieses Zeitfenster liegt, je nach Restwelligkeit, typischerweise zwischen 5 bis 10 % – d.h. in 90 bis 95 % der Zeit ist die Elektronik gar nicht zum Netztransformator durchverbunden.
Wie wichtig kann es also sein, dass diese 90 bis 95 % des Kurvenverlaufes rein sinusförmig sind? Höchst wahrscheinlich ist, dass die für die Nachladung verbleibenden 5 bis 10 % der Zeit – durch den harschen, weil 10 bis 20-mal größeren Ladestromimpuls im Vergleich zur mittleren Stromaufnahme – die Sinusform der Spannung stark verbeulen werden. So niederimpedant kann kein praktikabel aufgebauter Sinusgenerator-Verstärker sein. Das deckt sich auch mit der Erfahrung mit diesen Geräten; Endstufen sollten hieraus nicht betrieben werden. Und vom deutlich schlechteren Wirkungsgrad (Stromverbrauch) der aktiven Lösung im Vergleich zur passiven Lösung sollten wir hier gar nicht erst reden …
FIDELITY: Zwei Steckplätze Ihres Spitzenproduktes „Energia Definitiva“ sind mit „Low-C“ gekennzeichnet. Was verbirgt sich denn dahinter?
Wie ich schon erläutert habe (siehe Abb. 2 in Teil 1 dieser Serie), ist die mehr oder weniger unvermeidliche Koppelkapazität C1/2 des geräteinternen Netztransformators für den Eintrag von Störungen in die Elektronik netzseitig verantwortlich. Typische Ringkerntransformatoren haben – neben ansonsten sehr positiven Eigenschaften wie kleinsten Streufeldern, geringem Leistungsgewicht und Volumen – leider recht große Koppelkapazitäten bis in den 1nF-Bereich. Wir verwenden Spezialtransformatoren mit kleinsten Koppelkapazitätswerten und zusätzlicher Schirmung, sodass diese Steckplätze für die höchstempfindlichen Komponenten, beispielsweise Phono-Vorverstärker und digitale Quellen, besonders geeignet sind.
FIDELITY: Im Zusammenhang mit den Koppelkapazitätswerten der Transformatoren, die auch für das sogenannte „Ausphasen“ verantwortlich sind, erwähnten Sie eine Methode des Ausphasens, bei der man ohne Messgeräte auskommt …
Ja, richtig – das Messen mit einem Voltmeter bei abgetrennten Geräteerden wollen wir hier nicht propagieren. Das ist nicht ungefährlich und von daher nur Kunden mit 230-Volt-Erfahrung vorbehalten. Aber auch bei den batteriebetriebenen Ausphasungshilfen gibt es eine Einschränkung, denn sie liefern nur zuverlässige Ergebnisse im Zusammenhang mit Geräten, die mit keiner Stand-by-Schaltung ausgestattet sind.
Eine einfache, risikolose und sicher funktionierende Methode ist es, die richtige Ausphasung durch schlichtes Hören, durch intensives Zuhören herauszufinden. Dabei sollte man wie folgt vorgehen: Besteht Ihre HiFi-Anlage aus vielen Einzelkomponenten, nehmen Sie zunächst z.B. nur CD-Player, Vorverstärker und Stereo-Endstufe. Trennen Sie alle weiteren Signalquellen vom Vorverstärker und auch vom Netz. Stecken Sie hiernach die Netzverbindungen einfach so, wie sie Ihnen in die Hände kommen, in die gemeinsame Netzverteilerleiste ein. Hören Sie sich jetzt ein Musikstück an, das Ihnen speziell geeignet erscheint und in dem etwa Klavier oder Geige, aber auch Blasinstrumente und Stimmen vorkommen. Meist reichen schon 20 oder 30 Sekunden für einen ersten Eindruck. Schalten Sie jetzt die Endstufen ab, aber – ganz wichtig! – ohne die Lautstärke am Vorverstärker zu verändern. Drehen Sie jetzt den Netzstecker der Endstufe in der Verteilerleiste um und hören Sie erneut dieselbe Musikpassage. Wenn sie Ihnen so besser gefällt, markieren Sie die Steckerposition in der Leiste, z.B. mit Nagellack. Verfahren Sie danach in gleicher Weise mit dem Netzstecker des Vorverstärkers und des CD-Players.
Es mag sein, dass Sie hierbei etwa bei der Endstufe große Unterschiede heraushören können, kleinere Unterschiede beim CD-Player und womöglich gar keine bei der Vorstufe. Das sollte Sie nicht verunsichern. Erfahrungsgemäß sind rund 60 % der Komponenten deutlich empfindlich, ca. 20 % weniger deutlich und weitere ca. 20 % gar nicht, d.h. auch per Messung nicht nachweisbar empfindlich.
Nachdem Sie die Netzkabel am Schukostecker markiert haben, sollten Sie diese nicht mehr von Komponente zu Komponente vertauschen. Ebenfalls markiert werden muss jetzt die Verteilerleistenseite und der Schukostecker in der Wandsteckdose. Alsdann können Sie alle weiteren Quellengeräte nacheinander anschließen und mit deren Netzstecker in gleicher Weise verfahren.
Und: Trauen Sie Ihren Ohren! Wo kein Unterschied zu hören ist, da ist auch keiner. In der Summe wird sich der kleine Aufwand klanglich mit Sicherheit lohnen.
FIDELITY: Und in welcher Reihenfolge würden Sie unseren Lesern empfehlen vorzugehen, um den Störeinfluss des Stromnetzes zu minimieren?
1. Das Ausphasen wie soeben beschrieben bedarf keiner Investition und sollte als Erstes erfolgen.
2. Der Austausch der Schuko-Wandsteckdose durch unsere verkupfert/vergoldete HMS-Steckdose und der Ersatz des Sicherungsautomaten gegen eine Schmelzsicherung sind verhältnismäßig kleine Investitionen.
3. Hiernach oder parallel dazu empfiehlt sich der Austausch der Komponenten-Netzkabel durch z.B. HMS Energia SL/OV oder Gran Finale Jubilee SL – zumindest für die Endstufe und den CD-Player.
4. Tauschen Sie die normale Verteilerleiste gegen eine gefilterte Netzleiste, etwa die HMS-Produkte Energia, Energia RC oder – für den kräftigeren Geldbeutel – Energia Definitiva als Netzfilter-Verteiler.
5. Wegen des meist großen Aufwandes und der im Vergleich zu Punkt 1. bis 4. nicht gar so zwingenden Verbesserung kommt die optimierte Hausnetz-Verkabelung erst an fünfter Stelle. Wer allerdings keinen Vermieter fragen muss, sondern vielleicht selbst gerade neu baut oder renoviert, sollte diese Maßnahme sofort mit einplanen.
Unsere Kabelempfehlung hierfür kann ich nur noch einmal wiederholen: Nehmen Sie so viele Standard-1,5-qmm-Volldraht-Rundleitungen (NYM) parallel, wie Sie sie durch die vorhandenen Leerrohre bekommen. Lassen Sie diese vom Elektriker im Zählerkasten gemeinsam auflegen: alle blauen Drähte auf Null, alle braunen auf eine Phase und alle gelb/grünen auf Erde. Diese Lösung ist VDE-gemäß, preiswert, leicht beschaffbar und – weil nicht so störrisch wie große Querschnitte – auch leicht verlegbar. Und sie wird beim Elektriker kein übertriebenes Stirnrunzeln verursachen (siehe auch Teil 2 dieser Serie).
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.
Herr Strassner, wir danken Ihnen herzlich für das aufschlussreiche und informative Gespräch.
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