HMS Elektronik – Brummschleifen und Netzverkabelung– Alles Voodoo oder was? – Teil 2
Teil 2 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, ist es nicht ratsam, die Netzverkabelung zu optimieren, bevor man Filter gegen Brummschleifen oder Ausgleichsströme einsetzt?
Ja, denn wenn man ein Problem vermeiden kann, ist dies meist effizienter – sprich kostengünstiger – als die Bekämpfung seiner Auswirkung. Wir konnten ja bereits die oft angezweifelten Klangbeeinträchtigungen aufzeigen (siehe Teil 1), die durch eine Differenzspannungsbildung bei Verwendung nur dreipoliger Standard-Komponentenanschlusskabel entsteht. Das von uns so benannte „Phänomen der letzten 1,5 m“ hat also eine sehr plausible Erklärung. Das Entwicklungsziel einer hochwertigen, die Differenzspannungsbildung drastisch reduzierenden Netzleitung muss also sein: möglichst kleine ohmsche Widerstände in Abstimmung mit dazu passendem, niedrigem induktivem Widerstand sowie vernachlässigbare Übergangswiderstände der Steckverbinder (vernachlässigbar, damit ihre oft nichtlineare Wirkung ohne Einfluss bleibt).
Wir haben dieses Entwicklungsziel bei unseren Modellen Energia SL und insbesondere Gran Finale Jubilee SL im Verbund mit weichverkupferten und vergoldeten Steckern und Buchsen in den Vordergrund gestellt. Uns war gleichzeitig noch wichtig, dass die Produkte nicht zu den monströsen Kabeln zählen, die jeden Steckverbinder kurzfristig ruinieren, mitunter sogar die Komponenten glatt vom Tisch ziehen. Dafür hätte HMS wohl auch keine VDE-Zertifizierung erhalten …
Zur Verdeutlichung habe ich hier einige Messergebnisse von Netzleitungen (Hin- und Rückleitung einer 1-m-Leitung) im Vergleich:
Standard-Stegleitung 1,5 qmm Volldraht für feste Verlegung nach VDE
Rohmsch = 24 mΩ/m; L = 1,03μH/m Rind = 65 mΩ/m (10 KHz)
Standard-Rundleitung NYM 1,5 qmm Volldraht für feste Verlegung nach VDE
Rohmsch = 24 mΩ/m; L = 0,638μH/m Rind = 40,07 mΩ/m (10 KHz)
Standard-Rundleitung NYM 2,5 qmm Volldraht für feste Verlegung nach VDE
Rohmsch = 14,4 mΩ/m; L = 0,61μH/m Rind = 38,3 mΩ/m (10 KHz)
Auch querschnittstärkere 3-polige Leitungen haben keinen signifikant niedrigeren induktiven Widerstand.
HMS Energia SL 3,0 qmm Litzenleitung für mobilen Einsatz (VDE zertifiziert)
Rohmsch = 12 mΩ/m; L = 0,123μH/m Rin d = 7,7 mΩ/m (10 KHz)
HMS Gran Finale Jubilee SL 6,0 qmm Litzenleitung für mobilen Einsatz
Rohmsch = 6 mΩ/m; L = 0,075μH/m Rind = 4,7 mΩ/m (10 KHz)
Die Messergebnisse sind sehr interessant. Zunächst bestätigen sie, dass die Strecken ab Verteilerleiste zu den Komponenten wegen der Differenzspannungen wohl die kritischeren sind, denn eine 1,5-qmm-Hausverkabelung von z. B. 20 m Länge hat einen dominanten ohmschen und induktiven Widerstand (Rohmsch = 480 mΩ; Rind. = 800 mΩ). Wäre dies nicht so, könnte der Kabelwechsel an der Anlage nur schwerlich so deutlich hörbar werden. Es ist klar zu sehen, dass eine Querschnittsvergrößerung zwar den ohmschen Widerstand linear reduziert, nicht aber den induktiven. Leider ist dies bei allen 3-poligen Leitungen (Phase, Null, Erde) so, gleichgültig ob Volldraht oder Litze, da sich die Induktivität proportional zum Quotienten A/d (d. h. Abstand zu Durchmesser der Leitung) definiert. Ein wirklich niederinduktives Kabel hat einen völlig anderen Aufbau. Das HMS Energia SL beispielsweise ist 9-polig, das Gran Finale Jubilee SL 18-polig. Derartige Konstruktionen sind zwar für den mobilen Betrieb, also als Netzanschlusskabel, VDE-zertifizierbar, nicht aber für die feste Verlegung in der Wand. Zur Haus-Netzverkabelung komme ich später noch. Hier einige Messwerte zu den ebenfalls wichtigen Kontaktübergangswiderständen, zunächst von Schuko-Steckern und -Dosen, wobei sich alle Messwerte auf beide Kontakte für Hin- und Rückleitung beziehen:
Standard-Wandsteckdose, ca. 10 Jahre in Gebrauch, und gebrauchter Standard-Schukostecker; Kontakte in beiden Fällen vernickelt Rohmsch = instabil zwischen 30 bis über 100 mΩ
HMS Schuko-Wandsteckdose und HMS Schukostecker, beide mit verkupferten und vergoldeten Kontakten Rohmsch = ca. 0,2 mΩ stabil
Das Ergebnis spricht für sich: Schnellmontage-Wandsteckdosen, deren Anschlüsse schraublos nur durch Federdruck kontaktiert werden und die seit den 70er Jahren fast ausnahmslos montiert werden, sollte sich niemand mehr erlauben. Ähnlich deutliche Ergebnisse haben wir bei Kaltgerätesteckern und -buchsen festgestellt. Auch hier beziehen sich die Messwerte auf beide Kontakte für Hin- und Rückleitung:
IEC-Buchse (Messing), gebraucht, an neuem IEC-Einbaustecker (Messing vernickelt) Rohmsch = instabil zwischen 25 bis 60 mΩ
IEC-Buchse HMS verkupfert und vergoldet, an neuem IEC-Einbaustecker (Messing vernickelt) Rohmsch = 1,7 mΩ stabil
IEC-Buchse HMS und IEC-Einbaustecker HMS, beide verkupfert und vergoldet Rohmsch = ca. 0,7 mΩ stabil
FIDELITY: Das spricht wohl auch für sich. Wie haben Sie ein derart durchschlagend verbessertes Ergebnis erzielen können?
Hier möchte ich ein paar Erläuterungen zum Thema Kontakte und Kontaktwerkstoffe geben. Studiert man die Datenblätter industriell gefertigter Kontakte, Relais, Schütze etc., dann fällt auf, dass auch in den größten Leistungsklassen (Motorschütze) Übergangswiderstände zwischen 2 bis 10 mΩ, bei Kleinleistungsrelais ca. 5 – 15 mΩ zu finden sind. Diese beachtlich hohen Werte sind keinesfalls durch die Leitereigenschaften der Kontaktoberflächenvergütungen zu erklären. Deren Auswahl erfolgt im Wesentlichen nach den Arbeitsbedingungen des Kontaktes, wie DC oder AC und Höhe der Spannung sowie Strom, und ob induktive/kapazitive Lasten bei voller Belastung geschaltet werden müssen, Stichwort Abbrand und Funkenlöschung. (Für Kleinsignal AC u. DC – AgAu; für hohe Schaltleistung und AC – AgSnO2; AgCdO; AgNi u. a.) Keines der je nach Anwendung verwendeten Elemente/Legierungen ist ein so schlechter Leiter, dass eine wenige μ starke Oberflächenschicht zu solchen Übergangswiderständen führen könnte. So ist z. B. Kupfer nur ca. 6 % schlechter als der beste Leiter, Silber; Gold ist je nach Legierung nur ca. 30 % schlechter. Kontaktmessing oder Bronze sind Kupferlegierungen. Ihre Leitfähigkeiten stehen angesichts der großen Querschnitte, z. B. Schuko P u. N Pinne, außer Frage. Reinkupfer massiv wäre unsinnig, weil es zu weich und maschinell nicht verarbeitbar ist und auch sonst keine weiteren Vorteile hat. Nein, die Gründe sind andere.
Nehmen wir eine typische Kontaktkonstruktion: Abbildung 6: typische Kontaktkonstruktion Zwei kreisrunde Pillen sind fest mit ihrem wesentlich stärkeren Kontaktträger vernietet oder verschweißt. Nehmen wir an, alle Teile seien Kupfer und die Kontaktträger wesentlich querschnittsstärker als die Kontaktpillen. Nehmen wir des Weiteren an, die Pillen haben nur einen Querschnitt von 1,5 qmm und je 1 mm Höhe, dann müsste sich ein Übergangswiderstand von Reu = 12 mΩ/m 24 μΩ messen lassen. Tatsächlich aber messen wir Werte, die 100 bis 1000 Mal höher liegen.
FIDELITY: Wie kommt das zustande?
Würde man sich den Querschnitt der Kontaktflächen hochvergrößert anschauen können, würde man deren Oberflächenrauigkeit als eine über- einander liegende „Alpenlandschaft“ zu Gesicht bekommen. Abbildung 7.1: Kontaktzone unter Mikroskop Auf der gesamten Kontaktfläche haben nur wenige Bergspitzen Kontakt miteinander, d. h. der tatsächlich leitende Querschnitt reduziert sich im Kontakt-bereich dramatisch.
Die Verhältnisse sind noch wesentlich größer, als es die genannten 100 bis 1000 vermuten lassen, da die eigentliche Kontaktzone ja nicht 2 mm hoch ist, sondern nur wenige μm. Das bedeutet, der weitaus überwiegende Teil der Kontaktfläche liefert gar keinen Kontakt und ist mit Luft oder Oxidationsprodukten gefüllt. Was ist also zu tun? Zwei naheliegende Dinge sind da spontan zu nennen. Erstens: Wir erhöhen den Druck der Kontaktstücke aufeinander. Das wird die Spitze verformen und zu größeren Kontaktflächen führen, ist bei großer Härte der Kontaktmaterialien aber nicht sonderlich wirksam. Oder zweitens: Wir nehmen eine der beiden Kontaktpillen mit einer besonders weichen metallischen Beschichtung. Die harten Spitzen des anderen Kontaktes werden die weiche Beschichtung fließend verformen, sodass auch die Täler zwischen den Kontakten mit leitendem Metall aufgefüllt werden und an der Leitfähigkeit des Kontaktes teilhaben.
Genau so haben wir es gemacht. Unsere HMS Schukosteckdose liefert mit doppelter Federung und langen, ermüdungsarmen Federn den hohen Kontaktdruck. Die Kontaktflächen sind galvanisch verkupfert und vergoldet. Der HMS Schukostecker ist ebenso 20 μ galvanisch verkupfert und nur zum Schutz gegen Korrosion 1 μ vergoldet. Kupfer wie auch Gold gehören, in reiner Form galvanisch abgeschieden, zu den am besten verform- und dehnbaren metallischen Elementen. Der recht dicke Auftrag weichen Kupfers ist also der Schlüssel zum Erfolg. Bei der IEC-Kaltgerätebuchse haben wir die Kontaktfedern entsprechend gleichartig in der Oberfläche behandelt, sodass auf den mühseligen Umbau der IEC-Einbaustecker verzichtet werden kann. Denn es reicht in der Regel, wenn ein Kontaktpartner eine weiche Oberfläche präsentiert.
FIDELITY: Heutzutage sind rhodiumbelegte Kontakte in aller Munde. Was können Sie hierzu sagen?
Aufgrund seines extrem seltenen Vorkommens ist Rhodium das teuerste Edelmetall überhaupt. Seine Leitfähigkeit entspricht nur zu ca. 40 % der des Kupfers. Wegen seiner großen Härte, seines extrem hohen Schmelzpunktes von 1964° C und einer Verdampfungstemperatur von 3727° C ist es jedoch bestens z. B. für Kontakte mit starker Funkenbildung wie etwa beim Schalten von Leistungsmotoren etc. geeignet, vergleichbar mit Platin und Wolfram. Nur: Diese Frage stellt sich in unserer Anwendung überhaupt nicht; weder für Netz- noch für Signalkontakte. Wir brauchen vielmehr das glatte Gegenteil. Weiche Oberflächen mit bestem Korrosionsschutz, wie mit Kupfer vergoldet, sind übrigens in der gesamten Elektronik aus gleichem Grund üblich. Außerdem sind Schukostecker und -buchsen „schiebende“ Kontaktkonstruktionen, d. h. wenn es hier mal funkt, liegt die abgedampfte Stelle an der Kontaktspitze, nicht aber in der fünf bis sechs Millimeter tiefer liegenden Kontaktzone. Ich möchte noch ein paar allgemeine Bemerkungen zu Kontakten loswerden. Wie schon die Messungen zeigten, ergeben sich teilweise sehr instabile Werte bei älteren Kontakten; dies benötigt sicher keine weitere Erklärung. Kontakte haben ganz allgemein eine selbstreinigende Wirkung durch die schleifende Bewegung der Kontaktflächen bei Bedienung. Wir haben häufiger Ärger mit heute zur Reparatur kommenden Messgeräten im fortgeschrittenen Alter. Ursache ist immer, dass die Schalter über Jahre nicht benutzt wurden und langsam vor sich hin korrodieren konnten. Silberkontakte zeigen hier eine erhöhte Anfälligkeit. Reinigungssprays helfen nur kurzfristig und verschlimmern den Fehler meist nach kurzer Zeit, da man sie nach der Reinigung nicht vollständig entfernen kann. Besser ist eine mechanische Reinigung durch häufige Benutzung. Dies gilt sicher auch für viele Kontakte im HiFi- und Heimkino-Bereich. Korrosionshemmende Sprays sind empfehlenswert, sofern sie bei neuen/sauberen Kontakten zum Einsatz kommen.
FIDELITY: Sie wollten noch auf die Netzverkabelung im Haus eingehen …
Zur Haus-Netzverkabelung habe ich eine Empfehlung – als zweiten Schritt nach dem Austausch der Beipack-Netzkabel durch niederinduktive Komponentenkabel. Zunächst ist es zweifellos besser, eine ausschließlich für die HiFi/Heimkino-Anlage benutzte Leitung zur Verfügung zu haben, um sich von Störeinflüssen anderer Verbraucher weitestgehend frei zu machen. Der Hauptanschluss ist die Zapfstelle mit der niedrigsten Impedanz, sodass Störungen weiterer angeschlossener Steigleitungen hier nahezu einen Kurzschluss erfahren. Nun haben wir einige Male von Kunden gehört, dass sie sich etwas besonders Gutes tun wollten und einen 3-Phasen-Anschluss legen ließen: eine Phase für den CD-Player, eine für die Vorstufe und die dritte für die Endstufe. Dies ist leider die unglücklichste Lösung. Nicht nur, weil die Augenblickswerte der Spannungen sowie Störungen auf den drei Phasen garantiert unterschiedlich sind, sondern weil jetzt die lange Leitung bis zum Zähler mit in die differenzspannungs-bildende Leitungslänge eingeht. Dies gilt auch für hochfrequente Einkopplungen. Also bitte „nur“ eine Phase zu einer Steckdose. Der Elektriker kann leicht die am wenigsten belasteten wählen, dies sind meist die Schlafzimmeranschlüsse. Zur Frage der Leitung: Wie die Messergebnisse und Abb. 4.1 und 4.2 (s. FIDELITY Nr. 9) zeigen, ist es nicht nur eine Frage des Querschnittes. Die Induktivität spielt keine untergeordnete, wenngleich auch nicht gleichermaßen wichtige Rolle wie im Fall der letzten 1,5 m (Gleichtakt-/Differenzstörung). Da es keine VDE-gemäße, niederinduktive Leitung für feste Verlegung gibt und wir unsere Energia SL nicht empfehlen dürfen, weil die vielpoligen Litzenleitungen nur für mobilen Einsatz zulässig sind, empfehlen wir folgende Lösung: Nehmen Sie so viele NYM-Standard-1,5-qmm-Volldraht-Rundleitungen parallel, wie Sie durch die vorhandenen Leerrohre bekommen. Lassen Sie diese vom Elektriker im Zählerkasten gemeinsam – also alle blauen Drähte auf null, alle braunen auf eine Phase und alle gelb/grünen auf Erde – auflegen. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass das Material VDE-gemäß, preiswert, leicht beschaffbar und, weil nicht so störrisch wie große Querschnitte, auch leichter verlegbar ist. Und auch der Elektriker wird dabei nicht die Stirn runzeln. Dazu hat es noch einen technischen Vorteil: Neben dem großen erreichbaren Summen-Querschnitt reduziert sich die Induktivität bei zwei Leitungen auf etwas weniger als die Hälfte, bei vier Leitungen auf weniger als ein Viertel (weil sie eng zusammenliegen).
Dies kann mit keiner querschnittsgleichen 3-adrigen Leitung erreicht werden. Mit geschirmten Leitungen sollte man ebenso verfahren. Der Schirm ist allerdings nur am Verteiler auf Erde zu legen. Geschirmte Leitungen sind allerdings nicht so leicht beschaffbar und, weil viel steifer, auch schwerer verlegbar. Die niedrigere Induktivität der ungeschirmten Mehrfachleitung macht einen Schirm jedoch nahezu überflüssig, denn niedrige Induktivität heißt ja niedrige Streuinduktivität. Und wie gesagt: Wo wenig rausstreut, streut auch wenig rein. Wir haben sehr gute Erfahrungen mit ungeschirmten Leitungen, die aus drei oder vier 1,5-qmm-NYM-Rundleitungen bestehen. Und noch etwas – Ihr Elektriker sollte auch die Sicherung wechseln, wie die folgenden Messergebnisse belegen:
Messergebnisse zu Sicherungen:
16 Amp. Netzautomat gebraucht Rohmsch = 20 mΩ instabil, nach mehrfachem Schalten abfallend auf R = 10 mΩ; recht stabil. Induktivität L = 0,8μH ≈ Rind = 50,2 mΩ (10 kHz)
16 Amp. Schmelzsicherung, träge Rohmsch = 6,5 mΩ kalt (kleiner Strom) L = 0,05 μH, vernachlässigbar klein 10 mΩ warm (größerer Strom)
Die 16-Ampere-träge-Schraubsicherung ist dem 16-Ampere-Automaten klar überlegen. Der induktive Widerstand entfällt praktisch vollständig, da dieser Sicherungstyp nicht über eine Magnetspule, sondern über einen Schmelzdraht auslöst. Eine 25-Ampere-Version hätte einen noch niedrigeren Widerstand des Schmelzdrahtes, ist aber wegen der auf 16 Ampere maximaler Strombelastung begrenzten Zulassung des Schukosystems nicht VDE-gemäß. Wichtig ist die Konstanz des Widerstandes auf niedrigem Niveau. Die wird durch den hohen Kontaktdruck einer Schraubsicherung am besten und langfristigsten garantiert. Sicherungen mit Federdruckkontakten, in letzter Zeit auch in versilberter oder vergoldeter Ausführung erhältlich, sind zwar teuer, aber ebenfalls zu empfehlen. Gleiches gilt für den Ersatz der Feinsicherung in audiophiler Ausführung in dem Sicherungshalter der Geräterückwand. Achten Sie aber unbedingt auf die gleiche Abschaltstromstärke und das z. B. träge (T) Abschaltverhalten, damit ein vollwertiger Schutz Ihrer Komponenten erhalten bleibt.
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.
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