Update und Erweiterungen: 10.01: Einspielzeit 11.02: Skin-Effekt, Bi-wiring |
Das elektrische
Musiksignal
besteht aus einem Gemisch von Strömen (Elektronenbewegung)
unterschiedlicher
Frequenz (5 Hz-100 kHz) und Amplitude (1 nA - 1 mA bzw. bei
Lautsprechern
bis 10 A ), die gleichzeitig (in richtiger zeitlicher Beziehung =
Phase)
das Kabel passieren müssen.
Frequenzabhängigen Parameter: Immer wenn zwei Leiter parallel geführt werden entsteht eine Parallel-Kapazität C (in pF/m). Stromdurchflpossene Leiter bauen ein Magnetfeld auf und somit immer eine Längs-Induktivität L (in µH/m). Diese sorgen für eine nichtlineare Gruppenlaufzeit im Übertragungsbereich (ca. 5 Hz – 100 kHz), d.h. Signalströme unterschiedlicher Frequenzen benötigen unterschiedliche Zeiten um das Kabel zu passieren. Daraus folgt, daß Impulse verschlissen werden, die Wiedergabe inhomogen und die räumliche Abbildung unscharf wird. Ein weiteres dazu beitragendes frequenzabhängiges Phänomen ist der Skin-Effekt. In einem Leiter werden Stromanteile mit hohen Frequenzen zur Oberfläche des Leiters gedrängt, dies führt ebenfalls zu Gruppenlaufzeitverzerrungen. Frequenzunabhängige Parameter: Die (annähernd) frequenzunabhängige Kenngrößen eines Kabels sind der Längs-Widerstand R (in mOhm/m) und der Parallel-Leitwert G (in µS/m). Sie repräsentieren zusammen mit L und C die Verlustfaktoren (Dissipations-Factor) der Leitung (Ds=R/Omega*L und Dq=G/Omega*C), die möglichst gering sein sollten. Nicht zu vernachlässigen sind dabei die Verluste des Isolators (Dielektrikum) der nicht unendlich hoch, und genauer betrachtet auch nicht frequenzunabhängig ist ! Der Isolator befindet sich permanent im elektrischen Wechselfeld (zwischen den beiden Leitern, Polen). Die Moleküle des Isolators werden mit dem Feldwechsel (Umpolung) bewegt und damit selbst polarisiert (materialabhängige Dielektrizitätszahl). Diese materiellen Verschiebungen entziehen dem Musiksignal Energie (Dielektrischer-Verlustfaktor) und zwar frequenzabhängig, da dieser Vorgang nicht unendlich schnell ablaufen kann. Polyethylen
(SPE), meist
geschäumt, Teflon (PTFE) und Luft ist als Dielektrikum
sehr
gut geeignet, da der Verlustfaktor (tangens-delta) klein ist und kaum
eine
Kapazitätserhöhung erfolgt (Diese ist nur beim Bauelement
Kondensator
erwünscht). Der häufig bei Kabeln verwendete Isolator PVC ist
denkbar schlecht geeignet. Der Verlustfaktor ist hoch, die freien
Elektronen
des Werkstoffes sorgen für Nulldurchgangsverzerrungen,
der Leiter wird chemisch angegriffen (freie Hallogene), aber er ist
kostengünstig.
Geschäumtes Polyuretan (PUR), welches oft in preiswerten
Coaxkabeln
verwendet wird, ist ein guter Kompromiss. Durch Anregung
des Kabels mit Schall findet eine Modulation statt (Mikrofonie). D. h. die
gegenüberliegenden Leiter können im Abstand zueinander im
Takt der Musik geringfügig bewegt werden, was zur
Kapazitätsänderung führt und damit zur frequenz- und
lautstärkeabhängigen Modulation des Signales.. Die technischen Daten: Bei Interconect-Kabeln
liegt die Kapazität bei ca. 50-100 pF/m (in Ausnahmen bis ca. 1000
pF), die Induktität in der Größenordung von 0,3-1
µH/m,
der Widerstand bei 20-100 mOhm/m der Leitwert bei ca. 0,01-1 µS/m
(der Leitwert Siemens ist der Kehrwert des Widerstandes). Der Wellenwiderstand
kann aus L und C berechnet werden: Die
Kapazität eines
Kabels steigt mit der Größe der Fläche und mit der
Reduzierung des Abstandes der beiden Leiter zueinander. Näherungsformeln:
a=Abstand (Mitte zu Mitte) in mm, d, D=kleiner, großer
Durchmesser
in mm Dielektrikum
|
Konstante ( etar ) |
Verlustfaktor
(tangens delta) Die Gesamteigenschaft des Kabels: Diese wird durch den Aufbau: Anordnung der Leiter (koaxial, parallel, kreuzverschaltet, verdrillt, verflochten ..), Abstand der Leiter zueinander, mit oder ohne Abschirmung und der Materialien: Werkstoff (Kupfer, Silber, Goldlegierung), Art des Leiters Lizte oder Massiv, Reinheitsgrad bzw. kristalliner Aufbau (Normal, OFC, PCOCC, 6..8N Kupfer, 4N oder 5N Reinsilber), elektrischer Widerstand, Isoliermaterial (Dielektrikum: PVC, PE, PP, Teflon (PTFE), Silicon, Lacke, Gewebe), Mikrofonie-Empfindlichkeit der gesammten Anordnung und Skin-Effekt bei zu großem Kabeldurchmesser (Durchmesser <0.8mm, oder Flachleitung) bestimmt. Das Ziel: Ein möglichst ausgeglichenes Verhältnis der Parameter zueinander (R/L=G/C) minimiert die Widergabefehler. Leider ist dies fast unmöglich, da sich die Parameter gegenseitig beeinflussen und die Quelle und die Last auch noch berücksichtigt werden müssen. Erfahrungen haben gezeigt daß NF-Kleinsignal-Kabeln (Interconect-Kabel) eine möglichst niedrige Kapazität und Lautsprecherkabel (NF-Großsignalkabel) eine möglichst niedrige Induktivität bei gleichzeitig niedrigem ohmschen Widerstand aufweisen sollten. Eine Abschirmung bei NF-Leitungen ist bei Hochpegelverbindungen (CD -> Verstärker) nicht unbedingt erforderlich. Für sehr kleine Signale, wie sie bei Tonabnehmern die Regel sind (< 0.5mV), und bei HF-Übertragung ist sie aber nötig. Bei Hochfrequenz-Signalen muß der Schirm sehr dicht und beidseitig angeschlossen sein. Brummstörungen (magnetische Felder) könnten nur durch ferromagnetische Abschirmung (ferromagnetische Werkstoffe z.B. Eisen) erreicht werden. Besser ist eine vernünftige Entkopplung, d.h. entfernt von Trafos und Netzleitungen und möglichst kurz und keine Schleifen verlegen. Beim koaxialen Kabel wird das Signal über den Innenleiter und die Abschirmung geführt, die somit ihre Funktion als Schirm nicht mehr erfüllen kann. Besser ist der Einsatz von parallelsymmetrischen Kabeln mit zusätzlicher Abschirmung. Die Abschirmung wird dann an der Quellseite direkt mit Masse verbunden und an der Empängerseite über einen 10Ohm Widerstand. Möglichst nicht nur einseitig anschließen (Sackschirm), dies kann zu HF-Empfang führen ! Bei Lautsprecherkabeln beeinflußt ein niedriger ohmscher Widerstand (hohe Querschnitte des Kabels) zusätzlich den Dämpfungsfaktor (Kontrolle des Verstärkers über die Lautsprecher). Niedrig = hohe Dämpfung = kontrollierte, trockene Baßwidergabe! Anlagenbedingte Klangunterschiede: Einen
starken Einfluß auf die Übertragungsstrecke hat immer
auch
die Ausgangsimpedanz des Senders (Za) und die Eingangsimpedanz
des Empfängers (Ze). Der Ausgangswiderstand eines Gerätes
(Ra) muß möglichst niedrig und der Eingangswiderstand bzw.
Lastwiderstand
(Re) im Faktor mindestens 100 größer sein
(Spannungsanpassung,
Dämpfungsfaktor hoch). Beide sollten möglichst
frequenzunabhängig
sein. Bei
Vorverstärkern und
Musikquellen liegt der praktikable Wert des Ausgangswiderstandes (Ra)
bei
10-100 Ohm bei Endstufen sollte er 0.1 Ohm nicht überschreiten (je
niedriger desto besser !). Der Eingangswiderstand (Re) von
Empfängern
liegt sinnvollerweise zwischen 10-50 kOhm (je kleiner desto besser !).
Die Induktivität und Kapazität des Ausgangs sollte
möglichtst
gering sein ! Der Ausgangswiderstand (Ra) der Quelle bildet zusammen mit der Kabelkapazität (Ck) und der Eingangskapazität (Cp) des Empfängers einen Tiefpaßfilter. fg = 1/(6.28*Ra*Ck+Cp) Beispiel: Ra=2kOhm, Ck+Cp=2nF -> Grenzfrequenz fg ~ 40 kHz. Oft
hat die Quelle einen Ausgangskoppelkondensator und der
Empfänger
einen Eingangskoppelkondensator (AC-Kopplung). Viel schlimmer ist allerdings, das die Qualität (Güte, Verlustwinkel) des resultierenden Kondensators leidet ! (Reihenschaltung: Ca+Rk+Lk+Ce). Dies führt unweigerlich zu Verlusten von Feinzeichnung und Feindynamik. Also möglichst immer DC-DC, DC-AC oder AC-DC verbinden! Bei DC-DC-Kopplung muß natürlich auf Gleichspannungsfreiheit geachtet werden ! Die internen Koppelkondensatoren sind oft von minderwertiger Qualität. Oft wird am Ausgang aus Platz- und Kostengründen ein Elko (ca. 10-100 µF) eingesetzt, sowie am Eingang (ca. 0.1-4.7 µF) aus Kostengründen ein preiswerter Folienkondensator (0.15-0.5€). Ein hochwertiger Kondensator kostet das Zehnfache!. Hier wird jede Menge Klangpotential verschenkt. Schlechte, stark verlustbehaftete Kondensatoren verändern den Klang in Richtung weich, weniger Deteilreichtum (bei Elkos) oder in Richtung kalt mit überzeichneten und hartem Hochtonbereich (bei einfachen Folienkondensatoren). Nicht zu vernachlässigen sind die geräteinternen Verbindungskabel (z.B. in Lautsprecherboxen). Diese können gegenüber der externen Verkabelung eine entscheidende Rolle spielen. Oft sind diese zusammen länger als die Außenverkabelung, zudem von minderwertiger Qualität, und damit Klangkiller ! Masseausgleichströme: Liegt der Sender und Empfänger auf verschiedenen Massepotential so fließt ein Ausgleichsstrom über das Verbindungskabel. Dieser Strom mischt sich mit dem Signalstrom (Modulation) und führt zu Klangveränderungen. Ursache ist meist die Netzversorgung oder HF-Einstreuung. Wenn
an Ihrer Anlage Kabel mit anderen Eigenschaften besser oder schlechter
klingen, Digitale Übertragungsstrecken: Hier liegen die Probleme etwas anders, da hier Rechtecksignale mit konstanter Amplitude (0.5 V bei S/P-DIF, ca. 3-7 V bei AES/EBU) und Frequenz (5.6 MHz bei CD, 11.2 MHz bei DVD) mit schnellen Flanken (ca. 5-30 ns) übertragen werden müssen zählen hier Eigenschaften wie HF-Bandbreite, niedrige Kapazität, Wellenlaufzeit, gute Abschirmung und Wellenwiderstand (Wurzel (L/C)). Die Bandbreite
sollte möglichst
hoch sein um das Rechtecksignal nicht zu beeinflussen. Bei HF
(Hochfrequenz)
muß mit Wellenwiderstandsanpassung gearbeitet werden. Der
Quellenausgang, das Kabel mit den Steckern und der Quelleneingang
müssen
die gleichen Werte aufweisen (bei Digital-Audio 75 bzw. 110 Ohm).
Abweichungen
können zu Reflexionen und damit zu Intermodulation mit der Folge
von
Phasen-Jitter führen. Versilbertes Kupfer-Koaxkabel, mit
massiven
oder als Litze (StaCu) ausgeführten Innenleiter und Teflonisolierung
haben sich als sehr positiv erwiesen. Auf die Abschirmung darf hier
keinesfalls
verzichtet werden (CE), da sonst HF bis zu 250MHz (Oberwellen)
abgestrahlt
werden können. Diese werden von anderen HIFI-Geräten
aufgefangen
und durch Intermodulation entsteht Klirr ! Sonstige Klangbeeinflussungen: In beiden Welten
sind die
Steckverbinder nicht vernachlässigbar ! Kenngrößen
wie Kontaktübergangswiderstand, Grenzschichten
durch
Materialübergänge (Messing-Nickel-Gold),
Lötstellen,
Kapazität und Induktivität, sowie ferromagnetische
Eigenschaften verändern ebenfalls den Klang.
Kabel brauchen
eine Einspielzeit
von ca. 30-45 Minuten um ihre volle Leistungsfähigkeit zu
erreichen. Warum Kabel aus reinstem Kupfer oder reinem Silber ? Im allgemeinen
wird der Effekt
vernachlässigt, daß kleinste (überwiegend
hochfrequente)
Ströme durch Kabelverunreinigungen verloren gehen bzw.
beeinflußt
werden! Dieser Effekt ist ähnlich den Totzonen bei
Halbleitern
(Übernahmeverzerrungen
bei Endstufen). Die Moleküle von Leiter-Materialien haben eine Kristallstruktur. Der durchfließende Strom muß die Korngrenzen überwinden, was zu verlusten führt. Das gleiche gilt für andere Verunreinigungen. Auf Grund ihrer mechanischen Fertigung (kristalliner Aufbau) besitzen Kabel eine Laufrichtung. Normalerweise ist diese mit einem Pfeil von der Quelle wegzeigend markiert. Ist dies nicht der Fall, oder aus Mißtrauen, bzw. Neugier kann dies auch durch Hörtests ermittelt werden. Kabel sind im geringeren Maße auch Mikrofonieanfällig. Im Schallfelds werden die Leiter zusammengedrückt, was die Kapazität verändert. Die Inhomogenität
der Stromverteilung steigt mit dem Querschnitt des Leiters an.
Ursache:
Die Elektronen drängen bedingt durch das Eigenmagnetfeld nach
außen. Statische Aufladung des Isolators kann ebenfalls zur Klangbeeinflussung führen. Ob Biwiring (4-adrig) oder konventionell zweiadrig, sollte an der Wiedergabekette getestet werden. Bei Biwiring wird die Frequenzweiche in zwei Zweige aufgeteilt (Baß und Hochton), die bis zum Verstärker getrennt geführt werden. Es können so verschiedene spezialisierte Kabeltypen aber mit möglichst gleichen Klangeigenschaften (identisches Design) verwendet werden und der Verstärker sieht quasi über jedes Kabel ein Lautsprecherchassis mit seiner Weiche. Wir haben damit beste Erfahrungen gemacht. Die klaren Vorteile von Biwiring sind:
Grund:Die Energieverteilung nimmt stetig mit der Membranauslenkung zu hohen Frequenzen hin ab. Von 100% zugeführter Leistung beträgt die Verteilung auf die Bereiche: Tiefbaß (20-70Hz), Baß (70Hz-200Hz), Mittelton (200Hz-3kHz), Hochton (3kHz - >20kHz) etwa 40 / 30 / 20 / 10 %. Hinweise:
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Symmetrische
oder unsymmetrische Signalübertragung ?
Bei symmetrischer Übertragung wird das Signal in Normalphasenlage (+) und parallel dazu ein Signal invertiert (-) übertragen. Die Masse dient nur der Abschirmung. Jede dieser aus der Studio-Technik stammende XLR-Signalleitungen hat zwei gleiche Innenleiter und eine Abschirmung. Das Ziel ist eine höhere Störunterdrückung zu erreichen, da diese auf beide Innenleiter gleichmäßig einwirken und sich somit weitestgehendes aufheben. Weiterhin ist die Gefahr das Massestörungen (Schleifen) auftreten geringer. Voraussetzung dafür
ist allerdings das der Quellen-Ausgang und Empfänger-Eingang
jeweils
doppelt (symmetrisch) vorhanden sein muß. Die Güte der
Störunterdrückung
ist abhängig von der "Gleichheit" dieser Schaltungen. D. H. die
Ausgangs-
und Eingangs- Impedanz (R + C), Verstärkung, Bandbreite, Laufzeit
usw. von positiven und negativen Zweig müssen gleiche
Eigenschaften,
aber exakt 180° entgegengesetzte Phasenlage aufweisen, was zu hohen
Frequenzen hin immer schwieriger wird. Die Invertierung des Ausgangs wird oft durch eine Verkettung erreicht. Das invertierte Signal durchläuft also zwei Stufen, während das nichtinvertierende nur eine Stufe durchläuft. Die Qualität (Störunterdrückung) des symmetrischen Eingangs ist abhängig von dessen Differenzverstärkerqualitäten (Gleichtaktunterdrückungsfaktor, Bandbreite) und lässt sich im allgemeinen nur mit Operationsverstärkern verwirklichen. Bei der oft benutzten pseudosymmetrischen Verschaltung eines symmetrischen Kabels mit Cinch-Steckern wird der Schirm nur einseitig angeschlossen (Sackschirm), die beiden identischen Innenleiter werden als Signalleiter und Masse verwendet. Diese Art der Verdrahtung hat sich gegenüber dem koaxialen Aufbau für NF durchgesetzt (Koaxkabel sind eigentlich nur für HF Übertragung vorgesehen). Vollsymmetrische Signalverarbeitung: Im o.g. Fall werden die Geräteaus- und Eingänge (meist zusätzlich) symmetriert, während der Rest der Schaltung unsymmetrisch verbleibt. Bei der vollsymmetrischen Signalverarbeitung ist auch die DA-Wandlung und Verstärkung symmetrisch ausgelegt. D. h. im DAC bzw.CD-Player, im Vorverstärker und in der Endstufe (Brückenschaltung) sind jeweils zwei Zweige pro Kanal (invertiert und nichtinvertiert) aufgebaut. Diese Variante ist aus Kostengründen nur sehr selten anzutreffen. In
wie fern sich dieser Aufwand in klanglicher Verbesserung
niederschlägt,
ist wie immer von einer konsequenten (möglichst fehlerfreien)
Umsetzung
abhängig und natürlich auch eine Kostenfrage.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV, CE) Eine Grundvoraussetzung der CE-Kennzeichnung ist die als Störaussendung und Störfestigkeit bekannte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Durch die CE-Auflagen soll sichergestellt werden das Geräte keine Hochfrequenz-Störungen (Elektromagnetische Wellen) über einen Grenzwert hinaus abstrahlen, die andere Geräte empfangen und beeinflussen können. Werden Geräte mit Störungen belastet, sollten diese keine Betriebsstörungen bzw. Beeinträchtigungen erfahren. Dabei wird zwischen kabelgebundener (über Netzkabel bis 30 MHz) und freier Abstrahlung (ab 30 MHz-1 GHz über Gehäuse und Verbindungskabel) als Antenne unterschieden. Störstrahlungsquellen
in der Übertragungskette sind digitale Geräte (CD, DVD, DAT,
AD/DA-Wandler). Dort wird mit schnellen Rechtecksignalen gearbeitet
(bis
22 MHz). Die Bandbreite dieser Signale ist abhängig von der
Steilheit
(z.B. von 0V auf 5V in 5 ns) Maßnahmen zur Einhaltung sind glücklicherweise auch von klanglichen Vorteil! Störstrahlungsempfänger sind alle Geräte die dem Feld ausgesetzt sind. Ein Verstärker kann z.B. durch die Anregung mit HF mehr Verzerrungen produzieren, der Arbeitspunkt kann sich ändern und somit können sich Intermodulationseffekte im hörbaren Frequenzbereich ergeben. Ein hundertprozentigen Schutz gegen Einstrahlung gibt es nicht. Noch nicht einmal voll gekapselte Gehäuse und perfekt geschirmte Signal-Kabel helfen. HF ist immer und überall ! Einen Schutz bieten kann:
Ein harscher Hochtonbereich, wenig Wärme und Volumen und eine flache Abbildung sollten dann nicht mehr vorkommen. Weitere Richtlinien der CE-Kennzeichnung sind die Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen (Niederspannungsrichtlinien, Berührungsschutz) und die Unempfindlichkeit gegen elektrostatische Entladung (ESD). |