Erdschleife

Eine Brummschleife oder auch Erdschleife bezeichnet in der Elektronik und Tontechnik eine Schleife geschlossene Masseverbindung einer elektrischen Verkabelung oder Verdrahtung, die bei niederfrequenten Störströmen aufgrund der Impedanz (Widerstand > null) der Schleife einen ungewollten Spannungsabfall im Signalpfad erzeugt. Dadurch addiert sich zum Nutzsignal ein Störsignal.

Das Störsignal kann sich z. B. in tontechnischen Anlagen als ungewollter, störender Brummton äußern. Bei Messgeräten und Sensoren verfälscht das niederfrequente Störsignal Oszillograme oder Messsignale.

Je nach Ursache enthält das Störsignal die Netzfrequenz (50 oder 60 Hz) und einen mehr oder weniger hohen Anteil an deren Oberwellen bzw. Harmonischen. Dabei treten ungeradzahlige Harmonische (in Europa 150 Hz, 250 Hz usw.) und (z.B bei Beteiligung von Netzgleichrichtern) auch geradzahlige Harmonische (in Europa 100 Hz, 300 Hz usw.) auf.
Oft ist die Netzfrequenz selbst in Audioanlagen kaum oder nicht zu hören, da sie an der Untergrenze des NF-Übertragungsbereiches liegt.

Straßenbahnoberleitungen und deren Speiseleitungen und Schienen können Stör-Magnetfelder bei 300 Hz verursachen, die im Unterwerk beim Gleichrichten aus dem Drehstromnetz entstehen (Ripplestrom).

Ursachen

Erdschleife. Punkt A: z. B. Schukosteckdose; Gerät B und C könnten z. B. über eine Koaxiale Leitung verbunden sein. Zum Bild: Das Streufeld von $I_{1}$ (z.B. eines Transformators) induziert in der Erdschleife A,B,C einen Strom $I_{2}$, der einen Spannungsabfall auf Abschnitten der Masseleitung verursacht, sodass sich die induzierten Spannungen in Masse- und Signalleitung nicht gegenseitig aufheben.

Die Übertragung elektrischer Signale, gleich ob analog oder digital, bedingt die Mitübertragung eines Referenzpotenzials. Dies ist bei asymmetrischen Signalen die sogenannte Masseverbindung. Sind die Massepotentiale verschiedener Geräte trotz Masseverbindung ungleich, entsteht durch den Ausgleichsstom auf der Masseleitung ein Spannungsabfall und zum übertragenden Signal addiert sich ein Störsignal. Normalerweise ist dieser Ausgleichsstrom sehr gering und verursacht keine Störungen. Liegt jedoch eine Erdschleife vor, kann dieser Strom durch

• gemeinsam mit Stromversorgungen benutzte Abschnitte der Signal-Masseleitung
• zugleich als Schutzleiter benutzte Abschnitte der Signalmasse (hohe Ableitströme im Stromnetz)
• Induktion in die Schleife der Signalmasse durch Stör-Magnetfelder
  

so hohe Werte annehmen, dass der Spannungsabfall zu einem Störsignal führt.

Verbindet man z.B. die Masse zweier Geräte über Leitungsschirme und sind diese zugleich über einen anderen Weg über die Schutzkontakte (Schutzklasse I) verbunden, so verteilt sich der Strom auf die Schutzleiterverbindung und auf die Signalmasse-Verbindungen. Zugleich wirkt diese Anordnung auf alle magnetischen Wechselquellen (Transformatoren, Vorschaltdrosseln usw.) der Umgebung wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung eines Transformators. Diese Störquellen induzieren somit möglicherweise ebenfalls Strom in der entstehenden Schleife A-B-C, siehe Bild.

Ist die Schleife dagegen offen, wird durch magnetische Wechselfelder zwar eine Spannung in sie induziert, die Spannung gleicht jedoch derjenigen, die auch in der Signalleitung selbst induziert wird - beide heben sich auf. Die z.B. durch kapazitive Einflüsse verbleibenden Ausgleichsströme sind dann so gering, dass sie keine Störungen verursachen.

Erdschleifen können auch ohne Verbindung zum Schutzleiter bestehen und Störungen verursachen, wenn Masseverbindungen mehrfach und auf verschiedenen Wegen bestehen oder auch geerdete Antennen- und Telefonkabel verbunden sind.

Große Ausgleichsströme können besonders zwischen verschiedenen Punkten einer Schutzleiterverbindung (unterschiedliche Stromkreise der Hausinstallation) oder zwischen jenen und einer geerdeten Antennen- oder TV-Kabelanlage fließen.

Beispiele

Video- und Tontechnik

Audio-Einzelgeräte (Verstärker, Mischpult, aber auch Computer) sind häufig schutzgeerdet und besitzen eine Verbindung des Schutzleiters zur Signalmasse. Eine weitere Masseverbindung über die Signalkabel führt dann zu einer geschlossenen Erdschleife und zu Störungen. Zwischen verschiedenen Erdverbindungen (zum Beispiel der Antennenleitung und des Schutzleiters) entstehen Ausgleichsströme aufgrund geringfügig abweichender Erdpotentiale. Sie verursachen Spannungsabfälle auf den Masseverbindungen der Signalmasse. Diese Spannungsabfälle addieren sich direkt zum Nutzsignal (NF) oder verursachen in Ferrit-Filterspulen eine Amplitudenmodulation im (amplitudenmodulierten) Fernsehsignal. Im zweiten Fall entstehen durch das Bild laufende waagerechte Balken, die eventuell auch fehlende Zeilensynchronisation aufweisen, wenn die Synchronimpulse durch Sättigung der Ferrite verloren gehen.

Audiogeräte (intern)

Erdschleifen innerhalb von Audiogeräten entstehen durch unsachgemäßes Design: sind die Masse der Eingangsbuchsen sowie weitere Punkte der Innenschaltung über mehrere Wege miteinander oder gar mit dem Schutzleiter verbunden, können sie die Streufelder des Netztransformators aufnehmen. Häufig fließt auch der Versorgungsstrom nach der Gleichrichtung über einen gemeinsamen Abschnitt der Masseverbindung. Das führt zu Brummgeräuschen - je nach Ursache mit der Netzfrequenz oder dem Doppelten der Netzfrequenz sowie Harmonischen davon.

Computernetze

Insbesondere ältere, asymmetrische Normen der elektronischen Datenübertragung (RS-232, Parallelport, 10Base2) haben Probleme mit Erdschleifen. Die meist mit Schutzerde (Schuko, Schutzklasse I) versehenen EDV-Geräte verursachten zusammen mit den Außenleitern der abgeschirmten Kabel zwischen den Geräten Erdschleifen, die die Datenübertragung stören konnten. Heutige Netzwerkverbindungen für große Entfernungen enthalten Trenntransformatoren (Ethernet-"Magnetics"). Im USB-Kabel wird differentielle Signalübertragung verwendet, um mögliche Störungen der durch Betriebsspannungs- und Masseverbindung sowie die Schirmung entstehenden Erdschleifen zu verringern.

Sensoren

Im Maschinen und Anlagen treten Erdschleifen häufig bei über Koaxialleitungen angeschlossenen Sensoren auf, wenn diese zugleich an verschiedenen Stellen am Schutzleiter oder dem Chassis der Maschine angeschlossen sind. Abhilfe schaffen differentielle, erdfreie Eingänge (siehe pseudo-differentielle Signalübertragung) oder das Auflegen des Schirmes nur an einem Ende der Kabelverbindung.

Leiterkarten, Motherbords, Schaltnetzteile

Bei Leiterplatten und Geräteverdrahtungen treten zwei einander gegensätzliche Anforderungen auf:

• die möglichst induktionsarme Ausbildung der Masseverbindungen (Massefläche)
• die Vermeidung von Erdschleifen durch Sternpunkterdung

Diese einander ausschließenden Forderungen werden je nach Baugruppe bzw. Gerät unterschiedlich gehandhabt:

• Bei Motherboards und oft auch bei Schaltnetzteilen verwendet man eine geschlossene Massefläche als separate Ebene (Layer)
• Treten analoge und digitale Signale gemischt auf, werden getrennte Masseflächen verwendet, die nur an einem Punkt zusammengeschlossen sind
• bei Niederfrequenzgeräten (Verstärker) kann man weitgehend Sternpunkterdung anwenden und gegebenenfalls Teilbereiche mit einer Massefläche belegen, die jedoch nicht von großen Strömen (Gleichrichter, Ausgänge) durchflossen werden darf.

Telefon und Nachrichtentechnik

Versuche im 19. Jahrhundert, Telefongespräche unsymmetrisch (d. h. mit nur einer Leitung und mit der Erde als Gegenpol) zu übertragen, blieben auf wenige Kilometer beschränkt - zu groß wurden die Störungen. So erkannte man in der Nachrichtentechnik zuerst, daß die Übertragung von Signalen über große Entfernungen nur möglich ist, wenn nicht nur ein Referenzsignal als zweite Leitung mitgeführt wird, sondern dass diese Masse unberührt und ungenutzt von weiteren Signalen bleibt. Das Prinzip der differentiellen Signalübertragung war entstanden. Siehe auch Symmetrische Signalübertragung.

Gegenmaßnahmen

Vermeidung einer Schleife

Abhilfe bei Schutzleiter-Erdschleifen kann die sogenannte Schutzisolation schaffen. Daher sind viele Audio-Geräte schutzisoliert und besitzen - auch bei Metallgehäusen - keine Verbindung zum Schutzleiter. Eine Masseverbindung zwischen den Geräten besteht nur in Form des Schirmes der Signalleitungen. Sobald jedoch Geräte durch mehrere Signalmasse-Wege verbunden sind, können auch hier Erdschleifen entstehen.

U.a. bei professionellen Audiogeräten wird die Symmetrische Signalübertragung angewendet. Eventuell auftretende Ausgleichsströme werden hierbei vom Nutzsignal ferngehalten und Unterschiede im Pegel der Signalmassen zwischen verschiedenen Geräten verursachen keine Probleme. Die Masse hat dann nur noch eine Schirmwirkung; Spannungsabfälle auf ihr gelangen nicht auf das Signal.
Oft werden in Audioanlagen auch Übertrager eingefügt. Dadurch wird die Verbindung der Signalmassen aufgetrennt.

Tontechnische Geräte verfügen gelegentlich über einen sogenannten Groundlift-Schalter. Mit diesem kann die Verbindung zwischen dem Schutzleiteranschluss des Gerätes und der Signalmasse im Gerät aufgetrennt werden. Dadurch kann eine möglicherweise existierende Brummschleife aufgetrennt werden, wenngleich dadurch Nachteile für die Unempfindlichkeit gegenüber Funkeinstrahlungen und anderen kapazitiven Störeinflüssen entstehen können.
Eine gute Lösung kann ein Kondensator (etwa 0,1 µF) zwischen Signalmasse eines Gerätes und dessen Schutzleiter/Gehäuse sein: der Kondensator bildet gegenüber dem Brummstrom einen hohen Widerstand, gewährleistet jedoch weiterhin die Abschirmwirkung des Gehäuses gegenüber höherfrequenten Störungen.

Voraussetzung für diese beiden Maßnahmen (Groundlift-Schalter oder Kondensator) ist eine sogenannte sichere Trennung zwischen netzspannungsführenden Teilen einerseits und Audiosignale als Niederspannung andererseits: die Geräte müssen die Anforderungen an eine Schutzkleinspannung (PELV - Protective Extra Low Voltage) erfüllen.

Die Trennung der Masseverbindungen darf jedoch nicht durch das Unterbrechen der Schutzkontakte des Netzanschlusses der Geräte erfolgen: hierbei wird die Schutzfunktion (Schutzerdung) aufgehoben, was im Fehlerfall zu lebensgefährlichen Spannungen an den Gerätegehäusen führen kann.

Verringerung der Ausgleichsströme

Oft werden Geräte eingsetzt, deren Signalmasse mit dem Schutzleiter verbunden ist (Antennen- oder Kabelanlagen, Computer), sodass Erdschleifen unvermeidbar sind. Hier helfen oft Mantelstromfilter, Trennübertrager oder optische Datenübertragungsverfahren. Für hochfrequente Nutzsignale und niederfrequente Störsignale, z.B. auf Antennenleitungen, kann es genügen, nach dem Prinzip eines Mantelstromfilters den Außenleiter (gelegentlich auch Außen- und Innenleiter) der Antennenleitung mithilfe eines Kondensators galvanisch zu unterbrechen. Hochfrequente Nutzsignale werden dann kapazitiv übertragen. Für niederfrequente Störsignale ist die Brummschleife unterbrochen.

Verringerung der magnetischen Einstreuung

Üblicherweise wird die Fläche der Signalleitungen selbst gering gehalten, indem verdrillte Paarleitungen oder Koaxialleitungen verwendet werden. Die Einstreuung in Masseschleifen kann durch die Verringerung deren umschlossener Fläche geschehen (parallele oder gar verdrillte Verlegung von Signalkabeln, getrennt von Netzkabeln). In speziellen Fällen kann eine Brummkompensation durch Verlegen in Form einer Acht gelingen.

Die Quelle der Störfelder kann oft nicht beseitigt werden, die Auswirkungen können jedoch im Fall von Transformatoren oder Vorschaltdrosseln oder Lageveränderung verringert werden. Abschirmungen können ebenfalls helfen, sind aber für niederfrequente Magnetfelder sehr aufwendig und meist kostenintensiv.

Verringerung der Widerstandes eines Teils der Schleife

Der in der Brummschleife umlaufende Störstrom beeinflusst das Nutzsignal deshalb, weil er mindestens zum Teil in der gleichen Verkabelung wie das Nutzsignal fließt. In der Regel fließt er dabei in der Verbindung der Signalmassen zweier Geräte. Da die Signalmasse den Bezugspunkt für die Übertragung des Nutzsignals von einem Gerät zum anderen darstellt, wird jeder Unterschied des Bezugspunktes zwischen den Geräten als Störsignal in Erscheinung treten. Wenn man also dafür sorgt, dass diese Bezugspunkte möglichst gleich sind, dann werden umlaufende Störströme weniger Auswirkungen auf das Nutzsignal haben.
Es ist daher von Vorteil, wenn die Masseverbindung zwischen den Geräten einen möglichst geringen Widerstand hat. Das lässt sich durch Kabel und Steckverbindungen mit geringem Widerstand (hoher Querschnitt der Schirme, geriger Kontakt-Übergangswiderstand) oder durch zusätzliche Masseverbindungen hohen Querschnitts erreichen. Manche Geräte besitzen hierzu zusätzliche Masseschrauben. Dann bleibt zwar der Ausgleichstrom erhalten (oder steigt möglicherweise), der Spannungsabfall verschiebt sich jedoch auf Bereiche der Schleife, die keine Signalmasse führen.

Bessere Ergebnisse lassen sich jedoch erzielen, wenn die Störströme gar nicht über die Signalmasse fließen. Die Störströme fließen dann über die Kabelabschirmung und die Signalmasse wird innerhalb dieser Abschirmung separat geführt. Voraussetzung hierfür ist die galvanische Trennung der Signalmasse von der Schirmmasse (vgl. Abschnitt "Verringerung von Ausgleichsströmen"). Die galvanische Unterbrechung entspricht der Erhöhung der Impedanz der Schleife für niedrige Frequenzen.

Die angemessene Lösung hängt von der Topologie der Masseschleifen und dem Ursprung des Störsignals ab.

Literatur

• Joachim Franz: EMV, Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen. Teubner, Stuttgart Leipzig Wiesbaden 2002, ISBN 3-519-00397-X. 
• Adolf J. Schwab, Wolfgang Kürner: Elektromagnetische Verträglichkeit. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-42004-0. 

Weblinks

Wiktionary: Brummschleife – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Masseschleifen und Brummen bei Audio
• Masse-entkoppelter Soundkarten-Ein- und Ausgang
• Informationen zur Entstehung und Abhilfe von Brummschleifen