Masseschleife verstehen und fachgerecht beseitigen

Wo kommt die Störspannung vermutlich her?
Wo kommt die Störspannung tatsächlich her?
Woher kommen die Potentialunterschiede?
Welche Störspannung ist noch akzeptabel?
Was reduziert oder beseitigt die Störspannung?
Warum Differenzverstärker einsetzen?

Sobald 2 Audiogeräte im Kfz am Bordnetz betrieben und beide per Audiokabel verbunden werden, ist die Masseschleife hergestellt:

(Dargestellt ist hier nur einer der beiden Stereo-Kanäle.)

Wo kommt die Störspannung vermutlich her?

Dazu werden selbst von Kfz-Audio-Profis häufig nur folgende Erklärungen geliefert und wenig wirksame Gegenmaßnahmen empfohlen:
Variante A:
Die in der Lichtmaschine enthaltenen Kohlebürsten werden verantwortlich gemacht. Lichtmaschinen sind Drehstromgeneratoren mit integrierter Brückengleichrichtung. Dir Erregerwicklung auf dem Rotor wird zwar über Kohlebürsten mit Strom versorgt, über die aber im Gegensatz zur Gleichstrommaschine nicht kommutiert wird, so daß das Bürstenfeuer entfällt. Durch Funken entstehende Störungen liegen außerdem im HF-Bereich (woher der Begriff "Funk" stammt) und machen sich bemerkbar durch Knattern, nicht durch Pfeifen.
Von der Lichtmaschine muß praktisch reichlich pulsierender Gleichstrom geliefert werden, wobei die Pulsfrequenz genau das Pfeifen ist, was mit Hilfe der Masseschleife an die Nerven der Fahrzeuginsassen weitergeleitet wird.
Variante B:
Der Begriff "Masseschleife" wird zwar bemüht, deren Funktionsweise jedoch mit einem anderen Effekt verwechselt: der elektromagnetischen Einkopplung des Pfeifens von parallel verlaufenden Leitungen. Dagegen werden mühsame Änderungen der Leitungsführung, bessere Schirmung des Audiokabels und sternförmiger Anschluß der Masseleitungen an einen gemeinsamen Massepunkt angeraten, die am Ende aber nicht die Masseschleife beseitigen.
Dieser Aufwand kann im Einzelfall zur Verbesserung führen, da der Effekt der Einkopplung wirklich auftritt.
Variante C:
Die Masseschleife wir als Induktionsschleife, also als Spule mit einer Windung begriffen, die allen vorhandenen Elektrosmog empfängt und zum Nutzsignal addiert. Dem kann jedoch nur zugestimmt werden, wenn man die Masseverbindung an mindestens einem Ende des Audiokabels unterbricht, so daß die Induktionsschleife nicht mehr kurzgeschlossen ist.

Wo kommt die Störspannung tatsächlich her?

Das ganze Übel rührt daher, daß im Heim- und Kfz-Bereich die billige Art der Audio-Signalübertragung über unsymmetrische Signalleitungen auch außerhalb der Geräte stattfindet. Der Signalpegel ist dabei stets auf Masse bezogen.
(In anderen Bereichen wie Telefon, Computervernetzung oder Profi-Audiotechnik sind die Entfernungen größer bzw. die Qualitätsansprüche höher, so daß dort symmetrische Signalleitungen verwendet werden.)
Die Störspannung entsteht in den Masseleitungen selbst. Um der Sache näher zu kommen, betrachten wir einmal die Spannungen am Audiokabel, z.B. zwischen Radio und Endstufe:

Wir haben 2 Spannungsquellen:

• U₁, das vom Radio gelieferte Audio-Signal
• U₂, Störspannung aus der Masseschleife

und eine daraus resultierende Gesamtspannung:

• U₃, Eingangs-Audiosignal für die Endstufe

Im Idealfall ist U₂ = 0 (also keine Störungen) und U₃ = U₁.
In der Realität ist die Störspannung U₂ leider oft größer Null und wird zum hörbaren Ärgernis.
Da sie praktisch kurzgeschlossen ist (per Schirm der Audioleitung), wird sie gerne als Störquelle übersehen.

"Kurzgeschlossen"?! Noch so ein Idealfall... Es ist alles eine Frage der Relationen:

Fazit: Potentialunterschiede zwischen den Gerätemassen werden zwar über den Schirm der Audioleitung reduziert aber nicht restlos beseitigt. In jedem Fall entsteht eine Störspannung proportional zum fließenden Ausgleichsstrom.

Woher kommen die Potentialunterschiede?

Wir haben rund 12 Volt Bordspannung. Je mehr Verbraucher (Licht, Klima) eingeschaltet werden, um so niedriger wird der Gleichspannungsanteil und um so größer wird der Anteil an pulsierenden Gleichstrom aus der Lichtmaschine. Das erklärt die höhere Störungsstärke beim Zuschalten weiterer Stromverbraucher.
Angenommen, das Radio verbraucht kaum Leistung und hat eine sehr gute Verbindung zum gemeinsamen Massepunkt von 100 mOhm. Die Endstufe wurde ebenfalls an diesen Massepunkt angeschlossen und hat eine ebenso gute Verbindung von 100 mOhm (sternförmige Erdung).

Durch diese Netzwerk fließt nun ein Strom von 10 A bei einer Leistungsaufnahme der Endstufe von 120 Watt. Beträgt der Anteil an pulsierendem Gleichstrom 20 % = 2 A, resultiert daraus eineStörspannung von 55 mV.

Welche Störspannung ist noch akzeptabel?

Absolute Angaben machen wenig Sinn, da die Wahrnehmung des Pfeifens als unangenehme Störung subjektiv ist. Aus eigener Erfahrung kann ich nur Folgendes sagen: Wenn man es erst einmal registriert hat, achtet man nur noch darauf und die Freude an der Musik ist verdorben.
Der Nennpegel auf unsymmetrischen (Cinch) Anschlüssen beträgt üblicherweise 500mV. Da das menschliche Lautstärkeempfinden logarithmisch arbeitet, werden 10 % der Leistung (50 Millivolt Störspannung) bereits als halbe Lautstärke wahrgenommen.

Was reduziert oder beseitigt die Störspannung?

• Reduzierung:
  • Herstellen einer niederohmigen Masseverbindung zwischen beiden Geräten oder zumindest zwischen dem Großverbraucher (Endstufe) und dem Lichtmaschinen-Massepunkt (also Einsatz von Massekabel mit großem Querschnitt und korrosionsbeständigen Kontaktflächen)
• Beseitigung:
  • Herstellen einer Masseverbindung von 0 Ohm (Supra-Leiter) zwischen beiden Geräten.
    (Die gemeinsame Verbindung zum Fahrzeugchassis darf dann auch ruhig einige mOhm haben.)
  • Beseitigung der Masseschleife durch Verwendung einer Endstufe mit Differenz(verstärker)-Eingängen
  • Beseitigung der Masseschleife durch Zwischenschalten eines Differenzverstärkers

Warum Differenzverstärker einsetzen?

• Audiotrenner basierend auf NF-Übertrager (Transformatoren) kosten zirka 10 €. Sie klingen jedoch bescheiden (nichtlinearer Frequenzgang) und sind somit für den Car-Hifi-Freund inakzeptabel. (Bezugsquellen: Autozubehörabteilung im Verbrauchermarkt, Car-Hifi-Fachgeschäft und ebay)
• Optische Trennverstärker für den Kfz-Einsatz sind praktisch nicht zu beschaffen. Für die Heimanwendung (230V Betriebsspannung) kostet so etwas 45 € und muß selbst zusammengelötet werden (Bausatz von ELV: Bestell-Nr. 50-369-01 und 50-369-29).
• Entkoppelt die Endstufe das ankommende Audiosignal mit Hilfe eines Differenzverstärkers am Eingang, ignoriert sie praktisch, daß der Schirm der angeschlossenen Leitung Masse sein soll. Er ist einfach nur ein elektrischer Leiter und ist nicht mit der eigenen Masse verbunden.
  Mit Hilfe von Operationsverstärkern wird die Spannungsdifferenz zwischen beiden Leitern zur Hilfe genommen, um eine eigene, gleich große Signalspannung zu erzeugen, die sich dann auf die eigene Masse bezieht. Der Vorteil liegt darin, daß der Schirm nun nicht mehr mit Ausgleichsstrom belastet werden kann.
  Ein weiterer Vorteil kommt noch hinzu: Induktiv eingekoppelte Störungen von benachbarten Leitungen treffen beide elektrischen Leiter und treten an deren Enden mit gleicher Stärke und Polarität auf. Durch die Differenzbildung werden sie praktisch wieder ausgelösch (sogenannte Gleichtaktunterdrückung).
  Der Differenzverstärker ist eine der Operationsverstärker-Grundschaltungen und kommt vollständig ohne frequenzabhängige Bauelemente (Spulen, Kondensatoren) aus. Dadurch hat er einen linearen Frequenzgang und verursacht keine Phasendrehungen.
  Hochwertige Kfz-Endstufen verfügen bereits über Differenz-Eingänge. Dies kann man vor dem Kauf einfach feststellen: Mit einem Multimeter wird der Widerstand zwischen dem Außenring der Chinch-Eingangsbuchse und dem Metallgehäuse bzw. Minus-Anschluß gemessen:
  • ca. 0 Ohm = normaler, unsymmetrischer Eingang
  • 10 Ohm oder mehr = symmetrischer Differenzverstärkereingang