Erdungsschleife

Eine Brummschleife entsteht, wenn zwischen Geräten, die einen gemeinsamen Bezugspunkt haben sollten, zwei oder mehr Erdungspfade existieren. Statt dass der Strom einen Weg zur Erde nimmt, findet er mehrere Pfade und zirkuliert zwischen ihnen, wodurch unerwünschte Spannungen und Rauschen in Audio-, Video- oder Messsignale eingekoppelt werden. Die Schleife wirkt wie eine Transformatorsekundärwicklung, bei der die Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) oder ihre Oberwellen Strom durch den unbeabsichtigten Stromkreis treiben.

Das klassische Szenario betrifft Audio- oder Videokabel. Nehmen wir an, ein Mikrofon ist an ein Mischpult angeschlossen, das über das Stromkabel geerdet ist, und das Mischpult ist über ein symmetrisches XLR-Kabel mit einem aktiven Lautsprecher verbunden, der seine eigene Erdung über eine separate Steckdose hat. Sowohl das Mischpult als auch der Lautsprecher haben jetzt einen direkten Erdungspfad durch ihre Netzteile. Die Audiokabelabschirmung, die eigentlich nur ein Bezugsniveau führen sollte, wird zu einem zweiten Erdungspfad. Strom fließt zwischen den beiden Erdungspunkten durch die Abschirmung bei Netzfrequenz und induziert ein Brummen von 50 oder 60 Hz ins Audio. Die Amplitude hängt von der Impedanz der Schleife und der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Erdungspunkten ab, die nur wenige Volt betragen kann, aber ausreicht, um das Signal erheblich zu verfälschen.

Brummschleifen treten überall dort auf, wo Abschirmung oder eine metallische Verbindung zwischen Geräten und mehreren Erdungsbezügen vorhanden ist. In der Messtechnik und Datenerfassung verschlechtern sie die Messgenauigkeit durch Einspeisung von 50/60 Hz Rauschen und Seitenbändern in Analogsignale. In Videosystemen führen sie zu Brummbalken oder subtilen Bildverschiebungen. Das Problem verschärft sich bei längeren Kabelwegen und in Anlagen mit wechselndem Erdungswiderstand oder Strömen von schweren Maschinen, die durch das Erdungsnetz fließen.

Die Standardmaßnahmen bestehen darin, sicherzustellen, dass alle Geräte eine einzige, niederohmige Erdungsreferenz verwenden, und symmetrische Verbindungen mit korrekter Abschirmerdung einzusetzen. In der Audiotechnik bedeutet das, die Abschirmung nur an einem Ende (normalerweise der Quelle) zu erden, sodass das verdrillte Paar das Signal differenziell führt, während die Abschirmung am Empfängerend schwebt. Isolationstransformatoren in Netzteilen, Erdungs-Trennverstärker in Messstromkreisen und optische Isolation in digitalen Verbindungen funktionieren alle durch Unterbrechen der physikalischen Schleife, während der Signalpfad erhalten bleibt. In manchen Fällen trennt ein Ground-Lift-Schalter an XLR-Steckverbindern einfach Pin 1 an einem Ende ab und hebt die parallele Schleife auf, ohne die Abschirmung selbst zu entfernen.

Die Diagnose erfordert einen Signaltracer oder ein Oszilloskop, um die 50/60 Hz und ihre Oberwellen zu bestätigen, dann systematisches Trennen von Kabeln und Geräten, um den Pfad zu identifizieren, der die Schleife schließt. Der Name widerspiegelt die elektrische Realität: Erde, die ein Bezugspotenzial sein sollte, wird zu einem Stromleiter, der in einer geschlossenen Schleife Strom führt, genauso wie Strom in jedem anderen Stromkreis fließt, wenn er durch eine EMK angetrieben wird.