Frage von minifluxus, 70

Was ist eine Koppelimpedanz?

Expertenantwort
von dalko, Community-Experte für Elektronik, 26

Hallo minifluxus,

Der Begriff "Koppelimpedanz" wird bei Wikipedia unter "Galvanische Kopplung" beschrieben.

https://de.wikipedia.org/wiki/Galvanische_Kopplung

Ich möchte die sehr gute Antwort von ProfFrink noch im Hinblick auf die Frequenzabhängigkeit ergänzen und die möglichen Auswirkungen beschreiben.

Diese gemeinsame Impedanz ist oft ein gemeinsamer Bezugsleiter, ein gemeinsamer Hinleiter oder auf Platinen die gemeinsam genutzte Masse verschiedener Stromkreise. Sie kann sowohl ein ohmscher, als auch ein induktiver oder kapazitiver Widerstand sein. Dieser Widerstand ist stark frequenzabhängig.

Der Begriff (komplexe) Impedanz / Wechselstromwiderstand  beschreibt das frequenzabhängige Verhältnis von Spannung und Wechselstrom gemessen an einem Verbraucher.
Dabei werden zum einen die Amplituden der Sinuskurve der Wechsel-spannung und der sinusförmigen Stromkurve miteinander verglichen, zum anderen  der Phasenwinkel zwischen beiden Sinuskurven bestimmt.
Der Betrag der komplexen Impedanz ist der Scheinwiderstand Z, in dem ohmscher, induktiver und kapazitiver Widerstand und deren Frequenzabhängigkeit (ausgedrückt durch Phasenverschiebung von maximal Plus/Minus 90 Grad) zusammengefasst sind.

Im Hinblick auf elektronische Geräte, insbesondere Computer mit digitalem Teil (CPU, GPU usw) und analogem Teil (Soundkarte, der Teil nach dem Digital/Analog-Wandler), vereint auf einer Platine (Mainboard), muss durch richtige Planung (richtiges Platinenlayout) das Problem der unerwünschten Koppelimpedanz auf Masseleitungen vermieden werden.

Leider funktioniert das nicht immer und es gibt viele PC's und Laptops, deren analoger Audioteil häufig minderwertige Qualität liefert, da es nicht gelingt, solche Koppelimpedanzen zu eliminieren.

Mein Tipp: Wenn möglich, immer eine externe Soundkarte bzw. ein externes  Audio-Interface verwenden und die USB-Anbindung mit einem Optokoppler zusätzlich galvanisch trennen.

Aber auch in Musikanlagen, in denen heute digitale Technik mit analoger Technik kombiniert ist, müssen Koppelimpedanzen durch konsequente Potentialtrennung vermieden werden. Die Potentialtrennung oder galvanische Trennung ist immer die richtige Strategie, um akustische Störungen im analogen Verstärkerteil einer Musikanlage durch diese Koppelimpedanzen zu vermeiden.

Wikipedia sagt dazu:

Um die galvanische Kopplung von Stromkreisen zu verhindern, führt man eine konsequente Potentialtrennung durch. Hierfür existieren verschiedene Strategien. Die Potentialtrennung lässt sich durch Relais, Transformatoren oder Optokoppler erreichen. Weiterhin ist auch eine galvanische Entkopplung durch Verwendung getrennter Leitungen und die Verbindung zweier oder mehrerer Maschen in nur einem Punkt, dem Sternpunkt, möglich. Lässt sich ein sternförmiges Bezugsleitersystem nicht anwenden, kann die Impedanzkopplung durch eine impedanzarme Ausführung der gemeinsamen Leiter verringert werden, das heißt möglichst große Querschnitte zur Verringerung des ohmschen Widerstandes sowie kurze Leitungslängen zur Verringerung der Leitungsinduktivität. Dazu werden Bezugsleiter flächig oder vermascht ausgeführt. Diese Entkopplungsmaßnahmen lassen trotzdem noch induktive und kapazitive Restkopplungen zu, die wiederum Störungen bewirken können.

Im Audio-Bereich werden gerne hochwertige Transformatoren mit getrennter Primär- und Sekundärwicklung im Signalweg (Audio-Übertrager, verbaut in DI-Boxen) oder Optokoppler / Lichtwellenleitertechnik / SPDIF-Toslink eingesetzt, um eine perfekte galvanische Trennung herzustellen.

Leider werden noch immer viele Audio-Geräte (AV-Verstärker, Subwoofer, aktive Nahfeld-Monitore usw.) mit Schutzleiteranschluss verkauft, durch den eine konsequente galvanische Trennung aufgehoben wird. Es entstehen unerwünschte mehrfache Masseverbindungen in Schleifenform, deren Koppelimpedanz und der daran abfallenden Störspannungen durch Potential-Ausgleichsströmen die klangliche Qualität einer sehr guten HiFi-Anlage extrem verschlechtern oder ein Tonstudio regelrecht lahm legen können.

Du siehst, deine Frage nach einem einzigen Begriff löst bei mir gleich eine ganze Kette von Überlegungen aus, die auch ihre Berechtigung haben, da bei GF fast täglich Fragen gestellt werden wie

  • warum rauscht meine Anlage?
  • woher kommt das brummende, pfeifende Geräusch aus meinen Lautsprechern?
  • aus meinen PC-Lautsprechern höre ich leise die Festplatte rattern und andere nervende Störgeräusche. Woran liegt das?

und die Antwort könnte fast immer lauten : Koppelimpedanzen!!

Grüße, Dalko

Antwort
von ProfFrink, 26

Eine Koppelimpedanz tritt dann auf, wenn zwei Stromkreise über eine gemeinsame Masseleitung versorgt werden und wenn diese Masseleitung selbst einen Widerstand hat. Der darin auftretenden Spannungsabfall wird dann in beiden Stromkreise als Spannungsminderung wahrgenommen.

Koppelimpedanzen sind darum meist unerwünscht. Sie führen auf Leitungen zu einem so genannten Übersprechen. Das bedeutet, dass Signale auf Leitungen aufgefangen werden, die eigentlich für andere Signalkreise gedacht waren.

In der Energieversorgungstechnik werden Koppelimpendanzen manchmal durch einen kleinen Spannungseinbruch wahrgenommen. Der Techniker sagt: "Die Spannung geht in die Knie", wenn durch das Einschalten eines Schwerverbrauchers plötzlich überall das Licht etwas dunkler wird.

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