Für was soll das Ausphasen von Geräten gut sein?

Einleitung

Beim fis Audio PC legen wir größten Wert auf eine rauschfreie und stabile Stromversorgung. Jedoch ist die Stromversorgung immer nur so gut, wie die anderen Geräte mit dem Potenzialausgleich zusammen harmonieren.

Eine kostenlose Lösung den Potenzialausgleich zu optimieren, besteht im sogenannten Ausphasen. Damit wird die richtige Steckerstellung bestimmt.

Das Ausphasen als alleinige Maßnahme ist nur dann zielführend, wenn die Anschlussnormen von den Herstellern eingehalten werden. Manchmal ist das nicht der Fall. Dann hilft nur das Messen. Die hier vorgestellte Multimetermethode darf nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden, da Menschen zu Schaden kommen können!

Grundlagen

Sinn und Zweck des Potenzialausgleichs^*

Elektrische Geräte können aufgrund unterschiedlicher elektrischer Spannungen Potenzialunterschiede aufweisen. Wenn diese Unterschiede groß genug sind, kann es zu gefährlichen Stromflüssen kommen, insbesondere in fehlerhaften Situationen.

Der Potenzialausgleich, auch bekannt als Erdung oder Erdungssystem, bezieht sich auf eine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen elektrischen Geräten, um sicherzustellen, dass sie auf dem gleichen elektrischen Potenzial liegen. Das Hauptziel des Potenzialausgleichs ist es, Gefahren durch unerwünschte elektrische Spannungen zu minimieren und ein sicheres Umfeld für Personen und elektrische Systeme zu schaffen. Im Stromkabel gibt es dafür den sogenannten Schutzleiter (PE).

Mögliche Auswirkungen auf das Nutzsignal

Eine potenzielle Störgröße mit klanglichen Auswirkungen stellt die Potenzialdifferenz zwischen dem Gehäuse und dem Schutzleiter dar. In der Regel ist die Signalmasse mit dem Gehäuse verbunden. Werden verschiedene Geräte mit jeweils unterschiedlichen Potenzialdifferenzen miteinander verbunden, fließen über die Signalmasseleitungen Ausgleichströme, die das Nutzsignal modulieren können. Es geht also darum die Potenzialdifferenz klein zu halten. 

Wechselstrom (AC – Alternating Current)

Bei einem Wechselstromsystem fließt der Strom periodisch in zwei Richtungen, hin und zurück, und ändert kontinuierlich seine Polarität. Die Bewegung des Stroms erfolgt aufgrund der Wechselspannung, die in der Regel in einer sinusförmigen Wellenform vorliegt. In einem solchen System spielen die Außenleiter, der Neutralleiter und der Schutzleiter unterschiedliche Rollen. Übliche Nennwerte der Netzfrequenz sind je nach Region verschieden und betragen 50 Hz (Europa, Teile von Asien) und 60 Hz (Nordamerika).

Stromkabelaufbau für Wechselstrom^*

Der Außenleiter (auch Phase genannt, L1 – Kabelfarbe Braun), ist der stromführende Leiter. In einem Wechselstromsystem gibt es normalerweise mehrere Außenleiter, welche die Energie vom Stromerzeuger zu den Verbrauchern transportieren. Diese Außenleiter sind normalerweise in einer Phase verschoben, was bedeutet, dass der Strom in jedem Leiter zu unterschiedlichen Zeiten seinen Höchst- und Nulldurchgang erreicht. Der Strom fließt abwechselnd in positive und negative Richtungen, je nachdem, wie sich die Polarität der Spannung ändert.

Der Neutralleiter/Nullleiter (N – Kabelfarbe Blau) führt den Strom vom Verbraucher zur Stromquelle zurück.Der Neutralleiter trägt dazu bei, eine stabile und gleichmäßige Spannungsversorgung in elektrischen Schaltungen sicherzustellen. Er ermöglicht es, dass die Spannung in einem Wechselstromsystem konstant bleibt, indem er den Rückfluss des Stroms sicherstellt.

Die Aufgabe des Schutzleiters (PE – Kabelfarbe Gelb/Grün) ist es die gefährliche Berührungsspannung am leitfähigen Gehäuse gegen Erde abzuleiten. Im Normalbetrieb sollte kein Strom im Schutzleiter fließen. Er wird nur im Falle eines Fehlers verwendet, wenn ein Gerät oder Gehäuse unter Spannung steht. In solchen Fällen fließt der Strom über den Schutzleiter zur Erde, was die Gefahr eines elektrischen Schlags für die Benutzer reduziert.

Die Gerätestecker

Steckverbinder sind international durch die IEC genormt. Einphasige Ausführungen sind in der Norm IEC 60320 festgelegt. Als Gerätestecker werden Steckverbinder mit Kontaktstiften bezeichnet, die direkt in die Endgeräte eingebaut werden. Daran passen die Netzleitungen mit der Gerätekupplung auf der einen Seite und einem Schutzkontaktstecker (Schukostecker) auf der anderen Seite.

Während die Gerätekupplung nur in eine Richtung in den Gerätestecker passt, kann der Schutzkontaktstecker gedreht werden. Dadurch wird dann auch die Phase vertauscht. Und genau diese Zufälligkeit, wo die Phase aktuell anliegt, ist das Problem!

Kaltgerätestecker (IEC-60320 C13/C14)

Kaltgerätestecker nach der Norm IEC 60320 C14 (DIN VDE 0625) werden für den Stromanschluss von Geräten verwendet, welche im Betrieb keine nennenswerte Wärme entwickeln. Die maximale Temperatur an den Verbindungsstiften des Steckers darf 70 °C nicht überschreiten. Der maximale Stromdurchfluss ist auf 10 A festgelegt. Bei HiFi-Geräten und Netzteilen ist der Kaltgerätestecker C14 sehr verbreitet. C13 ist die passende Gerätekupplung.

Ob ein Class A Verstärker keine nennenswerten Temperaturen entwickelt, darf natürlich bezweifelt werden. Aber hier geht es um die Verbindungsstifte.

Die Kaltgerätekupplungen/-stecker sind dreipolig, mit Außenleiter (Phase, L1 – Kabelfarbe Braun), Neutralleiter (N – Kabelfarbe Blau) und Schutzleiter (PE – Kabelfarbe Gelb/Grün). Blickt man von vorne auf den Gerätestecker, Schutzleiter PE oben, so ist gemäß Anschlussnorm der Außenleiter L (Phase) links. 

Kaltgerätestecker (IEC-60320 C19/C20)

Für mehr Strombedarf gibt es eine Kaltgerätesteckervariante für 16 A. Sie ist etwas größer und die Kontakte sind um 90° gedreht. Die Bezeichnung C19 beschreibt die Kupplung am Stromkabel, C20 den Einbaustecker am Gerät. Leistungsstarke Amplifier und Power Conditioners werden oft damit ausgestattet.

Exkurs: die Qualität von Netzleitungen

Wo hohe Ströme fließen, solltest du an der Qualität der Netzleitung nicht sparen. Es geht mir hier vor allem um die Stromleitfähigkeit und um die Minimierung der Übergangswiderstände bei Stecker und Kupplung.

Ich nutze natürlich die Netzleitungen von meinem Geschäftspartner Bernd von fis Audio. Besonders die fis BF Blackmagic Netzleitung > fis-audio.de haben es mir angetan. Die Ausführung mit Furutech FI-50 NCF (R)  Anschlüssen ist besonders gut.

Ausphasen

Warum das eigentliche Ausphasen oft nicht reicht

Wenn sich jeder Gerätehersteller an die Norm der C14/C20 Gerätestecker halten würde, dann ist die Phase immer links (du blickst von vorn auf den Gerätestecker und der PE Leiter ist oben). Leider ist das nicht immer so. Wer es richtig machen möchte, kommt um die Multimeter-Methode nicht herum.

Die Phase an der Steckdose bestimmen

Fangen wir mit dem einfachen Thema an. Mit einem handelsüblichen Phasenprüfer kannst du schnell feststellen, wo die Phase anliegt. Die Spitze des Phasenprüfers wird zur Messung an einen zu prüfenden Leiter in der Steckdose gehalten. Das andere Ende des Phasenprüfers wird mit einem Finger berührt. Ist der Steckdosenkontakt der ungeerdete Außenleiter L (Phase) leuchtet die Glimmlampe auf. Markiere die Phase an der Steckdose mit einem roten Punkt.

Die Phase an den verwendeten Netzleitungen bestimmen

Stecke dann das Netzkabel in die Steckdose und drehe den Schutzkontaktstecker entsprechend, bis an der Kupplung die Phase rechts leuchtet (du blickst von vorn auf die Kupplung und der PE Leiter ist oben). Das ist jetzt spiegelverkehrt zum Gerätestecker und führt gelegentlich zur Verwirrung. Wenn du die Kupplung von dir wegdrehst und in den Gerätestecker steckst, dann ist die Phase richtigerweise wieder links am Gerät. Markiere die Phase am Schutzkontaktstecker mit einem roten Punkt.

Multimetermethode

Wenn du dir sicher bist, dass sich deine Gerätehersteller an die Anschlussnormen halten, dann musst du nur noch die gekennzeichneten Schutzkontaktstecker mit der richtigen Phase in die Steckdosen stecken. An den Kupplungen kannst du nichts mehr falsch machen.

Wenn du Zweifel hast, dann besorge dir einen Multimeter und ein Isolierklebeband und folge den weiteren Schritten.

Am Netzkabel den Schutzleiter PE isolieren

Ab hier ist die geschulte Fachkraft gefragt, weil für die Dauer der Messung die Schutzklasse des Gerätes verändert wird und bei einem möglichen Gerätedefekt Lebensgefahr besteht!

Klebe beim Schukostecker die Schutzleiter sorgfältig und solide ab. Mit Tesafilm ist da nichts zu machen. Verwendete dafür ein dehnfähiges Isolierband. Wichtig ist, den Schutzkontakt an den Seiten einzukerben, z. B. mit einem Schraubendreher. Sonst reißt das Band beim einstecken ab.

Alternativ kannst du im Schukostecker vorübergehend den Schutzleiter (PE – Kabelfarbe Gelb/Grün) abschrauben und isolieren.

Kontrolliere mit einem Stromprüfer, ob Strom zwischen PE und Phase bzw. Neutralleiter fließt. Wenn nicht ist das Netzkabel für die Messung in Ordnung.

Geräte entkabeln

Mache die zu messenden Geräte stromlos, also entferne die Netzkabel!

Entferne alle Verbindungskabel (xlr-Kabel, USB-Kabel, LAN-Kabel, etc.), da du sonst die angeschlossenen Geräte mitmisst.

Multimeter einstellen

Verwende am besten ein Multimeter mit einer automatischen Einstellung des Messbereiches. Drehe den Schalter auf „V“ (Volt). Anschließend muss der Messbereich mit der roten Funktionstaste von „DC“ (Gleichstrom) auf „AC“ (Wechselstrom) gestellt werden. Die Bedienung kann bei anderen Multimetern abweichen.

Messung durchführen

Schließe jetzt das zu messende Gerät mit dem päparierten Netzkabel an den Strom an. Sei vorsichtig, denn der Schutzleiter ist ab. Beachte dabei die angebrachten roten Punkte. Diese müssen bei der ersten Messung deckungsgleich sein.

Ein Messkabel legst du an eine geerdete Stelle des Geräts, zum Beispiel an eine Geräteschraube.

Das andere Messkabel geht an den Schutzkontaktleiter einer freien Steckdose. Hier musst du natürlich eine Steckdose verwenden, die an der gleichen Stromleitung wie das zu messende Gerät hängt.

Notiere den Messwert. Drehe dann den Schukostecker, so dass die Phase wechselt und notiere diesen Wert.

Auswertung der Messergebnisse

Wenn du mehrere Geräte durchmisst, lohnt sich die Anlage einer Tabelle. In der Tabelle unten ist zu entnehmen, dass bis auf ein Gerät alle die Phase am Gerätestecker links haben, wie es der Norm entspricht. Denn dort wurde jeweils die geringste Spannung gemessen.

Beim letzten Gerät in der Liste ist es genau anders herum, was verwundert, da sonst bei den Geräten desselben Herstellers die Phase richtig ist.

Nun ist das kein Beinbruch. Die Phase wird bei den Geräten jeweils gekennzeichnet und die Netzkabel werden phasenrichtig angeschlossen.

Klangliche Auswirkungen

Teststellungen

Mein Geschäftspartner Bernd und ich wollten natürlich wissen, ob sich die ganze Mühe gelohnt hat. Dafür führten wir mehrere Tests durch.

Hörtest mit Geräten am jeweils niedrigsten Phasenwert 

Das war das Ziel der Operation und es hörte sich alles großartig und störungsfrei an.

Hörtest mit Geräten alle an Phase Links ausgerichtet

Diese Teststellung entsprach der Anschlussnorm.

Dabei musste ich zum Glück nur den Stecker vom letzten Keces P8 Single drehen. 

Bernd sagte sofort „Das Klangbild fällt ja zusammen“. Ich hatte da schon wesentlich mehr Mühe einen Unterschied zu hören. Aber in der Tat, es gefiel mir auch nicht. 

Hörtest mit der geringsten Spannungsdifferenz der Geräte zueinander

Wir haben auch eine andere These ausprobiert. Wenn die Geräte mit einer Netzleiste alle an derselben Steckdose hängen, dann könnte die Spannungsdifferenz zueinander wichtiger sein. Das Ziel ist ja, den Potenzialausgleich gering zu halten.

Beim Vergleich der Messwerte in der Tabelle liegen die geringeren Werte mit 53,2V (niedrigste Messung) bis 99,1V (höchste Messung) weit auseinander. Die maximale Differenz der Geräte zueinander beträgt 45,9V.

Werden die höchsten Messwerte gegenübergestellt, ist die Spreizung zwischen 112,2V bis 119,7V mit einer Differenz von maximal 7,5V sehr viel geringer. Entsprechend haben wir die Phase nach den höchsten Werten ausgerichtet.

Was sich in der Theorie als schlüssig anhörte war klanglich eine Katastrophe!

Zusammenfassung

Über die Erdung (Schutzleiter PE) fließen Ausgleichströme, die das Nutzsignal verändern können. Daher soll die Potenzialdifferenz bei den Geräten klein gehalten werden. 

Wenn sich alle an die Anschlussnorm nach IEC-60320 halten, ist das schnell gemacht. Mit einem handelsüblichen Phasenprüfer ermittelst du an der Steckdose die Phase und markierst sie. Drehe dann den Schukostecker so, dass an der Kupplung die Phase rechts anliegt (du blickst von vorn auf die Kupplung und der PE Leiter ist oben). Wenn du die Kupplung mit dem Gerätestecker verbindest ist die Phase am Gerät spiegelverkehrt links (du blickst direkt auf den Einbaustecker und der PE Leiter ist oben).

Wer sichergehen will, kann die Multimetermethode verwenden. Diese Methode darf nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden, da Menschen zu Schaden kommen können!

Die klanglichen Auswirkungen reichen bei richtiger Phase von störungsfrei oder bei falscher Phase bis subtil oder katastrophal schlechter. Und schlechten Klang will keiner haben.