Brummschleife und Mantelstrom

Wie entsteht eine Brummschleife — und warum ist das Auftrennen des Schutzleiters keine Lösung, sondern unzulässig?

Eine Brummschleife ist kein Kabelfehler und kein Gerätefehler, sondern eine Figur, die man aufzeichnen kann: ein geschlossener Ring aus zwei Geräten und zwei leitenden Verbindungen zwischen ihnen. Meist ist die eine Verbindung der Schutzleiter der beiden Netzanschlüsse und die andere der Schirm eines Signalkabels. Durch diesen Ring fließt ein Strom — auf dem Kabelmantel, daher der Name Mantelstrom —, und ob man ihn hört, hängt davon ab, wie das Signal auf der Leitung geführt wird.

Zwei Geräte, die beide eingesteckt sind und zusätzlich mit einem Kabel verbunden werden, hängen danach in einem geschlossenen Kreis: einmal über die Steckdosen, einmal über das Kabel. In diesem Kreis fließt ein kleiner Strom, den niemand bestellt hat, und bei den einfachen Tonverbindungen landet er direkt im Ton — als tiefes Brummen, das lauter wird, je weiter die Geräte auseinanderstehen. Der Kreis muss an einer Stelle aufgemacht werden, damit es aufhört. Und dafür gibt es genau eine Stelle, die man niemals wählen darf, auch wenn es im Internet steht: den Schutzkontakt am Netzstecker. Der ist dafür da, dass Dir das Gerät im Fehlerfall keinen Stromschlag gibt.

Wie der Ring entsteht

Zwei Geräte in einem Haus stehen nie exakt auf demselben Potential. Zwischen zwei Steckdosen an verschiedenen Stromkreisen liegt eine kleine Spannung, weil auf den Schutzleitern und im Erdreich Ströme unterwegs sind und jeder Leiter einen Widerstand hat. Verbindet man die beiden Geräte zusätzlich mit einem Signalkabel, ist der Ring geschlossen, und die Spannung treibt einen Strom hindurch.

Der zweite leitende Weg ist dabei nicht immer der Schutzleiter. In Wohnräumen ist es sehr häufig der Kabel- oder Antennenanschluss: Er kommt von außen ins Haus, wird dort in den Schutzpotentialausgleich einbezogen und bindet den Fernseher damit an einen Erdungspunkt, der mit dem des Racks nichts zu tun hat. Ebenso wirken beidseitig aufgelegte Schirme von Netzwerkleitungen, Zuleitungen zu Nebengebäuden und jede Leitung, die zwei Stockwerke verbindet. Die Suche nach der Ursache ist deshalb immer eine Suche nach dem zweiten Weg — der erste ist bekannt, sonst hätte man kein Signal.

Zwei Wege, wie der Strom ins Signal kommt

Der erste ist der leitungsgebundene. Der Schirm hat einen Widerstand, und über diesem Widerstand fällt eine Spannung ab, sobald der Mantelstrom fließt. Bei einer unsymmetrischen Verbindung — Cinch, Klinke, das analoge Subwooferkabel — ist der Schirm zugleich der Rückleiter des Signals. Der Spannungsabfall liegt damit unmittelbar in Reihe zum Nutzsignal, und der Empfänger kann beides nicht mehr auseinanderhalten. Das ist der Mechanismus, aus dem das klassische Brummen entsteht, und er ist bei Cinch und bei der symmetrischen Übertragung von der Signalseite her beschrieben.

Der zweite ist der magnetische und wird oft übersehen. Der Ring umschließt eine Fläche, und jedes magnetische Wechselfeld, das diese Fläche durchsetzt, induziert darin eine Spannung — das Induktionsgesetz, das Michael Faraday 1831 an der Royal Institution in London formulierte. Je größer die aufgespannte Fläche, desto größer die induzierte Spannung; eine Signalleitung, die auf einer anderen Trasse zurückläuft als die Stromversorgung, spannt eine besonders große Fläche auf. Deshalb hört man eine Anlage manchmal erst brummen, nachdem eine Leitung umgelegt wurde, obwohl an den Geräten nichts verändert wurde.

Daraus folgt ein Zielkonflikt, den man kennen sollte, statt ihn aufzulösen: Kleine Ringfläche spricht dafür, Signal- und Energieleitungen gemeinsam zu führen; die Trennungsabstände der EMV-Planung sprechen dagegen. In der Praxis gewinnt die Trennung, und der Ring wird nicht über die Geometrie beherrscht, sondern galvanisch aufgetrennt.

Warum symmetrische Strecken meist still bleiben

Bei einer symmetrischen Verbindung führt der Schirm das Signal nicht. Der Mantelstrom fließt weiterhin — die Schleife ist ja nicht verschwunden —, aber er erscheint an beiden Signaladern gleich und fällt bei der Differenzbildung im Empfänger heraus. Wie vollständig, sagt die Gleichtaktunterdrückung, und die ist begrenzt. Symmetrische Führung ist deshalb kein Gegenmittel gegen die Brummschleife, sondern eine Unempfindlichkeit gegen ihre Folgen. Der Unterschied wird in dem Moment wichtig, in dem die Ströme groß werden: Bei einem Fehler in der Elektroinstallation oder bei einem Blitzereignis liegt auf demselben Schirm ein Vielfaches, und dann ist der Ring ein Sicherheitsthema und kein Klangthema.

Der Punkt, an dem jede Fehlersuche aufhört

Es gibt eine Maßnahme, die zuverlässig wirkt und trotzdem außer Frage steht: den Schutzleiter eines Geräts aufzutrennen — durch einen Zwischenstecker ohne Schutzkontakt, durch das Abkleben der Kontakte oder durch das Öffnen der Verbindung im Gerät. Damit ist der Ring offen und das Brummen weg.

Der Schutzleiter ist Bestandteil der Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag. Er sorgt dafür, dass im Fehlerfall — Isolationsfehler, ein Leiter an einem berührbaren Metallgehäuse — ein Strom fließt, der die Sicherung oder den Fehlerstromschutzschalter auslöst, bevor der Fehler jemanden erreicht. Wird er aufgetrennt, bleibt das Gehäuse im Fehlerfall unter Spannung stehen, ohne dass eine Schutzeinrichtung anspricht. Das ist unzulässig, nicht „nicht empfohlen", und es ist in einer Anlage besonders tückisch, in der viele Metallgehäuse über Signalschirme miteinander verbunden sind: Der Fehler eines Geräts liegt dann an allen anderen an.

Zu unterscheiden davon ist der Ground-Lift-Schalter, den manche Geräte und die meisten DI-Boxen mitbringen. Er trennt den Schirm einer Signalleitung von der Gerätemasse, nicht den Schutzleiter vom Netz. Das ist ein zulässiges und übliches Mittel — und es hilft nur dort, wo die Schleife auch tatsächlich über diesen Signalweg läuft.

Häufiges Missverständnis

„Das Kabel ist schlecht." Der Verdacht liegt nahe, weil das Brummen mit dem Einstecken kommt und mit dem Ziehen geht, und er führt regelmäßig zum Kauf eines teureren Kabels mit demselben Ergebnis. Eine Brummschleife ist eine Eigenschaft der Verschaltung, nicht des Leitermaterials. Das Kabel schließt den Ring — jedes andere Kabel derselben Bauart täte es genauso.

Unterschätzt wird zweitens die Zahl der Trennstellen. „Ich habe den Filter eingebaut, es brummt trotzdem" heißt fast immer, dass der Ring über einen zweiten Weg weiterhin geschlossen ist. Eine Schleife braucht zwei Verbindungen; wer eine davon auftrennt und die zweite stehen lässt, hat nichts verändert. Umgekehrt bringt es nichts, vorsorglich an mehreren Stellen zu trennen — es macht die Anlage nur schwerer durchschaubar. Der Ring wird an genau einer Stelle geöffnet, und zwar an der, über die er läuft.

Der dritte hält sich hartnäckig, weil er halb stimmt: „Alles an eine Steckdosenleiste, dann ist Ruhe." Ein gemeinsamer Stromkreis verkleinert die Potentialdifferenz und hilft in vielen Wohnzimmern tatsächlich. Er löst den Ring aber nicht auf, und er ist keine Option, sobald Geräte in verschiedenen Räumen stehen oder Endstufen eigene Stromkreise brauchen. Als erster Versuch ist er richtig, als Planungsgrundsatz reicht er nicht.

Nicht zu verwechseln mit

Einstreuung ohne geschlossenen Ring: Eine Signalleitung, die neben einer Netzleitung liegt, fängt sich auch dann etwas ein, wenn gar keine Schleife existiert — kapazitiv über die Spannung, induktiv über den Strom. Das klingt ähnlich und wird anders behandelt: über Abstand, Verdrillung und Schirmung statt über eine Trennstelle.
Mechanisches Brummen eines Netztransformators: Ein Trafo, der hörbar summt, macht Körperschall und Luftschall, kein Signal. Der Ton kommt aus dem Gerät und ändert sich nicht, wenn man Signalkabel abzieht — das ist der Schnelltest.
Pin-1-Problem: Wird der Schirm im Gerät an der Schaltungsmasse statt am Gehäuse aufgelegt, läuft der Mantelstrom durch die Elektronik. Das Ergebnis ist dasselbe Brummen, die Ursache liegt aber im Gerät und nicht in der Installation — und keine Maßnahme an der Verkabelung behebt es. Der Fall ist beim Pin-1-Problem beschrieben.
Ground-Lift-Schalter: Trennt den Signalschirm, nicht den Schutzleiter. Wer beides gleichsetzt, kommt vom richtigen Werkzeug zur gefährlichen Maßnahme.
Mantelwellen auf einer Antennenspeiseleitung: In der Hochfrequenztechnik bezeichnet der verwandte Begriff einen Strom auf der Außenseite eines Koaxialschirms, der die Leitung selbst zur Antenne macht. Verwandt ist die Vorstellung eines Stroms auf dem Mantel; das Problem und seine Gegenmittel sind andere.

Aus der Praxis — zwei Gebäude, ein Ring

Ein Grundstück bekommt Außenbeschallung: Verstärker und Quellgeräte stehen im Technikraum des Hauses, im Gartenhaus stehen eine zweite Endstufe und ein Netzwerk-Zuspieler, dazwischen liegen rund vierzig Meter Erdtrasse mit Strom und Daten. Beim ersten Einschalten liegt ein tiefes Brummen auf den Außenlautsprechern, das mit der Lautstärke nicht mitgeht.

Kein Bauteil hilft, solange das offen ist: Über welche Wege sind die beiden Gebäudeteile elektrisch verbunden? In dieser Situation sind es regelmäßig drei — die Erdungsanlage über die Einspeisung, der Schirm der Datenleitung und der Schirm der Audioleitung. Solange diese Liste nicht steht, ist jede Maßnahme geraten, und man erkennt es daran, dass Bauteile probeweise gekauft werden.

Steht die Liste, hat die Abhilfe eine Reihenfolge. Erstens gehört der Potentialausgleich zwischen den Gebäudeteilen geklärt, und zwar mit der Elektrofachkraft — er ist eine Anforderung der Elektroinstallation und keine Audiomaßnahme, er wird also nicht wegen des Brummens hergestellt, sondern ohnehin. Zweitens wird die Datenstrecke galvanisch getrennt; zwischen zwei Gebäuden ist das der klassische Anwendungsfall für eine Glasfaserstrecke, die zusätzlich das Blitzschutzargument auf ihrer Seite hat. Drittens wird die Audiostrecke entweder symmetrisch geführt oder mit einem Übertrager getrennt. Erst wenn nach diesen Schritten noch etwas übrig ist, lohnt der Blick auf weitere Filter im Signalweg.

Die Gerätewahl kommt zuletzt und ist die kleinste Frage — mit einer Ausnahme: Ob die Endstufe im Gartenhaus einen symmetrischen Eingang hat, entscheidet über die Streckenplanung und gehört deshalb vor den Grabenaushub, nicht danach.

Verknüpfte Inhalte

Warum die symmetrische Führung den Mantelstrom aus dem Nutzsignal heraushält, steht bei der symmetrischen Übertragung; wie gut sie das tut und woran es scheitert, bei der Gleichtaktunterdrückung. Was der Schirm dabei leistet und wovon seine Wirkung abhängt, behandeln Schirmung und Beidraht. Der optische Weg, über den sich keine Schleife schließen kann, ist bei TOSLINK beschrieben, die Variante über Glasfaser beim Lichtwellenleiter. Warum der unsymmetrische Subwooferweg der häufigste Fundort im Wohnzimmer ist, steht bei Cinch und beim LFE-Kanal.

Quellen

Dass der Schirmstrom bei unsymmetrischen Verbindungen unmittelbar im Nutzsignal liegt, geht auf Whitlock (JAES 1995) zurück; die Abgrenzung zum gerätebedingten Pin-1-Problem auf Muncy im selben Jahrgang. Die Aussage zum Schutzleiter stützt sich auf DIN VDE 0100-410, die Einbeziehung der Antennenanlage in den Potentialausgleich auf DIN EN 60728-11.