Netzaufbereitung und Netzfilter

Netzaufbereitung ist ein Sammelwort des Zubehörmarkts für alles, was zwischen Steckdose und Gerät geschaltet wird, um die Stromversorgung zu verbessern. Dahinter stehen drei technisch verschiedene Bauteilgruppen: ein Filter aus Drosseln und Kondensatoren gegen hochfrequente Störungen auf der Leitung, ein Überspannungsableiter gegen kurze Spannungsspitzen und ein Aufbereiter, der die Netzspannung korrigiert oder ganz neu erzeugt. Jede wirkt gegen einen anderen benennbaren Fehler, und keine verbessert das, was das eingebaute Netzteil des Geräts aus der Spannung macht.

Ausführliche Erklärung

Drei Störungen, drei verschiedene Bauteile

Ordnung in den Markt bringt die Frage, welche Störung ein Gerät überhaupt angreift. Es sind drei, und sie kommen in verschiedenen Bauteilen unter.

Hochfrequente Störspannung auf der Leitung ist der Fall, für den das Wort Netzfilter steht. Sie kommt in zwei Formen vor. Beim Gegentakt läuft die Störung zwischen Außen- und Neutralleiter, also auf demselben Weg wie der Netzstrom; dagegen hilft ein Kondensator zwischen den beiden Leitern, der die Störung kurzschließt. Beim Gleichtakt läuft sie auf beiden Leitern gleichsinnig gegen Erde; dagegen hilft eine Gleichtaktdrossel, deren beide Wicklungen sich für den Netzstrom magnetisch aufheben und für die gleichsinnige Störung eine hohe Impedanz bilden. Dazu kommen Kondensatoren gegen den Schutzleiter. Welche Bauteile das sein dürfen, ist sicherheitstechnisch festgelegt: Kondensatoren zwischen den Netzleitern gehören zur Klasse X, solche gegen berührbare Teile und Schutzleiter zur Klasse Y — die Klasseneinteilung stammt aus der Bauteilnorm IEC 60384-14 und richtet sich danach, was ein Ausfall des Bauteils anrichten würde.

Kurze Spannungsspitzen aus Blitzeinwirkung oder Schalthandlungen sind ein Energieproblem und keine Filterfrage. Sie werden von Varistoren, Gasableitern oder Suppressordioden begrenzt, die oberhalb einer Schwelle leitend werden und die Energie ableiten. Ein Filter dämpft sie nicht, ein Ableiter filtert nicht.

Abweichungen der Netzspannung selbst — zu wenig Spannung, eine verformte Kurve, ein Gleichspannungsanteil — greifen Aufbereiter an, und zwar mit sehr verschiedenem Aufwand: von einem Sperrglied aus zwei Kondensatoren gegen den Gleichanteil über Trenn- und Regeltrafos bis zu Geräten, die die Spannung elektronisch neu erzeugen. Nur diese Gruppe verändert die Spannung, die am Gerät ankommt. Die beiden anderen nehmen etwas weg.

Handelsübliche Leisten kombinieren häufig zwei oder alle drei Funktionen in einem Gehäuse. Das ist praktisch und macht die Zuordnung schwerer: Wer die Leiste wegen des Ableiters gekauft hat, führt die Verbesserung gern auf den Filter zurück.

Was die Dämpfungsangabe im Datenblatt wirklich sagt

Filter werden mit einer Einfügedämpfung in Dezibel beworben, oft mit Kurven über der Frequenz. Die Größe ist genormt: Nach CISPR 17, der internationalen Messnorm für passive Entstörbauteile, ist die Einfügedämpfung das Verhältnis der Spannung an der Leitung vor und nach dem Einfügen des Bauteils, angegeben in Dezibel. Gemessen wird in drei Schaltungen — asymmetrisch für den Gleichtakt, symmetrisch für den Gegentakt und unsymmetrisch je Einzelleiter —, und die Bezugsimpedanz ist üblicherweise 50 Ohm an beiden Seiten.

Genau dort liegt der Haken, und die Norm sagt es in ihrer Einleitung selbst: Die Dämpfungswirkung eines Filters hängt von der Impedanz der Schaltungen ab, an die es angeschlossen wird, dazu von Betriebsspannung, Strom und Temperatur. An der Steckdose einer Hausinstallation liegt weit weniger als ein Ohm — an einer gemessenen Anlage waren es 0,8 Ohm —, und das angeschlossene Gerät hat eine Impedanz, die sich mit der Frequenz und mit dem Betriebszustand ändert. Ein Filter, das im 50-Ohm-Aufbau 40 Dezibel erreicht, kann an der realen Steckdose deutlich weniger schaffen, und bei ungünstiger Kombination von Filter- und Netzimpedanz sind einzelne Frequenzen sogar schlechter gedämpft als vorher.

Bemerkenswert ist, wie die Norm mit diesem Problem umgeht. Die erste Ausgabe von 1981 kannte zusätzlich ein Worst-Case-Verfahren mit stark unterschiedlichen Abschlüssen an beiden Seiten. Die zweite Ausgabe von 2011 hat es gestrichen, weil es in der Industrie nicht mehr benutzt wurde. Die Zahl im Prospekt ist deshalb keine Fälschung und trotzdem keine Aussage über Deine Steckdose: Sie beschreibt ein Bauteil unter Laborbedingungen, nicht seine Wirkung an einer bestimmten Installation.

Überspannungsschutz gehört in die Installation

Der Ableiterteil einer Leiste ist der Teil mit dem klarsten Nutzen und zugleich der, der am ehesten am falschen Ort sitzt. Schutz gegen transiente Überspannungen ist in Deutschland als Kaskade geplant: eine Stufe am Gebäudeeintritt, eine in der Verteilung, eine unmittelbar vor empfindlichen Endgeräten. Die letzte Stufe heißt Typ 3 und ist genau das, was in einer Schutzleiste steckt. Sie ist als Ergänzung der vorgelagerten Stufen gedacht und für die Energie eines nahen Blitzeinschlags allein nicht ausgelegt.

Zwei Zahlen aus der Anwendungsliteratur zeigen, warum das eine Planungsfrage ist und keine Zubehörfrage. Der Schutzpegel eines Ableiters — die Spannung, die er durchlässt — soll 80 % der Bemessungs-Stoßspannung des geschützten Geräts nicht überschreiten; das ist eine Rechnung, die jemand aufmachen muss. Und ab etwa zehn Metern Leitungslänge zwischen einer Ableiterstufe und dem Endgerät gilt der Schutz an diesem Gerät nicht mehr als sichergestellt, weshalb dort eine weitere Stufe vorzusehen ist. Ein Technikraum mit eigener Unterverteilung ist dafür der natürliche Ort, und dieser Ort muss im Plan stehen, bevor die Verteilung gesetzt ist.

Aufbereiter: die Spannung neu erzeugen

Netzaufbereiter im engeren Sinn erzeugen die Spannung neu oder korrigieren sie. Beworben wird das mit dem reinen Sinus, und die Ausgangsbeobachtung stimmt: Die Netzspannung ist nie sauber sinusförmig. Alle Geräte, die ihren Strom nur um die Spannungskuppe herum ziehen — also praktisch jedes Netzteil mit Gleichrichter und Ladekondensator — flachen diese Kuppe ab. Die europäische Norm EN 50160 beschreibt, was davon zulässig ist: Die Spannung darf um ±10 % um ihren Nennwert schwanken, und die Gesamtverzerrung im Niederspannungsnetz darf 8 % nicht überschreiten.

Die Frage ist, was von einer Korrektur der Kurvenform beim Gerät ankommt. Hinter dem Gleichrichter zählt nur die Höhe der Kuppe und die nachgelieferte Ladung; die Form dazwischen verschwindet in den Siebkondensatoren. Eine Simulation an einem konventionellen Netzteil zeigt sogar das Gegenteil des Erwarteten: Mit der abgeflachten Netzkuppe war die Restwelligkeit hinter dem Netzteil mit 230 Millivolt etwas geringer als mit dem reinen Sinus mit 249 Millivolt, weil die flachere Kuppe den Ladekondensator über einen längeren Winkel nachlädt. Was die Verzerrung wirklich schlechter macht, ist der Ladestrom selbst: Er ist am reinen Sinus mit 9,15 Ampere höher und kurzzeitiger als am gekappten mit 6,1 Ampere, und mit ihm steigt die Belastung der Zuleitung.

Der belegbare Sonderfall in dieser Gruppe ist das Gleichspannungssperrglied. Ein kleiner Gleichanteil auf der Netzspannung treibt einen Ringkerntrafo in die Sättigung, und der brummt dann mechanisch im Gehäuse. Das ist ein benanntes Geräusch mit einer benannten Ursache und einem passenden Gegenmittel — und es kommt aus dem Gerät und nicht aus den Lautsprechern. Die Zahlen dazu stehen bei der Stromversorgung für AV-Systeme, zusammen mit der Einordnung des übrigen Markts.

Was ein Filter nicht ausgleicht

Drei Grenzen sind hart, und die letzte ist die wichtigste.

Ein Filter wirkt nur gegen das, was über die Netzleitung hereinkommt. Störungen, die als Feld auf Signalleitungen einstreuen, laufen an ihm vorbei — der Störweg führt gar nicht durch die Steckdose. Auch das Brummen, das mit dem Anschließen einer Signalleitung erscheint, kommt nicht aus dem Netz: Es ist eine Brummschleife und damit eine Frage des Potentialausgleichs.

Die Kondensatoren des Filters gegen den Schutzleiter erzeugen einen kleinen Ableitstrom. Bei einem Gerät ist er unerheblich, bei vielen Geräten an einem Stromkreis summiert er sich — und eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit 30 Milliampere Nennfehlerstrom sieht diese Summe als Vorbelastung. Ein zusätzliches Filter vergrößert sie also, statt sie zu verkleinern. Ein Rack voller Geräte an einer Schutzeinrichtung ist der Fall, in dem das auffällt.

Und schließlich endet alles, was vor dem Gerät steht, am Gleichrichter des eingebauten Netzteils. Wie stabil die Betriebsspannung im Gerät bleibt, wenn wirklich Strom gezogen wird, entscheidet die Auslegung dieses Netzteils und nichts davor: Der Spannungseinbruch unter Dauerlast und die Regelgüte sind Eigenschaften der Konstruktion, die unter Netzteil einer Endstufe beschrieben sind. Ein Netzfilter kann eine knapp bemessene Siebkapazität nicht ersetzen, und eine Leiste mit dickem Kabel liefert keinen Strom, den die Zuleitung im Haus nicht hergibt. Wenn eine Anlage unter Last einbricht, hilft ein eigener Stromkreis — und nicht ein Gerät zwischen Dose und Stecker.

Häufiges Missverständnis

„Der Strom kommt sauberer beim Gerät an, also klingt es besser." Der erste Halbsatz kann stimmen, der Schluss folgt daraus nicht. Zwischen der Steckdose und der Schaltung, die das Musiksignal formt, liegt das Netzteil des Geräts, und dessen Aufgabe ist genau diese Entkopplung: Es gleichrichtet, siebt und regelt. Was danach an Rest übrig bleibt, hängt an seiner Auslegung. Ein Filter davor kann eine Störung dämpfen, die sonst durchgekommen wäre — es kann aber nichts entfernen, was gar nicht mehr da ist. Hat eine Anlage kein hörbares Störgeräusch, hat der Filter nichts zu tun, und die Erwartung an ihn richtet sich auf eine Wirkung, für die kein Nachweis vorliegt.

„Eine Schutzleiste ist der Überspannungsschutz." Sie ist die letzte Stufe einer Kaskade, die zwei weitere davor voraussetzt. Ohne diese Stufen liegt zwischen dem Gebäudeeintritt und dem Endgerät nichts, das die Energie eines nahen Einschlags aufnimmt; die Leiste ist dafür nicht ausgelegt. Sie ist eine sinnvolle Ergänzung und kein Ersatz für die Planung der Installation.

„Netzfilter sind Zubehör, im Gerät ist so etwas nicht drin." Das Gegenteil ist der Normalfall. Jedes Netzteil, das die EMV-Anforderungen einhalten muss, hat ein Eingangsfilter aus genau den beschriebenen Bauteilen — sonst dürfte das Gerät nicht in den Verkehr. Ein externes Filter ist deshalb immer ein zweites in Reihe zu einem vorhandenen, und die Frage lautet, was das erste durchgelassen hat.

Nicht zu verwechseln mit

• Netzteil einer Endstufe: die Stromversorgung im Gerät. Sie erzeugt die Gleichspannung, aus der das Signal geformt wird; alles Zubehör vor dem Gerät endet an ihrem Eingang.
• Überspannungsschutz der Installation: die Ableiterkaskade im Gebäude, geplant von der Elektrofachkraft. Der Typ-3-Ableiter in einer Leiste ist deren letzte Stufe und setzt die anderen voraus. Für Leitungen, die das Gebäude verlassen, gilt eine eigene Systematik — nachzulesen beim Überspannungsschutz für erdverlegte Außenleitungen.
• Mantelstromfilter: sitzt im Signalweg und trennt dort die Masseverbindung, meist auf der Antennen- oder Cinch-Strecke. Er hat mit der Netzleitung nichts zu tun; sein Thema steht bei der Brummschleife und beim Potentialausgleich in verteilten AV-Anlagen.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung: überbrückt einen Netzausfall aus einem Akku. Manche Bauformen filtern und regeln zusätzlich, ihr Zweck ist aber die Verfügbarkeit und nicht die Störunterdrückung.
• Auslösecharakteristik und Absicherung: schützen die Leitung vor Überlast und Kurzschluss. Eine Leiste mit Filter ändert daran nichts — und der Einschaltstrom einer Anlage bleibt derselbe.

In der Planung

Ein Kunde meldet ein leises Sirren aus den Deckenlautsprechern, das mit dem Dimmen des Wohnzimmerlichts kommt und geht. Im Gespräch fällt der Vorschlag, eine aufbereitende Leiste vor die Endstufe zu setzen; ein Modell hat er sich schon herausgesucht.

Vor dem Modell klärt sich der Weg: Wie kommt die Störung überhaupt in die Anlage? Über die Netzleitung wäre ein Filter das richtige Werkzeug. Als Feld auf eine parallel verlegte Lautsprecherleitung eingekoppelt, ist es eine Frage der Trassenführung, und kein Gerät an der Steckdose ändert daran etwas. Zwei Handgriffe beantworten das: die Endstufe versuchsweise an einem anderen Stromkreis betreiben, und den Dimmer für einen Moment durch einen konventionellen Schalter ersetzen.

Läuft die Störung über das Netz, beginnt die Abhilfe bei einem eigenen Stromkreis für die Anlage; das trennt sie von dem Verbraucher, der die Störung erzeugt. Bleibt danach etwas übrig, ist ein Filter das passende Mittel gegen genau diesen Rest. Läuft sie dagegen als Einstreuung, gehört die Lösung in die Trasse.

Was dann noch zu beschaffen ist, fällt klein aus: ein Filter mit ausreichender Strombelastbarkeit für die angeschlossene Last, im Zweifel mit getrennten Abgängen für Endstufen und Kleingeräte. Und wenn ohnehin eine Leiste ins Rack kommt, ist der Typ-3-Ableiter darin die lohnendere Frage als die Dämpfungskurve — vorausgesetzt, die vorgelagerten Stufen sind vorhanden. Der Kunde ist mit dem Modellnamen ins Gespräch gekommen und hat damit die Reihenfolge umgedreht; genau das ist der Beratungsanlass.

Verknüpfte Inhalte

Was das Gerät selbst aus der Netzspannung macht und warum dessen Regelgüte über die abgebbare Leistung entscheidet, steht unter Netzteil einer Endstufe. Die Planungsfragen zur Stromversorgung eines Hauses — Stromkreise, Überspannung, Netzausfall — sammelt die Stromversorgung für AV-Systeme, und dort steht auch die Einordnung des Zubehörmarkts im Zusammenhang. Warum eine Anlage brummt, wenn Signalleitungen im Spiel sind, erklärt die Brummschleife; was beim Zuschalten mehrerer Geräte an der Absicherung passiert, der Einschaltstrom. Die Bauteile gegen den Schutzleiter und ihr Ableitstrom kommen bei den Schutzklassen elektrischer Geräte noch einmal vor.

Quellen

Die Definition der Einfügedämpfung, die Messschaltungen für Gleich- und Gegentakt sowie die Abhängigkeit der Dämpfung von den Anschlussimpedanzen stammen aus der internationalen Messnorm für passive Entstörbauteile; von ihr lagen die Einleitung und die ersten drei Abschnitte im Wortlaut vor, die Messschaltungen selbst nicht. Die Klasseneinteilung der Entstörkondensatoren und der Anwendungsbereich der Sicherheitsnorm für Filterbaugruppen sind über Katalogbeschreibungen der Normenanbieter erfasst und nicht am Normtext geprüft. Die Angaben zu Spannungstoleranz und Verzerrungsgrenze im öffentlichen Netz stammen teils aus einem Enzyklopädie-Artikel, teils aus Fachbeiträgen. Für den Überspannungsschutz lagen weder die Errichtungs- noch die Produktnorm vor; Schutzpegel, Koordination und die Zehn-Meter-Regel sind ausschließlich über Anwendungsliteratur von Herstellern von Schutzgeräten belegt und deshalb als prüfungsbedürftig gekennzeichnet. Die Messwerte zu Netzimpedanz, Restwelligkeit und Ladestrom stammen aus einer technischen Darstellung eines im Verstärkerbau etablierten Autors aus dem Jahr 2014.