Signalkopplung: AC-Störungen in Telefonkabeln verstehen

Bauteile & Materialien

• 6-V-Batterie
• 0,22-µF-Kondensator (Radio Shack #272-1070 oder gleichwertig)
• 0,047-µF-Kondensator (Radio Shack #272-134 oder gleichwertig)
• Kleiner Hobby-Motor, Permanentmagnet-Typ (Radio Shack #273-223 oder gleichwertig)
• Audio-Detektor mit Kopfhörern
• Mehrere Meter Telefonkabel (Radio Shack #278-872) – jedes ungeschirmte Mehrleiterkabel funktioniert; dünnere Leiter (≈24 AWG) verstärken den Effekt.

Telefonkabel ist in Baumärkten weit verbreitet. Jedes ungeschirmte Mehrleiterkabel eignet sich, aber je feiner die Leiter, desto stärker der beobachtete Koppeleffekt.

Querverweise

• Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 7: „Mixed-Frequency AC Signals“
• Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 8: „Filters“

Lernziele

• Demonstrieren, wie AC-Signale gekoppelt werden können, während DC von einem Messgerät blockiert wird
• Zeigen, wie Störkopplung in Kabeln entsteht
• Praktische Techniken zur Reduzierung von Kabel-zu-Kabel-Kopplung identifizieren

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

1. Verbinden Sie den Motor mit der Batterie über zwei der vier Leiter des Telefonkabels. Der Motor sollte normal laufen.
2. Schalten Sie den Audio-Detektor an die Motoranschlüsse, wobei der 0,047-µF-Kondensator in Reihe geschaltet ist wie gezeigt:

3. Sie sollten ein Brummen oder Pfeifen in den Kopfhörern hören – dies ist das AC-Rauschen, das durch die Bürsten am Kommutator erzeugt wird.

Der Reihenkondensator wirkt als Hochpassfilter, lässt nur AC zum Detektor durch und blockiert die DC-Komponente. Oszilloskope nutzen dasselbe Prinzip für AC-Kopplung: Ein Kondensator wird in Reihe mit der Messspitze geschaltet.

4. Theoretisch sollten die Motoranschlüsse reines DC sehen, da sie direkt parallel zur Batterie liegen. Doch interner Batteriewiderstand und Leiterwiderstand des Kabels erzeugen Spannungseinbrüche, wenn der Motor Stromimpulse zieht. Diese Einbrüche manifestieren sich als AC-Rauschen an den Motoranschlüssen:

5. Zur Verifikation messen Sie das Rauschen direkt an den Batteriepolen mit dem Audio-Detektor. Je kleiner der Widerstand zwischen den Punkten, desto geringer das detektierte Rauschen:

6. Sie können das Rauschen auch entlang eines einzelnen Telefonkabel-Leiters messen, indem Sie den Detektor zwischen dessen beiden Enden anschließen. Das Rauschen entsteht durch die Stromimpulse, die durch den Widerstand dieses Leiters fließen:

7. Untersuchen Sie nun, wie das AC-Rauschen auf benachbarte Drähte koppelt. Messen Sie die Spannung zwischen einem Motoranschluss und einem ungenutzten Kabel-Leiter. Kein Reihenkondensator nötig, da zwischen diesen Punkten kein DC existiert:

Die detektierte Spannung resultiert aus Streukapazität zwischen benachbarten Leitern, die einen Weg für Wechselstrom bietet, obwohl keine Ladung durch den Kondensator selbst fließt.

Streukopplung kann Signale verunreinigen, die über einen ungenutzten Leiter gesendet werden, besonders wenn dieses Signal empfindlich auf das induzierte Rauschen reagiert.

Da kapazitive Kopplung bei höheren Frequenzen stärker ist, wird AC-Rauschen höherer Frequenzen stärker gekoppelt.

Zur Rauschreduzierung auf einem DC-Signal fügen Sie einen größeren Kondensator quer über die beiden Leiter ein. Der 0,22-µF-Kondensator dient als Entkopplungskondensator, der AC einen niedrigen Impedanzweg bietet, während DC unverändert bleibt:

7. Eine weitere effektive Strategie ist, einen gemeinsamen Leiter zwischen Schaltungen zu vermeiden. Messen Sie das Rauschen zwischen den beiden ungenutzten Leitern; es sollte deutlich niedriger sein, da die Streukapazität nahezu identische Rauschen auf beide Leiter koppelt, was sich bei Differenzmessung aufhebt: