Aardlus

In een audio en /of video installatie mag de bekabeling niet in een lus liggen. Daarom worden in audiokabels de afscherming slechts aan 1 kant met schone audio aarde verbonden en videobekabeling wordt in een stervorm gelegd met de centrale schone video aarde in het functionele centrum. De uiteinden van de sterpunten in de video installatie mogen elkaasr niet raken, er mag een lus omsloten worden. Als er wel een lus wordt gevormd dan zal dat bij analoge installaties brom in het beeld veroorzaken (tenzij er andere maatregelen zijn getroffen zoals b.v. differentiele ingangen. Brom in beeld uit zich in horizontale langzaam bewegende donkere of lichte balken in beeld. Bij digitale (SDI) installaties kan het tot totaal signaal verlies leiden of kunnen er stooronderbrekingen of "spetters" in het beeld zitten.

Een aardlus is een probleem in elektrotechnische installaties waarbij een magnetisch veld onbedoeld een elektrische spanning induceert in een gesloten elektrisch circuit. Een aardlus is een mogelijke (en veelvoorkomende) oorzaak van bromproblemen bij audio, strepen in beeld bij video of storingen in de gegevensoverdracht bij dataverkeer. Niet alle bromproblemen zijn overigens terug te voeren op een aardlus.

Voorbeeld

Een hifi-installatie bestaat uit verschillende componenten; een CD-speler, een tuner en misschien nog andere apparaten. Op enig moment wordt er om mp3's af te kunnen spelen ook een PC aan toegevoegd, maar nu blijkt er opeens een vervelende brom ontstaan die er niet was toen de apparaten nog los van elkaar gebruikt werden. We hebben hier kennelijk een aardlus. Maar waar wordt dat nu precies door veroorzaakt? En nog belangrijker; wat doen we eraan?

Laten we eerst eens proberen de cirkel te beschrijven. We beginnen bij de randaarde van de steker in het stopcontact van de PC, via het netsnoer van de PC komen we op het gestel van de PC en de geluidskaart die daar in opgenomen is. Van de geluidskaart vervolgen we onze weg langs een afgeschermde audiokabel naar de versterker. Daar gaat een tweede audiokabel naar de tuner. Vanuit de tuner blijkt het aardluspad verder te lopen naar de antennekabel, de CAI-aansluiting en uiteindelijk helemaal naar het wijkverdeelpunt en via de aardverbinding komen we terug bij de randaarde van de PC, waarmee de cirkel rond is. Dat er in dit voorbeeld sprake is van een aardverbinding doet niet te zaken. Wel dat er een cirkel gevormd wordt van enkele tientallen meters en de signaalleidingen daar deel van uit maken.

Alvorens we bij de werkelijke oorzaak komen is het goed om te weten dat er in het en om het huis relatief sterke elektrische- en magnetische velden bestaan. De magnetische velden zijn bij de aardlus steevast de boosdoener.

De aardlus die door de keten van apparaten ontstaat is op te vatten als een grote spoel met een enkele winding. Wanneer de veldlijnen van het magnetische stoorveld de cirkel doorkruist zal er als gevolg van magnetische inductie een stroom in opgewekt worden. In de praktijk zal deze stroom enkele tientallen tot honderden milliampères kunnen aannemen. Dat zou op zichzelf nog geen probleem zijn. Dat wordt het echter wel als we in beschouwing nemen dat de ohmse weerstand van de buitenmantel van de audiokabel nooit gelijk aan nul zal zijn. Een waarde van enkele tientallen milliohms is gebruikelijk. Hierdoor ontstaat tussen het begin en het einde van de audiokabel een schijnbare spanningsbron in de buitenmantel. Deze spanningsbron kan in serie gedacht worden met het gewenste signaal waardoor het audiosignaal wat bij de versterker aankomt een optelsom is van het signaal van de tuner of PC plus het magnetisch stoorveld wat in de kabels in een spanning is omgezet.

Een rekenvoorbeeld met gangbare waarden:

U_ns = I_ind * R = 0.1 * 0.05 = 5mV

waarin

I_ind: Inductiestroom (100 mA @ f=50Hz)

R: Weerstand afscherming (ca. 50mΩ )

U_sig nominaal audio niveau: (ca. 100mV)

U_ns de geïnduceerde spanning in Volt

a de verhouding tussen gewenst en ongewenst signaal in dB

Hoewel we dus over millivolts praten is het al lang niet meer verwaarloosbaar: -26 dB ervaren we als een stevige brom.

Beperken

Nu we de oorzaak weten is de oplossing simpel

1. Zorg dat er geen cirkel ontstaat.
2. Als dat onvermijdelijk is reduceer het oppervlakte van de cirkel. Niet de omtrek maar het oppervlakte is bepalend voor de hoeveelheid veldlijnen die omvat worden en dus voor de brom.
3. Zorg dat de stoom in de cirkel niet resulteert in spanning door de weerstanden binnen het audiopad zo laag mogelijk te houden (en erbuiten zo hoog mogelijk)

Ad 1. Zorgen dat er geen cirkel ontstaat kan bijvoorbeeld door een transformator in het circuit op te nemen. Dat hoeft niet per sé in het audiopad. In dit voorbeeld is het veel aantrekkelijk om het in antennekabel van de tuner te doen. Een mantelstroomtransformator is simpeler dan het woord doet vermoeden en heeft niet de nadelen voor de audiokwaliteit. Bovendien kost het bijna niets omdat het eenvoudig in de bestaande coaxkabel aangebracht kan worden. De mantelstroomtransformator zal hoogfrequente frequenties van de radio doorlaten maar een uitstekende isolator vormen voor de 50Hz stoorsignalen. In het audiopad is de scheiding tussen gewenst en ongewenst minder eenvoudig te maken.

Ad 2. De oppervlakte van de cirkel verkleinen kan vaak door kabels te bundelen maar ook door op de juiste plaats doorverbindingen te maken. Zo kan een draadje tussen een CV-installatie en het metaal van CAI-aansluiting ervoor zorgen dat de cirkel overgaat in acht-vorm en de meeste inductiestroom buiten de signaalkabels omgeleid wordt.

Ad 3. Een stroom hoeft nog geen spanning te veroorzaken. Daar is weerstand voor nodig. Als de weerstand in de afscherming van de audiokabels laag genoeg blijft zal de storing evenredig minder zijn. Al valt dat in de praktijk niet mee om dat halvering van de weerstand een afneme oplevert van 6dB in het stoorsignaal, een verschil wat net waarneembaar is. Kies in ieder geval voor korte kabels met een stevig uitgevoerde mantel. Desnoods kan je een handje helpen door verschillende audiocomponenten onderling met installatiedraad (VD-draad) te verbinden (Pas wel op: geen oppervlakte creëren, dus bundelen).

Dit is slechts een voorbeeld van een aardlus. Zelfs binnen één apparaat of enkele print kunnen aardlussen ontstaan. De magnetische stoorbronnen kunnen ook andere zijn dan het lichtnet en vaak zijn ze binnen hetzelfde apparaat te vinden. De oorzaken zijn echter steeds hetzelfde: magnetische stoorvelden en laagohmige cirkels waar stromen in geïnduceerd worden. Een centraal aardpunt, stervormige bekabeling (of print layout), gescheiden aanleg van voedingsleidingen en signaalleiding zijn allemaal maatregelen die oplossing kunnen bieden.

Afschermingen voor magnetische velden werken alleen als de ommanteling een gesloten geheel vormt en een stroom in kan gaan lopen. Kooi_van_Faraday. De bekende metalen schotjes dienen om het elektrisch veld tegen te houden maar werken - ongeacht het soort metaal - op geen enkele wijze op het magnetisch veld. Een matig werkende uitzondering op deze regel is het zogeheten mumetaal een bijzondere legering die in dit verband het best gezien kan worden als een verzameling kortgesloten cirkels aan metaaldeeltjes, waardoor er wervelstromen binnen het materiaal ontstaan en het magnetisch veld gedempt wordt.

Het belangrijkste is de werkelijke oorzaken goed te doorzien. De maatregelen zijn meestal verrassend eenvoudig.