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Die
Erfindung betrifft einen Aufbau des Elektrokabels zur Leistungsübertragung,
wie eines Lautsprecherkabels, durch welchen eine Optimierung des Verlaufs
der ohmschen und dielektrischen Verluste im Wechselstrombetrieb,
und dabei ein möglichst
optimales Verhältniss
der Kabel-Parameter zueinander erreicht werden sollten. Die gesamten
ohmschen Verluste nehmen als Folge einer inhomogenen Stromdichteverteilung
in den Leiterinneren zusätzlich zu.
Kabel-Parameter können
ferner angesicht der Zeitkonstanten (Heavisidesche Relation R'·C' = L'·G') und(oder) angesicht
einer optimalen Wellenimpedanz zueinander optimiert werden. In den
Druckschriften (1)
DE
41 20 773 A1 und (2)
US 3,815,054 A sind die Ausführungen
des Kabels mit einem Zentralleiter bereits beschrieben worden. Designkonzepte
(1) bzw. (2) werden erfindungsgemäß weiterhin verbessert, indem
eine Umflechtung um alle Einzelleiter mit einem isolierten Draht über die
gesamte Kabellänge
gebildet wird, ähnlich
wie dies in der Druckschrift (3)
DE 594 855 C zur elektrostatischen Abschirmung
vorgeschlagen wurde. Es entsteht um die Hin- und Rückleiter
jeweils eine Spule über
die gesamte Kabellänge, ähnlich wie
diese in der Druckschrift (4)
US 4,945,189 A dargelegt wurde. Der Grundgedanke
der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass die Signalleiter sich
jeweils im Innern einer Spule befinden und dass erfindungsgemäß der Zentralleiter
mit der Draht-Umflechtung einen elektrisch geschlossenen Stromkreis
bildet. Nur so kann als Folge einer Wechselwirkung zwischen den
von Signalleiter erzeugten magnetischen Felder und der dadurch induzierten
EM-Kraft in der „Abschirmung” die Ladungsträgerverteilung
im Kabel beeinflusst werden. Es entsteht ein neues Kabel, das eine ähnliche elektrostatische
Wirkung wie das Kabel, beschrieben in der Druckschrift (5)
DE 691 29 758 T2 ,
zeigt. Aus elektrodynamischer Sicht jedoch kann jede Verschiebung
von Ladungsträgern
sowohl über
den Leiterquerschnitt als auch längst
des Kabels induzierte Spannungen in der Umflechtung hervorrufen.
Nach dem Energieerhaltungssatz müssen
diese Spannungen im Gleichgewicht bleiben, woraus sich das Wirkungsprinzip
des Kabels mit balancierter Stromdichteverteilung in den Leitern
ergibt. Außerdem
wird gemäß dem Patentanspruch
2 der Parallel-Leitwert G' des
Kabels und damit der dielektrische Verlust im Kabel verringert.
Gleichzeitig wird der Parameter C' des Kabels im Sinne der Aufgabestellung
aus der Druckschrift (2) nicht nur vergrößert, sondern lässt laut
dem Patentanspruch 4 die Einstellung des Wertes C' zu. Diese Erfindung
findet vorwiegend Anwendung bei hochwertigen Lautsprecherkabeln
im High-End-Bereich, wenn eine möglichst
unverfälschte
Wiedergabe im Vordergrund steht.
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Als
Ausgangspunkt für
die nachstehenden Betrachtungen stellen wir uns hypothetisch ein
unendlich langes, gerades Elektrokabel vor, das im Wechselstrombetrieb
an jeder beliebig ausgesuchten Längsposition
eine identische Stromdichteverteilung über den Querschnitten (senkrecht
zu der Ebene, in der das Kabel liegt) in Hin- und Rückleitung
aufweist. Ein solches Kabel bezeichnen wir als ein räumlich homogenes
Kabel. Ware Strom in den Leitern außerdem gleichmäßig über den
gesamten Querschnitt verteilt, so würden die geringsten ohmschen
Verluste im Kabel entstehen. Es gäbe keinen Unterschied zwischen
dem ohmschen Gleichstrom- und Wechselstromwiderstand. Das wäre der Idealfall.
Selbst ein räumlich
homogenes Kabel kann aus folgenden Gründen nicht realisiert werden:
a) Hin- und Rückleitung
sind unterschiedlich aufgebaut (z. B. koaxiale Leitung), b) auch
wenn die beiden Leitungen gleicherweise (symmetrisch) aufgebaut
sind, ist die Feldstärkeverteilung
(oder Störfelder)
um die Hin- und Rückleitung
nicht gleich, c) das Signal durch das Kabel verbreitet sich mit
einer Propagationszeit. Generell sollte ein gutes Lautsprecherkabel
wegen einer effizienten Leistungsübertragung einen möglichst
geringen ohmschen Widerstand aufweisen. Und zwar einen solchen ohmschen
Widerstand besitzen, der von der Frequenz und von der Intensität des Kabelstromes,
also von der Signalschnelligkeit möglichst unabhängig ist.
Solches Verhalten des Widerstandes ist wesentlich wichtiger für ein homogenes
Klangbild als sein absoluter Wert, vorausgesetzt, dass dieser Wett
die Wiedergabe im Tieftonbereich nicht beeinträchtigt. Wichtige Parameter
eines Kabels sind durch den Aufbau des Drahtes (Volldraht, Litzen
aus einer Vielzahl Einzelleiter), Isolationsmaterial (PVC, PTFE,
Silikon usw.), Leiterquerschnitt und Abstand der Einzelleiter, sowie
deren geometrische Anordnung bestimmt. Das Ziel bei dem Aufbau eines
Lautsprecherkabels ist es, sowohl die Einzelleiter im gemeinsamen
Feld so zu führen,
dass der übliche
Verlust minimal bleibt, als auch die Parameter des Kabels, nämlich R', L', G' und C' angesicht des Wiedergabefehlers
im gegebenen Wechselstrombetrieb zu optimieren. Mit einem beginnenden
Strom im Kabel muss zunächst
ein elektromagnetisches Feld, das den Energietransport erst ermöglicht,
aufgebaut werden. Räumliche
Feldstärkeverteilung
außerhalb
des Leiters ist durch die geometrische Anordnung von Hin- und Rückleiter
bestimmt und prägt
die Stromdichteverteilung über
den Leiterquerschnitt mit ein. Für
den Aufbau des Feldes ist eine Energie nötig, welche von der Signalquelle
geliefert werden muss. Die Ladungsträger in den Leitern bilden den
Strom nach dein Minimumprinzip der Natur: es muss beim Stromfließen ein
Minimum an Energie gebraucht werden. Statische (Hall-Effekt) und
dynamische (Induktionsgesetz) elektromagnetische Felder, die die Leiter
durchsetzten, bestimmen die innere Induktivität des Leiters, Li. Der induktive
Widerstand, nämlich ω·Li, beeinflusst
die gesammte Energiebilanz im Kabel und damit auch die Stromdichteverteilung
in dem Leiter. Ein gutes Beispiel dafür ist der Skineffekt in einem
unendlich langen, geraden Leiter mit kreisförmigem Querschnitt: wenn der
Wert ω·Li steigt,
beginnt der Strom zunehmend an der Leiteroberfläche zu fliessen. Damit ist
im Leiterinneren die Feldstärke Null,
was eine Minderung der inneren Induktivität Li als Folge hat. Mit zunehmendem
Querschnitt eines Einzelleiters steigt die Inhomogenität der Stromverteilung
(Zentrum/Oberfläche)
innerhalb der Leiter an. Infolge dieser Inhomogenität der Stromdichteverteilung
haben dicke Leitungen wenig Höhen,
weil in der verringerten, vom Ladungsträger durchflossenen Schicht
ihr Widerstand zunimmt. (Doppelter Durchmesser = doppelte Oberfläche -> Wechselstromwiderstand,
aber vierfacher Querschnitt -> Gleichstromwiderstand).
Eine typische Stromdichteverteilung findet man bei dem Proximity-Effekt:
die Stromdichte bei zwei parallelen Leitungen nimmt an deren inneren
Oberflächen
zu. Wenn man davon ausgeht, dass der Strom durch das Kabel infolge
einer sinusförmigen
Anregung beträgt:
i(t) = Im·sin(ω·t) und dass
die Impedanz des Lautsprecherkabels, nämlich Z, folgendermaßen gegeben
ist: Z = R(ω,
Im) + j·I(ω, Im), sowie
dass als Signalquelle Sq eine fast ideale Spannungsquelle (Verstärker) dient,
und dass die reaktive EM-Kraft des angeschlossenen Lautsprechers,
R1, dominiert, kann die Wirkung des Anteils I(ω, Im) zumindest im Audiofrequenzbereich
vernachlässigt
bleiben. Eine mögliche
Lösung
zur Behebung einer Verzerrungsart, die durch Änderung des Wertes R(ω, Im) entsteht
(von den beiden Größen, nämlich von ω und Im,
hängt im
Wesentlichen die Änderungschnelligkeit
des Magnetflusses ab, mit welcher die Stromverteilung in den Leiterquerschnitten beeinflusst
wird), ist im Nachstehenden gegeben.
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Aus
elektrodynamischer Sicht liegt dem Problem einer inhomogenen Stromdichteverteilung
im Leiterinneren die Änderungsschnelligkeit
des Magnetflusses zugrunde. Da die Spitzenwerte des Stromes im Lautsprecherkabel
bei einer vorgegebenen Frequenz im Amper-Bereich liegen, entstehen
relativ starke Felder, obwohl die Frequenz nicht einmal einige KHz überschreitet.
Das hat zur Folge, dass sich der ohmsche Wechselstromwiderstand
im Verhältnis zum
Gleichstromwiderstand ständig ändert. Aus
diesem Grund sollte bei einem Lautsprecherkabel die „unnötige” Entstehung
von magnetischen Feldern durch die Anordnung des Leiters möglichst
verhindert werden. Gerade aus diesem Grund wird als Basis für weitere
Betrachtungen eine der einfachsten Anordnungen von einzelnen Leitern
eines Lautsprecherkabels, nämlich
die Anordnung als paralleles Paar genommen, welche bei den meisten
Lautsprecherkabeln auf dem Markt verwendet wird. Dieser Aufbau bietet
einige Vorteile. Um den Gleichstromwiderstand zu reduzieren, sollte
man bloß entsprechende
Leiterquerschnitte auswählen.
Das elektromagnetische Feld um die beiden Leiter hat die größte Intensität im Luftspalt
zwischen den Leiten. So können
Verluste im Dielektrikum reduziert werden, da nur ein relativ begrenztes
Volumen im Luftspalt durch das starke Feld erfasst ist. Hinsichtlich
des magnetischen Feldes bringt solche EM-Feldverteilung auch Nachteile,
denn gerade im Luftspalt addieren sich die beiden Komponenten der
Felder, die Hin- und Rückleitung
produzieren. Der Stromfluss benachbarten Leitern in entgegengesetzte
Richtung bewirkt eine „anziehende” Wirkung
auf die Stromdichte in beiden Leitern (Proximity-Effekt). In der
Praxis kann mit geringen „Proximityverlusten” gerechnet
werden, wenn der Abstand zwischen beiden Einzelleiten größer als der
Drahtdurchmesser ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es, das Elektrokabel
zur Leistungsübertragung derartig
weiterzuentwickeln, dass im Unterschied zu den herkömmlichen
Kabeln der eingangs genannten Art durch eine elektrodynamische Balancierung
der Stromdichtevereteilung in den Leitern eine Minderung einer Signalmodulation
des ohmschen Widerstandes in den Leitern, eine Minderung des dielektrischen
Verlustes im Kabel, und eine gewisse „Einstellmöglichkeiten” der Wellenimpedanz durch
die Parameter C' des
Kabels erreicht werden. Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil
des Patentanspruchs 1 angegebenen gegenständlichen Merkmale gelöst.
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Der
Aufbau des Elektrokabels mit balancierter Stromdichteverteilung
in den Leitern ist in dargestellt. Eine gerade Anzahl
von Signalleitern, S1 bis S4 in diesem Fall, werden gleichmäßig an den Punkten
eines Kreises angeordnet. Der Zentralleiter, ZL, befindet sich im
Zentrum dieses Kreises. Erfindungsgemäß wird an einem von beiden
Kabelenden der Draht DR und der Zentralleiter elektrisch verbunden.
Weiterhin wird der Draht DR tangential um den Signalleiter S1 geführt, dann
um den Zentralleiter ZL, usw., sodass im Luftspalt zwischen diesen
Leitern eine Kreuzung des Drahtes DR entsteht. In einem ganzen Umlauf
werden alle Signalleiter jeweils einmal erfasst. So wiederholend
entsteht eine Umflechtung über
die gesamte Kabellänge,
wobei am anderen Kabelende der Draht DR und der Zentralleiter ZL elektrisch
ebenso verbunden sind. Es wird ein elektrisch geschlossener Stromkreis
gebildet. Aus Symmetriegründen
wird die Hälfte
der Signalleiter parallel beschaltet und als Hin-, bzw. als Rückleitung
benutzt. Die Funktionsweise des Kabels mit balancierter Stromdichteverteilung
in den Leitern wird für
den Fall n = 1 gemäß seinem
Aufbaubild in und erklärt. In dieser
einfachsten Ausführung
des Kabels werden nur 2 Signalleiter, S1 und S2, benutzt. Die Signalleiter
werden vom Wechselstrom durchflossen, so dass ein magnetisches Feld
aufgebaut wird. Der Stromkreis, gebildet aus dem Zentralleiter ZL
und den Windungen mit dem Draht DR wird von diesem Feld durchsetzt,
wobei in jedem Teil dieses elektrischen Kreises entsprechende EM-Kräfte laut
dem Induktionsgesetz induziert werden. Daraus ergeben sich die zwei
Möglichkeiten:
Entweder fliesst dann ein Strom, der nach der Lenz'schen Regel der ursprünglichen
Flussänderung
entgegenwirkt, oder verändert
sich die Stromdichteverteilung in den Leitern so, dass nach dem
bereits erwähnten
Minimumprinzip gar kein Strom fliesst. Potenzieller Strom hätte in der
Windungen, aber nur in den Signalleitern S1 und S2, ein magnetisches
Feld erzeugt, dessen Feldlinien mit der Bewegungsrichtung der Ladungsträger übereinstimmt.
Die von den Windungen erzeugten magnetischen Komponenten im Zentralleiter
ZL werden gegenseitig neutralisiert, und zwar aufgrund der Art der
Führung
des Drahtes DR. Die EM-Kraft, die der potenzielle Strom in der Umflechtung
verursacht, kann beispielweise im Zentralleiter ZL induziert werden.
Das induzierte magnetische Gegenfeld im Leiterinneren von S1 und
S2 wirkt eine ursprünglichen inhomogenen
Stromdichteverteilung in der Leiterquerschnitt-Ebene entgegen.
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Wie
schon erwähnt,
wird die Stromdichte in paralellen Leiter an deren inneren Seiten
aufgrund des Proximity-Effektes zusätzlich größer. Infolgedessen wird der
Zentralleiter ZL mit den stärkeren
magnetischen Feldern durchsetzt, was erfindungsgemäß dazu führt, dieser
unsprunglichen, inhomogenen Stromverteilung entgegenzuwirken. Durch
diese Wirkungsweise kann eine Optimierung des Verlaufs des Wechselstromwiderstandes
R(ω, Im)
in den Leitern erreicht werden. Weil ein reales Kabel räumlich nicht homogen
ist, wird im Wechselstrombetrieb an jeder beliebig ausgesuchten
Längstposition
die Stromdichteverteilung über
den Querschnitten (senkrecht auf die Ebene in der das Kabel liegt)
in Hin- und Rückleitung
verschieden sein. Wenn sich jedoch die Ladungsträger über den Leiterquerschnitt bewegen, wird
in der Spule, in deren Innerm der Signalleiter verläuft, eine
EM-Kraft induziert, die über
das magnetische Gegenfeld und mittels der Lorentzkraft auf diese
Ladungsträger
der ursprünglichen
Verschiebung entgegenwirkt. Auf diese Weise können die Signale in den Leitern
symmetriert werden. Außerdem
bietet dieser Kabelaufbau folgende Vorteile: Da die Umflechtung
mit dem Draht DR alle Signalleiter in gleichen Abständen voneinander
zusammenhält,
können
die Signalleiter unisoliert, nur mit der Luft umgeben, betrieben
werden. Dadurch werden dielektrische Verluste reduziert. Ferner
sind alle Signalleiter mittels des Drahtes DR miteinander kapazitiv
gekoppelt. So kann durch die Einstellung der Isolationsschicht-Dicke
des Drahtes DR der Parameter C' des Kabels,
jedoch ohne die Beeinflussung des Wertes L' oder G', geändert
werden.
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Im
Folgenden wird noch eine Variante des Elektrokabels zur Leistungsübertragung
erläutert,
die aus der Erfindung hergeleitet ist. Die zeigt
ein Elektrokabel, das nach Hauptanspruch 1 mit Festsetzung n = 2
aufgebaut ist, aber mit dem Unterschied, dass die Zusatzleiter L11
und L22 nicht mit der Umflechtung erfasst sind. Bei der Optimierung
der Zeitkonstanten hat dies den Vorteil, dass der Wert C' in Grenzen gehalten
wird, während
durch den Leiterquerschnitt von den Zusatzleitungen der Wert R' und L' des Kabels optimal
eingestellt werden kann. Außerdem
sind sozusagen die Rahmenbedingungen für die Stromdichteverteilung
in den Zusatzleitern anders, als bei den Signalleitern S1 und S2.
Auf diese Weise kann das Verhalten des Wertes R(ω, Im) im ganzen Audiofrequenzbereich
optimal eingestellt werden.
