DE202006009212U1 - Elektrokabel mit balancierter Stromdichteverteilung in den Leitern - Google Patents
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Abstract
Elektrokabel
zur Leistungsübertragung,
insbesondere Lautsprecherkabel, mit balancierter Stromdichteverteilung
in den Leitern
setzt sich
aus 2n (n = 1, 2, 3.. usw) parallel zueinander verlaufenden, am Umfang eines Kreises in gleichen Abständen voneinander angeordneten Einzelleitern (weiter als Signalleiter bezeichnet), Sm (m = 1, 2, 3.. 2n), wobei der Index m die Reihenfolge aller am Kreis rechts- oder linksdrehend angeordneten Signalleiter bezeichnet, und für die Signalübertragung jeweils n Signalleiter parallel beschaltet als Hin- und als Rückleitung dienen,
sowie
aus einem Zentralleiter (ZL), der im Zentrum dieses Kreises parallel zu den Signalleitern angeordnet ist,
und
aus einem isolierten Draht (DR), der mit dem Zentralleiter und mit den Signalleitern möglichst eng miteinander so verflochten wird, bis er über die gesamte Kabellänge durch so viele nach gleichem Muster hintereinander wiederholten Umläufe eine Umflechtung gebildet hat,
zusammen,
und dessen Aufbau dadurch gekennzeichnet ist,
a) dass an einem...
setzt sich
aus 2n (n = 1, 2, 3.. usw) parallel zueinander verlaufenden, am Umfang eines Kreises in gleichen Abständen voneinander angeordneten Einzelleitern (weiter als Signalleiter bezeichnet), Sm (m = 1, 2, 3.. 2n), wobei der Index m die Reihenfolge aller am Kreis rechts- oder linksdrehend angeordneten Signalleiter bezeichnet, und für die Signalübertragung jeweils n Signalleiter parallel beschaltet als Hin- und als Rückleitung dienen,
sowie
aus einem Zentralleiter (ZL), der im Zentrum dieses Kreises parallel zu den Signalleitern angeordnet ist,
und
aus einem isolierten Draht (DR), der mit dem Zentralleiter und mit den Signalleitern möglichst eng miteinander so verflochten wird, bis er über die gesamte Kabellänge durch so viele nach gleichem Muster hintereinander wiederholten Umläufe eine Umflechtung gebildet hat,
zusammen,
und dessen Aufbau dadurch gekennzeichnet ist,
a) dass an einem...
Description
- 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 gesamte ohmsche 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 Ladungsträger 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 PA(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 PA(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. - Als Ausgangspunkt für die nachstehenden Betrachtungen stellen wir uns hypothetisch ein unendlich langes, gerades Elektrokabel vor, das im Wechselstrombetrieb an jeder beliebig ausgesuchten Längstposition eine identische Stromdichteverteilung über den Querschnitten (senkrecht auf die Ebene in der das Kabel liegt) in Hin- und Rückleitung aufweist. Ein solches Kabel bezeichnen wir als ein räumlich homogenes Kabel. Wäre 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, 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 Wert 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 von Einzelleiter, sowie deren geometrischen 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 dem 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 innere Induktivität des Leiters, Li. Der induktive Widerstand, nämlich ω·Li, beeinflusst die gesammte Energiebilanz im Kabel und damit auch die Stromdichteverteilung in den 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 Einzelleiter 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, von Ladungsträger durchflossenen Schicht ihr Widerstand zunimmt. (Doppelter Durchmesser = doppelte Oberfläche → Wechselstromwiderstand, aber vierfacher Querschnitt → Gleichstromwiderstand). Eine typische Stromdichteverteilung findet man bei dem Proximity-Effekt: 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 Teiles 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 Leiterquerschnitt beeinflusst wird), ist im Nachstehenden gegeben.
- 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 Felder durch die Anordnung des Leiters möglichst verhindert werden. Gerade aus diesem Grund wird als Basis für weitere Betrachtungen eine der einfachsten Anordnungen von einzelnen Leiter eines Lautsprecherkabels, nämlich die Anordnung als paralleles Paar genommen, welche bei den meisten Lautsprecherkabel 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 Leiter. 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 vom Felder, die Hin- und Rückleitung produzieren. Das Stromfließen in benachbarten Leitern in entgegengesetzte Richtung bewirkt eine „anziehende" Wirkung auf die Stromdichte in beiden Leiter (Proximity-Effekt). In der Praxis kann mit geringen „Proximityverlusten" gerechnet werden, wenn der Abstand zwischen beiden Einzelleiter 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 angegebenen gegenständlichen Merkmale gelöst.
- Der Aufbau des Elektrokabels mit balancierter Stromdichteverteilung in den Leitern ist in
1 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 von 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 in2 und3 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 den Windungen, aber nur in den Signalleiter S1 und S2, ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Feldlinien mit der Bewegungsrichtung der Ladungsträger übereinstimmt. Die von den Windungen erzeugten magnetischen Komponente 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 einer ursprünglichen inhomogenen Stromdichteverteilung in der Leiterquerschnitt-Ebene entgegen. - Wie schon erwähnt, wird die Stromdichte in paralellen Leiter an derren inneren Seiten aufgrund des Proximity-Effektes zusätzlich größer. Infolgedessen wird der Zentralleiter ZL mit den stärkeren magnetischen Felder durchsetzt, was erfindungsgemäß dazu führt, dieser unsprunglichen, inhomogenen Stromverteilung entgegenzuwirken. Durch diese Wirkungsweise kann eine Optimierung des Verlauf 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 Innern 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.
- Im Folgenden wird noch eine Variante des Elektrokabels zur Leistungsübertragung erläutert, die aus der Erfindung hergeleitet ist. Die
4 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 Rahmenbediengungen für die Stromdichteverteilung in den Zusatzleitern anders, als bei den Signalleitern S1 und S2. Auf dieser Weise kann das Verhalten des Wertes R(ω, Im) im ganzen Audiofrequenzbereich optimal eingestellt werden.
Claims (6)
- Elektrokabel zur Leistungsübertragung, insbesondere Lautsprecherkabel, mit balancierter Stromdichteverteilung in den Leitern setzt sich aus 2n (n = 1, 2, 3.. usw) parallel zueinander verlaufenden, am Umfang eines Kreises in gleichen Abständen voneinander angeordneten Einzelleitern (weiter als Signalleiter bezeichnet), Sm (m = 1, 2, 3.. 2n), wobei der Index m die Reihenfolge aller am Kreis rechts- oder linksdrehend angeordneten Signalleiter bezeichnet, und für die Signalübertragung jeweils n Signalleiter parallel beschaltet als Hin- und als Rückleitung dienen, sowie aus einem Zentralleiter (ZL), der im Zentrum dieses Kreises parallel zu den Signalleitern angeordnet ist, und aus einem isolierten Draht (DR), der mit dem Zentralleiter und mit den Signalleitern möglichst eng miteinander so verflochten wird, bis er über die gesamte Kabellänge durch so viele nach gleichem Muster hintereinander wiederholten Umläufe eine Umflechtung gebildet hat, zusammen, und dessen Aufbau dadurch gekennzeichnet ist, a) dass an einem von beiden Kabelenden der Draht DR mit dem Zentralleiter ZL elektrisch verbunden ist, b) dass bei einem jeden Umlauf, der Draht DR mit dem Zentralleiter ZL und mit allen Signalleiter Sm, stets dieselbe Reihenfolge einhaltend, nämlich S1, ZL, S2, ZL, S3, ZL .. Sm, ZL oder umgekehrt, verflochten wird, c) dass bei einem jeden Umlauf der Draht DR tangential um die Einzelleiter so geführt wird, dass im Luftspalt zwischen dem Zentralleiter ZL und jeden einzelnen Signalleitern Sm genau eine Kreuzung des Drahtes DR entsteht, und d) dass an dem übrig gebliebenen Kabelende die beiden anderen Enden des Drahtes DR und des Zentralleiters ZL ebenso elektrisch verbunden sind.
- Elektrokabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleiter Sm nicht isoliert sind, sodass diese, abgesehen von der Umflechtung mit dem isolierten Draht DR, nur mit der Luft umgeben sind.
- Elektrokabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Signalleiter als Koaxialkabel ausgeführt ist, wobei seine Teilleiter, nämlich innerer und äußerer Teilleiter, an den Kabelenden elektrisch miteinander verbunden sind.
- Elektrokabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichem Diameter des Drahtes DR und allein durch die Auswahl der Isolationsschicht-Dicke dieses Drahtes ein Optimum des Wertes C' des Kabels mit balancierter Stromdichteverteilung in den Leitern eingestellt wird.
- Elektrokabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass n Signalleiter, die gemeinsam entweder als Hin- oder Rückleitung dienen, geometrisch alle am gleichen Halbkreis angeordnet sind.
- Elektrokabel zur Leistungsübertragung, insbesondere Lautsprecherkabel, mit balancierter Stromdichteverteilung in den Leitern setzt sich aus einem Elektrokabel nach Anspruch 4, wobei n = 1, und zwei identischen Zusatzleiter L11 und L22 zusammen, und sein Aufbau dadurch gekennzeichnet ist, e) dass die Ebene, in der die beiden Zusatzleiter L11 und L22 liegen, senkrecht auf die Ebene mit den Signalleiter S1 und S2, wobei der Zentralleiter ZL sich möglichst eng zwischen den Zusatzleiter L11 und L22 befindet, f) dass die Leitungen S1 und L11, sowie die Leitungen S2 und L22 parallel beschaltet sind und als Signalleitungen dienen, und g) dass allein durch die Auswahl des Leiterquerschnittes von den Zusatzleitungen L11 und L22 ein optimaler Verlauf des Kabelwiderstandes R(ω, Im) erreicht wird.
Priority Applications (1)
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DE202006009212U1 true DE202006009212U1 (de) | 2007-03-08 |
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ID=37887426
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202006009212U Expired - Lifetime DE202006009212U1 (de) | 2005-06-14 | 2006-06-12 | Elektrokabel mit balancierter Stromdichteverteilung in den Leitern |
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Country | Link |
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DE (1) | DE202006009212U1 (de) |
-
2006
- 2006-06-12 DE DE202006009212U patent/DE202006009212U1/de not_active Expired - Lifetime
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