Netzwerkkabel und Audiokabel verwenden eine „Twisted-Pair“-Konstruktion. Erstaunlich wenige Menschen haben eine anschauliche Vorstellung davon, warum das Verdrillen zweier Adern sie störfest macht.
Dieser Artikel geht vom Begriff der Symmetrie aus und erklärt, wie ein Twisted-Pair-Kabel Störungen auslöscht.
Was „symmetrisch“ tatsächlich bedeutet
In einer elektrischen Schaltung bedeutet Symmetrie, dass Hin- und Rückleiter eines Signals in jeder Hinsicht gleichwertig sind.
Eine gewöhnliche Signalleitung (unsymmetrisch, single-ended) hat einen eigenen Hinleiter, ihr Rückweg ist jedoch ein gemeinsamer Leiter namens Masse. Hin- und Rückweg sind unsymmetrisch – also handelt es sich um eine unsymmetrische Leitung.
Eine Anordnung, in der Hin- und Rückweg vollkommen gleichwertig sind, heißt dagegen symmetrische Schaltung. Vollkommene Symmetrie ist in der Praxis unmöglich, aber „für den praktischen Einsatz hinreichend gleichwertig“ genügt.
Was Symmetrie bringt – Störungen kommen als Gleichtakt an
Der größte Vorteil symmetrischer Verdrahtung ist, dass Störungen von außen als Gleichtakt eintreten.
Wenn die beiden Leiter gleichberechtigt nebeneinander verlaufen, induziert eine äußere elektromagnetische Störung in beiden dieselbe Spannung. Das ist Gleichtakt. Ein Gegentaktanteil (Normal Mode) entsteht nicht.
Gleichtaktstörungen lassen sich über den Modenunterschied entfernen (siehe den Artikel zur Gleichtaktstörung). Gegentaktstörungen liegen dagegen im selben Modus wie das Nutzsignal und sind schwer zu beseitigen.
Die Strategie der Symmetrie lautet also: Gleichtaktstörungen in Kauf nehmen und dafür Gegentaktstörungen vermeiden. Was eingekoppelt wird, lässt sich entfernen, solange es Gleichtakt ist – die Strecke wird insgesamt robuster.
Warum Twisted Pair funktioniert
Unter den symmetrischen Kabeln erreicht in der Praxis das Twisted-Pair-Kabel den höchsten Symmetriegrad: zwei wendelförmig umeinander verdrillte Leiter.
Wenn es Störungen aufnimmt
Verkettet sich äußerer magnetischer Fluss (ein veränderliches Magnetfeld) mit dem Kabel, entsteht in der Schleife eine elektromotorische Kraft – elektromagnetische Induktion. Beim Twisted Pair kehrt sich die Orientierung der vom Fluss durchsetzten Schleife von Schlag zu Schlag um.
Dadurch heben sich die in aufeinanderfolgenden Schlägen erzeugten Spannungen gegenseitig auf, und die Störspannung geht insgesamt gegen null.
Wenn es Störungen abstrahlt
Der im Kabel fließende Strom erzeugt magnetischen Fluss, doch beim Twisted Pair kehrt sich die Stromrichtung zwischen benachbarten Schlägen um. Auch der erzeugte Fluss hebt sich auf, sodass die Abstrahlung in die Ferne sehr klein bleibt.
Das Twisted Pair ist damit nach beiden Seiten gut: Es nimmt Störungen schwer auf und gibt sie schwer ab.
Unterschied zum Parallelkabel
Auch ein „Parallelkabel“ mit zwei nebeneinander geführten, nicht verdrillten Adern besitzt einen gewissen Symmetriegrad. Da die beiden Adern jedoch stets dieselbe relative Lage behalten, kann je nach Richtung des äußeren Feldes deutlich mehr Störung auf einer der beiden Adern liegen.
Durch das Verdrillen fallen die mittleren Lagen beider Adern zusammen, sodass die Auslöschung für Störungen aus jeder Richtung wirksam bleibt.
Symmetrische Führung auf der Leiterplatte
Auf einer Leiterplatte lässt sich keine echte symmetrische Verdrahtung im Sinne eines Twisted Pair aufbauen. Führt man Hin- und Rückleiterbahn jedoch eng nebeneinander, erreicht man einen Symmetriegrad vergleichbar mit einem Parallelkabel.
Zudem verhält sich die Kombination aus Massefläche und Signalleitung (Mikrostreifenleitung) bei hohen Frequenzen ähnlich wie ein Koaxialkabel und schirmt gegen äußere Störungen ab.
Wann Symmetrie nötig ist – und wann nicht
Eine symmetrische Schaltung braucht mehr Leiter und kostet mehr. Nicht jede Verbindung muss symmetrisch ausgeführt werden.
Besonders wirksam ist Symmetrie hier:
- Übertragung über große Entfernungen und Schnittstellen zwischen Geräten (RS-422, RS-485, Ethernet und andere)
- Übertragung kleiner Signalpegel und von Sensorausgängen, wenn die Gleichtaktspannung groß ist
- Signalübertragung in stark gestörter Umgebung
Digitalschaltungen im Geräteinneren haben Störabstand, dort genügt unsymmetrische (single-ended) Führung meist. Nur den Schnittstellenteil differenziell (symmetrisch) auszuführen, ist die realistische Wahl.
Zusammenfassung
- Symmetrie bedeutet gleichwertige Hin- und Rückleiter. Störungen von außen treten als Gleichtakt ein, Gegentaktstörungen werden unterdrückt
- Die Verdrillung hebt die von äußeren Störungen induzierte Spannung auf – der in der Praxis höchste erreichbare Symmetriegrad
- Nicht nur schwer zu stören, sondern auch strahlungsarm – gut als Opfer wie als Verursacher
- Wirksam bei großen Entfernungen und kleinen Signalpegeln. Im Geräteinneren genügt meist single-ended
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