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Wenn man bei einem Kabel (meist Koaxialkabel) davon spricht,
es sei ein 50 Ohm oder 75 Ohm
Kabel, dann ist damit der Wellenwiderstand des Kabels gemeint. Den kann man
nicht mit dem
Ohmmeter messen, weil er nur bei Wechselstrom hoher Frequenz in Erscheinung
tritt und ein
Ohmmeter typischerweise mit Gleichstrom misst.
Der Wellenwiderstand ist auch nicht von der Länge des Kabels abhängig, im
Gegensatz zu seinem
Längswiderstand.
Wie kommt das zustande?
Bei Gleichstrom fließt in einem Koaxialkabel der Strom im Innenleiter in eine
Richtung und im Schirm
in die entgegengesetzte Richtung. Relevant ist hier nur der ohmsche Widerstand
der beiden Leiter
(der Innenleiter hat üblicherweise einen höheren Widerstand als der Schirm).
Diese Widerstände
wachsen proportional zur Kabellänge.
Ein Kabel mit 1m Länge hat also doppelt so viel Widerstand als eins mit 50cm
Länge. Diesen
Widerstand kann man mit einem Ohmmeter messen, vorausgesetzt es hat einen
geeigneten Messbereich
für die hierbei auftretenden niedrigen Widerstände (normalerweise unterhalb von
1 Ohm)
Bei Wechselstrom mit hoher Frequenz (z. B. Radiofrequenzen) ist die Lage anders.
Hier kommt die
Signalgeschwindigkeit im Kabel ins Spiel. Die ist praktisch gleich der
Lichtgeschwindigkeit, wenn
zwischen Innenleiter und Schirm Luft oder Vakuum als Isolator ist. Das ist
unpraktisch, in der Praxis
nimmt man dafür einen Kunststoff und dessen Eigenschaften sorgen für eine
Verlangsamung der
Signalausbreitung. Typische Koaxkabel haben eine Signalgeschwindigkeit von etwa
2/3 Lichtgeschwindigkeit.
Zur anschaulichen Beschreibung des Effekts gehen wir mal davon aus, dass nicht
ein Sinussignal einer
bestimmten Frequenz, sondern ein Impuls mit unendlich steilen Flanken im Kabel
übertragen werden soll.
So etwas gibt es nicht wirklich, aber das hier ist ein idealisiertes
Gedankenexperiment. Der Impuls soll mit
einer ansteigenden Flanke beginnen, und nach einiger Zeit mit einer fallenden
Flanke auf den vorherigen
Wert zurückkehren.
Wenn wir diesen Impuls ins Kabel schicken, dann wird also die ansteigende Flanke
mit einem Tempo von 2/3
Lichtgeschwindigkeit durch das Kabel rasen und schließlich am anderen Ende
ankommen. Die Elektronik, die
den Impuls erzeugt, also der Ausgang an welchen das Kabel angeschlossen ist,
merkt während dieser Zeit
nichts davon, was am anderen Ende des Kabels passiert. Der Widerstand, den der
Ausgang "sieht", hängt
also zuerst nur vom Kabel selber ab.
Erst wenn der Impuls am anderen Ende angekommen ist tritt er in Wechselwirkung
mit dem Empfänger am
Kabelende und der Effekt kann darin bestehen (bei "Fehlanpassung"), dass ein
Teil der Impulsenergie ins Kabel
reflektiert wird. Das bedeutet, dass eine weitere Flanke zurück durch das Kabel
zum sendenden Gerät läuft,
wieder mit 2/3 Lichtgeschwindigkeit läuft. Erst wenn dieser reflektierte Impuls
am Sender ankommt, merkt
dieser etwas von den Eigenschaften des empfangenden Gerätes.
Die Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 300000km/s, also umgerechnet 30cm/ns. Zwei
Drittel davon sind
20cm/ns.
Bei einem Kabel von 1m Länge dauert es also etwa 10ns bis ein Ausgang die
Reflexion einer ausgesandten
Impulsflanke "sieht". Während dieser 10ns ist es ausschließlich das Kabel
selber, welches den Ausgang belastet.
Der sich während dieser kurzen Zeit ergebende Lastwiderstand ist der
Wellenwiderstand. Er ergibt sich aus der
Geometrie des Kabels und den verwendeten Materialien.
Genauer gesagt ergibt sich der Wellenwiderstand aus dem Verhältnis der
Leitungsinduktivität und der Kapazität
zwischen Innenleiter und Schirm. Diese sind beide über die Kabellänge verteilt,
das Verhältnis ist dabei von der
Länge unabhängig, weswegen auch der Wellenwiderstand von der Länge unabhängig
ist.
Reflexionen entstehen bei Fehlanpassung des Empfängers, das heißt wenn sein
Eingangswiderstand nicht dem
Wellenwiderstand des Kabels entspricht. Bei Gleichheit beider Widerstände sieht
der Eingang des Empfängers am
Kabelende für den
herankommenden Impuls wie eine perfekte Fortsetzung des Kabels aus, und nichts
wird reflektiert. Je größer der
Unterschied, desto mehr der Impulsenergie wird zurückgeschickt. In den beiden
Extremfällen des offenen
Kabelendes (unendlicher Eingangswiderstand) oder des kurzgeschlossenen
Kabelendes (Eingangswiderstand null)
wird alle Energie reflektiert. In diesen Fällen kommt also der Impuls in voller
Höhe (abzüglich der Kabelverluste)
zurück.
Auch der Senderausgang sollte korrekt angepasst sein. Wenn sein
Ausgangswiderstand nicht dem Wellenwiderstand
des Kabels entspricht, dann wird ein zurückkommendes reflektiertes Signal erneut
reflektiert und läuft wieder zum
Empfänger hin. Im Extremfall kann die Impulsflanke also mehrfach im Kabel
hin-und herlaufen, wenn beide Enden
fehlangepasst sind.
Diese Effekte kann man übrigens dazu ausnutzen, um Fehler im Kabel zu finden.
Das ist besonders nützlich, wenn
die Kabel schwer zugänglich sind, z. B. in der Erde vergraben. Man sendet dazu
einen steilen Impuls ins Kabel und
wartet auf Reflexionen. Die Zeit, die verstreicht bis die Reflexion an der
Einspeisestelle ankommt ist ein Maß dafür,
wie weit der Defekt entfernt ist. Man kann dann z. B. den Bagger an die richtige
Stelle dirigieren. Dieses Verfahren
heißt TDR (Time Domain Reflectometry - Zeitbereichs-Reflektometrie).
Im obigen Beispiel mit den 10ns im 1m-Kabel wird klar, dass die Flankensteilheit
des Impulses so groß sein muss,
dass die ganze Flanke in weniger als 10ns durchlaufen werden muss, weil sonst
die Reflexion schon während des
Ansteigens
eintrifft. Je langsamer die Flanke ist, desto weniger kann man Originalflanke
und Reflexion auseinanderhalten. Wenn
wir also Signale von so geringer Flankensteilheit haben, dass die Verzögerung im
Kabel demgegenüber kurz genug ist,
dann kann man den Effekt vernachlässigen, und der Wellenwiderstand spielt keine
Rolle mehr. Also: Der
Wellenwiderstand spielt umso eher eine Rolle, je länger das Kabel ist und je
steiler die Flanken sind.
Die Steilheit der Flanken hat nach der Signaltheorie (Fourier) eine direkte
Beziehung zu den Signalfrequenzen. Man
kann diese Betrachtungen also auch mit Sinussignalen einer entsprechenden
Frequenz machen. Das ist vielleicht nicht
mehr ganz so anschaulich, aber man kann sich vielleicht noch vorstellen, dass
durch Fehlanpassungen an den
Kabelenden sich stehende Wellen ergeben können. Die niedrigste Frequenz solcher
stehenden Wellen ergibt sich
wiederum aus der
Kabellänge. Bei Kurzschluss an beiden Enden ergibt sich z. B. eine Halbwelle im
Kabel, die Frequenz liegt also in unserem
1m-Kabel bei 100MHz.
Man sieht also, dass ziemlich hohe Frequenzen im Spiel sein müssen, wenigstens
solange die Kabel nicht sehr lang
werden.
Man redet als "Daumenregel" von einem "elektrisch Kurzen" Kabel wenn das Kabel
kürzer als 1/10 der Wellenlänge der
höchsten übertragenen Frequenz ist. Bei diesen Verhältnissen kann man
Welleneffekte - und folglich auch den
Wellenwiderstand und damit zusammenhängende Fehlanpassungen - in aller Regel
vernachlässigen. Wenn man das
auf die Audiotechnik überträgt, wo ja die höchste Frequenz in der Regel mit
20kHz angenommen wird, heißt das dass
ein Kabel erst jenseits von 1km Länge nicht mehr als elektrisch kurz angenommen
werden kann. Wer lieber mit 100kHz
Bandbreite rechnet kommt immer noch auf 200m Kabellänge ohne dass man sich um
Reflexionen oder stehende Wellen
Sorgen machen müsste.
Audioverbindungen sind daher eigentlich immer fehlangepasst und die Kabel haben
auch in aller Regel keinen definierten
Wellenwiderstand. Die Frequenzen sind einfach zu niedrig, als dass das eine
Rolle spielen würde. Erst bei Videosignalen
oder bei digitalen Audiosignalen treten Frequenzen auf, die hoch genug sind um
in den "interessanten" Bereich
hineinzureichen. Und auch da sind im Heim-Bereich die Kabel normalerweise kurz
genug um keine Probleme aufkommen zu
lassen.
Bevor sich also jemand von den Angaben über Wellenwiderstände irre machen lässt
sollte er kurz überlegen, um welche
Signalfrequenzen und Kabellängen es geht, ob also überhaupt unter den gegebenen
Umständen ein Problem zu erwarten
ist.
Nicht unerwähnt bleiben sollte die Tatsache, dass die für Leitungen angegebenen
Wellenwiderstände nur für hohe
Frequenzen gelten, die weit oberhalb des Audiobereichs liegen.
Für tiefer Frequenzen ist der Wellenwiderstand komplex und von der Frequenz
abhängig, denn eine Leitung verhält sich
in diesem Frequenzbereich wie viele in Reihe geschaltete RC-Glieder. Weil die im
Audiobereich verwendeten Leitungen
kurz sind, kommt nur der kapazitive Anteil zur Wirkung, der ja dann auch
manchmal für
Leitungen in den technischen Daten angegeben ist.