Kenngrössen der Leitungselektrik

Kenngrössen der Leitungselektrik


Wellenwiderstand, Impedanz  -  Reflexion  -  Nebensprechdämpfung  -  Kapazität  -  Schirmdämpfung  -  Leitungsdämpfung  -  Schleifenwiderstand


 Wellenwiderstand, Impedanz

Der Wellenwiderstand ist der frequenzabhängige Widerstand, den eine Leitung der Ausbreitung eines hochfrequenten Signals entgegenbringt.
Für eine möglichst dämpfungsarme und reflexionsfreie Übertragung von hochfrequenten Daten und Signalen (z. B. BUS-Leitungen) ist es erforderlich dass sowohl Aus- und Eingangswiderstand von Generator und Empfänger als auch die Leitung den gleichen (Wellen)Widerstand haben (Anpassung).
Der Wellenwiderstand einer Leitung wird aus den geometrischen Abmessungen und der
Dielektrizitätskonstante εr des verwendeten Isolationsmaterials berechnet.
Messgeräte messen Induktivität und Kapazität und berechnen aus diesen Werten den Wellenwiderstand. Dabei muss die Messfrequenz angegeben werden, eine Wellenwiderstandangabe für 800 Hz ist bei einer BUS-Leitung wenig aussagend.
Der Wellenwiderstand Z wird in Ω angegeben; er ist längenunabhängig, jedoch für Frequenzen unterhalb 1MHz sehr frequenzabhängig.

Einheit: z. B. 150 Ohm im Frequenzbereich 1-20 MHz

Falls Widerstandsbelag oder Ableitungsbelag deutlich größer als 0 sind, kann man sie nicht mehr vernachlässigen. In diesem Fall ergibt sich folgende Formel für den Wellenwiderstand:

Z = Wurzel( (R + jωL) / G + jωC) )

wobei gilt: 
      ω = 2 π f
       j = Wurzel(-1)

Man kann rechnerisch nachweisen, dass ein Kabel mit einer Impedanz von 30 Ohm die höchstmögliche Leistung übertragen kann, was für Sender wichtig ist. Ein Kabel mit einer Impedanz von 77 Ohm hat die kleinste Dämpfung, was vor allem in Empängern von Bedeutung ist. Der Kompromiss aus beidem ist das typische 50-Ohm-Koaxialkabel.
Für reine Empfangsanwendungen ist aber der 75 Ohm-Standard besser als das 50-Ohm-Kabel.

Reflexion

Reflexionen gibt es bei elektrischen Wellen und Lichtwellen. Reflexionen führen dazu, das ein und dasselbe Signal beim Empfänger zweimal mit einem zeitlichen Unterschied eintrifft.
Die Beschreibung zur Reflexion, in diesem Text, bezieht sich auf die Betrachtungsweise einer kurzen Leitung und gleichzeitig eine hohe Frequenz. Dabei ist die Ausbreitung der Frequenzwelle beobachtbar.
Nur dann wenn der Quellwiderstand, der Wellenwiderstand der Leitung und der Abschlusswiderstand identisch sind, werden Reflexionen vermieden.

Einheit: dB

Nebensprechdämpfung

Die Nebensprechdämpfung ist ein Mass dafür, wie stark ein elektrisches Signal innerhalb einer mehradrigen Datenleitung zwischen den Paaren gekoppelt wird. Üblicherweise wird ein Datenleitungspaar als Ausgangsort für ein derartiges Signal betrachtet, da jeder elektrische Leiter wie eine Sendeantenne wirkt. Das Einstrahlen dieser Sendeenergie auf ein benachbartes Datenleitungspaar gilt als Nebensprechen. Ziel ist es, dieses Nebensprechen so gering wie möglich zu gestalten, damit muss der Wert der Nebensprechdämpfung so gross wie möglich sein.
Der Wert der Nebensprechdämpfung hängt wesentlich vom konstruktiven Aufbau einer Datenleitung ab. Dabei ist die Auswahl der Schlaglänge der einzelnen Leiterpaare von entscheidender Bedeutung.
Durch Abschirmung von Leiterpaaren lässt sich die Nebensprechdämpfung wesentlich verbessern.
Die Nebensprechdämpfung ist nicht längenabhängig.

Ihr Wert wird in dB angegeben.


 Kapazität

Die elektrische Kapazität ist der Wert des Speichervermögens an elektrischen Leitungen und damit elektrischer Energie. Elektrische Energie kann nur dann mit einem Gebilde aus mindestens zwei metallischen Elementen gespeichert werden, da sich bei der Speicherung immer zwei entgegengesetzt geladene Ploe ausbilden müssen. Bei Datenleitungen werden diese Pole gebildet durch die miteinander verseilten Leiter oder die entsprechenden konzentrischen Leitungselemente eines Koaxialkabels. Die elektrische Kapazität ist abhängig vom konstruktiven Aufbau der Leitung, vom verwendeten Dielektrikum und der Länge der Leitung. Sie kann für ein parallel geführtes Leiterpaar näherungsweise nach folgender Formel berechnet werden:

C    Kapazität in µF/km
Er    Dielektrizität des Materials zwischen den Leitern
a    Abstand zwischen den Mitten der beiden Leiter
d    Durchmesser eines Leiters
D    Innendurchmesser des Schirms

Für die Datenübertragung soll die Kapazität der Leitung so klein wie möglich sein. Deswegen werden Materialien mit einem geringen j (PE, PP. PTFE) oder geschäumten Materialien gewählt.

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Schirmdämpfung 

Schirmqualität einer Leitung gemessen in dB (je höher desto besser die Schirmwirkung / vergleichbar mit dem Kopplungswiderstand in Abhängigkeit der Frequenz).
Je höher der dB-Wert ist, desto störsicherer ist die Leitung (je geringer der Kopplungswiderstand.)


Leitungsdämpfung 

Signalverlust in Abhängigkeit zur Frequenz (vergleichbar mit dem Luftwiderstand bei höheren Fahrgeschwindigkeiten beim Auto).
Eine Leitung hat mit steigender Übertragungsfrequenz eine höhere Leitungsdämpfung.
Wird in dB/m oder dB/100m angegeben.
Zu beachten bei Bus- und Datenleitungen, vor allem bei längeren Übertragungsstrecken (>100m)


Schleifenwiderstand 

Der Schleifenwiderstand ist der ohmsche Gleichstromwiderstand eines Paares (Hin-und Rückleitung) und ist neben dem Wellenwidertstand eine entscheidende Einflußgröße für die Leitungsdämpfung.