Ein Kabel ist ein Verbund mehrerer Litzen oder isolierter Drähte. Dieser Verbund wird durch eine zusätzliche Isolation, den Kabelmantel, zusammengehalten. Zweck eines Kabels ist die (möglichst verlustarme) Durchleitung elektrischer Ströme für die Energieversorgung oder Datenübermittlung, bei Glasfaserkabeln von Licht für die reine Nachrichtenübermittlung.
abisolierte Kabelenden, unten aufgedröseltInhaltsverzeichnis [Verbergen]
1 Primäre Unterscheidungsmerkmale
1.1 Die Leiteranzahl
1.2 Das Material der Adern
1.3 Das Material der Adernisolation
1.4 Das Material der Ummantelung
1.5 Art der Verlegung/Beanspruchung
1.6 Hochfrequenz- und Signalkabel
1.7 Funktionserhalt
1.8 "Kabelsalat"
2 Siehe auch
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Primäre Unterscheidungsmerkmale
20 m Netzwerkkabel[Bearbeiten]
Die Leiteranzahl
Die Anzahl der Strom führenden Drähte (auch Adern genannt) im Kabel. Bei mehradrigen Kabeln ist immer jede einzelne Ader von einem eigenen Isolator ummantelt (die "Adernisolierung"), während eine äußere Ummantelung alle Adern umgibt (der "Kabelmantel"):
Für den Transport von Gleichstrom und Wechselstrom kommen zweiadrige Kabel zum Einsatz. Für Gleichstrom sind die Farben der Adernisolation meist rot für Plus (+) und schwarz für Minus (-), für Wechselstrom meist braun (bei Neuinstallationen) oder schwarz für Außenleiter und blau für Neutralleiter. Beim in Deutschland üblichen Hausnetz (230 V Wechselspannung) kommt noch eine dritte Ader zum Einsatz. Der grün-gelbe Schutzleiter, dieser führt direkt auf Erde und dient dazu, gefährliche Berührungsspannungen an leitfähigen Gehäuse- oder Bedienteilen zu verhindern. In älteren Verkabelungen (Altbau) findet man auch noch sehr oft die alten Kabelfarben wieder. Diese waren Rot für den Schutzleiter, Grau für den Neutralleiter und Schwarz für den Außenleiter.
Kabel für Drehstrom bei Niederspannung sind fünfadrig: Für den Stromtransport werden vier Adern benötigt, drei für die Außenleiter (in der Regel braun, schwarz und grau), eine vierte als Neutralleiter (blau) und eine fünfte für den Schutzleiter (grün-gelb). Bei symmetrischer Belastung (zum Beispiel durch einen Elektromotor) ist der Neutralleiter nicht nötig, hier reicht ein vieradriges Kabel aus.
Kabel für hochgespannten Drehstrom sind dreiadrig. Für Spannungen über 50 kV werden drei einpolige Kabel verwendet.
Kabel für hochgespannten Gleichstrom sind meist einpolig. Es gibt auch zweipolige Kabel für hochgespannten Gleichstrom. Mitunter werden auch zweipolige Kabel einpolig betrieben, in dem sie an ihren Enden parallelgeschaltet werden, wie bei der HGÜ Kontek.
Kabel für EDV und Nachrichtentechnik haben (je nach Einsatzzweck) eine unterschiedliche Adernanzahl (2 – mehrere tausend Adern). Außerdem wird nach der Art der Adernverseilung unterschieden (zum Beispiel lagenverseilt, paarverseilt, Sternvierer).
Kabel für nieder- und hochfrequente Signale in Form von Koaxialkabeln.
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Das Material der Adern
In fast allen elektrischen Kabeln kommen reine Metalle mit möglichst niedrigem spezifischen Widerstand (zum Beispiel Kupfer und Aluminium) zum Einsatz. Verarbeitet wird dieses Metall je nach Flexibilität und Beanspruchung entweder ein-, mehr-, fein- oder feinstdrätig.
für besondere Anforderungen werden auch versilberte Kupferdrähte, verkupferte Eisendrähte oder Mischlitzen aus Stahl- und Kupferdrähten gefertigt
Für Sonderfälle kommen Supraleiter als Drahtmaterial zum Einsatz, das allerdings unter seine Sprungtemperatur abgekühlt werden muss, indem ein geeignetes Kühlmittel durch Kanäle im Kabel gepumpt wird.
In den Kabeln der Kommunikationsnetze kommen neben Kupferadern auch Glasfasern (Glasfaserkabel = Lichtwellenleiter-Kabel) zum Einsatz
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Das Material der Adernisolation
Die Adernisolation soll einen möglichst hohen Spezifischen elektrischen Widerstand haben und muss auch Überspannungen standhalten. Oft muss sie auch einen möglichst geringen dielektrischen Verlustfaktor haben.
früher verwendete man oft Papier als Isolation
um die Feuchteempfindlichkeit zu verringern und die Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen, kann man das Papier mit Öl tränken
der häufigste Isolationswerkstoff heutiger Energie- und Signalkabel ist Polyvinylchlorid (PVC)
eine Möglichkeit, die Einsatztemperatur PVC-isolierter Kabel zu erhöhen, ist die Elektronenstrahl-Vernetzung
Breitband-Signalkabel, Hochfrequenzkabel und auch Telefonleitungen sind oft mit Polyethylen (PE) isoliert
Kabel für extrem hohe Anforderungen werden mit PTFE (Teflon) isoliert (z.B. Triebwerksbereich in Flugzeugen)
für flexible, thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Kabel wird Gummi als Isolation verwendet
Silikongummi wird bei hohen Temperaturen und hohen Spannungen eingesetzt
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Das Material der Ummantelung
Der Kabelmantel schützt das Kabel vor äußeren Einflüssen.
Blei war lange Zeit ein häufig verwendeter Werkstoff für die Ummantelung papierisolierter Kabel.
Heute kommen meist Kunststoffe wie PVC oder Polyethylen zum Einsatz. Die meisten dieser Kunststoffe sind sehr kostengünstig, aber vielfach brennbar. PVC erzeugt zusätzlich beim Verbrennen giftige Gase wie Chlorwasserstoff und Dioxine; siehe dazu Brandverhalten von Kabel und Leitungen. Deshalb kommen in modernen Gebäude mit großen Personenansammlungen, wie zum Beispiel in Bahnhöfen, Flughäfen, Museen, Kongreßhallen und Kaufhäusern, halogenfreie Kabel und Leitungen zum Einsatz.
für flexible, hoch beanspruchte Kabel wird Gummi als Mantel verwendet
In der Nachrichtentechnik (insbesondere aber bei Netzwerkkabeln für die EDV) werden die Kabelmäntel vielfach mit einer Schirmung aus Metallfolie oder Kupferdrahtgeflecht versehen, um die elektromagnetischen Eigenschaften des Kabels zu verbessern. Siehe Twisted-Pair-Kabel
Seit der Entwicklung von Frequenzumrichtern müssen in der Industrie auch von diesen ausgehende Energieleitungen, zum Beispiel für Motoren, abgeschirmt werden, um Störabstrahlungen zu vermeiden. Siehe Elektromagnetische Verträglichkeit.
Erd- und Seekabel sind mit zahlreichen Bewehrungen (Stahldrahtgeflecht, Stahlblech) als Schutz und zur Erhöhung ihrer mechanischen Stabilität versehen.
Um Beschädigungen des Mantels frühzeitig zu erkennen, werden in der Nachrichtentechnik hochkanalige Kabel mit Druckluft gefüllt und der Kabelinnendruck wird automatisch überwacht.
Für die meisten Einsatzzwecke werden Kabel nach internationalen Normen hergestellt, die vielfach auch Kürzel für bestimmte Kabelklassen definieren. Siehe dazu Harmonisierte Typenkurzzeichen von Leitungen.
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Art der Verlegung/Beanspruchung
Die Beanspruchungsbedingungen eines Kabels bestimmen wesentlich seine Konstruktion, z.B.:
Verlegung auf dem Meeresgrund Seekabel: starke Bewehrung, zugfest
unterirdische Verlegung (Erdkabel): sichere Ummantelung, evtl. Bewehrung
oberirdisch im Außenbereich: Ultraviolett-stabiler Mantel
für bewegliche Geräte: feindrähtige Adern, evtl. Gummi-Isolation
mechanische Beanspruchung durch Kanten: Gewebe, Lackgewebe, Lackglasfasergewebe
in brandgefährdeten Räumen: halogenfreie schwer entflammbare Isolation
Einfluss von Kohlenwasserstoffen: Ölfeste Werkstoffe
hohe Temperaturen oder Erwärmung: Gummi, Silikongummi, PTFE
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Hochfrequenz- und Signalkabel
Bei HF- und Signalkabeln spielt auch die Impedanz Z sowie die dielektrische Güte des Isolationswerkstoffes eine Rolle.
Für Hochfrequenz und Breitband-Signalübertragung werden (auch für hohe Übertragungsleistungen) meist Koaxialkabel verwendet. Diese haben prinzipiell kein nach außen dringendes magnetisches Feld und - bei geschlossenem Mantelleiter - auch kein außerhalb auftretendes elektrisches Feld. Sie sind daher störsicher. Koaxialkabel haben Impedanzen von 50...75 Ohm.
Früher verwendete man für Antennenleitungen auch sog. Stegleitungen (Z = 240 Ohm) . Sie bestehen aus zwei symmetrisch angeordneten, mit einem Isolierstoffsteg verbundenen Adern. Diese Kabel sind aufgrund der nach außen dringenden Felder störempfindlicher, weisen jedoch eine geringere Dämpfung auf.
Als Signalleitungen werden oft mehradrige, geschirmte oder ungeschirmte Kabel mit Querschnitten von 0,14 bis 0,5 mm2 verwendet.
Zur Übertragung hoher Datenraten werden sog. twisted-pair-Kabel verwendet:
ein oder mehrere Adernpaare sind miteinander verdrillt jeweils in separaten Abschirmungen geführt.
Bandkabel ("Hosenträgerkabel") bestehen aus eine Vielzahl parallel liegender Adern und werden besonders innerhalb von Computern als Signalleitungen verwendet.
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Funktionserhalt
Bei sicherheitsrelevanten Systemen, wie Sicherheitsbeleuchtungsanlagen, Brandmeldeanlagen oder Alarmierungsanlagen fordern einschlägige Vorgaben in bestimmten Bereichen Kabel und Leitungen mit integriertem Funktionserhalt. Unter Alarmierungsanlagen sind hier keine Alarmanlagen im Sinne von Einbruchmeldetechnik gemeint, für solche Systeme ist in der Regel kein Funktionserhalt notwendig. Vielmehr handelt es sich um Anlagen gem. DIN VDE 0828 oder DIN (V) VDE 0833-4, die durch akustische Signalisierung anwesende Personen bei Gefahren warnen und zur Gebäuderäumung veranlassen.
In Deutschland ist dieser Sachverhalt in der DIN 4102 und der Bundesland-spezifischen Umsetzung der "Muster-Leitungsanlagen-Richtlinie" MLAR geregelt. Das bedeutet, dass die Verkabelung bei Brandeinwirkung für eine festgelegte Zeit funktionsfähig bleiben muss. In dieser Zeit darf weder der Isolationswiderstand so klein werden, dass es zu einem Stromfluss zwischen den Leitern kommt, noch darf der Widerstand des Leiters so ansteigen, dass der Stromfluss behindert würde. Mit anderen Worten dürfen weder Kurzschluss noch Unterbrechung auftreten. Diese Eigenschaften werden durch einen speziellen Aufbau der Leitung sowie besondere Materialien für die Isolierung erreicht. Die Leitungen sind von außen durch ihren orangefarbenen Mantel sowie durch einen kennzeichnenden wiederholten Aufdruck zu erkennen. Gebräuchliche Zeiten für den erforderlichen Funktionserhalt sind 30 Minuten oder 90 Minuten (E30; E90). Geraten diese Leitungen nach Ablauf des Zeitraumes in Brand, weisen sie eine höhere Brandlast als normale Leitungen, wie NYM oder I-Y(St)Y auf. Um einen wirksamen Funktionserhalt zu erzielen, ist neben der Leitung auch das Leitungsführungssystem und die Umgebung zu betrachten. Die verschiedenen Formen der Leitungsführungssysteme (Kabelrinne, Stahlpanzerrohr, Einzelbefestigung) haben gemein, dass sie ebenfalls für die entsprechende Dauer einem Feuer standhalten und gemeinsam mit der Leitung eine "geprüfte Leitungsanlage" ergeben. Entsprechend geprüfte Kombinationen werden durch die Hersteller im Prüfzertifikat benannt. Die Installationsumgebung ist so zu gestalten, dass die Kabel und Leitungen während der Brandeinwirkung nicht durch berstende oder herabfallende Teile beeinträchtigt oder zerstört werden.
27 Jahre sollte es noch dauern, bis die erste Funkausstellung in Berlin im Jahre 1925 mit dem Blatthaller den ersten elektrodynamischen Lautsprecher präsentierte, eine abenteuerliche Konstruktion von gut einem Meter Länge, die ein feststehendes Magnetsystem und einen beweglichen stromdurchflossenen Leiter besaß. Im gleichen Jahr hatten Edward Kellog und Chester Rice von der amerikanischen Firma Western Electric den elektrodynamischen Lautsprecher entwickelt, wie er im Prinzip heute noch in weit über 90 Prozent aller Lautsprecherboxen eingebaut wird. Er besitzt eine bewegliche Schwingspule, die mit einer Konusmembran verbunden ist und sich im Takt des durch sie hindurchfließenden Stroms von dem sie umgebenden Magnetfeld gewissermaßen abstößt. Größtes Problem war in dieser Zeit der äußerst geringe Lautsprecher-Wirkungsgrad (Kennschalldruck), der riesige Hörner zur Schallverstärkung erforderlich machte. Bei der Kinobeschallung, für die diese Hornlautsprecher eingesetzt wurden, waren die enormen Abmessungen aber kein Problem.
Eine andere technische Klippe galt es erst noch zu umschiffen: Dauermagnete mit ausreichender Kraft (magnetischer Induktion bzw. magnetischem Fluss) gab es zu Anfang des 20. Jahrhunderts noch nicht, und deshalb erzeugten damals Elektromagnete das erforderliche Magnetfeld. Der Brite Paul G. A. H. Voigt zählt zu den Pionieren der Lautsprecher mit Permanentmagnet; nachdem er mit seiner 1927 gegründeten Firma Lowther Voigt Ltd. zunächst Schallwandler mit "Energized Magnet" hergestellt hatte, präsentierte er im Jahr 1936 den ersten Prototypen eines Lautsprechers mit "Permanent Magnet". Aber erst die Militärforschung des zweiten Weltkriegs erbrachte leistungsfähige Magnetmaterialien aus Legierungen von Metallen der Seltenen Erden, die ab 1945 die Lautsprecher mit Feldspule auf breiter Front verdrängten.
Die Ära des modernen Lautsprechers beginnt mit den Arbeiten des Australiers Neville Thiele und des Amerikaners Richard Small, die ab 1951 die Wechselwirkungen zwischen dem Lautsprecher und seinem Gehäuse auf eine theoretisch fundierte Grundlage stellten (Thiele-Small-Parameter) und die Voraussetzungen dafür erarbeiteten, dass relativ kleine Lautsprecherboxen heute erstaunlich tiefe Frequenzen abstrahlen können. So verwundert es nicht, dass die Mehrzahl der heute aktiven Lautsprecherhersteller sich erst in den sechziger und frühen siebziger Jahren gründeten.
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Antriebsformen
6,5"-Polypropylen- Chassis mit Aluguß-Korb und Kompensationsmagnet aus Nahfeldmonitor (Genelec 1030)
2,125"-Mitteltonkalotte mit Gewebemembran und kompaktem Neodymantrieb (Hersteller: Morel)Schallwandler können auf unterschiedliche Weise angetrieben werden. Die überwiegende Bauform ist dabei der elektrodynamische Lautsprecher mit zentralem Antrieb.
Elektrostatische und magnetostatische Lautsprecher werden auf Grund der großen strahlenden Flächen auch als Flächenstrahler bezeichnet. Deren Merkmale sind die bipolare Abstrahlung sowie hohe Bündlungsfaktoren schon bei mittleren Frequenzen.
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Elektrodynamischer Lautsprecher
Bei elektrodynamischen Lautsprechern wird die Membran durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und einem magnetischen Gleichfeld angetrieben.
Elektrodynamische Lautsprecher nutzen als Kraftquelle die Lorentzkraft aus. Dazu bedarf es einem möglichst konstanten Statorfeldes, meist durch einen Permanentmagneten gebildet, mit der magnetischen Induktion und einer Leiterschleife der Länge , durch die der elektrische Strom fließt (Achtung: l und I nicht verwechseln!)
Dabei entsteht eine Kraft von
Um die Kraft zu maximieren, muss man die drei Größen , und orthogonal (senkrecht) aufeinander stellen und sie müssen überall die gleiche Orientierung haben. ist eine wichtige Konstante, sie beschreibt das Umsetzungsverhältnis von Strom in Kraft, häufig als Bl bezeichnet.
Der klassische elektrodynamische Lautsprecher hat eine zentrale Schwingspule, andere Formen arbeiten mit dezentralen Antrieben. Diese werden als Magnetostaten bezeichnet und sind eine Form von Flächenstrahlern.
Schema eines dynamischen Lautsprechers (Konus-Bauform)Eine stromdurchflossene Spule (Schwingspule, engl. Voice coil) befindet sich im magnetischen Gleichfeld eines Permanentmagneten (oder Elektromagneten) (Magnet). Die Spule befindet sich auf einem Schwingspulenträger, der wiederum an der Membran (Cone) befestigt ist. Die Membran besteht aus äußeren Bereichen (fehlen weitgehend bei Kalotten) und inneren Bereichen (häufig als Abdeckkappe/Staubkappe (engl. Dust Cap) bezeichnet, obwohl dieser Bereich essentiell für die Wiedergabe am oberen Frequenzende ist). Spule und Membran können sich im Magnetfeld vorzugsweise in der Richtung senkrecht zur Membran hin- und herbewegen. Eine Zentrierspinne (engl. Spider) und die Sicke (engl. Surround) sind für die Rückführung der Membran in die Ruhelage sowie für die Zentrierung der Schwingspule verantwortlich. Die Sicke verhindert weiterhin einen direkten Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite. Leitet man einen Wechselstrom durch diese Spule, so wird durch die Lorentzkraft eine Kraft auf die Membran ausgeübt, die diese zum Schwingen veranlasst.
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Magnetostatischer Lautsprecher
Unter Magnetostaten versteht man Lautsprecher, deren Antrieb nicht in Form einer Schwingspule lokal konzentriert ist, sondern auf der ganzen Membran verteilt ist (Folien-Magnetostaten) oder selbst die Membran (klassisches Bändchen) darstellt.
Magnetostatischer Lautsprecher finden vor allem im oberen Frequenzbereich als Hochtöner oder teilweise als Mitteltöner Anwendung (z.B. bei einigen Modellen der Firma Elac), es gibt aber auch schrankgroße Vollbereichsmagnetostaten (Lautsprecher(-gehäuse)) bei z.B. Magnepan bzw. Vollbereichsmagnetostaten mit zusätzlichem Subwoofer für die ganz tiefen Frequenzen.
Bändchen-Magnetostaten
Als Membranmaterial findet bei Bändchen meist Aluminium Anwendung. Es hat (abgesehen von einigen Alkali- und Erdalkali-Metallen) die höchste massespezifische elektrische Leitfähigkeit und weist durch die Bildung einer Oxidschicht einen gewissen Eigenschutz vor Umwelteinflüssen auf. Zusätzliche Beschichtungen können trotzdem sinnvoll sein. Entgegen allgemeiner Meinung kommt es bei Bändchen-Magnetostaten zu signifikanten Partialschwingungen, sobald die Wellenlänge des Schalls in Luft kleiner als der halbe Leiterbahnenabstand wird. Für 17 kHz sind daher maximal Abstände von 1 cm zulässig.
Zum Erreichen einer horizontalen Abstrahlung ist das Bändchen vertikal orientiert, dabei ist zum Erreichen einer breiteren Abstrahlung unter gleichzeitiger Reduzierung von Boden- und Deckenreflexionen deutlich höher als breit (Hochtöner 25 mm x 80 mm, Mitteltöner 60 mm x 200 mm) und häufig leicht konvex gekrümmt. Diese Krümmung sowie eine häufig anzutreffende leichte Strukturierung geben der sehr dünnen (ca. 10 µm, Schokoladenpapier ist dagegen schon Blech) und sehr empfindlichen Membran eine gewisse mechanische Stabilität.
Diese Folie wird vertikal von elektrischen Strom durchflossen und befindet sich in einem starken Magnetfeld (Statorfeld) eines Permanentmagneten, dessen Feldlinien horizontal verlaufen. Die resultierende Lorentzkraft bewegt die Membran vor und zurück und führt zur Schallabstrahlung.
Man unterscheidet Eintakt- und Gegentaktaufbau. Beim Eintaktaufbau weist das Statorfeld große Asymmetrien auf, die schon bei mittleren Schwingungsamplituden zu Nichtlinearitäten führen, beim Gegentaktaufbau ist allerdings auch der Frontschall durch den Magneten zu führen, was vor allem bei höheren Frequenzen zu Fehlern im Frequenzgang führt.
Blick von oben (# Magnetmaterial, N Nordpol, S Südpol, -- Bändchen) |
