Lautsprecherkabel

Klingt ein linksverdrilltes Kabel oder ein rechtsverdrilltes besser?

Oder kommt es auf die Stromrichtung an? Die Marketing-Verwirrung ist komplett. Es gibt derartig viele Meinungen zum "Klang von Kabeln", Richtungsabhängigkeit, Einspielen, Material, Kupfersorten… Das meiste davon ist Esoterik-Bockmist. Und heisst das Kabel oder Leitung…?

Interessante Fragen um das Thema Lautsprecherleitungen die man rational klären kann gibt es trotzdem einige.

Wie dick muss es sein?

Die Mindeststärke ergibt sich zunächst einfach aus der Anforderung für die Betriebssicherheit. Ist das Kabel zu schwach, erwärmt es sich… dummstenfalls brennt die Bühne ab. Also die Strombelastung bestimmt den Mindestquerschnitt. Dafür gibts Normen und Tabellen, kann jeder selber nachlesen. Ein zweiter Gesichtspunkt zur Dimensionierung ist die Ökonomie: je dünner das Kabel desto höher die Verluste darin selbst wenn es nicht gleich abbrennt. Die Verluste muss man bezahlen, mit mehr Verstärker und mehr Stromkosten. Und je länger das Kabel desto schlechter sieht die Bilanz aus. Dickere Kabel kosten auch Geld, also kann man ein Optimum ermitteln, für das weitere Querschnittsteigerung den ökonomischen Nutzen nicht mehr steigert. Übertragungstechnisch ist das Kabel damit aber noch nicht optimiert.

Kupfer, OFC Kupfer, Silber … Supraleiter?

Leitkupfer wird in der DIN EN 13604 über den Mindestwert der Leitfähigkeit (57×10⁶ S/m) definiert. Gemäss der IEC Festlegung sind es 58×10⁶ S/m. Die Leitfähigkeit für Cu-ETP (O-haltig) wird mit 58 S/m angegeben, für ultrareines Kupfer ist der Werte 58,65 S/m angegeben, also 1% besser. Die Daseinsberechtigung für sauerstofffreies Kupfer kommt aus dem Apparatebau: Da der Sauerstoffgehalt bei Temperaturbehandlungen (Hartlöten…) zu ernsten Problemen (Wasserstoffversprödung) führen würde. Vor einigen Jahren war der Sauerstoffgehalt in Leitkupfer sogar notwendig, da dadurch Verunreinigungen überwiegend als Oxide vorlagen, was besser ist als in nichtoxidierter form. Die Kupferherstellung hat aber einige Fortschritte gemacht, so dass Kupfer heute deutlich weniger Verunreinigungen hat als früher. Dadurch ist Cu-OFE (sauerstoffrei) heute das meistverwendete Kupfer, und nicht eine exotische Besonderheit für High-Ender. Die durch Cu-OFE erreichbare 1% Verbesserung der Leitfähigkeit ist genauso durch 1% mehr Querschnitt mit Cu-ETP zu erreichen. Genauso ökonomisch unsinnig ist die Verwendung von Silber als Leiterwerkstoff im NF Bereich. (Kupfer ~8 EUR/kg, Silber ~650 EUR/kg bei 6% besserer Leitfähigkeit) Supraleiter wären toll: nur noch geringe Induktivität, keine Ohmschen Verluste… nur leider ist die derzeit noch nötige Begleittechnik teuer, komplex und braucht viel Platz und einen Liefervertrag für flüssigen Stickstoff.

Nichtlinearität von Leitungen

Bei genauer Betrachtung sind Kabel tatsächlich nichtlinear: Der Stromfluss verursacht durch sein Magnetfeld abstossende Kräfte zwischen den Leitern. Diese Kräfte steigen mit I²/r (I=Strom, r=Leiterabstand). Für einen Strom von 10 A in 3 mm Adernabstand einer Zwillingsleitung sind das z.B. 0,066 N. Diese Kräfte wirken beschleunigend auf die Masse der Kabeladern. Der Isoliersteg hat ein endliches Elastizitätsmodul und verformt sich entsprechend, und das auch noch nichtlinear. Die Andern bewegen sich also, diese Bewegung ist allerdings durch die Masse + Nachgiebigkeit Tiefpassgefiltert. Die winzige Bewegung führt zu einer gegensinnigen Änderung der Kapazität und der Induktivität. Diese sich mit dem Signal verändernde Impedanz verfälscht tatsächlich das übertragene Signal. Dass das so ist, heisst noch lange nicht dass es eine Rolle spielt. Wenn man das berechnet bekommt man Harmonische die in einer nicht messbaren Größenordnung liegen. Wer behauptet das hören zu können sollte einen Arzt aufsuchen. Dieser Effekt wurde wissenschaftlich untersucht und ist nachgeweisen, allerdings nur für Kopfhörerkabel (AES Converion e-Brief 532), und die Unterschiede der Signale im Hörtest wurden nur simuliert.

Der Einfluss der Spannung auf die Kapazität eines Übertragungsleitung ist seit 2020 auch nachgewiesen (AES Paper 10338, Akihiko Yoneya), allerdings explizit für hohe Abschlusswiderstände. Die Schlussfolgerung in diesem Paper lautete, dass bei genügend geringem Abschlusswiderstand an der Leitung dieser Einfluss unmessbar wird.

Wellenwiderstand, Impedanzanpassung

Es wird kolportiert dass die Impedanzanpassung aller Komponenten also Verstärker, Leitung und Lautsprecher das optimal wäre. Also für einen 4 Ω Lautsprecher ein Kabel mit 4 Ω Wellenwiderstand. Demnach müsste der Verstärker 4 Ω Ausgangsimpedanz haben? Die Forderung nach Impedanzanpassung kommt aus der Signaltechnik und zielt bei gegebener Impedanz auf die Maximierung der übertragenen Signalleistung zum Endpunkt ab, und das findet statt wenn die Lastimpedanz gleich der Quellimpedanz ist. Das ist beim Lautsprecherbetrieb aber garnicht das Ziel, hier will man möglichst hohe Effizienz. Diese wird maximal wenn die Lastimpedanz (Lautsprecher) sehr viel grösser als die Quellimpedanz (Verstärker) ist. Der Wellenwiderstand ist nur relevant wenn die Wellenlänge des Signals in die Größenordnung der Leitungslänge kommt, das wäre bei 20 kHz also 15 km. Nichts davon will man bei der Ansteuerung eines Lautsprechers. Es gibt also keinen vernünftigen Grund warum also die Lautsprecherleitung einen bestimmten Wellenwiderstand haben müsste, oder warum ein Verstärker eine bestimmten Ausgangwiderstand haben müsste.

Leitungseigenschaften, Induktivitätsbelag, Skin-Effekt

Eine Leitung hat 3 grundlegende Parameter: R, L, C. Diese sind jeweils pro Längeneinheit und alle drei sind frequenzabhängig. Misst man diese Leitungsimpedanzen, sieht das wie folgt aus:

Als einfachste Modelldarstellung verwendet man daher die Kombination eines Widerstands, einer Spule und eines Kondensators. Der Parallelwiderstand G ist in der Realität meistens so hoch dass er vernachlässigt werden kann.

Das sieht zunächst noch einfach aus, leider ist aber in der Realität keiner dieser Parameter von der Frequenz unabhängig. Der Widerstand ist bedingt durch den Skin-Effekt abhängig von der Frequenz. R steigt also mit zunehmender Frequenz, in 1. Näherung wird dies mit einer Wurzel(f)-Abhängigkeit beschrieben. Dazu kommt dann auch noch der Proximity-Effekt. Die Induktivität verändert sich ebenso mit der Frequenz, da Stromverdrängung die Leitergeometrie effektiv verändert Und auch die Isolation besteht aus einem nicht-Idealen Dielektrikum, weshalb sich die Kapazität mit der Frequenz ändert. Für die Anwendung einer Leitung als Lautsprecherzuleitung ist die Frage: Welche dieser Effekte sind relevant und welche kann man wirklich vernachlässigen?

Die einzelnen Impedanzverläufe von L und R zu berechnen ist nicht einfach, aber Messen kann man das, hier am Beispiel einer 6 mm² Stegleitung: Weder die Induktivität noch der Widerstandsanteil der Impedanz sind konstant über die Frequenz. Der Anstieg des Widerstands ist bei dieser geraden Leiteranordnung nur durch den Skin-Effekt bedingt. Da der Skin-Effekt den Strom über den Querschnitt ändert ändert sich damit auch die Feldgeometrie, was damit zwangsläufig die Induktivität ändert.

Was das Aufrollen einer solchen Leitung bewirkt kann man an dieser Vergleichsmessung sehen. Obwohl man meinen könnte, das sei doch eine bifilar gewickelte Spule, also ohne merkliche Induktivität. Tatsächlich wird die Induktivität durch das Aufwickeln deutlich erhöht, und auch der Widerstandsanteil R` steigt noch stärker als beim geraden Leiter. Dies ist durch den Proximity-Effekt bewirkt. Deshalb sind Leitungen mit fertigen Längen, die man nicht ablängen kann und deshalb aufwickelt schlecht.

Eine Methode den Skin-Effekt und den Stromverdrängungseffekt zu minimieren ist die Verwendung einer HF-Litze, also voneinander isolierte Einzeladern. Wer jetzt glaubt das ist doch nur was für HF, der irrt: Auch bei Starkstromkabeln (50 Hz) wird dieses Prinzip angewendet (Milliken-Leiter).

Wie man oben sieht ist bei der HF-Litze der R-Anteil der Impedanz im Audio-Bereich nahezu perfekt konstant. Der Induktivitätsbelag ist mit ca. 143 nH/m ist deutlich geringer als bei den Zwillingslitzen oder Koaxialkabeln. Und das obwohl bei dieser HF-Litze nicht einmal eine spezielle Wechselverseilung verwendet wurde. Der Grund ist: der Abstand der beiden Adern ist einfach geringer, da die dicke Isolierung und der Steg fehlt. Dass dieser Kabelaufbau auch einen sehr geringen Skin-Effekt mit sich bringt ist hier weniger bedeutend.

Obwohl ein RG58/U ein HF Kabel ist, hat es einen Leiterquerschnitt 0,7 mm², der zumindest eine Betrachtung interessant macht: Der induktive Anteil ist gemessen mit 314 nH/m im Vergleich gering, der Impedanzverlauf ist vergleichsweise flach. Der ohmsche Widerstand ist 78 mΩ/m und der Kapazitätsbelag beträgt 101 pF/m. Ein RG213 ist ebenso ein 50 Ω Kabel, und hat entsprechend die gleichen Werte, nur dass der Querschnitt hier 4,5 mm² ist. Damit sind die Werte dieses Kabel sogar dem Mogami 3082 um den Faktor 2 überlegen, bei nur 1/4 des Preises, also 8× besser. Nachteilig ist nur der grosse Durchmesser 10 mm und der grosse Biegeradius.

Wäre nicht Kupferrohr als Lautsprecherleitung eine geniale Idee?

Der DC Widerstand ist bei den 45 mm² Querschnitt dieses 16 mm Rohrs unter 1 mΩ/m. Trotzdem ist das eine blöde Idee: Der DC Widerstand interessiert ja nicht, das will man ja garnicht übertragen. Und bei Wechselströmen ist die Impedanz entscheidend also auch die Induktivität. Diese ist bei dieser Leitung auch bei geringem Abstand kaum unter 0,5 µH/m. Das ist tatsächlich viel: bei 20 kHz ist die Impedanz dann 62 mΩ/m. Bei einer 3 m Leitung sind das dann 0,188 Ω!!!

Fazit

• Der Leiterquerschnitt ist bei Weitem nicht alles.
• Die Induktivität ist auch im Audio-Frequenzbereich der grosste Anteil an der Impedanz.
• Der Skin-Effekt ist im Vergleich zur Induktivität meist vernachlässigbar.
• Die klassische Stegleitung (Zwillingslitze) ist der schlechteste Leitungsaufbau und je breiter der Isoliersteg desto schlechter.
• Die Leiterimpedanz ist nicht alleine zu betrachten sondern die Summe der Leiterimpedanz + Quellimpedanz (Verstärker) + Verbindungsimpedanz + Frequenzweichenimpedanz (im Durchlassbereich). Bei einem Lautsprecher mit 8 Ω an einem Verstärker mit einer Quellimpedanz von 50 mΩ würde selbst ein 100 mm² Kabel oder selbst ein Supraleiter den Dämpfungsfaktor nicht über den Wert von 160 Steigern, wohl aber die Leitungskosten!

Ob diese ganzen Bemühungen im rechten Verhältnis stehen zu den Verbesserungen ist zumindest bei Passivweichen vor den Lautsprechern sehr zu bezweifeln. Besonders Luftspulen weichen in ihren Ausführungen sehr stark vom Ideal ab. Auch wenn diese mit massiv dicken Kupferdrähren aufgebaut sind, haben diese trotzdem einen sehr hohen DC Widerstand, weiter vermiest durch den Skin-Effekt und den hier noch viel stärker den Proximity-Effekt. Selbst die sog. Null-Ohm Spulen sind mit 50 mΩ angegeben, und die haben einen Eisenkern, den man im High-End-Bereich ja garnicht möchte. Selbst eine Mundorf Silberfolienspule SFC14 hat bei Baugrößen für den Bassbereich (~2 mH) 300 mΩ, ob man sich da um 1 mm² oder 10 mm² Kabel noch Gedanken machen muss ist die Frage. Andererseits: wenn man schon 3600 EUR für eine solche Spule ausgeben kann, ist ein - wenn auch nutzloses - 2000 EUR Kabel wahrscheinlich auch nicht der Ruin. Hier ein Beispiel einer Spule für Frequenzweichen. In diesem Fall ist schon der DC Widerstand über 2 Ω, der Realteil steigt aber durch Skin-Effekt und Proximity-Effekt stark an und überschreitet bei 2 kHz bereits 8 Ω. Spule Wie stark sich der Proximity-Effekt auf den Widerstandwert der Spule und auch auf die Induktivität auswirkt wird in dieser Darstellung der Messung deutlich. Mit einer solchen Spule in der Frequenzweiche ist jedem klar, dass viel Aufwand mit dem Kabel hier auch nichts mehr rettet.

Die Leitungsverbindung

Wenig Augenmerk wird auch auf die Verbindung der Leitung gelegt. Meistens wünscht man für Lautsprecher eine lösbare Verbindung, oder zumindest eine bedingt lösbare Verbindung. Das schliesst dann Anlöten aus, und man kommt unweigerlich zu diversen Steck- und Klemmverbindern. Der Übergangswiderstand bei Klemmverbindungen hängt ganz wesentlich vom Anpressdruck ab. Also Verschraubungen mit Rändelschrauben oder Federklemmen sind zwar werkzeuglos lösbar, aber in Punkto Übergangswiderstand einer massiven Schraubverbindung mit anständigen Schrauben deutlich unterlegen. Weit verbreitet selbst bis in den sog. Hi-End Bereich sind Bananenstecker. Unter den besten Bananensteckern ist zum Beispiel Hirschmann EAN/GTIN 4250260220816, dieser ist mit 3 mΩ angegeben. Diese haben einfach zu geringen Anpressdruck, da hilft auch eine Vergoldung wenig.

Geradezu lächerlich absurd sind Bananenstecker mit Rändelschraubenbefestigung des Kabels: Ein vernünftiger Flächendruck ist damit einfach nicht erreichbar, es sei denn man nimmt Schraubstock und Zange! Viel sieht man auch selbst bei teueren Steckern diese simplen rundgebogenen Bĺechkontakte, das sieht schon aus wie an chinesischem Spielzeug, und taugt genausoviel. Und wie immer: keinerlei Angaben zum Übergangswiderstand, nicht einmal zur Dicke der Galvanisierung. Und das Marketing belügt einen mit dem erwartungskompatiblen Märchen diese Bauart ergäbe eine grossflächige Kontaktierung. Was ein Bockmist! In Wahrheit ist das nur sehr billig herstellbar, sonst nichts.

Die Vergoldung bessert nicht den Übergangswiderstand, nur den Korrosionsschutz. Den Übergangswiderstand optimiert man einzig mit Anpressdruck, also: angelöteter Ringkabelschuh mit Schraubverbindung. Crimpen ist nur gut, wenn der Pressdruck dabei wirklich sehr hoch ist, was gutes Werkzeug voraussetzt.

Die Schraube darf dabei sogar aus "schlecht leitendem" Stahl sein, der Übergang ist ja die Fläche am Kabelschuh. Die DIN43673 (…Schraubverbindungen von Stromschienen) empfiehlt Anpressdrücke von 7…20 MPa für Kupferoberflächen. Die optimale Rauhigkeit liegt bei Ra 1,6…3,2, also nicht poliert!

Zauber-Weichlote

Hoch angepriesen werden in HighEnd Shops Sonderlote mit angeblich besonders hoher Leitfähigkeit. Da ergeben sich zwei Fragen: Wieviel ist die Leitfähigkeit besser und 2. ist das überhaupt relevant? Das lässt sich mit einer recht einfachen Messung aufklären.

Einspielzeit, Richtungsbhängigkeit

Angeblich ändert sich der Klang wenn ein Kabel lange Zeit ein Signal überträgt. Angeblich kann man hören wenn das Kabel "falsch" rum verwendet wird. Als Erklärung liest man das liege an der Kristallstruktur, das Phänomen sein noch nicht bis ins Letzte geklärt… Was ein pseudo-wissenschaftliches Geschwafel! Merkwürdig dass sich meßtechnisch nicht einmal ansatzweise irgendein derartiger Einflüss erfassen lässt. Es gibt wohl nicht einmal eine empirische Studie die dies belegen würde.

Bauformen von Leitungen

Die Zwillingslitze ist wohl die bekannteste Bauform. Von der HF-Technik kennt man auch Rohre oder rohrförmige Leiteranordnungen. Diese haben lediglich den Vorteil guter Materialökonomie: der für höhere Frequenzen ohnehin nutzlose Kern der Ader wird eingespart. Nachteilig ist dabei aber die vergleichsweise grosse Induktivität. Also für NF weniger geeignet.

Eine koaxiale Anordnung wie zum Beispiel das Mogami 3082, kennt man auch aus der HF-Technik. Der Grundsätzliche Vorteil ist aber, dass diese Anordnung nach aussen Feldfrei ist. Damit werden EMI Störungen geringer und der beschriebene Effekt durch Aufrollen fällt weg.

Grundsätzlich werden beim parallelschalten von mehreren Leitern deren Kapazitäten addiert und deren Induktivität und Widerstand vermindert. Diese Überlegung führt dann beispielsweise zur Verwendung von Flachbandkabel. Die Messwerte dieser 50-adrigen Leitung, deren Adern abwechseln zusammengefasst sind, sind durchaus bemerkenswert: 17 mΩ/m, 1500 pF/m, 58 nH/m. Damit hat diese Leitung den flachsten Impedanzverlauf in diesem Vergleich. Diesen Vorteil sieht auch Fred E. Davis in seiner AES Publikation "Effects of Cable, Loudspeaker, and Amplifier Interactions", J. Audio Eng. Soc., Vol. 39, No. 6, June 1991. Die Kapazität ist allerdings sehr hoch, da sollte man einen wirklich stabilen Verstärker haben. Eine flache Leitung hat in bestimmten Anwendungen auch einen klaren praktischen Vorteil: sie ist nur knapp 1 mm dick und somit unter einem Teppich unauffällig verlegbar. Ein weiterer Bericht für Flachbandkabel ala Lautsprecherleitung.

Und was davon ist hörbar?

Ich gehe davon aus, dass eine Leitung die übertragungstechnisch besser ist, also näher am theoretischen Leitungsideal, das Potenzial hat eine bessere Klangwiedergabe zu erzeugen. Ob und wer das dann hört, und mit welchem Schwellenwert ist eine ander, sehr viel komplexere Frage. Der Einfluss der Leitungsimpedanz auf das Hörergebnis ist um so geringer, je kleiner diese im Vergleich zur Quellimpedanz und zur Impedanz der Weiche ist. Insofern ist es zumindest plausibel dass man Leitungsunterschiede nur mit hochwertigen Verstärkern und Weichenbauteilen hören kann.

2021-06-07, es bestehen keinerlei Abhängigkeiten von mir von den genannten Marken und Herstellern