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Isolating and filtering: Galvanically isolating USB and analog devices and filtering signals | Part 2 of 2

Analog ground separation (“ground lift”)

Anyone who connects external amplifiers to the PC in analog rather than digital form may also be familiar with the slight humming that is difficult to eliminate at first glance because all cables are actually of high enough quality and, above all, are plugged in correctly. Incidentally, this effect also occurs with normal music systems if not all components are connected to the same socket or power strip. However, the causes are usually the same and if you don’t know them, you’ll quickly end up searching to death. This is because it is not only due to the cables and their shielding, but also to the so-called potential differences in the earth line (earthing, protective conductor).

Ground hum vs. interference

This ground hum (also known as ground loop), which is unfortunately clearly audible as interference voltage, occurs when there is a so-called potential difference between the respective protective conductors (“earthing”) of the connected devices. This is caused by the internal resistance of the respective supply line up to the common earthing or grounding point. The further away this point is, the higher the probability of this potential difference leading to an interference current. DIN VDE 0100-410:2007-06 regulates the connection of all conductive enclosures to an earthed protective conductor and to the main earthing busbar of the respective building / main connection. The ideal case would also be local equipotential bonding, which leads to the main earthing busbar via a protective equipotential bonding conductor.

However, if you are not building your own house and have set great store by hi-fi-compatible cabling, you can remedy this by plugging all the relevant devices into the same power strip! If this is not possible, you should still look for the shortest route to a common potential. Sockets that are far apart are highly problematic here. If you wire symmetrically, you are in the clear, as the interference current flows exclusively via the shielding, which does not carry an audio signal. This means that no hum is generated by the flowing interference current. But what do all those who have not been able to change (and reconnect) anything up to this point do?

There is a simple but extremely effective solution for these users: galvanic isolation in the analog branch using a ground isolator (“ground lift”). Such a ground isolator (picture above) is simply used as an audio filter in the signal line. The whole thing also has a nice side effect in the living room if, for example, a receiver is still connected to a TV cable for the satellite system, a cable connection or an aerial. The very distant earthing points of such signal sources can also result in different earth potentials. I don’t want to know how many unnecessary and expensive installation hours users have had to spend on such problems, even though an inexpensive filter would have done the trick.

The impedances of such filters with galvanic isolation are usually in the range between 500 Ohm and 1 kOhm, which is completely unproblematic as long as the connection between the individual components is concerned. However, low-impedance inputs and outputs should not be used, as low frequencies may be lost. That should be enough for now, because if you follow the advice, the hum should be history.

Asymmetrical cables

As a general rule, asymmetrical cables (as in our case) always have the disadvantage that the signal is transmitted via the actual audio line and via the shielding in the cable, which also serves as an earth conductor. With balanced cables, which will certainly be the subject of the second part, the signal is transmitted via two different audio lines in the cable and no longer via the shielding, which also reduces the ground hum described in a moment. The biggest advantage, however, is that these balanced cables virtually “cancel out” external interference signals. This works so well because the signals are polarized in opposite directions and are therefore phase inverted. The signals subtract each other and the interspersed interference signals are elegantly canceled out.

However, the effort required for balanced transmission is significantly higher and only a few devices in the PC sector can cope with this. Anyone familiar with the so-called XLR connectors knows that they are rarely found on the rather inexpensive technology in the consumer sector. The following image now shows interspersed interference signals (yellow curve), which we have just discussed, and the dreaded ground hum caused by a so-called ground loop (blue curve). And if you look very carefully, you can even see a slight phase overlap between two different interference voltages in the blue curve. You really don’t want to hear this in combination. But where does this actually come from?
 

 

 

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echolot

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942 Kommentare 727 Likes

Das war jetzt erst einmal viel und für mich als Fachfremden teilweise böhmisch oder so. So wie ich das rauslese, gibt es patente Lösungen für alles. Gibt es einen speziellen Lack, den Du da empfehlen kannst?

Nachtrag: Isolierlack

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Victorbush

Veteran

458 Kommentare 90 Likes

Feiner Artikel… Ein bisserl HiFi meats PC….

Was im HiFi ganz wichtig ist …ausphasen der Netzstecker…kann auch am PC helfen…auch hier gäbe es technische Hilfsmittel.
Der Toslink Ausgang ist auch eine galvanische Trennung. Meinen kleinen Micromega Dac habe ich früher vor dem KHV stets über Toslink angesteuert.
Bewerten möchte ich das nicht, da weder Fledermausohren vorhanden sind… a bisserl Tinitus dazu….

Passive Trennung an Kabel Deutschland als Zwischenstecker hatte zu viel Pegelverlust und flog wider raus.
wie bereits berichtet …Trennung vor der FRITZ!Box hat auch ein wenig geholfen…. Und die mögliche Gleichspannung der Telekom bleibt von der FRITZ!Box weg….war Tipp von HiFi Streamern mit Fledermausohren.

Alles kleine Hilfsmittel die einen finanziell meist nicht umbringen… wenn auch im Vergleich zum Mainboard für 49.- € zu teuer.

Nochmal Igor ….Danke für diesen …..Randbericht.

🙏

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D
Dezor

Veteran

493 Kommentare 215 Likes

Bei "Schaltvorgänge im Stromnetz" habe ich Flashbacks bekommen. Mein LG-Monitor wurde lange Zeit in unregelmäßigen Abständen immer mal wieder für ca. 2 Sekunden schwarz. Als ich im Sommer mal zufällig die Küchentür offen hatte, habe ich gehört, dass genau in dem Moment des schwarzen Bildschirms der Gefrierschrank an ging - Einschaltstrom also.

Nach dem Wechsel zu einer anderen Steckdose auf einer anderen Phase war das Problem weg. Dafür kommt es jetzt wenn man im Flur das Licht per Stromstoß-Schalter einschaltet. Aber wenn ich in den Flur gehe, bin ich gerade nicht ins Spiel vertieft. Vielleicht hätte hier auch ein Drehen des Steckers schon geholfen.

Mein Vater hatte mal ein Netzteil für seine Beleuchtung im Wintergarten an einer Zeitschaltuhr. Zeitschaltuhr aus hieß Licht dunkler aber auch nicht aus. Lösung: Zeitschaltuhr anders herum eingesteckt. Anscheinend wurde nur ein Kontakt unterbrochen.

Vielleicht hat ja jemand ähnliche Probleme und liest diesen Beitrag zufällig.

Edit: Mir fallen gerade noch 4 Punkte ein.

  • Im Probenraum hatten wir damals ein altes Notebook. Für Aufnahmen musste man zwingend das Netzteil abziehen, da die Störgeräusche sonst lauter waren als die Musik. Im Nachhinein hätte ich eine Erdung des Notebooks versucht, bsw. mit der Schrauben der VGA-Schnittstelle.
  • Mein MacBook mit Metallgehäuse fühlte sich immer etwas "knisternd" an. Nach dem Wechsel des kleinen Euro-Steckers auf den Schuko-Stecker samt Kabel war das Problem gelöst.
  • Mein PC hat damals ein Berühren des Gehäuses gerne mit einem schwarzen Bildschirm samt hochdrehender Lüfter quittiert - Ich tippe auf elektrostatische Entladung, wodurch Spannungen für Mikrosekunden außerhalb der Toleranzen waren ...
  • Persönlicher Tipp gegen elektrostatische Aufladung: Schlappen von Birkenstock gibts auch mit ESD-Schutz. Die Kosten fast das gleiche und das ständige Funkenschlagen im Winter gehört endlich der Vergangenheit an. Auch für das Basteln am PC sehr empfehlenswert, da man ohne Erdung das Grillen mancher Teile riskiert.

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RedF

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4,672 Kommentare 2,554 Likes

Hier im Haus wird noch klassisch genullt, ein großer Spaß die Dosen zu finden, wo keine Brücke verbaut ist.

Ist lustig, Netzwerkkabel mit 120V auf der Schirmung. (Potenzialausgleich, bin nicht vom Fach, aber das habe ich gemessen)

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p
pinkymee

Mitglied

62 Kommentare 60 Likes

Sehr spannender Artikel. Da erinnere ich mich gern an meine Jugend und der ersten fetten Anlage im Auto, die mich beim ersten Start des Motors mit einem damals überraschenden gasabhängigen 'SummDiSummSummSumm' begrüßte. Ja, die verflixten Potentialunterschiede, wenn man zum ersten mal ganz Amateur-Like verkabelt. Die Korrektur mit steiler Lernkurve passierte dann mit einem Kumpel mit Elektonikwissen ;)

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RevAngel

Veteran

122 Kommentare 89 Likes

Ich finde es klasse hier durch @Igor Wallossek 's Artikel die technischen Hintergründe über so ein wichtiges Thema zu finden.

Ich nutze seit ca. 3 Jahren schon USB-Isolatoren und nur noch externe USB-Soundkarten um einen (für mich subjektiv) störungsfreien Klang zu erreichen.

Mir ist auch aufgefallen, das da bei manchen Modellen der USB-Isolatoren kein Stromanschluss dran ist und damit der Stromfluss reduziert ist. Es gibt aber für das gleiche Geld auch Modelle, an die man ein externes Netzteil anschließen kann.

Auch die Datenrate der USB-Isolatoren, die man sich leisten kann (USB 3.0 über 250€, ADUM3160 oder ADUM4160 USB 2.0 aber nur mit USB 1.1 full speed Datenrate von 12MB/s für 10€) ist reichlich begrenzt, reicht aber für den Höralltag vollkommen aus.

Aus persönlicher Erfahrung kann ich sagen, das bei manchen cold-boots die hinter dem USB-Isolator angeschlossenen USB-Geräte nicht erkannt wurden. Vor allem unter Linux war das bei älteren Kerneln das Problem gewesen. Das hat sich inzwischen durch bessere Kernel-Unterstützung für USB aber eingestellt.

Mein letztes Problem mit einem USB-Isolator war, das die Stromleistung begrenzt war. Einen neu zugelegten Kopfhörer (Hifiman 400se) konnte man damit ohne zusätzlich nachgeschalteten Kopfhörer-Verstärker nicht laut genug betreiben. Selbst am USB 3.2 Anschluss wurde der Strom durch den Isolator wieder reduziert.

Ein Kopfhörer DAC + Verstärker, HiBy FC4, verweigerte über 60% Lautstärke komplett den Dienst, schaltete sich einfach ab. Sehr wahrscheinlich weil der Strom für die Ausgabe fehlte. Aber ohne den USB-Isolator war das Brummen wieder da. Also das Teil wieder zurückgehen lassen.

Für die meisten Anwender, die die Datenrate der Audio-Ausgabe aber unter 11MB/s halten können, ist ein USB-Isolator die günstigste und einfachste Lösung dem Brummton in USB Audio zu entkommen. 10€ und keinerlei Hintergrundwissen zum Anschluss nötig.

Trotzdem bin ich sehr glücklich darüber, das Hintergrundwissen über diesen Artikel zu erlangen. Danke nochmal @Igor Wallossek !

PS: Ich werde mal das Geld in die Hand nehmen und einen USB 3.0 Isolator aus China bestellen. Berichte dann hier, ob und wie gut das Teil funktioniert und ob der doch recht hohe Preis einigermaßen gerechtfertigt ist und hohe Bandbreiten am DAC einwandfrei funktionieren. Die Artikelbeschreibung ist ja eher unterwältigend. Bei Amazon ist etwas mehr Information da. Das Strom-Problem sollte das Teil aber nicht lösen, da auch nur 500mA angegeben sind. Das entspricht auch den günstigen ADUM 3160. Ein externer Anschluss eines Netzteils ist nicht vorgesehen. Mit Stromanschluss gibt es noch das Teil hier. Aber wie gesagt, ich bin mal das Testkaninchen, kauft nix bevor ich mich mal zurückgemeldet habe, ob und wie gut die Teile laufen.

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Gregor Kacknoob

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528 Kommentare 442 Likes

Hm, diese USB Isolationsdinger entpuppten sich bei meinen Recherchen immer als Schlangenöl. Hab gerade keine Zeit zum detailierten Durchlesen. Uff, hoffentlich führt der Artikel (bei mir) nicht noch zu mehr Fragen. Meinetwegen krempel ich hier alle Steckverbindungen um (#Commitment), aber Voodoo bringt mir nichts und da mag ich weder Zeit noch Geld investieren. Ich verbleibe vorerst unvoreingenommen :)

Edit:
Ja wie geil, dass hatte ich in meiner vorherigen Wohnung auch. Und kam das Netzwerkkabel an den Heizkörper, flog direkt die Sicherung raus. Die Wohnung war wirklich grusellig :D

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RevAngel

Veteran

122 Kommentare 89 Likes

Hmm. Meine Nebengeräusche kann ich komplett wiederherstellen indem ich den USB-Isolator aus der Anschluss-Schleife raus nehme. Und die Nebengeräusche wegnehmen, indem ich ihn wieder rein nehme. Das ist nicht subjektiv, der Unterschied an meinem PC ist klar und definitiv wahrnehmbar. Aber vielleicht liegt es auch daran, das ich in einem über 200 Jahre alten Haus lebe. Die Strom-Installation ist älter als ich. (Und ich teile mit meinen direkten Nachbarn ein Erdungspotenzial - Wenn bei denen der FI fliegt, weil sie ne kaputte Flex nutzen oder der Garagen-Antrieb kaputt ist, fliegt mein FI gleich mit. So was ist besonders ärgerlich, wenn man nach einem Sommerurlaub vor seiner verrottenden 300 Liter Kühltruhe steht.)

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S
S.nase

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1,352 Kommentare 453 Likes

Klassische Erdung hat man früher gern gemacht, um nur 2pol. Kabel statt 3pol. in der Hausverkabelung verwenden zu können (Kostenersparnis). Solche Sparverkabelungen gibt es auch bei KreuzVerschaltung von Lichtschaltern. Sowas ist halt Murks, und kann spätestens beim Einzatz von Schaltnetzteilen oder FI-Sicherungen zu Problemen führen.

Wenn der USB-Isolator keine Wirkung hat, besteht das Problem halt schon in einer niedrigeren Ebene.

Besteht eine Verbindung(z.B. über USB oder Audiokabel) zwischen einem geerdeten SchukosteckerNetzteil und einem nicht geerdeten EurosteckerNetzteil, missbraucht das EurosteckerNT das USB- oder AudioKabel als Erdung. Dabei entstehen Störungen.

Will man das verhindern, muß man einen galvanische Trennung(Isolator) im USB- oder AudioVerbindungskabel verwenden. Wenn beide miteinander verbundene NTs geerdet sind(beide haben Schukostecker), oder beide miteinander verbundene NTs nicht geerdet sind(beide haben Eurostecker), treten diese Störungen nicht auf.

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R
RazielNoir

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348 Kommentare 116 Likes

Deswegen kauft man nach Möglichkeit nur Geräte mit Kaltgerätestecker

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Y
Yumiko

Veteran

495 Kommentare 214 Likes

800W Solarpanels mit großer PowerBox?

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S
S.nase

Urgestein

1,352 Kommentare 453 Likes

Ich hab auch schon Geräte gesehen, die trotz Schuko- oder KalgeräteStecker keine Erdung auf der NT-Sekundärseite hatten. Die Netzstromstecker allein sind also nur meistens ein Indiz für geerdete Sekundärseite. Das müsste man eigentlich immer erstmal mit einem einfachen Multimeter nachprüfen.

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RevAngel

Veteran

122 Kommentare 89 Likes

Erdung ist an den Steckdosen schon da und messbar. Trotzdem hakt es wahrscheinlich daran, das mein Haus und die direkten Nachbarn in Flussnähe und auch nahe dem Grundwasser eine wahrscheinlich dadurch verbundene Erdung haben. Der Mann von den Stadtwerken hier hat das "gemeinsames Potenzial" genannt.

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Göran

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154 Kommentare 63 Likes

Fehlt da auf Seite 3 ein Bild ?
Ansonsten wenig Neues für Leute, die sich mit dem Thema schon mal beschäftigt haben, aber schön erklärt und zusammengefasst.

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Ghoster52

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1,421 Kommentare 1,083 Likes

Danke für den erhellenden Beitrag!
Leider nüscht hilfreiches für Onboard-Sound dabei (bis auf den FeinTech Ground Lift)

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ipat66

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1,360 Kommentare 1,358 Likes

Eigentlich schon,aber indirekt...
Bevor ich mich für so eine doppelte 60 Euro Wackel-USB-Stange entscheide,
kaufe ich mir lieber für den zugegeben dreifachen Preis einen ordentlichen DAC/AMP.
Optisch angeschlossen gibt es nie wieder Probleme.
Habe meinen definitiven Wechsel von Onboard Sound zu einer externen Lösung nie bereut :)
Weiterer Vorteil, ist das preiswertere Motherboard, da es nicht mehr nötig ist, auf einen „guten“, überteuerten onboard-Chip zu achten ;)

Aber wem erzähle ich das... :)

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Starfox555

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1,484 Kommentare 750 Likes

Danke Igor für Deine Experimentierfreude und einem damit einhergehenden neuen Erkenntnisgewinnungsprozess über die sich auf Abwegen befindliche Masse und ihre Beeinflussung der Temperaturentwicklung an bestimmten Punkten.

Mit dem Rauschen dass dadurch mit verursacht wird habe ich momentan keine Probleme habe einen Verstärker voll aufgedreht und nichts vernehmen können, zumindest am aktuellen Rechner, kenne es wohl aber von anderen Geräten. Gerade auch von verschiedenen Soundkarten wie der SB Live etc. Aktuell bin ich mit der Onboard Sound Qualität auf dem ASUS Board in Relation zu Vorherigen PC Audio Rausch-Erlebnissen soweit zufrieden. Hier war Fortuna dem Glück meiner Ohren wohl mal Wohlgesonnen.
Aber Probleme, die es zu lösen gibt, gibt es genug auf der Welt und mit Murphys Law wird einem nie langweilig...

Ich meine aber nach wie vor noch, dass es Geräte zur Medienwiedergabe mit Klinkenanschluss gibt, bei welchem der Klinkenanschluss abgeschirmt oder rauscharm gefiltert ist und dadurch die von Dir beschriebenen Probleme Quasi im Gerät selber gelöst wurden?

Die Frage mit den Funkwellen und der Daseinsberechtigung von abgeschirmten nicht symetrischen Kabeln für einen normalen Klinkenanschluss, um deren negative Beeinflussung (Funkwellen & co) entgegen zu wirken stellt sich mir aber immer noch.

Auch die Sauberkeit der Kontaktflächen und evtl. ausgelutschte Klinkenverbindungen in Adaptern, Verlängerungskabeln etc. haben meiner subjektiven Erfahrung nach zumindest auch einen Einfluss auf die subjektiv empfundene Rauschintensität am Ohr. Ebenso wie ungleichmäßig aufliegende oder nicht so ganz auflliegende Kontaktflächen an der Pömpelsteckverbindung die Temperaturen negativ beeinflussen können.

Ich hoffe nach wie vor noch, dass wir in Zukunft einen sichereren Stecker bekommen werden.
(edit completed)

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G
Guest

Wenn der Blitz genau dort rein haut, dann habts wirklich was davon!
Absolutes Potential..
Der Mann von den Stadtwerken. Hat was mystery geheimes und diffuses.. Sehr seltene Spezies :)

Peace :)

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G
Guest

Right!
Oder leider. Ich messe mittlerweile alles und vertraue erst dann mit dem Abgleich WAS ERZÄHLEN DIE ( Verpackungsblabla)
was wurde eig verbaut ( darum liest ja igorslab bis der radiobastler etz) Und was habe ich gemessen.
Der Sparstift wird leider dort gezogen, wo eig die QUALITÄTS- Front wäre..
Dazu kommt das ich den Strom vom NETZ und den PV-Strom getrennt habe. Das dritte ist unsere alte Mühle, die renoviert
ein Kraftwerk ist und Mehl kann se auch. Viel Arbeit. Viel Wissen und viel lernen beim tun. Und beim Strom bin ich der 12 24 36 Volt
Typ. Benzin riecht man, Strom is da und du bist weg. ( interessant sind billig Baustellen Geräte = KAMIKAZEELEKTRIK..)
( und darum gibst solchen Nonsens wie BALKONSOLAR gar nicht-- nebenher zahlen die Leut Eintritt haben null davon und wenn
Pech die Probleme..aber jeder wie er mag)....
Da man audiotechnisch manchmal Musik macht schon sehr früh, was ist nötig.. alte 1970ger Fairchildkompressoren, API, SSL..
renovierte Gitarrentechnik, nagelneue, Lautsprecher eher die besten und fettesten, grad erst meine Briten bekommen, etz.
Und bei Rechnern, wenn man damit arbeite, hast keineZeit auf wen zu warten, also alles dreifach.
Und so weiter. Und ganz genial sind alte Häuser, wo keiner mehr weiß.. was wo wohin warum wo ist es ggg..
" HEY ALDER WATT ISN DATT FÜR EIN KABEL?"
Unser 780 Jahre altes Haus, eig Burg, und genau das eine Kabel.. eine ganze kleine Region war dunkel. ..lol.
Und bei 350 cm Steinmauern ist gutes überlegen nett. BOHR da mal. Hilti nö.. Semtex.. lol
Wenn es rennt. Nicht anfassen.
Neu legen. schneller und schon bist 2 oder 3 fach redundant.. Man lernt nie aus.

Lg Peace :)

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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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