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Aus der Funk-Technik Heft Nr. 11-1974
Sonys Wissen über die Arten der Laufwerke

von Heinz W. Kämmer. Kämmer ist "Verkaufsleiter Audio" der Sony GmbH, Köln.
(überarbeitet im Mai 2012)

Probleme und Entwicklungstendenzen beim Plattenspieler

Schallplattenlaufwerke gelten im allgemeinen als zumindest technisch ausgereift. Trotzdem wurden sie - und das gilt besonders für Modelle der Hi-Fi Klasse - im Laufe der Jahre immer weiter verbessert.

Der Antriebsmotor wurde ruhiger, die Dämpfung wurde besser, Reibräder oder Riemen wurden weicher und beständiger, und bei Spitzenlaufwerken ging man zum Direktantrieb des Plattentellers über. Die Mehrzahl der Plattenspieler ist aber immer noch mit einem schnellaufenden Motor ausgerüstet, der über eine Untersetzung den Plattenteller antreibt.

Der schnellaufende Motor vibriert, und es ist die Aufgabe der Konstrukteure, diese Vibrationen vom Tonarmlager und letztlich vom Tonabnehmer fernzuhalten.

Dabei ist es wichtig, alle unerwünschten Schwingungen möglichst schon am Entstehungsort zu unterdrücken. Auch die Untersetzungen sind problematisch, weil entweder das umlaufende Reibrad vibriert oder der Treibriemen, der ein Stufenrad am oberen Ende der Motorwelle und den Plattenteller umfaßt, Ungleichmäßigkeiten aufweist und die Vibrationen des Motors nicht vollkommen vom Plattenteller (und damit vom Tonabnehmer) fernhalten kann.

1. Kriterien für die Beurteilung eines Laufwerks

Zunächst soll geklärt werden, worauf es ankommt, wenn man das Laufwerk eines Plattenspielers beurteilen will.

Im wesentlichen sind es nur drei Kriterien, die wichtig zu nehmen sind:

  • die Sollgeschwindigkeit,
  • die Geschwindigkeitsschwankungen,
  • mechanische Vibrationen und Rumpeln.


Neben diesen drei Kriterien kommen zwar noch weitere in Betracht, die ebenfalls von Interesse sind, aber diese sind nicht als unmittelbare Qualitätskriterien anzusehen. Dazu gehören zum Beispiel die Hochlaufzeit, die Drehzahländerung bei Belastung mit einem Plattenbesen und das magnetische Streufeld des Motors (Brummeinstreuung auf magnetische Tonabnehmer!).

1.1. Sollgeschwindigkeit

Die Sollgeschwindigkeit kann man am einfachsten mit einem Stroboskop kontrollieren, wobei die Genauigkeit allerdings von der Netzfrequenz abhängt.

Die 50-Hz-Netzfrequenz wird aber heute so genau eingehalten, daß diese als Kontrollwert durchaus ausreicht. Das Stroboskop vergleicht den Flackerrhythmus einer trägheitslosen Lichtquelle (Glimmlampe) mit vorbeilaufenden, am Plattenteller angebrachten Markierungen. Die Sollgeschwindigkeit ist dann gegeben, wenn die Markierungen stillzustehen scheinen.

Dieser Zustand stellt sich bei einem 50Hz Netz und 33 1/3 U/min dann ein, wenn 180 Markierungen am Umfang des Plattentellers angebracht sind; bei 45U/min ergibt sich Stillstand bei 133 Markierungen. Bei einer Abweichung von 0,2% kann man je Minute 12 Markierungen zählen, die entweder vorwärts oder rückwärts laufen.

Beim Kammerton „a" von 440 Hz bewirken 0,25 % eine Tonhöhendifferenz von 1,4Hz und verursachen Tonhöhenverschiebungen auf 338,6 Hz beziehungsweise 441,4 Hz. Eine Abweichung in dieser Größenordnung kann das Ohr bereits unterscheiden. Um derartige Genauigkeiten zu erreichen und einzuhalten, bedarf es sehr
hoher Präzision bei Mechanik und elektrischem Antrieb.

Zu bedenken ist, daß sich die genannten Abweichungen erst am Ende der Herstellungskette ergeben dürfen, also gewissermaßen die Summe aller Abweichungen darstellen, die beim aufnehmenden Tonbandgerät, den Überspielmaschinen, der Schneidapparatur und schließlich beim Plattenspieler auftreten. Demnach muß jedes einzelne Gerät der Kette um eine Größenordnung besser sein, damit in der Summe die jeweiligen Gesamtabweichungen nicht größer werden.

1.2. Tonhöhenschwankungen

Kurzzeitige Änderungen der Geschwindigkeit des Plattentellers sind die Ursache für eine Verzerrungsart, die man Tonhöhenschwankungen nennt. Aus dem englischen Sprachgebrauch wurden dafür die Bezeichnungen „wow" und „flutter" übernommen, „wow" sind dabei die tieffrequenten, „flutter" die höherfrequenten Anteile der Tonhöhenschwankungen.

Diese Verzerrungsart läßt die in der Plattenrille gespeicherten Töne rhythmisch im Takt einer bestimmten Frequenz schwanken, was sehr deutlich hörbar werden kann. Am kritischsten sind dabei ausgehaltene, verklingende Töne von Klavier oder Orgel, bei denen bereits Schwankungen von 0,1% hörbar werden.

Für hochkonstante Laufwerke strebt man deshalb einen Wert für die Summe aller Tonhöhenschwankungen von nicht mehr als 0,05% an.

Es gibt mehrere Entstehungsursachen für diese Art von Störungen. Dazu gehören neben der Drehzahlstabilität des Motors die Genauigkeit aller Teile, die direkt am Antrieb beteiligt sind (Motorachse, Reibrad oder Riemen), und die Gewichtsverteilung (Auswuchtung) des Plattentellers.

Bild 1 zeigt über einen Zeitraum von 10s aufgezeichnete Tonhöhenschwankungen bei 33 1/3 U/min. Man erkennt langsame Schwankungen von etwa 0,1% im Takt von 0,5 Hz sowie einen noch geringeren Anteil einer höheren Frequenz. Auch die Durchschnittsgeschwindigkeit liegt etwas höher als der Soll-Wert von 33 1/3 U/min.

1.3. Mechanische Vibrationen

Wenn umlaufende Teile des Antriebs mechanische Vibrationen erzeugen,
werden diese über den Plattenteller, die Schallplatte und den Abtaster auf den Tonabnehmer übertragen. Diese mechanischen Bewegungen liefern die tieffrequenten Störimpulse, die als Rumpeln hörbar werden können, wenn sie die Übertragungsanlage in Schall umsetzen kann.

Aber selbst wenn das nicht der Fall ist und die Störungen unhörbar bleiben, wird der Verstärker mit diesen Störspannungen im Infraschallbereich ausgesteuert, wodurch die Lautsprechermembran ständig mit langsamen Schwingungen großer Amplituden ausgelenkt wird.

Diese Auslenkungen sind dem eigentlichen Signal überlagert, verbrauchen einen manchmal wesentlichen Teil der Bewegungsfreiheit der Membran und verursachen schließlich Intermodulationsverzerrungen. Aus diesen Tatsachen ergibt sich, daß die Rumpelwerte vom Plattenspieler möglichst klein sein sollen.

Zur Bestimmung des Anteils an Rumpelgeräuschen im Vergleich zu genormten Nutzsignalen bestehen mehrere Normen; allgemein soll der Abstand jedoch 50dB betragen. Diese mechanischen Vibrationen entstehen - wie schon angedeutet - durch mechanisch ungenügend ausgewuchtete und unrund laufende Teile des Antriebs, ungenügende Dämpfung der Motorvibrationen, Druckstellen im Reibrad oder ungleichmäßige Verteilung des Magnetfeldes im Motor.

2. Antriebssysteme bei Plattenspielern

Die Drehzahl der im allgemeinen verwendeten Antriebsmotoren ist sehr viel höher als die des Plattentellers (33 1/3 oder 45 U/min). Deshalb ist immer eine Untersetzung notwendig, mit der die unterschiedlichen Drehzahlen einander angeglichen werden. Die am weitesten verbreitete Untersetzungsart arbeitet mit einem Gummireibrad, das zwischen der Motorachse und dem Rand des Plattentellers läuft.

Auch der Antrieb mit einem Riemen, der Motorachse und Plattenteller umschlingt, hat sich in den letzten Jahren weiter durchgesetzt. Auch Kombinationen von Reibrad und Riemen werden verwendet.

2.1. Reibradantrieb

Bei diesem Antriebssystem läuft das Reibrad als passiver Antrieb zwischen Achse und Teller (Bild 2) und hat nur den Zweck, die Drehzahl des Motors zu
untersetzen. Zum Einstellen mehrerer Geschwindigkeiten ist die Motorachse stufenförmig in verschiedene Durchmesser unterteilt, auf denen das Reibrad verschoben werden kann.

Das Reibradsystem ist übersichtlich, bietet eine einfache Lösung zur Einstellung verschiedener Geschwindigkeiten und ermöglicht den kompakten Aufbau von Plattenspielern. Diese Antriebsart hat jedoch den Nachteil, daß jede Unregelmäßigkeit im Reibrad oder in seinem Lager Vibrationen und Laufunregelmäßigkeiten verursacht, die sich als Rumpeln oder Tonhöhenschwankungen äußern.

Da die Gummiauflage am Reibrad verhältnismäßig hart sein muß, kann die Dämpfung der Motorvibrationen nicht so groß sein. Man muß also einen geringeren Geräuschabstand in Kauf nehmen. Hinzu kommt, daß das Gummimaterial Verschleiß unterworfen ist, der durch Abrieb und Verhärtung verursacht wird. Von Zeit zu Zeit ist deshalb Ersatz notwendig.

2.2. Riemenantrieb

Beim Riemenantrieb wird der Plattenteller über einen Treibriemen angetrieben, der meistens um den äußeren Umfang des Plattentellers und um das Ende der Motorachse gelegt wird (Bild 3). Die Elastizität des Riemens ist wesentlich größer als die des Reibrades, so daß der Riemen Motorvibrationen erheblich besser absorbieren kann. Plattenspieler mit Riemenantrieb erreichen deshalb bessere Rumpelabstände.

Jedoch neigt der Riemen dazu, an der Motorachse zu rutschen, so daß Schlupf entsteht, der sich als Geschwindigkeitsschwankung, also wow und flutter, auswirkt. Das tritt um so stärker in Erscheinung, je mehr der Riemen verhärtet. Daher muß der Riemen - ähnlich wie das Reibrad beim Reibradantrieb - gelegentlich ausgewechselt werden.

2.3. Direktantrieb

Der logisch nächste Schritt beim Bau von Plattenspielern war der direkt angetriebene Plattenteller. Der Wunsch, einen solchen Plattenspieler zu bauen, bestand schon lange, jedoch war es mit den herkömmlichen Motoren nicht möglich, bei vertretbarem Aufwand die benötigte niedrige Drehzahl direkt zu erreichen.

Erst als durch die moderne Halbleitertechnik Impulszählung und rückgekoppelte Regelsysteme möglich wurden, konnte man bei vernünftigen Kosten Motoren bauen, die sehr langsam und dabei mit hoher Gleichmäßigkeit laufen. Bei dieser Anordnung ist die Motorachse gleichzeitig auch die Plattentellerachse, so daß alle Untersetzungen wie Reibräder oder Riemen überflüssig sind (Bild 4).

Wegen der niedrigen Drehzahl eines solchen Motors entstehen sehr viel geringere mechanische Vibrationen, denn alle Vibrationen, die infolge Unwucht der bewegten Massen entstehen, sind eine Funktion der Drehzahl. Bild 4 zeigt den prinzipiell einfachen Aufbau eines solchen Plattenlaufwerks.

In Tab. I sind die Eigenschaften der beschriebenen Antriebssysteme zusammengestellt.
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2.4. Daten praktisch ausgeführter Plattenspieler

Wie sich die verschiedenen Bauprinzipien auf die Daten praktisch ausgeführter Plattenspieler auswirken, zeigen Testberichte neutraler Testinstitute. Zum Zwecke des Vergleichs wurden Testberichte ausgewertet, die im Laufe mehrerer Jahre in den Zeitschriften „Hifi-Stereophonie" und „fono-forum" veröffentlicht wurden. (Es standen noch weit mehr Testberichte zur Verfügung, es wurden jedoch nur die berücksichtigt, bei denen die Meßmethoden vergleichbar waren.)

Bild 5 zeigt die gemessenen Werte für Rumpel-Geräuschspannungsabstand, Rumpel-Fremdspannungsabstand und Tonhöhenschwankungen. Der Rumpel-Geräuschspannungsabstand wurde dabei als Vergleichsmaßstab benutzt, weil dieser Wert ein Maß für die hörbare Rumpelspannung darstellt und deshalb als wichtigstes Kriterium gilt.

Die beiden anderen Werte schwanken um diesen „Leitwert"; man sieht jedoch, daß auch diese Werte eine nach links fallende Tendenz haben. An der gewählten Darstellungsform kann man sehr gut die schrittweisen Verbesserungen und Unterschiede zwischen den einzelnen Laufwerken erkennen. Beim Vergleich muß beachtet werden, daß die Laufwerke nicht nur verschiedenen Qualitäts- und Preisklassen angehören, sondern auch zu verschiedenen Zeiten auf dem Markt erschienen, so daß Bild 5 auch den Entwicklungsstand der Technologie im Plattenspielerbau über mehrere Jahre repräsentiert.

3. Motoren zum Antrieb von Plattenspielern

Die ersten an einen Plattenspielermotor zu stellenden Forderungen sind konstante gleichmäßige Drehzahl und geringstmögliche Vibrationen. Das Drehmoment soll für einen genügend schnellen Start ausreichen, und es dürfen keine Geschwindigkeitsänderungen infolge unterschiedlicher Auflagekräfte und Belastungen durch Plattenbesen oder ähnliches auftreten.

Außerdem muß eine möglichst einfache Nachregelung der Drehzahl möglich sein. Hinzu kommt noch die Forderung nach einem möglichst geringen magnetischen Streufeld, damit im Tonabnehmer keine Brummspannung induziert wird.

Zu den Motoren, die für Plattenspielerantriebe verwendet werden, gehören Induktionsmotoren, Hysteresis-Synchronmotoren, servogeregelte Gleichstrommotoren und servogeregelte Wechselstrommotoren.

3.1. Induktionsmotoren

Der Rotor des Induktionsmotors besteht aus vielen Kupferstäben, die an den Enden verbunden sind (daher auch die Bezeichnung Kurzschlußläufer). Die Magnetspulen sind im Stator angeordnet und erzeugen ein umlaufendes Magnetfeld, das den Rotor mitzieht. Dieser bleibt jedoch je nach der Belastung hinter dem Magnetfeld etwas zurück. Die Drehzahl ist außerdem noch von der Speisespannung abhängig.

Der Motor muß also, wenn er drehzahlsicher arbeiten soll, überdimensioniert sein, damit immer genügend Reserve für eine Drehzahlfeinregulierung vorhanden ist. Selbst einfache Plattenspieler, die mit diesem Motortyp ausgerüstet sind, haben deshalb eine solche Regelung.

3.2. Hysterese-Synchronmotoren

Bei diesem Motor besteht der Rotor aus magnetisiertem Stahl. Das rotierende Magnetfeld im Stator entsteht durch Phasenverschiebung zwischen den Spulenfeldern, die durch einen Phasenschieber-Kondensator erzeugt wird. Das umlaufende Magnetfeld zieht den Rotor mit, der jedoch hier im Gleichtakt (synchron) mit dem Magnetfeld umläuft.

Theoretisch ist das Drehmoment dieses Motors gleichmäßiger als das des Induktionsmotors, und es ist technisch einfacher, den Rotor auszuwuchten. Synchronmotoren haben deshalb insgesamt geringere Vibrationen als Induktionsmotoren, wenn auch das diesen Motoren eigene „Polrucken" (verursacht durch das Springen des Rotors im Magnetfeld) der Drehbewegung überlagert bleibt.

3.3. Servogeregelte Motoren

Diese Antriebe benötigen nicht nur den Motor selbst, sondern eine zusätzliche elektronische Regelung. Sie besteht aus einem Generator, der entweder eine konstante Spannung oder Frequenz erzeugt, die als Referenz- oder Vergleichswert (Soll-Wert) dient.

Außerdem wird eine Tachometereinrichtung benötigt, die eine der Drehzahl des Motors proportionale Impulsfrequenz oder Spannung (Ist-Wert) erzeugt. Ist-Wert und Soll-Wert werden verglichen. Dabei auftretende Differenzen dienen dann als Regelgröße für die dem Motor zugeführte Energie. Mit einem derartigen geschlossenen Regelsystem läßt sich eine sehr hohe Laufgenauigkeit bei sehr niedrigen Drehzahlen erreichen. Solche Servo-Motoren kann man natürlich auch für Antriebe mit hohen Drehzahlen (wie bei Tonbandgeräten erforderlich) mit Erfolg einsetzen.

Der eigentliche Motor kann als Gleichstrom- oder Wechselstrommotor ausgeführt werden. Gleichstrommotoren erzeugen jedoch wegen der notwendigen Schaltschritte mehr Polrucken, was zu höheren Anteilen an flutter führt. Diese höherfrequenten Geschwindigkeitsschwankungen müssen dann durch schwere Plattenteller oder Treibriemen absorbiert werden. Obwohl die Herstellungskosten eines solchen Systems höher sind, gewannen diese Antriebe - zuerst in Tonbandgeräten, dann aber auch in Plattenspielern - immer mehr an Boden, weil der Mehrpreis durch die möglichen Verbesserungen gerechtfertigt war.

Wie funktioniert eine Servo-Regelung ?

Abweichend von dem (Sony) Originaltext hier eine allgemeingültige Beschreibung eines Regelkreises für direkt angetriebenen Plattenteller.

Eine automatische oder manuelle Regelung ist immer eine Korrektur eines (aktuellen) Ist-Wertes in Richtung eines (geforderten) Soll-Wertes.

Beim Plattenspieler beträgt der Sollwert zum Beispiel 33 1/3 U/min. Schalte ich das Laufwerk ein, erkennt die automatische Regelung eine vom Sollwert abweichende Geschwindigkeit. Die Abweichung kann entweder zu hoch oder zu niedrig sein.

Ist sie zu niedrig, bekommt der Motor so lange Energie zugeführt, bis der Sollwert erreicht ist. Wäre sie zu hoch, würde dem Motor so lange Energie weggenommen, bis der Sollwert erreicht wäre.

Jetzt kommt die Masse des Plattentellers ins Spiel
, denn die Regelung kann ja die Geschwindigkeit des Tellers nicht urplötzlich von 0 auf 100% erhöhen. Das bedeutet, je größer die Masse des Plattentellers ist (oft mehr als 3 Kilo), desto langsamer "läuft" das Laufwerk hoch.

"Spezialisten" bauen deshalb sehr starke Motoren ein. Starke Motoren neigen wiederum zum Überschwingen in solch einer Regelung. Der Plattenteller wird so stark (zu stark) beschleunigt, daß er sogar schneller wird, als es der Sollwert vorgibt. Dieses sogenannte Überschwingen ist natürlich auch nicht erwünscht.

Deshalb wird jetzt der Regelkreis optimiert. In diesem Regelkreis (der Steuerelektronik) gibt es drei wichtige Komponenten:

  1. Den Motor (Antrieb)
  2. den Plattenteller (bewegte Masse)
  3. den Tachogenerator (aktuelle Geschwindigkeit)


Die Steuerelektronik bekommt jetzt mehr Intelligenz, als den Motor nur ein- oder auszuschalten. Je weiter sich die Istgeschwindikeit der Sollgeschwindigkeit nähert, desto feinfühliger wird der Motor geregelt und zwar in beide Richtungen (langsamer als auch schneller).

Beim Einschalten bekommt der Motor deutlich mehr Strom, als er später zum konstanten Drehen benötigt. Je weiter er an die 33 1/3 U/min (Sollgeschwindigkeit) heran kommt, desto sanfter wird der Geschwindigkeitszuwachs forciert.

Damit wird die Regelung um den Sollwert herum ganz besonders feinfühlig und der Plattenteller wird am Ende perfekt gleichmässig mit seiner Sollgeschwindigkeit drehen.

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3.4. Beispiel eines Plattenspieler-Laufwerks mit Direktantrieb

Als Beispiel für praktisch ausgeführte Plattenspieler mit Direktantrieb sollen hier die zwei Sony- Modelle „TTS-4000" (und „TTS-2250") beschrieben werden.

Das „TTS-4000" war eines der ersten Laufwerke dieser Art. (Das Laufwerk TTS-3000 war 1966 das erste Sony Direkantriebslaufwerk. Dual kam mit dem 701 erst viel später.)

Antrieb und Plattenteller sind in einer stabilen Gußeinheit vereinigt; eine separate, über Stecker und Kabel angeschlossene Bedienungseinheit kann dort montiert werden, wo dies zur Bedienungsvereinfachung zweckmäßig scheint.

Sie enthält die Geschwindigkeitswahl, den Stop-Schalter und die Drehzahl-Feineinstellung (±3%). Zur Geschwindigkeitskontrolle hat das Laufwerk ein Stroboskop. Der Motor gehört zur Gruppe der servogesteuerten Wechselstrommotoren.

Das Modell „TTS-2250" arbeitet nach den gleichen Prinzipien. Es ist jedoch etwas leichter gebaut, und Antrieb und Bedienungselemente sind auf demselben Gußchassis vereinigt. Drehzahl-Feineinstellung (±4%) und Stroboskop sind ebenfalls vorhanden. Auch dieses Modell hat einen servogesteuerten Wechselstrommotor.

Die Blockschaltung der elektronischen Drehzahlregelung ist im Bild 6 dargestellt.
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Nachtrag der Redaktion:

Die Direktantriebler der ersten Generation hatten auch ein paar Macken. Die Motoren waren absichtlich sehr stark, damit die Hochlaufzeit nicht ausuferte. Das führte jedoch zu dem sogenannten Pol-Rucken (also das meß- und teilweise hörbare tieffrequente Ruckeln von Pol zu Pol) und das konnte man wiederum hören.

Später wiederum baute man zu schwache Motoren ein und mit bestimmten Plattenbesen wurde der Teller zu stark gebremst und der Plattenspieler fing an zu jaulen.

Erst in der dritten Generation der Direktantriebler war die moderne Regel-Elektronik dann so weit, daß sowohl die Hochlaufzeit akzeptabel wurde als auch die (automatische Nach-) Regelung perfekt arbeitete. Es hatte etwas gedauert.

 

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