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Die Nadeltontechnik aus der Sicht der Nachrichtentechniker

aufgearbeitet bzw. überarbeitet von Gert Redlich im Okt. 2015 - Ein Rundumschlag über die Technik der Schallplatte und des Plattenspielers und all der Normen ist hier enthalten. Das Buch aus 1986 sollte zur Ausbildung junger Leute dienen, hat aber diadaktische Schwächen und ist recht kompliziert zu lesen gewesen. Also selbst, wenn man das Thema "Schallplatte" und "Abspielen" schon mehrfach durchgeackert hatte, sind Passagen in dem Buch verwirrend und mißverständlich. Aus diesem Grund wird eine weitere 280 Seiten starke Quelle über das gleiche Thema aufbereitet und kommt in Kürze dazu.

Das als Grundlage herangezogene Buch "Radio und Fernsehtechnik" aus 1986 enthält insgesamt 6 Kapitel, von denen mehrere natürlich völlig veraltet sind. Die Schallplatten-Technik hat sich 1986 aber nur marginal verändert / verbessert, weil man die Physik immer noch nicht überlisten kann. Hier also das Kapitel 4.

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Kapitel 4 Schallaufzeichnung (von 1986)

Aufzeichnungs- und Wiedergabeprinzip

4.1 Nadeltonverfahren

Das Nadeltonverfahren ist grundsätzlich das älteste Verfahren zur Schallspeicherung. Als Tonträger verwendet man nach den Walzen jetzt preisgünstig herzustellende runde Kunststoffscheiben (erst aus Schellack, jetzt aus PVC).

Beim Aufzeichnungsvorgang ritzt ein vom Schallsignal über einen Wandler (Trichter-Membrane oder Mikrofon) gesteuerter Stichel die Toninformation in das Trägermaterial (Abb.).

Zum Abhören der Schallplatte tastet eine elastisch aufgehängte "Nadel" die Rille ab und überträgt die entstehenden Schwingungen wieder auf ein geeignetes Wandlersystem (Abb.).
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4.1.1 Aufzeichnungsvorgang (das "Schneiden")

Tiefenschrift (patentiert)
Seitenschrift (patentiert)
Flankenschrift (Stereoschrift) (auch patentiert)

Die beim Aufzeichnen entstehende Masterfolie wird als Urform für die in mehreren Arbeitsgängen herzustellenden Preßmatritzen zur Vervielfältigung der Schallplatten verwendet.

Tiefenschrift (Edison, 1877)

Bei der Tiefenschrift (Edison, 1877) wird der Schneidstichel senkrecht zur Plattenebene bewegt (Abb.).

Die Tiefenschrift kommt bei Meßschallplatten zum Einsatz.

Seitenschrift (Berliner, 1888)

Bei der Seitenschrift (E. Berliner, 1888) wird der Schneidstichel in Richtung der Plattenebene bewegt (Abb.).

Die Seitenschrift wird bei Monoschallplatten verwendet.
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Flankenschrift (1958 ??)

Bei der Flankenschrift (Stereoschrift) steuern die Stereosignale uL und uR den Stichel in um 90° versetzten Bewegungskomponenten. Jede Komponente ist um 45° gegen die Plattenebene geneigt (Abb.).

Bei gleichphasigen Signalen L und R ergibt sich das Monosignal L + R in Seitenschrift (Abb.). Das funktioniert aber nur in der Theorie. In der Praxis kommen hier Auslöschungen duch Phasenfehler vor.

Mit diesen dünnsten Abtastspitzen für diese 18µ Stereo-Mikrorille sollten keine Mono-LPs mit der 25µ (Microgroove) Seitenschrift abgespielt werden. Siehe die Bilder weiter unten.
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Füllschrift (Rhein und Telefunken)

Zur Verlängerung der Spieldauer wird der Rillenabstand in Abhängigkeit von der aufzuzeichnenden Signalamplitude (Amplitude = technischer Begriff für das sich ändernde Signal) gesteuert (Füllschrift). -  Man erhält also große Rillenabstände bei großen Signalamplituden und umgekehrt kleine Rillenabstände bei kleinen Signalamplituden (Abb.).

Die Schnitt-/ Abtast-Geschwindigkeit

Die 45er + 33er Mono Schallplatten
Die 45er + 33er Stereo Schallplatten
Die Schneid-Geschwindigkeit
Platte in Normal- und Füllschrift

Da die Platte mit konstanter Drehzahl rotiert, ändert sich die Geschwindigkeit "vh" des Schneidstichels gegenüber der Platte bzw. der geschnittenen Rille (v=Kürzel für die Geschwindigkeit - h steht für die horizontale Komponente). Sie hängt von dem jeweiligen Radius der Platte ab.

Im folgenden wollen wir eine sogenannte Singleplatte 45er Stereo (Radius = 17cm) nach nebenstehender Abb. betrachten.
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Die Berechnung der nackten Gleichgeschwindigkeit

Ohne Steuersignal schneidet der Stichel die tonlose Rille ganz außen am Anfang der Platte mit einer Geschwindigkeit vh1 = 395,5 mm/s und am Ende der Platte mit vh2 = 251,5 mm/s.

Gleichgeschwindigkeit und Schnelle addieren sich

Schicken wir zum Stichel jetzt einen Sinus-Ton bzw. zeichnen wir einen Ton von fs = 1 kHz auf, so bedeutet das eine Wellenlänge yH = 0,4 mm am Anfang und X2 = 0,25 mm am Ende der Platte.

Zur „Gleichgeschwindigkeit" vh des Stichels durch die konstante Plattenrotation addiertsich jetzt noch eine wechselnde Geschwindigkeitskomponente vs (die Schnelle) durch diese Modulation hinzu.

Die sogenannte Wechselgeschwindigkeit

Die Abb. 5a) zeigt die beiden Geschwindigkeitskomponenten vh und vs. In den Abb. 5b) bis 5d) sind verschiedene Fälle gegenübergestellt. Die Wechselgeschwindigkeit wird durch die Tangente an die Sinuskurve verdeutlicht.
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Abb. 5 - a bis d - Wechselgeschwindigkeiten bei verschiedenen Amplituden und Frequenzen


Je steiler die Tangente, desto größer die Wechselgeschwindigkeit. Sie ist also von der Amplitude und von der Frequenz abhängig. Je größer z.B. die Signalamplitude s und die Frequenz werden, desto schneller muß sich der Stichel bewegen.
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Die maximale Wechselgeschwindigkeit kann man berechnen

Wie bei einem mechanischen Pendel ist die Wechselgeschwindigkeit im Nulldurchgang am größten. (Anmerkung : Ein Pendel pendelt immer vom Stillstand auf einer Seite über die Maximalgeschwindigkeit in der Mitte bis zum erneuten Stillstand auf der anderen Seite und pendelt dann wieder zurück.

Das Maximum der zusätzlichen Wechselgeschwindigkeit berechnet sich zu
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Die Wechselgeschwindigkeit des Schneidstichels bzw. der Abtastnadel nennt man Schnelle vs.

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Die Physik begrenzt die maximale Schnelle

Signale mit gleicher Schnelle im Nulldurchgang

Für das Herstellungsverfahren der Schallplatte wäre es sinnvoll, wenn die physikalisch bedingte maximale Schnelle für alle aufzuzeichnenden Frequenzen konstant bleibt. Dies bedeutet aber, daß tiefe Frequenzen mit großer Amplitude (Auslenkung) und hohe Frequenzen mit kleiner Amplitude aufgezeichnet werden müßten (Abb. 6).

Damit benötigen einerseits tieffrequente Signale sehr viel Speicherraum (PLatz = Rillenbreite) der Platte und andererseits wird bei Signalen mit hoher Frequenz die Amplitude so klein, daß sie im Rauschen, hervorgerufen durch die Körnigkeit des Plattenmaterials Vinyl, untergehen kann.

Um diese beiden Grenzen zu umgehen, dürfte also nicht mit konstanter Schnelle, sondern müßte vielmehr mit konstanter Amplitude geschnitten werden.

(Anmerkung : Diese Erklärung ist erklärungsbedürftig.).
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Gewollte Verzerrung durch die Schneidkennlinie

Frequenzgang der Schnelle (Schneidkennlinie)

Man hat sich international auf einen Kompromiß geeinigt, und die in der Abb. dargestellte sogenannte "Schneidkennlinie" festgelegt.

Man senkt also die Amplituden (und damit die Auslenkung) der tiefen Frequenzen etwas ab (Platzersparnis) und hebt gleichzeitig die Amplituden der hohen Frequenzen an (Verbesserung des Störabstandes).

Die DIN Schneidkennlinie ist durch die drei Punkte bzw. Frequenzen definiert :
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  1. I (50 Hz, -17 dB),
  2. II (500 Hz, -3 dB) und
  3. III (2120 Hz, +3 dB)

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Beim Aufzeichnen (Schneiden der Folie bzw. des Rohlings) werden die Amplitude und die Schnelle verändert. Diese gewollten Verzerrungen werden beim Abspielen vom Abtastsystem und dem nachfolgenden Verstärkersystem wieder rückgängig gemacht (Entzerrung).
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4.1.2 Abspielgeräte

weit verbreitetes Modell

Der "Plattenspieler" hat die Aufgabe, die Schallplatte mit konstanter Drehzahl rotieren zu lassen. Als Antrieb verwendet man verschiedene Kleinmotoren, die über ein Reibrad, einen Riemenantrieb oder direkt den Plattenteller in Bewegung versetzen. In allen Fällen fordern wir eine lastunabhängige konstante Drehzahl, ohne kurzzeitige Schwankungen (Gleichlauffehler).

Ein schwingungsarmes Chassis

Revox B795 Federebein

Trittschallstörungen aus der Umgebung, Eigen- schwingungen des Antriebs und der Mechanikteile dürfen nicht an das Abtastsystem gelangen. Durch verwindungssteife und schwingungsarme Konstruktion des Tonarms und des Chassis sorgt man dafür, daß die Rumpelstörungen die originalgetreue Wiedergabe möglichst wenig beeinflussen.

Konstruktionseinheiten des Plattenspielers:

Antriebsaggregat bestehend aus

  • Chassis mit Antrieb und
  • Plattenteller


Schallplattenabtaster bestehend aus

  • Tonarm und
  • Abtastsystem

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Die Liste der möglichen Fehler

Konstruktionsabhängige Störgrößen von Antriebsaggregat und Tonarm:
Gleichlauffehler, Rumpelstörungen, akustische Rückkoppelungen, Trittschall, mechanische Stöße.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Mindestanforderungen der HiFi-Norm (DIN 45500) zusammengefaßt.

Tabelle 4.1:

Anforderungen an das Antriebsaggregat nach DIN 45500 :

Drehzahlabweichung +1,5% -1%
Gleichlaufschwankung +0,2%
Durchmesser des Plattentellers >250 mm
Rumpel-Fremdspannungsabstand >35dB
Rumpel-Geräuschspannungsabstand >55dB

(Rumpelmeßwerte bei 1000 Hz cm bezogen auf Vseff = 7,1 cm/s)

Zwei Arten von Chassis

Um die geforderten Eigenschaften zu realisieren, werden im Prinzip zwei verschiedene Grundkonstruktionen verwendet.
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Antriebsaggregat mit federndem Chassis

Bei einfachen Geräten (Abb.) verwendet man ein federnd aufgehängtes Chassis, auf dem der Motor, der Abtaster und der Plattenteller montiert sind. Da das Chassis von außen erreichbar ist, können z.B. durch das Berühren der Bedienungselemente Erschütterungen übertragen werden, die im schlimmsten Fall ein Springen des Abtastsystems zur Folge haben.
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Antriebsaggregat mit Subchassis

Bei hochwertigen Abspielgeräten wird eine Konstruktion mit einem sogenannten Subchassis verwendet (Abb.). Hier ist das Hauptchassis, das alle Bedienungselemente trägt, fest mit dem Montageboden verbunden. Alle rumpelgefährdeten Teile sind auf einem elastisch aufgehängten, abgedeckten Unterchassis montiert. Ist der Motor fest mit dem Hauptchassis oder Montageboden verbunden, so muß ein Riemenantrieb verwendet werden.

4.1.3 Antriebsmöglichkeiten

Im einfachsten Fall erfolgt der Antrieb von einem Asynchronmotor über ein Reibradgetriebe.

Prinzip Reibradantrieb

Um die Rumpelstörungen gering zu halten, wird der Motor schwingungsgedämpft über Gummi- oder Federelemente am Chassis befestigt. Jedoch überträgt das starre Getriebe immer noch so viele Rumpelstörungen, daß hohe Ansprüche kaum erfüllt werden können. Als Maß für die Rumpel- störungen wird nach DIN 45539 der Rumpel-Fremdspannungs- abstand und der Rumpel-Geräusch- spannungsabstand gemessen.

  • Bei der Messung der Rumpelgeräuschspannung wird die subjektive Ohrempfindlichkeit berücksichtigt (vgl. 1.6).

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Mechnische Drehzahlumschaltung per Reibrad

Lenco L75 und L78

Zur Drehzahlumschaltung wird das Reibrad an verschiedene Durchmesser der Motorstufenachse gelegt. Um die fertigungsbedingten Drehzahltoleranzen der Asynchronmotoren auf den nach DIN 45.500 geforderten Wert von +1,5% bis -1% zu reduzieren, muß eine stufenlose Geschwindigkeitseinstellung in den einzelnen Drehzahlbereichen vorgesehen werden. Am einfachsten läßt sich das mit einer konischen Stufenachse gemäß Abb. erreichen. Das Reibrad kann durch einen Drehknopf verschoben und so immer auf den richtigen Antriebsdurchmesser gelegt werden. Der Einstellbereich der Geschwindigkeit soll mindestens ±3% betragen. Das entspricht einem Halbton in der Musik.

Die Stroboskopscheibe zur Drehzahlkontrolle

Zum Überprüfen der Ist-Drehzahl verwendet man Stroboskopscheiben (Abb. 4) oder eine entsprechende Hell-Dunkel-Teilung am Rand des Plattentellers. Beleuchtet man diese Teilung mit einer vom Wechselspannungsnetz gespeisten Glühlampe, so erscheint je nach Drehzahl ein stehendes Bild der zugehörigen Teilung. Driftet das Bild, so liegt eine Abweichung von der Ist-Drehzahl vor. Die Teilungen sind so dimensioniert, daß bei einer Driftgeschwindigkeit von 1 Teilung/Sekunde eine Drehzahlabweichung von 1% vorliegt.

Die Tonhöhenschwankungen

Problematischer als das Einhalten der Soll-Drehzahl sind kurzzeitige Schwankungen, (Gleichlauffehler). Sie werden durch fehlerhaften Rundlauf der rotierenden Antriebsteile und Drehmomentschwankungen des Antriebsmotors hervorgerufen. Es entstehen Tonhöhenschwankungen, deren Frequenzen zwischen 1Hz und 10Hz als besonders störend empfunden werden. Nach DIN 45.500 muß der Gleichlauffehler unter ±0,2% liegen. Möglichst wenig rotierende Antriebsteile verhindern die Störanfälligkeit. Ein schwerer Plattenteller unterdrückt einen Fehler durch Drehmomentschwankungen des Antriebs.

Woher kommen Gleichlauffehler : Platte oder Antrieb ?

Gemessen wird der Gleichlauffehler - egal, ob er vom Laufwerk her kommt oder von der Platte, mit einem Tonhöhenschwankungsmesser (DIN 45.507). Das Meßergebnis wird wieder nach der Ohrempfindlichkeit, d.h. nach der akustischen Auffälligkeit der Schwankungen bewertet. Gleichlauffehler können auch (nur) durch die Schallplatte selbst verursacht werden, z.B. durch schlechte Zentrierung des Mittellochs oder durch die Welligkeit.

Der Plattenteller

Der Plattenteller hat die Aufgabe, die Schallplatte möglichst plan und ohne Schwingungen beim Abtasten zu tragen. Im einfachsten Fall wird der Teller, er besteht meist aus Aluminiumdruckguß, mit einer schwingungsdämpfenden Gummimatte belegt. Andere Konstruktionen bevorzugen plangedrehte Stahlscheiben als Unterlage für die Schallplatte. Durch die Adhäsisonskräfte haftet die Platte fest auf dem Teller. Magnetische Störfelder des Antriebsmotors werden vom Abtastsystem ferngehalten.

Zwei weitere Antriebssysteme

Um bei hochwertigen Abspielgeräten die Gleichlauffehler und Rumpelstörungen auf ein Minimum zu reduzieren, konkurrieren zwei weitere Antriebssysteme.

Der Riemenantrieb

Drehzahlumschaltung und Feinregulierung
Feinregulierung mit Wirbelstrombremse

Beim Riemenantrieb ist der Motor fest mit dem Montageboden verbunden. Ein
geschliffener Flachriemen überträgt die Bewegung auf den Plattenteller. Da der elastische Riemen keine Schwingungen auf das Chassis oder Subchassis übertragen kann, erzielt man mit diesem System hervorragende Rumpelmeßwerte.

Etwas problematisch ist hier die Drehzahlumschaltung und Feineinstellung. Da die Motordrehzahl bei konstanter Betriebsfrequenz nicht geändert werden kann, muß der Riemen auf verschiedene Antriebsscheiben gelegt werden.

Zur Drehzahlfeinregulierung verwendet man entweder Antriebsscheiben, die in Segmente eingeteilt, von einem Konus im Durchmesser verändert werden können (Abb. 1), oder eine Wirbelstrombremse (Abb. 2).

Durch eine hohe Polzahl beim Synchronmotor erniedrigt sich die Drehzahl und damit verringern sich die Rumpelstörungen.

Die elektronische Variante

Einfacher und genauer lassen sich die Antriebsprobleme mit einem geregelten Gleichstrommotor lösen. Man kann dazu einen Tachogenerator verwenden, der auf der Motorwelle oder der Plattentellerwelle sitzt. Er liefert eine drehzahlabhängige Frequenz. Diese Ist-Größe wird dann mit einem Referenzwert verglichen und die Motordrehzahl über ein elektronisches Stellglied entsprechend nachgeregelt. Wenn man die Drehzahl verändern will, muß man nur den Referenzwert umschalten. Abb. 3 zeigt das Blockschaltbild eines solchen Regelkreises. Man erreicht damit Gleichlauffehler unter 0,1%.

Der Direktantrieb

Beim Direktantrieb treibt ein geregelter Gleichstrommotor den Plattenteller ohne Zwischengetriebe an. Das bedeutet, der Motor muß direkt die Nenndrehzahlen 33 1/3 /min oder 45/min einhalten. Da kein Untersetzungsgetriebe mehr vorhanden ist, müssen Motoren mit großem Drehmoment verwendet werden. Auch muß besonderes Augenmerk auf die Drehzahlregelung gelegt werden, da sich ja die kleinste Drehzahlabweichung des Motors direkt auf den Plattenteller auswirkt.

Elektronische Regelschaltungen

Man verwendet daher in der Regel sehr aufwendige PLL-Regelschaltungen, um den hohen HiFi-Ansprüchen gerecht zu werden. Als Antrieb wird ein kollektorloser Gleichstrommotor verwendet. Der Läufer besteht aus einem mehrpoligen Ringmagneten Abb. 3a). Drei Hallsonden HA, HB und Hc steuern über Leistungstransistoren die Statorspulen LA, LB und Lc in Abhängigkeit von der Stellung des Laufers. So entsteht ein rotierendes Magnetfeld, das den Magnetläufer mitnimmt. Über den Strom in den Statorspulen kann der Motor entweder beschleunigt oder abgebremst werden.
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Die quarzgenaue Soll-Frequenz

Ein gekoppelter Frequenzgenerator (Mäanderscheibe, Abb. 3c) liefert die Ist-Frequenz für die PLL-Regelschleife (Funktionsprinzip siehe 2.2.4). Sie vergleicht die Ist-Frequenz mit der quarzgenauen Soll-Frequenz und steuert den Antriebsmotor entsprechend nach. Wie dem vereinfachten Blockschaltbild in Abb. 2 zu entnehmen ist, wird zur Drehzahlumschaltung lediglich das Teilerverhältnis des Referenzteilers geändert.

Durch den quarzgesteuerten Direktantrieb ergeben sich hervorragende Gleichlaufwerte (<0,025%). Ebenso übertreffen die Rumpelmeßwerte die Anforderungen nach (ÖNORM) DIN 45500. Zu beachten ist jedoch, daß nicht nur das Laufwerk über die Qualität eines Plattenspielers entscheidet, sondern das Zusammenspiel aller Einzelelemente.

4.1.4 Schallplattenabtaster

Der Schallplattenabtaster besteht aus dem Tonarm und dem Abtastsystem.
Der Abtaster hat die Aufgabe, die Abtastnadel so in der Plattenrille zu führen, daß sie dieselben Bewegungen wie ehemals der Schneidstichel ausführt.

In der Praxis läßt sich diese Forderung nicht ganz erfüllen. Um ein Optimum zu erhalten, muß der Abtaster ganz bestimmte geometrische und dynamische Anforderungen erfüllen.

Der Schneidstichel

Der Schneidstichel hat die Form eines scharfkantigen Meißels mit dreieckigem Querschnitt (Abb. "a" rechts). Beim Schneiden wird er durch eine Vorschubeinrichtung radial vom äußeren Plattenrand nach innen bewegt. Die horizontale Auslenkung (Seitenschrift) durch die Modulation verläuft also stets senkrecht zur Richtung der Rillentangente (Abb. 4b). Um später eine einfachere Konstruktion des Abtasters zu ermöglichen, ist die vertikale Auslenkung des Stichels (Tiefenschrift) um 20° gegen die Plattennormale geneigt (Abb. "b" rechts).

Die Theorie der optimalen Verhältnisse

Für eine originalgetreue Abtastung müsste die Abtastnadel (erstens) ebenso aussehen, wie der (scharfkantige) Schneidstichel. Sie müßte (zweitens) außerdem auch radial geführt werden. Der Tonarm liegt dann tangential an der Rille.

Die erste Forderung ist nicht einzuhalten, da bei einem scharfkantigen Diamanten der Plattenverschleiß viel zu groß wäre.

Im zweiten Fall ist bei Verwendung eines sogenannten Tangentialtonarms ein enormer mechanischer Aufwand nötig, so daß sich solche Abspielgeräte nicht in großem Stil durchsetzen konnten.

Die modernen Abtastspitzen

In der nebenstehenden Abbildung sind die heute verwendeten Abtastspitzen verschiedener Nadelformen und ihre Lage in der Plattenrille dargestellt.

Die sphärisch, also kugelig oder rund geschliffene Nadel wird am häufigsten verwendet (Anmerkung : Das war vielleicht der Stand von 1970 aber nicht mehr von 1980). Elliptisch geschliffene Nadeln kommen zwar der Schneidstichelform am nächsten, sie dürfen jedoch wegen der geringeren Kontaktfläche zur Platte nur in Abtastern mit kleinen Auflagekräften verwendet werden.

Die Auflagekraft

Die Auflagekraft ist diejenige Kraft, mit der die Abtastnadel senkrecht auf die Schallplatte gedrückt wird. Die Auflagekraft ist bei guten Plattenspielern einstellbar und darf nach DIN 45.500 höchstens 30 mN betragen.

Die elliptische Abtastnadel

Der Vorteil der elliptischen Abtastnadel ist, daß sie auch noch kleinen Rillenradien folgen kann, und so eine günstigere Abtastung der hohen Frequenzen ermöglicht. Als Material für die Abtastnadeln verwendet man heute Diamanten.
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  1. A-Diamant: Die Abtastspitze ist aus einem Diamantkristall herausgearbeitet, und durch die verwendete Vorzugsrichtung sehr hart.

  2. B-Diamant: Die Abtastspitze ist aus einem Diamantsplitter herausgearbeitet, der dann auf einen Metallkörper aufgeklebt wird. Solche Spitzen sind etwas weniger verschleißfest, dafür aber preiswerter.

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Spurverzerrungen und Klemmverzerrungen

Durch die unterschiedliche Geometrie von Schneidstichel und Abtastspitze kommt es zu Spurverzerrungen und Klemmverzerrungen.

Wie Abb. zeigt, tastet der Mittelpunkt der kugeligen Abtastspitze in Seitenschrift und Tiefenschrift eine andere Bahn ab, als der Schneidstichel in die Urfolie eingegraben hat.

Hierdurch wird ein systembedingter Klirrfaktor erzeugt.

Die Rille hat keine feste Breite

Aus der Schnittdarstellung in Abb. erkennen wir weiterhin, daß sich beim Schneiden in Seitenschrift auch die Rillenbreite verändert.

Dadurch wird beim Abtasten mit der kugeligen Nadel die Abtastspitze zusätzlich noch angehoben.

Dieses bedeutet eine Fehlinformation und Vergrößerung des Klirrfaktors.
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Die Platten vorverzerrt schneiden

Spur- und Klemmverzerrungen können aufnahmeseitig bereits berücksichtigt werden. Das heißt, die Platten können so vorverzerrt geschnitten werden, daß die sphärische Nadel eine unverzerrte Bahn beschreibt. Für die Berechnung der Vorverzerrung wird der genormte Verrundungsradius von 15um zugrunde gelegt. Abweichungen bis 3µm sind unerheblich.

Der kardanisch gelagerte Tonarm

Das konstruktiv günstigste Prinzip, das Abtastsystem zu führen, stellt ein kardanisch gelagerter Tonarm dar. Das bedeutet aber, die Abtastspitze wird letztlich nicht radial und geradlinig, sondern auf einem horizontalen und vertikalen Kreisbogen geführt. Hierdurch treten durch die Fehlwinkel bei der Abtastung abermals systembedingte Verzerrungen auf.

Der Spurfehlwinkel

Als horizontalen Spurfehlwinkel bezeichnet man den Winkel zwischen Rillentangente T und Längsachse L des Tonabnehmers.

Würde man das Tonabnehmersystem in Richtung des Tonarms montieren, so nähme der Spurfehlwinkel und der damit entstehende Klirrfaktor unzulässig hohe Werte an (Abb.). Eine kostengünstige Lösung bietet der gekröpfte Tonarm.

Der gekröpfte Tonarm

Durch "richtige" Dimensionierung von Tonarmlänge, Überhang und Kröpfungswinkel läßt sich ein um den Wert Null pendelnder Spurfehlwinkel erreichen. Bei modernen Tonarmen liegt der Maximalwert zwischen 1° und 2°. Abb. zeigt den Verlauf des horizontalen Spurfehlwinkels.

Durch die Kröpfung des Tonarms tritt beim Abtastvorgang ein Drehmoment auf, das den Tonarm zum Plattenmittelpunkt dreht. Hervorgerufen wird dieses Drehmoment durch die Reibung zwischen Abtastnadel und Platte. Sie ist daher abhängig von der Auflagekraft und von der Nadelform.

Die Scatingkraft

Man bezeichnet die den Abtaster abdrängende Kraft als Scatingkraft. Sie muß durch eine entgegengesetzt gerichtete Kraft kompensiert werden, da ja sonst die Abtastnadel einseitig gegen die innere Rillenflanke gedrückt wird.

Zur Erzeugung der Antiscatingkraft verwendet man entweder Zuggewichte, Federsysteme oder eine Anordnung mit Dauermagneten.

Gleichlauffehler durch den Höhenschlag

Da das Abtastsystem auch in vertikaler Richtung auf einem Kreisbogen geführt wird, muß das Vertikallager des Tonarms möglichst in der Plattenebene liegen, um Gleichlauffehler durch den Höhenschlag welliger Schallplatten zu vermeiden.

Wie Abb. zeigt, würde bei zu hoch angeordnetem vertikalem Lagerpunkt eine Vor-Rückbewegung der Abtastnadel beim Abspielen welliger Schallplatten den Gleichlauf beeinflussen. Der beim Schneiden der Platte eingehaltene vertikale Spurwinkel von 20° muß also durch die Bewegungsrichtung der Abtastnadel kompensiert werden (Abb. 1). Hierdurch wird eine unkomplizierte Lagerung der Abtastnadel ermöglicht.

  • Horizontaler und vertikaler Spurfehlwinkel werden durch die Geometrie des Schallplattenabtasters hervorgerufen. Sie werden bestimmt durch Tonarmlänge, Überhang, Kröpfung und Auflagewinkel der Abtastnadel.

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Die dynamischen Eigenschaften des Abtasters

Wir müssen nun noch die dynamischen Eigenschaften des Abtasters berücksichtigen. Die Abtastspitze soll in der Plattenrille sicher geführt werden, ohne daß einseitige oder äußere Kräfte den Abtastvorgang stören. Das bedeutet, wir müssen den Tonarm so ausbalancieren, daß sein Schwerpunkt möglichst genau im Schnittpunkt der horizontalen und vertikalen Lagerachse liegt. Dies wird durch Anbringen von verschiebbaren Gegengewichten erreicht. Um störende Resonanzerscheinungen zu vermeiden, werden diese Gewichte schwingungsgedämpft montiert (Abb.).

Die Reibungskräfte der Lager

Die für einen sicheren Abtastvorgang nötige Auflagekraft wird entweder durch Dejustieren der Balance, oder besser durch eine am Vertikallager angreifende Spiralfeder erzeugt. Die in den Lagern entstehenden Reibungskräfte müssen bezogen auf die Abtastspitze klein gegenüber der Auflagekraftsein (<1%).

Die Nadelaufhängung

Hart gewordener Silikon-Gummi Lagerblock von 1962

Damit eine Abtastung der Rille überhaupt möglich ist, muß die Nadel so elastisch aufgehängt sein, daß sie von der Rillenmodulation ausgelenkt (bewegt) und von der dabei entstehenden Rückstellkraft wieder zurückgeführt werden kann.

Umgekehrt darf die Nachgiebigkeit der Nadel nicht zu groß sein, da sie ja den Tonarm noch über die Platte führen und die dafür nötige Kraft übertragen muß.

Die Resonanzfrequenz eines schwingungsfähigen Gebildes

Unter "Nachgiebigkeit der Abtastnadel" versteht man das Verhältnis aus Auslenkung der Nadel von der Ruhelage und der dazu benötigten Kraft.

Durch die Nadelfederung und die bei der Bewegung wirksamen Tonarmmasse (effektive Tonarmmasse) entsteht ein schwingungsfähiges Gebilde dessen Resonanzfrequenz möglichst stark gedämpft unterhalb der tiefsten abzutastenden Frequenz liegen soll. Das bedeutet, daß Abtastsystem und Tonarm stets aufeinander abgestimmt sein müssen.

Bei hohen Frequenzen tritt zwischen der elastischen Rillenflanke und der effektiven Nadelmasse eine weitere Resonanz auf. Sie kann nur durch entsprechend kleine Nadelmassen über die höchste Abtastfrequenz hinausgeschoben werden.

  • Auflagekraft, Nadelabmessungen und Elastizität ihrer Aufhängung sowie die effektive Tonarmmasse bestimmen die mechanischen Abtasteigenschaften eines Schallplattenabtasters.

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Stereoabtaster für Stereosysteme

Bei der Beschreibung des Wandlersystems im Schallplattenabtaster beschränken wir uns auf Stereosysteme.

Die Abtastnadel wird von der Plattenrille in zwei überlagerten Bewegungskomponenten geführt (Flankenschrift, vgl. 4.1.1). Jede Bewegungskomponente muß nun vom Wandler in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt werden. Um eine möglichst hohe Übersprechdämpfung zwischen den beiden Stereokanälen zu erhalten, sollte das Wandlersystem so aufgebaut und justiert sein, daß im Links-System möglichst nur die Links-Bewegungs-komponente Spannungen erzeugt. Dasselbe gilt für das Rechts-System.

Nach DIN 45.500 wird für die Übersprechdämpfung ein Mindestwert von 20dB bei 1kHz gefordert. Der Übertragungsbereich ist in Abb. dargestellt. Kanalunterschiede bis max. 2dB sind "zulässig".
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Das Keramik-Tonabnehmersystem

Zur Umwandlung der Nadelbewegung in elektrische Spannung wird bei einfacheren Systemen der Piezoeffekt angewendet. Die Abb. zeigt den Aufbau eines solchen Keramik-Tonabnehmersystems. Wir erkennen die beiden Wandlerstäbe (1) die über das Kopplungssystem (2) von der Abtastnadel in Biegeschwingungen versetzt werden. Damit sich keine unerwünschten Resonanzen ausbilden, wird über die Wandlerstäbe ein Dämpfungselement (3) geschoben. Keramikschwinger wandeln Amplitudenschwankungen in elektrische Spannungen um.

Eine Entzerrung der Schneidkennlinie läßt sich durch die Formgebung und die Füllung des Systems mit elastischem Dämpfungsmaterial erreichen. Da die Nachgiebigkeit der Keramiktonabnehmer relativ gering ist, muß mit hohen Auflagekräften gearbeitet werden (meist über 30mN ~ etwa 3 Pond). HiFi-Anforderungen sind deshalb nur schwer zu erreichen. Vorteil dieser Tonabnehmer ist jedoch, daß sie Ausgangsspannungen zwischen 0,5V und 2V abgeben und so normale Verstärker direkt angesteuert werden können.

Moving Magnet und Moving Coil

Qualitativ hochwertige Abtastsysteme basieren auf dem Induktionsprinzip. Wir unterscheiden Systeme mit bewegtem Magneten: Moving Magnet (MM-System) und bewegten Spulen: Moving Coil (MC-System).

Beide Systeme sind, im Gegensatz zum Keramiksystem, Schnellewandler. Das heißt, die Ausgangsspannung folgt dem Verlauf der Schnelle der Schneidkennlinie.

Um einen linearen Frequenzgang zu erhalten, muß eine gegenläufige Entzerrung vorgenommen werden. Es sind zusätzliche Verstärker erforderlich, die dann auch die sehr kleinen Ausgangspegel der Wandlersysteme auf den erforderlichen Eingangswert des Wiedergabeverstärkers bringen. Die Amplitude liegt in der Größenordnung von einigen Millivolt, wobei der Innenwiderstand des Systems nach DIN 45.500 Hi = 2kQ beträgt.

Aufbau des MM-Systems

Die Abb. zeigt den Aufbau des MM-Systems. Durch den von der Nadel bewegten Induktionsmagneten werden in den entsprechend der Flankenschrift angeordneten Spulen Spannungen induziert.

Aufbau des MC-System

Beim MC-System sitzt das Spulenpaar auf dem Nadelträger. Der Magnet ist also fest angeordnet (Abb.). Auch hier wird eine Spannung proportional der Bewegungsgeschwindigkeit der Abtastnadel induziert.

Wegen der leichten Spule erreicht man eine geringere effektive Nadelmasse und eine höhere Nachgiebigkeit. Insgesamt wird dadurch die Abtastfähigkeit bei hohen Frequenzen verbessert.

Der Nachteil des MC-Systems ist die um etwa 20dB geringere !! Ausgangsspannung gegenüber dem MM-System und der geringe Innenwiderstand von Ri ~ 20 Ohm. Um eine Anpassung an den verwendeten Entzerrerverstärker zu erhalten, muß entweder ein Anpassungsübertrager oder ein zusätzlicher "Vorvor"-verstärker verwendet werden.

4.1.5 Vorverstärker für dynamische Wandlersysteme

Der Vorverstärker hat die Aufgabe, das Ausgangssignal des Wandlersystems so aufzubereiten, daß ein Endverstärker angesteuert werden kann. Abb. zeigt das Blockschaltbild mit den Anschlußwerten nach DIN (IEC). Wir erkennen, daß der Entzerrervorverstärker einen Frequenzgang gegenläufig zur Schnelle-Schneidkennlinie besitzen muß (Abb. 3). Um die geforderten
Ausgangsamplituden zu erreichen, muß die Verstärkung bei f=1 kHz 40dB betragen.

Da die Höhenabsenkung bzw. Baßanhebung maximal 20dB beträgt, teilt man die Gesamtverstärkung oft auf zwei Stufen auf. Die erste Stufe sorgt für die normgerechte Entzerrung, während die zweite Stufe das Signal auf die geforderte Ausgangsamplitude bringt (linearer Frequenzgang) und die richtige Anpassung sicherstellt.

Ein Industrieschaltbild für den Elektroniker

Die Abb. zeigt einen Kanal eines Industrieschaltbildes. Die beiden Verstärkerstufen sind mit je zwei galvanisch gekoppelten Transistoren V1, V2 bzw. V3, V4 aufgebaut. Die geforderte Verstärkung wird durch Gegenkopplung (Bauelemente blau hinterlegt) eingestellt.

Bei tiefen Frequenzen ergibt sich für die erste Stufe eine Verstärkung

Bei mittleren Frequenzen ergibt sich eine Verstärkung von
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Bei hohen Frequenzen sinkt die Verstärkung stetig weiter ab, da der Verstärker über die Kondensatoren immer stärker gegengekoppelt wird. Für die Verstärkung der Stufe 2 ergibt sich T2 = 26dB. Mit dem dort eingebauten Pegelsteller kann die Ausgangsamplitude an verschieden empfindliche Endverstärker angepaßt werden. Für MC-Vorverstärker werden Schaltungen ähnlich der Verstärkerstufe 2 verwendet. Die Verstärkung wird abhängig vom Innenwiderstand des MC-Systems eingestellt. MC- bzw. MM-Entzerrervorverstärker sind in der Regel in die HiFi-Anlage integriert. Für spezielle Anwendungsfälle sind sie jedoch auch einzeln als Vorschaltgerät erhältlich.
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hier geparkt - die verwirrend nummerierten Bildunterschriften

Abb. Entzerrervorverstärker mit Pegelsteller

Abb. 3: Aufzeichnungs- und Wiedergabeprinzip
Abb. 4: Tiefenschrift
Abb. 5: Seitenschrift

Abb. 1: Flankenschrift (Stereoschrift)
Abb. 3: Daten von Schallplatten
Abb. 2: Platte in Normal- und Füllschrift
Abb. 4: Schneidgeschwindigkeit und Wellenlänge
Abb. 5: Wechselgeschwindigkeiten bei verschiedenen Amplituden und Frequenzen
Abb. 6: Signale mit gleicher Schnelle im Nulldurchgang
Abb. 7: Frequenzgang der Schnelle (Schneidkennlinie)


Abb. 1: Antriebsaggregat mit federndem Chassis
Abb. 2: Antriebsaggregat mit Subchassis
Abb. 4: Stroboskopscheibe zur Drehzahlkontrolle
Abb. 3: Reibradantrieb

Abb. 1: Drehzahlumschaltung und Feinregulierung
Abb. 2: Drehzahl-Feinregulierung mit Hilfe einer Wirbelstrombremse
Abb. 3: Blockschaltbild für eine Drehzahlregelung
Abb. 4: Verschiedene Fälle bei der Drehzahlregelung von Abb. 3


Abb. 1: Direkt angetriebener Plattenteller
Abb. 2: PLL-Regelkreis beim Plattenspielerantrieb
Abb. 3: Kollektorloser Gleichstrommotor mit Hallsonden-Steuerung
Abb. 4: Schneidstichel und Platte

Abb. 1: Nadelformen und ihre Lage in der Plattenrille
Abb. 2: Spurverzerrungen
Abb. 3: Verzerrungen durch den Klemmeffekt
Abb. 4: Horizontaler Spurfehlwinkel
Abb. 5: Daten des gekröpften Tonarmes


Abb. 1: Bahnen der Abtastspitzen
Abb. 2: Tonarmbauformen
Abb. 3: Übersprechdämpfung und Frequenzgang
Abb. 4: Vormontiertes Keramiksystem mit Dämpfungsstück

Abb. 1: MM-System
Abb. 2: MC-System
Abb. 3: Wiedergabeverstärker für dynamische Systeme

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