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13 - Die 48V-Phantomspeisung und ihre Geister

Ein edler Mikrofon-Vorverstärker aus einer Studio-Kamera KCM 125 mit Allem Drum und Dran

Erstveröffentlichung dieses Aufsatzes in „Mikrofon Special“, Studio Magazin 1998.

Wie ein Gespenst spielen manche schlechten 48V­ Phantomspeisungen dem Anwender Streiche, die er sich oft nicht erklären kann. Die maximale Aussteuerbar­keit des Mikrofons kann leiden, Wind- und Körperschall­probleme können wachsen und sogar der Klang in Mit­leidenschaft gezogen werden.

Da Fehler bei Phantomspeisung und Mikrofon-Anschluss leider nicht selten zu völlig unnötigen Problemen führen, wurde folgender umfassenderer Aufsatz geschrieben: J.Wuttke, The Analog Microphone Interface and its History, AES preprint 7773, AES Convention 126, May 2009.

Jörg Wuttke startet hier : Der Sinn von Normen

Was würden Sie sagen, wenn Ihr E-Werk Ihnen dem­nächst nur noch 150 V statt 230 V lieferte? Wahrschein­lich würden Sie die schlechte Funktion der meisten Ihrer Elektrogeräte nicht allzu lange bei deren Herstel­lern reklamieren, sondern den Verursacher des Pro­blems im E-Werk erkennen.

Das E-Werk wird allerdings keine unangekündigte Spannungsreduktion vornehmen. Schließlich gibt es Normen, und bevor diese geändert werden, wissen Sie meist, was auf Sie zukommt. So etwa bei der in Europa erfolgten Erhöhung der Netzspannung von 220 V auf 230 V, die allenfalls den Umsatz der Elektroindustrie zu Lasten von Altgerätenutzern belebt.
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Erblasten der Phantomspeisung

Bei der Phantomspeisung bestehen keinerlei Pläne einer Spannungserhöhung. Im Gegenteil: Schon früh­zeitig wurde beklagt, dass eine so hohe Spannung gewählt wurde. Sie brachte den in der Anfangszeit der Transistorisierung gerne genutzten Vorteil, dass sie auch unmittelbar zur Polarisation des Kondensator­wandlers genutzt werden konnte. Dazu musste die Stromaufnahme so gering wie möglich sein, damit nicht zu viel Spannung an den Speisewiderständen verloren ging.

Ein Nebeneffekt der aus 48 V abgeleiteten Polarisa­tionsspannung soll hier am Rande erwähnt werden: 48 V sind im Vergleich zu den bei Röhrenmikrofonen nutz­baren Spannungen der Anode wenig und erforderten in vielen Fällen anders aufgebaute Kapseln. Dies ist nur ein Beispiel, warum es falsch ist, wenn Röhrenliebhaber alle Unterschiede zwischen Röhrenmikrofonen und de­ren Nachfolgern allein auf die Röhre zurückführen.

Die niedrige Stromaufnahme der ersten transistori­sierten Kondensatormikrofone kam also der Nutzung der 48 V-Spannung für die Polarisation entgegen, und außerdem ergab sie sich einfach daraus, dass diese Mikrofone meist nur einen einzigen Feldeffekttransistor enthielten. Die Stromaufnahme lag meist unter 1 mA, und so wurde anfangs im Hinblick auf stromschwache Spannungsquellen (z.B. abgeleitet aus der Anodenver­sorgung alter Röhrengeräte) die Obergrenze des Stroms auf 2 mA genormt.

Nachteile stromschwacher Phantom­speisungen

Diese Stromgrenze hat aber (aus meiner Sicht) einen großen Nachteil: Wenn nur eine einzige Ader des Mikrofoneingangs mit Masse Verbindung bekommt – z.B. durch Anschluss eines unsymmetrischen Geräts – fließt ein Strom von 7 mA (48 V an 6,8 kΩ Speisewiderstand), und bei einem zweikanaligen Gerät, das nur 2 mA pro Kanal bereit­stellen kann, bricht auch die Versorgung für den nicht betroffenen Kanal zusammen.

Dies ist nur eines von vielen Beispielen, das aber vermutlich schon ausrei­chend zeigt, dass eine solche Technik die Betriebs­sicherheit unnötig aufs Spiel setzt. Natürlich sollte die Phantomspeisung grundsätzlich abgeschaltet werden, wenn der Eingang unsymmetrisch beschaltet wird, aber in der Praxis wird dies mitunter vergessen, und ein Einfluss auf andere Kanäle sollte unterbleiben.

Unangenehm ist auch, dass Unterspannung durch Zusammenbruch leistungsschwacher Spannungsver­sorgungen für Kondensatormikrofone oft unerkannt bleibt. Die Daten der Mikrofone werden in ungewisser Weise in Mitleidenschaft gezogen.

Bei Unterversorgung wird insbesondere die maxi­male Aussteuerbarkeit reduziert, da diese direkt von der Versorgungsspannung abhängt. Beim Fortissimo der Produktion ergeben sich dann schlechtere Ergeb­nisse, als sie das Mikrofon leisten könnte und als sie bei den meist leiseren Proben festgestellt werden kön­nen. Sogar ein Einfluss auf die Windempfindlichkeit ist möglich, da das Mikrofon eine Auslenkung der Membran durch Luftbewegungen
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Höhere Ströme für neuzeitliche Phantomspeisungen

Heute erwartet man “Power”, und obwohl der Ver­stärkerteil eines Kondensatormikrofons kein Leistungs­verstärker ist, gilt dennoch, dass eine gewisse Leistung eingespeist werden muss um hohe Spannungen aus möglichst kleinen Innenwiderständen erwarten zu dür­fen. Außerdem ist zu bedenken, dass Halbleiterschal­tungen meist mehr Strom und weniger Spannung er­fordern als bewährte Röhrenschaltungen.

Die zulässige Stromaufnahme von 48 V-Kondensator­mikrofonen (P48) wurde 1979 auf 10 mA erhöht (DIN 45 596, seit Juli 97: DIN EN 61938). 14 mA entsprächen dem Kurzschlussfall, bei dem keine Spannung mehr am Mikrofon anliegt.

Die typischen Stromaufnahmen moderner Konden­satormikrofone liegen bei mindestens 2mA, aber es gibt viele Produkte mit 3mA, 4mA, 5mA und ausnahms­weise auch mehr. Sogar ein erstes Mikrofon mit 10 mA Stromaufnahme ist inzwischen auf dem Markt.

Leider besteht das Problem, dass einige Speisungen nicht der Norm entsprechen. Die meisten 48 V-Spei­sungen kommen nicht aus der Fertigung der Mikrofon­hersteller, sondern obliegen der Verantwortung der Hersteller von Mischpulten, Mikrofonverstärkern, DAT-Recordern und wo sonst noch überall Phantomspei­sungen eingebaut werden. Da ist es schon schlimm, wenn festgestellt werden muss, dass es zweifellos unter diesen Herstellern einige gibt, denen noch nicht einmal bekannt ist, dass die Phantomspeisung ge­normt ist.

Der Anwender, der verständlicherweise jedes belie­bige Mikrofon erproben oder in der Wahl nicht einge­schränkt sein will, sollte darauf achten, dass das Gerät, aus dem die Speisung kommt, der Norm entspricht. Geräte-Tester würden ihren Lesern einen guten Dienst erweisen, wenn sie Phantomspeisungen auf Normkon­formität prüfen würden. Dazu ist kaum mehr als die Kenntnis des Ohm’schen Gesetzes und ein Multime­ter nötig.

Bei der Phantomspeisung nach Abb. 1 muss der Kurzschlussstrom einer Ader gegen Masse ca. 7mA betragen. Daran darf sich auch dann kaum etwas ändern, wenn weitere Kanäle belastet werden, da die zentrale 48V-Versorgungs- spannung innerhalb ihrer Toleranz von ±4V konstant bleiben muss.

Für den Übertrager oder die Speisewiderstände soll­te eine derartige Messung ohne Nachteil sein, da ver­sehentliche Kurzschlüsse dieser Art in der Praxis ohne­dies nicht auszuschließen sind.

Abb. 1: 48 Ω Phantomspeisung nach DIN EN 61938 Juli 97, (zuvor IEC 268-15 und DIN 45596), Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag, Berlin
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Paarung der Speisewiderstände für gute Symmetrie

Eine gute und normgerechte Phantomspeisung muss aber noch eine weitere wichtige Bedingung erfüllen: Während der Absolutwert des Speisewider­stands unkritisch ist (±20 %), ist die Symmetrie von größter Bedeutung.

Deshalb müssen beide Speise­widerstände so gleich wie möglich sein! Es mutet son­derbar an, wenn Mischpulthersteller mit Stolz hohe Werte für die Gleichtaktunterdrückung ihrer Eingänge angeben und dabei die Phantomspeisung außer Acht lassen. Wo braucht man höhere Gleichtaktunterdrüc­kungen als bei Mikrofonleitungen?

Bei der noch bescheidenen Forderung der Norm, dass der Unterschied zwischen den beiden Speise­widerständen nicht größer als 0,4 % sein soll, sind sogar Widerstände, die mit 1% toleriert sind, theore­tisch unzureichend.

Leider gibt es aber Hersteller, die im Hinblick auf die Kosten auch vor höheren Toleran­zen nicht zurückschrecken. Der Kunde wird dann das Opfer und kommt selten dahinter, wieso es trotz sym­metrischer Leitungen Probleme mit Störungen gibt. Und das wird im nächsten Absaatz erklärt.

Probleme mit einer Vormagnetisie­rung des Eingangsübertragers

Bei der Wahl eines Übertragers ist es darüber hinaus (also neben seinen Spulen-Widerständen bzw. Impedanzen) von Bedeutung, wie er auf momentane oder gar per­manente kleine Gleichströme reagiert.

Ein momentaner Gleichstrom ergibt sich meist schon beim Aufstecken des Mikrofons aufs Kabel, da die Kontakte kaum gleich­zeitig Verbindung bekommen. Im Eingangsübertrager darf danach keine schädliche Magnetisierung zurück­bleiben.

Im normalen Betriebsfall fließt der Speisestrom zu gleichen Teilen durch die beiden Speisewiderstände und verursacht Spannungsabfälle, die sich zwischen den Adern kompensieren. Etwaige Eingangsübertrager werden daher meist direkt angeschlossen.

Eine (selbst kleine) Ungleichheit der Speisewiderstände führt aber dazu, dass die Gleichspannung am Eingang nicht Null ist und der Übertrager von einem kleinen Gleichstrom durchflossen wird. Wie der Übertrager dann reagiert, können auch deren Hersteller oft nicht sagen, da ein derartiger Fall meist nicht angenommen wird.

Der Ein­fluss ist erwiesenermaßen selten deutlich hörbar, aber er stellt einen Unsicherheitsfaktor dar. Es sollte nicht mehr verwundern, wenn bei einem Mischpult in Ab­hängigkeit von den jeweiligen Speisewiderstands-Toleranzen klangliche Unterschiede zwischen den Kanälen auftreten, die mit einer reinen NF-Messung nicht erklärbar sind.

Bei übertragerlosen Eingängen tritt dieses Problem naturgemäß nicht auf, andererseits sind die Vorteile der perfekten Potentialtrennung durch Übertrager nicht zu unterschätzen.
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12 V- und 24 V-Phantomspeisung

Man muss zugeben, dass 10 mA Strom aus 48V besonders für batteriebetriebene Geräte eine harte Forderung darstellt. Daher ist die 12V- Phantomspei­sung in vieler Hinsicht die bessere Lösung. 12V erfor­dern meist keinen verlustbehafteten und aufwendigen Gleichspannungswandler, und das Mikrofon kann ebenso leistungsfähig sein wie 48 V-Typen. Die Speise­widerstände der 12V-Phantomspeisung sind zu 680 Ω genormt.

Der Markt hat sich aber für die 48V-Phantomspei­sung entschieden. Um eine „bessere Speisung“ durch­zusetzen, die es erlaubt, mehr Leistung in den Mikro­fonverstärker zu transportieren, wurde 1979 zusätzlich eine 24V-Phantomspeisung genormt, deren Speisewi­derstände zu nur 1,2 kΩ genormt sind. Es bestand die Vorstellung, dass alle zukünftigen Geräte so ausgerüs­tet werden sollten. Heute kann man sagen, dass dieser Gedanke zu spät kam.

Kein Gerätehersteller kann es sich erlauben, nur eine 24V-Phantomspeisung einzu­bauen. 48V müssten also zusätzlich verfügbar sein. Umgekehrt will kein Mikrofonhersteller ein Produkt anbieten, das nur an 24V funktioniert. Wenn also die Funktion an 48V ebenso gegeben ist wie an 24V, warum sollen dann die Gerätehersteller ihren Aufwand durch eine zusätzliche 24V-Speisung erhöhen?

Die möglichen Vorteile sind nicht überzeugend genug. Es ist unwahrscheinlich, dass die 24V-Phantomspeisung noch zum Zuge kommt, von Ausnahmefällen abgese­hen.
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Andere Phantomspeisungen

Außer der genormten Phantomspeisung nach Abb. 1 gib es noch eine Unterart, die ein gleichstrommäßiges Äquivalent darstellt. Abb. 2 zeigt diese Schaltung. Bei ihr ist ein Eingangsübertrager erforderlich. Er muss primärseitig eine Mittenanzapfung haben, in die mit dem halben Widerstandswert der Abb. 1 eingespeist wird. Sofern die beiden Übertragerhälften eine gute Symmetrie aufweisen, ist gegen diese Schaltungs­variante nichts einzuwenden. Allerdings bezieht sich die zu fordernde Gleichheit sowohl auf die Gleichstrom­widerstände der Wicklungshälften als auch darauf, dass sich die magnetischen Flüsse im Übertragerkern aufheben müssen.

Bei der 24 V- und besonders bei der 12 V-Ausführung bringt diese Schaltung den Vorteil mit sich, dass die Serienschaltung der Speisewiderstände zwischen den Adern gemäß Abb. 1 keine zusätzliche Last für das Mikrofon parallel zum Eingang darstellt. Bei der 48 V­ Speisung hat dieses Argument auf Grund der ver­gleichsweise hohen 2 x 6,8 kΩ jedoch keine praktische Bedeutung.

Eine besonders elegante Variante der Phantom­speisung mit “elektronischer Drossel” findet heute aus Kostengründen kaum noch Anwendung. Durch sie kann die Störsicherheit gesteigert werden.

Die Betriebs- Unsymmetrie- Dämpfung

Abb. 3 zeigt eine altbewährte Messanordnung, die dazu dient, praxisnah den Einfluss von Störungen auf das Mikrofon mit seinem Kabel zu untersuchen. Da das eingekoppelte Störsignal zur Speisespannung in Serie liegt, geht aus der Messung auch hervor, wie unempfindlich der Schaltkreis gegenüber einer etwai­gen Restwelligkeit der Versorgungsspannung oder einer Einkopplung von Nachbarkanälen über den zen­tralen Speisungspunkt ist.

Diese Messung wurde vor mehr als 20 Jahren routinemäßig vom IRT (Institut für Rundfunk-Technik) durchgeführt, als es noch seinen Sitz in Hamburg hatte. Das Ergebnis ist die so genannte Betriebsunsymmetrie­dämpfung, die meist frequenzabhängig ist. Sie ergibt sich aus der Beziehung: 20 lg (uStör/u’Stör )

Betriebsunsymmetriedämpfungen von mehr als 60 dB sind wünschenswert. Eine Störspannung von 1V ent­lang dem Kabel tritt also nur noch mit 1mV als Stör­signal auf. Gute Mikrofone können bei guter Symme­trie der Speisewiderstände (wie zuvor beschrieben) auch ohne weiteres 80dB Betriebsunsymmetriedämp­fung erreichen.

Wenn man die Störunempfindlichkeit noch höher treiben will, kann die schon erwähnte “elektronische Drossel” helfen. Sie sorgt dafür, dass die Gleichstrom­verhältnisse denen entsprechen, die bei normgerech­ter Speisung vorliegen, aber sie erhöht den Wechsel­strom-Innenwiderstand der 48 V-Spannungsquelle, so dass die Störspannung weniger in die Stromversor­gung eingespeist wird.

Hierzu ließe sich noch einiges sagen, aber zuvor bleibt der Wunsch, dass wenigstens die eingangs beschriebenen Grundvoraussetzungen an die Phan­tomspeisung realisiert werden.
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Vergessen Sie den Dämpfungs­schalter!

Manchmal lassen sich Störungen auf einfache Art reduzieren – vergessen Sie den Dämpfungsschalter!

Zu den Vorteilen von Kondensatormikrofonen gehört es, dass bei gleichen akustischen Pegeln etwa 20 dB mehr Pegel auf den Leitungen liegt als bei dynamischen Mikrofonen. Dadurch ist auch der Störspannungsab­stand bezüglich Stör-Einkopplungen auf das Kabel entsprechend besser.

Leider erwarten viele Anwender aber routinemäßig, dass Kondensatormikrofone einen Dämpfungsschal­ter haben, und manche Mikrofonhersteller scheinen diesen deshalb auch im Vordruck ihrer Pflichtenhefte verankert zu haben. Diesbezüglich wäre etwas mehr Überlegung meist besser als die Benutzung dieses Schalters.

Alte Kondensatormikrofone mit sehr kleinen Strom­aufnahmen konnten Schallpegel über 120 dB-SPL tat­sächlich nicht verzerrungsfrei übertragen. Vor allem deshalb ist der Dämpfungsschalter aufgekommen. Um auch höhere Pegel aufzunehmen, waren diese Mikro­fone darauf angewiesen. Moderne Kondensatormikro­fone mit Stromaufnahmen von 2 mA und mehr können heute aber ohne eingeschaltete Dämpfung Schallpegel übertragen, die früher nicht einmal mit Dämpfung ver­zerrungsfrei aufgenommen werden konnten.

Die Grenzschalldruckpegel aktueller Kondensator­mikrofone mit eingeschalteter Dämpfung erreichen daher auch Werte, deren größte Bedeutung in der Ver­öffentlichung eindrucksvoller Prospektwerte gesehen werden kann. Dabei wird leider kaum darauf hingewie­sen, dass sich in fast allen Fällen die Störspannung des Mikrofons kaum ändert, wenn die Dämpfung ein­geschaltet wird, und der effektive Störspannungsab­stand wird ganz erheblich schlechter, wenn auch noch Störungen auf dem Kabel hinzukommen.

Sofern der Einsatz von Dämpfungsschaltern damit begründet werden muss, dass die hohen Ausgangs­spannungen von Kondensatormikrofonen bei Grenz­schalldruck (Volt-Bereich) vom nachfolgenden Eingang nicht verzerrungsfrei übertragen werden können, muss festgestellt werden, dass die Dämpfung am Mikrofon dennoch der schlechteste Ort ist. Ein Dämpfungsglied, das man am Kabelende vor dem folgenden Eingang einfügt, kann besser helfen. Hier wird nicht nur das Signal, sondern auch eine etwaige Störspannung auf dem Mikrofonkabel gedämpft. Abb. 4 zeigt ein Schalt­bild.

Die korrekte Stromversorgung des Mikrofons durch die Phantomspeisung wird hierdurch nicht gefährdet. Der absolute Wert der Speisewiderstände, zu denen die Längswiderstände in Serie liegen, ist nämlich unkritisch. Wichtig ist nur, dass auch die Längswiderstände keine Unsymmetrie herbeiführen, also möglichst gleich sind. Die Impedanzverhältnisse bleiben in einem Rahmen, der studioüblich ist. Bei einem Mikrofon mit z.B. 40.Ω Innenwiderstand ergibt sich der Ausgangswiderstand zu 190 Ω.

Abb. 4: Dämpfung eines Mikrofonsignals mit Widerstandsnetzwerk (Pad) (vorzugsweise am Ende des Kabels)
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Schlussbetrachtung (aus 1998)

Bei den heutigen Qualitätsforderungen allgemeiner Art und der lebhaften Diskussion marginaler Klang­unterschiede, verursacht durch Röhre oder Transistor, 48 kHz- oder 96kHz-Abtastrate und vielem mehr, ist es Zeit für Geisteraustreibung. Fahrlässig realisierte Phantomspeisungen für Kondensatormikrofone dür­fen nicht Ursache sein für gravierende Einflüsse auf qualitativ hochwertige Tonproduktionen.

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