Was tun, wenn's brummt?

Aus Klang & Ton 6/99

Der Ausdruck Masse im deutschen Sprachgebrauch wird meist mit zwei Eigenschaften assoziiert: Gewicht und Massenträgheit. Beide Aspekte beschreiben einen Zustand der Stabilität. So ist auch in einer HiFi-Anlage die Signalmasse die Grundlage für alle Signale. Diese sollte an jeder Stelle der Anlage das gleiche Potential besitzen, ist sie doch der absolute Bezugspunkt für jegliches Musiksignal, von der Programmquelle bis zum Lautsprecher.

Musiksignal

Wie wichtig dieser Umstand ist läßt sich erst ermessen, wenn man das zu übertragende Musiksignal genauer in Augenschein nimmt: Hier geht es um komplexe Signalformen. Teile davon, welche quantitativ unter einem Promille des Gesamtsignals liegen, beinhalten dennoch signifikante Informationen über das Musikgeschehen. Hier geht es vor allem um Rauminformationen durch Reflexionen im Aufnahmeraum, aber auch z.B. um Oberwellen, die für die Beschreibung von Klangfarben bedeutend sind. Wenn wir der Einfachheit halber von einem Signalpegel in der Größenordnung von einem Volt ausgehen, so machen sich dort Änderungen im Massepotential, die kleiner als ein Millivolt sind, bereits klanglich unangenehm bemerkbar.

Potential

Überall wo Strom fließt, entsteht über dem Innenwiderstand des Leiters ein Spannungsabfall. Das heißt das Potential an beiden Enden unterscheidet sich um diesen Spannungsabfall. Auf die Masse bezogen ergeben sich daher zwei Forderungen:

1. Der Innenwiderstand der Masse sollte möglichst gegen Null gehen. Nach dem Ohmschen Gesetz ist der Spannungsabfall bei gegebenem Strom direkt proportional zum Widerstand. Also je kleiner der Widerstand, desto kleiner der Spannungsabfall.

2. Es sollten möglichst keine Ströme über die Masse fließen. Denn wo kein Strom fließt, fällt über einem gegebenen Widerstand auch keine Spannung ab.

Wie so oft steckt auch hier der Teufel im Detail. Aber betrachten wir hier erst einmal die Verhältnisse innerhalb einer Anlage. Die Optimierung der Masseführung im Gerät selbst bietet Stoff genug für einen eigenen Artikel.

Massefehler

Es gibt zwei Standardfehler bei der Masseführung innerhalb einer Anlage, die zu einem deutlich vernehmbaren Brummen führen. In beiden Fällen ist die Anlage an mehreren Punkten geerdet, was zu sogenannten Brummschleifen führt.

Antennenkabel

Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn ein Tuner an eine Hochantenne oder ans Breitbandkabelnetz angeschlossen ist, und ein anderes Gerät der Anlage mit der Netzerde verbunden ist. Abhilfe schafft hier die Verwendung eines Mantelstromfilters in der Antennenzuleitung. Dieser ist nichts anderes als ein Transformator, trennt den Tuner also galvanisch von der Antenne ab. Da hier nur HF-Signale übertragen werden müssen, können im niederfrequenten Bereich keine Ströme mehr fließen.

Monoblöcke

Ein anderer Fall kann auftreten, wenn mit Monoblöcken gearbeitet wird, die jeweils über das Netzkabel geerdet sind. Die Massen für den rechten und linken Kanal kommen gemeinsam von der Vorstufe, trennen sich dann bei den Endstufen und treffen sich an der Netzerde wieder. Wenn dann auch noch die Vorstufenmasse über den Schutzleiter zur Steckdosenleiste geführt wird, ist das Brummen vorprogrammiert.

Der oftmals beschrittene Weg, den Schutzleiter der Endstufen einfach abzuklemmen oder einfacher noch an den Netzsteckern mit Isolierband abzukleben funktioniert durchaus, aus Sicherheitsgründen ist von einem solchen Schritt allerdings dringend abzuraten; denn elektrische Geräte sind nicht einfach nur so zum Spaß geerdet! Im Falle eines Defekts kann Netzspannung an Gehäuseteilen anliegen, was leicht tödlich enden kann. Und machen wir uns nichts vor: Technische Geräte sind selten perfekt.

Man kann dieses Problem in den Griff bekommen, indem man auch hier wie beim Antennenbeispiel Vor- und Endstufen galvanisch trennt, das heißt in den Signalweg einen Übertrager einschleift. Die Qualität eines Übertragers an dieser Stelle, mitten im Signalweg, ist definitiv klangbestimmend. Allerdings hat ein hochwertiger Übertrager durchaus noch weitere Vorteile. In der Studiotechnik ist es daher üblich, an den Ein- und Ausgängen eines jeden Gerätes Übertrager zu verwenden.

Übertrager

Unter dem Blickwinkel der Masseausgleichsströme über die Signalleitungen betrachtet, wird der Sinn einer Übertragerkopplung augenscheinlich: Ohne Masseverbindung gibt es keine Ausgleichsströme über dieselbe. Hier tut es nichts zur Sache, daß die eingangs erwähnte Forderung nach einer niederohmigen Masse seine Grenze hat. Ohne Masseverbindungen untereinander kann jedes Gerät optimal für sich arbeiten. Niederohmig sollte es dann im Gerät selbst weitergehen.

Übertrager gibt es in normaler und
symetrischer Ausführung
zum Preis von 50 bis 200 DM.

Netzerde und Signalmasse müssen nicht unbedingt direkt miteinander verbunden sein. In vielen Fällen wird die Signalmasse über einen kleinen Kondensator mit etwa 0,1µF und einem 100 Ohm Widerstand in Reihe an ein geerdetes Gehäuse gelegt. Hochfrequente Störkomponenten können so über die Erde abgeleitet werden, ohne daß Masseausgleichsströme, die meist aus 50 Hertz Signalen bestehen, fließen können.

Gehäuse ohne Erde

Es hat sich inzwischen bei kommerziellen Geräten auf breiter Front durchgesetzt, bei der Auswahl von Netztransformatoren und Schaltern eine Schutzklasse zu wählen, die eine Erdung des Gehäuses unnötig macht. Somit gibt es auch keine Brummprobleme beim Betrieb von Monoendstufen. Allerdings lohnt sich dann der Versuch, das Gehäuse einer Vorstufe als zentralen Punkt, an dem alle Signalkabel zusammenfließen, zu erden.

Anschließend analysieren wir nun die Masseanbindung einzelner Geräte an die HiFi-Anlage und geben Tips zur Verbesserung.

Plattenspieler

Der gute alte Plattenspieler stellt einen Sonderfall dar: Hier hat die Stromversorgung erst einmal nichts mit dem Nutzsignal zu tun, sondern dient einzig und allein dazu, den Plattenteller anzutreiben. Denkt man. Das System selbst besitzt für jeden Kanal getrennte Spulen, deren einer Anschluß im Verstärker auf Masse gelegt, und deren anderer als heißer Leiter verwendet wird. Die Ausgangsspannungen dieser Systeme sind mit 0,5 bis 5 Millivolt sehr klein, und deshalb empfänglich für alles, was so in der Atmosphäre herumgeistert.

Hier finden sich vor allem 50 Hertz Wechselfelder aus dem Stromnetz, aber auch jede Menge anderer Frequenzen und Signalformen, wobei der Ausdruck Elektrosmog gar nicht so weit hergeholt scheint. Auch der Plattenspielermotor selbst stellt eine Störquelle dar, und die Summe aller Störungen tummelt sich auf den Metallteilen von Chassis, Plattenteller und Tonarm. Um sie abzuleiten, gibt es einen separaten Massedraht, der an der Massebuchse der Vorstufe angeschlossen wird. Dieser Massedraht sollte wesentlich niederohmiger sein, als die Signalleitungen, deren eine Seite ja auch an Masse liegt, um gut zu funktionieren. Ein Drahtquerschnitt von 0,25mm² ist allgemein üblich. Hier ist eine Vergrößerung des Querschnitts auf 1,5mm² oder sogar 4mm² meist deutlich hörbar.

CD-Player

Die Ausgangsmasse eines CD-Spielers ist meist weit vom Ideal entfernt. Im CD-Spieler selbst wird mit steilflankigen Digitaltakten im Megahertzbereich gearbeitet, und HF geht bekanntlich ihre eigenen Wege. Die eingebauten Ausgangsfilter sind zwar in der Lage, Störkomponenten oberhalb des Audiobereichs von 20 Kilohertz herauszufiltern, gegen Fragmente des Digitalsignals, die sich im Gerät selbst auf der Betriebsspannungszuleitung ungehemmt fortpflanzen, sind sie allerdings machtlos. Selbst die Masse, eigentlich ein Universalheilmittel gegen derlei Störungen, wird fast immer infiziert und leitet somit diese Störkomponenten an den Rest der Anlage weiter.

Ebenso ergeht es dem Netzkabel, das nicht nur die Funktion einer Antenne übernimmt, und HF ausstrahlt, sondern auch diese HF über die Steckdosenleiste in den Rest der Anlage einspeist. Die klanglichen Auswirkungen sind drastisch. Bei einzelnen Geräten reicht es, sie einfach in die Netzsteckdosenleiste einzustöpseln und einzuschalten ohne eine Signalverbindung herzustellen, um die Tiefe der räumlichen Abbildung der restlichen Komponenten der Anlage komplett zunichte zu machen.

Netzfilter

Deutlich besser wird es bereits mit einem geschirmtem Netzkabel, einen richtigen Durchbruch erzielt aber meist erst ein spezieller Netzentstörtransformator. Er trennt den CD-Spieler galvanisch vom Netz und ist bei geschicktem Aufbau in der Lage, einzelne Geräte HFmäßig in beide Richtungen vom Netz zu isolieren. Störungen vom Netz lassen also den CD-Spieler kalt, und der wiederum stört den Rest der Anlage nicht. Ein solches Konzept mit zwei Transformatoren wurde bereits in Klang+Ton 2/96 besprochen, und verbessert selbst den Klang eines Plattenspielers mit Synchronmotor deutlich, indem es für sauberen Strom sorgt.

Hochfrequenz auf der Signalmasse entkoppelt man am einfachsten mit einem speziellen Übertrager. Dieser hat außerdem den Vorteil einer galvanischen Trennung, so daß keine Masseausgleichsströme mehr fließen können. Hier gibt es übrigens auch Modelle, mit denen das Signal von unsymmetrisch auf symmetrisch oder umgekehrt ohne weitere Bauteile im Signalweg gewandelt werden kann.

Vorverstärker

Hier laufen die Signalmassen aller Geräte zusammen, und somit ist er auch der Summationspunkt für Masseausgleichsströme. Es empfiehlt sich, die Masseleitung zwischen den Cinchbuchsen der Eingänge mit einem Stück 0,75mm² Kupferdraht unter der Platine, in die diese eingelötet sind, zu verstärken. Der Vorverstärker ist der ideale Punkt, um eine Anlage zu erden, da hier alle Signalmassen zusammenkommen.

Steckdosenleiste

Auch hier lohnt es sich, ein Augenmerk auf die Vorgänge im Innern zu legen. In einer handelsüblichen Steckdosenleiste fließt der Strom von einem Ende zu den einzelnen Geräte, die längs einer Stromschiene der Reihe nach angeordnet sind. Im Betrieb fallen über diesen Stromschienen zwischen den Steckplätzen der Geräte durch die Stromentnahme derselben und dem Innenwiderstand dieser normalerweise aus Messing gefertigten Schienen Spannungen ab. Diese Spannungsabfälle, welche die Ruhepotentiale verschieben, sind zusätzlich abhängig von der Stromentnahme, und so kann ein Verstärker, der mit einem Musiksignal betrieben wird, im Takt der Musik die Potentiale der Gesamtanlage hin und her schieben.

Ein an allen Steckkontakten verlöteter stabiler Kupferdraht von mindestens 1,5mm² parallel zu den Messingschienen hilft, diesen Effekt zu minimieren. Des weiteren sollten Geräte mit hoher Stromaufnahme direkt in die erste Steckdose eingesteckt werden, um die Ströme, welche über die gesamte Länge der Stromschienen fließen und dadurch alle Geräte beeinflußen, klein zu halten.

Fazit

Zum optimalen Betrieb von HiFi-Geräten in Bezug auf die Masseführung gibt es zwei Varianten. So niederohmig wie möglich oder aber komplett galvanisch voneinander getrennt.