Die Masse, das unbekannte Wesen

Immer wieder scheint es mir, als wäre die Masse das was an der ganzen Audioelektronik am wenigsten verstanden wird. Das betrifft nicht bloß die Benutzer, von denen man das wohl auch kaum anders erwarten kann, sondern durchaus auch die Hersteller, Händler und Journalisten. Meiner bescheidenen Ansicht nach sind Masseprobleme der Grund Nummer 1 warum eine Anlage schlechter spielt als sie könnte. Die üblichen Verdächtigen des High-End spielen dagegen eine nur sehr untergeordnete Rolle.

Das Problem dabei ist, daß die Symptomatik sogar für viele Fachleute ziemlich undurchsichtig sein kann. Viele der Probleme kommen auch überhaupt erst zutage wenn man mehrere Geräte zusammensteckt, und finden daher weder bei den Messungen des Herstellers, noch bei Zeitschriften-Tests irgendeine Beachtung. Ein- und dasselbe Gerät kann so auf dem Labortisch ein einwandfreies Bild abgeben, und in der Anlage dennoch Probleme machen. Wer weiß, vielleicht ist das ja auch eine der Ursachen dafür daß viele Leute davon reden, man müsse eine Anlage "abstimmen". Wenn eine Anlage ein Masseproblem hat, dann kann beim Austausch einzelner Komponenten sich das Fehlerbild fast beliebig ändern, auch beliebig subtil.

Da die Masse immer verbunden ist, sogar wenn ein Gerät ausgeschaltet ist, hängt im Grunde alles mit allem zusammen, und Dinge können einen Einfluß haben an die kaum jemand denken würde. Umso mehr, je mehr Geräte da zusammengesteckt werden.

Das Problem hat unmittelbar damit zu tun, daß in der Hifi-Technik praktisch durchgehend unsymmetrische Verbindungen verwendet werden. Und die verwendet man vor Allem aus historischen Gründen. Sie sind zwar auch ein bißchen billiger als die symmetrischen Verbindungen, aber das würde einen Umstieg nicht verhindern. Der Hauptgrund dafür warum man bei unsymmetrischen Verbindungen bleibt, ist die Kompatibilität zu bisherigen Geräten. So gut wie alle Geräte haben Cinch-Anschlüsse, und daher wird erwartet daß auch alle neuen Geräte damit ausgerüstet sind. Man ist de facto als Hersteller gezwungen, die problematische Technik beizubehalten.

Eine unsymmetrische Verbindung hat zwei Kontakte, und sie heißt deswegen unsymmetrisch weil diese beiden Kontakte sehr unterschiedliche Rollen spielen. Es gibt einen Kontakt für's Signal, und einen für die Masse. Wenn es mehrere Signale gibt, die zugleich übertragen werden, dann kann man den Masseanschluß für diese Signale auch gemeinsam machen. Das passiert unter Anderem beim Klinkenstecker, z.B. an Kopfhörern, oder beim Mini-Klinkenstecker der bei PC-Soundkarten so verbreitet ist. Auch die alten DIN-Stecker (auch Diodenstecker genannt) haben für alle Signale einen gemeinsamen Masseanschluß.

Die unsymmetrische Übertragung geht davon aus daß alle beteiligten Geräte auf dem gleichen Massepegel liegen, und der Sinn der Masseverbindung ist es, diese Grundbedingung herzustellen. Die Qualität der Signalübertragung hängt davon ab wie gut die Übereinstimmung der Massepegel im konkreten Fall ist, denn jeder Unterschied wirkt als Störung auf das Audiosignal.

Auf den ersten Blick scheint das kein Problem zu sein. Man verbindet die Massen der Geräte per Kabel, damit sind sie auch auf dem gleichen Pegel. Auf einem Schaltplan scheint es ebenso einfach zu sein, da hat man für die Masse ein Symbol, und alle diese Symbole sind als untereinander verbunden zu denken. Die Masse (daher auch der Name) wird als metallener Klumpen betrachtet, der überall einen einheitlichen Spannungspegel hat, und daher auch als Bezugspunkt für die Audiosignale in Frage kommt. Man tut so als wäre jeder Punkt im weitverzweigten Massenetz einer Anlage mit jedem anderen Punkt des Massenetzes austauschbar.

In der Praxis ist es aber nicht immer so. Es gibt diverse mögliche Ursachen dafür daß Ströme in diesem Massenetz kursieren, die nichts mit dem Audiosignal zu tun haben. Und da die Widerstände bzw. Impedanzen in diesem Massenetz nicht gleich Null sind, ergeben sich daraus auch Differenzen in den Massepegeln an verschiedenen Punkten (Ohm'sches Gesetz). Und damit Audiostörungen.

Diese Störungen können sehr unterschiedlich stark sein, je nach den konkreten Umständen. In einem Fall ist es vielleicht bloß meßtechnisch nachweisbar, in anderen Fällen brummt oder rauscht es kräftig. Das sind normalerweise keine Einstrahlungen, es ist ein gänzlich anderer Mechanismus der solche Störungen produziert. Man spricht von einer Kopplung durch eine gemeinsame Impedanz. Die gemeinsame Impedanz, das ist in diesem Fall die Impedanz der Masseverbindung, durch die sowohl der Signalstrom als auch der Störstrom fließt.

Das läßt schon erkennen, daß man diese Störungen z.B. dadurch bekämpfen kann, indem man die Impedanz der Masse so klein macht wie es geht. Dadurch löst man allerdings das Problem nicht prinzipiell, sondern man verringert es nur. Und als Gerätekäufer hat man auch nur begrenzte Möglichkeiten dafür. Man kann zwar Kabel mit sehr niederohmiger Masseverbindung einsetzen (das bedeutet in der Regel ein großzügig dimensioniertes Schirmgeflecht), aber an den Verhältnissen in den Geräten selbst, speziell den Impedanzen der Masseverbindungen darin, ändert man damit nichts. Wenn die Impedanzen im Gerät schon größer als im Kabel sind, dann bringt ein noch stärkeres Kabel nichts mehr.

Wer verstehen will was sich da abspielt mit den Störströmen, der kommt meist nicht recht auf einen grünen Zweig wenn er sich gedanklich mit den Spannungspegeln beschäftigt. Besser ist es man denkt in Strömen, und dem Weg den sie nehmen. Für viele Elektriker und Elektroniker ist das eine ungewohnte Betrachtungsweise. Vielleicht ist das der Grund warum in dieser Sache so viel Unverstand herrscht.

Die meisten Gegenmaßnahmen gegen die Kopplung über eine gemeinsame Impedanz versuchen zu erreichen, daß es keine gemeinsame Impedanz menr gibt. Das heißt daß die Störströme nicht mehr den gleichen Weg nehmen wie die Signalströme. Eine ganze Reihe von unterschiedlichen Maßnahmen und Tricks laufen letztlich auf diese Zielsetzung hinaus.

Zum Beispiel die sternförmige Masseführung. Wenn Störströme und Signalströme auf verschiedenen "Strahlen" des Sterns fließen, dann treffen sie sich bloß im Sternpunkt, haben aber keinen gemeinsamen Weg. Damit fällt auch die Kopplung praktisch aus. Problem ist bloß: Man kann zwar die Masseverdrahtung innerhalb eines Gerätes sternförmig organisieren, wenn mehrere solche Geräte aber zusammengesteckt werden, dann ist das Gesamtgebilde in vielen Fällen nicht mehr sternförmig, und der Trick versagt. Innerhalb eines Gerätes entscheidet der Entwickler über die Masseführung, und wenn keine Schrauben abfallen oder Tuner rangelassen werden, dann bleibt das auch so. über das Zusammenstecken entscheidet dagegen der Kunde, und der weiß in der Regel weder über die Masseproblematik Bescheid, noch kennt er die interne Signalführung der Geräte. Das Ergebnis ist daher meist unabsehbar.

Zudem nutzt der Stern auch bloß, wenn wirklich der Signalstrom und der Störstrom auf verschiedenen Strahlen fließen. Das kann man beim Zusammenstecken von Geräten aber nicht immer garantieren.

Eine andere Taktik ist, die Masseanschlüsse aller Cinch-Buchsen direkt mit dem Metallgehäuse des Gerätes zu verbinden, und das Gehäuse somit als einheitliche Massefläche zu behandeln. Das hat erhebliche Vorteile wenn es um die Abschirmung gegen eindringende Funksignale geht, aber unser Problem mit der gemeinsamen Impedanz wird dadurch nicht unbedingt gelöst. Immerhin trennt sich so typischerweise schon direkt an der Buchse der Störstrom vom Signalstrom, und eine solide Masseverbindung im Kabel (ein dicker Schirm) hilft dann tatsächlich. Im Gerät kann man so aber die Masse nicht mehr sternförmig verkabeln, man muß sich also überlegen wie man mit unterschiedlichen Massepegeln umgeht, und erreicht daß alle Störströme im Gehäuse fließen und nicht durch die Schaltung.

Die konsequenteste Lösung ist die symmetrische Verbindung, denn da spielt die Masse nicht mehr die Rolle einer Referenz für das Signal. Damit ist es auch nicht mehr wichtig daß im ganzen Massenetz der gleiche Pegel herrscht. Die Störströme dürfen in der Masse fließen, ohne daß es einen Einfluß auf die davon getrennte Signalverkabelung zu haben braucht. Dazu ist aber nötig daß man nicht den Fehler begeht und dem Störstrom in der Masse wieder einen Pfad durch die Geräteelektronik ebnet. Um das zu gewährleisten muß man in der Praxis sauber unterscheiden zwischen der Schirmungs- und Gehäuse-Masse, in der die Störströme fließen dürfen, und der Signalmasse, die sauber bleiben muß. Das kann man bei der symmetrischen Verbindung auch, denn man braucht die Signalmasse nur innerhalb eines Gerätes. Für die Verbindung zu einem anderen Gerät ist sie nicht nötig und sollte daher auch gar nicht auf einen externen Anschluß geführt werden. Leider findet man bei vielen Geräten die Signalmasse an den symmetrischen Anschlüssen, wo sie eigentlich nichts zu suchen hätte. Das bildet nur ein mögliches Einfallstor für Störströme, die dann in der Elektronik herumvagabundieren und oftmals dort im Gerät ein Stück gemeinsamen Weg mit einem Audiosignal finden, wodurch wir wiederum die bekannte Kopplung haben.

Bei symmetrischen Verbindungen gilt also die Regel: Masseverbindungen und Schirmung sind immer die Gehäuse-Masse, die Signalmasse taucht gar nicht auf. Pegelunterschiede in der Masse zwischen den Geräten sehen für das empfangende Gerät dann so aus wie ein Gleichtaktsignal, und das wird durch die Differenzbildung unterdrückt, die zum symmetrischen Funktionsprinzip gehört.

Aber so sinnvoll und richtig es auch wäre, symmetrische Verbindungen hat man bei der Hifi-Technik so gut wie gar nicht. Man muß mit der unsymmetrischen Technik auskommen, und da gibt es keine Taktik, die man generell anwenden kann um Probleme zu vermeiden. Alles was man tun kann hat auch wieder irgendwelche Nachteile die in bestimmten Konstellationen dann wieder Probleme machen können.

Dem Ideal einer universellen Taktik noch am nächsten kommt der Einsatz von Übertragern zur galvanischen Trennung. Ein Übertrager trennt den Störstromkreis auf und überträgt nur das Nutzsignal. So weit wenigstens das Idealbild; in der Praxis ist ein Übertrager kein ideales Bauteil, was sich auf der einen Seite als Verzerrungen des Audiosignals äußern kann, auf der anderen Seite führen parasitäre Kapazitäten dazu daß hochfrequente Störströme nicht komplett unterdrückt werden. Leider ist die Tendenz bei Übertragern daß die besseren Modelle auch deutlich teurer sind. Generell aber werden Übertrager unterschätzt, und sie bieten auch heute noch oft die beste, einfachste und wirkungsvollste Lösung eines Störungsproblems.

Wo die Übertrager hin müssen hängt davon ab wo die Störströme in der Masse fließen, und damit sind wir beim Punkt wo diese Störströme eigentlich her kommen.

Die heftigsten Störströme kommen dann zustande, wenn man die Anlage an ein Massenetz anschließt, das sich noch weit über die eigentliche Anlage hinaus erstreckt. Damit ein Störstrom durch die Anlage fließen kann muß es zwei solche Verbindungen geben, eine einzige bildet noch keinen Pfad. In vielen Anlagen, in denen dieses Problem auftaucht, sind diese zwei Verbindungen der Schutzleiter der Netzstromversorgung auf der einen Seite, und der Schirm der Antennen- oder Kabelanlage auf der anderen Seite. Beide sind irgendwo im Gebäude geerdet, aber oft nicht an der gleichen Stelle. Damit gehört zum weitverzweigten Massesystem, zu dem jetzt die Anlage dazugehört, so gut wie die ganze elektrische Hausinstallation, und Differenzen in den Massepegeln treiben Ströme an, die durch die Hifi-Anlage fließen.

Die Antriebskraft für solche Störströme ist oft der Induktionseffekt. Dabei entsteht ein Strom in einer geschlossenen Leiterschleife, wenn ein magnetisches Wechselfeld durch die Schleife hindurch geht. Umgekehrt erzeugt ein Wechselstrom in einer Schleife genau so ein Wechselfeld. Die elektrische Verkabelung in den Häusern erzeugt also solche Felder, und die werden durch benachbarte Leitungen auch wieder in Ströme umgewandelt. Es funtioniert wie ein Transformator, aber mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad. Je mehr Stom wir verbrauchen desto stärker werden die Wechselfelder, und desto mehr Störstrom bekommen wir auch in der Masseverkabelung.

Gegen solche magnetische Wechselfelder kann man nur sehr schlecht abschirmen. Zumindest gilt das für die niedrigen Frequenzen wie man sie im Stromnetz findet. Es hilft wenn man die von der Leiterschleife umschlossene Fläche so klein wie möglich macht, dann kann auch entsprechend wenig Feld auf die Schleife wirken. Am besten ist das Verdrillen der Hin- und Rückleitung. Da aber die Massekabel aus unserem Beispiel schon in den Wänden liegen hat man darauf keinen Einfluß.

Wer ein Multimeter hat, das einen Meßbereich für Wechselstrom hat, der kann probehalber den Strom messen, der fließt wenn man die Masse der Antennenanlage bzw. Kabelanlage an einer Antennensteckdose verbindet mit dem Schutzleiter einer benachbarten Steckdose. Dieser Strom würde durch eine Hifi-Anlage fließen, wenn man sie an beide anschließt. Das können schnell einige zig oder 100 mA werden. Das ist der Strom, der zum bekannten Brummen führt, das allgemein als "Brummschleife" bekannt ist. Die Schleife führt in diesem Fall durch's ganze Haus, bis zu dem Punkt an dem sich die Erdung der Antennenanlage und die Erdung des Stromnetzes treffen.

Wenn dieser Strom nicht durch die Masseverbindungen der Anlage fließen soll, dann darf die Anlage nicht gleichzeitig mit der Antennenanlage und mit dem Schutzleiter verbunden sein. Manche Oberschlaue unterbrechen die Schutzleiterverbindung, aber das ist nicht umsonst verboten, denn es ist gefährlich, weil es eine Zeitbombe installiert, die bloß auf einen weiteren Fehler warten muß um zu einem Unfall zu werden. Die bessere Lösung ist die Verwendung eines sog. Mantelstromfilters in der Antennenleitung, was wieder ein Übertrager sein könnte, der eine galvanische Trennung bewirkt. Das geht aber nicht bei Satellitenanlagen, wo in der Antennenleitung eine Speisespannung geführt wird, die durch einen Mantelstromfilter unterbrochen würde.

Was auch funktionieren kann ist, wenn man eine Netzleiste benutzt die auch für die Antennenleitung einen "Filter" eingebaut hat. Der entscheidende Punkt ist hier nicht der Filter, sondern daß in der Leiste der Schutzleiter mit der Masse der Antennenbuchse verbunden ist. Der Störstrom kann dann durch diese Verbindung fließen, und nicht mehr durch die Anlage. Dazu muß die gesamte Anlage durch diese Leiste versorgt werden, oder wenigstens die Geräte, die einen Schutzleiteranschluß haben.

Wegen dieses Problems werden Hifi-Geräte meistens als schutzisolierte Geräte gebaut, die keinen Schutzleiteranschluß brauchen (und auch gar nicht haben dürfen). Für viele Fälle beschränkt sich damit die Verbindung zu einer größeren Massestruktur auf den Antennenanschluß, und wir haben gesehen daß eine Verbindung allein noch kein Problem darstellt.

Das wird aber in dem Moment hinfällig, in dem ein PC an die Anlage angeschlossen wird, denn PCs haben fast grundsätzlich Schutzleiteranschluß. Aus diesem Grund fängt bei Vielen das Brummen in dem Moment an in dem ein PC zur Anlage dazu kommt.

Aber auch ohne PC kann es Probleme geben, selbst wenn eigentlich bloß eine Masseverbindung nach "außen" existiert, und das kommt davon daß Störströme auch kapazitiv übertragen werden können, also ohne direkte Drahtverbindung. Das funktioniert umso besser je höher die Frequenzen werden, weshalb es bei 50 oder 100 Hertz, wie im Stromnetz, meist noch kein nennenswertes Problem gibt. Da aber auch bei Hifi immer mehr Schaltnetzteile verwendet werden (bei PC's und TV-Geräten sowieso), sind neuerdings viel höhere Frequenzen im Spiel, und die kommen viel leichter durch irgendwelche Kapazitäten, die entweder parasitär in einem Transformator existieren, oder gewollt in einem Netz-Entstörfilter.

Letztlich heißt das, daß unter Umständen genug Kapazität vorhanden ist, um auch ohne Schutzleiterverbindung einem merklichen Störstrom zuzulassen. Je mehr Geräte zusammengeschaltet sind, je eher kann es zu einem Strom kommen der stark genug ist um sich bemerkbar zu machen. Das bedeutet daß es keine komplette Problemlösung ergibt, wenn die Geräte schutzisoliert sind. Es hilft, aber es ist unter Umständen nicht die ganze Miete.

Die kapazitiv übertragenen Ströme können auch ohne Antennenverbindung noch zu Problemen führen, wenn sie stark genug sind. Kein Brummen oder Rauschen, aber meßbare und im Extremfall hörbare Störungen.

Die unsymmetrische Verbindung war bei weitem ausreichend als sie eingeführt wurde, in Zeiten von Mono-Dampfradios und Schellack-Platten. In der Zwischenzeit sind auf der einen Seite die technischen Daten immer besser geworden, und eine Anlage umfaßt immer mehr Geräte. Zudem gab es damals kaum geerdete Antennenanlagen, und schon gar keine Satellitenanlagen oder Kabelanlagen. Und der Stromverbrauch im Haushalt war viel geringer, entsprechend geringer auch die Felder. Schließlich gab's auch keine Schaltnetzteile im Haushalt. All das hat einzeln gesehen nur geringfügige Bedutung, aber es summiert sich. Es führt dazu daß es heute ziemlich schwierig sein kann dafür zu sorgen daß eine größere Anlage auch die technischen Daten ausspielen kann, die jedes einzelne Gerät für sich genommen haben sollte.

Es ist auffällig, daß High-End-Geräte, gerade auch die von kleineren Herstellern, überdurchschnittlich oft einen Schutzleiteranschluß haben. Das ist auch nicht weiter verwunderlich, denn ansonsten müßten sie schutzisoliert sein. Im Zusammenhang mit unsymmetrischen Cinch-Verbindungen führt das aber schnell zu Brummschleifen. Ich finde daher, daß Geräte mit unsymmetrischen Anschlüssen schutzisoliert sein sollten, andernfalls muß man damit rechnen in Übertrager investieren zu müssen. Genau genommen finde ich daß es langsam an der Zeit wäre, zu symmetrischen Verbindungen überzugehen, aber das wird kaum durchzusetzen sein.

Die Kosten wären gar nicht das Problem. Aber außer dem Problem mit der Rückwärtskompatibilität mit den letzten 60 Jahren müßte man dafür noch mit dem High-End-Vorurteil fertig werden daß symmetrische Verbindungen schlechter sein sollen, weil man dazu mehr Verstärkerstufen braucht. Dabei müßte man schon sehr schlampig arbeiten um eine Verstärkerstufe so schlecht zu machen daß sie sich hier bemerkbar machen würde.

Eher schon wird die Lösung aus der digitalen Ecke kommen. Eine Toslink-Verbindung ist automatisch störunanfällig und bewirkt eine galvanische Trennung. Wenn sie mechanisch zuverlässiger wäre gäbe es wenig zu kritisieren. Eine Ethernet-Verbindung beinhaltet immer auch Übertrager und damit eine galvanische Trennung. Wenn die Übertragung drahtlos wird dann sowieso. Das könnte irgendwann das Problem durch die Hintertür lösen.

Wenn es dann noch Audiomaterial gibt, das sich störungsfrei abzuspielen lohnt.