The difference between MM / MC / MI / Optical Cartridges

[LowFi]

Ein bisschen technische Aufklärungsarbeit / Information für Vinyl Newbies    einfach erklärt !

Es geht hier nicht darum welche Technologie State of the Art ist sondern beschreibt lediglich Ihre techischen Funktionalitäten.


MM ( Moving Magnet ) Cartridges

Die heutzutage wohl gängigste und vor allem im Einsteigerbereich dominierende Tonabnehmertechnologie. Am oberen Ende des Nagelträgers befindet sich ein Magnet, der sich angeregt durch die Bewegung der Nadel in der Rille zwischen zwei Spulen bewegt. 

Physikalisch gesehen ist der MM-Tonabnehmer ein elektromagnetischer Wandler: Die Flussänderung im Magnetkreis ist an die Inhomogenität des Magnetfeldes gekoppelt - je größer diese ist, desto größer ist das Signal. Das MM-Prinzip liefert vergleichsweise hohe Signalspannungen, so dass nach dem üblichen Entzerrer-Vorverstärker eine recht einfache Vorverstärkung mit vorwiegend 47kOhm Eingangswiderstand ausreicht. Bis Ende der 1990er Jahre, und auch heute noch gelegentlich, waren viele HiFi-Vollverstärker mit einem für MM-Systeme geeigneten Phono-Eingang ausgestattet.

   


MC ( Moving Coil ) Cartridges

Mechanisch ähnelt die MC-Konstruktion einem MM-System, nur dass sich hier eine Spule am Ende des Nadelträgers befindet und der oder die Magnet(e) fixiert sind. Moving Coil ist also ein elektrodynamischer Wandler, der relativ geringe Signalspannungen liefert und daher eine sehr hochwertige und rauscharme zusätzliche Vorverstärkung benötigt.

Für MC geeignete Phono-Vorverstärker haben - meist einstellbare - Eingangsimpedanzen sowie eine Abschlussgain. Viele gängige Phonovorverstärker können zwischen MC- und MM-Betrieb umgeschaltet werden. Die Vorteile des MC-Prinzips liegen - ganz allgemein gesprochen - im potentiell geringeren Gewicht der auf dem Nadelträger angebrachten Spule. Da kein schwerer Magnet hin und her bewegt werden muss, ist eine detailliertere Abtastung möglich. MC-Tonabnehmer sind in der Regel teurer als MM-Systeme und stellen auch höhere Anforderungen an den Rest der Wiedergabekette. In Bezug auf die Klangqualität sind sie in der Regel (nicht immer) einem MM / MI System überlegen.

   

MI ( Moving Iron ) MP ( Moving Permalloy ) Cartridges

Das dritte magnetische Abtastprinzip wird - zu Unrecht - oft übersehen. Im High-End-Segment sind z.B. ADC , Soundsmith aus den USA , Goldring aus England oder Nagaoka aus Japan bekannte Verfechter des MI-MP Prinzips; der japanische Traditionshersteller Nagaoka platziert seine MP-Tonabnehmer im unteren und mittleren Preissegment als klanglich überlegene Alternative zu MM-Systemen. Wie beim MM-Prinzip sind auch hier die Spulen fest montiert. Am Ende des Nagelträgers befindet sich jedoch kein schwerer Magnet, sondern nur ein winziges Stück eines magnetischen Metalls (entweder "Eisen" oder sogenanntes Mu-Metall, "Permalloy"). Je nach Tonabnehmer ist dieses Metallstück sogar leichter als die Spule eines MC-Tonabnehmers, was zu einer noch besseren Abtastung der Plattenrille führen kann. MI- und MP-Tonabnehmer sind ebenfalls elektromagnetische Wandler, liefern also hohe Signalspannungen und können am MM-Eingang des (Vor-)Verstärkers betrieben werden.

   

Optical ( LED ) Cartridges

Technische Besonderheiten der Lichttonabnehmer

Bewegte Masse
Einer der Hauptvorteile der optischen Tonabnehmer ist die extrem geringe bewegte Masse. Diese liegt deutlich unter der von herkömmlichen MM / MC / MI Tonabnehmern. Das steigert die Abtastfähigkeit und Feinauflösung und damit die Natürlichkeit und Klarheit der Wiedergabe.

Lenzsche Regel
Die Lenzsche Regel besagt, dass das durch den induzierten Strom aufgebaute Magnetfeld einer Spule gegen den Stromfluss wirkt. Man nennt das elektro-motorische Kraft (EMK) und in diesem speziellen Fall „Gegen-EMK“. Dieser höchst unerwünschte, aber unvermeidliche Effekt betrifft sowohl 
MM / MC / MITonabnehmer, nicht jedoch die optischen Tonabnehmer .

RIAA-Entzerrung
Während bei allen klassischen Tonabnehmern die generierte Ausgangsspannung proportional zur Geschwindigkeit der Nadelbewegung steigt, liegt an den optischen Systemen eine von der Frequenz unabhängige Spannung an. Damit genügt eine ganz einfache passive RIAA-Entzerrung, die das Ausgangssignal geringstmöglich manipuliert.

Verstärkung
Ein herkömmlicher Phonovorverstärker muss das sehr geringe Ausgangssignal z.B. eines MC-Tonabnehmers um bis zu einem Faktor von 1000 verstärken, hier begnügt sich die Verstärkereinheit für die optischen Systeme mit einem Faktor von 10. Ein nicht unwesentlicher Grund für die extrem geringen Verzerrungswerte der optischen Tonabnehmer.

   

[Don_Camillo]

Hallo Georg,

grundsätzlich zeigen die Grafiken eher erstmal nur Konstruktionsunterschiede für ein und das selbe "Problem", nämlich die Umwandlung der Rillenbewegung in ein elektrisches Signal.

Ich glaube zudem, dass, wenn das Thema aus der elektrischen und nicht der mechanischen Sicht heraus beschrieben wird, greifbarer und vielleicht sogar  einfacher verständlich wird.

Bei einem Tonabnehmer (MM, MI, MC) handelt es sich immer um einen Wechselspannungsgenerator. An den Spulen befinden sich die elektrischen Anschlüsse. Bewegt sich der Magnet zwischen den Polschuhen (MM), die Spule zwischen den magnetisierten Polschuhen (MC) oder ein Stück Eisen zwischen den Polschuhen, welche in einem Magnetfeld angeordnet sind (MI), wirkt die Lorentzkraft auf die Ladungen und bringt diese in Bewegung. Durch diese Ladungsverschiebung wird eine Potentialdifferenz bewirkt und eine elektrische Spannung in den Spulen induziert. Hierbei handelt es sich um Wechselspannung und deshalb nennt man das Ganze auch einen Wechselspannungsgenerator.

Jetzt weist so ein Generator auch immer ein Schwingverhalten auf und dieses Schwingverhalten kann über den korrekten elektrischen Abschluss soweit bedämpft werden, dass dieses Eigen-Schwingverhalten des Generators nicht negativ die Wiedergabe beeinflusst.

Vielleicht habt Ihr hierzu schon einmal diese Graphen mit den zu hohen Frequenzen hin ansteigendem Frequenzgangsverlauf gesehen? Diese Grafiken zeigen dieses Eigenschwingverhalten des Generators und den Peak im Frequenzgang nennt man auch Hochtonresonanz.



Über den korrekten elektrischen Abschluss wird also das Schwingverhalten bedämpft und man erreicht dann einen linearen Frequenzgangverlauf. Das geschieht übrigens mit einem Widerstand und einer Kapazität.

Wie aber ein Wechselspannungsgenerator auf Abschlusswiderstand und -kapazität reagiert hängt von der Spuleninduktivität und auch dem Gleichstromwiderstand der Wicklungen ab und Abschlusswiderstand und -kapazität bedingen sich aber auch gegenseitig. Gleichzeitig wirkt so eine elektrische Dämpfung auch quasi wie eine Bremse auf die mechanische Bewegungsfreiheit des Nadelträgers, was auch zu einer Reduktion des Auflösungsvermögens führt.

Hier gilt, je höher die Spuleninduktivität, desto höher die benötigte elektrische Dämpfung und desto weniger Details im aufgenommenen Signal und ggf. sogar höheren Verzerrungen führt.

Was man an obiger Grafik ebenfalls gut sehen kann, das ist, dass die systemimmanent vorhandene Hochtonresonanz nicht mit dem elektrisch korrekten Abschluss verschwindet sondern man diese damit nur mindern und außerhalb des Hörspektrums verschieben kann.

Apropos echte Unterschiede zwischen MM/ MI und MC, die man hören kann

1. Die wenigen Wicklungen auf dem Spulenkreuz bei einem MC ergeben konstruktionsbedingt eine geringere bewegte Masse, welche ermöglicht, dass die Nadel der Rille immer mit gleichbleibendem Kontakt folgen kann. Das führt dann zu einer besseren Abtastung und mehr Details im Nutzsignal aber auch zu weniger Abtastfehler.
2. Bei MMs kann die Phasenlage nach eingestelltem Abschlusswiderstand bis zu 180 Grad verschoben sein. Bei MCs aber beträgt die Phasendrehung immer nur wenige Grad oder bis wenige Milligrad. Das bedeutet - und jetzt ist es mal absichtlich ganz technisch - das aufeinanderfolgende Töne bei einem MC immer frequenz- und phasengleich sind. Somit gibt es entgegen dem Verhalten eines MM also keinerlei Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen, welche zum gleichen Zyklus mit hintereinander folgenden Tönen eines Musikstückes gehören auch wenn diese verschiedene Frequenzen aufweisen.

Damit kommt man dann auch auf des Pudels Kern: Die eigentlichen Qualitätsmerkmale zwischen Tonabnehmern sind nicht mehr Bass oder mehr Hochton sondern Details, Auflösung, Phasenlage und Plastizität. Tonabnehmer klingen auch nicht von sich aus warm oder hell, sondern das macht einzig der gewählte Abschluss und zeigt dann zudem auf, dass man hier zwar nach individuellen Vorlieben eine dem persönlichen Gusto gefallende Einstellung gewählt hat, diese aber von einem linearen Frequenzgangverlauf (deutlich) entfernt ist - der Tonabnehmer spielt nicht linear.

P.S.: Jetzt kommt natürlich gleich das Argument, wenn es mir linear aber nicht gefällt ...
Das ist ein wenig zu kurz gesprungen, denn Nichtlinearität verhindert eine sinnvolle Bewertung.

Ein Beispiel: Der gewählte Abschluss führt zu einer ausgeprägten Hochtonresonanz bei 12 kHz (+4 dB), das Ergebnis wird aber als warm beschrieben. Dass die Phonostufe dann z.B. bei 12 kHz mit 4 dB weniger verstärkt und somit eigentlich einen sehr deutlichen "Fehler" in der RIAA produziert fällt also erstmal gar nicht auf ... Würde die Phonostufe bei einem anderen Teilnehmer den beschriebenen Fehler in der RIAA nicht produzieren wäre die Bewertung des Tonabnehmers bei gleichem Abschuss aber nicht warm sondern sehr deutlich hell. Wir hätten also zu ein und dem selben Tonabnehmermodell bei gleich gewähltem Abschluss zwei ziemlich konträre Bewertungen und ggf. sogar Streit im Forum ("Mit Deinen krummen Ohren muss ja so was Falsches rauskommen").

[LowFi]

Sinnvolle Ergänzung des Themas @"Don_Camillo"     demnach müsste ich alles Mathematisch und Messtechnisch erfassen um ein Pick Up so zu hören wie es der Hersteller in seiner Klangsignatur gebaut hat.

Rolf , das wirft bei mir die Frage auf welche bezahlbaren Phonopres sind so variabel in den Einstellungen des Abschlusswiderstands das sie alle im Markt befindlichen TA´s bedienen können ? Die heutigen Phonos Pres haben da ihren Focus für MC und auch da sind die wenigsten wirklich flexibel ganz zu Schweigen der benötigten Abschlusswiderstände für MM & MI .

[Don_Camillo]

Hallo Georg,

Rolf , das wirft bei mir die Frage auf welche bezahlbaren Phonopres sind so variabel in den Einstellungen des Abschlusswiderstands das sie alle im Markt befindlichen TA´s bedienen können ? 

Ja, auf den ersten Blick fast Keiner, denn meist ist der Abschlusswiderstand (47kΩ) fix und für die Kapazität gibt es nur wenige und mehrheitlich eingetlich unpassende Werte. Gleichzeitig treibt die Kabelindustrie ja mit den Kunden eher Schabernack und verkauft auch gerne Phonokabel mit eigentlich vollkommen unpassenden Kapazitäten. Der Kunde wird hier also eher im Regen stehengelassen.

Auf den zweiten Blick aber kann man guten Gewissens behaupten, dass das eigentlich jeder am Markt erhältliche Phonoverstärker kann. Man benötigt nur je Kanal einen Y-Adapter und baut sich Cinchstecker, welche man an einer Seite des "Ypsilons" zusätzlich einsteckt mit den erforderlichen Werten. Die benötigten Werte kalkuliert man mit Excel oder eben einem Taschenrechner.

Da hilft dann natürlich ein vernünftiges Kapazitätsmessgerät, um die Kapazität des Einganges der Phonostufe und des Phonokabels zu ermitteln und vor Allem dann die in den Cinchstecker eingelöteten Kondensatoren und Widerstände auch noch halbwegs vernünftig zu matchen.

Schwieriger ist es da dann schon, die notwendigen Werte für Gleichstromwiderstand/ Impedanz und Induktivität des Generators im Tonabnehmer zu finden oder zu messen. Bitte geht auf keinen Fall mit einem normalen Multimeter auf die Spulen Eures Tonabnehmers los; da ist Beschädigung und Totalverlust vorprogrammiert.

Mit den Werten für Gleichstromwiderstand/ Impedanz und Induktivität des Generators im Tonabnehmer kann man dann die benötigten Werte für den Abschlusswiderstand und die zugehörige Gesamtkapazität ausrechnen.

[ProgNose]

Hallo Georg,

Rolf , das wirft bei mir die Frage auf welche bezahlbaren Phonopres sind so variabel in den Einstellungen des Abschlusswiderstands das sie alle im Markt befindlichen TA´s bedienen können ? 

Ja, auf den ersten Blick fast Keiner, denn meist ist der Abschlusswiderstand (47kΩ) fix und für die Kapazität gibt es nur wenige und mehrheitlich eingetlich unpassende Werte. Gleichzeitig treibt die Kabelindustrie ja mit den Kunden eher Schabernack und verkauft auch gerne Phonokabel mit eigentlich vollkommen unpassenden Kapazitäten. Der Kunde wird hier also eher im Regen stehengelassen.

Auf den zweiten Blick aber kann man guten Gewissens behaupten, dass das eigentlich jeder am Markt erhältliche Phonoverstärker kann. Man benötigt nur je Kanal einen Y-Adapter und baut sich Cinchstecker, welche man an einer Seite des "Ypsilons" zusätzlich einsteckt mit den erforderlichen Werten. Die benötigten Werte kalkuliert man mit Excel oder eben einem Taschenrechner.

Da hilft dann natürlich ein vernünftiges Kapazitätsmessgerät, um die Kapazität des Einganges der Phonostufe und des Phonokabels zu ermitteln und vor Allem dann die in den Cinchstecker eingelöteten Kondensatoren und Widerstände auch noch halbwegs vernünftig zu matchen.

Schwieriger ist es da dann schon, die notwendigen Werte für Gleichstromwiderstand/ Impedanz und Induktivität des Generators im Tonabnehmer zu finden oder zu messen. Bitte geht auf keinen Fall mit einem normalen Multimeter auf die Spulen Eures Tonabnehmers los; da ist Beschädigung und Totalverlust vorprogrammiert.

Mit den Werten für Gleichstromwiderstand/ Impedanz und Induktivität des Generators im Tonabnehmer kann man dann die benötigten Werte für den Abschlusswiderstand und die zugehörige Gesamtkapazität ausrechnen.

Uff, Rolf, so tief bin ich noch nie in diese Materie eingedrungen. Mir ist jetzt aber klar geworden, dass ein Tonabnehmersystem, vornehmlich MM/MI, nicht unbedingt ideal, sprich: linear arbeitet, nur weil es zusammen mit meinen anderen Gerätekomponenen in meinen Ohren gut klingt. 

Das habe ich gerade mit dem AKG P8ES erlebt, das als MI am MC-High-Eingang meiner Phonovorstufe subjektiv am besten klingt. Es kann natürlich sein dass da alle Parameter richtig sind, aber das wäre wohl eher ein Zufall. 

Ich frage mich da auch, warum sich die HiFi-Industrie auf fixe 47000 Ohm als quasi-Standard für MM-Phonoeingänge geeinigt hat, wenn doch in der Praxis oft deutlich weniger Widerstand bei vielen Systemen  ideal wäre. 

Das würde bedeuten, dass eine Menge MM/MI Tonabnehmer unter suboptimalen Bedingungen betrieben werden. Weiß das niemand oder warum gibt es kaum Phonovorstufen mit mehr Einstellmöglichkeiten für höheren Widerstände, also im Bereich zwischen 10 und eben 47 kOhm?

[Don_Camillo]

Mir ist jetzt aber klar geworden, dass ein Tonabnehmersystem, vornehmlich MM/MI, nicht unbedingt ideal, sprich: linear arbeitet, nur weil es zusammen mit meinen anderen Gerätekomponenen in meinen Ohren gut klingt. 

Ja, diese Erfahrung muss man immer selbst machen.

Ich frage mich da auch, warum sich die HiFi-Industrie auf fixe 47000 Ohm als quasi-Standard für MM-Phonoeingänge geeinigt hat, wenn doch in der Praxis oft deutlich weniger Widerstand bei vielen Systemen  ideal wäre. 

Das war ja auch mal anders. Als die elektrische Nadeltonverstärkung das laufen lernte gab es z.B. das General Electric PRX. Klar, das ist Mono aber es ist strenggenommen sogar ein MI und GE hatte dafür auch eine Phonostufe im Programm - die UPX-003A und später die UPX-003B



Der hier mit dem Sternchen markierte Widerstand ist der Abschlusswiderstand und die Erklärung und weshalb der mit Sternchen versehen ist wird in der Bedienungsanleitung sogar erklärt



Es gab also mal Zeiten, da gab es auch Phonoverstärker mit "einstellbarem" Abschlusswiderstand. Das war und ist allerdings nicht nur auf die Mono-Ära beschränkt sondern gab es noch bis in die tiefen Siebziger bei verschiedenen Verstärkern und Receivern. Dort finden sich dann z.B. fest verlötete und auswählbare Abschlusswiderstände mit Werten von 23k, 50k, 100k. Die 47k "setzten" sich dann quasi als Norm etwas später durch.

Quasi eine kleine Anekdote hierzu: Shure hat in seinen Broschüren zum V15 über die Jahre sehr viele verschiedene Angaben zur passenden Gesamtkapazität aber auch verschiedene und teilweise widersprüchlich wiedergegebene Angaben zum dazu passenden Abschlusswiderstand gemacht. Das V-15 III z.B. weist an 47k und 200pF betrieben die Hochtonresonanz rechnerisch "mitten" im Hörbereich bei ca. 15kHz auf. Shure selbst gibt an, dass es mit 400 bis 500 pF abgeschlossen werden sollte, was aber dazu führen würde, dass an 47k dann die Hochtonresonanz sich noch weiter in den hörbaren Bereich (10 bis 11 kHz) verschieben und diese somit noch deutlicher auffallen würde.

Diese Angaben verschweigen aber, dass Shure gleichzeitig empfiehlt den Abschlusswiderstand auf bis zu 100k Ohm zu verändern/ zu erhöhen. Heute ist das aber eher kontraproduktiv, weil die Kabelkapazitäten deutlich niedriger liegen als damals in den 60ern. Deshalb werden insgesamt niedrigere Abschlusswiderstände benötigt.

Warum sind diese Einstellmöglichkeiten über die Jahre verschwunden? Weil in der Transistortechnik und mit OPAmps der Abschlusswiderstand den Arbeitspunkt des Transistors und/ oder OPAmps mitbestimmen kann und zudem dann auch noch beim Umschalten eine Stromspitze verursachen könnte, welche die Spulen in Deinem Tonabnehmer grillen könnte. Verändert man den Arbeitspunkt eines Transistors oder OPAmps dann verändert sich auch gleichzeitig der Frequenzgang dieser Verstärkungsstufe ein wenig und das will man ja eigentlich nicht.

Bei Röhren hast Du dort am Eingang eher den Gitterableitwiderstand über den eine "Seite" des Arbeitspunktes mitbestimmt wird. Dieser ist aber fix und der Abschluss wird vorgelagert - also davor - mittels Kondensator und Widerstand erledigt. Insofern ist dort eine Umschaltung von Kapazität und Abschlusswiderstand gefahrlos und ohne direkten Einfluss auf den Frequenzgang der Verstärkungsstufe möglich.

[Don_Camillo]

Wenn Du Dich ein bisschen einlesen willst, dann wären dies hier die zielführendsten Links dazu

- Luigi Andreoli - http://www.rintelen.ch/konzept_und_text/...el_RLA.pdf
- Frank van Alstine - https://manualzz.com/doc/27754631/1982-a...an-alstine - ab Seite 6 - Electrical Interface of Cartridge with Preamp (or Receiver)
- Rod Elliot - https://sound-au.com/articles/cartridge-loading.html
- Jim Hagermann - https://sound-au.com/articles/cartridge-loading.html

[ProgNose]

Wenn Du Dich ein bisschen einlesen willst, dann wären dies hier die zielführendsten Links dazu

- Luigi Andreoli - http://www.rintelen.ch/konzept_und_text/...el_RLA.pdf
- Frank van Alstine - https://manualzz.com/doc/27754631/1982-a...an-alstine - ab Seite 6 - Electrical Interface of Cartridge with Preamp (or Receiver)
- Rod Elliot - https://sound-au.com/articles/cartridge-loading.html
- Jim Hagermann - https://sound-au.com/articles/cartridge-loading.html

Ja klasse, danke für die Tipps. Die beiden ersten Links sind aber leider nicht mehr funktional.

[Don_Camillo]

Oh, das ist natürlich blöd.

Den Artikel aus der HiFi Scene von Luigi Andreoli findest Du z.B. über die Wayback Machine mit diesem Link

https://web.archive.org/web/201304241824...el_RLA.pdf

Der Artikel von Frank van Alstine (Dynaco und Hafler aber auch AVA) fand sich in seinem Undergroundmagazin "Audio Basics". Den Artikel kannst Du auch hier finden

Über den Link lädst Du dann ein Zip-File herunter; ist das entpackt, dann in den Ordner 1982 gehen und dort die Datei ab1982.pdf öffnen. Im Abschnitt "VOLUME ONE NUMBER THREE, MARCH, 1982" beginnend ab Page/ Seite 6 und beginnend in der ganz rechten Spalte findet sich dann der gesuchte Artikel "Electrical Interface of Cartridge with Preamp (or Receiver)."

[locomotiv.gt]

Du hast die MF Glanz Systeme vergessen!
Moving Flex, die teils heute sündhafte Preise erzielen. Diese Tonabnehmer sollen zwischen MM & MC Systemen liegen. Dorte siedelte Glanze seine MFs an.
Selbst hatte ich mal ein preiswertes Glanz MF bei mir. Super toller Nadelträger. Toller Sound.
Lieder hatte Glanz mit seinen MFs keinen Erfolg.

Zu den MI Systemen
MIs scheinen aus patentrechtlichen Gründen eine Alternative zu den MM Systemen gewesen zu sein.
Vorteil der MIs ist, das sie einen stärkeren Magneten als MM Systeme direkt im System haben.
Zweiter Vorteil, eine Winzigkeit an den Spulen geändert, wird aus einem MI System ein MC System. Siehe Grado & Soundsmith.

Problem bei den MIs ist, das diese auf elektromagnetische Einstrahlungen reagieren & brummen können.
Soundsmith Systeme sind da etwas unempfindlicher.

Trotz des Nachteiles sind MIs klanglich sehr interessante Systeme.
MI Systeme können durch eine MM Nadel mit Magneten gepuscht werden.
Auch können manche MIs wie ein MC System angeschlossen werden.
Selbst beschäftige ich mich seit mehr als zwanzig Jahren mit MI Systemen.
Meine MI Lieblinge sind: Soundsmith Otello, Nagaoka MP 30OS & RFT MS16