Pin-1-Problem und Schirmauflage

Das Pin-1-Problem ist ein Fehler im Gerät, nicht in der Verkabelung: Der Schirmkontakt eines eingebauten Steckverbinders — bei XLR ist das Pin 1 — wird nicht direkt an das Gehäuse geführt, sondern zunächst auf die Masse der Schaltung. Damit teilen sich der Schirmstrom aus dem Kabel und der Signalrückweg der Elektronik ein Stück Leiter. Alles, was an diesem gemeinsamen Stück an Spannung abfällt, steht anschließend im Signalweg.

Warum die symmetrische Übertragung hier nicht rettet

Eine symmetrische Verbindung hält den Schirm aus dem Signalweg heraus: Zwei Leiter führen das Signal, der Empfänger wertet ihre Differenz aus, und was beide gleich trifft, fällt heraus. Genau deshalb ist sie robust gegen Störungen auf der Strecke.

Das Pin-1-Problem greift hinter diesem Schutz an. Der Störstrom wird gar nicht erst auf die beiden Signalleiter eingekoppelt — er wird im Gerät in den Massebezug der Schaltung eingespeist, also in die Größe, gegen die beide Signalleiter gemessen werden. Die Differenzbildung sieht davon nichts, weil sie nichts sehen kann: Die Störung ist zu diesem Zeitpunkt bereits Teil des Bezugspunktes. Eine hervorragende Gleichtaktunterdrückung nützt nichts gegen einen verschobenen Nullpunkt.

Jim Brown, der das Fehlerbild über Jahre vermessen hat, nennt den Mechanismus gemeinsame Impedanzkopplung: Zwei Stromkreise laufen über eine Impedanz, die beiden gemeinsam ist. Die Abhilfe ist in einem Satz gesagt und im Gerät gebaut oder eben nicht — die Schaltungsmasse gehört ans Gehäuse, nicht an Pin 1.

Warum ein kurzer Draht trotzdem lang ist

Der eigentliche Grund, warum das Problem so lange übersehen wurde, ist die Frequenz. Bei Audiofrequenzen ist der Draht zwischen Pin 1 und der Platine elektrisch kurz; über ihm fällt kaum Spannung ab, und ein Messgerät findet nichts. Mit steigender Frequenz wird derselbe Draht zu einer Induktivität, und sein Blindwiderstand wächst mit.

Browns Messungen an realen Geräten machen die Größenordnung greifbar. An einem Mikrofon, dessen Schirmpfad etwa einen Zentimeter lang ist, misst er rund 2 Ω bei 60 MHz. An einem anderen liegt der entsprechende Weg bei rund 4 Ω, gemessen bei 56 MHz — dem nordamerikanischen Fernsehkanal 2, der in diesem Mikrofon in Chicago zusammen mit mehreren UKW-Sendern deutlich hörbar war. Geräteinterne Schirmwege von zehn bis dreizehn Zentimetern sind nicht selten, und ein solcher Draht liegt bei 100 MHz um 60 Ω und bei 1 GHz um 600 Ω. Über solche Werte fällt Spannung ab, sobald der Schirm als Antenne etwas aufnimmt — und das tut er, denn Rundfunk-, Fernseh- und Mobilfunksignale liegen auf den Schirmen einer Anlage ohnehin an.

Daraus folgt zweierlei für die Ausführung im Gerät. Der Weg muss kurz sein, weil die Induktivität mit der Länge wächst. Und er gehört an die Außenseite des Gehäuses, weil der Skineffekt den Schirmstrom auf die Außenfläche zwingt; innen angeschlossen, läuft derselbe Strom erst durch das Gehäuseinnere, bevor er weg ist. Beides sind Konstruktionsentscheidungen und nichts, was sich nachträglich an der Anlage beheben lässt.

Ein Nebenbefund derselben Messreihen ist praktisch mindestens so wichtig: Der Weg funktioniert in beide Richtungen. Ein Gerät mit Pin-1-Problem schickt seine eigenen hochfrequenten Störungen — Taktsignale seiner Digitaltechnik etwa — über denselben gemeinsamen Leiter auf die Schirme hinaus, die dann als Antennen wirken. Das Gerät ist dann nicht nur empfindlich, sondern auch Verursacher, und das erklärt Fälle, in denen das Einschalten eines Geräts ein anderes stört, ohne dass die beiden signalseitig verbunden wären.

Die Regel dazu: AES48

Nach der Muncy-Veröffentlichung hat die Audio Engineering Society die Konsequenz in einer eigenen Festlegung niedergeschrieben. AES48 regelt den Anschluss des Schirmkontakts eingebauter Steckverbinder in Geräten mit aktiver Schaltung: Der Schirm ist an die schirmende Hülle des Geräts zu führen und nicht auf den Signalbezug. Die Fassung von 2005 wurde 2019 überarbeitet.

Für die Praxis ist AES48 vor allem ein Einkaufsargument. Ob ein Gerät die Regel einhält, sieht man ihm von außen nicht an, und im Datenblatt steht es selten. Es ist aber eine legitime und beantwortbare Frage an den Hersteller — und die Antwort sagt mehr über die Sorgfalt eines Geräts aus als die meisten Zahlen im Prospekt.

Häufiges Missverständnis

„Es brummt, also habe ich eine Brummschleife." Das ist die naheliegende Diagnose und oft nur die halbe. Eine Schleife über zwei Erdungspunkte ist in jeder Anlage vorhanden, und in ihr fließt Strom — hörbar wird das erst dort, wo ein Gerät diesen Strom in seinen Signalbezug lässt. Zwei Anlagen mit identischer Verkabelung können sich deshalb völlig verschieden verhalten, je nachdem, welche Geräte darin stecken. Wer nur an der Schleife arbeitet, behandelt die Ursache der einen Hälfte und lässt die andere stehen; was gegen die Schleife selbst hilft, steht bei der Brummschleife.

Der zweite dreht sich um den Ground-Lift-Schalter. Er trennt an vielen Geräten den Schirm vom Gehäuse oder von der Masse und macht das Brummen in der Tat oft leiser — er nimmt dem Störstrom den Weg, statt ihn umzuleiten. Als Diagnosewerkzeug ist er nützlich: Wenn er hilft, läuft Schirmstrom, wo keiner laufen sollte. Als Dauerlösung erkauft man sich die Ruhe damit, dass der Schirm hochfrequent nicht mehr wirkt, und in einer Anlage mit Funkstrecken und Digitaltechnik kann das ein schlechtes Geschäft sein. Was in keinem Fall infrage kommt, ist die Variante, die im Internet als Tipp kursiert: Der Schutzleiter wird nicht aufgetrennt. Das ist keine Notlösung, sondern gefährlich.

Drittens wird die Reichweite des Begriffs überdehnt. „Pin 1" stammt von der XLR-Belegung, das Problem ist aber keine XLR-Eigenschaft. Jeder Steckverbinder mit Schirmkontakt kann so falsch aufgelegt sein — Klemmen und Euroblöcke ebenso wie Cinch-Buchsen, bei denen der Außenkontakt zugleich Signalrückleiter ist. Wo das Schirmgeflecht im Gerät zuerst über die Platine geht, ist der Fehler derselbe.

Nicht zu verwechseln mit

• Brummschleife: die geschlossene Schleife über zwei Erdungspunkte und den Schirm dazwischen. Sie ist die Quelle des Stroms, das Pin-1-Problem ist die Tür, durch die er ins Signal kommt. Beide zusammen ergeben das Brummen — siehe Brummschleife.
• Schirmauflage am Kabel: die Entscheidung, den Schirm einseitig oder beidseitig aufzulegen, ist eine Frage der Installation. Sie kann ein Pin-1-Problem verdecken, aber nicht beheben — siehe Schirmung.
• Shield Current Induced Noise: ein Kabelfehler statt eines Gerätefehlers. Ein Schirmstrom koppelt hier über die unsymmetrische Bauweise des Kabels — typisch bei folienschirmten Leitungen mit Beilaufdraht — auf das Signalpaar. In Browns Feldversuchen zeigten dieselben Mikrofone mit geflechtgeschirmtem Kabel deutlich weniger Störung als mit Folie und Beilaufdraht.
• Pin-2-heiß: die Polaritätskonvention des XLR nach AES14. Sie betrifft die beiden Signalpins, nicht die Masseführung — siehe XLR.
• Erdung und Schutzleiter: die Anlage im Gebäude. Sie ist die Voraussetzung dafür, dass ein Schirm überhaupt einen Bezug hat, und wird nicht zur Fehlersuche verändert.

Bei der Fehlersuche

Eine Anlage im Technikraum: Prozessor, zwei Endstufen, ein Netzwerk-Streamer, alles symmetrisch verkabelt, alles im selben Rack an derselben Steckdosenleiste. Trotzdem liegt ein leises Brummen auf den Frontkanälen, und wenn nebenan eine LED-Beleuchtung eingeschaltet wird, kommt ein Zischen dazu.

Kabeltauschen hilft hier nicht weiter: Fließt hier Schirmstrom, und welches Gerät lässt ihn ins Signal? Die beiden Teile sind getrennt zu beantworten, und die Reihenfolge entscheidet über den Aufwand. Solange unklar ist, ob ein Gerät den Strom weiterreicht, ist jeder Filter im Signalweg geraten.

Beantwortet wird das über eine Ausschlussreihe. Zuerst werden Geräte einzeln abgezogen, bis die Störung verschwindet — das benennt den Kandidaten, nicht die Ursache. Dann wird geprüft, ob es an der Schleife oder am Gerät liegt: Verändert sich das Brummen, wenn dieses eine Gerät an einer anderen Steckdose oder über eine galvanische Trennung im Antennen- oder Netzwerkweg hängt, ist die Schleife im Spiel; bleibt es gleich, deutet das auf die Masseführung im Gerät. Für den Verdacht auf ein Pin-1-Problem gibt es eine einfache Prüfung, die Brown beschreibt: ein netzfrequenter Strom von rund 100 mA aus einem Kleinspannungsnetzteil, zwischen Schirmkontakt und Gehäuse eingespeist, während man den Ausgang abhört. Ist er hörbar, ist die Sache klar. Bleibt alles still, ist nur ausgeschlossen, dass es im Hörbereich liegt — die hochfrequente Variante findet dieser Test nicht.

Erst danach die Maßnahmen, und die fallen je nach Befund verschieden aus: galvanische Trennung an der Quelle der Schleife, ein Übertrager im Signalweg oder, wenn ein Gerät den Fehler mitbringt, der Tausch dieses Geräts. Ein Kabel zu wechseln steht in dieser Liste ganz unten.

Verknüpfte Inhalte

Warum eine symmetrische Verbindung Störungen auf der Strecke unterdrückt und was ihre Grenze ist, steht bei der symmetrischen Übertragung; die Kenngröße dazu bei der Gleichtaktunterdrückung. Wie die Schleife entsteht, in der der Strom überhaupt fließt, klärt die Brummschleife. Was ein Schirm leistet und warum ein verdrillter Anschlusszopf hochfrequent zur Induktivität wird, steht bei der Schirmung — dort in der Kabelperspektive, hier in der Geräteperspektive. Die Belegung des Steckverbinders, an dem der Begriff hängt, führt XLR.

Quellen

Die Benennung des Fehlerbildes geht auf Neil Muncys AES-Arbeit zurück; die hier verwendeten Messwerte, die Beschreibung der gemeinsamen Impedanzkopplung, die Abhilfe und der Prüfaufbau stammen aus zwei Arbeiten von Jim Brown, die für diese Seite im Volltext gelesen wurden. Die daraus abgeleitete Festlegung zur Schirmauflage steht in AES48.