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Kapitel 2. über das Prinzip des magnetischen Speicherns
Ohne Magnetismus geht es nicht (aus 1970)

Eine kurze Erläuterung der besonderen Erscheinungsformen und Eigenschaften

Im letzten Abschnitt haben wir bereits eine kurze Bekanntschaft mit dem Magnetismus und seinen Auswirkungen gemacht. Sie lassen sich mit unseren Sinnesorganen nicht unmittelbar wahrnehmen, wohl aber mit anderen Mitteln demonstrieren. Sollen beispielsweise die schon erwähnten Kraftlinien sichtbar werden, so brauchen wir dazu nur feine Eisenspänchen (die man mit einer Feile vom Klotz abfeilt) auf einem Stück Papier zu verteilen, dieses auf einen Magneten zu legen und leicht gegen das Papier zu klopfen: die zunächst unregelmäßig liegenden Eisenspänehen ordnen sich nach einem ganz bestimmten Muster. Ihre stärkste Konzentration ist an den beiden Enden des Magneten, dem Nord- und dem Südpol, festzustellen. Hier treten die Kraftlinien in den freien Raum aus (Abbildung 27).
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Abbildung 27 Stabmagnet mit seinen Kraftlinien.

Alle in ein solches Magnetfeld gebrachten Eisenteilchen werden von ihm beeinflußt, d. h. mehr oder weniger stark magnetisiert. Würde man den Stabmagneten in der Mitte durchbrechen, so entstünden zwei neue Magnete mit wiederum jeweils einem Nord- und Südpol. Diese Teilung ließe sich bis zum allerkleinsten Eisenteilchen fortsetzen, das auch dann noch einen winzigen Magneten mit Nord-und Südpol darstellt.

Nun nützen aber permanente Magneten, also Dauermagneten der eben erwähnten Art, nichts bei der magnetischen Aufzeichnung von Ton- und Bildsignalen. Um ein Magnetband zu beeinflussen, benötigen wir kleine Elektromagneten besonderer Bauart, die mit hoher Präzision gefertigt werden müssen. Natürlich spielen auch hier wieder die vom Nord- und Südpol eines solchen Magneten austretenten Kraftlinien eine entscheidende Rolle. Mehr darüber im übernächsten Abschnitt.

Warum ein Tonband ein Magnetband ist

Abbildung 28 Aufbau des Magnetbandes.

Etwas über den Aufbau des Magnetbandes

Die heute am meisten bekannten Tonbänder bestehen aus einer 6,25 mm breiten Kunststofft-Tägerfolie von unterschiedlicher Dicke (z.B. bei Langspielband 0,024 mm) und der auf einer Seite dieser Folie aufgebrachten oder aufgeklebten dünnen Eisenpulver-Schicht (z.B. bei Langspielband 0,011 mm). Damit es nicht nachträglich rostet, wird gleich Eisenoxyd genommen. Neben diesem in Abbildung 28 skizzierten Tonband gibt es Bandsorten mit noch geringerer Dicke und auch geringerer Breite, beispielsweise für Compact-Cassetten. Es gibt aber auch Magnetbänder von halb-, ein-, eineinhalb- oder zwei Zoll Breite, die in Bildaufzeichnungsgeräten oder speziellen Anlagen bei der elektronischen Datenverarbeitung usw. benutzt werden.

Die mikroskopisch kleinen Eisenoxydteilchen der magnetischen Schicht - ihre Größe liegt bei Tonbändern etwa bei 0,001 mm Länge und 0,0001 mm Breite - werden vor dem Aufbringen auf die Trägerfolie mit einem Bindemittel innig vermischt und dadurch sowohl miteinander als auch mit dem Träger verbunden. Die beschichtete Seite des Tonbandes ist an ihrer matten, nichtglänzenden Oberfläche leicht zu erkennen. Diese Oberfläche muß außerordentlich glatt sein, um gute Aufnahme- und Wiedergabe-Eigenschaften zu erreichen, und wird daher sorgfältig poliert und vergütet.

Magnetbänder haben nämlich die Eigenschaft, die in den winzigen Eisenoxydteilchen magnetisch gespeicherten Informationen beizubehalten, und sie verlieren diese Informationen auch nicht bei mehrmaliger Wiedergabe; es sei denn, das Band wird wieder magnetisch beeinflußt.

Wozu man Magnetköpfe braucht

Abbildung 29

Die Köpfe - Elektromagneten im Kleinformat lösen wichtige Aufgaben

Der Ausdruck Magnetkopf ist eine allgemeine Bezeichnung für drei Bauteile, die in magnetischen Aufzeichnungsgeräten als Aufnahmekopf, Wiedergabekopf und Löschkopf vorkommen. Mit ihrer Hilfe kann eine Information auf das Magnetband aufgetragen, immer wieder reproduziert und schließlich auch ganz gelöscht werden. Den Magnetköpfen kommt also eine besonders wichtige Bedeutung zu.

Da die winzigen Oxydteilchen in der Bandschicht
von den Kraftlinien der Magnetköpfe beeinflußt werden sollen, muß das Magnetband unmittelbar (mit gutem Band-/Kopf-kontakt) an ihnen vorbeigeführt werden. Aus dem Kapitel über den Magnetismus wissen wir, daß die Kraftlinien auch durch die Luft verlaufen und dabei einen Einfluß auf Eisenteilchen ausüben. Bringt man nun, wie die Abbildung 29 zeigt, beide Pole eines Elektromagneten (denn das ist der Magnetkopf in Wirklichkeit) so nahe zueinander, daß der verbleibende Luftspalt extrem klein wird, so ist dort die Anzahl der Kraftlinien am dichtesten und damit das magnetische Feld am stärksten. An dieser Stelle kann daher das Band optimal beeinflußt werden.

Die magnetische Aufnahme

Abbildung 30 Arbeitsweise bei „Aufnahme".

Der Magnetkopf überträgt (schreibt) die Informationen auf das Band

Führt man das Band am eingeschalteten Aufnahmekopf vorbei, so treten die an seinem Luftspalt vorhandenen magnetischen Kraftlinien in die Eisenoxydschicht des Bandes ein (Abbildung 30). Abhängig von den durch die Spule des Aufnahmekopfes fließenden Wechselströmen werden die magnetisierbaren Teilchen mehr oder weniger stark beeinflußt, und im Band verbleibt ein sogenannter „remanenter" Magnetismus. Nach einer Aufzeichnung sind auf dem Band daher Eisenoxydteilchen mit starker oder schwacher Magnetisierung und gleicher oder entgegengesetzter Polarität vorhanden. Dies ist abhängig von der im Augenblick des Vorbeilaufens am Luftspalt wirksam gewesenen Stärke und Richtung des magnetischen Feldes. Mit anderen Worten: Die verbleibende Magnetisierung des Bandes ist der Feldstärke im Luftspalt proportional, und da diese ein Abbild der zu speichernden Information ist, stellt demnach auch die auf dem Band gespeicherte Magnetisierung ein getreues Abbild der Information dar.

Die magnetische Wiedergabe

Abbildung 31 Arbeitsweise bei „Wiedergabe".

Der Magnetkopf liest die Information vom Band

Bei der Wiedergabe soll die auf dem Magnetband vorhandene Information hörbar oder sichtbar gemacht werden, d. h., das aufgezeichnete Signal soll wieder in Schallwellen oder in ein Fernsehbild umgewandelt werden. Während das Band bei der Aufnahme durch das Magnetfeld des Kopfes im Rhythmus des aufzunehmenden Signales beeinflußt wurde, ist es bei der Wiedergabe nun umgekehrt. Hier wirkt die magnetisierte Schicht des Bandes auf den „lesenden" Wiedergabekopf.

Wir können uns dies an einem einfachen Beispiel deutlich machen. Taucht man einen Magneten in eine Drahtspule hinein, so erzeugt bei diesem Bewegungsvorgang sein Magnetfeld in der Spule eine Spannung. Wird der Magnet nicht mehr bewegt, hört auch das „Induzieren" einer Spannung sofort auf.

Der gleiche Vorgang spielt sich nun auch am Wiedergabekopf eines Bandgerätes ab; denn der sich bewegende Magnet wird hier durch die zahllosen magnetisierten Teilchen auf dem vorbeilaufenden Band dargestellt, während sich die erforderliche Spule im Wiedergabekopf befindet. (Abbildung 31). In dieser Spule erzeugen die „Miniatur"-Magneten beim Passieren des Luftspaltes mit ihrer unterschiedlich gerichteten und verschieden starken Magnetisierung im Eisenkern des Kopfes einen sogenannten magnetischen Fluß, der in der Spule einen entsprechenden Wechselstrom zur Folge hat. Dieser ist natürlich wiederum ein genaues Abbild des gespeicherten Signales. Aus dem Gesagten ergibt sich aber auch, daß ein nichtbesprochenes, d. h. unmagnetisches Band keine Nutzspannung im Wiedergabekopf induzieren kann.

Magnetisch radieren heißt „Löschen"

Abbildung 32 Arbeitsweise beim „Löschen".

Der Magnetkopf läßt die Information vom Band verschwinden

Auch dieser Vorgang beruht auf der Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes auf die magnetische Schicht des Bandes. Der speziell für diesen Zweck vorgesehene Magnetkopf, der sogenannte Löschkopf, ist ähnlich aufgebaut wie Aufnahme- und Wiedergabeköpfe und unterscheidet sich nur durch die Windungszahl der Spule und durch einen größeren Luftspalt. Die Spule des Löschkopfes ist an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen, der ein starkes Magnetfeld erzeugt.
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Abbildung 33

Am breiten Luftspalt des Löschkopfes treten dann die Kraftlinien dieses Magnetfeldes glockenförmig aus. Dies ist in Abbildung 32 dargestellt. Vor dem Luftspalt ist die Feldstärke am größten, und sie fällt nach den Seiten hin langsam ab. Das vorbeigeführte Band wird also zunächst mit ansteigender und dann mit abfallender Intensität im Rhythmus der Hochfrequenz ständig ummagnetisiert. Da dies in einem starken Wechselfeld geschieht, sind alle Teilchen der Schicht einer sich stets ändernden Magnetisierungsrichtung ausgesetzt. Nach dem Durchlaufen des Maximums werden die Spitzenwerte der Magnetisierungsstärke immer kleiner, bis schließlich der Punkt Null erreicht ist.

In Abbildung 33 ist dies noch eingehender erläutert. Als Folge bleiben magnetisch neutrale Eisenoxydteilchen in der Schicht zurück. Damit ist das Tonband also gelöscht, und von einer ursprünglich vorhandenen magnetischen Information ist nichts mehr übrig.

Abbildung 33 (rechts)
In diesen beiden Kurvenzügen ist der Vorgang des „Löschens" graphisch demonstriert. Beginnend im Punkt A wächst das Hochfrequenz-Wechselfeld ständig an und erreicht in den Punkten B und C das Maximum. Danach fällt es wieder ab, um bei D den Punkt Null zu erreichen. Dieser ansteigenden und abfallenden Magnetisierungsstärke wird das Tonband beim Vorbeilaufen am Löschkopf ausgesetzt (siehe auch Abb. 32). Die obere Figur zeigt eine Hysteresis-Schleife, die besonders deutlich das stets seine Richtung und Polarität ändernde Wechselfeld erkennen läßt. (Es gilt in dieser Form nur für den ansteigenden Teil, wie auch die gestrichelten Linien deutlich machen.) Die Punkte B und C befinden sich bereits im Sättigungsgebiet.

Anzahl, Lage und Breite der Spuren

Auf demMagnetband werden die Informationen auf Spuen geschrieben. Aus der einfachen Vollspur entwickelte sich das Zwei- und Vierspurverfahren

Zu Beginn der magnetischen Aufzeichnung von Tonsignalen kannte man nur das Einspur- oder, besser gesagt, das Vollspurverfahren. Hierbei befindet sich auf dem Tonband nur eine einzige Magnetspur, die praktisch fast die ganze Breite des Bandes ausfüllt. Dieses qualitativ hochwertige, aber teure Verfahren wird zum Beispiel beim Rundfunk angewendet und ergibt keine Schwierigkeiten beim „Schneiden" des Tonbandes. Für das Heimtonbandgerät mußten aber neue Wege gefunden werden, um ökonomischer und trotzdem mit guter Qualität arbeiten zu können. Neben der Herabsetzung der Bandgeschwindigkeit bot sich hierbei die mehrfache Ausnutzung des Tonbandes an. Durch Verringern der Spurbreite konnte man mehrere Magnetspuren auf dem Tonband unterbringen. Diese Überlegung führte zum Zweispurverfahren und später zum Vierspurverfahren. Der Entwicklungsgang ist in Abbildung 34 dargestellt.

Abbildung 34a
Abbildung 34b
Abbildung 34c

Wie weit man heute in dieser Hinsicht technisch fortgeschritten ist, zeigt das Beispiel der Compact-Cassette: auf dem 3,81 mm breiten Tonband lassen sich bei Stereo-Technik vier Tonspuren unterbringen.

Die hier vorgestellten Beispiele stammen aus der Tonbandtechnik, d. h. es sind die zur Zeit benutzten Verfahren zur Aufzeichnung von Schallereignissen. Die Tonspuren werden dabei ausschließlich in horizontaler Richtung auf dem Band aufgezeichnet.

Bei magnetischen Aufzeichnungsgeräten für Videosignale werden (müssen !) aber auch andere abweichende "Spurlagen" verwendet, beispielsweise die vertikale, also quer zur Bandrichtung liegende Querspurtechnik und die diagonale Aufzeichnungsrichtung - die Schrägspurtechnik.

Der Mechanismus des Bandtransportes

Seine exakte Funktion ist ein Qualitätsmaßstab für das Gerät

Zu den wichtigsten Bauteilen eines Aufzeichnungsgerätes gehört der Antriebsmechanismus. Es gilt hier, einen konstanten Bandzug zu verwirklichen und daneben auch noch den schnellen Vor- und Rücklauf des Bandes einwandfrei sicherzustellen. Nicht vergessen werden sollte auch die Forderung nach einem exakten Bandstop bei allen Lauffunktionen.

Um eine konstante Bandgeschwindigkeit zu erreichen, darf man nicht die Aufwickelspule selbst antreiben, da sich hierbei die Bandgeschwindigkeit wegen des sich ständig ändernden Wickeldurchmessers stetig verändern würde, sondern man muß das Band direkt und unmittelbar in Bewegung setzen. Ein Antriebsprinzip dieser Art ist in Abbildung 35 skizziert. Außerdem ist dafür zu sorgen, daß auch die Auf- und Abwickelspulen durch einen Mechanismus angetrieben werden und das Band dadurch stets straff bleibt.

Abbildung 35 Schema eines Bandantriebs für Heimtonbandgeräte. Diese Skizze enthält nur die wichtigsten Einzelheiten, und es wurde auf die Darstellung des Antriebs für die Auf- und Abwickelspulen verzichtet. Über einen Riemen ist die Schwungscheibe mit dem Motor verbunden und dreht sich mit konstanter Geschwindgkeit. Die auf der Schwungscheibe sitzende Antriebswelle transportiert das Band vorwärts.

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Der "Capstan"-Transport

Hauptmerkmal einer solchen Anordnung ist die Antriebswelle, die mit dem Motor des Gerätes und einer Schwungmasse in Verbindung steht und sich daher mit gleichbleibender Geschwindigkeit dreht. Das Band wird mittels einer Gummiandruckrolle angedrückt. Der feste Andruck garantiert bei Aufnahme und Wiedergabe einen einwandfreien Transport des Bandes mit der gewünschten Geschwindigkeit. Durch Riemenantriebe und Rutschkupplungen werden gleichzeitig die Spulenteller angetrieben.

Naturgemäß sind die Anforderungen an die Präzision der Mechanik sehr hoch. Neben dem Läufer des Motors muß auch das Schwungrad sehr gut ausgewuchtet sein, und auch an die Oberfläche der Gummizwischenräder, der Andruckrollen usw. werden besondere Ansprüche gestellt. Die hier skizzierte Antriebsvorrichtung finden wir im Prinzip bei allen Heim-Tonbandgeräten wieder (Abbildung 36).

Abbildung 36 Detailfoto eines Tonbandgeräte- !!! chassis. In der Bildmitte sind der Löschkopf, der kombinierte Aufnahme-/Wiedergabekopf, die Gummiandruckrolle und dahinter die Antriebswelle gut sichtbar. Der Antriebsriemen vom Motor zur Schwungscheibe befindet sich unterhalb des Chassis. Der im Bild erkennbare Riemen gehört zum Antriebsmechanismus der Bandteller.

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Bandgeschwindigkeit und Frequenzumfang

Abbildung 37a: Grundtonbereiche verschiedener Instrumente und Stimmlagen.
Abbildung 37b: Abhängigkeit der oberen Frequenzgrenze von der jeweiligen Bandgeschwindigkeit.

Beide stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander

Der Zusammenhang dieser beiden Begriffe sei zunächst am Beispiel eines Heim-Tonbandgerätes allgemein erläutert; eine weitere Beschreibung folgt im nächsten Kapitel. Es ist heute möglich, mit einer Bandgeschwindigkeit von 19cm/s praktisch Ton-Aufzeichnungen in Studioqualität herzustellen. Auch mit der halbierten Geschwindigkeit von 9,5cm/s lassen sich noch hohe Ansprüche an die Qualität befriedigen. Selbst eine Bandgeschwindigkeit von 4,75cm/s, wie sie in den Philips Cassetten-Recordern verwendet wird, bringt noch ein Klangbild von recht guter Qualität. Diese Klassifizierung deutet aber auch an, daß Frequenzumfang und Wiedergabequalität von der Bandgeschwindigkeit abhängig sind.

Eine Erklärung :

Bei einer hohen Bandgeschwindigkeit läuft innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit ein längeres Stück Tonband am Magnetkopf vorbei als in der gleichen Zeiteinheit bei niedriger Bandgeschwindigkeit.

Hieraus können wir folgern, daß eine schnelle Tonschwingung, d. h. ein hoher Ton, um so besser und genauer magnetisch aufgezeichnet werden kann, je schneller das Band am Magnetkopf vorbeiläuft, weil dann ja mehr Platz pro Tonschwingung zur Verfügung steht.

Ein Ton von 15.000Hz schwingt in einer Sekunde 15.000mal periodisch hin und her und wird mit wechselnden Magnetisierungsrichtungen der Tonbandschicht aufgeprägt. Wenn nun infolge einer zu niedrigen Bandgeschwindigkeit der „Mindestplatzbedarf" zur Aufzeichnung einer Einzel-Schwingung unterschritten wird, dann kann sie aus physikalischen Gründen nicht mehr eindeutig aufgezeichnet werden. Die obere Frequenzgrenze verschiebt sich deshalb nach unten, und der Übertragungsbereich wird eingeengt (Abbildung 37). Diese Tatsache gilt für alle Aufzeichnungsgeräte.

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