Freiherr – vom – Stein – Schule Hessisch Lichtenau

Jahresarbeit in Physik mit dem Thema :

 

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Erarbeitet von Torsten Wetzel im April 1998

Inhaltsverzeichnis:

  1. Wie funktioniert ein Fernsehgerät im allgemeinen ?
  2. Wie wird ein Fernsehbild aufgebaut ?
    1. Wie funktioniert die Bildröhre (Kathodenstrahlröhre) ?
    2. a) Helligkeitsregelung

      b) Die Ablenkung des Elektronenstrahls

      - Elektrostatische Ablenkung

      - Magnetische Ablenkung

      c) Die Fokussierung des Elektronenstrahls

      d) Die Zerteilung und Zerlegung des Fernsehbildes

    3. Die Kathodenstrahlröhre als Fernsehbildröhre
    4. Wie kommt die Farbe ins Bild ?

a) Wie wird das Farbsignal in der Kamera gebildet?

b) Was macht der Farbfernsehempfänger mit diesem Farbsignal ?

c) Was hat die Lochmaske in einem Farbfernseher für Aufgaben?

d) Die verschiedenen Farbsysteme in den einzelnen Ländern

 

Vorwort :

Der Begriff "Fernsehen" birgt heute für die Allgemeinheit immer noch etwas Geheimnisvolles und sehr Kompliziertes in sich. Ja, man findet häufig sogar eine gewisse Scheu davor, mit dem Wesen des Fersehens vertraut zu werden und etwas davon verstehen zu wollen. Nun gibt es zwar eine ganze Reihe ausgezeichneter wissenschaftlicher Bücher, die mehr oder weniger eingehend das gesamte Gebiet des Fernsehens, oder einzelner Teilgebiete davon behandeln. Alle diese Bücher aber sind für den Fachmann geschrieben, das heißt, sie setzen ein solides radiotechnisches Wissen und zumeist auch höhere mathematische Kenntnisse beim Leser voraus. Dadurch ist diese Literatur für den großen Kreis der Nicht-Fachleute nur schwer, oder überhaupt nicht verständlich.

Ich habe nun versucht mit diesen Seiten einen kleinen Teil des Fernsehens, nämlich die einfachste Form der Fernsehbildröhre, die Kathodenstrahlröhre auch diesem großen Leserkreis nahe zu bringen und zu erklären. Ich setze von den Lesern nichts anderes voraus als das lebendige technische Interesse und die allgemeine Bildung des modernen Menschen. Ich habe deswegen keine Schaltungen und Schalteinzelheiten beschrieben, ich habe versucht das ganze theoretisch zu erklären.

Ich habe mich auf zwei Schwerpunkte in der Fernsehtechnik beschränkt. Im ersten Teil wird die Kathodenstrahlröhre in den Einzelteilen erklärt. Wie und warum entsteht ein kleiner Leuchtpunkt am Bildschirm. Im zweiten Teil wird beschrieben wie die Farbe in die heutigen modernen Fernsehbilder kommt.

Ich habe mich mit der Fernsehtechnik auseinandergesetzt, weil ich an technischen Geräten sehr viel Interesse habe und einfach mal sehen wollte wie denn nun das Fernsehgerät im einzelnen funktioniert. Da dies so kompliziert und sehr viel mit mathematischen Grundlagen zu tun hat, habe ich mich wie schon gesagt zu einer theoretischen Erklärung dieser zwei Dinge entschlossen.

1. Wie funktioniert ein Fernsehgerät im allgemeinen ?

Fernsehen (TV: Television), Echtzeitübertragung von bewegten und unbewegten Bildern durch elektronische Mittel über elektrische Übertragungsleitungen (Kabel) oder mittels elektromagnetischer Strahlung (Funkwellen). Normale Photolithographie ist durch die Aufteilung einer Abbildung in eine große Anzahl einzelner, kleiner, heller oder dunkler Punkte gekennzeichnet. Faksimileübertragung (Fax), ein System zur elektrischen Übertragung von Nachrichten, Bildern, Zeichnungen oder gedrucktem Material, basiert ebenfalls auf dieser Aufteilung in einzelne Punkte. In beiden Fällen sind die Punkte so klein und zahlreich, daß das Bild dem Auge des Betrachters wie ein zusammenhängendes Muster erscheint. Fernsehbilder werden in ähnlicher Weise aus einem Muster von Farbtonelementen gebildet, die miteinander vermischt werden und so ein vollständiges Bild ergeben. Anders als die Punkte einer Halbtonlithographie oder bei einer Faxübertragung erscheinen die einzelnen Farbtonelemente des Fernsehbildes auf der Empfangsoberfläche nacheinander in einer zeitlichen Abfolge. Sie liefern nur scheinbar eine Abbildung, erst der Gesichtssinn vermischt sie zu einem vollständigen Bild.

2. Wie wird ein Fernsehbild aufgebaut.

2.1 Wie funktioniert die Bildröhre (Kathodenstrahlröhre)?

Man hat eine Möglichkeit gesucht Elektronen zu bündeln und in einem Punkt zu vereinen. Als erstes gelang dies K.F. Braun.(1850 - 1918). Er erfand als erster Mensch die Kathodenstrahlröhre und nannte sie Braunsche-Röhre. Benutzt wird die Braunsche-Röhre vor allem in Fernsehgeräten und in wissenschaftlichen Geräten wie dem Oszillograph oder dem Radargerät. Wie funktioniert nun diese Röhre ? Da sich die Elektronen in einem Leiter in ständiger wilder Bewegung befinden und durch Zusammenstöße niemals alle in einer engsten Umgebung zusammenkommen würden (Dies gilt bei normaler, gemäßigter Temperatur), war es schwer einen Leuchtpunkt mit Elektronen herzustellen.Bei höherer Temperatur nehmen die Bewegungen und Zusammenstöße zu , bis zum Glühen des Leiters.

Beim Glühen treten einzelne Elektronen aus. Diesen Vorgang des Elektronenaustritts nennt man Elektonenemission. Diese Emission geht von der Kathode aus, bei einer "Schicht-Kathode" erhält man schon bei dunkler Rotglut (ca. 100 °C) eine starke Elektronenemission, also einen sehr lebhaften Fluß der Elektronen durch die Kathodenoberfläche hindurch in den umgebenden Raum. Wir setzen ein kleines Kathodenplättchen vor eine Heizspirale in ein luftleeres, tricherförmiges Glasgefäß. Am anderen Ende des Glasgefäßes ist ein Belag aus einem elektrischen leitenden Materials die "Anode" angebracht. Wird durch eine Batteriespannung die Anode positiv aufgeladen, dann wird die vor der Kathode anliegende Elektronenwolke mit großer Geschwindigkeit zur Anode hingezogen und prasselt als ein Elektronenregen auf dieser nieder. Diese Batterie wirkt wie eine Elektronenpumpe, sie saugt mit ihrem positiven Pol die negativgeladenen Elektronen an und preßt sie aus ihrem negativen Pol (Die Kathode) wieder heraus. So entsteht ein Kreislauf von fliegenden Elektronen von der Kathode zur Anode. Es fließt also ein ununterbrochener und völlig gleichmäßiger Elektonenstrom zwischen Kathode und Anode. Da ein Vakuum in dem Glasgefäß vorhanden ist, haben die Elektronen keinen Widerstand auf ihrem Weg zur Anode, sie erreichen daher sehr hohe Geschwindigkeiten, diese hängt aber vom Potentialunterschied zwischen Kathode und Anode ab. Bei einer Spannung von einigen hundert Volt erreicht man Geschwindigkeiten von ca. 10000 Kilometer pro Sekunde. Mit einigen Zehntausend Volt kann man die Elektronen schon fast auf Lichtgeschwindigkeit bringen. Bei manchen Materialien der Anode (z.B. Zinksulfit)

erkannte man schon früh, beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode einen kleinen Lichtschimmer. Diese Erscheinung nennt man Lumineszenz-Effect (genauer Kathodenlumineszenzeffect). Es handelt sich um nichts anderes, als daß im Moment des Aufpralls die Bewegungsenergie der Elektronen in Wärmeenergie und Lichtenergie umgewandelt wird. Je heller das

Licht sein soll, desto mehr Elektronen müssen in dem Moment auf den Schirm prallen und die Energie der Elektronen muß groß sein. Beide Werte sind vom Potentialunterschied der Kathode und der Anode abhängig. Je stärker dieses Feld, um so intensiver wird die Elektronenwolke an der Kathode weggesaugt, um so mehr Elektronen können also die Kathode verlassen und zum Leuchtschirm fliegen. Die beschleunigende Kraft wird natürlich auch größer und die Elektronen prallen mit höherer Geschwindigkeit auf den Leuchtschirm. Höhere Geschwindigkeit bedeutet höhere Auftreffenergie und damit größere Helligkeit des Leuchtschirmes. Es wird aber nicht alle Elektronenenergie in Licht umgewandelt wird, sondern der größte Teil wird in Wärme umgewandelt. Ein scharf gebündelter Elektronenstrahl kann schon nach kurzer Zeit einen Brennfleck in dem Leuchtschirm hinterlassen. Also muß der Leuchtschirm diese Wärme im genügendem Maße an das Glas und an die Umgebung abgeben.

Das alles ist das grundsätzliche Prinzip der Kathodenstrahlröhre. Bevor diese Röhre aber zu dem universal verwendbarem Instrument wurde, ohne das heute kaum mehr irgendwelche Messungen, Kontrollen, oder Untersuchungen auf den meisten Gebieten der Technik denkbar sind mußte sie noch in dreierlei Hinsichten erweitert und verbessert werden:

  1. An Stelle einer großen und nur schwach leuchtenden Fläche, sollte ein kleiner, heller und scharfer Leuchtpunkt entstehen. Dazu mußten die von der Kathode in breitem Strahl wegfliegenden Elektronen zu einem sehr dünnen Strahl "fokussiert" werden.
  2. Dieser dünne Elektronenstrahl und sein Leuchtpunkt am Schirm sollten durch elektrische Mittel beliebig über den ganzen Leuchtschirm hin und her bewegt werden können.
  3. Die Helligkeit des Leuchtpunktes sollte nach Belieben zwischen maximal hell und völlig unsichtbar (dunkel) regelbar sein.

 

Helligkeitsregelung:

Die Kathode ist von einem Hohlzylinder umgeben, der in seiner vorderen Stirnwand eine kleine Öffnung hat. Diese kleine Öffnung reicht aus um das Anziehungsfeld der Anode weiterhin aufrecht zu erhalten. Der Hohlzylinder wurde nach seinem Erfinder allgemein Wehneltzylinder genannt. Die Elektronen werden nun wie durch ein Kanonenrohr aus der Öffnung herausgeschossen, man spricht auch von der Elektronenkanone, womit die ganze vom Wehneltzylinder umschlossene Einheit gemeint ist.

Nun wird neben der Hochspannung zwischen Kathode und Anode noch eine kleinere Spannung von einigen Volt zwischen Kathode und Wehneltzylinder angelegt und zwar so, daß der negative Pol am Wehneltzylinder liegt. So wird im Wehneltzylinder eine Art Bremsfeld erzeugt, und es können weniger Elektronen herausgesaugt werden und zum Leuchtschirm fliegen, der Leuchtschirm wird dann weniger hell sein. Vergrößert man nun diese Spannung zwischen Kathode und Wehneltzylinder mehr und mehr, dann wird der Elektronenstrom durch die Röhre und damit die Helligkeit des Leuchtschirms immer kleiner, bis keine Elektronen mehr im Stande sind aus der Kathode herauszutreten. Dann bleibt der Leuchtschirm dunkel. Richtet man es nun so ein, daß eine verändernde Spannung an Kathode und Wehneltzylinder anliegt, dann wird sich die Helligkeit des Leuchtschirms genau im Rhythmus dieser Spannungsschwankung ändern.

Diese Helligkeitssteuerung geht völlig trägheitslos vorsich, also versucht man dem Leuchtschirm eine gewisse Trägheit zugeben, damit der Punkt noch einige Millisekunden nachleuchtet, um so das Flimmern des Fernsehbildes wegzubekommen.

 

Die Ablenkung des Elektronenstrahls:

Elektrostatische Ablenkung

Da die Elektronen negativ geladen sind werden sie von jedem positiven Potential angezogen. Was passiert wenn man zusätzlich zu der in Längsrichung gerichtetes Feld noch ein quergerichtetes Feld auf die Elektronen in einer Kathodenstrahlröhre einwirkt?

Durchfliegen die Elektronen auf ihrem Weg zum Leuchtschirm diese Querfeld, dann wirkt kurzzeitig eine Konstante, zu der positiven Seite hin. Die Bahnen werden daher etwas gekrümmt, und das Elektronenbündel setzt ihren Weg in der veränderten Richtung fort.

Man kann anstatt eines senkrechten Ablenkfeldes zusätzlich ein waagerechtes Ablenkfeld einbauen, so werden sich die Ablenkungen nach der Polarität der Elektronen eine Ablenkung nach links, rechts, oben und unten ergeben. Man muß jetzt die an den beiden Elektronenpaaren wirkende Ablenkspannung in geeignetem Rhythmus mit der entsprechenden Geschwindigkeit ändern um den Leuchtfleck an jede Position des Leuchtschirms zu bringen. Ansonsten geht auch diese trägheitslos vonstatten. Man benutzt aber heutzutage die Magnetische Ablenkung

Magnetische Ablenkung :

Um jeden Elektronenstrom, gleichgültig ob dieser Strom durch einen Leiter oder durch einen luftleeren Raum fließt, bildet sich ein Magnetfeld. Da ein stromdurchflossener Leiter mit den dahinfliegenden Elektronen vergleichbar ist und ebenso ein Hufeisenmagnet mit einem Elektromagneten, kann man diese Elektronenablenkmethode auch in die Kathodenstrahlröhre einbauen. Man erreicht das Ergebnis, daß der stromdurchflossene Leiter sich dem Kraftfeld beugt und weicht dem Magnetfeld aus. Also wird das Elektronenbündel sich auch dem Kraftfeld des Elektromagneten beugen und auch ausweichen. Man kann damit genau die gleiche Ablenkung wie bei der elektrostatischen Ablenkung erreichen. Die Größe und Richtung der Ablenkung hängt natürlich wieder von der Stärke und der Richtung des Magnetfeldes ab, und da diese

wieder durch die Magnetentwicklung des fliegenden Elektronenbündels abhängt, kann man so jede gewünschte Ablenkung in senkrechter Richtung erhalten. Baut man nun die gleiche Magnetenanordung zusätzlich horizontal ein, kann man somit das Elektronenbündel auch in waagrechter Richtung ablenken. Durch geschickte Kombination der horizontalen und vertikalen Ablenkung, kann man nun den Leuchtpunkt an jede Stelle des Schirms bringen. Genau wie bei der elektrostatischen Ablenkung. Man kann nun den Leuchtpunkt zu jeder gewünschten Bewegung über den Schirm veranlassen.

Vergleich der beiden Ablenkmethoden:

Es hängt vom Verwendungszweck der Kathodenstrahlröhre ab, ob elektrostatische oder magnetische Ablenkung angewandt wird. Bei Meß- oder Kontroll- Oszillografen wird stets elektrostatische Ablenkung mit vier Ablenkelektroden angewandt. Da die Ablenkwinkel des Elektronenstrahls nicht groß sind, können auch die erforderlichen Ablenkspannungen mühelos in Röhren- oder Transistorschaltungen erzeugt werden.

Anders ist dies bei Fernsehbildröhren mit ihren sehr großen Ablenkwinkeln von bis zu 110°. Hierfür wird bis heute die magnetische Ablenkung mit äußeren Ablenkspulen angewandt. Elektrostatische Ablenkung erfordert nicht nur komplizierte Einrichtung zur Erzeugung der sehr hohen Ablenkspannung, sondern hat über dies gezeigt, daß die Bildverzerrung in den äußeren Teilen viel stärker ist als bei der magnetischen Ablenkung.

 

Die Fokussierung des Elektronenstrahls:

Die Fokussierung (bündeln) des Elektronenstrahls kann auch wieder mit Hilfe von Kraftfeldern geschehen. Man kann auch hier wieder elektrostatische und magnetische Felder zur Strahlfokussierung heranziehen. Diese Felder haben nun die Aufgabe die sich in einem bestimmten Winkel ausbreitende Elektronenwolke so abzulenken, daß sich ihre Bahnen schließlich alle in einem einzigen Punkt kreuzen. In diesem Schnittpunkt ist die Energie aller Elektronen konzentriert und ergibt am Leuchtschirm den hellsten und schärften Leuchtpunkt. Dieser Vorgang ist mit einem Vorgang in der Optik vergleichbar. In der Optik werden mit Hilfe von Linsen die Lichtstrahlen so umgelenkt, daß sie wieder zusammenlaufen und sich schließlich in einem einzigen Punkt wieder kreuzen. Dieser Punkt heißt Bildpunkt. Man spricht auch bei der Kathodenstrahlröhre von Elektronenlinsen, genauer von elektrostatischen oder magnetischen Linsen. Allgemein heißt diese Technik, die sich mit der Ablenkung von Elektronen befaßt, Elektronenoptik.

Bewegt sich ein Elektron in beliebiger Richtung (aber nicht parallel zu den Kraftlinien ) durch ein Magnetfeld, dann erfährt es in jedem Augenblick eine Ablenkkraft, die sowohl senkrecht auf seine eigene Bewegungsrichtung, als auch auf die Richtung der Kraftlinien steht. Bewegt sich das Elektron jedoch parallel zu den Kraftlinien, dann entsteht keinerlei Ablenkkraft.

Wir lassen nun ein einzelnes Elektron in ein Magnetfeld hineinfliegen um zusehen wie es durch das Magnetfeld abgelenkt wird. Das Elektron durchfließt das Magnetfeld in einer Schraubenform, die je nach Einflugrichtung steiler oder flacher sein kann. Es gibt nur zwei Fälle wo es zu keiner Schraubenbewegung kommt. Das ist erstens, wenn sich das Elektron in einem ideal parallelgerichteten Feld genau senkrecht zu den Feldlinien bewegt. Und zweitens, wenn sich ein Elektron in einem Feld genau parallel zu den Kraftlinien bewegt. Diese beiden Fälle können aber kaum ganz verwirklicht werden. Also ist die schraubenförmige Elektronenbewegung für die gesamte Elektronenoptik von größter Bedeutung.

Man kann aber eins nicht außer Betracht lassen; Wir haben bisher nur von homogenen Feldern gesprochen, diese kommen aber in der Wirklichkeit nicht vor. Das Feld reicht im allgemeinen über den Polschnitt hinaus und geht allmählich in den umgebenen, feldfreien Raum über. Diese Ablenkung in den inhomogenen Randfeldern hat im allgemeinen wenig Bedeutung.

Magnetische Fokussierung mit "kurzen" Feldern

Man kann diese Fokussierung damit vergleichen, daß man in ein Hufeisenmagnet eine kreisförmige Öffnung hineinbohrt. Durch diese Öffnung lassen wir nun den Elektronenstrom fließen. Diese ringförmigen Randfelder besitzen die bemerkenswerte Eigenschaft, daß Elektronen, die von einem Punkt auf der Achse des Feldes ausgehend, sich unter nicht zu großen Winkeln von der Ausrichtung entfernen, durch ihre komplizierten Schraubenbewegungen gerade so abgelenkt werden, daß sie nach dem verlassen des Feldes auf einen gemeinsamen Punkt zufliegen und sich dort kreuzen. Dabei hängt die Entfernung des gemeinsamen Schnittpunktes der Elektronen einerseits von der Elektronengeschwindigkeit ab, andererseits von der Stärke des Magnetfeldes. In der Praxis wird daher die Feldstärke verändert um den Schnittpunkt genau in die Ebene des Leuchtschirms fallen zu lassen.

Praktische Ausführungen magnetischer Linsen

Es gibt drei Arten von magnetischen Linsen. Die erste ist die elektromagnetische Fokussierung, sie wird nur in einem ringförmigen Spalt wirksam, der an der Innenseite des die Spule umschließenden Eigengehäuses vorgesehen ist. Diese Möglichkeit ergibt den kleinsten und schärfsten Leuchtpunkt, ist aber sehr teuer und wird daher nur in Geräten mit hohen Ansprüchen angewandt. Die zweite ist die permanentmagnetische Fokussierung, auch hier wird das Feld nur an einem ringförmigen Spalt des Eigengehäuses wirksam. Durch verschieben des Ringes werden die Feldverhältnisse in und um den Spalt geändert und damit das Elektronenbündel richtig fokussiert. Bei beiden Möglichkeiten mit einem einzelnen Magneten ergibt sich der Nachteil, daß ein mehr oder weniger starkes Streufeld entsteht. So entsteht ein verschwommener Leuchtpunkt, der noch zusätzlich von der horizontalen und vertikalen Ablenkung störend beeinflußt wird und Bildverzerrungen hervorruft. Bei der dritten Ausführung wird ein solches Streufeld, durch eine zweifache Anordnung dieser permanentmagnetischen Fokussierungseinheit, vermieden. Die beiden Ringe werden nebeneinander angeordnet und haben die gleiche, aber entgegengesetzte magnetische Wirkung. Dadurch wird das Feld nur im umschlossenen Raum aufrecht gehalten, im umgebenden Raum heben sich die beiden Wirkungen gegenseitig auf. Die Schraubenbewegungen werden zwar durch dieses Doppelfeld noch komplizierter, aber die Fokussierung wird dadurch nicht beeinflußt. Das letzte Verfahren ist erst möglich seitdem die Entwicklung des besonderen magnetischen Werkstoffs Ferroxdure erfunden war. Vorher haben die Magneten bei dieser Doppelanordung ihren Magnetismus verloren.

Magnetische Fokussierung mit "langen" Feldern

Der Unterschied besteht darin, daß hierbei die Elektronen sofort nach ihrem Abschuß in die Schraubenbahn gebracht werden, weil die Kathode bei langen Feldern sich bereits im Magnetfeld befindet. Die Elektronen durchfliegen zwar alle verschieden Schraubenradien, verschiedene Abflugwinkel sind die Gründe. Aber das Bemerkenswerte ist, daß sich bei einer solchen Anordnung trotzdem alle in einem Punkt wieder treffen. Genau wie bei den kurzen Feldern. Man kann aber nun nach der fünften oder sechsten vollem Umdrehung abermals ein Kreuzungspunkt aller Elektronen feststellen. So hat man auch die Elektronenfokussierung bei langen Magnetfelder erreicht. Praktisch läßt sich das lange Feld, das ja die ganze Röhre von der Kathode bis zur Anode vollkommen homogen erfüllen muß, nur durch eine große, die ganze Röhre einschließlich das Leuchtschirmes umfassende, stromdurchflossende Spule erzeugen. Somit scheidet diese Art der Fokussierung für die sehr großen, modernen Fernsehbildröhren aus.

Elektrostatische Linsen

Die Elektronenlinse besteht aus zwei ringförmig angebrachten Elektroden, wobei die zweite Elektrode ein höheres Potential als die erste haben muß. Wegen des Potentialunterschiedes entsteht ein elektrisches Feld. Die Kraftlinien verlaufen gekrümmt, was durch einfache Experimente nachzuweisen ist und das Wichtigste bei dieser Anordnung ist.

Man darf nun aber nicht annehmen, daß die Elektronen durch die erste Ablenkung von der zweiten Ablenkung wieder aufgehoben wird. Das Elektron wird ja durch die anziehende Kraft der Anode beschleunigt, bewegt sich also mit rasch zunehmender Geschwindigkeit auf seiner Bahn, und durchfliegt daher die zweite Feldhälfte in viel kürzerer Zeit als die erste. Dementsprechend wird der Einfluß und die Ablenkung durch die zweite Feldhälfte viel geringer sein. Das Elektron wird schließlich mit einer zur Mittellinie hin geneigten Richtung das Ringfeld verlassen und sich irgendwo mit allen anderen Elektronen in einem Punkt treffen um so einen einzigen scharfen Leuchtpunkt zu erzeugen. Die Entfernung des Schnittpunktes hängt wieder einerseits von der Stärke des Fokussierfeldes, also dem Potentialunterschied zwischen den beiden Elektronen und andererseits auch wiederum von der Geschwindigkeit des Elektrons im Feld zwischen Kathode und Anode in der Röhre, ab. Genau so wie bei der magnetischen Fokussierung.

Praktische Ausführung elektrostatische Linsen

In der Praxis haben elektrostatische Linsen kaum die in Abb.4 schematisch dargestellte Form. Das wesentliche aller elektrostatischen Linsen ist der gekrümmte Feldverlauf zwischen zwei Elektroden verschiedenen Potentials. Man kann genau wie in der Licht-Optik in der Elektronen-Optik mehrere Linsen hintereinander schalten, das beste Beispiel dafür ist das Elektronenmikroskop. Man kann heute den Elektronenstrahl auf einen Punkt von nicht mehr als einigen hundertstel Millimeter fokussieren.

Man benutzt heute in den Fersehbildröhren die elektrostatische Fokussierung , weil sie geringere Kosten verursacht als die magnetische Fokussierung. Diese wird überall da angewandt, wo es auf eine besonders hochwertige Fokussierung ankommt, unter anderem auch für die Fernseh-Aufnahmeröhren.

Die Zerteilung und Zerlegung des Fernsehbildes

Das geläufigste Verfahren der Bildzerlegung ist eine Aufteilung in kleine Quadrate oder Rechtecke, deren Lage durch ihre jeweilige Stelle auf einer Zeile und durch die Zeilennummer eindeutig angegeben werden kann. Mit diesen Rechtecken kann man einzelne Abbildungen herstellen. Die Technik zum Aufspalten einer Abbildung in eine Folge einzelner Elemente, die später an den richtigen Stellen zusammengesetzt werden, bezeichnet man als Abtasten. Bei dem Vorgang streicht der Sensor (das "Auge") des Abtasters über das gesamte Bild. Der Abtaster erzeugt ein elektrisches Signal proportional (entsprechend) zur Helligkeit des abgetasteten Punktes. Beim Empfänger stellt ein zweiter Abtaster ein Bild des Objekts wieder her, indem der Lichtpunkt moduliert durch das Signal in genauer Übereinstimmung mit dem Sende-Abtaster wieder rekonstruiert wird.

Es sind im Lauf der Zeit verschiedene mechanische und elektrische Vorrichtungen zum Abtasten entworfen worden. In fast allen modernen Fernsehsystemen nutzt man die Bewegung eines Elektronenstrahles, der über die Schirme von Kamera- oder Fernsehempfängerröhren streicht. Der Vorteil eines Elektronenstrahles besteht darin, daß der Strahl mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt werden kann und sich ein gesamtes Bild in einem Sekundenbruchteil abtasten läßt. In einer vereinfachten Form zeigt die Abbildung 5 den Weg, der von einem Elektronenstrahl beim Abtasten des gesamten Bereiches eines Bildes zurückgelegt wird. Die durchgezogenen Linien repräsentieren den Weg des Strahles über die Bildoberfläche und die punktierten Linien die Rücklauf- bzw. Austastperioden. Um den Strahl zum Anfangspunkt der nächsten Linie oder des nächsten vollständigen Abtastvorganges zurückzubringen, wird der Strahl während dieser Perioden ausgeschaltet (Austastvorgang). Die Abbildung 5 zeigt ein einfaches Abtastmuster, das aus vergleichsweise wenigen Zeilen zusammengesetzt ist, sowie die einfache Wiedergabe des Musters. Heutzutage verwendet man bei der Abtastung eine große Anzahl von Zeilen, wobei das Muster in zwei versetzten Teilen abgetastet wird.

Ein vollständiges, einzelnes Abtastmuster erzeugt ein einzelnes unbewegtes Bild. Eine Bewegung setzt sich nach diesem Prinzip aus mehreren unbewegten Bildern zusammen

– so als ob man mehrere Momentaufnahmen macht. Weil diese Abtastmuster mehrmals in der Sekunde wiederholt und aneinandergereiht werden, vermischen sich diese für den Beobachter zu einer ununterbrochenen Bewegung.

Je größer die Zahl der aufgezeichneten Elemente in jeder Zeile, desto besser werden Details wiedergegeben

(Bildgüte). In der Fernsehtechnik müssen die Frequenz der

Musterwiederholung und die Anzahl der verwendeten Abtastzeilen für jedes System standardisiert sein. In der Praxis werden diese sogenannten Fernsehstandards für alle Sender und Empfänger festgelegt, die in einem Land genutzt werden. In Europa wird z.B. das PAL-System (Phase Alternate Line: zeilenweise Phasenänderung) verwendet, das sich aus 625 Zeilen und 25 Bildern (Rahmen) pro Sekunde zusammensetzt und eine hohe Auflösung bietet, da jedes Bild in zwei Feldern übertragen wird und damit 50 Halbbilder pro Sekunde angezeigt werden – nach dem Zeilensprungverfahren erst die ungeraden Zeilen und anschließend alle geraden. In den USA haben sich Fernsehsender und Fernsehhersteller auf einen Standard mit 525 waagerechten Zeilen und einer Frequenz von 60 Halbbildern pro Sekunde geeinigt. Das französische System (SECAM: Séquentiel à Mémoire, Speicherfolgensystem) arbeitet ebenfalls mit 525 Zeilen mit 60 Halbbildern pro Sekunde. Klarere Fernsehbilder können durch eine Erhöhung der Anzahl von Zeilen und Elementen erreicht werden.

2.2. Die Kathodenstrahlröhre als Fernsehbildröhre

Die glühende Kathode stößt nicht nur Elektronen, sondern auch einige andere Teilchen aus. Diese Teilchen, meist Bruchstücke von Molekülen, können auch elektrisch geladen sein. Diese nennt man dann Ionen Sie werden den gleichen Weg verfolgen wie die negativen Elektronen, wenn die Ionen auch Negativ geladen sind. Sie werden auch zu sehr hohen Geschwindigkeiten beschleunigt und prallen auf den Leuchtschirm. Der Schirm ist aber diesen Geschossen nicht gewachsen, und würde nach einiger Zeit, von der Mitte ausgehend, braun verfärben und seine Leuchtkraft verlieren. Daher müssen diese Ionen vom Leuchtschirm ferngehalten werden. Man kann die Massenträgkeit dieser Ionen ausnutzen, sie werden viel stärker von den Magnetfeldern angezogen als die Elektronen. Man muß nur die Elektronenkanone schräg richten und vor ihr ein quergerichtetes Magnetfeld einbauen. Die schweren Ionen fliegen dann geradeaus auf das Feld und zerschmettern dort. Man nennt dies nicht umsonst Ionenfalle. Sie muß aber sehr sorgfältig und exakt eingestellt sein, sonst fallen die Elektronen mit auf das Magnetfeld, oder die andere Möglichkeit ist, daß die Ionen dieser Falle trotzdem entwischen können. Wenn die Ionenfalle exakt eingestellt ist kann der Kathodenstrahl in einer Fernsehbildröhre benutzten.

2.3. Wie kommt die Farbe ins Bild ?

Farbfernsehen wurde in den USA und anderen Ländern in den fünfziger Jahren eingeführt. In Deutschland erschien es 1967.

Heutzutage besitzen mehr als 90 Prozent der Haushalte in den Industrieländern Farbfernseher. Die Übertragung für das Farbfernsehen erfordert zusätzlich zum Helligkeitssignal (auch Luminanzsignal), das für die Bildreproduktion in schwarz-weiß benötigt wird, ein sogenanntes Chrominanzsignal, das die Farb-Information enthält. Während das Luminanzsignal die Helligkeit von aufeinanderfolgenden Bildelementen anzeigt, gibt das Chrominanzsignal den Farbton und die Sättigung dieser Elemente an. Beide Signale werden

aus geeigneten Kombinationen von drei Videosignalen gewonnen, die durch die Farbfernsehkamera geliefert werden. Dabei entspricht jedes Signal den Intensitätsveränderungen des Bildes, die durch getrennte geeignete Rot-, Grün- und Blaufilter aufgenommen werden. Die kombinierten Helligkeit und Farbsignale lassen sich in der gleichen Weise übertragen wie das Helligkeitsignal von einem Monochromsender (Schwarz-Weiß-Sender). Beim Empfänger werden die drei Farben aus den Helligkeits- und Farbsignalen wieder hergestellt und die Rot-, Blau- und Grünkomponenten des Bildes erzeugt, die zusammen überlagert wieder die ursprünglich aufgenommene Szene in ihren natürlichen Farben wiedergeben.

Wie wird das Farbsignal in der Kamera gebildet?

Das Farbbild passiert die Kameralinse und trifft auf einen dichroitischen (in verschiedene Richtungen zwei Farben zeigender) Spiegel, der eine Farbe reflektiert und alle anderen Farben durchläßt. Der Spiegel reflektiert rotes Licht und läßt die blauen und grünen Strahlen durch. Ein zweiter dichroitischer Spiegel reflektiert das blaue Licht und läßt die grünen Strahlen passieren. Die drei so erzeugten Bilder, jeweils eines in rot, blau und grün, werden auf die Vorderseiten von drei Kameraröhren (drei Vidikone oder Plumbikone) gebündelt. Vor den Röhren befinden sich Farbfilter, die sicherstellen, daß die Farbausgabe jedes Kamerakanals mit den zu reproduzierenden Primärfarben Rot, Blau und Grün übereinstimmen. Der Elektronenstrahl in jeder Röhre tastet das Bildmuster ab und erzeugt ein primäres Farbsignal. Auszüge dieser drei Farbsignale wandern anschließend in einen elektronischen Addierer, der sie miteinander kombiniert, um die Helligkeit, das Schwarz-Weiß-Signal, zu produzieren. Signalauszüge werden außerdem einer anderen Einheit zugeführt, die sie kodiert oder kombiniert, um ein Signal zur Übertragung der Farbton- und Sättigungsinformationen zu erzeugen. Das Farbsignal wird dann mit dem Helligkeitssignal kombiniert, um das vollständige Farbfernsehsignal zu bilden, das anschließend ausgestrahlt wird.

Was macht der Farbfernsehempfänger mit diesem Farbsignal ?

Ein Farbfernsehempfänger enthält eine Dreifarbbildröhre mit drei Elektronenkanonen für je eine Primärfarbe. Die winzigen Leuchtpunkte auf dem Schirm sind in Dreiergruppen mit jeweils einem roten, grünen und blauen Leuchtstoff in jeder

Gruppe angeordnet. Jeweils eine Schattenmaske (Lochmaske) zwischen den Kathoden der Röhre und dem Bildschirm besitzt kleine Löcher, die so positioniert sind, daß der Elektronenstrom jeder Elektronenstrahlquelle auf einen Leuchtstoffpunkt mit der richtigen Farbe trifft. Der Strahl, der die Rotinformationen "zeichnet", trifft also nur auf rote Leuchtstoffpunkte usw. Wenn das eintreffende Farbsignal einen Farbfernsehempfänger erreicht, durchläuft es einen Filter, der die Farbe von der Helligkeit trennt. Die Farbinformation wird dann dekodiert. Bei der Rekombination mit der Helligkeitsinformation wird eine Reihe von Primärfarbsignalen erzeugt und der Dreifarbröhre zugeführt, um so das Bild wiederzugeben, das von der Kamera aufgezeichnet wurde. Wenn ein Farbfernsehsignal einen Schwarz-Weiß-Empfänger erreicht, werden die zu Farbton und Sättigung gehörenden Elektronendaten von den Schaltungen des Empfängers ignoriert, und nur das Helligkeitssignal wird beachtet.

Was hat die Lochmaske in einem Farbfernseher für Aufgaben?

Die eigentliche Farbdarstellung beim Farbfernseher wird nicht durch die Elektronenstrahlen, sondern durch das Fluoreszenzmaterial erzeugt. Auf der Mattscheibe sind diese Materialien in Form von kleinen Punkten aufgebracht, die in R,G,B leuchten, wenn sie vom Strahl getroffen werden. Um sicherzugehen, daß kein Elektronenstrahl aus Versehen eine andere Farbe als der ihm zugeordneten anregt, muß

er, bevor er auf den Schirm auftrifft, noch eine Lochmaske passieren, die dafür sorgt, daß nur die Punkte getroffen werden, die auch angeregt werden sollen. Durch Mischung dieser drei Farben kann man nun jede beliebige Farbe des Spektrums auf dem Bildschirm erzeugen.

 

Die verschiedenen Farbsysteme in den einzelnen Ländern :

In den USA verwendet man den vom National Television System Committee (NTSC: Nationales Fernsehsystemkomitee) angenommenen Standard für Farbfernsehen. In vielen Teilen Europas wurde der NTSC-Standard abgewiesen. In Europa werden die Fernsehnormen von der Internationalen Fernmeldeunion (Comité Consultatif International de Radiodiffusion; abgekürzt CCIR) festgelegt. In Deutschland ist der gegenwärtige Standard PAL (Phase Alternate Line: zeilenweise Phasenänderung), während in Frankreich das SECAM-System verwendet wird.

Einige Beispiele in Europa:

Land : Farbsystem :

Albanien SECAM

Belgien PAL

Bulgarien SECAM

Dänemark PAL

Finnland PAL

Griechenland SECAM

Großbritannien PAL

Irland PAL

Italien PAL

Jugoslawien PAL

Luxemburg PAL / SECAM

Monaco SECAM

Niederlande PAL

Norwegen PAL

Österreich PAL

Polen SECAM

Portugal PAL

Rumänien SECAM

Rußland SECAM

Schweden PAL

Schweiz PAL

Slowakei SECAM

Spanien PAL

Tschechien SECAM

Ungarn SECAM

Fazit :

Das waren nun zwei Wichtige Punkte von sehr, sehr Vielen, damit ein normaler Mensch zu Hause in seinem Wohnzimmer Fernsehen schauen kann. Fassen wir noch einmal kurz zusammen.

In jedem Fernsehgerät gibt es eine Kathodenstrahlröhre die nur durch anlegen einer gewissen Spannung einen kleinen Leuchtpunkt auf dem Leuchtschirm projiziert. Es kommt zu diesem, in seiner Helligkeit regelbaren, Leuchtfleck, in dem einzelne Elektroden von der Kathode zur Anode fliegen. Auf ihrem Weg dorthin durchqueren sie verschiedene Magnet- und Elektrostatische Felder die den Strahl bündeln und in ihre Richtung ablenken. Durch geschickte Ablenkungssteuerung kann man den winzigen Leuchtpunkt über den Bildschirm laufen lassen, so daß das einzelne Menschenauge, durch seine Trägheit bedingt, ein komplettes Bild sehen kann. Allerdings nur in schwarz weiß. Nun kann man durch geschickte Aneinanderreihung dieser einzelnen Bilder ein bewegtes Bild erzeugen. Damit man es auch in Farbe machen kann sind ein paar Änderungen dieser einfachen Kathodenstrahlröhre nötig. Der Unterschied ist, daß beim Farbfernseher drei Elektronenstrahlen erzeugt werden, einer für je eine der Grundfarben Rot, Grün, Blau. Die Strahlen werden auch nicht durch elektrische Felder abgelenkt, sondern durch magnetische. Sie fliegen dann auch durch die Lochmaske zum Leuchtschirm und erzeugen dort nun ein buntes Fernsehbild, welches wieder durch geschickte Aneinanderreihung, ein bewegter und bunter Fernsehfilm ist.

Der günstigste Abstand des Zuschauers vom Fernsehgerät liegt etwa beim fünffachen Bildröhrenabstand. Weiterhin wünsche ich ihnen frohes Fernseh schauen

Literaturverzeichnis

Angewandte Bücher und Softwareprogramme:

Angewandte Bilder:

- Abb.1 = Fernsehtechnik ohne Mathematik (Seite 33 Abb.18)

- Abb.2 = Fernsehtechnik ohne Mathematik (Seite 38 Abb.20)

- Abb.3 = Fernsehtechnik ohne Mathematik (Seite 41 Abb.25)

- Abb.4 = Fernsehtechnik ohne Mathematik (Seite 51 Abb.35)

- Abb.5 = Fernsehtechnik ohne Mathematik (Seite 54 Abb.38)

- Abb.6 = Farbparabel (Universität Hamburg)

- Abb.7 = Farbbildröhre (Universität Hamburg)

- Abb.8 = Bildröhrenschema (Encarta Enzyklopädie 97)

 

Erklärung zur eigenständigen Abfassung der Facharbeit :

Ich versichere hiermit, daß ich diese Facharbeit selbständig verfaßt, keine anderen als die angegeben Hilfsmittel verwendet habe und daß ich sämtliche Stellen, die benutzten Werke im Wortlaut oder dem Sinne nach entnommen sind, mit Quellenangabe kenntlich gemacht wurden. Diese Versicherung gilt auch für Zeichnungen, Skizzen und bildliche Darstellungen.

Reichenbach im April 1998