Leseprobe 4: Grundlagen der Fernsehtechnik

Hätte Thomas Alva Edison seinerzeit nicht die Glühlampe erfunden, hätte es vielleicht ein anderer getan. Und dennoch ist dem US-amerikanischen Erfinder und Unternehmer nicht nur die Markteinführung des elektrischen Lichtes zu verdanken. Die Ergebnisse seiner industriellen Forschung in den Bereichen Elektrizität und Elektrotechnik sind letztlich die Basis für die heutige Telekommunikation sowie die modernen Medien für Ton und Bild.

Edison entdeckte zum Ende des 19. Jahrhunderts die Glühemission im Zusammenhang mit einer geheizten Glühkathode im Vakuum eines Glaskörpers. Der sogenannte Edison-Richardson-Effekt wurde vom englischen Physiker John Ambrose Fleming aufgegriffen, der sich im Jahre 1904 die Vakuum-Diode patentieren ließ. Nur zwei Jahre später meldete der österreichische Physiker Robert von Lieben seine quecksilberdampfgefüllte Liebenröhre als Kathodenstrahlrelais zur Verstärkung des elektrischen Signals mit zwei Elektroden beim Kaiserlichen Patentamt an. 

Im Gegensatz zur Liebenröhre verfügte die ebenfalls gasgefüllte Audionröhre des US-amerikanischen Erfinders Lee de Forest bereits über drei Elektroden. Im Oktober 1912 stellte De Forest seinen Röhrenverstärker der Firma Bell Telephone Laboratories vor. Schon ein Jahr später war diese Technologie markttauglich. Anstatt der Gasfüllung wurde in den Röhren nunmehr ein Hochvakuum erzeugt, die ab 1913 für Telefonverbindungen zwischen New York und Baltimore genutzt wurden. Auch in Österreich stellte Robert von Lieben seine gasgefüllten Röhren auf Vakuumröhren um. 1916 entwickelte der deutsche Physiker und Elektrotechniker Walter Schottky bei Siemens & Halske die Schirmgitterröhre (Tetrode), die sich allerdings wie auch die Pentode nur als Verstärker für den Niederfrequenzbereich eignete. Für den Hochfrequenzbereich wurde im selben Jahr bei der englischen Marconi Company die Hochfrequenztriode V24 entwickelt – unter der Führung des englischen Forschers Henry Joseph Round, der ebenfalls als Erfinder der Leuchtdiode gilt. Mit der voranschreitenden Entwicklung der UKW- und Fernsehempfänger setzten sich letztlich die Trioden durch, die ihrem Namen nach aus drei Bauteilen bestehen: der Kathode (negative Elektrode) und der Anode (positive Elektrode) sowie dem Steuergitter, das sich dazwischen befindet.

In Deutschland revolutionierten Manfred von Ardenne und Siegmund Loewe im Jahre 1926 die Röhrentechnologie durch die Entwicklung der Dreifachröhre (3NF), die im Radioempfänger OE333 der Firma Loewe ihren Einsatz fand. Diese Mehrsystemröhre enthielt neben drei Trioden-Systemen auch zwei Kondensatoren und vier Widerstände. Bis in die späten 1950er Jahre wurden in Rundfunk- und Fernsehempfängern ausschließlich Elektronenröhren verwendet, die allerdings zunehmend durch Transistoren ersetzt wurden. Erst mit der Jahrtausendwende verschwanden  Röhren und Transistoren aus den Geräten der Unterhaltungselektronik. Heute stehen (fast) ausnahmslos LCD-/OLED-Flachbildschirme zur Verfügung. Die Plasma-Geräte sind bereits wieder vom Markt verschwunden. Nach diesem kleinen Exkurs in die Ursprünge der Bildübertragung sollen nun die technischen Grundlagen erörtert werden.

Bildübertragung

Neben individuellen Präferenzen sind doch allgemeinhin die Anforderungen an Bildwiedergabesysteme bis heute dieselben geblieben. Ein Bildwiedergabewandler (z.B. Fernseher) soll bei geringem Leistungsbedarf über eine hohe Helligkeit und Auflösung, kleine Trägheit, einen großen Betrachtungswinkel und natürlich eine große Bilddiagonale verfügen. Mit der modernen HDTV-Technologie sind Displays mit Bildschirmdiagonalen von einem Meter und darüber hinaus keine Seltenheit mehr. Auch Großbildprojektionen im Heimkinobereich finden immer mehr Verwendung. Allen gemeinsam ist das Grundprinzip: die Rekonstruktion des auf der Aufnahmeseite erzeugten Bildes und die Umsetzung des Videosignals in sichtbares Licht. Grundsätzlich lassen sich Wiedergabewandler in aktive (emittierende) und passive (nicht emittierende) Systeme unterteilen. Im 21. Jahrhundert haben wir uns längst an die leichten und flachen LCD- oder aber QLED- und OLED-Displays gewöhnt. Obwohl diese Technologien noch gar nicht so alt sind – vor allem wenn man bedenkt, dass knapp einhundert Jahre lang die Kathodenstrahlröhre unter anderem die Unterhaltungselektronik dominierte. Deshalb soll im Folgenden dieses einstige Wunderwerk der Technik gebührend erläutert werden.

Abbildung 33: Displaytechnologien im Vergleich

Kathodenstrahl/Elektronenstrahl

Eine Kathode (griechisch: káthodos = Hinabweg) ist die Gegenelektrode zur Anode (griechisch: ánodos = Aufweg). Es handelt sich dabei um eine Elektrode, an der Elektronen einem System zugeführt werden, das beispielsweise aus einem Vakuum (Elektronenröhre) besteht. Zwischen diesen Elektroden wandern Ionen (griechisch: Ión = wanderndes Teilchen); die Kationen zur Kathode und die Anionen zur Anode. Bereits zum Ende des 19. Jahrhunderts wurden Kathodenstrahlen systematisch untersucht. Der österreichisch-ungarische Physiker Philipp Eduard Anton Lenard entwickelte im Rahmen seiner Untersuchungen das sogenannte Lenard-Fenster und bewies damit, dass Kathodenstrahlen in der Lage sind, eine Metallfolie, die aus mehreren Tausend Atomschichten besteht, zu durchqueren. Darüber hinaus erkannte Lenard, dass Kathodenstrahlen photographische Platten belichten und unter gewissen Umständen Phosphoreszenz hervorrufen können. Im Jahre 1905 wurde Lenard dafür mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Allerdings war seinerzeit noch nicht bekannt, dass die Kathodenstrahlen auf Elektronen zurückzuführen sind. Deshalb wird in diesem Zusammenhang sowohl der Begriff Kathodenstrahl als auch Elektronenstrahl verwendet. In einer Kathodenstrahlröhre beziehungsweise Elektronenstrahlröhre (z.B. Braun‘sche Röhre) werden technisch Strahlenbündel mithilfe eines Strahlensystems (Elektronenkanone) erzeugt, Elektronen aus einer Glühkathode freigesetzt und durch ein elektrisches Feld beschleunigt.

Elektronenröhre (Kathodenstrahlröhre)

Die Kathodenstrahlröhre (engl. cathode ray tube/CRT) wird nach ihrem Erfinder auch Braun'sche Röhre genannt. Obwohl Braun eigentlich auf dem Gebiet der drahtlosen Telegrafie seinen Nobelpreis erhielt und mit dem einst durch den Kölner Schokoladenproduzenten Ludwig Stollwerck gegründeten Konsortium „Professor Braun’s Telegraphie Gesellschaft GmbH“ (der späteren Telefunken AG) finanziellen Erfolg hatte, verdankt er seine Bekanntheit grundsätzlich der Erfindung seiner Kathodenstrahlröhre. Da Brauns wissenschaftliche Untersuchungen in eine andere Richtung gingen, betrachtete er seine Erfindung für die seinerzeit noch ganz junge Fernsehtechnik als ungeeignet. Erst Manfred von Ardenne benutzte am 14. Dezember 1930 die Braun’sche Röhre bei der ersten vollelektronischen Fernsehübertragung. 

Aufbau

Im Laufe der sich entwickelnden Fernsehtechnik wurde aus der Braun’schen Kathodenstrahlröhre die Hochvakuumröhre, wie wir sie heute (im 21. Jahrhundert) allerdings überwiegend nur noch aus dem Museum kennen.

Abbildung 34: Schema der magnetischen Ablenkung bei der Kathodenstrahlröhre (Wikimedia Commons)


Ähnlich wie Glühlampen bestehen Kathodenstrahlröhren aus geschlossenen, sogenannten evakuierten Glaskolben. Allerdings ist das Glas hier sehr viel dicker, um dem hohen Außendruck standhalten zu können. Je breiter die Fläche, desto höher der Druck. Wenn man von ca. 1 bar ausgeht, entspricht das ungefähr einem Druck von 1 kg/cm2. Deshalb müssen größere Geräte auch eine entsprechend dickere Glaskolbenwandung haben. Das Innere ist luftleer, es befindet sich also ein Vakuum im Glaskolben, damit der Elektronenstrom nicht von Luftmolekülen behindert wird. Die Elektronen werden erzeugt, indem eine Metallfläche (Kathode) mit einem Glühdraht erhitzt wird. Die Wärme oder auch thermische Energie, die dabei entsteht, macht es möglich, dass die Elektronen aus der Kathode austreten. Der sogenannte Wehneltzylinder mit negativem Potential umgibt die Kathode, wobei an der Seite, die zum Bildschirm zeigt, ein kleines Loch dafür sorgt, dass der Elektronenstrahl austreten kann. Über die Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Wehneltzylinder wird die Strahlungsintensität gesteuert, das heißt, dass der Elektronenstrahl nicht unmittelbar nach seiner Erzeugung sofort wieder auseinander driftet (divergiert).

Abbildung 35: Aufbau einer Elektronenkanone mit Wehneltzylinder (Wikimedia Commons) ➀ Glühkathode ➁ Wehneltzylinder ➂ Anodenblende

Wie bereits erwähnt, ist die Kathode die Gegenelektrode zur Anode. Diese besteht bei Kathodenstrahlröhren oft aus einer elektrisch leitenden Schicht an der Innenseite des konischen Glaskörpers und einem Zylinder, der direkt in der Strahlenbahn liegt. Bei Schwarz/Weiß-Röhren werden die Elektronen mit ungefähr 18 kV auf die Anode beschleunigt. Dabei gelangen sie in den Bereich der sogenannten Fokussierelektroden, die für die Bildschärfe verantwortlich sind. Hier wird ein elektrisches Feld erzeugt, das den Elektronenstrahl bündelt. Sobald die Elektronen die Anode passiert haben, „fliegen“ die Elektronen bei konstanter Geschwindigkeit bis zur Leuchtschicht weiter. Dabei werden die Leuchtstoffe (Phosphore) zur Lichtemission angeregt. Diese erfolgt ungerichtet, weshalb bei der Betrachtung eines Röhrenbildschirms die Blickrichtung relativ unabhängig ist. 

Je schneller der Elektronenstrahl, desto höher die Leuchtdichte. Dies gilt es zu vermeiden: Denn bei großem Strahlstrom würde sich auch der Elektronenstrahldurchmesser erhöhen, was wiederum eine verringerte Bildschirmauflösung zur Folge hätte. Deshalb wird die Strahlstromstärke relativ gering gehalten (unter 1 mA). Auch die Beschleunigungsspannungen am Anodenanschluss liegen unterhalb von 30 kV. Wären die Elektronen zu schnell, würden sie beim Auftreffen auf die Leuchtschicht beziehungsweise die Glaskolbenwand so stark abgebremst werden, dass eine ungewollte Röntgenstrahlung entstünde.

Abbildung 36: 9″-Schwarz-Weiß-Bildröhre mit zugehöriger Ablenkeinheit (Wikimedia Commons)

Der Leuchtschirm besteht aus einer leitfähigen Schicht und ist mit einer dünnen Aluminiumschicht hinterlegt. Damit ist zum einen möglich, dass die Elektronen zur Anode abfließen können und sich damit der Stromkreis schließt. Zum anderen werden durch den aluminiumhinterlegten Leuchtschirm die Sekundärelektronen abgeleitet, welche dabei entstehen, wenn der Elektronenstrahl auf die Leuchtschicht trifft. Darüber hinaus reflektiert diese das Licht, damit die Leuchtstoffe in den Röhreninnenraum abstrahlen können. Infolgedessen wird sowohl die Bildhelligkeit als auch gleichzeitig der Kontrast erhöht. Letzterer wird auch durch die Verwendung von Grauglas gesteigert, das zumeist für die Herstellung der Röhren verwendet wurde. Von außen ist der Glaskolben am konischen Teil oft mit einer dünnen Graphitschicht überzogen. Die Erdung dieser Schicht bewirkt, dass das Gerät vor Ladungsausgleichen geschützt ist (Faradayscher Käfig[1]). Gemeinsam mit der inneren Anodenbeschichtung wirkt die äußere Grafitschicht wie ein Kondensator, der die Anodenspannung „glättet“. Mit diesem Grafitbelag sind elektrisch leitende Gitter verbunden. So kann der dadurch entstehende elektrische Widerstand die hohe Anodenspannung (bis 27 kV) auf geringere positive Potenziale senken.

Strahlablenkung

Für eine zweidimensionale Bilddarstellung muss der gebündelte Elektronenstrahl sowohl vertikal als auch horizontal abgelenkt werden. Diese Strahlablenkung kann entweder durch elektrische oder magnetische Felder erfolgen.

Abbildung 37: Ablenksystem/ Horizontalablenkspulen einer Fernseh-Bildröhre (Wikimedia Commons)

Da Fernseh- und Monitorröhren in der Regel einen großen Bildschirm und einen kurzen Röhrenhals haben, ist es notwendig, den relativ kurzen Elektronenstrahl in einem breiten Winkel zu streuen. Dazu dienen starke magnetische Felder, die zum einen durch zwei verschiedene Spulensysteme auf einem gemeinsamen Ferritkörper erzeugt werden. Diese Spulenanordnung ist auf dem Röhrenhals angebracht (Abbildung 37). Während der Ablenkung ist der Stromverlauf annähernd sägezahnförmig, d.h. dass die Frequenzen sehr kurz und damit die Amplituden spitz zulaufen, wie in Abbildung 38 dargestellt.

Abbildung 38: Schematische Darstellung einer Sägezahnspannung

Während der aktiven Zeilendauer wird der Elektronenstrahl durch die innenliegenden Sattelspulen von links nach rechts über den Leuchtschirm geführt (Horizontalablenkung). Dabei steht ihr Magnetfeld senkrecht zur Ablenkrichtung. Die Vertikalablenkung erfolgt nach demselben Prinzip durch das Magnetfeld, welches durch die Toroid- oder Ringspulen erzeugt wird. Sie liegen unterhalb der Sattelspulen und sind um den Ferritkern gewickelt. In der sogenannten Austastlücke springt der Strahl – für das menschliche Auge unsichtbar – an seinen Ausgangspunkt zurück. Das sogenannte Zeilensprungverfahren wird im Kapitel „Bildabtastung“ noch eingehender erläutert.

Abbildungsfehler

Wie bereits erwähnt, ist die Größe der Bildschirmdiagonale ausschlaggebend für den Winkel, in dem der Elektronenstrahl abgelenkt werden muss, um die gesamte Bildfläche ausleuchten zu können. Eine hohe Bildschirmwölbung wäre von Vorteil, da somit der Weg des Elektronenstrahls – egal ob zur Mitte oder an den Bildrand – genauso lang wäre. Jedoch würde ein Fernsehapparat mit Bildröhre dann eher einer Glaskugel ähneln. Deshalb muss der Ablenkwinkel sehr hoch sein. Bei moderneren Geräten konnten Werte bis 110° erreicht werden. Da diese Geräte flacher sind als ihre Vorgänger, bleibt das Problem, dass der Elektronenstrahl zur Mitte der Bildfläche einen relativ kurzen Weg – dagegen aber bis zum Bildschirmrand einen überproportional langen Weg zurücklegen muss. Entsprechend kann es zu Verzerrungen an den Rändern kommen, die einem Kissen gleichen. Deshalb spricht man in diesem Zusammenhang auch von Kissenverzerrungen, die durch Permanentmagnete und über Korrekturen des sägezahnförmigen Ablenkstroms ausgeglichen werden können.


Auf diverse Fußnoten wurde in dieser Leseprobe verzichtet

Auszug aus dem BUROSCH-Praxishandbuch: "Medientechnik"