Kathodenstrahlröhrenbildschirm


Kathodenstrahlröhrenbildschirm

Ein Kathodenstrahlröhrenbildschirm ist ein Bildschirm, der auf der Kathodenstrahlröhre von Ferdinand Braun (Braunsche Röhre) basiert. Häufig wird er auch als Kathodenstrahl-, Röhren- oder CRT- (Abk. für englisch Cathode Ray Tube) Bildschirm bezeichnet. Er kann in unterschiedlichen Geräten wie Oszilloskopen, Fernsehern und Bildschirmen (z. B. PC-Bildschirmen, Überwachungssysteme, usw.) und vielen anderen Bereichen eingesetzt werden. Jedoch wird diese Technik derzeit in weiten Bereichen durch Flachbildschirme ersetzt.

Bildschirme werden in verschiedenen Größen hergestellt. Auf dem Markt wird hierbei die Diagonale des Bildschirms als Maß benutzt. So besitzen Bildschirme für moderne Registrierkassen eine Diagonale von ca. 23 cm, während größere Computerbildschirme bis zu ca. 56 cm besitzen. Diese Diagonalen werden jedoch üblicherweise nicht in cm, sondern in Zoll angegeben. Auf größeren Bildschirmen können mehr Pixel und damit mehr Informationseinheiten dargestellt werden als auf kleineren Modellen, da die Bildauflösung nicht beliebig gesteigert werden kann. Im Unterhaltungsbereich (Fernsehgeräte) sind Bildschirmgrößen von 82 cm am oberen Ende der Skala erhältlich. Entscheidend ist hier nicht das Auflösungsvermögen (die Anzahl der Pixel ist durch die jeweilige Fernsehnorm festgelegt), sondern der Betrachtungsabstand.

Inhaltsverzeichnis

Funktionsweise

Mit Ausnahme des Oszilloskops wird der Bildschirm zur Darstellung von Rastergrafiken benutzt. Dabei wird die Bildinformation in einer Abfolge von nacheinander übertragenen Informationen pro Pixel übertragen (Fernsehsignal). Diese wird dann von der Elektronik innerhalb des Gerätes aufbereitet und zur Darstellung des ursprünglichen Bildes auf der Leuchtschicht herangeholt. Das Fernsehsignal ist dabei nur eine Möglichkeit, wie die Informationen zum Bildschirm gelangen können. In der Computertechnik werden die Informationen für die Primärfarben auf getrennten Signalwegen übertragen, ebenso die Informationen für die Synchronisation der Position des Elektronenstrahles auf der Leuchtschicht.

Hintergrund der Trennung und gemeinsamen Übertragung der Signale ist, dass von der Signalerzeugung auf der Grafikkarte zum Bildschirm nur kleine kabelgebundene Strecken überwunden werden müssen. Daher ist der stets mit Verlusten verbundene Aufwand der Mischung und Entmischung der komplexen analogen Signale hier nicht notwendig. Vom Fernsehstudio zum Fernsehzuschauer zuhause steht üblicherweise nur ein Übertragungskanal zu Verfügung, welcher die Übertragung über große Strecken sicherstellen muss. Hier lohnt sich der Aufwand dann.

Aufbau und Wirkungsweise

In Farbmonitoren bzw. Farbfernsehgeräten befindet sich als wichtigstes Bauteil die Kathodenstrahlröhre. Durch Glühemission aus geheizten Glühkathoden mit anschließender elektrostatischer Fokussierung werden drei Elektronenstrahlen erzeugt, die auf der Leuchtschicht einen mehr oder minder hellen Leuchtfleck durch Fluoreszenz erzeugen.

Auf dem Weg von der Bildröhre zur Leuchtschicht werden diese Elektronenstrahlen gemeinsam durch Magnetfelder abgelenkt, sodass ein Raster entsteht.

Die Helligkeit eines Pixels abhängig von seiner Position auf dem Leuchtschirm ergibt den Bildinhalt.

Das Eingangs erwähnte Fernsehsignal wird im Bildschirm zur Steuerung dieser Helligkeitsinformationen in Abhängigkeit zur Position des Elektronenstrahles benutzt.

Horizontale und vertikale Ablenkfrequenzen

Die jeweiligen Frequenzen, mit der die beiden Magnetfelder die Ablenkung des Strahles in waagerechter (horizontaler) und senkrechter (vertikaler) Richtung durchführen (=Zeilenfrequenz und Bildwiederholfrequenz), sowie der Pixeltakt (auch bekannt als Videobandbreite und bei PC-Monitoren als RAMDAC-Frequenz) bestimmen die Eigenschaften des Rasters: Anzahl der Zeilen bzw. Pixel, Seitenverhältnis der Pixel und wie oft pro Zeit ein Pixel von neuem zum Leuchten angeregt wird.

Die europäische Fernsehnorm sieht hierbei eine Horizontalfrequenz von 15.625 Hz, sowie eine vertikale Frequenz von 50 Hz vor. Der Bildaufbau erfolgt im Zeilensprungverfahren.

Computerbildschirme haben gewisse Bereiche der beiden Frequenzen, die in horizontaler Richtung zwischen 30 und bis zu 130 kHz, in vertikaler Richtung zwischen 60 und bis zu 200 Hz liegen.

In der Computertechnik ist man bestrebt, die Vertikalfrequenz auf mehr als ca. 80 Hz einzustellen. Nur so kann eine augenschonende, flimmerfreie Darstellung gewährleistet werden. Die Grenze der Flimmerfreiheit hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Nachleuchtdauer der Leuchtschicht. Neuere Bildröhren besitzen Leuchtschichten mit sehr kurzen Nachleuchtzeiten (wenige dutzend µs). Schwarzweißbildschirme besitzen dem gegenüber lange Nachleuchtzeiten im eher dreistelligen µs-Bereich.
  • Vom Betrachter. Manche Menschen arbeiten auch heute noch völlig unbeeindruckt vor Bildschirmen mit einer Vertikalfrequenz von 60 Hz, andere Menschen erkennen auch bei 85 Hz noch ein leichtes Flimmern.

Die Steigerung der Zeilenfrequenz steigert mithin auch die Rate, mit der die Helligkeitssteuerinformationen übertragen und verarbeitet werden müssen (Pixeltakt, s. o.). Im Computerbereich zeigt sich diese Wirkung z. B. recht deutlich, wenn zur Signalübertragung minderwertige Kabel verwendet werden. So wirkt ein entsprechendes Bild mit deutlichen Kontrasten immer unschärfer, je höher die Wiedergabefrequenzen bei gleichbleibender Auflösung eingestellt werden.

Bildaufbau

Man unterscheidet zwei Techniken des Bildaufbaus:

  • Beim Zeilensprungverfahren (engl. Interlace) wird zunächst nur jede zweite Zeile des Bildes, also nur die ungerade nummerierten Zeilen, dargestellt. Erst im folgenden vertikalen Durchlauf werden die gerade nummerierten Zeilen ergänzt. So wird die Bildwiederholfrequenz quasi verdoppelt, was ein weniger flimmerndes Bild erzeugt. Eine ähnliche Methode wird bei Kino-Projektoren eingesetzt, wo jedes Bild (24 Bilder pro Sekunde) durch eine Blende dreimal auf die Leinwand projiziert wird. Das Zeilensprungverfahren wird z. B. im analogen TV angewendet.
  • Die Alternative ist das Vollbildverfahren (engl. Progressive Scan, schrittweise Abtastung). Hierbei wird das Bild einfach in voller Auflösung zeilenweise erzeugt. Progressive Scan liefert bessere Bilder dank der doppelten Zeilenzahl, erfordert allerdings auch teurere Technik, da die Horizontalablenkeinheit die doppelte Frequenz liefern muss. Wird z. B. bei Computermonitoren angewendet. Allerdings teilweise auch bei HDTV.

Vor- und Nachteile

Vorteile
  • guter Schwarzwert
  • vom Betrachtungswinkel fast vollständig unabhängige Farbdarstellung, auch bei dunklen Bildpartien
  • durch analoge Signalverarbeitung keine Grenze der darstellbaren Farben
  • keine vorgegebene Idealauflösung
  • selbstleuchtend
  • schnelle Reaktionszeit
  • lange Haltbarkeit
  • günstig
  • Leistungsaufnahme bei dunklen Bildern geringer
Nachteile
  • groß und schwer
  • mögliche Beeinflussung durch externe Magnetfelder, wie etwa durch Motoren, Einsatzort in der Nähe von Oberleitungen wie z. B. der Deutschen Bahn (Farbverfälschung, Flackern, eventuell auch Zusammenbruch des Bildes, etc.)
  • „Flimmern“ und „Fiepen“ gerade bei älteren Geräten
  • Nachleuchten des Leuchtschirms, was jedoch normalerweise nur bei direkten Wechseln auf Schwarz und in abgedunkelten Räumen auffällt, unter diesen Umständen aber dazu führen kann, dass man das letzte Bild noch ca. 1-2 Sekunden auf dem Bildschirm erkennen kann. Die Zeit, bis sich das Auge an die neuen Helligkeitsverhältnisse angepasst hat, liegt aber deutlich darüber.
  • schwache Röntgenstrahlung, die auch aus dem Gerät heraus den Benutzer „bestrahlen“ kann. Allerdings sind neuere Geräte (Monitore ab TCO 99) praktisch vollständig gegen Strahlungsaustritt abgeschirmt.
  • evtl. geometrische Verzerrungen durch Nichtlinearitäten im zeitlichen Verlauf der Ablenkfelder. Diese lassen sich durch entsprechende (aufwendige) Formung der zugehörigen Spannungsverläufe allerdings größtenteils kompensieren.
  • Farbsäume durch ungenau justierte Kompensationsmaßnahmen zur Deckung der drei Elektronenstrahlen.
  • Entsorgung der Bildröhre ist problematisch: Hier sind viele verschiedene Werkstoffe verbunden, was das Recycling aufwendig gestaltet.
  • Verschleiß der Bildröhre (Einbrennen, Nachlassen der Emissionsfähigkeit der Kathoden), ein Austausch lohnt sich wirtschaftlich nicht.
  • Hohe Leistungsaufnahme; ein 17"-Röhrenmonitor nimmt typischerweise etwa 60 Watt auf.

Native Bildschirmauflösung

Computerbildschirme mit Kathodenstrahlröhre können bauartbedingt unterschiedliche Bildschirmauflösungen ohne nennenswerte Skalierungsverluste, wie sie z. B. von LC-Bildschirmen bekannt sind, darstellen. Bei geringen Bildschirmauflösungen streift der Elektronenstrahl dazu mehrere Bildschirmpixel gleichzeitig und erledigt so die Skalierung. Kathodenstrahlbildschirme eignen sich daher besonders für barrierenfreie Computerarbeitsplätze, bei denen aufgrund der besseren Lesbarkeit eine geringe Bildschirmauflösung mit großen Schriften gefordert ist. Bei besonders kleinen Auflösungen macht sich allerdings der Zwischenraum zwischen den geschriebenen Zeilen als waagerechtes Muster aus schwarzen Linien bemerkbar, da die Schärfe des Strahles auch bei geringerer Auflösung konstant bleibt.

Gerätespezifisches

Fernsehgeräte

Die ersten Geräte waren mit Schwarz-Weiß-Bildröhren im 4:3-Format ausgestattet, deren Größe bis Mitte der 1970er Jahre auf 63 cm gesteigert werden konnte. Größere Bildschirme bedingen einen stabileren Aufbau der Röhre durch dickere Glaskonstruktionen, was sich im Gewicht der Röhre niederschlägt.

Prinzipbedingt weist eine Kathodenstrahlröhre eine gewisse Einbautiefe auf. Diese wurde mit steigendem Ablenkwinkel immer wieder verringert, wird aber nie die geringe Einbautiefe von modernen Flachbildschirmtechnologien erreichen können.

Ab den späten 1960er Jahren war die Entwicklung des Farbfernsehens soweit abgeschlossen, dass kommerzielle Geräte erschwinglich wurden. Anfang der 90er Jahre versuchte man, das Bildformat 16:9 einzuführen, was jedoch scheiterte. Dieses wurde ab 2000 wieder versucht, mit dem Erfolg, dass ungefähr 20 % aller Bildröhrenfernseher im 16:9-Format verkauft wurden. Einige Bildröhren waren für HDTV ausgelegt, welches besonders in Japan seit den 90er Jahren beliebt ist.

Computermonitore

Computermonitore gab es ab den 1960er Jahren mit den monochromen Leuchtfarben Weiß, Grün und Bernstein. Gerade Bernsteinmonitore wiesen durch eine hohe Nachleuchtdauer eine sehr ruhige Bilddarstellung auf.

Siehe auch


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