Kathodenstrahlröhren-Bildschirm

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Ein Kathodenstrahlröhrenbildschirm ist ein Bildschirm, der auf der Kathodenstrahlröhre von Ferdinand Braun (Braun’sche Röhre) basiert. Häufig wird er auch als Kathodenstrahl-, Röhren- oder CRT- (Abk. für engl. Cathode Ray Tube) Bildschirm bezeichnet. Er wurde in so unterschiedlichen Geräten wie Oszilloskopen, Fernsehern und Monitoren (z. B. PC-Bildschirmen, Überwachungssysteme usw.) und vielen anderen Bereichen eingesetzt. Diese Technik wurde 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.

Funktionsweise

1. Glühkathoden, 2. Elektronenstrahlen, 3. Bündelungsspulen, 4. Ablenkungsspulen, 5. Anodenanschluss, 6. Lochblende, 7. Phosphorschicht mit roten, grünen und blauen Subpixeln, 8. Nahansicht der phosphorbeschichteten Innenseite des Bildschirms

Bis auf die 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 Bildschirms aufbereitet und zur Darstellung des ursprünglichen Bildes auf der Leuchtschicht herangezogen. 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

In Farbmonitoren befindet sich als wichtigstes Bauteil die Kathodenstrahlröhre, dessen sichtbare Frontseite im Inneren mit einer unterteilten Leuchtschicht versehen ist, sowie drei negativ geladene Kathoden, eine positiv geladene Anode, einer Ablenkvorrichtung und einer Lochmaske. Jedes Pixel der Leuchtschicht ist in drei Leuchtpunkte aufgeteilt, die so genannten Tripel. Je ein Leuchtpunkt ist für die Primärfarben Rot, Grün und Blau zuständig. Die Leuchtstoffe selbst werden oft Phosphore genannt. Es handelt sich heute jedoch nicht mehr um das chemische Element Phosphor sondern um chemische Verbindungen, die Fluoreszenz zeigen und durch Elektronenbeschuss zum Leuchten angeregt werden.

Der Aufbau der immer seltener werdenden Schwarzweiß-Bildschirme ist einfacher. Es gibt keine Lochmaske, da keine getrennten Pixel angesteuert werden müssen; stattdessen fällt der Strahl direkt auf die homogene Leuchtschicht. Aus dem gleichen Grunde gibt es nur eine Kathode. Es kann prinzipbedingt keine Farbsäume bei der Darstellung geben und die Schärfe der gesamten Darstellung ist höher, da ein Leuchtfleck eine schärfere Darstellung erzeugen kann als drei eng nebeneinander auftreffende.

Erzeugung des Leuchtflecks

Zwischen die Kathoden und die Anode wird Hochspannung gelegt (bis zu 35.000 Volt bei Farbbildschirmen, bis ca. 18.000 Volt bei Schwarzweißmodellen). Von der Kathode werden Elektronen emittiert und durch die Anodenspannung mit hoher Geschwindigkeit in Richtung Anode (und weiter zur Leuchtschicht) beschleunigt. Dabei beeinflusst der Wehneltzylinder die Menge der beschleunigten Elektronen und damit die Helligkeit des erzeugten Lichtflecks. Es fließen Ströme im Bereich unter 1 mA pro Kathode, was die Gesamtleistungsaufnahme einer Bildröhre auf einige dutzend Watt treiben kann. Ein einfacher Versuch zeigt, dass das Darstellen eines sehr hellen Flecks bei voller Helligkeit das Glas (vom Betrachter gesehen) vor der Leuchtschicht nach einigen Minuten leicht erwärmt, während dunkle Stellen vergleichsweise kühl bleiben.

Vom Leuchtfleck zum Raster

Auf dem Weg von der Bildröhre zur Mattscheibe werden diese Elektronen durch zwei senkrecht zueinander stehende Magnetfelder so abgelenkt, dass sie jeweils genau den gewünschten Punkt am Bildschirm treffen. Der Elektronenstrahl wandert hierbei mit hoher Geschwindigkeit von links nach rechts, sowie mit einer geringeren Geschwindigkeit von oben nach unten und überstreicht dabei zeilenweise die Bildpunkte. Am Ende einer Zeile springt der Elektronenstrahl an den Anfang der folgenden Zeile zurück. Ist das untere Ende des Bildschirms erreicht, springt der Strahl wieder an das obere Ende zurück. Der Vorgang beginnt von neuem. So wird ein Raster erzeugt. Je schneller diese Vorgänge erfolgen, desto besser ergibt sich der durch die Trägheit des menschlichen Auges hervorgerufene Eindruck eines stehenden, flimmerfreien Bildes.

Bildmodulation

Die Modulation der Wehneltzylinder bestimmt die Helligkeit der einzelnen Pixel. So kann die Gesamthelligkeit als auch eine fast beliebige Farbmischung durchgeführt werden. 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 enorm kurzen Nachleuchtzeiten (wenige dutzend µS). Schwarzweißbildschirme besitzen dem gegenüber eher 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 Ideal-Auflösung
• selbstleuchtend
• schnelle Reaktionszeit
• lange Haltbarkeit
• günstig
• Leistungsaufnahme bei dunklen Bildern geringer

Nachteile

• groß und unförmig, schwer
• mögliche Beeinflussung durch externe Magnetfelder, wie etwa durch Motoren, Einsatzort in der Nähe von Oberleitungen wie z. B. der DB, (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 moderne Geräte gut 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 Kathode), ein Austausch lohnt sich wirtschaftlich nicht.

Native Bildschirmauflösung

Computerbildschirme mit Kathodenstrahlröhre können bauartbedingt unterschiedliche Bildschirmauflösungen ohne nennenswerte Skalierungsverluste, wie sie z. B. von LCD-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.

Delta- und Inline-Röhren

Nach der Einführung der aufgrund der höheren Effizienz helleren Inline-Bildröhren in Fernsehempfängern blieben Delta-Röhren weiterhin im professionellen Umfeld sowie bei hochauflösenden Monitoren im medizinischen Bereich in Verwendung. Delta-Farbbildröhren finden sich bis heute in qualitativ hochwertigen Computermonitoren, weil die Darstellungsqualität den erhöhten Aufwand rechtfertigt. Die in der Anfangszeit noch vorhandenen technischen Schwierigkeiten der Konvergenz bei Delta-Röhren resultierten in immer ausgefeilteren Ablenkspulensystemen, so dass moderne Monitore nur noch einen Bruchteil der damaligen Korrektureinstellungen erfordern.

Trinitron

Patentrechtlich geschützt, führte Sony in den 70er Jahren mit hohem Erfolg die Trinitron-Bildröhre ein. Der „Trick“ lag darin, die Bildpunkte nicht rund (Lochmaske), sondern eckig (als Streifenmaske) zu gestalten, was eine höhere Lichtausbeute ermöglichte und damit eine bessere Bildqualität bot. Auch in Computerbildschirmen wurden in den 90er Jahren Triniton-Bildröhren verbaut, diese wurden neben Sony auch von Siemens Nixdorf, Dell etc. unter Lizenz angeboten. Später wurde das Konzept von anderen Herstellern kopiert, siehe Hauptartikel Trinitron.

Gerätespezifisches

Fernsehgeräte

Die ersten Geräte waren mit Schwarz/Weiß-Bildröhren im 4:3-Format ausgestattet, deren Größe bis Mitte der 70er Jahre auf 63 cm gesteigert werden konnte. Ab den späten 60er 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 HD Fernsehen ausgelegt, welches besonders in Japan seit den 90er Jahren beliebt ist.

Computermonitore

Computermonitore gab es ab den 60er Jahren mit den monochromen Leuchtfarben Weiß, Grün und Bernstein. Gerade Bernsteinmonitore wiesen durch eine hohe Nachleuchtdauer eine sehr ruhige Bilddarstellung auf.

Siehe auch

• Bilderzeugung in einer Farbbildröhre