Quelle: unsplash; Bildschirme ermöglichen den Austausch von Informationen zwischen Mensch und Maschine

Es ist wohl die wichtigste Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. In meinem heutigen Beitrag wollen wir uns anschauen wie ein Bildschirm funktioniert. Ob Bilder, Filme oder Texte, alles sind visuelle Darstellungen die uns täglich über den Fernseher, das Smartphone oder über den Monitor angezeigt werden. 

Der Bildschirm findet überall dort Anwendung wo wir mit einem Rechner System eine Verbindung eingehen oder Informationen visualisieren möchten. Bildschirme gibt es in unterschiedlichen Größen, Formen und Farben. Mittlerweile gibt es sogar Bildschirme bzw. Displays, die flexible Formen annehmen können.

Röhrenmonitor, LCD-Monitor, Plasmabildschirm

Quelle: unsplash; Der Röhrenmonitor, ein wahrer Klassiker. 

Ein Bildschirm dient zur Visualisierung von Informationen. Nicht jeder Bildschirm funktioniert auf dieselbe weiße, da es unterschiedliche technische Display arten gibt die alle auf einer anderen Technik basieren. Da ich interessant finde, wie die Technologie hinter unseren Alltagsgegenständen funktioniert möchte ich euch heute aufzeigen, was sich hinter einem Röhrenmonitor verbirgt und wie dieser Bilder darstellen kann.

Der Röhrenmonitor, der Vorreiter des Fernsehens

Der Röhrenmonitor ist eine mittlerweile veraltete Technik, die zur Anzeige von Texten und Bildern verwendet wurde. Er war lange Zeit die einzige Technologie, mit der es möglich war, Bilder und Texte darzustellen. Seit den 2000er Jahren, wurde der Röhrenmonitor durch neuere Technologien ersetzt. 

Es gibt immer noch einige Bereiche, in denen heute noch der Röhrenmonitor vorhanden ist. Elektroniker, Techniker und Ingenieure setzen Röhrenmonitore immer noch in so mancher Messtechnik ein. Eines der wohl wichtigsten Messinstrumente, das Oszilloskop basiert auf der Technik des Röhrenmonitors.

Aufbau und Funktion

Ein Röhrenmonitor basiert auf einer Kathodenstrahlröhre, die freie Elektronen erzeugt, diese bündelt und auf eine Leuchtstoffschicht beschleunigt. Durch den Aufprall der Elektronen auf der Leuchtstoffschicht, fängt diese an den entsprechenden stellen an zu leuchten. Wie das funktioniert schauen wir uns nun genauer an.

Aufbau eines Röhrenmonitors

Ein Röhrenmonitor besteht aus einer Kathodenstrahlröhre, auch Braunsche Röhre genannt. Diese erzeugt einen gebündelten Elektronenstrahl der später auf eine spezielle Leuchtschicht geschossen wird. Ein Elektronenstrahl ist nichts anderes als ein Strahlenbündel aus einzelnen Elektronen (negativ geladene Teilchen)[1]. 

In einer Kathodenstrahlröhre werden Elektronen mittels einer Glühkathode, das ist im Grunde nichts anderes als ein gewickelter Draht aus z.B. Kupfer, erzeugt. Der gewickelte Draht (Spule) wird einfach an eine bestehende Stromquelle angeschlossen. Legt man eine Spannung an die Spule sammeln sich dort Elektronen an. 

Quelle: Eigene Darstellung; Vereinfachter Aufbau einer Kathodenstrahlröhre in einem unter Vakuum stehenden Glaskolben

Um die Spule, die auch Glühwendel genannt wird befindet sich ein Wehnelt-Zylinder, der negativ geladen ist. Mit einem kurzen Abstand vor der Glühwendel, die vom Wehnelt-Zylinder umschlossen ist, befindet sich eine Anode, eine positiv geladene Elektrode (positiv geladene Metallscheibe).

Quelle: Eigene Darstellung; Die Elektronen wandern von der Spule in Richtung Anode.

Die Elektronen die sich in der Spule ansammeln, werden durch die positive Ladung angezogen und fliegen in Richtung Anode. Die Elektronen bewegen sich nun auf die Leuchtschicht zu, sind aber noch nicht als Strahl gebündelt. Daher kommt jetzt der Wehnelt-Zylinder zum Einsatz.

Der Wehnelt-Zylinder ist wie die Elektronen, negativ geladen. Negativ und Negativ geladene Teilchen, stoßen sicht ab (Magnetismus). Da die Spule innerhalb des Wehnelt-Zylinders liegt werden die erzeugten Elektronen durch die magnetische Wirkung, in die Mitte des Wehnelt-Zylinders gedrückt, die dann durch die positive Ladung der Anode angezogen (nach vorne gerichtet) beschleunigt werden. 

Quelle: Eigene Darstellung; Der Wehnelt Zylinder richtet die Elektronen der Spule im Mittelpunkt durch magnetische Kräfte aus. Ergebnis ist eine punktuelle Ansammlung an Elektronen. 

Der sich nun ausbildende Elektronenstrahl fliegt durch ein Loch in der Anode durch und an zwei dahinter liegenden Plattenkondensatoren vorbei. Legt man an diese Plattenkondensatoren eine Spannung an (positiv oder negativ) wird der Elektronenstrahl durch die positive oder auch negative Ladung der Plattenkondensatoren angezogen oder abgestoßen.

Damit wird erreicht das man den Elektronenstrahl lenken (steuern) kann. Der Elektronenstrahl trifft schließlich am Ende des unter einem Vakuum stehenden Glaskolbens auf eine spezielle Leuchtschicht, die durch den Aufprall von Elektronen zu leuchten beginnt.

Diese Leuchtschicht ist in viele kleine Bildpunkte (Pixel) eingeteilt. Durch das Ablenken (steuern) des Elektronenstrahls werden dann schritt für schritt, jeder einzelne Bildpunkt unseres Bildschirmes erzeugt. Das Ganze geht so schnell, das in Sekundenbruchteilen tausende von Bildpunkte erzeugt werden die dann gemeinsam ein Bild darstellen, das wir mit unseren Augen war nehmen.   

Das ist im Prinzip der Aufbau eines Röhrenmonitors / Röhrenfernsehers wie wir in kennen. Das Problem bis hier hin ist nur, das wir ein Schwarz/Weiß-Bild sehen würden. Um ein Farbbild zu erzeugen wird zwischen Anode und Leuchtschicht, eine Lochmaske, Schlitzmaske oder Streifenmaske platziert, die aus ganz kleinen Subpixeln bestehen und die Farben rot, grün und gelb enthalten. 

Quelle: wikipedia; Urheber: Master FX; Ein vergrößerter Bildschirmausschnitt, der die Lochmaske mit ihren Sub-Pixeln zeigt. 

Diese drei Sub-Pixel ergeben in Kombination ein Pixel, das durch das gezielte Auftreffen der Elektronen alle Farben erzeugen kann, die das Menschliche Auge wahrnimmt.  Der Unterschied zwischen Loch-, Schlitz- und Streifenmaske ist die Anordnung der Subpixel. Bei einer Lochmaske ist die Maske lochförmig aufgebaut, bei einer Streifenmaske, in streifen [2]. 

Quelle: wikipedia; Urheber: Appaloosa; Der Aufbau einer Streifenmaske

In einer weiteren Ausgabe meiner Artikelreihe "drtobis world of technology" wollen wir uns die Funktionsweise der LCD-Displays anschauen. 

Literaturquellen

[1] Der Aufbau und die Funktionsweise einer Kathodenstrahlröhre

[2] Aufbau und Funktion der Loch- Streifen und Schlitzmaske