Farbfernsehgeräte, Computermonitore

Im Gegensatz zum Computermonitor ist das Fernsehgerät trotz seines komplizierten Innenlebens immer noch einigermaßen wartungsfreundlich. Die umfangreichen Strahlungsschutzmaßnahmen des Computermonitors machen das Innenleben oft nur schwer zugänglich und der mechanische Aufbau erschwert darüber hinaus Tests am laufenden Gerät. Vom Steuer- und Impulsteil her sind beide aber doch recht ähnlich aufgebaut, sodass es Sinn macht, sie zusammen zu behandeln. Natürlich, das Fernsehgerät besitzt noch ein Empfangsteil (HF+ ZF) in Form eines oder mehrerer Tuner, und der Computermonitor hat ein etwas komplizierteres Impulsteil, weil er Energiesparfunktionen besitzt und auch in unterschiedlichen Ablenkfrequenzen betrieben werden kann, aber die Fehlerbilder, die für den Laien noch auffindbar und somit reparierbar sind, sind weitgehend gleich. Auch er öffnet die Möglichkeit der direkten Bildschirmdiagnose bereits im Vorfeld der Reparatur gute Voraussetzungen für die Fehlerorteingrenzung in dem wohldefinierten Modulaufbau des modernen Farbfernsehempfängers und Monitors.

Aufbau des Farbfernsehbilds

Das traditionelle Fernsehbild setzt sich aus 625 x625 Einzelpunkten zusammen, die zeilenweise 25 mal pro Sekunde von drei parallelen Elektronenstrahlen als rot-grün-blaue Leuchtpunkte auf die Leuchtschicht der Bildröhre geschrieben werden. Aus den drei Grundfarben lassen sich durch additive Farbmischung alle Farben des sichtbaren Farbspektrums zusammensetzen. Um den Flimmereffekt klein zu halten, sieht die klassische Fernsehnorm vor, dass sich das Bild aus zwei übereinander projizierten Halbbildern zusammensetzt, die abwechselnd und jeweils nacheinander gesendet bzw. geschrieben wer den. Wollte man die Zeilen nummerieren, bestünde das erste Halbbild aus allen ungeraden und das zweite Halbbild aus allen geraden Zeilennummern. Drei Elektronenstrahlen huschen damit 50 mal (Vertikalfrequenz) pro Sekunde über die Bildfläche und schreiben beginnend von links oben in Lesrichtung je Halbbild 312,5 Zeilen, 1  also insgesamt 15.625 Zeilen (Horizontalfrequenz) pro Sekunde. Damit die Halbbilder exakt übereinander liegen und das Bild ruhig stehen kann, enthält das Fernsehsignal am Ende jeder Zeile und jedes Halbbilds spezielle Synchronisationsimpulse, die den Sprung des Elektronen-Strahls definiert an den Anfang der nächsten Zeile (Horizontalsynchronisation) bzw. des nächsten Bilds (Vertikalsynchronisation) sowie seine Unterdrückung (Austastung) in diesem Zeitraum veranlassen (vgl. Abbildung 19.13).

Bei 100 Hz-Fernsehgeräten sieht das vom Prinzip her genauso aus, nur dass das Bild hier nicht mehr aus zwei Halbbildern aufgebaut ist, sondern schlicht 100-mal pro Sekunde von links oben nach rechts unten geschrieben wird. Die digitale Technik ermöglicht es, durch Speicherung die alte Norm mit der neuen HDTV-Norm (eng!. Abk. High Definition Television) unter einen Hut zu bekommen und am gleichen Gerät darzustellen. HDTV sieht darüber hinaus die doppelte Zeilenzahl (1.250) und ein verändertes Bildseitenverhältnis

1 In der Tat endet das erste Halbbild in der Mitte der letzten Zeile und beginnt das zweite Halbbild  in der Mitte der ersten Zeile. Nur so lassen sich beiden Halbbilder ohne differenziert werden zu müssen exakt übereinander passen.

(16:9) mit entsprechend höherer horizontaler Punktedichte vor.2 Die höhere Zeilenzahl und größere Punktedichte des Signals ermöglicht einen geringeren Betrachtungsabstand und damit einen gegenüber dem herkömmlichen Fernsehen kinoähnlicheren Gesamtbildeindruck. Die dafür verantwortlichen Module haben allerdings mehr mit einem Computer als einem Fernsehgerät gemein und entziehen sich weitgehend den Reparaturmöglichkeiten des Hobbyisten. Interessanterweise ist die moderne Fertigungstechnik für digitale Technologien inzwischen aber so weit, dass in diesen Modulen kaum noch Fehler zu erwarten sind, die nicht bereits in der ersten, noch von der Garantie abgedeckten Zeit auftreten.

Die drei Elektronenstrahlen einer Farbbildröhre besitzen an sich noch keine „Farbe“. Sie regen eine aus 1,2 Millionen (bei HDTV in etwa die vierfache Menge) Leuchtpunkten be stehende Leuchtschicht an der Stirnseite der Bildröhre zum Leuchten an. Jeweils drei Leuchtpunkte der Farben Rot, Blau und Grün (RGB) stellen einen Bildpunkt dar. Eine einfache Elektronenoptik, bestehend aus einer Konvergenzeinheit, einer XY-Ablenkeinheit und einer Maske kurz vor der Leuchtschicht des Schirms ermöglicht, dass die drei parallel fokussierten Elektronenstrahlen in richtiger Anordnung auf die Leuchtschicht projiziert werden. Bei den ursprünglichen Lochmasken-Farbbildröhren waren für die exakte Parallel-Fokussierung noch recht aufwändige Konvergenzkorrekturen (und damit verbunden, routinemäßige Konvergenzeinstellungen durch den Servicetechniker) erforderlich — dieses Problem ist bei den inzwischen ausschließlich verwendeten selbstkonvergierenden Schlitzmaskenröhren durch eine waagrechte Kathodenanordnung und verbesserte Ablenkeinheiten herstellerseitig perfekt und wartungsfrei gelöst.

2 Dies gilt auch für das PALplus-Verfahren, eine Kombination aus einem verbesserten PAL-Verfahren und dem Bildseitenverhältnis von 16:9. Die Verbesserung besteht im Wesentlichen aus einer Vorfilterung des PALplus-Signals, sodass der PALplus-Empfänger gegenüber dem PAL-Empfänger eine höhere Luminarzbandbreite gewinnt. Dieses Verfahren heißt Motion Adaptive Colour Plus. Dadurch kann ein 16:9-Bild mit einer gegenüber einem 4:3-Bild benötigten höheren Frequenzbandbreite ausgestrahlt werden. Die Vorfilterung reduziert außerdem drastisch die Cross Colour-Störung. Das PALplus-Signal ist zum PAL-Verfahren kompatibel. Die 575 Zeilen des aktiven Bildinhalts werden in ein sogenanntes Kernbildsignal von 430 Zeilen und in ein Helpersignal mit 144 Zeilen aufgeteilt. Auf herkömmlichen Femsehempfängem werden die 430 Zeilen im Letter Box-Format wiedergegeben. Die Verwendung des PALplus-Coders auf der Senderseite ist auch bei der Ausstrahlung von 4:3-Sendungen möglich. Dabei wird nur das Colour-Plus-Verfahren eingesetzt, mit dem einige Verbesserungen der Bildqualität verbunden sind.

Aufbau des Monitorbilds

 

Das Farbbild eines Monitors mit Bildröhre entsteht in exakt der gleichen Weise, wie das eines Farbfernsehgeräts, mit dem Unterschied, dass die Elektronenoptik bei besseren Geräten noch wesentlich feiner fokussiert ist, um ein besonders scharfes Bild zu ergeben. Computermonitore haben zum Teil recht hohe Maximalauflösungen (typisch bis 1600x 1200 Bildpunkte, bessere Geräte erreichen sogar bis zu 2000x 1600 Punkte) und werden normalerweise im Abstand von etwa 80 cm betrachtet. Die Rasterung ist aber so fein (typisch 0,28 mm je Bildpunkt, der seinerseits aus drei Farbpunkten besteht), dass das Auge selbst in wenigen Zentimetern Abstand kaum einzelne Punkte ausmachen kann.

Obwohl die Monitore zur Erreichung höherer Auflösungen auch den so genannten Interlaced Modus beherrschen, der dem Prinzip der bereits erwähnten zeitversetzt geschriebenen Halbbilder folgt, werden Sie nahezu ausschließlich in Modi betrieben, die mindestens 70 vollständige Bilder pro Sekunde darstellen.

Impulsteil — horizontale und vertikale Ablenkung

In modernen Fernsehgeräten und Computermonitoren ist der Impulsteil inzwischen voll ständig digital aufgebaut. Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, die Bildgeometrie in weiten Grenzen variabel zu halten und über ein eingeblendetes Menü zu verändern, sondern auch als Parametersatz flur einen Betriebsmodus abzuspeichern. Bei älteren Geräten, die die Impulsaufbereitung noch mit rein analogen Mitteln (Filtern und RC-Gliedern) bewerkstelligen, gibt es hierfür noch an verschiedener Stelle im Chassis verstreute Trimmer, Regler (Kerne von Spulen) und Potis.

Die Auslenkung der drei durch die Bildröhrenhochspannung beschleunigten Elektronen strahlen (3 Kathoden, 1 Anode) geschieht durch spezielle, rechtwinklig zueinander wirkende und veränderliche Magnetfelder, die den am Bildröhrenhals befindlichen Ablenkspulen (Horizontal- und Vertikalablenkspule) entstammen. Die dafür nötigen, sägezahnförmigen Ablenkspannungen werden vom Fernsehgerät in einer Vertikalstufe und einer Horizontalstufe selbst erzeugt (Vertikal- und Horizontaloszillator) und mit der aus dem Fernsehsignal gewonnenen Synchronisationsinformation synchronisiert (Amplitudensieb und Synchronisationsstufen, vgl. Abbildung 19.13). Damit wird das Fernsehbild auch dann aufgebaut — „Rauschen“ ist ja auch ein Bild — wenn kein Sendersignal verfügbar ist, nur eine Synchronisation findet nicht statt. Monitore beziehen ihre horizontale und vertikale Synchronisation hingegen im „Reinformat“, über eine oder zwei zusätzliche Leitungen. (Bei nur einer Leitung ist gleichfalls eine Impulstrennung erforderlich.) Sie tasten das Bild dunkel, wenn keine Synchronisationssignale mehr erkannt werden und gehen in den Energiesparmodus bzw. Standby-Betrieb über.

Modularer Aufbau und grober Signalfluss in einem Fernsehempfänger

Während die Vertikalablenkung in der Praxis als weitgehend unabhängige Stufe aufgebaut ist, gewinnt man über die Horizontalstufe — sozusagen als „Nebeneffekt“3 — gleichzeitig die Hochspannung für den Betrieb der Bildröhre und die Fokussierung der Elektronen strahlen sowie einige weitere Betriebsspannungen. Dieses energietechnisch sehr vorteilhafte Konzept hat sich vor vielen Jahren als Standard in der Fernsehtechnik durchgesetzt und verleiht der Horizontalstufe eine zentrale Funktion — nicht nur für den Bildaufbau.

Abb. 2: Aufbau des Fernsehsignals nach der europäischen Fernsehnorm (PAL) — links Halbbild mit Bildwechsel- und Zeilensynchronimpulsen; rechts Zeile mit Zeilensynchronimpulsen und Burstsignal für Farbinformation

Kissenkorrektur

Die Geometrie der Bildröhre würde das Bild bei normaler Projektion an den Bildschirm- rändern kissenff5rmig verzerren. Daher besitzt jedes Fernsehgerät und jeder Monitor eine vertikal wirkende Nord-Süd-Kissenkorrektur und eine horizontal wirkende Ost-West Kissenkorrektur. Die dafür zuständigen Einheiten überlagern die Ströme der Ablenkspulen durch so genannte Parabelströme und entzerren so das Bild.

Signalteil — der Weg des Fernsehsignals

Die eigentliche Bild- und Toninformation ist dem hochfrequenten Fernsehsignal als Zusammensetzung mehrerer quasi-übereinanderliegender Signale aufmoduliert (VHF Bereich 1: 41 — 68 MHz, VHF-Bereich III: 174 — 223 MHz, UHF Bereich: 470 — 800 MHz, darüber die verschiedenen Satelliten-Frequenzbänder). Die Fernsehnorm ist, was

3 Energetisch gesehen spielt der Betrieb der Horizontalablenkspulen eine untergeordnete Rolle und verdient

es eher, als „Nebenprodukt“ bezeichnet zu werden. Bei einigen Modellen übernimmt die 1-lorizontalendstufe

sogar die Funktion des Schaltnetzteils mit und erzeugt alle im Gerät benötigten Betriebsspannungen.

den Signalaufbau betrifft, recht unorthodox und erklärt sich eigentlich nur aus dem historischen Kontext heraus. Für das Sendesignal stehen pro Kanal im VHF-Bereich eine Bandbreite von 7 MHz und im UHF-Bereich von 8 MHz zur Verfügung. Dies ist nicht viel, bedenkt man, dass bereits 5 MHz (15 625 *312,5) für ein Schwarz/Weißbild erforderlich sind. Dazu kommt nun noch das Tonsignal (inzwischen natürlich Stereo) und die Farbinformation. Bei hochauflösenden oder digitalen Fernsehnormen wird es noch komplizierter.

Wie auch immer, spezielle Modulationstechniken und -tricks machen es möglich, dass das so genannte Leuchtdichtesignal (eigentliches Schwarz/Weißbild- oder Y-Signal) in Amplitudenmodulation die beiden Farbsignale R-Y und B-Y mit Hilfe einer zusätzlichen 4,43 MHz-Farbhilfsträgerfrequenz (Burst) und das Tonsignal in Frequenzmodulation gerade noch ausreichend nebeneinander Platz finden. Bei den hochauflösenden analog orientierten Fernsehnormen muss natürlich noch trickreicher moduliert werden. Die seit einigen Jahren ausschließlich von Satelliten abgestrahlten digitalen Fernsehnormen ziehen endlich einen Schlussstrich unter diese verworrene Technologie und kommen nicht zuletzt aufgrund der verwendeten Kompressionsverfahren auf wesentlich schmalere Bandbreiten je Kanal, bei weitaus größerem Umfang an Bild- und Toninformation.

Die Aufgabe des Signalteils im herkömmlichen analogen Fernsehempfänger besteht nun hauptsächlich darin, das „Signalknäuel wieder zu entwirren“. Abbildung 1 verdeutlicht seine modulare Gliederung. Das Antennensignal wird im Tuner in der entsprechen den Bandbreite herausgeschnitten, verstärkt und in einer Mischstufe mit der Zwischenfrequenz 38,9 MHz versetzt, welche eine kräftige Verstärkung durch die ZF-Stufe mit spezieller Bandfiltercharakteristik ermöglicht. Am Ausgang der ZF-Stufe können Bild- und Tonsignale durch 5,5 MHz-Bandfilter (5,5 MHz ist der sog. Tonabstand im Fernsehsignal und gilt für die meisten in Westeuropa verwendeten Fernsehnormen) voneinander geschieden und getrennt demoduliert werden. Die Verarbeitung des Tonsignals hält sich an das Prinzip des klassischen UKW-Radioempfängers, auch was die weitergehende Stereo Dekodierung betrifft. Das Bildsignal (FBAS) erfordert dagegen eine weitere Auftrennung in einen Farbanteil F (RGB-Signale), einen Leuchtdichteanteil B (Y-Signal) und einen Austast- und Synchronisationsanteil (AS-Signale). Letzterer enthält übrigens zusätzlich noch die Informationen für Videotext. Der Leuchtdichteanteil wird schlicht durch Heraus- sieben des 4,43 MHz Farbanteils in einer Bandbreite von 1,3 MHz gewonnen. Damit ist klar, dass die reine Farbinformation eine viel geringere Auflösung als die Helligkeitsinformation besitzt und sich eine Farbpunktinformation auf ca. 4 Bildpunkte bezieht. Da bei reinen Schwarz/Weiß-Sendungen keine Farbinformation gesendet werden muss, besteht

4 Eine hohe Amplitude (75%) bedeutet einen schwarzen Bildpunkt und eine niedrige Amplitude (10%) einen weißen Bildpunkt.

Dazwischen liegt Grau. Die Synchronisationsimpulse sind als spezielle „Schwarzschultern“ (100 %) definiert.

5 G-Y wird aus Y, R-Y und B-Y rekonstruiert.

die Möglichkeit, bei solchen Sendungen über eine automatische Abschaltung (Farbabschalter) der 4,43 MHz-Falle im Leuchtdichteverstärker eine größere Bildschärfe zu er zielen, eine Technik, von der Fernsehstationen heutzutage keinen Gebrauch mehr machen.

Das Leuchtdichtesignal wird schließlich im Y-Verstärker noch einmal kräftig verstärkt und allen drei Kathoden mit einer Spannung von gut 100 V SS entweder direkt (bei Farbdifferenzansteuerung der Bildröhre) oder indirekt (bei RGB-Ansteuerung als gemeinsamer Y-Summand für die Signale R-Y, B-Y und G-Y) zugeführt.

Das Farbartsignal erfährt noch weitere Behandlung, die je nach Fernsehnorm (PAL oder SECAM) unterschiedlich ausfällt. Zunächst wird recht aufwändig die senderseitig unter drückte 4,43 MHz-Trägerfrequenz erzeugt und synchronisiert — die Synchroninformation lässt sich dem AS-Anteil am Ende einer jeden Zeile entnehmen (vgl. Abbildung 2 rechts). Das über einen Bandfilter aus dem FBAS-Signal herausgesiebte Farbartsignal kann dann im Zusammenspiel mit der regenerierten Farbhilfsträgerfrequenz in zwei um 90° phasenverschobene Teile zerlegt werden, die die Grundlage für das R-Y- und B-Y Signal bilden. Das in Deutschland verwendete PAL-Verfahren sieht nun vor, dass, z.B. im Gegensatz zum amerikanischen NTSC-Verfahren6 , die Farbechtheit der so gewonnenen Information trotz Einflüssen durch ungünstige Empfangsbedingungen (Phasenverschiebungen) gewährleistet bleibt. Die PAL-Kodierung des Farbartsignals nutzt geschickt einen „physikalischen Trick“ aus, der darin besteht, dass die R-Y-Farbinformation je zweier aufeinanderfolgender Zeilen eines Halbbilds zueinander jeweils um 180° phasenverschoben gesendet werden — d.h. eine Zeile trägt die „richtige“ Farbinformation und die nächste genau die im Rotanteil komplementäre (Rot wäre also Grün, Hellgrün Orange und Gelb sowie Blau unverändert)7 Aus je zwei Zeilen lässt sich dann durch geschickte elektrische Addition exakt der senderseitig „gemeinte“ Farbton herstellen. Damit es möglich ist, zwei nacheinander gesendete Zeilensignale gleichzeitig zu verwenden, besitzt jede PAL Farbstufe als typisches Merkmal ein 64 µs-Verzögemngsglied in Form eines Kristalls mit Ultraschallgeber- und -nehmersystem. Nachdem der HF-Anteil herausgefiltert ist, wird das R-Y-Signal jeder zweiten Zeile umgepolt (PAL-Schalter) und der „Dematrix“ zugeführt, wo durch elektrische Addition aus den schließlich phasenrichtigen Signalen R-Y und B-Y das Signal G-Y rekonstruiert werden kann.8

Drei identisch aufgebaute Signalverstärker in der RGB-Endstufe, die nun wiederum auch wieder in Monitoren zu finden sind, verstärken die Farbinformationen schließlich je nach verwendetem Ansteuerungsverfahren entweder unverändert oder unter Addition des Y Signals so, dass die Elektronenstrahlen der drei Bildröhrenkathodensysteme geeignet damit geregelt werden können.

6 Für das ältere NTSC-Verfahren hat sich daher die unrühmliche Akronym-Verwörtlichung „ Never The Same Color“ (niemals die gleiche Farbe) eingebürgert.

7 Das Prinzip lässt sich am besten anhand eines Farbkreises nachvollziehen, bei dem ein rechtwinkliges Koordinatensystem eingetragen ist. Eine Achse beschreibt das R-Y-Signal und die andere das B-Y-Signal).

8Der Rekonstruktion liegt die Summenformel R+B+GY zugrunde.

 

Fehlerbilder von Fernsehgeräten und Monitoren

Die Fehlerdiagnose beginnt mit der genauen Analyse des Fehlerbilds. Wir unterscheiden zwischen Impulsfehlern und Signalfehlern. Impulsfehler machen sich durch einen fehlenden, fehlerhaften oder verzerrten Bildaufbau (Geometrie) bemerkbar, während sich Signalfehler in schlechter, gar keiner oder farblich veränderter Bildwiedergabe bei korrektem Bildaufbau äußern.

Fehlerbilder des Impulsteils

Wir beginnen mit dem „einfacheren“ Impulsteil, da er fehleranfälliger ist. Gut 70% der Fehler rühren von einem Defekt in der Zeilenendstufe her, die wegen ihrer Funktion als energetisches Zentrum und der hohen Spannungen, die sie zu erzeugen hat, besonders anfällig für Alterung und Halbleiterdefekte ist. Seltener, etwa zu 20%, weist das Netzteil einen Defekt auf. Weitere häufig vorkommende Ausfälle gehen auf das Konto der Ost-West-Kissenentzerrung und der Vertikalendstufe. Sie sind anhand der typischen Fehlerbilder leicht zuzuordnen.

Fehlerbild	Keine Funktion, kein Bereitschaftslicht.
mögliche  Ursachen	Stromzuführung, Sicherungen, Einschalter.
Abhilfe	Überprüfen (vgl. auch Abschnitt „Schaltnetzteile, Computernetzteile‘, Seite 435).
Fehlerbild	Keine Funktion, Sicherung fällt nach Austausch sofort wieder.
mögliche Ursachen	Netzteil (Gleichrichterdioden) oder Kurzschluss in Zeilenendstufe oder Hochspannungsgleichrichtung (Kaskade).
Abhilfe	Netzteil und Zeilenendstufe überprüfen (vgl. auch Abschnitt „Schaltnetzteile, Computernetzteile‘, Seite 435).
Fehlerbild	Keine Funktion, aber Bereitschaftslicht vorhanden, Gerät reagiert auf manuelle Bedienung.
Mögliche Ursachen	Fernseher Fernsteuerung defekt oder Batterien leer (Sende Monitor Grafikkarte des Computers liefert kein (Sync-)Signal.
Abhilfe	Batterie überprüfen, manuelle Bedienung verwenden.