TELEVÍZOR
                                                                                                                                                                                       ÚVOD

 

 

Fyzikálne javy:  Elektromagnetické vlnenie

Didaktické použitie (ročník, tématický celok, téma):

4. ročník SŠ; VLNENIE; Elektromagnetické vlnenie; ( Prenos signálov vlnením)

História  a princíp činnosti:

História televízneho prijímača sa začala písať pred vyše 120 rokmi v Nemecku. Princíp farebnej televízie je známy od roku 1928.

Za počiatok televíznej histórie môžeme považovať dátum 6. január 1884, kedy si vtedy tridsaťdvaročný berlínsky študent Paul Gottlieb Nipkow podal patentovú prihlášku č. 30105 na elektrický teleskop. Jeho jadrom bol slávny Nipkowov kotúč, ktorý bol až do dvadsiatych rokov minulého storočia základnou súčasťou každého televízora, či televíznej kamery.

                                                            

                                                                                              Nipkowov kotúč

 

Bola to kruhová doska, ktorá mala po svojom obvode vyvŕtaných mnoho otvorov rovnakého priemeru, ktoré tvorili jeden závit špirály tak, že každý otvor bol oproti predchádzajúcemu

posunutý ku stredu kotúča s veľkosťou svojho priemeru. Za kotúč umiestnil vynálezca fotobunku tak, aby na jej citlivú plôšku dopadal vždy len malý zväzok svetelných lúčov z jedného otvoru kotúča. Obrázok premietaný na kotúč sa jeho otáčaním rozkladal na jednotlivé body a riadky a vytváral na výstupe fotobunky elektrický prúd, ktorého okamžitá hodnota odpovedala jasu toho ktorého miesta obrázku. Otočením kotúča o jednu celú otáčku tak boli vyslané všetky body obrázku, alebo tiež jeden celý snímok.

Prúd z fotobunky bolo jednoducho možné preniesť elektrickými drôtmi na iné miesto. Tu sa otáčal celkom rovnaký kotúč, ktorý mal ale okrem fotobunky svetelný zdroj, ktorého intenzita bola ovládaná napätím z fotobunky. Pohľadom cez kotúč potom mohol pozorovateľ, či televízny divák, pozorovať pôvodný obrázok z vysielača.

Aj keď bol prostriedok na rozklad a opätovné zloženie obrazu známy už od konca 19. storočia, priekopníci v tej dobe narážali na mnoho technických problémov. Pripomeňme len, že v tej dobe neboli ešte známe elektrónky a teda neexistoval prostriedok, ktorým by bolo možné prúd z fotobunky dostatočne zosilniť, neexistovalo ešte rádio, ktoré bolo „v plienkách“ až na prelome 19. a 20. storočia. Taktiež selénové fotobunky, ktoré sa vtedy používali ako základné súčiastky na snímanie obrazu, mali príliš veľkú optickú zotrvačnosť a boli pre televízne účely nevhodné. Bolo treba teda ešte veľa práce, ktorá by myšlienku televízie uviedla do praktického života.

Vynález vákuovej diódy (prvej elektrónky) počkal na sira Johna Ambrosa Fleminga v roku 1904. Onedlho prišiel Lee de Forest s triódou, ktorá má zosilňovací efekt a otvorila tak cestu pre zosilovanie slabých elektrických prúdov, výrobu netlmených kmitov pre rádiové vysielače a mnoho ďalších dôležitých možností, bez ktorých by rádio nebolo rádiom a televízia televíziou.

Nipkowovho kotúča sa ako jeden z prvých ujal až v 20-tych rokoch 20. storočia Škót  John Logie Baird. Skonštruoval a predviedol radu televíznych zariadení, stále ich zdokonaľoval a vo februári 1928 sa mu podaril aj transatlantický prenos s použitím krátkovlnného vysielača. obrázky ale neboli príliš kvalitné, mali len tridsať riadkov a pomer strán obrazu 4:3, takže mali dohromady len 1200 obrazových bodov. Pre porovnanie: dnešný televízor poskytuje pri rovnakom pomere strán a 625 riadkoch rozlíšenie viac ako pol milióna obrazových bodov.

Bairdov systém však používala aj britská BBC k pokusnému televíznemu vysielaniu na stredných vlnách, podobne, ako Ríšska pošta v Nemecku. V roku 1928 Baird demonštroval princípy farebnej televízie a o desať rokov neskôr, presne 4. februára 1938 predviedol v londýnskom kine Dominion Theatre farebnú projekčnú televíziu.

                                                                                

                                                                Bairdov televízor s Nipkowovým kotúčom (20. roky 20. storočia)

Éra elektronickej televízie odštartovala okolo roku 1923 vynálezom snímacej elektrónky. Vznikli pritom nezávisle na sebe hneď dve. Prvú elektrónku nazývanú disektor vynašiel šestnásťročný americký študent Philo Taylor farnsworth, ktorý načrtol princíp snímania v roku 1922 a tú druhú Vladimír Kosma Zworkyn. Zworkynov vynález, takzvaný ikonoskop bol ale oveľa citlivejší ako Fransworthov disektor. Obe snímacie elektrónky sa stali srdcom prvých televíznych kamier. Napriek malej citlivosti mal disektor väčšiu rozlišovaciu schopnosť ako ikonoskop a menšie geometrické skreslenie, ktoré museli pri ikonoskope technici korigovať špeciálnymi obvodmi kamery.

                                                                            

                                                        Televízny obraz V.K. Zworykina prenesený jeho elektronickou televíziou

                                                                                   

                                                                             Philo Taylor Farnsworth, vynálezca disektora

                                                                                  

                                                                 V.K. Zworykin s jednou zo svojich televíznych obrazoviek

Napriek tomu sa časom ukázalo, že kľúčovou vlastnosťou je citlivosť a disektory sa začali používať len na snímanie vysielaných filmov. Ikonoskop bol ďalej zdokonaľovaný, vznikol superikonoskop, ktorý bol aj základom prvých televíznych kamier Československej televízie z roku 1953 a vznikli aj ďalšie s omnoho väčšou citlivosťou.

Ikonoskop teda dokázal obrázok snímať, ale bolo potrebné ho aj reprodukovať. Obrazovú elektrónku nazývanú kineskop predviedol Zworykin v roku 1924. V roku 1929 potom demonštroval elektronickú televíznu aparatúru s kamerou a televízorom, ktorá ďaleko predbehla všetky doposiaľ používané mechanickooptické systémy [15].

                                                                         

                                                                         Takto vyzeral jeden z prvých televíznych prenosov

Možno naši rodičia ešte pamätajú doby, keď televízne prijímače mali veľké rozmery, malú obrazovku, nemali diaľkové ovládače a trvalo niekoľko minút, kým sa „rozohriali“. 

Pod pojmom televízia rozumieme sústavu technických prostriedkov, ktoré umožňujú prenos obrazu vo forme elektrického signálu – videosignálu elektromagnetickým vlnením na potrebnú vzdialenosť a v mieste príjmu premenu videosignálu späť na pôvodný obraz. Zdrojom videosignálu je snímacia elektrónka televíznej kamery.

Elektrónový lúč sa vychyľuje magnetickým poľom cievok tak, že jeho stopa sa pohybuje po citlivej vrstve v riadkoch. Elektróny lúča postupne dopadajú ne všetky bunky mozaiky a zbavujú ich elektrického náboja. V dôsledku toho prechádza rezistorom R prúd, ktorého veľkosť je úmerná náboju buniek, čiže ich osvetleniu. Na rezistore takto vzniká napätie, ktoré je „elektrickým obrazom“ snímaného objektu, čiže videosignál. Antény vysielačov vyžarujú televízny signál, ktorý má dve zložky: obrazovú (videosignál) a zvukovú (akustický signál).

Nosné frekvencie obidvoch zložiek sa odlišujú. Rozdiel je aj v tom, že na prenos videosignálu sa používa amplitúdová modulácia a na prenos akustického signálu frekvenčná modulácia. Na príjem televízneho signálu sa používa televízny prijímač, ktorý podobne ako rozhlasový prijímač pracuje na princípe superheterodynu. Televízny signál zachytený anténou sa v televíznom prijímači rozdelí na akustickú a obrazovú zložku. Akustická zložka sa premení na zvuk v podstate rovnakým spôsobom ako v rozhlasovom prijímači.

Obrazová zložka televízneho signálu sa spracuje v obrazovej časti televízora. Zosilnený televízny signál sa demoduluje a získaný videosignál sa po zosilnení obrazovým zosilňovačom  privádza na riadiacu elektródu televíznej obrazovky. Potenciál elektródy E sa mení, čím sa ovplyvňuje prúd elektrónov, ktoré v obrazovke dopadajú na tienidlo a spôsobujú jeho žiarenie. Elektrónový lúč sa opäť pohybuje po tienidle v riadkoch a podľa priebehu videosignálu sa mení jas tienidla a vzniká optický obraz.

Základy televízie sme vysvetlili na príklade televízneho prenosu čierno-bieleho obrazu. Prenos farebného obrazu je oveľa zložitejší. Vyplýva to z toho, že nestačí prenášať len informácie o jase obrazu, ale treba ich doplniť informáciou o farbe, t.j. o jej farebnom tóne a sýtosti. Vychádza sa z poznatku, že miešaním troch farieb – červenej , zelenej a modrej v rozličnom pomere možno utvoriť celú stupnicu farebných odtieňov, vrátane sivej a bielej. 

Z obrazového zosilňovača sa získava aj pomocný signál na synchronizáciu obrazu, ktorý sa privádza do oddeľovača synchronizačných impulzov. Odtiaľ vychádzajú impulzy, ktoré riadia činnosť generátorov pílového napätia pre riadkový (vodorovný) a snímkový (zvislý) rozklad.

V kamere pre farebnú televíziu sa získavajú tri základné farebné signály, z ktorých sa v prenosovej sústave utvárajú dva signály – jasový a farbonosný. Jasový signál zodpovedá v podstate signálu čierno-bielej televízie, čo umožňuje príjem vysielania farebnej televízie aj prijímačom na čierno-bielu televíziu.

V televíznom prijímači na farebný obraz sa utvára na tienidle obrazovky s veľmi jemnou štruktúrou. V nej sú pravidelne rozmiestnené plôšky, ktoré pri dopade elektrónu žiaria červeno, zeleno alebo modro. Vznikajú tak tri základné farebné obrazy, ktoré sa navzájom prelínajú. Keďže jemná štruktúra tienidla nie je z bežnej vzdialenosti okom rozlíšiteľná, vnímame výsledný farebný obraz, ktorý môže mať všetky odtiene farieb [16].

Najdôležitejšou časťou televízora je obrazovka. Je vyrobená z hrubého skla a z jej vnútra je vyčerpaný vzduch. Zosilnený el. signál je privádzaný na tri elektrónové delá. Základom elektrónového dela je fakt, že z rozžeraveného vlákna kovov vyletujú (emitujú) elektróny. Okolo vlákna sa utvorí tzv. elektrónový mrak. No ak rozžeravené vlákno elektrónky spojíme so záporným pólom zdroja a druhú elektródu s kladným pólom, pohyb elektrónov sa usmerní od katódy k anóde. Elektróny potom vyletujú na povrch obrazovky. Každé z nich slúži na vyvolanie jednej zo základných farieb na luminoforoch. Luminofory sú body pokryté svetielkujúcimi látkami, ktoré svietia v závislosti od množstva dopadnutých elektrónov. Elektrónový lúč je vychylovaný magnetickým polom cievky, ktorá sa nachádza hneď za elektrónovými delami. Lúč sa pohybuje po obrazovke, ako keď čítame knihu. Pri prenose obrazu oko nesmie spozorovať, že lúč postupne prebieha po rôznych bodoch svietiacej obrazovky. Obrazy treba striedať s takou frekvenciou, aby sa následkom zotrvačnosti ľudského oka nepozorovalo mihanie jasu.

Akú frekvenciu musí mať výmena jednotlivých obrazov? Treba zvoliť také číslo, ktoré súvisí s frekvenciou prúdu v sieti. Hlavný problém je v tom, že striedavé napätie privádzané na obrazovku vytvára tmavé a svetlé pruhy. Ak bude frekvencia striedania obrazov rovnaká ako frekvencia v sieti, alebo bude jej násobkom, tak len potom budú pásy nepohyblivé a nebudú pozorovateľné. Plynulosť pohybu vzniká pri frekvencii striedania obrazov okolo 20 Hz, preto sa v televízii používa striedanie 25 obrazov za sekundu. Pri tejto frekvencii je blikanie obrazu ešte pozorovateľné. Frekvencia 50 Hz nie je želateľná (z technických príčin), a preto technici využili zvláštny jav: použili prekladané riadkovanie. Frekvencia 25 Hz sa ponechala, ale elektrónový lúč píše napred riadky párne a potom nepárne. Frekvencia zmeny polovíc obrazovky je takto 50 Hz a blikanie jasnosti sa stáva nepozorovateľným.

Televízny signál je elektromagnetické vlnenie presne tak isto ako svetlo či rádiové vlnenie. Spolu so signálom televízie sa šíri aj zvuková vlna. Televízny prijímač je schopný tieto signály rozoznať a roztriediť. Vďaka tomu môžeme v reálnom čase sledovať obraz aj počuť zvuk súčasne. Na televízny prenos sa musia používať len ultrakrátke vlny, z čoho vyplýva, že vzdialenosť televízneho prenosu je obmedzená na priamu viditeľnosť. Revolučná udalosť, ktorá umožňuje televízny prenos na ľubovolné vzdialenosti, je použitie spojových družíc. Takéto komunikačné družice využívajú frekvencie nad 3 GHz.

Bežný signál má pred zosilnením výkon približne 10-30 W a zosilňovač výkonu mu ho zväčší milión krát. Výkon 10-30 W sa potom privádza na obrovský satelit. Tento satelit vytvára úzky rovnobežný zväzok, ktorý bude odrazený družicou. Prechodom elektromagnetickej vlny po družicu, čo je približne 35 000 km, sa zmenší výkon signálu na 10-11 W. Zosilňovač na družici zväčší výkon tohto slabučkého signálu približne na 10 W. Pri prechode na Zem po odraze od družice sa vráti signál s výkonom 10-17 W. Zosilnením sa videosignálu opäť vráti pôvodný výkon 10-30 W.  [17]

 

                                  

 

 

Plazmové obrazovky

Hrubé katódové televízory slúžili spotrebiteľom viac ako polstoročie. Čaká ich rovnaký osud ako objemné počítačové monitory, ktoré v priebehu niekoľkých rokov nahradili displeje. Hoci kvalitou obrazu klasické televízory svojich nástupcov naďalej tromfnú, tenké panely sú atraktívne, pretože zaberajú menej miesta, dajú sa zavesiť na stenu a pôsobia elegantne. Plazmová obrazovka ponúka malé rozmery (vďaka čomu sa dá zavesiť na stenu ako obraz), veľkú uhlopriečku a vynikajúci obraz. Spomedzi všetkých zariadení má najvyšší kontrast obrazu.

Obraz môže byť oveľa väčší ako veľké televízory a pritom má oveľa vyššie rozlíšenie a kvalitnejší obraz. Nemá síce bežne vlastný tuner, takže ako náhradu za TV ho treba pripojiť napríklad ku videu, alebo prídavnému tuneru, zato má však možnosť pripojiť priamo VGA konektor od PC. Dnešné plazmy sú navrhnuté tak, aby spĺňali okrem video štandardov aj štandardy Windows (WHQL) a tým ich možno bezproblémovo používať na prezentácie v spojení s počítačmi. Je to "klasický monitor" typu Plug-and-Play. Nemá veľkú spotrebu a jeho výroba je pomerne šetrná voči životnému prostrediu.

Od 60. rokov sa intenzívne vyvíjali panely, ktoré by umožňovali veľkoplošné projekcie s ohľadom na nedostatok miesta. Prvé použiteľné exempláre opustili výrobné linky v 90 rokoch a koncom minulého tisícročia sa začali úspešne predávať. Vzhľadom k unikátnym technickým parametrom plazmových displejov je každá firma dodávajúca na trh spotrebnú elektroniku zaraďuje medzi špičku svojho sortimentu, preto je v súčasnosti ľahko zohnateľná.

Jednotlivé body majú maticové usporiadanie, tak ako pri LCD displeji. Majú raz a navždy určenú svoju mechanickú pozíciu a tým odpadajú akékoľvek problémy s geometrickými deformáciami obrazu. Nijaká súdkovitosť, nijaká vankúšikovitosť, neexistuje ani problém s nastavovaním konvergencie jednotlivých farieb. Neexistuje vychyľovanie zobrazovacieho lúča na magnetickom princípe a tým ani deformácie spôsobované cudzími magnetickými poľami v blízkosti obrazovky.

Ako u všetkých zobrazovacích jednotiek, tak aj tu je princípom miešanie červenej, zelenej a modrej farby. Pri skúmaní usporiadania týchto bodov pod lupou zistíte, že od jedného okraja po druhý sa ťahajú zhora nadol rezančeky červených, zelených a modrých kanálikov. Popod ne sa ťahajú aj riadiace elektródy pre vertikálny smer. Riadenie v opačnom smere, teda horizontálnom, majú na starosti priehľadné elektródy vo vodorovnom smere, ktoré sú súčasťou priehľadnej sklenenej dielektrickej vrstvy na prednej strane.

Po privedení príslušného napätia medzi elektródy sa dajú do pohybu elektróny. Tie spôsobujú ionizáciu plynu (xenón). Vznikajúce ultrafialové žiarenie aktivuje emitovanie viditeľného svetelného žiarenia fosforovou vrstvou, ktorou sú vyplnené steny a dno bunky. Jas bodu je úmerný veľkosti riadiaceho napätia medzi elektródami.

Technológia plazmových zobrazovacích panelov bola prelomovým objavom, ktorý viedol k tenkým televízorom s veľkou obrazovkou. Dnes sa v Japonsku predávajú panely s veľkosťou až 165 cm (vertikálne). Výskum v oblasti zväčšenia panelov pokračuje a mnohí očakávajú, že sa objavia panely s veľkosťou od 200 cm do 250 cm (vertikálne). Konštrukcia plazmových panelov sama o sebe je dosť jednoduchá, je pravdepodobné, že ceny spadnú ešte nižšie, pretože súčiastky a materiály sú stále lacnejšie a výrobný proces sa stále vyvíja. Pokiaľ sa celosvetový dopyt po plazmových televízoroch dramaticky zvýši, ako sa aj očakáva, je pravdepodobné, že výsledný rozsah produkcie cenu ďalej zníži. Takže nie je ďaleko deň, keď si ľudia v domovoch na celom svete budú môcť vychutnať vzrušenie a krásu obrazu plazmových televízorov. A televízory „ s klasickými obrazovkami“ budú už len minulosťou, pretože technika sa stále obnovuje a ako sa vraví:  „čo je teraz nové o pár dní je už staré [18]."

 

Motivačné otázky:

Aká základná premena energie prebieha v televízore?

Elektrická energia sa mení na energiu luminescenčného žiarenia.

(Kvantové vlastnosti svetla)

Prečo sa na televíznej obrazovke objaví obraz až po dlhšej dobe po zapnutí TV?

 Katóda môže emitovať elektróny vytvárajúce na tienidle obrazovky obraz až po dostatočnom nažhavení [2].

(Elektrický prúd v rôznych látkach)

Čo z fyzikálneho hľadiska robíme, keď ladíme rozhlasový alebo televízny prijímač?

 Nastavujeme frekvenciu vlastných kmitov ladiaceho oscilačného obvodu na frekvenciu prijímaného nosného signálu. Potom je splnená podmienka rezonancie a amplitúda nútených kmitov ladiaceho obvodu je maximálna [2].

(Elektromagnetické kmitanie a vlnenie)

Prečo má televízny obraz niekedy tzv. „duchov“, t.j. vedľa obrazu objektu ešte jeden obraz slabší? Tento jav môže nastať dlhodobo v miestach veľmi slabého príjmu signálu alebo krátkodobo pri nízkom prelete lietadla.

Príčina je v tom, že do televízora prichádza okrem priameho signálu z vysielača ešte aj signál

Oneskorený odrazom (napr. odrazom od stavebných konštrukcií, či od povrchu lietadla). Pretože synchronizácia obrazu je sprevádzaná silnejším signálom, vznikne pri slabom odrazenom signále vedľa pôvodného obrazu ešte posunutý slabší obraz. Ak je však odrazený signál tiež silný, televízny prijímač už obraz nie je schopný synchronizovať a obraz je potrhaný [2].

(Elektromagnetické kmitanie a vlnenie)

 

Pokusy:

Miešanie farieb na princípe televíznej obrazovky.

Pomôcky: Biely kartón, farebné ceruzky alebo fixky (zelenú, červenú a modrú), ceruzka s gumou, špendlík.

Postup:  Z kartónu vystrihnite kruh s priemerom asi 10 cm. Na kruh namaľuj fixkami červené zelené a modré bodky(obr.). Potom podobne ako v pokuse 1 špendlík prepichnite cez prostriedok kotúča z kartónu, potom ho pichnite do gumy na ceruzke. Kotúčom začnite veľmi rýchlo točiť červené, zelené a modré bodky sa rozmažú a namiesto bodiek sa objavia rôznofarebné kruhy.      

    

Vysvetlenie: Pozrime si obrazovku farebného televízora lupou (pravdaže televízor je zapnutý). Uvidíme, že obraz sa skladá z červených, zelených a modrých plôšok. Keď sa na obrazovku pozeráme z primeranej vzdialenosti, plôšky splývajú a zmes troch základných farieb vytvára všetky farby obrazu. Tak je to aj v našom prípade. Pri dostatočne vysokej frekvencii už nerozoznávame na kotúči jednotlivé bodky, ale bodky na jednej kružnici vidíme naraz ako pruh danej farby. Odtiene vznikajú podľa počtu bodiek príslušnej farby na príslušnej kružnici.