Wie funktioniert ein fernseher?

Das Fernsehen ist ein erstaunliches Fenster zur Welt. Auf Knopfdruck können Sie vom Nordpol in die Serengeti reisen, Menschen beim Gehen auf dem Mond zusehen, Athleten dabei zusehen, wie sie Rekorde brechen, oder Weltführern zuhören, die historische Reden halten.

Fernsehen hat Unterhaltung und Bildung verändert; Schätzungen zufolge verbringen Kinder in Deutschland mehr Zeit vor dem Fernseher (durchschnittlich 1023 Stunden pro Jahr) als in der Schule (900 Stunden pro Jahr).

Viele Menschen empfinden dies als eine schlechte Sache. Einer der Erfinder des Fernsehens, Philo T. Farnsworth (1906–1971), kam zu dem Schluss, dass das Fernsehen hoffnungslos verdummt sei, und weigerte sich, seine Kinder es sehen zu lassen. Ob Fernsehen gut oder schlecht ist, es besteht kein Zweifel daran, dass es eine geniale Erfindung ist. Aber wie genau funktioniert es? Lasst uns genauer hinschauen!

Radio – mit Bildern

Die Grundidee des Fernsehens ist „Radio mit Bildern“. Mit anderen Worten, während das Radio ein Tonsignal (die gesendeten Informationen) über die Luft überträgt, sendet das Fernsehen auch ein Bildsignal.

Sie wissen wahrscheinlich, dass diese Signale von Radiowellen übertragen werden, unsichtbaren Mustern aus Elektrizität und Magnetismus, die mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km oder 186.000 Meilen pro Sekunde) durch die Luft rasen.

Stellen Sie sich die Radiowellen vor, die Informationen transportieren, wie die Wellen auf dem Meer, die Surfer tragen: Die Wellen selbst sind nicht die Informationen: Die Informationen surfen auf den Wellen.

Fernsehen ist eigentlich eine dreiteilige Erfindung: die Fernsehkamera, die Bild und Ton in ein Signal umwandelt; der Fernsehsender, der das Signal durch die Luft sendet; und der Fernsehempfänger (das Fernsehgerät in Ihrem Haus), der das Signal auffängt und es wieder in Bild und Ton umwandelt.

Das Fernsehen erzeugt bewegte Bilder, indem es wiederholt Standbilder aufnimmt und diese Frames Ihren Augen so schnell präsentiert, dass sie sich zu bewegen scheinen. Stellen Sie sich das Fernsehen als elektronisches Daumenkino vor.

Die Bilder flackern so schnell auf dem Bildschirm, dass sie in Ihrem Gehirn zu einem bewegten Bild verschmelzen (wirklich, obwohl es wirklich viele Standbilder sind, die nacheinander angezeigt werden).

Als das Fernsehen entwickelt wurde, konnte es nur mit Schwarz-Weiß-Bildern umgehen; Die Ingenieure hatten auch Mühe, herauszufinden, wie sie mit Farbe umgehen sollten, was ein viel komplexeres Problem war.

Nun sagt uns die Wissenschaft des Lichts, dass jede Farbe durch die Kombination einer Mischung der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau erzeugt werden kann. Das Geheimnis des Farbfernsehens bestand also darin, Kameras zu entwickeln, die separate rote, grüne und blaue Signale erfassen konnten, Übertragungssysteme, die Farbsignale durch die Luft strahlen konnten, und Fernsehgeräte, die sie wieder in ein bewegtes, mehrfarbiges Bild umwandeln konnten.

Fernsehkameras

Wir können Dinge sehen, weil sie Licht in unsere Augen reflektieren. Eine gewöhnliche Standbildkamera fotografiert Dinge, indem sie dieses Licht auf einem lichtempfindlichen Film einfängt oder einen elektronischen Lichtdetektor (im Fall einer Digitalkamera) verwendet, um eine Momentaufnahme davon zu machen, wie etwas in einem bestimmten Moment aussah.

Eine Fernsehkamera funktioniert anders: Sie muss über 24 Mal pro Sekunde einen neuen Schnappschuss aufnehmen, um die Illusion eines bewegten Bildes zu erzeugen.

Was ist der beste Weg für eine TV-Kamera, um ein Bild aufzunehmen? Wenn Sie jemals versucht haben, ein Meisterwerk von der Wand einer Kunstgalerie in ein Notizbuch zu kopieren, wissen Sie, dass es viele Möglichkeiten gibt, dies zu tun.

Eine Möglichkeit besteht darin, ein Raster aus Quadraten in dein Notizbuch zu zeichnen und dann die Details systematisch aus jedem Bereich des Originalbildes in das entsprechende Quadrat des Rasters zu kopieren. Sie könnten von links nach rechts und von oben nach unten arbeiten und jedes Rasterquadrat der Reihe nach kopieren.

Eine altmodische Fernsehkamera funktioniert genau so, wenn sie ein Bild in ein Sendesignal umwandelt, nur dass sie das Bild, das sie sieht, Zeile für Zeile kopiert.

Lichtdetektoren in der Kamera tasten das Bild Zeile für Zeile ab, so wie Ihre Augen das Bild in einer Kunstgalerie von oben nach unten scannen. Dieser Vorgang, der als Rasterabtastung bezeichnet wird, verwandelt das Bild in 525 verschiedene “Linien aus farbigem Licht” (in einem herkömmlichen Fernsehsystem namens NTSC oder 625 Linien in einem konkurrierenden System namens PAL), die durch die Luft zu Ihnen nach Hause gestrahlt werden als Video-(Bild-)Signal.

Gleichzeitig fangen Mikrofone im Fernsehstudio den Ton ein, der zum Bild gehört. Diese wird zusammen mit den Bildinformationen als separates Audio-(Ton-)Signal übertragen.

Moderne Fernsehkameras “scannen” Bilder nicht mehr auf diese Weise. Stattdessen fokussieren ihre Objektive, genau wie bei Camcordern und Webcams, die gefilmte Szene auf kleine, bildempfindliche Mikrochips (entweder CCD- oder CMOS-Sensoren), die das Farbmuster in digitale, elektrische Signale umwandeln.

Während herkömmliche Abtastkameras nur 525 oder 625 Zeilen verwendeten, haben die Bilderfassungschips in den heutigen HDTV-Kameras (High Definition Television) im Allgemeinen entweder 720 oder 1080 Zeilen, um viel mehr Details zu erfassen. Einige Kameras haben einen einzigen Bildsensor, der alle Farben auf einmal erfasst; andere haben drei separate, die separate rote, blaue und grüne Signale erfassen – die Primärfarben, aus denen jede Farbe auf Ihrem Fernseher gemacht werden kann.

Fernsehsender

Je lauter Sie schreien, desto einfacher ist es, jemanden in der Ferne zu hören. Lautere Geräusche erzeugen größere Schallwellen, die die Kraft haben, sich weiter auszubreiten, bevor sie von Büschen, Bäumen und dem ganzen Durcheinander um uns herum aufgesogen werden.

Das Gleiche gilt für Funkwellen. Um Radiowellen zu erzeugen, die stark genug sind, um Radio- und Fernsehbilder viele Kilometer von einem Fernsehsender zu jemandem nach Hause zu übertragen, benötigen Sie einen wirklich leistungsstarken Sender. Dies ist praktisch eine riesige Antenne (Antenne), die oft auf einem Hügel positioniert ist, damit sie Signale so weit wie möglich senden kann.

Nicht jeder empfängt auf diese Weise über die Luft übertragene Fernsehsignale. Wenn Sie Kabelfernsehen haben, werden Ihre Fernsehbilder über ein unter Ihrer Straße verlegtes Glasfaserkabel in Ihr Haus „geleitet“.

Wenn Sie Satellitenfernsehen haben, wurde das Bild, das Sie sehen, in den Weltraum und zurück geworfen, damit es von einer Seite des Landes zur anderen reisen kann.

Beim traditionellen Fernsehen werden Bildsignale in analoger Form gesendet: Jedes Signal breitet sich als wellenförmige (sich auf und ab bewegende) Welle aus.

Inzwischen stellen die meisten Länder auf Digitalfernsehen um, das ähnlich wie Digitalradio funktioniert. Signale werden in numerisch codierter Form übertragen. Auf diese Weise können viel mehr Programme gesendet werden und im Allgemeinen ist die Bildqualität besser, da die Signale auf ihrem Weg weniger störanfällig sind.

TV-Empfänger

Dabei spielt es keine Rolle, wie das TV-Signal zu Ihnen nach Hause kommt: Ist es einmal angekommen, behandelt es Ihr TV-Gerät genauso, ob es von einer Antenne auf dem Dach, von einem unterirdisch verlaufenden Kabel oder von einer Antenne kommt von einer Satellitenschüssel im Garten.

Erinnern Sie sich, wie eine Fernsehkamera das betrachtete Bild in eine Reihe von Linien umwandelt, die das ausgehende Fernsehsignal bilden? Ein Fernsehgerät muss den gleichen Prozess umgekehrt durchführen, um die Zeilen im eingehenden Signal wieder in ein originalgetreues Bild der Szene umzuwandeln, die die Kamera gefilmt hat. Verschiedene Arten von Fernsehgeräten tun dies auf unterschiedliche Weise.

Fernseher mit Kathodenstrahlröhre (CRT).

Herkömmliche Fernsehgeräte mit Kathodenstrahlröhren (CRT) nehmen das eingehende Signal und zerlegen es in separate Audio- und Videokomponenten. Der Audioteil wird in einen Audioschaltkreis eingespeist, der mithilfe eines Lautsprechers den im Fernsehstudio aufgenommenen Originalton wiedergibt.

Währenddessen wird das Videosignal an einen separaten Schaltkreis gesendet. Dadurch wird ein Elektronenstrahl (sich schnell bewegende, negativ geladene Teilchen in Atomen) durch eine lange Kathodenstrahlröhre geschossen.

Während der Strahl durch die Röhre fliegt, lenken ihn Elektromagnete von einer Seite zur anderen, sodass er systematisch Zeile für Zeile über den Bildschirm vor- und zurückfährt und das Bild wie eine Art unsichtbarer elektronischer Pinsel immer wieder „malt“.

Der Elektronenstrahl bewegt sich so schnell, dass Sie nicht sehen, wie er das Bild aufbaut. Es “malt” eigentlich nichts: Es erzeugt helle Punkte aus farbigem Licht, wenn es auf verschiedene Teile des Bildschirms trifft. Das liegt daran, dass der Bildschirm mit vielen winzigen chemischen Punkten, den sogenannten Phosphoren, beschichtet ist.

Wenn der Elektronenstrahl auf die Phosphorpunkte trifft, erzeugen sie einen winzigen Punkt aus rotem, blauem oder grünem Licht. Durch Ein- und Ausschalten des Elektronenstrahls, während er an den roten, blauen und grünen Punkten vorbeifährt, kann die Videoschaltung ein ganzes Bild aufbauen, indem sie einige Punkte beleuchtet und andere dunkel lässt.

Wie ein Fernseher mit Kathodenstrahlröhre (CRT) funktioniert

1. Eine Antenne auf Ihrem Dach empfängt Funkwellen vom Sender. Beim Satellitenfernsehen kommen die Signale von einer Satellitenschüssel, die an der Wand oder auf dem Dach montiert ist. Beim Kabelfernsehen kommt das Signal über ein unterirdisches Glasfaserkabel zu Ihnen.
2. Das eingehende Signal wird in die Antennenbuchse auf der Rückseite des Fernsehgeräts eingespeist.
3. Das ankommende Signal überträgt Bild und Ton für mehr als einen Sender (Programm). Eine elektronische Schaltung im Fernseher wählt nur den Sender aus, den Sie sehen möchten, und teilt das Signal für diesen Sender in separate Audio- (Ton) und Video- (Bild) Informationen auf, die jeweils an einen separaten Schaltkreis zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet werden.
4. Die Elektronenkanonenschaltung teilte den Videoteil des Signals in separate rote, blaue und grüne Signale auf, um die drei Elektronenkanonen anzusteuern.
5. Die Schaltung feuert drei Elektronenkanonen (eine rote, eine blaue und eine grüne) durch eine Kathodenstrahlröhre, wie eine dicke Glasflasche, aus der die Luft entfernt wurde.
6. Die Elektronenstrahlen passieren einen Ring aus Elektromagneten. Elektronen können durch Magnete gelenkt werden, da sie eine negative elektrische Ladung haben. Die Elektromagnete lenken die Elektronenstrahlen so, dass sie Zeile für Zeile über den Bildschirm hin und her streichen.
7. Die Elektronenstrahlen passieren ein Gitter aus Löchern, eine sogenannte Maske, die sie so lenkt, dass sie genau auf den Fernsehbildschirm treffen. Wo die Strahlen auf die Leuchtstoffe (farbige Chemikalien) auf dem Bildschirm treffen, erzeugen sie rote, blaue oder grüne Punkte. An anderer Stelle bleibt der Bildschirm dunkel. Das Muster aus roten, blauen und grünen Punkten baut sehr schnell ein farbiges Bild auf.
8. Währenddessen werden Audio-(Ton-)Informationen aus dem eingehenden Signal an einen separaten Audioschaltkreis weitergeleitet.
9. Der Audioschaltkreis steuert den Lautsprecher (oder die Lautsprecher, da es in einem Stereofernseher mindestens zwei gibt), damit sie den Ton genau im Takt des bewegten Bildes wiedergeben.

Flachbildfernseher

Heutzutage ist es ziemlich schwierig, Fernseher mit Kathodenstrahlröhre zu finden. Da sie auf analoger Technologie basieren und die meisten Länder jetzt auf digital umstellen, sind CRTs im Wesentlichen veraltet (es sei denn, Sie verwenden einen Adapter, eine sogenannte Set-Top-Box, der es Ihrem CRT ermöglicht, digitale Sendungen aufzunehmen). Die meisten Menschen haben stattdessen Flachbildschirme mit einer von drei verschiedenen Technologien: LCD, Plasma oder OLED.

LCD-Fernseher (Liquid-Crystal-Display) haben Millionen winziger Bildelemente, sogenannte Pixel, die elektronisch ein- oder ausgeschaltet werden können, um ein Bild zu erzeugen.

Jedes Pixel besteht aus drei kleineren roten, grünen und blauen Subpixeln. Diese können einzeln durch Flüssigkristalle ein- und ausgeschaltet werden – praktisch mikroskopisch kleine Lichtschalter, die die Subpixel durch Drehen oder Aufdrehen ein- oder ausschalten.

Da es keine umständliche Kathodenstrahlröhre und keinen Phosphorbildschirm gibt, sind LCD-Bildschirme viel kompakter und energieeffizienter als ältere Fernsehempfänger. Lesen Sie mehr in unserem Artikel über LCDs.

Ein Plasmabildschirm ähnelt einem LCD, aber jedes Pixel ist effektiv eine mikroskopisch kleine Leuchtstofflampe, die mit Plasma leuchtet. Ein Plasma ist eine sehr heiße Form von Gas, in der die Atome auseinander gesprengt sind, um negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen (Atome minus ihre Elektronen) zu bilden. Diese bewegen sich frei und erzeugen ein unscharfes Licht, wenn sie kollidieren. Plasmabildschirme können viel größer gemacht werden als gewöhnliche Röhrenfernseher, aber sie sind auch viel teurer.

Wenn Sie einen wirklich flachen Fernseher wünschen, entscheiden Sie sich wahrscheinlich für einen, der die OLED-Technologie (Organic LED) verwendet. Wie der Name schon sagt, funktionieren OLEDs ein bisschen wie normale LEDs, aber sie bestehen aus organischen (kohlenstoffbasierten) Kunststoffen statt aus herkömmlichen Halbleitern. Ein OLED-Display ist sehr dünn (nur wenige Millimeter dick), sehr hell und verbraucht viel weniger Strom als ein gleichwertiges LCD.

Eine kurze Geschichte des Fernsehens

• 1884: Der deutsche Student Paul Nipkow (1860–1940) erfindet eine rotierende Scheibe mit Löchern darin (später bekannt als Nipkow-Scheibe), die ein Bild in eine Reihe von Lichtimpulsen umwandeln kann.
• 1888: Der deutsche Physiker Heinrich Hertz (1857–1894) demonstriert, wie man Radiowellen erzeugt.
• 1894: Sir Oliver Lodge (1851–1940), ein britischer Physiker, überträgt erfolgreich eine Nachricht per Funk von einem Raum eines Gebäudes in einen anderen.
• 1922: Der amerikanische Elektronikingenieur Philo T. Farnsworth (1906–1971) kommt auf die Idee für ein TV-Scanning-System, als er beobachtet, wie das Pferd seines Vaters ein Feld in ordentliche Reihen pflügt.
• 1923: Der russische Physiker und Elektronikingenieur Vladimir Zworykin (1888–1982) meldet das US-Patent: 2.141.059 (erteilt 1929) für ein Fernsehsystem an, das sowohl im Sender als auch im Empfänger Kathodenstrahlröhren verwendet. Er zieht in die Vereinigten Staaten und arbeitet für Westinghouse und später für RCA, wo er die Bemühungen des Unternehmens um die Entwicklung des Fernsehens leitet.
• 1924: Der schottische Erfinder John Logie Baird (1888–1946) verwendet eine Nipkow-Scheibe, um ein flimmerndes Fernsehbild einige Meter quer durch einen Raum zu übertragen.
• 1925: Baird macht die erste öffentliche Vorführung grob gescannter Fernsehbilder im Londoner Kaufhaus Selfridges, mit einer anspruchsvolleren Vorführung vor einem geladenen wissenschaftlichen Publikum am 26. Januar 1926.
• 1927: Farnsworth meldet das US-Patent: 1.773.980 (erteilt 1930) für seinen Bildzerleger an, die erste richtige Fernsehkamera der Welt.
• 1928: Baird demonstriert Farbfernsehen und eine frühe Form des 3D-Fernsehens.
• 1932–1934: Der in Russland geborene Isaac Shoenberg (1888–1946), der bei der britischen EMI-Firma arbeitet, entwickelt ein vollelektronisches Fernsehsystem, das im Wesentlichen auf Zworykins Ideen basiert. EMI schließt sich später mit Marconi zusammen, um Marconi-EMI zu gründen.
• 1932: BBC (British Broadcasting Corporation) nimmt am 22. August 1932 den öffentlichen Fernsehdienst auf und entscheidet sich schließlich für das Marconi-EMI-System. Die BBC beginnt am 2. November 1936 mit der Ausstrahlung des weltweit ersten regulären Fernsehprogramms aus dem Londoner Alexandra Palace.
• 1940: Der LP-Pionier Peter Goldmark von CBS entwickelt ein Farbfernsehsystem, das ein rotierendes Rad verwendet, um rote, blaue und grüne Bilder abzuwechseln. Laut The New York Times, 5. September 1940, unter der Überschrift Color Television Achieves Realism: „Mit der Wiedergabe einer Reihe von Farben von Blumengärten bis hin zu Sternenbanner vor blauem Himmel wurde der Presse gestern Fernsehen in lebendigen Farbtönen vorgeführt. “
• 1940: Der Mexikaner Guillermo González Camarena entwickelt im August 1941 einen alternativen Farbfernseher basierend auf einem rotierenden, mechanischen Rad und reicht ein Patent ein (US-Patent: 2,296,019: Chromoskopischer Adapter für Fernsehgeräte) (seine mexikanische Patentanmeldung wurde am 19. August 1940 eingereicht).
• 1954: RCA (Radio Corporation of America) verkauft am 25. März 1954 die ersten Farbfernseher.
• 1964: Donald Bitzer, Gene Slottow und Robert Willson von der University of Illinois in Urbana-Champaign stellen den ersten Plasmafernseher her, der auf einem hochauflösenden Computerdisplay für ein Lehrsystem namens PLATO basiert.
• 1988: Die japanische Sharp Corporation bringt den ersten kommerziellen LCD-Fernseher auf den Markt.
• 1990er: Die ersten öffentlichen HDTV-Sendungen (High-Definition TV) werden in den Vereinigten Staaten und Europa ausgestrahlt.
• 1999: Das Time Magazine nennt Philo T. Farnsworth einen der 100 einflussreichsten Menschen des 20. Jahrhunderts.
• 2000er: Viele Länder stellen von analogem auf digitales Fernsehen um. In den Vereinigten Staaten beispielsweise wurde die Umstellung 2006 abgeschlossen, aber einige Nationen werden bis weit in die 2020er Jahre nicht vollständig umstellen.
• 2007: Sony, ein weiterer japanischer Hersteller, stellt den weltweit ersten OLED-Fernseher vor, den XEL-1, hauptsächlich als „Proof of Concept“. Obwohl der Bildschirm nur 28 cm (11 Zoll) groß ist, kostet er satte 2500 US-Dollar.
• 2010–2017: Die anfängliche Aufregung um 3D-Fernsehen wird schnell sauer. 2013 erklärte die New York Times es zum „teuren Flop“. 2017 geben die führenden Hersteller LG, Sony und Samsung die Technologie auf.