Физика как работает телевизор
Обновлено: 12.05.2024
Передача на расстояние изображений объектов и звука называется телевидением. Сущность телевизионной передачи состоит в последовательном преобразовании отдельных элементов оптического изображения объекта в видеосигналы, а звукового сопровождения в аудиосигналы, передаче этих сигналов по каналам связи (радиоканалу или кабельному каналу) в пункт приема и их обратном преобразовании в видимое телевизионное изображение и звук. Для передачи движения используется принцип кино: немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передаются десятки раз в секунду (в нашем телевидении 50 раз). Изображение кадра преобразуется с помощью передающей вакуумной электронной трубки — иконоскопа (рис. 7.24) — в серию электрических сигналов. Кроме иконоскопа существуют и другие передающие устройства. Внутри иконоскопа расположен мозаичный экран, на который с помощью оптической системы проецируется изображение объекта. Каждая ячейка мозаики заряжается, причем ее заряд зависит от интенсивности падающего на ячейку света. Этот заряд меняется при попадании на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой. Электронный пучок последовательно попадает на все элементы сначала одной строчки мозаики, затем другой строчки и т. д. (всего 625 строк). От того, насколько сильно меняется заряд ячейки, зависит сила тока в резисторе R. Поэтому напряжение на резисторе изменяется пропорционально изменению освещенности вдоль строк кадра. Высокочастотные сигналы, полученные на выходе трубки, попадают на антенну, излучающую соответствующие электромагнитные волны. Эти сигналы формируются в телевизионном приемнике после детектирования. Это видеосигналы. Они преобразуются в видимое изображение на экране при помощи кинескопа. Кинескоп - приемная вакуумная электронная трубка, преобразующая электрические сигналы в видимое изображение. Электронная пушка такой трубки снабжена электродом, управляющим числом электронов в пучке и, следовательно, свечением экрана в месте попадания луча. Системы катушек горизонтального и вертикального отклонения заставляют электронный луч обегать весь экран точно таким же образом как электронный луч обегал мозаичный экран в передающей трубке. Синхронность движения лучей в передающей и приемной трубках достигается посылкой специальных синхронизирующих сигналов. Телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн. Этот вид электромагнитных волн хорошо распространяется только в непосредственной видимости приемной антенны. Поэтому возникает проблема телевизионного вещания на большие расстояния. Чтобы ее решить, во-первых, передатчики телевизионного сигнала необходимо располагать как можно ближе друг к другу.
Во-вторых, их антенны следует поднимать как можно выше. Башня Останкинского телецентра в Москве высотой более 510 м обеспечивает надежный прием телепередач в радиусе 120 км. В настоящее время телевизионная сеть в нашей стране насчитывает несколько тысяч вещательных станций; их передачи принимают около 100 млн телевизоров.
22 мая 2012 года состоялось торжественное открытие самой высокой в мире телевизионной башни под названием "Небесное дерево Токио". Высота телевизионной башни вместе с антенной составляет 634 метра, а это на 24 метра выше телебашни Гуанчжоу в Китае, которая была предыдущим рекордсменом по высоте. Наряду с "эфирным" телевидением широко используется передача телевизионных сигналов по кабельным сетям. Для кабельного телевидения используются диапазоны, получившие название S-диапазон (Sonderkanal) и Н-диапазон (Hyperband). Использование кабеля позволяет уменьшить влияние внешних помех на полезный сигнал и, следовательно, передать его более качественно. В настоящее время широкое распространение получили локальные сети кабельного телевидения, функционирующие чаще всего в пределах небольшого населенного пункта, микрорайона, а иногда и одного здания, например многоквартирного дома или гостиницы. По этой сети с небольшой приемной телевизионной станции за абонентскую плату передаются программы "эфирного" и спутникового телевидения. Спутниковое телевидение является на сегодняшний день самым динамично развивающимся способом передачи телевизионных сигналов на большие расстояния. Частоты, на которых передаются спутниковые программы гораздо выше частот наземного телевидения, поэтому для их приема необходима специальная антенна и ресивер (receiver). Спутниковый ресивер предназначен для преобразования спутникового сигнала в сигнал воспринимаемый обычным телевизором. В последние годы развивается новый способ "эфирной" трансляции телевизионных программ — сотовое телевидение. Свое название он получил из-за принципа покрытия сигналом территории обслуживания, аналогичного принципу, положенному в основу сотовой телефонной связи. Абонентское оборудование состоит из антенны со сверхвысокочастотным (СВЧ) приемником (конвертором), объединенными в единый компактный блок, и традиционного спутникового тюнера, работающего в диапазоне частот 950-2050 МГц. По каналам сотового телевидения можно передавать как аналоговые сигналы систем PAL, SECAM, NTSC, так и цифровые нового стандарта DVB. Радиус распространения сигналов достигает до 3-6 км. Поэтому для покрытия сигналом больших площадей используют сеть маломощных передатчиков. Наличие множества ячеек сети позволяет предлагать пользователям в каждой из них свой набор телевизионных программ, что выгодно отличает сеть сотового телевидения от существующих "эфирных систем".
В настоящее время телевидение является наиболее массовым средством донесения информации до потребителя.
Понятие о телевидении
Радиоволны используются для передачи не только звука, но и изображения в телевидении.
Принцип передачи изображения
На передающей станции производится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов.
Этими сигналами модулируются колебания, вырабатываемые генератором высокой частоты.
Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстояния.
В приемнике производится обратное преобразование.
Высокочастотные модулированные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение.
Для передачи движения немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передаются десятки раз в секунду (в России - 50 раз в секунду).
Изображение кадра преобразуется с помощью передающей вакуумной электронной трубки-иконоскопа в серию электрических сигналов.
Кроме иконоскопа существуют и другие передающие устройства.
Внутри иконоскопа расположен мозаичный экран, на который с помощью оптической системы проецируется изображение объекта.
Каждая ячейка мозаики заряжается, причем ее заряд зависит от интенсивности падающего на ячейку света.
Этот заряд меняется при попадании на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой.
Электронный пучок последовательно попадает на все элементы сначала одной строчки мозаики, затем другой строчки и т. д. (всего 625 строк).
От того, насколько сильно меняется заряд ячейки, зависит сила тока в резисторе R.
Поэтому напряжение на резисторе изменяется пропорционально изменению освещенности вдоль строк кадра.
Принцип приема изображений
Высокочастотные сигналы, полученные на выходе трубки, попадают на антенну, излучающую соответствующие электромагнитные волны.
Эти сигналы формируются в телевизионном приемнике после детектирования.
Это видеосигналы.
Они преобразуются в видимое изображение на экране приемной вакуумной электронной трубки — кинескопа.
Электронная пушка такой трубки снабжена электродом, управляющим числом электронов в пучке и, следовательно, свечением экрана в месте попадания луча.
Системы катушек горизонтального и вертикального отклонения заставляют электронный луч обегать весь экран точно таким же образом, как электронный луч обегает мозаичный экран в передающей трубке.
Синхронность движения лучей в передающей и приемной трубках достигается посылкой специальных синхронизирующих сигналов.
Телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн.
Такие волны распространяются обычно лишь в пределах прямой видимости антенны.
Поэтому для охвата телевизионным вещанием большой территории необходимо размещать телепередатчики как можно ближе друг к другу и поднимать их антенны как можно выше.
Башня Останкинского телецентра в Москве высотой 540 м обеспечивает надежный прием телепередач в радиусе 120 км.
В настоящее время телевизионная сеть в нашей стране насчитывает несколько тысяч вещательных станций; их передачи принимают около 100 млн телевизоров.
Для получения цветного изображения осуществляется передача трех видеосигналов, несущих компоненты изображения, соответствующие основным цветам (красному, зеленому, синему).
Зона надежного приема телевидения непрерывно увеличивается, в основном за счет использования ретрансляционных спутников.
Развитие средств связи
Еще сравнительно недавно междугородная телефонная связь осуществлялась исключительно по проводам.
В настоящее время все шире применяются кабельные и радиорелейные линии, повышается уровень автоматизации связи.
В радиорелейных линиях связи используются ультракороткие (дециметровые и сантиметровые) волны.
Эти волны распространяются в пределах прямой видимости, поэтому линии состоят из цепочки маломощных радиостанций, каждая из которых передает сигналы к соседней как бы по эстафете.
Такие станции имеют мачты высотой 60—80 м, находящиеся на расстоянии 40—60 км друг от друга.
Все большей популярностью пользуются оптоволоконные линии связи, позволяющие передавать большой объем информации.
Процесс передачи основан на многократном отражении лазерного луча, распространяющегося по тонкой трубке (волокну).
Такая связь возможна между двумя неподвижными объектами.
Созданы мощные и надежные системы, обеспечивающие телевизионным вещанием районы Сибири и Дальнего Востока.
Они позволяют осуществить телефонно-телеграфную связь с отдаленными районами нашей страны.
Совершенствуются и находят новые применения и такие сравнительно старые средства связи, как телеграф и фототелеграф.
В год по фототелеграфу передаются десятки тысяч газетных полос, с которых печатаются сотни миллионов экземпляров газет.
Телевидение охватывает почти все населенные пункты нашей страны.
В нашей стране создается Единая автоматизированная система связи.
В связи с этим развиваются, совершенствуются и находят новые области применения различные технические средства связи.
Электромагнитные волны. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика
♦ обратное преобразование электрических- сигналов в оптическое изображение на приемной стороне (в телевизионном приемнике).
В телевидении используют две особенности зрения человека — сравнительно низкую разрешающую способность глаза и инерционность зрения.
Разрешающая способность глаза — это его умение различать мелкие предметы или отдельные детали предмета. Человек способен различать с расстояния 1 м точки, отстоящие друг от друга на 0,3 мм. Если смотреть на эти точки с большого расстояния, то они сливаются в единое целое.
Инерционность зрения заключается в свойстве глаза "запоминать" световое раздражение, световой импульс, т.е. зрительное ощущение сохраняется в мозгу человека еще некоторое время после воздействия света. Если воздействовать на глаз отдельными световыми импульсами, постепенно увеличивая их частоту, то в какой-то момент глаз перестанет различать эти импульсы, человеку будет казаться, что источник света излучает их непрерывно (глаз не успевает "забыть" предыдущий импульс, как уже поступает новый). Инерционность зрения человека равна приблизительно 0,1 с, поэтому достаточно сделать интервалы между импульсами меньше этого времени, чтобы свет ощущался как непрерывный.
С учетом этих особенностей зрения человека передаваемое оптическое изображение разбивается на очень большое число элементов. Световую информацию от каждого элемента последовательно преобразуют в электрические сигналы, причем величины электрических сигналов пропорциональны яркости элементов. В современном телевидении изображение разбивают приблизительно на 500 тыс. элементов, расположенных в 625 строках. В устройстве, преобразующем световые импульсы в электрические сигналы, производится последовательное по элементам и строкам считывание этих сигналов электронным лучом, обегающим все элементы с большой скоростью — 1/25 с.
Для того чтобы можно было передавать изображение движущихся предметов, электронный луч "просматривает картинку" 25 раз в секунду, т.е. в секунду он обегает 25 кадров.
Полученный поток электрических импульсов, несущий информацию об оптическом изображении, после соответствующих преобразований направляется на антенну телевизионной станции и далее в виде электромагнитных колебаний — в пространство.
В телевизоре эти колебания претерпевают обратное преобразование, в результате чего на его экране появляется оптическое изображение. Оно образуется при помощи электронного луча и состоит из такого же количества элементов, на которое разбивалось при передаче. Поскольку эти элементы и время развертки изображения очень малы, зритель, рассматривая изображение с определенного расстояния, видит его на экране как единое целое.
Таким образом, черно-белая телевизионная система передает и воспроизводит только яркостную информацию о нецветных и цветных объектах, т.е. перепады яркостей. Чтобы телевидение было цветным, необходимо помимо ярко-стных видеосигналов передать также информацию о цвете передаваемого объекта — сигнал цветности.
В основе цветного телевидения лежит трехкомпонентная теория цветового зрения, согласно которой весь видимый цветовой спектр, в том числе и белый, может быть получен путем смешивания в определенных пропорциях трех основных цветов — зеленого, красного и синего.
Глаз человека содержит три вида рецепторов (колбочек), чувствительных к цвету: одни из них чувствительны к зеленой, другие — к красной, третьи — к синей частям спектра. При равном возбуждении всех трех видов рецепторов чело-пек видит белый цвет, при различном — цветное изображение. Спектральная чувствительность глаза неодинакова. Наиболее чувствителен он к зеленому цвету, меньше к красному, еще меньше — к синему.
Важным свойством цветового зрения, используемым в телевидении, является его неспособность различать цвета очень мелких деталей, которые кажутся серыми и отличаются друг от друга лишь яркостью. В связи с этим изображения мелких деталей в цветном телевидении можно передавать в черно-белом виде.
В черно-белом телевидении соотношение между составляющими белого цвета остается постоянным, поэтому на экране приемной трубки глаз видит точки, различающиеся только по яркости.
В цветном телевидении каждый элемент изображения состоит из трех цветовых точек — красной, синей и зеленой. Соотношение интенсивностей свечения этих точек определяет цвет элемента, благодаря чему на цветном воспроизводящем устройстве можно наблюдать изображение в цвете.
В настоящее время существует достаточно большое количество систем цветного телевидения, т.е. способов передачи сигналов цветности. К системам цветного телевидения предъявляют требования совместимости и точности воспроизведения цветности передаваемого изображения.
Совместимостью системы цветного телевидения называют способ ее построения, при котором цветная телевизионная передача может приниматься телевизором черно-белого изображения, а черно-белая телевизионная передача — телевизорами цветного изображения без видимого ухудшения качества изображения.
Полный цветовой телевизионный сигнал образуется из сигнала яркости, сигнала цветности, сигнала цветовой синхронизации, сигналов синхронизации разверток и гашения. Сигналы яркости, синхронизации и гашения являются такими же, как и при черно-белом телевидении. Этим и обеспечивается совместимость системы.
Для передачи цветного изображения необходимо иметь устройство, способное разделить световой поток от многоцветного объекта на три одноцветных изображения: красное, синее и зеленое, затем этиодноцветные изображения преобразовать в электрические сигналы (видеосигналы). Это реализуется с помощью трех светофильтров красного, синего и зеленого, создающих на мишенях трех передающих трубок три одноцветных изображения передаваемого объекта, которые преобразуются в три цветовые видеосигнала — Е, EG, Ев, пропорциональные соответственно красной R, зеленой G и синей В составляющим цвета.
В составе сигнала яркости есть свободные области, в которых можно разместить сигнал цветности, использовав эти промежутки, сигнал цветности стали передавать в составе сигнала яркости, т.е. весь сигнал цветового изображения вошел в ширину сигнала яркости — 6 МГц.
При наличии сигнала яркости, который необходим для совместимой системы, нет необходимости передавать все три цветовых сигнала, достаточно передать два из них, а третий может быть получен вычитанием этих двух цветовых сигналов из сигнала яркости в самом телевизоре. Так передается информация о красной и синей составляющих цветного изображения, но вместо цветовых составляющих ER и Ев, передаются так называемыецветоразностные сигналы:
где Еу — сигнал яркости.
При воспроизведении цветного изображения на экране приемника цветного телевидения следует иметь устройство, способное преобразовать видеосигналы в три видимых одноцветных изображения и совместить их на одном экране.
Цветное телевидение в России передается по системе СЕКАМ-ШБ. Совместимая система цветного телевидения СЕ-КАМ была предложена французским инженером Анри де Франс в 1958 г. Сокращенное обозначение системы СЕКАМ в переводе на русский язык расшифровывается как последовательная передача цветов с запоминающим устройством. Впоследствии эта система была доработана советскими и французскими инженерами, на ее основе было заключено советско-французское соглашение о совместном развитии цветного телевидения. С 1 октября 1967 г. в СССР и Франции одновременно началось регулярное телевизионное вещание по системе СЕКАМ. Эта система цветного телевидения используется также в ряде других стран.
Кроме системы СЕКАМ в мире используются еще две системы цветного телевидения — ПАЛ (PAL) и НТСЦ (NTSC). Система цветного телевидения НТСЦ была разработана и внедрена в США в 1953 г. Сиетема ПАЛ разработана в ФРГ в 1963 г. в целях устранения недостатков системы НТСЦ. Каждая из этих систем имеет достоинства и недостатки. Для России выбрана система СЕКАМ, так как при наших протяженных линиях связи искажения сигнала, сформированного по этой системе, оказываются меньше.
В разных странах мира используются различия стандарты телевизионного сигнала, которые отличаются количеством строк в кадре, разносом между несущими частотами изображения и звука, полярностью модуляции, несущей сигнала изображения, типом модуляции, несущей сигнала звука и системой цветного телевидения. Кроме того, в зависимости от принятой в стране частоты переменного тока электросети используются разные значения частоты полей — 50 и 60 Гц.
В нашей стране, Болгарии, Венгрии, Польше, Румынии, Чехословакии, Китае и некоторых странах Африки приняты количество строк 625, разнос между несущими изображения и звука 6,5 МГц, негативная модуляция сигнала изображения, частотная модуляция сигнала звука и система цветного телевидения СЕКАМ.
Различия между стандартами, принятыми в разных странах, являются препятствием к использованию телевизоров, рассчитанных на один стандарт, для приема передач по другому стандарту, но уже сегодня эта задача решена в связи с появлением на нашем рынке мультистандартных и мульти-системных телевизионных приемников.
Трудно представить современную квартиру без большого плазменного телевизора. Новейшие плазменные телевизоры настолько легкие и тонкие, что еще 10 лет назад трудно было поверить, что такое возможно. Потрясающее изображение поражает своей четкостью и яркостью красок. Как же работает это техническое чудо?
Мы живем в век, который определяется телевиденьем. Оно развлекает нас и информируем. Неважно, находимся ли мы в своих квартирах в Климовске, в Москве или в Нью-Йорке, телевизор - это окно в мир. Телевизор существует уже достаточно давно, но именно изобретение плазменного ТВ-экрана стало настоящим прорывов в научно-технической среде.
Чтобы сделать экран очень тонким - нужно укоротить главную космическую силу. Пространство между двумя половинам стеклянного экрана наполняют газом. Но газ должен быть специальным. Это именно тот газ, который позволяет любоваться северным сиянием. Газ, благодаря которому небо наполняется грозовыми раскатами. Газ, температура которого выше, чем на поверхности солнца. Именно этот газ и является секретным ингредиентом, который создан самой природой.
На своем заводе одна из известных японских компаний производит около полмиллионов телевизоров каждый год. Экран делают не из одной стеклянной пластины, а из двух. Между пластинами находится матрица с миллионом частиц. Между верхним и нижним слоем стекла миллионы переплетенных между собой электродов. Их задача - создать инертную среду для зарядки газа, который вскоре заполнит ячейки. Эти газы называются ксенон и неон. Под действием заряда электричества, эти газы создают специальное вещество - плазму.
Большинство людей уверенны, что все вещества могут быть только в двух состояниях: жидком, газообразном и твердом. Но есть еще третье состояние: плазма. Заряжая электричеством некоторые газы, можно создать плазму. Именно эта плазма пропускает свет.
Между двумя стеклянными пластинами через специальную газовую трубку нагнетается газ. Но есть одна проблема: ксенон и неон вырабатывают только ультрафиолетовые лучи, которые не видны глазу человека. Решение есть: все ячейки попеременно покрывают красным, синим и зеленым химическим элементом, который известен под названием фосфор. Теперь каждая стеклянная поверхность имеет матрицу из электропроводов и сот, которые наполнены неоном и ксеноном. Теперь в специальной лаборатории газ заряжают, и он начинает светиться прямо на глазах. Так рождается плазменный телевизор.
Читайте также: