Bildschirm

Bildschirmtypen

  • Elektronenstrahlröhre
  • Liquid Crystal Display (LCD)
  • Plasmabildschirme

Elektronenstrahlröhre

engl. CRT = cathode ray tube

Jahrzehntelang wurden Elektronenstrahlröhren für Fernsehgeräte und Computermonitore genutzt. Sie wurden allerdings in den vergangenen Jahren komplett durch „Flachbildschirme“ verdrängt, sodass wir in dieser Unterlage nicht auf die Technologie eingehen werden.

LCDs

LCD = Li­quid Crystal Display

LC-Bildschirme werden vor allem bei Portables, Laptops und Notebooks verwendet, da sie den Vorteil eines geringen Raumbedarfs haben. Die Anzeige erfolgt durch Flüssigkristalle, das sind glasähnliche Verbindungen, die bei angelegter Spannung Licht „polarisieren“, das heißt, nur Licht mit einer bestimmten Schwingungsrichtung passieren lassen. Im spannungslosen Zustand wirken Flüssigkristalle nicht als Polarisationsfilter.

Der Name „Flüssigkristalle“ stammt daher, dass diese Moleküle die Eigenschaft haben, sich wie in einer Flüssigkeit gegeneinander verschieben zu können, trotzdem aber in bestimmten Bereichen kristallähnliche Ordnungs­strukturen zu bilden.

Man unterscheidet Monochrom- und Farb-LCDs. Das zugrundeliegende physikalische Prinzip ist dasselbe: Zwischen zwei gekreuzten Polarisationsfiltern befindet sich eine Schicht aus Flüssigkristall-Segmenten. Im Normalfall kommt das Licht nicht durch zwei gekreuzte Polfilter durch. Legt man aber Spannung an die Flüssigkristalle an, so richten sich die Kristalle so aus, dass die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes geändert wird. Damit ist die Schwingungsrichtung des Lichts, das auf den zweiten Filter auftrifft, nicht mehr normal zur Filter-Durchlassrichtung – ein Teil des Lichts kann passieren: es entsteht ein heller Punkt.

Das Licht kommt bei Notebooks aus einer fluoreszierenden Schicht; pro Zelle werden drei Lichtstrahlen ausgesandt, die ein rotes, ein grünes und ein blaues Filter passieren, um die drei Grundfarben zu erhalten, durch deren Mischung ein Farbpunkt (Pixel) entsteht. Bei Monochrom-LCDs ist pro Pixel nur ein Lichtstrahl erforderlich.

Passiv-Matrix-Bildschirm: Transistoren steuern jeweils ganze Bildschirmzeilen bzw. Spalten von einer Schaltungseinheit, die sich außerhalb des eigentlichen Bildschirms befindet. Das hat zu Folge, dass die einzelnen Flüssigkristallzellen nicht ständig mit Spannung versorgt werden – eine derartige Anzeige ist „langsam“, sie reagiert verzögert auf Änderungen im Bildschirm (etwa Mauszeigerbewegungen). Außerdem erscheinen solche Bildschirme blass; schaut man den Bildschirm leicht schräg an, erkennt man das Bild kaum mehr.

Beim Passiv-Matrix-Schirm unterscheidet man mehrere Qualitätsstufen. Beim „Drehen“ der Flüssigkristalle sind verschiedene Winkel möglich. Beim TN-Display („Twisted Nematic“, „Drehzelle“) verwendet man schrauben­förmig strukturierte Flüssigkristalle. Passend polarisiertes Licht kann diese Anordnung durchdringen; man erhält ein sehr kontrastarmes Bild.  Eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens sind STN (Super Twisted Nematic)-Zellen mit einem besseren Kontrast. Allerdings können hier Farbfehler auftreten, die mit einer DSTN-Zelle (Double Super Twisted Nematic) unterdrückt werden können. Das TSTN-Display (Triple Super Twisted Nematic) schließlich ist mit drei Korrekturfolien ausgestattet und garantiert eine noch bessere Darstellung.

Der Dual-Scan-Bildschirm ist ein Passiv-Matrix-Schirm, bei dem die Steuerung für die obere und untere Bildschirmhälfte getrennt erfolgt, was einen etwas schnelleren Bildaufbau zur Folge hat. Das Bild ist aber genauso stumpf und blass wie beim „normalen“ Passiv-Matrix-Bildschirm.

Aktiv-Matrix-Bildschirm: Hier ist auf das erste Filter eine Schicht aus Transistoren aufgebracht (TFT = „Thin Film Transistor“), wobei jeder Transistor nur für einen Bildpunkt zuständig ist! (Für einen SVGA-Schirm mit 800 x 600 Pixel Auflösung benötigt man 3 x 480.000 = 1,44 Millionen Transistoren!) Ein lichtstarkes Bild, welches auch schräg betrachtet werden kann, ist kennzeichnend für dieses System.

In den letzten Jahren hat ein Wechsel des Bildschirmformats stattgefunden. Während Computermonitore jahrzehntelang ein Seitenverhältnis 4:3 aufwiesen (Beispiele: VGA 640 x 480 – Pixel XGA – 1024 x 768 Pixel, QXGA – 2048 x 1536 Pixel), werden moderne Flachbildschirme nur mehr im HDTV-Seitenverhältnis 16:9 produziert (WVGA – 854 x 480 Pixel, HD 720 – 1280 x 720 Pixel, HD 1080 – 1920 x 1080 Pixel).

22“-TFT-Flachbildschirm Lenovo D221 – Breitleinwand – 1680 x 1050 / 60 Hz – 300 cd/m2 – 700:1 – 5 ms – 0.28 mm – DVI, VGA (HD-15) – Business Black.

Plasmabildschirme

Früher wurden solche Bildschirme bei Portables eingesetzt; sie werden aber heute großteils durch LCD-Bildschirme ersetzt. Man erkennt sie an der orangeroten Farbe. Sie eignen sich daher nur für monochrome Ausgaben. Der Schirm besteht aus drei Glasschichten. Die beiden äußeren Scheiben enthalten orthogonal zueinander verlaufende, transparente Elektroden, die mittlere Scheibe besitzt Zellen, die mit Plasma gefüllt sind. Durch das Anlegen einer Spannung an zwei Elektroden wird das Gas gezündet. Das Bild weist einen hohen Kontrast auf und ist flackerfrei. Ein Nachteil ist die beschränkte Auflösung und der hohe Energieverbrauch.

Touchscreens

Touchscreens sind kombinierte Ein-/Ausgabegeräte und heute bei Mobiltelefonen, Tablets und Notebooks Standard.

Resistive Touchscreens: Grundlage ist die Änderung des elektrischen Widerstandes (engl. resistor=). Vertikale und horizontale Bahnen liegen in zwei Schichten übereinander; dort, wo der Finger den Bildschirm berührt, ändert sich der Widerstand.

Induktive Touchscreens: Solche Touchscreens können nur mit einem Eingabestift mit integrierter Spule, die ein elektromagnetisches Feld erzeugt, angesteuert werden; eine Bedienung mit Fingern ist nicht möglich. Im Bildschirm befinden sich Leiterbahnen, in denen Spannung induziert wird. (Induktion findet statt, wenn auf einen Leiter ein sich änderndes Magnetfeld wirkt.) Produktbeispiel: WACOM-Tablets, die in Schulen eingesetzt werden.

Oberflächen-kapazitive Touchscreens: Diese Technologie ist die bei weitem am häufigsten verwendete, sie findet bei Smartphones, Tablets, Navigationsgeräten etc. Einsatz. Kapazitive Widerstände sind Kondensatoren (vereinfacht gesprochen, bestehen Kondensatoren aus zwei unterschiedlich geladenen Platten in geringem Abstand; als Material wird ein durchsichtiges Metalloxid verwendet). An den Ecken der Beschichtung wird Gleichspannung angelegt. Diese erzeugt ein konstant gleichmäßiges elektrisches Feld. Bei Berührung entsteht ein Entladezyklus. Aus dem resultierenden Strom wird dann die Position ermittelt.

Quelle: https://www.computer-automation.de/

Grafikkarten

Ein Monitor kann nur dann adäquat benützt werden, wenn im Computer eine Steuerungseinheit („Grafikkarte“) vorhanden ist, die die physikalischen Eigenschaften des Geräts unterstützt. Die heute meist üblichen Kartenstandards sind in der Tabelle auf Seite 137 zusammengestellt.

Eine Grafikkarte steuert in einem Personal Computer die Bildschirmanzeige. Grafikkarten werden entweder als PC-Erweiterungskarten (heute über die Bussysteme PCI, AGP oder über PCI-Express) mit der Hauptplatine verbunden oder sie sind im Chipsatz auf der Hauptplatine vorhanden.

Die wichtigsten Komponenten moderner Grafikkarten sind: GPU, Video-RAM, RAMDAC sowie die Anschlüsse für externe Geräte (z. B. für den Monitor).

PCI-Express Grafikkarte von Gigabyte mit NVIDIA Geforce 6200TC Chipsatz (Foto: Clemens Pfeiffer, Wien; aus Wikimedia Commons)

Alle modernen Grafikkarten (SVGA) verwenden eigene auf den Karten installierte RAM-Speichermodule (auch als VRAM = Video-RAM bezeichnet). Die Größe dieses Speichers begrenzte früher die Auflösung und die Anzahl der gleichzeitig darstellbaren Farben. Standardmäßig finden sich etwa (8…) MB. Aus der Größe des VRAM-Speichers ergaben sich die maximal mögliche Farbtiefe und Auflösung:

Speicherbedarf = Auflösung horizontal x Auflösung vertikal x Farbtiefe

Beispiel: Auflösung 800 x 600, 65 536 Farben (das heißt, 2 Byte pro Bildpunkt):

Speicherbedarf = 800 x 600 x 2 = 960 000 Byte » 1 MB

Heute werden ausschließlich Grafikkarten mit sehr viel mehr Speicher gebaut, als zur reinen Bildspeicherung notwendig wäre. Beim Rendern dreidimensionaler Grafiken werden hier zusätzlich zum Framebuffer die Daten der Objekte, beispielsweise Größe, Form und Position, sowie die Texturen, die auf die Oberfläche der Objekte gelegt werden, gespeichert. Besonders die immer höher auflösenden Texturen haben für einen starken Anstieg der Speichergröße bei aktuellen Grafikkarten gesorgt. So liegt die Speichergröße aktueller Grafikkarten bereits im hohen dreistelligen Megabytebereich (256 MB, 512 MB, 768 MB), 128 MB und weniger sind selten geworden. Im professionellen Bereich und bei leistungsstarken Spielegrafikkarten sind teilweise über 1-2 oder sogar 3-4 GB vorhanden. Bei Onboard-Lösungen wird der Hauptspeicher des Systems als Grafikspeicher genutzt.

Ein eigener Grafikprozessor (GPU, Graphical Processing Unit) entlastet die CPU von rechenintensiven Arbeiten (etwa Linienzeichnen) und garantiert eine raschere Grafikdarstellung, was unter Windows oder bei CAD-Programmen wesentlich ist. Moderne Grafikprozessoren sind bereits so hoch belastet bzw. getaktet, dass sie einen eigenen Kühler benötigen.

GrafikstandardAuflösungFarbenMonitortyp
MDA (Monochrome Display Adapter)720 x 350monochromTTL-Monitor
HGC (Hercules Graphics Card)720 x 348monochromTTL-Monitor
CGA (Color Graphics Adapter)320 x 2004 aus 14RGB-TTL-Monitor
EGA (Enhanced Graphics Adapter)640 x 35016 aus 64RGB-TTL-Monitor
VGA (Video Graphics Array)640 x 48016 aus 262144RGB-Analog-Monitor
SVGA (Super VGA)800 x 60024 bitRGB-Analog-Monitor
MacIntosh1152 x 87032 bitRGB-Analog-Monitor
XGA (Extended Graphics Array)1024 x 76832 bitRGB-Analog-Monitor
SXGA (Super XGA)1280 x 102432 bitRGB-Analog-Monitor
UXGA (Ultra XGA)1600 x 120032 bitRGB-Analog-Monitor
WUXGA (Wide Ultra XGA)1920 x 120032 bitRGB-Analog-Monitor
QXGA (Quad XGA)2048 x 153632 bitRGB-Analog-Monitor
QSXGA (Quad Super XGA)2560 x 204832 bitRGB-Analog-Monitor
QUXGA (Quad Ultra XGA)3200 x 240032 bitRGB-Analog-Monitor

Erklärungen

RGB = Rot-Grün-Blau (Bild setzt sich aus Rot-Grün-Blau-Farbpunkten zusammen – Farbfernseher arbeiten nach diesem Prinzip)

TTL = Transistor-Transistor-Logik (digitale Signale von 5 Volt, die aus Rechteckschwingungen unterschiedlicher Impulsbreite bestehen)

Der RAMDAC (Random Access Memory Digital/Analog Converter) ist ein Chip, der für die Umwandlung von digitalen (Videospeicher) in analoge Bildsignale (Monitor) verantwortlich ist. Von ihm werden die Signalausgänge angesteuert. Er kann auch im Grafikprozessor integriert sein.

Externe Signalausgänge

VGA-Out: An einer 15-poligen D-Sub-Buchse wird ein analoges RGB-Signal bereitgestellt. Unter beengten Platzverhältnissen ist der Ausgang auch als Mini-VGA ausgeführt (z.B. beim Apple iBook). Über ein VGA-Kabel mit entsprechendem Stecker werden CRT-Monitor (Röhren­monitor), Projektor oder Flachbildschirm angeschlossen.

DVI-Out (Digital Visual Interface): Der DVI-Ausgang liefert ein digitales Signal und damit die beste erreichbare Bildqualität an Bildschirmen mit DVI-Eingang. Die meisten heutigen Grafikkarten sind mit einem DVI-I-Anschluss ausgestattet und liefern damit zusätzlich ein analoges RGB-Bildsignal. Somit können mit einem (meist beiliegenden) passiven Adapter auch Bildschirme mit analogem D-Sub-Eingang angeschlossen werden, die Bildqualität entspricht dann jedoch weitestgehend der des D-Sub-Ausgangs. Bei DVI sind die Varianten (Single-Link-)DVI und Dual-Link-DVI zu unterscheiden, letztere beinhaltet doppelt so viele Datenleitungen und kann damit eine größere Bandbreite liefern. Das ist für Auflösungen größer als WUXGA (1920 × 1200) notwendig, um trotz der größeren Datenmenge pro Bild eine Bildwiederholfrequenz von mindestens 60 Hertz zu gewährleisten. Es existiert, wie bei VGA, auch eine Mini-DVI-Variante für Notebooks ohne Platz für eine vollwertige Buchse.

Die DVI-Spezifikation wurde durch die Digital Display Working Group entwickelt, um die Adaption eines Digital-Displays für High-Performance Desktops und Notebooks voranzutreiben.

DVI benutzt eine Schnittstelle, die als Transition Minimized Differential Signaling (TMDS) bezeichnet wird. Es bietet eine Abwärtskompatibilität mit existierenden Standards und gleichzeitig um verschiedene Funktionalitäten erweiterbar. DVI unterstützt 2 TMDS-Anschlüsse, beide mit einer Übertragungsrate von 1,6/sec.

Es wird versucht, das DVI-Interface zum zukünftigen Standard zu erheben, weiters die Analogeingänge für Röhrenmonitore durch Digitaleingänge zu ersetzen (d.h. in herkömmlichen Röhrenmonitoren wird dann die notwendige Digital-Analog-Umwandlung durchgeführt).

Es wird dann zukünftig kein ständiger Signalfluss zwischen Graphikkarte und Monitor notwendig sein, da der Monitor selbst einen Graphikspeicher besitzen muss; es werden nur mehr Bildänderungen übertragen. Damit ergibt sich eine wesentliche höhere Qualität in der Darstellung am Monitor.

Bild: Schematische Darstellung des DVI; der DAC (Digital-Analog-Converter), welcher jetzt noch auf den Grafikkarten sitzt und die Daten analog an den Monitor liefert, wird in den Monitor verlagert. (Quelle: Intel-Homepage)

Christian Zahler

Studium an der TU Wien (Chemie, Physik, Mathematik, Informatik), selbstständige Tätigkeit (IT & Consulting) mit Spezialisierung auf Schulungskonzepte in der Erwachsenenbildung, derzeit Unterrichtstätigkeit am Francisco Josephinum Wieselburg (Landtechnik-Abteilung, technische und naturwissenschaftliche Fächer, Schwerpunkte Elektro- und Automatisierungstechnik und Mechanik), seit unendlich langer Zeit dem ClubComputer freundschaftlich verbunden, Autor von Artikeln in PCNEWS.

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