3. Theorie und Grundschaltungen von Zeilenendstufen
Die Zeilenendstufe ist die fehleranfälligste
Baugruppe eines Monitors. Dies liegt nicht zuletzt daran,
da hier der mit Abstand größte Leistungsumsatz
stattfindet. Obwohl das Netzteil die Zeilenendstufe
versorgt, setzt es wesentlich geringere Leistungen um als
diese. Dies liegt an dem sehr hohen Blindleistungsumsatz
in der Zeilenendstufe. Geht man z.B. von einem
Rücklaufkondensator mit einer Kapazität von 5 nF aus, der
bei einer Zeilen-frequenz von 80 kHz 80000 mal pro Sekunde
auf 1200V aufgeladen und wieder vollständig entladen wird,
bedeutet dies 160000 mal pro Sekunde eine Energie von
W= CU^2 =0.0036 Ws. Dies entspricht einem Leistungs-
umsatz von P = 2xf x W = 576 Watt. Diese hohe Blind-
leistung führt zu einer besonders hohen Belastung der
betroffenen Bauteile. Bei den Schaltungsvarianten der
Zeilenendstufen mu man zwischen folgenden grund-
legenden Ausführungen unterscheiden:
3.1 Die ungeregelte Festfrequenz-Zeilenendstufe mit
Hochspannungserzeugung
Diese einfachste Ausführung, die auch schon aus der
Fernsehtechnik bekannt ist, wurde vorwiegend in Spezial-
monitoren, Herkules-,EGA-, CGA- und Standard-VGA-
Monitoren eingesetzt. In neueren Computermonitoren ist sie
nicht mehr zu finden, da diese Geräte Zeilenfrequenzen
von 30 bis mindestens 60kHz verarbeiten müssen.
Da aber alle Techniken auf diese ursprüngliche Schaltung
aufbauen, möchte ich sie ausführlich erklären. Zunächst
möchte ich auf die grundsätzliche Problematik einer
Zeilenablenkung eingehen. Der Elektronenstrahl soll
gleichmäig von links nach rechts abgelenkt werden, um
dann möglichst schnell wieder nach links zu gelan-
gen. Bei einer magnetischen Ablenkung bedeutet dies ein
sägezahnförmiges Magnetfeld, was einem sägezahnförmigen
Strom durch die Ablenkspulen entspricht.
Dieser Strom wäre relativ einfach zu erzeugen, wenn es
sich um einen langsamen Vorgang handeln würde. Da
die Zeilenablenkung jedoch mit sehr hoher Geschwindigkeit
erfolgen mu, werden in den Ablenkspulen, vor allem während
des Zeilenrücklaufes, sehr hohe Spannungen induziert.
Dieses Problem habe ich bereits bei den Schaltnetzteilen
näher erläutert. Um die Spannung an der Ablenkspulen
für Halbleiter verarbeitbar zu halten, wird das
Spulenpaar der horizontalen Ablenkeinheit parallel
geschaltet und mit relativ wenigen Windungen bei großem
Drahtquerschnitt ausgeführt. Diese Maßnahme führt
natürlich zu einem sehr hohen Ablenkstrom, der von
einer hochbelasteten Leistungselektronik erzeugt
werden mu. Im folgenden Diagramm ist der Zusammengang
zwischen Ablenkstrom und der zu dessen Erzeugung
erforderlichen Spannung dargestellt.
Leider ist in der Praxis die Auslenkung des
Elektronenstrahles nicht genau proportional zum
Ablenkstrom. Vielmehr reagiert die Ablenkung zum
Bildschirmrand hin empfindlicher auf Änderungen des
Ablenkstromes. Dies kann zum Einen an Inhomogenitäten
des Magnetfeldes der Ablenkspulen liegen, deren
Feldstärke in der Nähe der Spulendrähte stärker ist,
als in der Mitte des Spulenpaares. Zum Anderen
führen abgeflachte Bildschirme dazu, da der
Elektronenstrahl in der Bildschirmmitte einen kürzeren
Weg von Elektronen-kanone bis zur Leuchtschicht
zurückzulegen hat, als am Bildschirmrand. Die
Verlängerung des Elektronenstrahles am Bildschirmrand
führt aus geometrischen Gründen bei gleicher Änderung
des Ablenkwinkels in der Bildmitte und am Bildrand
natürlich auch zu einer Vergrößerung der Strahlauslenkung
am Bildschirmrand. Aus diesen Gründen muß die
Strahlauslenkung zum Bildschirmrand hin verlangsamt
werden. Zur Erzeugung der dafür nötigen Spannung
dient der Hinlaufschwingkreis. Anstatt einer
konstanten Spannung, wird an die Ablenkspule während des
Zeilenhinlaufes ein kleiner Ausschnitt einer Sinuswelle
angelegt. Die Erzeugung der Spannung für den Strahlrücklauf
übernimmt der Rücklaufschwingkreis, der für eine
halbe Periode mit seiner Resonanzfrequenz schwingt,
bevor der Hinlaufschwingkreis wieder aktiv wird. Die Form
der Rücklaufspannung spielt dabei keine Rolle. Wichtig
ist nur die Höhe dieser Spannung, da sie die
Rücklaufgeschwindigkeit bestimmt.
So kann man sich den realen Verlauf von Ablenkspannung
und Strom vorstellen
So entsteht aus einer rechteckigen Ablenkspannung der sägezahnförmige Ablenkstrom.
In dem Diagramm erkennt man, da die Ablenkspannung am
Anfang und am Ende des Zeilenhinlaufes verringert ist,
wodurch sich des Anstieg des Ablenk-stromes in diesen
Bereichen verlangsamt. Die Grundlegende Schaltung
zur Erzeugung einer geeigneten Ablenkspannung findet man
praktisch in allen Monitoren. Allerdings wird die
Hochspannung zunehmend von der Zeilenablenkung getrennt
erzeugt.
Im Grundschaltbild sind die Leitungen fett gedruckt, in
denen der Hauptstromanteil fließt. Von dem Zeilentrafo
sind nur die beiden wichtigsten Wicklungen, die Primärspule
W1 und die Hochspannungsspule W2 eingezeichnet.
Grundschaltung einer Zeilenendstufe mit kombinierter Hochspannungserzeugung
Bei einer Zeilenendstufe handelt es sich um einen
Schwingkreis, der periodisch zwischen zwei Schwingfrequenzen
umgeschaltet wird. Die Schwingfrequenzen werden in erster
Linie von der Induktivität der Ablenkeinheit und der Kapazität
des Hinlaufkondensators CH ( wird auch als Tangenskondensator
bezeichnet ) und des Rücklaufkondensators CR bestimmt.
Die Induktivität der Primärspule des Zeilentrafos ist
dabei nur zweitrangig, da sie wesentlich gröer ist,
als diejenige der Ablenkspule.
Die Primärspule dient lediglich zum einkoppeln der
Betriebsspannung Ub in den Zeilenkreis, um die durch
Wärmeverluste verlorengegangene Energie wieder zuzuführen.
In W1 fliet daher auch ein wesentlich geringerer
Strom, als im Ablenkkreis. W1 lädt zunächst die
Kondensatoren CR und CH auf Ub auf. Beim erstmaligen
Einschalten des Zeilenendtransistors wird CR entladen und
seine Energie geht verloren.
Der mit der Betriebsspannung aufgeladene Hinlaufkondensator
CH liegt nun parallel zu den Ablenkspulen und bildet mit
diesen den Hinlaufschwingkreis. Da dessen Schwingfrequenz
wesentlich niedriger als die Zeilenfrequenz ist, wird nur
ein kleiner Bruchteil einer Sinusschwingung ausgeführt,
bevor der Transistor wieder sperrt und der Strom durch den
Rücklaufkondensator CR weiterfließen muß. Da CR wesentlich
kleiner als CH ist,bestimmt nun CR und die Ablenkspulen
die Schwingfrequenz des Rücklaufschwingkreises, die
wesentlich höher als die Zeilenfrequenz ist.
Der Rücklaufschwingkreis führt eine halbe Schwingungsperiode
aus, bevor die Spannung am Zeilenendtransistor ihr Vorzeichen
ändert. In diesem Moment sollte der Transistor wieder einschalten,
um den Hinlaufschwingkreis wieder zu aktivieren.
Dies lät sich am einfachsten mit der Inversdiode D realisieren,
die in diesem Moment den vollen Ablenkstrom übernimmt. Dies
hat die Vorteile, da der Einschaltzeitpunkt des Transistors
irgendwo in der ersten Hälfte des Zeilenhinlaufes liegen darf,
was die Ansteuerung wesentlich vereinfacht und da der für bipolaren
Transistoren problematische Inversstrom vermieden wird. Die
eigentliche Funktion des Transistors beginnt erst in der zweiten
Hälfte des Zeilenhinlaufes, wo sich die Stromrichtung umkehrt
und der Transistor den vollen Ablenkstrom übernehmen muß. Ein
Problem ist der beim Einschalten des Zeilenendtransistors entstehende
Spannungssprung der Kollektorspannung.
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