BSW | Cyfrowy telewizor mechaniczny

Cyfrowy telewizor mechaniczny

z ekranem o rozdzielczości 36000...

mikrometrów

 

Przez całe wieki ludzie mogli tylko marzyć o możliwości oglądania obrazów na odległość. Stało się to możliwe dzięki telewizji. Wynalazek ten umożliwił milionom ludzi uczestnictwo w wielkich wydarzeniach kulturalnych czy sportowych (jak chociażby mistrzostwa EURO 2012).

Na naszych oczach odbywają się ogromne zmiany w technice telewizyjnej. Tradycyjna analogowa lampa kineskopowa (CRT) odeszła do lamusa. Wszystkie sprzedawane dziś telewizory mają płaskie ekrany plazmowe lub LCD. Za niecałe 2 lata z eteru zniknie analogowy sygnał telewizyjny, zawierający wg definicji 625 linii (realnie nieco mniej). Dziś telewidzowie oczekują obrazu w rozdzielczości co najmniej HD (1280x720 linii) lub nawet Full HD (1920x1080 linii).

Trudno sobie wyobrazić, że w początkach telewizji rozdzielczość przekazywanego obrazu wynosiła zaledwie 30-45 linii (tyle co ikonki komputera). O historii telewizji można było przeczytać w EdW w numerach 11, 12/2004 oraz 2, 3/2005. Niewiele osób wie, że zanim upowszechniła się telewizja elektroniczna (z ekranem kineskopowym), przez pewien czas z powodzeniem używano rozwiązań mechanicznych. Pierwsze mniej lub bardziej udane próby następowały w XIX wieku - tu pojawia się nazwisko polskiego wynalazcy, Jana Szczepanika. Ale niezbędne do przekazu medium pojawiło się dopiero z początkiem XX wieku, wraz z wynalezieniem radia. W latach 20 ubiegłego stulecia na całym świecie powstawały rozgłośnie radiowe. Rozpoczęły się wtedy również pierwsze eksperymentalne transmisje telewizyjne. W ówczesnej prasie pojawiały się publikacje, prezentujące szczegóły konstrukcji odbiorników telewizyjnych. Choć może się to wydać niewiarygodne, sprzedawano nawet gotowe zestawy telewizorów do samodzielnego montażu. Wielu radioamatorów i majsterkowiczów próbowało swych sił, budując telewizory we własnym zakresie!

Właśnie tym pionierskim czasom chciałbym poświęcić ten artykuł. Poprzez samodzielną budowę działającego modelu mechanicznego telewizora możemy poczuć się jak konstruktorzy sprzed prawie stu lat.

Jak działa telewizja mechaniczna? W każdym systemie telewizji obrazy są przekazywane punkt po punkcie, linia po linii, a po przekazaniu całej klatki przesyła się następną. Nie inaczej działa telewizja mechaniczna, tylko tu do analizy obrazu (w kamerze), a później na powrót jego syntezy (w odbiorniku), wykorzystuje się ruchome elementy mechaniczne.

Najczęściej jako analizator / syntezer obrazu stosowana była wirująca tarcza Nipkowa. Zasadę działania przedstawia rysunek 1. Tarcza na całym obwodzie ma umieszczone spiralnie otwory. W czasie jednego obrotu wokół osi wycinek tarczy, o szerokości równej odległości pomiędzy kolejnymi otworami, jest skanowany linia po linii przez kolejne otwory. W danym ułamku sekundy przez tarczę widoczny jest tylko jeden punkt obszaru za tarczą. Ale jeśli tarcza obraca się dostatecznie szybko, to wydaje się, że jest przezroczysta. Jeśli w obszarze za tarczą umieszczone zostanie, odpowiednio modulowane, źródło światła (udające jasność poszczególnych punktów obrazu), to na tym wycinku tarczy będzie dostrzegalny obraz o rozdzielczości zależnej od liczby otworów na tarczy. W moim modelu są 32 otwory, co daje 32 linie obrazu.

Opis konstrukcji

Inaczej niż w większości prezentowanych w EdW projektów, zacznę od omówienia części mechanicznej. Elementy te stanowią najistotniejszą część prezentowanego urządzenia - dlatego wymagają szczególnego opisu. Mimo że w prezentowanym telewizorze zastosowałem współcześnie dostępne materiały i technologie, pod względem zasady działania nie różni się od tego sprzed lat.

1. Analizator obrazu - tarcza. Tarcza Nipkowa jest najważniejszym elementem urządzenia. Materiał, z którego będzie wykonana, musi być sztywny, ale przy tym lekki. Najlepsza - chociaż niestety kosztowna - byłaby tarcza z blachy aluminiowej 2-3mm, wycięta laserem i anodowana na czarno. W prezentowanym urządzeniu tarcza została wykonana z płyty czarnego spienionego PCW (do kupienia w punktach wykonujących reklamy lub sklepach z plexi). Płyta taka jest wystarczająco sztywna, a przy tym lekka i łatwa w obróbce. Tarcza prezentowanego urządzenia ma średnicę 30cm. Po wycentrowaniu i obcięciu należy w niej wykonać otwory. Od precyzji ich wykonania zależeć będzie jakość uzyskiwanego obrazu. Dlatego warto się przyłożyć i zrobić to dokładnie.

Najpierw tarczę należy podzielić na 32 równe części. Na początek zaznaczamy dwie prostopadłe średnice - już są 4 części. Następnie każdą ćwiartkę dzielimy na pół (8 części), każą ósemkę na pół (16 części), jeszcze raz na pół - gotowe. Sposób podziału kąta na dwie równe połowy należy sobie przypomnieć z lekcji geometrii ;-) Teraz musimy zaznaczyć miejsca na otworki. Najpierw rysujemy okrąg ok. 5mm od krawędzi tarczy. Mierzymy, jaka jest odległość pomiędzy kolejnymi średnicami w 1/32 części. Dla mojej tarczy jest to 29mm. Z proporcji ekranu 3 : 2 wyznaczamy drugi wymiar obszaru ekranu (29 x 2) / 3 = 19,3mm. Jest to skok spirali otworów dla jednego pełnego obrotu tarczy. Skok dla 1/32 obrotu to 19,3mm / 32 = 0,6mm. O taki odcinek musi maleć średnica spirali.

Zaznaczamy pierwszy punkt spirali w miejscu przecięcia średnicy z okręgiem, oddalonym od krawędzi o 5mm. Następnie przesuwamy się przeciwnie do wskazówek zegara o 1/32 obrotu i na następnej średnicy odmierzamy suwmiarką odległość 0,6mm ku środkowi. Na kolejnej średnicy odmierzamy 1,2mm następnie 1,8mm - 2,4mm - 3mm itd.

W wyznaczonych miejscach wiercimy otworki. Ich średnica powinna wynosić 1,3-1,5 wyznaczonej odległości - u mnie 0,6mm x 1,5 = 0,9mm. Nieco bliżej środka (ok. 1-2cm od wewnętrznego punktu spirali należy wykonać 32 otwory dla układu synchronizacji obrotów. Otwory te mogą mieć nieco większą średnicę 2-3mm, ale wszystkie muszą znaleźć się w jednakowej odległości od środka. Fragment tarczy wykonanej opisaną metodą jest widoczny na fotografii 1.

Dobre wyniki można również osiągnąć z tarczą z kartonu. Gotowy szablon takiej tarczy do wydruku można pobrać z Elportalu (tarcza_nipkowa.pdf). Najlepiej skleić kilka warstw kartonu, a na to nakleić wydruk. Po wycięciu otworki należy wykonać szpilką.

Wykonanie tarczy nie jest zatem takie trudne. Ale zanim ją wynaleziono, w XIX w. do analizy obrazu próbowano stosować złożone systemy przesuwanych lub wahadłowo zamontowanych luster czy pryzmatów (m.in. telektroskop, wynalazek naszego rodaka Jana Szczepanika). Jednak konstrukcja takich analizatorów jest dość skomplikowana - chociaż nawet obecnie stosowana w telefaksach, skanerach, drukarkach itp. Na genialne w swojej prostocie rozwiązanie z obrotową tarczą wpadł w 1884 roku Paul Nipkow, wówczas 23-letni niemiecki student. Nipkow opatentował swój wynalazek, ale niestety w owym czasie nie było jeszcze środków technicznych, pozwalających na jego sensowną realizację. Kompletny system telewizji z zastosowaniem wirującej tarczy udało się uruchomić dopiero 40 lat później i to przez wielu konstruktorów jednocześnie (przeczytamy o nich dalej).

Mimo swojej podstawowej zalety, czyli prostoty konstrukcji, tarcza Nipkowa ma dwie istotne wady:

Dlatego we wczesnych latach telewizji opracowano też pochodne analizatory:

2. Napęd tarczy. Mała kartonowa tarcza może być zamontowana bezpośrednio na osi silnika. W przypadku większej i cięższej tarczy (jak aluminium czy PCW) byłoby to zbyt duże obciążenie dla łożysk silnika. Ja zastosowałem osobny łożyskowany wał z mocowaniem tarczy. Jako źródło części mechanicznych posłużył mi stary wideoodtwarzacz kaset VHS (magnetowid). W jego wnętrzu znalazłem sporo przydatnych elementów: transformator zasilający, solidne silniki elektryczne, paski napędowe i to co najciekawsze mechanizm bębna odczytu. Taki bęben po demontażu wygląda jak na fotografii 2. Do nakładki wału, zamiast głowic odczytu, przykręciłem tarczę Nipkowa. Nieruchomą część z łożyskami przykręciłem do wspornika z kawałka blachy aluminiowej. Drugi wystający koniec wałka uzbroiłem w koło pasowe zaaranżowane z oryginalnej tulei oraz dwóch podkładek Φ6. Szczegóły wykonania tego elementu widoczne są na fotografii 3.

Do napędu tarczy użyłem małego silnika elektrycznego prądu stałego. Silnik został zamontowany do drewnianej podstawy urządzenia wraz z tarczą na wsporniku. Napęd z silnika jest przekazywany za pomocą gumowego paska.

Szczegóły konstrukcji mechanicznej w przekroju są przedstawione na rysunku 2.

Zastosowany silnik prądu stałego umożliwia łatwą regulację obrotów, co jest niezbędne do poprawnego zsynchronizowania obrazu z sygnałem. Jeden obrót tarczy to jedna pełna klatka obrazu. Od liczby obrotów zależy liczba klatek, przekazywanych w ciągu sekundy. W moim modelu użyłem współczesnego standardu NBTV (www.nbtv.wyenet.co.uk). W standardzie tym przesyłane jest 12,5 klatki/s (z rozdzielczością 32 linie). Zatem wymagana liczba obrotów to 12,5 x 60 s = 750 obr/min. Regulacji obrotów można dokonywać poprzez zmianę napięcia lub PWM. Dla wizualnej kontroli obrotów na powierzchni tarczy umieściłem paski stroboskopowe. Powinny być oświetlane światłem mrugającym z częstotliwością 50Hz. Może to być dioda LED, podłączona bezpośrednio do uzwojenia wtórnego transformatora (oczywiście przez rezystor ograniczający jej prąd) lub mała neonówka zasilana napięciem sieci 230V. Przy regulacji obrotów należy dążyć do tego, aby na poruszającej się tarczy paski zdawały się nieruchome - fotografia na okładce.

Bardzo ważne jest aby obroty były zsynchronizowane z sygnałem obrazu. Synchronizacja sprawiała konstruktorom spore problemy w początkach telewizji. W 1925 roku przeprowadzono pierwszy radiowy przekaz ruchomego obrazu. Dokonał tego w USA Charles Jenkins, używając klasycznej tarczy Nipkowa w odbiorniku oraz tarczy soczewkowej w kamerze (tarcza Nipkowa z soczewkami zamiast otworów). Niestety przekaz był bardzo niestabilny. Z powodu braku synchronizacji obraz gubił się, trzeba było stale korygować obroty tarczy w odbiorniku. Jedno z rozwiązań tego problemu zastosował w 1928 roku Ulisses Sanabria. Do napędu tarcz w nadajniku i odbiorniku użył silników synchronicznych prądu przemiennego zasilanych z tej samej sieci energetycznej. Silniki synchroniczne pracują zawsze z prędkością zależną tylko od częstotliwości sieci zasilającej.

Problem synchronizacji został pozornie rozwiązany, ale zasięg telewizyjnego programu nadawanego przez Sanabrię był ograniczony do obszaru Chicago (obsługiwanego przez tę samą miejską elektrownię). Odbiorniki zasilane z innych elektrowni miały nadal problem z synchronizacją. Postulowano nawet, aby na potrzeby telewizji zsynchronizować wszystkie sieci energetyczne w USA. Pomysł ten zrealizowano, ale dopiero w latach 40, i wtedy chodziło raczej o bezpieczeństwo energetyczne. Problem synchronizacji w międzyczasie doczekał się bowiem innego rozwiązania...

3. Oświetlacz. Dla działania urządzenia niezbędnie jest też źródło modulowanego światła, umieszczone za tarczą. W tej roli niezastąpione są diody LED. W przypadku małej tarczy wystarczy jedna dioda LED. W moim modelu użyłem 6 białych, mocnych diod, połączonych równolegle, wraz z rezystorami ograniczającymi i równoważącymi prąd - zobacz fotografia 4. Diody dają bardzo intensywny strumień światła - patrzenie bezpośrednio w ich osi grozi uszkodzeniem wzroku! Dlatego niezbędne jest zastosowanie przed nimi rozpraszającej mlecznej szybki tzw. dyfuzora. Dzięki niemu padające światło jest zmiękczone, a cała powierzchnia oświetlona jednorodnie. Mój dyfuzor jest wykonany z przezroczystego tworzywa sztucznego.

100 lat temu jedynym dostępnym źródłem światła modulowanego za pomocą elektryczności była lampa neonowa. Dla potrzeb telewizji mechanicznej produkowano specjalne lampy neonowe z płaską powierzchnią świecącą. Taki oświetlacz świecił jednak zbyt słabo i nadawał się jedynie do aparatów z tarczą lub bębnem otworkowym. W większych urządzeniach (z bębnem lub śrubą lustrzaną) stosowano źródło bardzo jasnego światła - łuk elektryczny. Światło było modulowane przy użyciu komórki Kerra. Komórka Kerra to urządzenie, w którym pod wpływem pola elektrycznego zmienia się polaryzacja przechodzącego przez nie światła (podobne zjawisko jest wykorzystane w używanych teraz powszechnie ekranach LCD).

Jedną z wad pierwszych systemów telewizyjnych był nieprzyjemnie mrugający obraz. Poradzono sobie z tym problemem, stosując przeplot, który polega na wyświetlaniu na przemian linii parzystych i nieparzystych. Tarcza Nipkowa, zamiast jednej, ma wtedy dwie spirale otworów, wzajemnie zaplecione. Sanabria w swoim 45-liniowym systemie zastosował nawet potrójny przeplot. Przeplot był skutecznym rozwiązaniem i na stałe przyjął się w telewizji - również tej w pełni elektronicznej.

4. Okular. Oczywiście diody muszą oświetlać tylko ten fragment tarczy, na którym będzie wyświetlany obraz. W moim modelu to obszar 3 x 2 cm - tak mały, że lepiej go oglądać przez lupę. Szkło powiększające umieściłem w przedniej ściance - zobacz rysunek 2.

Przy tak małej powierzchni, korzystniejszy wydaje się kadr ustawiony pionowo. Przy pionowym układzie ekranu, lepiej można oddać zarówno rysy twarzy, jak też sylwetkę całego człowieka. Zatem ekran umiejscowiony jest z prawej strony tarczy (w przypadku kadru poziomego - ekran powinien być umieszczony w górnej części tarczy).

Pionowy kadr zastosował w swoim systemie Brytyjczyk John Baird. Był on najbardziej pomysłowym konstruktorem w historii telewizji mechanicznej. Pierwszy system uruchomił już w 1923 roku, w 1926 przekazał przez radio obraz ruchomy (5 klatek/s), w 1928 dokonał pierwszej transmisji telewizyjnej przez Atlantyk. W 1929 przy współpracy z BBC rozpoczął nadawanie regularnych audycji (również realizowanych na żywo spektakli teatralnych).

System Bairda wyznaczał w owym czasie standard w Europie. Było to 30 linii, 12,5 klatki/s. Nadawane na falach średnich z Londynu audycje telewizyjne BBC miały spory zasięg i były odbierane również poza Wielką Brytanią. W 1929 rozpoczęła nadawanie również telewizja niemiecka - też 30 linii i 12,5 klatki/s, ale z poziomym układem ekranu. Część produkowanych aparatów telewizyjnych miała dwa ekrany, dzięki czemu mogły wyświetlać audycje zrealizowane zarówno w układzie poziomym, jak i pionowym.

5. Wzmacniacz sygnału wizji. Zadaniem wzmacniacza wizji jest odpowiednie sterowanie jasnością oświetlacza. Idea jest prosta: trzeba modulować jasność poszczególnych punktów ekranu. Oczywiście regulujemy jasność całego oświetlacza, ale w danej chwili przez jeden z otworków tarczy widzimy tylko jeden punkt. Przebieg sygnału wizji określa więc jasność poszczególnych punktów. Tu prawdopodobnie zaskoczę większość Czytelników informacją, czym jest i skąd wziąć sygnał wizji. Otóż sygnał wizyjny klasycznej telewizji analogowej ma pasmo sięgające kilku megaherców. Natomiast w naszym telewizorze mamy niewiele punktów ekranu i niewielką częstotliwość powtarzania, więc pasmo sygnału wizji z zapasem mieści się w zakresie... pasma akustycznego. Zgodnie z nazwą jest to NBTV, czyli Narrow Band Television. W epoce telewizji mechanicznej, sygnał telewizyjny był przesyłany przez najzwyczajniejsze nadajniki radiowe, bowiem zajmował takie pasmo, jak ówczesna radiofonia (poniżej 10kHz).

Także i nasz sygnał wizji można spokojnie przesłać przez łącze audio (przez radio, przez telefon, przez Internet), a także zmagazynować, czy to metodą analogową na taśmie magnetycznej, płycie gramofonowej, czy w postaci... cyfrowego pliku audio, np. .wav. I wtedy można powiedzieć, że mamy cyfrowy telewizor mechaniczny. Stąd też nieco przewrotny tytuł projektu.

Więcej szczegółów będzie podanych w drugiej części artykułu, a do tego czasu chętni zdążą skompletować i wykonać część mechaniczną telewizora.

Sygnał wizyjny jest więc podobny do sygnału audio i trzeba go wzmocnić, jeśli ma prawidłowo wysterować diody LED. Najprostszy wzmacniacz wizji może być zrealizowany wg rysunku 3. Ja zastosowałem układ nieco bardziej zaawansowany, przedstawiony na rysunku 4. Sygnał elektryczny przebiegiem wideo trafia na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego US2. Z wyjścia wzmacniacza poprzez dzielnik rezystorowy R22-R24, sterowana jest bramka tranzystora MOSFET T2. W obwodzie drenu tego tranzystora znajduje się sterowany oświetlacz LED (DL1-6, RL1-6). Sprzężenie zwrotne US2 jest włączone w obwód źródła tranzystora T2 (elementy R21, R23, R25 oraz P2 i PM2). Potencjometr P2 służy do regulacji jasności obrazu. Potencjometr montażowy PM2 umożliwia regulację poziomu podstawowego czerni (poziom odniesienia względem sygnału sterującego). W obwodzie źródła tranzystora intrygować mogą elementy R26, R27, R28 i D21, D22. Służą one do korekcji gamma. Diody LED nie mają liniowej zależności jasności od napięcia zasilania. Korekcja gamma ma na celu zredukowanie efektu nadmiernego kontrastu wyświetlanego obrazu. Dzięki temu wyświetlany obraz będzie dostępny w szerszej palecie odcieni szarości.

Problem korekcji gamma występował już w dawnej telewizji mechanicznej. Stosowane w ówczesnych kamerach telewizyjnych próżniowe fotokomórki miały nieliniową charakterystykę i niską czułość. Występujący w studiu aktorzy musieli mieć specjalny kontrastowy makijaż. Niska czułość fotokomórek powodowała, że kamery działały w odwrotny sposób - światło nie wpadało do jej wnętrza, tylko z niej wypływało. Silny strumień światła z lampy łukowej, kierowany przez układ optyczny z tarczą Nipkowa, omiatał studio oraz aktorów, a odbity wracał w stronę kamery. Dookoła obiektywu znajdowała się bateria fotokomórek, które zbierały informację o jasności oświetlanego w danym ułamku sekundy punktu w przestrzeni. W studiu musiał więc panować półmrok, rozświetlany jedynie bladym czerwonym światłem, na które stosowane wtedy próżniowe fotokomórki były ślepe. Aktorzy zaś pracowali w feerii świetlnych błysków promienia analizującego.

6. Sygnał telewizyjny. Rysunek 5 przedstawia przebieg sygnału telewizji wąskopasmowej NBTV. Wartość sygnału odzwierciedla jasność punktu w danym miejscu linii. Jak widać, przejścia pomiędzy kolejnymi punktami w linii następują w sposób ciągły. Jest to charakterystyczne dla wszystkich analogowych systemów telewizyjnych. Wyróżnione są tylko linie i dlatego rozdzielczość analogowych systemów telewizyjnych określa się, podając liczbę linii. Na przebiegu widać kilka sekcji odpowiadających kolejnym liniom obrazu w jednej klatce. Sekcje są rozdzielane obszarami z niskim poziomem sygnału - poniżej ustalonego poziomu czerni (zielona linia). Są to impulsy synchronizacji linii. Impulsy te trzeba odfiltrować z sygnału i skierować do układu sterowania silnikiem napędzającym tarczę. 32 sekcje linii dają razem informację o jednej klatce obrazu, po nich przekazywana jest następna klatka.

Na rysunku 6 przedstawiono separator impulsów synchronizacji. Sygnał wideo z wejścia, poprzez wtórnik na tranzystorze T3 oraz kondensator separujący C12, trafia na wejścia odwracające podwójnego wzmacniacza operacyjnego US3. Wejście nieodwracające US3A ma ustalony potencjał około połowy napięcia zasilania (dzielnik R12-R15). Sygnał z wyjścia US3A poprzez diodę D11 jest połączony z wejściami odwracającymi US3A i US3B. Dzięki temu US3A jest rodzajem detektora wartości ujemnych w sygnale, powodując wtedy przepływ prądu na wejściu nieodwracającym US3A. Prad ten zmienia potencjał połączonego przez suwak PM3 wejścia odwracającego US3B. Dzięki dodatniemu sprzężeniu zwrotnemu (R13-R14) wzmacniacz US3B szybko przechodzi w stan nasycenia, generując na swoim wyjściu dodatni impuls synchronizacji. Poziom, przy którym następuje "detekcja impulsów", można regulować potencjometrem montażowym PM3.

Pozytywne efekty pierwszych doświadczeń z telewizją mechaniczną prowadziły do prób zwiększania rozdzielczości obrazu. Niestety nie było to takie proste. Oprócz problemów czysto mechanicznych, związanych z koniecznością użycia bardziej precyzyjnych mechanizmów, doszła jeszcze kwestia związana z szerokością pasma sygnału wizji. Otóż sygnał telewizji 30-45-liniowej ma pasmo o szerokości ok. 8-10kHz. Tyle wynosiło pasmo zwykłej radiofonii AM. Można więc było do telewizji stosować tę samą aparaturę nadawczą i odbiorczą, co w radiu. Jednak zwiększanie rozdzielczości powodowało znaczne poszerzanie zajmowanego pasma. Wymagało to stosowania droższych odbiorników superheterodynowych, zamiast prostych reakcyjnych. Ponadto szersze pasmo wymusiło przejście na zakres fal krótszych, a krótsze fale to z kolei mniejszy zasięg. Mimo to z początkiem lat 30. w Niemczech uruchomiono system telewizji mechanicznej 180-liniowej.

7. Synchronizacja obrotów tarczy. Impulsy synchronizacji odfiltrowane z sygnału wizji muszą być porównane z impulsami pochodzącymi od obrotów tarczy. W tym celu na tarczy znajduje się krąg utworzony z 32 otworów. Tarcza spełnia rolę bariery optycznej. Obracając się cyklicznie, zasłania i odsłania światło diody LED, a impulsy są odbierane przez fototranzystor FOTO - zobacz rysunek 7. Szczegóły umożliwiającego regulację mocowania fototranzystora są widoczne na fotografii 5.

Układ scalony US1 to kontroler pętli synchronizacji fazowej (PLL) - 4046 (dwa komparatory oraz generator przestrajany napięciem). Ale w układzie synchronizacji użyty został z niego tylko komparator 2. Na jedno wejście (3) podawane są impulsy z fototranzystora, na drugie wejście (14) sygnał synchronizacji z separatora. Z wyjścia komparatora (13), poprzez dzielnik rezystorowy R3-R4 sterowana jest bramka tranzystora MOSFET T1. Tranzystor ten steruje pracą silnika MOT napędzającego tarczę. Druga strona dzielnika R3-R4 podłączona jest do suwaka potencjometru P1, który jest połączony równolegle do obwodu źródło-dren tranzystora T1. Potencjometr P1 służy do regulacji obrotów silnika.

Synchronizację obrotów tarczy za pomocą sygnału wizji jako pierwszy wprowadził Baird. Było to rozwiązanie czysto mechaniczne - silnik napędzający tarczę miał dodatkowe uzwojenie podłączone do sygnału wizji. Na początku każdej klatki występował stały poziom sygnału, który indukował siłę hamującą tarczę. "Silnik foniczny" Bairda miał jedną wadę - nadawany obraz musiał być zróżnicowany, czarne kadry były wykluczone. Dlatego w telewizji Bairda podczas zmiany sceny na ekranie pojawiała się charakterystyczna plansza - szachownica.

Opis pozostałych układów elektronicznych oraz montażu i uruchomienia zostanie przedstawiony w drugiej części artykułu, ale już teraz zachęcam do zainteresowania się tym tematem. Polecam eksperymenty z mechaniczną telewizją. W obecnych, przesyconych gadżetami, czasach uzyskanie ruchomego obrazu z tak prymitywnej "aparatury" robi ogromne wrażenie. Do pierwszych doświadczeń można użyć kartonowej tarczy (wzór do pobrania z Elportalu) i umieścić ją bezpośrednio na osi silnika. Do regulacji jego obrotów można wykorzystać regulowany zasilacz warsztatowy. Za oświetlacz ze wzmacniaczem może służyć prosty układ z rysunku 3. Układ należy podłączyć do wyjścia lewego kanału karty muzycznej komputera, odtwarzając na nim sygnał kontrolny (plik obraz_kontrolny.wav jest dostępny w materiałach dodatkowych do numeru na Elportalu).

8. Generowanie i zapis sygnału wizji. Jak już wcześniej wspomniałem, szerokość pasma sygnału telewizji niskiej rozdzielczości nie przekracza szerokości pasma używanego w audio. Do generowania sygnału można użyć karty muzycznej komputera PC. Próbki plików wideo dla odtworzenia w mechanicznej telewizji można pobrać z Internetu (np. z forum NBTV). Próbki te są zapisane w bezstratnym formacie wave (*.wav). Do odtworzenia wystarczy Windows Media Player (należy wyłączyć wszelkie filtry i korektory dźwięku oraz włączyć automatyczne powtarzanie utworu). Co ważne, z Internetu można pobrać specjalne programy na komputer PC (np. NBTVviewer, video2nbtv) które potrafią wygenerować sygnał dla "mechanicznego monitora" na podstawie dowolnego filmu, lub nawet bezpośrednio z kamerki internetowej na USB.

Czy zatem do zapisu "wideo" można użyć urządzeń audio? I tak i nie. Nie nadają się typowe urządzenia cyfrowe wykorzystujące algorytmy stratnej kompresji dźwięku (wszelkie rejestratory mp3, mp4 czy iPod). Nie nadaje się również magnetofon analogowy (np. kasetowy) ponieważ sygnał w nim jest symetryzowany (zobacz rysunek 8 - u góry oryginalny przebieg, pod nim po zapisie i odczycie z magnetofonu). Natomiast świetnie nadaje się odtwarzacz CD lub DVD. Należy tylko z plików *.wav przygotować odpowiednią płytę „wideo” w formacie CD-audio.

Dawniej większość audycji nadawana była na żywo. Głównym powodem był brak urządzeń do rejestracji dźwięku czy obrazu ze studyjną jakością. Problem stanowił szczególnie zapis obrazu. Oczywiście były czynione próby - Bairdowi już w 1926 roku udało się zapisać obraz na... płycie gramofonowej, ale to tylko ciekawostka - nie wykorzystywana w praktyce.

Natomiast telewizja umiała wyemitować materiał filmowy z klasycznej, celuloidowej taśmy filmowej. Służyło do tego urządzenie nazywane telekino - będące połączeniem projektora filmowego z telewizyjną kamerą. Przez długi czas był to jedyny sposób na emisję scen z pleneru (gdzie nie mógł działać promień analizujący).

Ciekawe urządzenie było stosowane w niemieckiej telewizji 180-liniowej. Był to rodzaj wozu transmisyjnego. Na dachu furgonetki była zamontowana prawie klasyczna kamera filmowa (na taśmę 16mm). Naświetlony film, poprzez światłoszczelną podstawę kamery, trafiał do wnętrza ciężarówki, gdzie znajdowało się studio fotograficzne, w locie wywołujące celuloidową taśmę filmową. Jeszcze mokra, wywołana klisza trafiała do mechanicznego analizatora, gdzie zarejestrowany na niej obraz był zamieniany na sygnał telewizyjny. Opóźnienie nadawania wynosiło zaledwie 60 sekund. Dzięki takim urządzeniom, można było w telewizji (prawie) na żywo transmitować letnie igrzyska olimpijskie Berlin 1936. Oglądając w Full HD transmisję z igrzysk w Londynie pamiętajmy o tym, jak ogromny postęp nastąpił w technice TV...

9. Dźwięk. Komputerowy generator obrazu wykorzystuje tylko jeden - lewy kanał karty muzycznej. W prawym kanale może być obecna towarzysząca obrazowi monofoniczna ścieżka dźwiękowa. Do jej reprodukcji wyposażyłem mój telewizor w głośnik oraz w prosty wzmacniacz akustyczny na popularnym układzie TDA2030 wg standardowej katalogowej aplikacji - zobacz US101 na rysunku 9. Potencjometr P101 służy do regulacji głośności. Na schemacie jest widoczny również niestabilizowany zasilacz na elementach M101, C101, C102, C103 dla układu US101 oraz dwa stabilizatory LM7812 (US102, US103) z kondensatorami (C104, C105) przygotowujące zasilanie dla układów wideo oraz napędu tarczy.

Obecność w telewizji dźwięku wraz z obrazem nie była zawsze oczywista. Wszak lata 20-te XX wieku to okres kina niemego. Niemniej radiowe korzenie telewizji oraz fakt, że mizernej jakości obraz wymagał słownego komentarza, spowodował, że obrazowi telewizyjnemu towarzyszył dźwięk. Zresztą to raczej dźwiękowi towarzyszył obraz - pierwsze telewizory były nazywane radiem z okienkiem.

Początkowo dźwięk i obraz były nadawane jednocześnie, ale na różnych długościach fal radiowych (np. BBC nadawało dźwięk na falach 261 metrów, a obraz na 356 metrów). Później opracowano metodę dodawania dźwięku na tej samej częstotliwości za pomocą podnośnej. Technologia podnośnej jest do tej pory stosowana w telewizji analogowej.

10. Kolor. Zastosowane w oświetlaczu białe diody LED generują obraz czarno-biały. Jeśli w ich miejsce zastosować diody RGB, można uzyskać obraz kolorowy. Oczywiście wtedy trzeba zastosować trzy niezależne wzmacniacze wizji, oraz źródło podające trzy niezależne sygnały (osobne dla każdego koloru składowego) - np. wielokanałową kartę muzyczną. Niestety nie powstał żaden standard zapisu kolorowego obrazu tego rodzaju. Próbowano za to zaadoptować algorytm kodowania koloru, stosowany w amerykańskiej telewizji kolorowej (NTSC + NBTV = NBSC - więcej na ten temat na internetowym forum NBTV). W moim modelu poprzestałem na obrazie czarno-białym...

Problem koloru był podnoszony w wielu teoretycznych rozważaniach nad telewizją mechaniczną. Planowano użycie pryzmatu lub kolorowych filtrów. Praktyczne rozwiązanie przedstawił w 1928 Baird. Zastosował on w miejsce lampy neonowej 3 kolorowe lampy wyładowcze, które wypełnione gazami szlachetnymi świeciły w różnych kolorach.

Innym testowanym rozwiązaniem była dodatkowa wirująca tarcza posiadająca kolorowe filtry. Właśnie o tym przypomniano sobie w amerykańskiej stacji telewizyjnej CBS, wprowadzając w 1950 roku kolor do telewizji elektronicznej. Jak to działało? Przed klasycznym czarno-białym kineskopem wirowała tarcza z segmentami złożonymi z kolorowych filtrów. System ten się nie przyjął i w 1953 roku został zastąpiony rozwiązaniem opartym o kineskop maskowy i kodowanie koloru NTSC. (W Europie opracowano inne standardy kodowania kolorów - SECAM we Francji i PAL w Niemczech).

Montaż i uruchomienie

Montaż rozpoczynamy od elementów mechanicznych. Do solidnej podstawy mocujemy ułożyskowaną tarczę Nipkowa z napędem oraz elementy bariery optycznej - oświetlającą diodę LED z jednej, i fototranzystor FOTO z drugiej strony tarczy (na wysokości otworów synchronizacyjnych). Bariera musi mieć możliwość regulacji tak, aby impulsy były generowane wraz z początkiem kadru - tarcza musi się obracać w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Kolejnym istotnym elementem jest oświetlacz zamontowany na wysokości wyświetlanego kadru. Wzór płytki oświetlacza zawierającej połączone równolegle 6 diod LED z rezystorami równoważącymi i ograniczającymi prąd przedstawiono na rysunku 10. Przed płytką oświetlacza trzeba zamontować dyfuzor - zobacz fotografię 6. Szczegóły montażu są widoczne również na rysunku 2 w poprzedniej części artykułu.

Wreszcie czas na elektronikę. Wcześniej omawiane schemat zostały zrealizowane na jednej płytce, widocznej na rysunku 11. Montaż jest klasyczny. Pod układy scalone stosujemy podstawki. Tranzystory T1 i T2 powinny mieć zamontowane radiatory. Może to być wspólny radiator (np. kawałek blachy aluminiowej) ale wtedy należy zastosować podkładki i śruby izolujące. W miejsce zwory ZW można podłączyć przełącznik typu NC (normalnie zamknięty) - zobacz fotografia 5, dzięki któremu będzie możliwe chwilowe rozłączenie synchronizacji. Do złączy goldpin należy przyłączyć (zachowując właściwą polaryzację) odpowiednio:

FOTO - fotorezystor bariery optycznej,
LED - dioda LED z bariery optycznej,
MOT - silnik napędzający tarczę,
CLUSTER - zespół oświetlacza LED (z rezystorami)

Stabilizowane napięcie zasilania 12V podajemy na zaciski złącza POWER (1 i 2 - plus, 3- minus). Do zasilania można użyć zewnętrznego zasilacza lub zmontować dodatkowo układ z rysunku 7. Wzór płytki pokazany jest na rysunku 12. Oprócz zasilacza i wzmacniacza akustycznego z regulacją siły głosu potencjometrem P101, znalazło się na niej miejsce na opcjonalną regulację sygnału wejściowego wideo - potencjometr P102. Sygnał z odtwarzacza CD lub karty muzycznej należy podać na złącze goldpin IN (L - kanał lewy wideo, R - kanał prawy audio). Sygnał dla wzmacniacza wideo jest wyprowadzany na wyjście OUT_V. Złącze SPK służy do podłączenia głośnika. Na złączu ARK 3 znajdują się wyjścia scalonych stabilizatorów napięcia LM7812 (US103, US104). Zastosowano dwa niezależne układy, dzięki czemu można osobno zasilać obwody obrazu i napędu. (W małym modelu można zrezygnować z jednego stabilizatora i zastosować wspólne zasilanie). Układy stabilizatorów i wzmacniacza US101 muszą mieć radiator - można zastosować wspólny. Ponieważ na wszystkich układach panuje ten sam potencjał, nie trzeba stosować izolowanych podkładek.

Omówienia wymaga jeszcze transformator zasilający. Powinien on na uzwojeniu wtórnym posiadać napięcie ok. 12-15V. Transformator podłączamy do skrajnych wyprowadzeń złącz (TRAFO1-1 i TRAFO2-2). Środkowe zaciski łączymy ze sobą zworą (TRAFO1-2 z TRAFO2-1). Zasilacz jest tak zaprojektowany że można w nim również zastosować transformator z podwójnym, symetrycznym uzwojeniem wtórnym. W takim przypadku środkowe wyprowadzenie transformatora podłączamy do zacisku TRAFO1-2, a skrajne wyprowadzenia do skrajnych zacisków złącz (TRAFO1-1 i TRAFO2-2). Wyprowadzenie TRAFO2-1 musi zostać wolne! Wtedy pracuje tylko dodatnia część mostka, ale nadal jako prostownik dwupołówkowy.

Obie płytki mają takie same wymiary i rozstaw otworów mocujących. Można je zamontować obok siebie, jedna nad drugą, lub w pionie jedna obok drugiej skręcone plecami do siebie. Na fotografii tytułowej zaprezentowano urządzenie bez ścianki przedniej z widocznymi płytkami elektroniki i transformatorem zasilającym. Uruchamianie rozpoczynamy od płytki zasilacza. Należy sprawdzić działanie wzmacniacza i napięcia na złączu POWER_OUT. Następnie stopniowo uruchamiamy płytkę wideo. Na początek podłączamy tylko elementy bariery optycznej. Napięcie na wejściu 3 układu US1 powinno wynosić ponad 8V przy podświetlonym fototranzystorze oraz poniżej 2V przy zasłoniętym - regulacji dokonujemy potencjometrem montażowym PM1. Następnie do złącza MOT podłączamy silnik. Tarcza powinna obracać się w lewo. Sprawdzamy czy działa regulacja obrotów potencjometrem P1. Może być konieczne zmodyfikowanie wartości rezystorów w dzielniku R3-R4, tak aby nominalne obroty (750obr/min - sprawdzane stroboskopem) występowały w połowie zakresu potencjometru. Następny etap to uruchomienie synchronizacji obrotów. Na wejście IN_V podajemy sygnał kontrolny wideo z karty muzycznej (np. plik obraz_kontrolny.wav z Elportalu). Sprawdzamy z pomocą stroboskopu czy obroty się stabilizują, jeśli nie, należy wyregulować poziom odcięcia impulsów synchronizacji potencjometrem montażowym PM3. Ostatni etap to uruchomienie oświetlacza (podłączanego do złącza CLUSTER) - sprawdzamy czy działa regulacja jasności potencjometrem P2. Obraz kontrolny na ekranie powinien być widoczny w pełnej gamie odcieni szarości. Jeśli nie, to potrzebna jest regulacja poziomu czerni potencjometrem montażowym PM2. W sygnale NBTV pierwsza linia nie posiada impulsu synchronizacji. Dla prawidłowego działania należy zakleić otworek synchronizacyjny, który pojawi się w barierze optycznej w momencie zmiany klatki w kadrze (duży skok spirali otworów). Może się jednak zdarzyć, że na ekranie pojawi się klatka przecięta na pół. Wystarczy wtedy na moment przyhamować tarczę (nie ręką !) lub przyspieszyć, odcinając na chwilę impulsy synchronizacji, opisanym wcześniej wyłącznikiem w miejscu zwory ZW.

Na fotografii 7 widoczny jest kompletny telewizor w towarzystwie mojego urządzenia OldTimePlayer (zobacz 7/2010), które po małej modyfikacji służy jako odtwarzacz plików wave-wideo. Przednia ścianka telewizora posiada trzy okienka - głośnik, stroboskop, okular/ekran. Poniżej znajdują się cztery regulatory - głośność, poziom sygnału wideo, obroty i jasność obrazu. Na tylnej ściance znajduje się wyłącznik i gniazda przyłączeniowe chinch.

Pierwsze telewizory służyły tylko do wyświetlania obrazu. Do działania potrzebowały osobnego odbiornika radiowego - lampę neonową włączało się zamiast głośnika. Kompaktowe, zintegrowane odbiorniki telewizyjne pojawiły się dopiero w latach 30-tych.

Zakończenie

Na koniec jeszcze kilka zdań o końcu 10-letniego okresu świetności telewizji mechanicznej (nazywanego czasem falstartem przed erą telewizji elektronicznej). W latach 20-tych, równolegle do obiecujących eksperymentów z analizatorami mechanicznymi, prowadzono prace z aparaturą w pełni elektroniczną. Jako wyświetlacz stosowano lampę katodową Browna (zasada działania taka jak lampy oscyloskopowej). Później opracowano lampę kineskopową taką, jak w używanych jeszcze monitorach czy telewizorach CRT.

Problem stanowił skuteczny elektroniczny przetwornik obrazu na sygnał elektryczny. Pierwszą działającą aparaturę przedstawił w 1927 amerykański samouk Philo Farnsworth. Jego przetwornik ("image dissector") miał jednak niską czułość, i wymagał do poprawnego działania bardzo mocnego, oślepiającego światła. Aparatura ta potrzebowała dopracowania, ale Farnsworth borykał się z problemem braku funduszy - pamiętajmy że był to okres wielkiego kryzysu.

Zupełnie inną sytuację miał rosyjski imigrant Vladimir Zworykin. Nad przetwornikiem obrazu pracował on w USA od 1923 roku, najpierw w laboratoriach Westinghouse Electric a następnie RCA. Po latach badań, w 1931 udało mu się zbudować ikonoskop - przetwornik obrazu z efektem pamięci, dzięki której miał on dużą czułość. W 1934 roku firma RCA zaprezentowała publicznie kompletny, dopracowany system w pełni elektronicznej telewizji 343-liniowej. Wtedy RCA została pozwana przez Farnswortha za kradzież jego telewizyjnych patentów. Dalszy rozwój telewizji w USA został wyhamowany przez długo trwającą batalię sądową (która zakończyła się po 10 latach wypłaceniem Farnsworthowi odszkodowania).

Nie przeszkodziło to RCA w sprzedaży swoich rozwiązań za granicę. Na ich podstawie w 1937 roku w Niemczech wdrożono w pełni elektroniczną telewizję 441-liniową. Już wcześniej w 1935 roku w Anglii, konsorcjum Marconi-Emi ze swoim 405-liniowym elektronicznym systemem, wygrało konkurs BBC na system telewizyjny. W konkursie tym przegrał Baird z udoskonalonym, stanowiącym kres możliwości, mechanicznym systemem 240-liniowym. Nawet w przedwojennej Polsce, po testach mechanicznego 120-linowego systemu, zaplanowano zakup systemu RCA i rozpoczęcie nadawania regularnego programu już w 1940 roku. Niestety plany te pokrzyżowała wojna...

Podczas II wojny światowej wszystkie stacje telewizyjne przestały nadawać (z wyjątkiem, wykorzystywanej propagandowo, telewizji niemieckiej). Na nowo telewizja zaczęła funkcjonować po zakończeniu wojny. Wielka Brytania powróciła do swojego standardu 405 linii, w USA opracowano standard 525 linii / 30 klatek/s, a w Europie przyjęto 625 linii / 25 klatek/s.

Ale wcześniej, w 1935 roku tysiące odbiorców mechanicznej telewizji zostało porzuconych przez dużych nadawców... W 1936 roku w Holandii sfrustrowani tym faktem pracownicy koncernu Philips opracowali własną mechaniczną aparaturę nadawczą. Dzięki temu, aż do wybuchu wojny w 1939 roku, mogli nadawać własny program rozrywkowy w leciwym 30-liniowym formacie...

Przydatne oprogramowanie oraz mnóstwo innych ciekawych materiałów można znaleźć na stronach:

  www.earlytelevision.org
  www.nbtv.wyenet.co.uk/
  www.televisionexperimenters.com/
  http://users.tpg.com.au/users/gmillard/nbtv/nbtv.htm



Powyższy artykuł ukazał się w czasopiśmie "Elektronika dla Wszystkich" w numerze 7/2012 i 8/2012


Materiały dodatkowe:

Wykaz elementów

Kilka fragmentów starych polskich filmów w formacie WAVE (nbtv - vertical 32-lines)

Do pobrania z elportalu:

 Cyfrowy telewizor mechaniczny (ZIP, 762kB)

Film prezentujący urządzenie w działaniu:

  
Widoczny na filmie efekt pływających czarnych pasów w rzeczwistości nie występuje...
Jest on spowodowany niezsynchronizowaniem częstotliwości wyświetlania (12,5 klatki/s) z częstotliwości skanowania kamery (30 klatek/s).