Zeilentransformator
Der Zeilentransformator oder Horizontalausgangsübertrager (englisch: flyback transformer oder line output transformer) ist ein Bestandteil eines Fernsehers/Monitors mit Bildröhre. Er dient zur Speisung der Zeilenablenkspule des Ablenksystems und gleichzeitig meist auch zum Erzeugen der für den Betrieb der Bildröhre erforderlichen Hochspannung von 20 bis 30 kV und weiterer für den Betrieb des Gerätes notwendiger Spannungen.
Zeilentransformatoren arbeiten mit der Zeilenfrequenz, bei europäischen TV-Geräten mit 15,625 kHz. Zeilentransformatoren von 100-Hz-Fernsehern arbeiten mit der doppelten Frequenz, also mit 31,25 kHz. In Monitoren wird der Zeilentrafo mit verschiedenen Frequenzen betrieben, die von der Auflösung des vom Computer gesendeten Bildes abhängen. So beträgt beispielsweise die Zeilenfrequenz eines Monitors bei einer Auflösung von 1024×768 Pixeln und 85 Hz Vertikalfrequenz etwa 68,7 kHz. Mit diesen Frequenzen schaltet die Zeilenendstufe eine Schaltröhre oder heute einen Schalttransistor, welche der Ansteuerung des Zeilentrafos dienen.
Das Pfeifgeräusch mancher älterer Monitore und der meisten älteren, herkömmlichen Fernsehgeräte entsteht dadurch, dass hauptsächlich der Zeilentrafo, aber auch andere Bauteile wie Spulen und Kondensatoren durch die auftretenden magnetischen und elektrostatischen Kräfte mechanisch zum Schwingen angeregt werden. Das Pfeifen hat nach europäischer Fernsehnorm die Frequenz von 15,625 kHz, Fernsehgeräte mit 100-Hz-Technik und die meisten hochauflösenden Computermonitore pfeifen außerhalb des Hörbereichs.
Historische Ausführungen der 1950er bis 1970er Jahre
Ein Zeilentrafo bestand damals aus zwei separaten Spulen, die auf einem mit einem Luftspalt versehenen Ferritkern stecken. Die Primärspule (1) im linken Bild wird über eine Schaltröhre (3) mit einer rechteckförmigen Spannung versorgt; als Frequenzquelle dient der Zeilengenerator, der die Zeilenfrequenz synchron zum TV-Sendersignal erzeugt. Sie trägt Anzapfungen oder auch separate Wicklungen, die die Zeilenablenkspulen speisen. Die Zeilenablenkspulen erhalten aus dem Zeilentransformator einen Strom mit sägezahnförmigem Verlauf. Während der ansteigenden Rampe des Sägezahns (Zeilenhinlauf) leitet die Schaltröhre. Der steil abfallende Abschnitt wird durch ihr schnelles Sperren bewirkt, er bewirkt den Zeilenrücklauf. Hierbei fällt das Magnetfeld des Transformators und der Ablenkspulen zusammen, wodurch ein hoher Spannungsimpuls entsteht (Selbstinduktion, Lenzsche Regel). Dieser wird in der Sekundärspule (2) hochtransformiert und zur Erzeugung der Bildröhren-Anodenspannung genutzt.
Da Spulen durch ihre mechanische Ausführung immer auch eine gewisse Wicklungskapazität aufweisen, ist eine Spule immer auch ein Schwingkreis mit einer entsprechenden Resonanzfrequenz. Das zusammenbrechende Magnetfeld der beteiligten Spulen führt daher - abweichend von der Idealform eines schmalen hohen Rechteckimpulses - zu einem Überschwingen des Zeilen-Rücklaufes. Dies sowie der Einfluss der ohmschen Widerstandsanteile der Spulen können sich im Bild durch Verzerrungen bemerkbar machen. Dem wirken Schaltungsmaßnahmen entgegen, die für einen linearen Stromanstieg während des sichtbaren Zeilenvorlaufes sorgen.
Das Vernichten der beim Zeilenhinlauf gespeicherten magnetischen Energie in schwingungsdämpfenden Widerständen während der kurzen Rücklaufzeit wurde durch ein wirtschaftlicheres Verfahren abgelöst. Vereinfacht dargelegt wird an die Anode der Zeilenendröhre die Kathode einer Röhrendiode (Boosterdiode, links im Bild) angeschlossen, deren Anode wiederum über einen Kondensator mit dem anderen Ende der Primärwicklung (dem Fußpunkt des Zeilentransformators) verbunden ist.
Die beim Rücklauf entstehende Spannungsspitze liegt in passender Polarität an der Diode an. Diese leitet, lädt den erwähnten Kondensator aus der Energie des zusammenbrechenden Magnetfeldes auf und dämpft damit die sonst entstehenden Schwingungen effektiv. Durch einen schaltungstechnischen Kniff können die Betriebsspannung des Gerätes und die so erzeugte sogenannte Boosterspannung (von to boost, verstärken) in Reihe geschaltet werden, sodass sich eine Betriebsspannung in Höhe von 500..800 V ergibt, wodurch die Zeilenendstufe effektiver und linearer arbeitet. Daher wird diese Diode auch Boosterdiode genannt, seltener auch Spardiode, weil die Zeilenrücklaufenergie nicht in Wärme umgewandelt wird, sondern dem Gerät selbst zu Verfügung steht und damit effektiv die Leistungsaufnahme aus dem Stromnetz verringert.
Die Sekundärspule für die Hochspannungserzeugung ist wegen der Überschlagsgefahr in Kunstharz oder verfestigtes Bienenwachs eingegossen oder in sehr frühen Ausfertigungen als sehr flache Kreuzspule gewickelt und teilweise mit Kunststoff ummantelt. Von dort wird die Hochspannung über ein kurzes Kabel (5) zur Anode der Hochspannungsgleichrichterröhre (4) geleitet, die ebenfalls mit Kunststoffteilen gegen Überschläge isoliert ist. Von ihrer Kathode wird die Hochspannung über ein Kabel (6) zur Anode der Bildröhre geleitet.
Der Zeilentrafo stellte weiterhin mit einer einzigen Windung die Heizspannung von etwa 1,25 V für die Glühkathode der Hochspannungsgleichrichterröhre bereit. Die separate Heizung der Hochspannungsgleichrichterdiode (wie DY86 oder DY802) ist unumgänglich, um deren hochspannungsführende Kathode potentialgetrennt zu versorgen – die Heizwindung ist hierzu aus hochspannungsisolierter Litze gefertigt. Die Einstellung der Heizspannung erfolgte durch optischen Vergleich der Heizfadenhelligkeit mit einer zweiten, batteriegeheizten Röhre gegebenenfalls durch Einfügen eines Vorwiderstandes. In der Anfangszeit der Fernsehtechnik wurden an dieser Stelle Röhren mit 6,3 V Heizspannung (EY51, EY86, ...) verwendet, diese erforderten jedoch mehr Windungen auf dem Trafo und wurden im Lauf der Weiterentwicklung der Technik bald durch die D-Typen ersetzt.
Um die starken elektromagnetischen Felder abzuschirmen und auch zum Schutz gegen die Hochspannung steckte der Zeilentrafo damals mit den dazugehörigen Röhren in einem sogenannten Zeilenkäfig. Er bestand aus einem Metallgehäuse, welches mit zahlreichen Perforationen versehen war, um das Entweichen der von den Röhren abgegebene Wärme zu gewährleisten. Außerdem stellte er eine gewisse Abschirmung gegenüber der in einer gegebenenfalls vorhandenen Stabilisierungs-Ballasttriode (meist PD500 oder PD510) entstehenden Röntgenstrahlung dar.
Ausführung in den 1980er und 1990er Jahren
Die meisten Zeilentrafos enthalten Hochspannungsdioden, die in einem vergossenen Gehäuse die Wechselspannung des Trafos gleichrichten. In einer Hochspannungskaskade werden die Anodenspannung der Bildröhre sowie die Fokussierspannungen zur Versorgung der Fokussierelektroden (elektrostatische Fokussierung) im Strahlsystem der Bildröhre erzeugt. Auch die Stellwiderstände für die Feineinstellung der Fokus- und Schirmgitterspannung sind in heutigen Zeilentrafos integriert. Die Zeilentransformatoren werden mit Schalttransistoren (Leistungs-Bipolartransistoren) angesteuert.
Neuere Zeilentrafos, wie sie beispielsweise bei Trinitron-Bildröhren üblich sind, sind als sogenannte Dioden-Split-Transformatoren (DST) ausgeführt. Bei diesen ist die Hochspannungswicklung in mehrere Abschnitte unterteilt, die jeweils eine Gleichrichterschaltung versorgen. Die komplette Anordnung, wie in nebenstehender Schaltskizze dargestellt, ist komplett vergossen. Sie umfasst neben den Dioden noch Schaltungsteile für die Erzeugung und Justage der Fokussierspannungen und Regelanschlüsse. Die Dioden für die Gleichrichtung der Hochspannung sind zwischen mehrere Sekundärwindungen in Reihe geschaltet, wodurch die Hochspannungskaskade entfällt. Dadurch gelingt es, die hochfrequenten Wechselspannungen aufzuteilen, so dass nur gegen Gleichspannung in Höhe der Anodenspannung isoliert werden muss.
Damit verbunden ist eine geringere Isolierstoffbelastung und eine geringere Neigung zu Vorentladungen, die zu Isolierstoffschädigungen führen. Weiterhin führt bei dieser Schaltung ein Bildröhrenüberschlag (elektrische Entladung im Inneren der Bildröhre) zu keiner Überlastung der Gleichrichterdioden, wie dies bei den früher eingesetzten Hochspannungskaskaden der Fall war. Auch kann die Zahl der erforderlichen Hochspannungskondensatoren auf die Hälfte verringert werden.
Quellen
- Heinz Richter: Fernseh-Experimentier-Praxis. Franckh'sche Verlagshandlung W. Keller & Co., Stuttgart 1952.
- Heinz Richter: Fernsehen für alle. Franckh'sche Verlagshandlung W. Keller & Co., Stuttgart 1952.
- Otto Limann: Fernsehtechnik ohne Ballast. Franzis-Verlag, München 1969.
- Otto Limann: Funktechnik ohne Ballast. Franzis-Verlag, München 1963.
- J. Jager: Data and Circuits of Television Receiver Valves. In: Series of Books of Electronic Valves. IIIc, Philips Technical Library, Eindhoven, NL 1959 (übersetzt von J. Jager, Hartley Carter) (PDF, 16MB).