7 1 Elektrizität in Natur und Technik - Schulbuchzentrum

1.1 Elektrizität in Natur und Technik / Electricity in nature and technics
1
7
Elektrizität in Natur und Technik
Natürliche elektrische Erscheinungen wie z. B. Blitze
(Abb. 2) üben auf Menschen immer noch eine faszinierende Wirkung aus. Blitze sind aber auch aufgrund ihrer
zerstörenden Wirkung bedrohlich. Wir sprechen dabei
von elektrischen Entladungen. Künstliche elektrische
Erscheinungen sind seit langem bekannt. Bereits die
Griechen des Altertums wussten, dass durch einen
mit einem Tuch geriebenen Bernstein leichte Stoffe,
wie z.B. Haare, Federn oder Fasern angezogen werden
können. Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts erstreckten sich diese Versuche mit der Reibungselektrizität allerdings nur auf schaustellerische Darstellungen
(Abb. 1).
2: Elektrische Erscheinungen
Glühlampe, aber erst im Jahre 1882 gelang die serienmäßige Herstellung. Damit war ein erster Schritt getan,
die Elektrizität für den Menschen nutzbar zu machen.
Die Erzeugung von Elektrizität durch Magnetismus war
eine weitere wichtige Entwicklung hin zur technischen
Nutzung natürlicher Phänomene. Den ersten Generator
erfand Werner von Siemens (deutscher Erfinder und
Ingenieur, 1816 –1892) im Jahre 1866. Damit wurde
es möglich, Elektrizität einfach und wirtschaftlich zu
erzeugen.
1: Reibungselektrizität für die „feine Gesellschaft“
Daneben kam es aber auch zu ernsthaften Untersuchungen elektrischer Phänomene, die der Mensch
zwar nicht direkt wahrnehmen, aber seine Auswirkungen erkennen konnte. Ende des 18. Jahrhunderts
entdeckte z. B. Alessandro Volta (italienischer Physiker, 1745 –1827), dass man elektrische Vorgänge
nicht nur durch Reibungselektrizität hervorrufen kann.
Es war die „Geburtsstunde“ der heute weit verbreiteten elektrochemischen Elektrizitätsquellen, ohne die
unsere mobilen Geräte wie Handy oder Laptop nicht
einsatzfähig wären. Ihm zu Ehren wird die Einheit der
elektrischen Spannung in Volt angegeben.
Zahlreiche Wissenschaftler haben bis heute die Kenntnisse über die Elektrizität weiter entwickelt, so dass
diese Energieform zu dem alles entscheidenden Faktor
unseres von Technik geprägten Lebens geworden ist.
In Elektrizitätswerken entstehen durch Umwandlungen
große Energiemengen, die über Hochspannungsleitungen verteilt werden (Abb. 3). Diese Energie wird
genutzt, um Kräfte, Licht und Wärme zu erzeugen.
Sie wird aber auch eingesetzt, um mit ihr über weite
Strecken zu kommunizieren und Informationen zu verarbeiten. Die Größenordnung der dabei eingesetzten
elektrischen Energie erstreckt sich beispielsweise über
einen Zahlenbereich von 106 Watt (Kraftwerk) bis 10–6
Watt (Mikrocomputer).
Die umfangreichen Versuche von Hans Christian
Oersted (dänischer Physiker 1777–1851) und Aloisio
Luigi Galvani (italienischer Arzt, 1737–1798) gingen
über schaustellerische Darbietungen weit hinaus und
führten unter Anderem zur Entwicklung erster technischer Spannungsquellen.
Die im 19. Jahrhundert betriebene Grundlagenforschung führte 1854 zur Erfindung der Glühlampe durch
Heinrich Goebel (deutscher Mechaniker und Optiker,
1818 –1893). Unabhängig davon erfand auch Thomas
Alva Edison 1879 (amerikan. Erfinder, 1847-1931) die
3: Elektrische Schaltanlage zur Energieversorgung
8
2.1 Grundgrößen / Basic quantities
2.1
Grundgrößen
In der Elektrotechnik werden physikalische Größen
[physical quantities] zur Beschreibung von Objekten,
Zuständen und Vorgängen verwendet. Beispiele hierfür
sind die Länge, Temperatur oder elektrische Spannung. Physikalische Größen sind über Messverfahren
eindeutig definiert und werden durch Formelzeichen in
kursiver (schräger) Schrift abgekürzt. Wenn man den
Wert einer Größe angeben will, muss man den Zahlenwert [numerical value] und die dazugehörige Einheit
[unit] nennen, in der diese Größe gemessen wird. Die
Zeichen für den Zahlenwert und die dazugehörige Einheit werden im gedruckten Text in senkrechter Schrift
gesetzt. Der Zusammenhang kann dann in Form einer
Größengleichung [quantity equation] ausgedrückt
werden.
Beispiel: Länge
Größenwert = Zahlenwert · Einheit
l
=
{l}
·
[l]
l
=
3
·
m
Länge
= Zahlenwert · Einheit
der Länge
der Länge
Das physikalisch-technische Größensystem basiert
auf wenigen voneinander unabhängigen Größen, den
Basisgrößen [basic quantities]. International sind aus
den verschiedenen Bereichen der Physik sieben Basisgrößen mit ihren entsprechenden Einheiten festgelegt
worden (Abb. 1). Sie sind die Grundlage für das SI-Einheitensystem (Système International d’Unités, Internationales Einheitensystem).
Für Deutschland ist das SI-Einheitensystem seit dem
2. Juli 1969 durch das „Gesetz über Einheiten im Messwesen“ verbindlich.
Größe und
Formelzeichen
Länge l
Masse m
Zeit t
Temperatur T
Elektrische Stromstärke I
Stoffmenge n
Lichtstärke Iv
Einheitenname und
Einheitenzeichen
Meter, 1 m
Kilogramm, 1 kg
Sekunde, 1 s
Kelvin, 1 K
Ampere, 1 A
Mol, 1 mol
Candela, 1 cd
Massennormal
10 g
20 g
Massestücke für
eine Waage
2: Massennormal (Skalar)
• Größen mit Richtungssinn (Vektor)
Zur eindeutigen Festlegung sind erforderlich (Abb. 3):
- Zahlenwert
- Einheit
- Richtung im Raum oder in der Ebene
- Richtungssinn (Drehsinn, wenn vorhanden)
Beispiele:
Kraft F, Geschwindigkeit v, elektrische Feldstärke E
y
Richtung
rag
Bet
F
α
x
Angriffspunkt
3: Kraft (Vektor)
Die in der Physik und Technik vorkommenden Zahlenwerte können groß, aber auch sehr klein sein. Aus
Gründen der Vereinfachung verwendet man Vorsätze
[prefixes] 1 (Abb. 4) mit entsprechenden Vorsatzzeichen [prefix symbols] 2, die einem bestimmten
Faktor [factor] entsprechen 3.
1
Pico
Nano
Mikro
Milli
Zenti
Dezi
2
p
n
µ
m
c
d
3
10-12
10-9
10-6
10-3
10-2
10-1
1
Deka
Hekto
Kilo
Mega
Giga
Tera
2
da
h
k
M
G
T
3
101
102
103
106
109
1012
4: Vorsätze, Vorsatzzeichen und Faktoren
1: Basisgrößen und Einheiten
n
Die physikalischen Größen lassen sich in zwei Gruppen
einteilen:
n
• Größen ohne Richtungssinn (Skalare)
Zur eindeutigen Festlegung sind erforderlich:
- Zahlenwert
- Einheit
Beispiele: Masse m (Abb. 2), Zeit t, Arbeit W
HAU
O
Größen der Elektrotechnik
S
2
n
n
Eine physikalische Größe besteht aus dem
Zahlenwert und der dazugehörigen Einheit.
Physikalische Größen werden durch Größengleichungen dargestellt.
Im Internationalen Einheitensystem sind als
Basis sieben Größen und Einheiten festgelegt.
Größen können gerichtet (Vektor) oder ungerichtet sein (Skalar).
9
2.2 Elektrischer Strom / Electric current
2.2
Elektrischer Strom
Energiequelle
Der Begriff „Strom“ wird in der Umgangssprache unterschiedlich benutzt. Wir sprechen z. B. von einem Fahrzeugstrom auf der Autobahn, von einem Menschen(Abb. 5) oder Flüssigkeitsstrom. Diesen Beispielen ist
gemeinsam, dass immer eine Bewegung von Körpern
bzw. Teilchen in eine bestimmte Richtung stattfindet.
Energiewandler
Energietransport
S
G
E
6: Elektrischer Stromkreis
Noch wurde nicht geklärt, was sich beim Energietransport im Leiter abspielt. Dieser Frage wollen wir jetzt
nachgehen. Da mit menschlichen Sinnen die Vorgänge
nicht wahrnehmbar sind, hat man in der Physik und
Technik Modelle [models] entwickelt, mit denen man
die Vorgänge anschaulich beschreiben kann. Eine vereinfachte Modellvorstellung ist in Abb. 7 zu sehen.
5: Menschenstrom
Der elektrische Strom [electric current] – verkürzt oft
nur als Strom bezeichnet – wird umgangssprachlich
verschiedenartig benutzt. Beispiele:
– Strom wird verbraucht.
– Strom muss gespart werden.
– Strom wird „verkauft oder gehandelt“ (Börse).
Diese verschiedenen Aussagen über den elektrischen
Strom sind aus technischer Sicht wenig präzise und
unscharf. Deshalb soll geklärt werden:
Als Energiequelle ist eine elektrochemische Quelle mit
zwei Polen vorhanden, die durch Minus- und Pluszeichen gekennzeichnet sind. Durch einen chemischen
Prozess im Innern der Quelle werden die ursprünglich
neutralen Substanzen auf atomarer Ebene getrennt. Es
entsteht am Minuspol ein Überschuss von kleinsten
und beweglichen Teilchen. Sie werden als Elektronen
[electrons] bezeichnet. Diese können sich im metallischen Leiter ausbreiten. Da der Stromkreis geschlossen ist, gelangen sie über die Lampe wieder zurück
zum Pluspol, an dem Elektronenmangel herrscht.
Vergrößerung
Bewegung
der Elektronen
Was versteht man in der Elektrotechnik unter dem
elektrischen Strom?
Wenn wir ein elektrisches Gerät oder eine Anlage einschalten, sagen wir häufig: „es fließt Strom“. Voraussetzung hierfür waren drei Bedingungen (Abb. 6):
– Eine Quelle elektrischer Energie ist vorhanden
(Batterie, Netzanschluss).
– Ein Gerät oder eine Anlage (häufig als „Verbraucher“
bezeichnet) ist über eine Leitung und einen Schalter
mit der Quelle verbunden.
– Der Schalter ist geschlossen.
Es handelt sich hierbei um eine elektrotechnische
Schaltung, bei der eine Lampe eingeschaltet wird
(Schaltplan [circuit diagram], Abb. 6). Technisch betrachtet wird hierbei die in der Energiequelle vorhandene elektrische Energie benutzt, um in der Lampe
Licht und Wärme zu erzeugen. Es findet dabei eine
Energieumwandlung statt, wobei der Transport der
Energie über die Leitungen erfolgt. Wir bezeichnen
diese Schaltung als Stromkreis [electric circuit].
Für die Darstellung in Schaltplänen werden Schaltzeichen [graphical symbols] verwendet. Sie sind genormt
(DIN EN 60617) und geben nicht das Aussehen der
Gegenstände wieder, sondern verdeutlichen nur die
Funktion. Eine zusätzliche Kennzeichnung kann durch
Buchstaben erfolgen (DIN EN 61346).
S
–
Elektronenstrom
+
E
7: Stromfluss als Elektronenbewegung
n
n
n
Ein elektrischer Stromkreis besteht aus einer
elektrischen Energiequelle, Verbindungsleitungen und einem Objekt, Gerät oder einer
Anlage, in der die Umwandlung der elektrischen Energie stattfindet.
Für die Darstellung in Schaltplänen werden
Schaltzeichen verwendet, die durch Kennbuchstaben ergänzt werden können.
Ein elektrischer Strom, der aus einer elektrochemischen Energiequelle durch einen metallischen Leiter fließt, ist modellhaft eine Bewegung von Elektronen vom Minuspol zum Pluspol
der Quelle.
10
2.3
2.3 Elektrische Ladung / Electric charge
Elektrische Ladung
Anziehung
Es soll nun als Nächstes geklärt werden, wo die Elektronen herkommen. Eine Erklärung liefert das Bohrsche
Atommodell [atomic model] (Niels Bohr, dänischer
Physiker 1885 -1962). Danach bestehen Atome aus
einem Kern und einer Hülle (Abb. 1). Im Kern sind Protonen [protons] und Neutronen [neutrons] vorhanden.
Um den Kern bewegen sich die Elektronen in Schalen
auf unterschiedlichen Bahnen. Man hat festgestellt,
dass Protonen und Elektronen unterschiedliche elektrische Eigenschaften besitzen. Protonen sind positiv
und Elektronen sind negativ geladen. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Stoffe hängen allein von der
Anzahl der positiven und negativen Teilchen ab. So
besitzt z. B. das Gas Sauerstoff 8 Protonen und 8 Elektronen, das Metall Kupfer dagegen 29 Protonen und 29
Elektronen.
F
Elektron
1: Bohrsches Atommodell
Wenn ein Atom gleich viele positive und negative Teilchen besitzt, wirkt es nach außen hin neutral. Es handelt sich um den Normalzustand der Materie. Durch
mechanische Einwirkungen (z. B. Reibung) lässt sich
dieses Gleichgewicht jedoch stören. Wenn man wie in
Abb. 2 einen Kunststoffstab 1 mit einem Wolltuch 2
reibt, wandern vom Tuch die beweglichen Elektronen
zum Kunststoffstab (Reibungselektrizität). Dies ist
kein beständiger Zustand. Nähern sich beide wieder,
kommt es zu einer Anziehung und bei Berührung zu
einem Ausgleich.
Diese Anziehungskräfte wirken auch im Atom zwischen den negativen Elektronen und den positiven
Protonen. Auf diese Weise werden die Elektronen auf
ihren Bahnen gehalten. Eine Abstoßung ist dagegen
bei gleichartigen Ladungen feststellbar (Kraftpfeile und
Formelzeichen F in Abb. 3)
Kunststoffstab
Elektronenüberschuss
–
–
–
–
–
–
F
+
+
1
Elektronenmangel
Wolltuch
+
+
+
+
+
+
+
+
+
2
2: Ladungstrennung durch Reibungselektrizität
Abstoßung
F
–
–
F
Die Ladung [charge] ist eine elektrische Eigenschaft
der atomaren Bausteine. Man kennzeichnet sie durch
die Größe Coulomb (Charles Augustin de Coulomb,
franz. Physiker, 1736 –1806). Man hat festgestellt,
dass die Ladung eines Elektrons bzw. Protons sehr
klein ist. Sie beträgt e = 1,6 · 10 -19 C.
Formelzeichen
Q
Einheit
C (Coulomb)
Die Eigenschaft, dass positive und negative Ladungen
sich anziehen und damit ausgleichen wollen, nutzt man
bei elektrischen Elektrizitätsquellen aus. Dort werden
auf chemischem Wege oder durch magnetische Einwirkungen Ladungen voneinander getrennt (Abb. 4).
Ermöglicht man jetzt durch einen elektrischen Stromkreis wieder einen Ausgleich, dann fließt ein elektrischer Strom vom Elektronenüberschuss [excess
of electrons] zum Elektronenmangel [shortage of
electrons].
– – – – –
Ladungstrennung
+ + + + +
Elektronenüberschuss
–
Ladungsausgleich
+
Glühlampe
Elektronenmangel
4: Ladungsausgleich
n
n
n
Elektronenübergang
F
3: Anziehung und Abstoßung
–
–
F
F: Kraft
Ladung
Kern
– +
n
n
n
Bei einem positiv geladenen Körper sind mehr
positive als negative Ladungen vorhanden
(Elektronenmangel).
Bei einem negativ geladenen Körper sind mehr
negative als positive Ladungen vorhanden
(Elektronenüberschuss).
Ein neutraler Körper hat gleich viele positive
und negative Ladungen.
Ungleichartige Ladungen ziehen sich an. Gleichartige Ladungen stoßen sich ab.
Ungleichartige Ladungen sind bestrebt, sich auszugleichen.
Beim elektrischen Stromfluss kommt es zu
einem Ladungsausgleich.
139
10.5 Peripheriegeräte / Peripheral devices
10.5
Peripheriegeräte
10.5.1 Eingabegeräte
Daten können in verschiedenster Form vorliegen und
benötigen deshalb entsprechend unterschiedliche Eingabegeräte (Abb. 4). Einzelne Befehle sowie einfache
Daten (z. B. Buchstaben, Symbole) lassen sich z. B. mit
der Tastatur und der Maus eingeben. Umfangreichere
und gespeichert vorliegende Daten dagegen (Texte,
Bilder), sind oft in magnetischer oder optischer Form
auf Scheiben oder Platten gespeichert und benötigen
für die Eingabe entsprechende Lesegeräte. Aber auch
akustische und optische Signale können direkt eingegeben und nach der Digitalisierung gespeichert und
weiterverarbeitet werden.
Tastatur
Die Tastatur [keyboard] ist eine Anordnung von Tasten,
die weitgehend von der Schreibmaschine übernommen
wurde. Die Anordnung der Tasten ist länderspezifisch:
Q W E R T Z
Q W E R T Y
deutschsprachig
andere Länder
Der Anschluss der Tastatur erfolgt über Kabel (PS/2;
DIN; USB) oder kabellos (Infrarot/Funk).
Funktionstasten
numerischer Tastenblock
alphanumerischer Block
Steuertasten-Block
Eingabegeräte für
Befehle und Zeichen
– Tastatur
– Maus
– Trackball
– Touchpad
– Touchscreen
– Joystick
– Lichtgriffel
– Grafiktablett
gespeicherte Daten
– magnetisch
– Chipspeicher
– Magnetkarte
– optisch
– CD, DVD, BD
akustische Signale
– Mikrofon
– Midi-Keyboard
optische Signale
– Grafiktablett
– Scanner
– Barcodescanner
5: Aufteilung des Tastaturfeldes in Blöcke
Beim Betätigen einer Taste [key] wird der Tastenkopf
auf die darunter befindliche Isolierfolie gedrückt (Abb.
6). Durch eine Metallfläche an der Unterseite des Tastenkopfes wird die der Taste zugeordnete Kapazität
verändert. Es entsteht ein Signal. Damit die CPU nicht
permanent mit der Beobachtung des Tastaturstatus
beschäftigt ist, wird mit einem Unterbrechungssignal
[Interrupt] gearbeitet. Jedes Betätigen der Tastatur
sendet neben dem Tastaturcode diesen Interrupt. Ein
gerade abzuarbeitendes Programm wird unterbrochen,
der tatsächliche Status der Tastatur wird abgefragt und
ausgewertet und danach das laufende Programm fortgesetzt. Für die Tastaturansteuerung und Auswertung
ist ein eigener Mikroprozessor zuständig.
Die Unterscheidung der Tasten erfolgt über die Ansteuerung der Kreuzungspunkte eines Leitungsgitternetzes
(Matrix) aus Zeilen und Spalten, die durch Dioden
miteinander verbunden sind. Die Auslösung erzeugt
jeweils eine eindeutige Signalfolge.
LeiterbahnFlächen
Tastenkopf
leitfähige Fläche (Metall)
Isolierfolie
Isolierplatte
(gedr. Schaltung)
6: Signalerzeugung durch Tasten
AUFGABE
1. Geben Sie an, welche Eingabegeräte in Abb. 4
dargestellt sind.
Videosignale
– Videorecorder
– Webcam
n
n
4: Eingabegeräte
Die Tastatur dient der Eingabe von alphanummerischen Zeichen und Steuerbefehlen.
Bei Standardtastaturen erfolgt die Auslösung
der Signale kapazitiv.
140
10.5 Peripheriegeräte / Peripheral devices
Maus
Touchpad
Die Maus [mouse] dient der schnellen Bewegung des
Bildschirmzeigers [cursor] und verfügt über zusätzliche
Tasten und ggf. ein Scrollrad. Sie wird über eine serielle Schnittstelle angeschlossen (COM; PS/2; USB).
Die Maus wird analog zur gewünschten Steuerung des
Cursors auf einer Arbeitsfläche bewegt. Diese zweidimensionalen Bewegungen werden dann digital umgesetzt. Die Umsetzung erfolgt bei der optomechanischen Maus über eine Kugel, die zwei um 90°
gegeneinander versetzte Walzen antreibt. Die eine
Walze ist für die x-Richtung, die andere für die y-Richtung zuständig. Die Walzenbewegungen werden über
Segmentscheiben (Lochscheiben) durch eine Lichtschranke registriert und einem Controller zugeführt.
Dieser Chip ist auch für die serielle Übertragung der
Daten an den Computer zuständig.
Eine optische Maus (Abb.1) ist ein Zeigegerät, das
Bewegung optisch erfasst. In ihr ist ein Sensorchip eingebaut, der ständig Bilder mit einer Bildwiederholrate
von mehr als 1500 Bildern pro Sekunde aufnimmt. Die
Mausunterlage wird von einer Leuchtdiode beleuchtet. Das von der Unterlage reflektierte Licht wird mit
einer Linse gebündelt und gelangt in den Sensorchip.
Das aufgenommene Bild wird dann in Bewegungsdaten
umgerechnet, die den Mauszeiger auf der Bedienoberfläche bewegen lassen.
Da Notebooks sehr häufig unter Bedingungen verwendet werden, bei denen eine ebene Arbeitsfläche nicht
zur Verfügung steht, besitzen sie implementierte Geräte zur schnellen Steuerung des Cursors. Gegenüber
dem Trackball und Gummistick hat sich das Touchpad
[touchpad] etabliert (Abb. 2). Es besteht aus einer berührungsempfindlichen, rechteckigen Fläche, auf der
mit dem Finger die Bewegung des Cursors vollzogen
wird.
Touchscreen
Bei diesem Eingabegerät [input device] (Abb. 3) besitzt
das Sichtgerät (z.B. der Monitor) eine berührungsempfindliche Oberfläche. Über das Matrixfeld dieser Oberfläche werden die zugeordneten Funktionen durch
Berühren aktiviert. Ein Touchscreen [touchscreen] eignet sich nur bei klar zugewiesener Ausgabedarstellung
und erfordert eine programmtechnische Zuordnung
zwischen Matrixfeld und Ausgabefeld (z.B. Fahrkartenautomat, Gebäudeführer).
2: Touchpad
3: Touchscreen
Grafiktablett
Leuchtdiode Sensorchip
1: Optische Maus
Scrollrad
linke und rechte Taste
Eine Lasermaus arbeitet auch mit Licht, löst aber die
Strukturen der Mausunterlage genauer auf. Deshalb
kann die Lasermaus noch bei Oberflächen verwendet
werden, die für die LED-Mäuse ungeeignet sind, wie
z.B. glänzende Oberflächen.
Die Bluetrack-Technologie beleuchtet den Untergrund mit blauem Licht und hat einen hochauflösenden Sensor. Mäuse mit dieser Technik können auch
auf Teppich oder Holz benutzt werden.
AUFGABE
1. Eine mechanische Maus weist nach längerem
Gebrauch die Eigenart auf, dass der Bildschirmcursor „hakt und ruckelt“.
a) Wie lässt sich das Verhalten erklären?
b) Wie lässt sich das Verhalten beseitigen?
Das Grafiktablett [graphics tablet] besitzt ebenfalls
berührungsempfindliche Flächen, die allerdings nicht
direkt mit dem Finger, sondern mit einem besonderen
Stift berührt werden müssen (Abb. 4). Die Flächen
eignen sich auch zur Positionierung des Bildschirmcursors, haben aber ihre besondere Bedeutung in der
Übernahme der Stiftbewegung als Handzeichnung in
einer entsprechenden Grafiksoftware. In der Regel
wird die Änderung eines elektromagnetischen Feldes
ermittelt, die durch das „Zeichnen“ bei der Bewegung
des stromführenden Stiftes entsteht. Dieses Signal
wird an den Computer über eine serielle Schnittstelle
übertragen.
4: Grafiktablett
n
Mit der Maus werden zweidimensionale Bewegungen der Hand in zweidimensionale Positionen auf dem Bildschirm übertragen.
141
10.5 Peripheriegeräte / Peripheral devices
Scanner
Scanner [scanner] wandeln eine Text- oder Bildvorlage zeilenweise in eine Pixel-Grafik um. Die für jedes
Pixel (Bildpunkt) vorliegenden digitalen Daten können
gespeichert und bearbeitet werden. Grundsätzlich lassen sich Scanner in drei Gruppen einteilen (Abb. 5).
Flachbettscanner [flatbed scanner] sind am häufigsten anzutreffen. Daneben gibt es Scanner für spezielle Aufgaben, z. B. Folien- und Diascanner. Für den
professionellen Bereich werden die sehr zuverlässigen
und qualitativ hochwertigen Trommelscanner [drum
scanner] eingesetzt. Die Vorlage wird innerhalb einer
rotierenden Trommel von einer Lichtquelle abgetastet.
Anstelle von Halbleitersensoren werden Fotomultiplier
(Sekundärelektronenvervielfacher) eingesetzt.
Handscanner
Einzugscanner
Flachbettscanner
Die Vorlage
wird manuell
abgefahren. Es
entstehen Streifen von einigen
cm Breite
Die Vorlage
wird an den
fest platzierten
Sensoren
bewegt.
Die Sensoren
werden an der
Vorlage entlang
geführt.
Problem:
Passgenaues
Zusammenfügen der Streifen (Software).
Problem:
Vorlagen dürfen
eine bestimmte
Dicke nicht
überschreiten.
Problem:
Die Qualität
hängt u. a. von
der genauen
Führung der
Sensoren ab.
5: Scanner und Scanverfahren
In Abb. 6 ist vereinfacht die zeilenweise Abtastung bei
einem Flachbettscanner dargestellt. Die Vorlage wird
von einer Lichtquelle 1 in voller Breite beleuchtet. Das
reflektierte Licht wird über einen Spiegel und eine Verkleinerungsoptik 2 auf zeilenmäßig angeordnete und
lichtempfindliche Halbleiterelemente 3 (CCD [Charge
Coupled Devices] gelenkt. Die Qualität des Scannners
hängt im Wesentlichen von diesen CCD-Elementen
ab. Sie wandeln die Helligkeitsinformation in unterschiedlich große elektrische Ladungen um. Mit einer
elektronischen Schaltung werden anschließend diese
Informationen gelesen und mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers ein Datenstrom erzeugt.
Ein Pixel ist die kleinste Einheit der Bildinformation.
Es besitzt vier grundlegende Eigenschaften: Größe
(Ausdehnung), Position, Farbe und Helligkeit (Intensität). CCD-Elemente können lediglich die Beleuchtungsstärke in Ladungsunterschiede umwandeln. Deshalb
ist eine Aufspaltung des Lichts in Rot-, Grün- und Blauanteile erforderlich. Zwei Verfahren sind üblich:
– Filter vor den Sensoren sorgen dafür, das nur Licht
mit einer bestimmten Farbe auftrifft.
– Die Vorlage wird nicht mit weißem, sondern mit farbigem Licht beleuchtet.
Vorlage
1
Spiegel
Lichtquelle
Spiegel
RGB-beschichteter CCD-Chip
2 Linse
zum AD-Umsetzer und
zur Ausgabeverarbeitung
3
lichtempfindliche CCD-Elemente
6: Abtastvorgang beim Flachbettscanner
Wenn eine farbige Vorlage nach dem ersten Verfahren
gescannt werden soll, wären drei Durchläufe erforderlich. Verwendet man allerdings drei Reihen von Zeilensensoren und Farbfilter, kommt man mit einem Durchlauf aus.
Die optische Auflösung der Vorlage in einzelne Pixel
hängt von der Anzahl der CCD-Elemente ab. Als Einheiten werden ppi und dpi verwendet:
• ppi: pixel per inch (Pixel pro Zoll)
• dpi: dots per inch (Punkte pro Zoll)
Eine Abtastrate von 600 ppi bedeutet dann z. B., dass
für eine horizontale Längenausdehnung von 1 Zoll
(2,54 cm) 600 Pixel erfasst werden. Jedes Pixel besitzt
somit eine Breite von 0,04 mm (2,54 cm/600).
Zur Kennzeichnung der optischen Auflösung wird
anstelle von ppi oft die Einheit dpi synonym verwendet. Dies ist eigentlich nicht korrekt, da mit dpi die
Ausgabeauflösung (z. B. beim Drucker) gekennzeichnet
wird.
AUFGABE
1. Warum ist es nicht sinnvoll, einen Scanner über
eine COM-Schnittstelle anzuschließen?
n
Scanner wandeln visuell vorliegende Informationen pixelweise in digitale Informationen um.
142
10.5 Peripheriegeräte / Peripheral devices
Zur Kennzeichnung von Scannern wird oft auch die
interpolierte Auflösung angegeben. Dieser Wert ist
erheblich höher als der Wert der optischen Auflösung.
Mit Hilfe von Software werden zwischen den physikalisch erfassten Pixeln weitere Pixel berechnet. Dabei
wird davon ausgegangen, dass die Übergänge zwischen
den Pixeln linear verlaufen. Wenn jedoch, wie in Abb. 1
dargestellt, die Übergänge sprungartig verlaufen, ist
das Ergebnis ein unscharfer Übergang.
Vorlage
Gescannte Pixel
Chipbasierte und mobile Speicher
Für die Dateneingabe, Datenspeicherung und den
Datentransport werden neben den aufgeführten
rotierenden Medien zunehmend Speicher mit kleinen
Abmessungen eingesetzt, bei denen keine mechanisch
beweglichen Teile vorhanden sind. Sie werden z. B. in
Digitalkameras und in MP3-Playern eingesetzt. In Abb.
3 sind einige dieser mobilen Speichermedien aufgeführt. Dabei werden unterschieden:
– Speicherkarten mit integriertem Controller (z. B.
CompactFlash CF, MultiMediaCard MMC, Security
Digital Card SD)
– Speicherkarten ohne Controller (SmartMedia SM)
Die Speicherung wird als Flash-Speicherung (flash:
Blitz) [flash storage] bezeichnet. Beim Programmieren
werden die Daten (Bits) in Form von Ladungen (Elektronen) auf ein „schwebendes“ Gate [floating Gate] eines
Feldeffekttransistors (s. Kap. 9.3.2.2) transportiert.
Interpolierte Pixel (falsch)
1: Fehler durch interpolierte Pixel
Jedes Pixel kann in unterschiedlichen Farbabstufungen vorkommen. Dies wird als Farbtiefe [colour depth]
bezeichnet und die Zahl verdeutlicht, wie viele unterschiedliche Farbabstufungen möglich sind.
Beispiele:
• Schwarz-Weiß
Codierung mit 1 Bit ⇒ 21 = 2 Stufen
• Graustufen
Codierung mit 8 Bit ⇒ 28 = 256 Stufen
Diese Halbleiterspeicherung unterscheidet sich wie
folgt von der traditionellen magnetischen Speicherung:
– Die Bytes können einzeln gelesen und adressiert
werden.
– Das Schreiben und Löschen kann nur blockweise
erfolgen.
– Ein Überschreiben der Daten ist nicht möglich.
Der Block muss gelöscht und anschließend neu
geschrieben werden, Zugriffszeit ca. 100 ns.
Für die Primärfarben RGB (Rot, Grün, Blau) ergeben
sich die in Abb. 2 aufgeführten möglichen Abstufungen
sowie die theoretisch darstellbaren Farben.
Beispiel:
• Farbe
Wenn ein Scanner über eine Farbtiefe von 24 Bit verfügt, wird jede Farbe mit 8 Bit codiert. Daraus ergeben
sich pro Primärfarbe 256 mögliche Abstufungen und
insgesamt etwa 17 Millionen darstellbare Farben (256
x 256 x 256).
Scanner werden als zusätzliche Hardware vom
Betriebssystem erkannt und unter Windows im GeräteManager aufgeführt. Sie können je nach Ausführung
am PC über Schnittstellen (USB, FireWire) oder über
separate Steckplätze angeschlossen werden.
Farbtiefe
in Bit
Bit pro
Primärfarbe
Abstufungen
pro
Primärfarbe
Anzahl
der
Farben
24
30
36
8
10
12
28 = 256
210 = 1024
212 = 4096
16 777 216
1 073 741 824
68 719 476 736
3: Mobile Speicher
AUFGABE
1. Ermitteln Sie die Bezeichnungen für die in
Abb. 3 dargestellten Speichertypen und deren
Abmessungen.
2: Farbtiefe und Anzahl der Farben
n
n
Mit der Farbtiefe wird beim Scanner angegeben,
wie viele Farbabstufungen möglich sind.
Chipbasierte mobile Speicher sind nichtflüchtige
Speicher, die vorwiegend in Kleingeräten eingesetzt werden.
143
10.5 Peripheriegeräte / Peripheral devices
10.5.2 Ausgabegeräte
Die im PC bearbeiteten Daten können je nach Art mit
verschiedenen Ausgabegeräten [output devices] wiedergegeben werden. Die Übersicht in Abb. 4 zeigt Gruppen von Datenausgabegeräten für den PC.
Wehneltzylinder
FokussierKatode
Horizontaleinheit
ablenkung
Heizdraht
Anode
Ausgabe für/als
Vertikalablenkung
Elektr
onens
Bilder und Grafiken
Leuchtschirm
5: Arbeitsweise der Bildröhre
– magnetisch
– Chipspeicher
– Magnetkarte
– optisch
– CD, DVD, BD
akustische Signale
– Lautsprecher
– Kopfhörer
Druckausgabe
– Plotter
– Drucker
– Nadeldrucker
– Laserdrucker
– Tintenstrahldrucker
4: Ausgabegeräte
Die Ausgabe von Bildern und Grafiken erfolgt beim PC
mit der Grafikkarte auf dem Bildschirm [screen] eines
Monitors. Unterschieden werden dabei Röhrenmonitore (CTR [Cathode Ray Tube]) und Flachbildschirme
(LCD [Liquid Crystal Display].
Röhrenmonitor
Flachbildschirm, LCD-Monitor
Ein LCD-Monitor benötigt im Gegensatz zum Röhrenmotor zur Anzeige Fremdlicht. Je nach Aufbau und Funktionsprinzip handelt es sich dabei um Umgebungslicht
(Reflexionsverfahren), eine Hintergrundbeleuchtung
(Durchlichtverfahren) oder um eine Kombination aus
beiden Verfahren (Durchlicht-Reflexionsverfahren).
Jedes Pixel auf dem Bildschirm wird durch eine Zelle
gebildet, in der sich ein Flüssigkristall [Liquid-Crystal]
befindet. Je nach äußerer Einwirkung kann der Kristall
wie ein fester Körper oder wie eine Flüssigkeit wirken.
Die LCD-Zellen befinden sich zwischen zwei Glasplatten mit rillenförmigen Oberflächen (Abb. 6), die
senkrecht zueinander angeordnet sind. Zwischen der
Eingangs- 1 und Ausgangsplatte 2 richten sich die
Molekülstäbchen an der Oberfläche entsprechend
der Rillenrichtung aus. Im Flüssigkristall zwischen den
Glasplatten passen sie sich dann an und verdrehen
sich schraubenförmig.
Vor der Eingangs-Glasplatte ist ein optischer Polarisator angebracht (Polarisationsfilter, Abb. 6 3). Seine
Polarisationsrichtung ist so gewählt, dass er das Licht
nur in der Rillenrichtung der Eingangsglasplatte durchlässt. Am Ausgang ist ein zweiter Polarisator 4 angebracht mit einer Polarisationsrichtung, die um 90°
Beim Röhrenmonitor [tube monitor] erfolgt die Bildwiedergabe mit Hilfe einer Elektronenstrahlröhre (Abb. 5).
Aus einer geheizten Katode treten Elektronen aus.Diese
werden durch verschiedene Elektroden fokussiert und
durch die Magnetfelder stromdurchflossener Spulen
horizontal und vertikal abgelenkt. Die Elektronen treffen im Inneren der Röhre auf die Leuchtschichten Rot,
Blau und Grün. Aus der Bewegungsenergie der Elektronen entsteht somit sichtbares Licht.
n
Beim Röhrenmonitor treffen im Innern die Elektronen auf eine Leuchtschicht. Dadurch entsteht
rotes, blaues und grünes Licht.
trahl
Vertikalrücklauf
– Röhrenmonitor
– LCD-Monitor
– Plasma-Display
gespeicherte Daten
Horizontal- Rasterrücklauf
zeile
nicht polarisiertes Licht
transparente,
leitende
Schicht
optischer
Polarisator
Spannung
3
polarisiertes
Licht
1
Glas
2
4
a)
6: LCD-Zelle
optischer
Polarisator
b)