Mechanisches Fernsehsystem mit Nipkowscheibe

Die von Paul Nipkow erdachte Scheibe war ein zentrales Element in frühen Fernsehversuchen, sowohl im Sender wie auch im Empfänger. Eine Nipkowscheibe bestht aus einer Scheibe aus undurchsichtigem Material in das auf einer Spiralbahn kleine Löcher gebohrt sind.Bei einer Rotaion des Scheibe wandern diese Löcher nacheinander über eine Bildfläche welche dadurch zeilenförmig abgetastet wird. Jedes Lochbestimmt eine Zeile. Für ein Bild mit einem 30 zeiligem Raster müßen somit 30 Löcher in die Scheibe gebohrt werden. Beim Design einer Nipkovscheibe müssen verschiedene Parameter in Betracht gezogen werden.
Im Prinzip wünscht man sich eine hohe Auflösung, und damit eine große Zeilenzahl sowie eine Bildrate die nicht zu klein ist. Der ehemalige analoge Standard 312 Zeilen bei einer Bildrate von 50Hz (das Zeilensprungverfahren nicht berücksichtigt). Eine Nipkovscheibe müßte somit 625 Löcher und eine Drehzahl von 3000 rpm haben. Es gibt aber noch weiteres zu beachten. Die abgetastete Fläche ist natürlich kein Rechteck sondern ein Sektorfeld. Um ein annähernd rechteckiges Bild zu bekommen sollte die Bildbreite maximal ein Fünfzigstel des Scheibenradius betragen. Auch der Lochdurchmesser kann natürlich nicht beliebig klein werden, zum Einen aus mechanische Bearbeitungsgründen und zum anderen wegen der mit dem Lochdurchmesser schnelll abnehmenden Lichtstärke.

Wählen wir einen Lochdurchmesser von 0.5 mm haben wir ein Bildbreite von 0.5mm x 312 = 156 mm und einen Scheibendurchmesser von knap 160 Zentimetern. Bei 3000 rpm wäre die Umfangsgeschwindigkeit von 80m/s. Tatsächlich wurden solche Monsterscheiben gebaut die zur Verringerung der Luftreibung in einer Vakuumkammer rotierten. Für den Bastler nicht ganz einfach zu realisieren.

Die zu Beginn der Fernsehtechnik verwendeten Standards waren aber deutlich anspruchsloser und betrugen um die 30 Zeilen mit einer Bildfrequenz von 12,5 Hz. Einer dieser Standards wird auch heute noch von Funkamateuren in der NBTV-Betriebsart verwendet. Hier beträgt die Zeilenzahl 32 und die Bildfrequenz 12,5 Hz.

Format	Hochformat	2:3	32 x 48 Pixel
Bildfrequenz	12,5 Hz	Bilddauer	80 ms
Zeilenfrequenz	400 Hz	Zeilendauer	2,5 ms
Videofrequenz, Pixelrate		19200 Hz

Bei gleichem Lochdurchmesser (0,5 mm) genügt eine Scheibe von 16 cm Durchmesser. Allerdings sind auch hier die mechanischen Anforderungen ziemlich hoch weil sich kleinste Abweichungen der Lochpositionen im Bild stark bemerkbar machen. Zumächst wurde eine Scheibe in einem Grafikprogramm gezeichnet, dann ausgedruckt und der Ausdruck auf eine Aluscheibe geklebt, dann die Lochpositionen mit dem Körner markiert und anschließend gebohrt.
Das Ergebniss ist immerhin brauchbar für erste Versuche. Die Scheibe ist aus 1mm dickem Alublech und hat einen Durchmesser von 25cm. Der Durchmesser von 25cm wurde gewählt weil mal geplant war alte Schellackplatten als Rohmaterial zu verwenden, diese haben einen Durchmesser von 10 Zoll, 25,4 cm. Allerdings hat sich gezeigt dass diese Platten zu schwer und zu dick sind.
Neben den eigentlichen Abtastlöcher ist noch ein Lochkranz in die Scheibe gebohrt der zur Synchronisation dient. Diese Löcher markieren den Beginn einer neuen Zeile und werden mit einer Lichtschranke abgetastet.

Mit der oben beschrieben Methode waren aber keine gute Scheiben zu erhalten Deshalb wurde eine provisorische Bohrmaschine gebaut.
Die zu bohrende Scheibe wird mit einem Schrittmotor gedreht. Durch eine Untersetzung mit Zahnriemen beträgt der kleinste Winkelschritt im Halbschrittbetrieb 0,1 °.
Für die X- und Z-Achse wurde ein vorhandener Kreuztisch eingesetzt. In beiden Achsen beträgt die Auflösung bei Vollschrittbetrieb 1µm. Für die Z-Achse spielt die Auflösung natürlich keine Rolle. Da die X-Achse während des gesamten Bohrvorgangs nur in eine Richtung verfahren wird ist hier die Einstellgenauigkeit sicher in der Größenordnung der Auflösung.
Als Bohrmotor wird ein DC-Motor verwendet bei 15V Betriebsspannung mit etwa 10000 rpm dreht. Als Bohrfutter dient eine zu den Bohrern passende Spannzange. Die Bohrer sind Hartmetallbohrer (Dremel) mit einem Schaft von 3,15 mm.
Gesteuert wird das Ganze von einem Arduino Mega. Für den Betrieb der drei Schrittmotore werden L298-Treiber verwendet. Der Bohrmotor wird einfach über ein Relais ein- und ausgeschaltet.
Leider hat die Inbetriebnahme wegen einiger Programmierfehler einige der sehr empfindlichen Bohrer gekostet. Am erfolgreichsten ist ein halbautomatischer Betrieb, d.h. die Rotation und der radiale Versatz (X-Achse) werden automatisch ausgeführt, während der Bohrvorgang, die Bewegung der Z-Achse über Schalter von Hand gesteuert wird. So dauert das Bohren einer Scheibe etwa eine halbe Stunde. Die Synchronisationslöcher werden später von Hand aufgebohrt.

Das Normsignal ähnelt dem Signal der ehemaligen üblichen analogen TV-Norm. Ein Spannungswert von einem Volt entspricht einem weißen Pixel, die Schwarzschulter liegt bei 0,3V. Das Synchronsignal ist superschwarz, entsprechend null Volt.
Die Dauer der Zeilensynchronpulse beträgt ca. 150µs, die Zeilendauer 2,5 ms. Im Gegensatz zum normalen TV-Signal fehlt ein Bildsynchronimpuls, der Bildwechsel wird durch einen fehlenden Zeilenimpuls signalisiert. Das funktioniert weil Bild und Zeile automatisch durch die Anordnung der Löcher in der Nipkowscheibe zu einander in Bezug stehen.

	Für ein Empfangsgerät wird die Nipkowscheibe von hinten mit einer flächigen Lichtquelle beleuchtet deren Helligkeit mit dem Bildinhalt moduliert ist. In historischen Geräten wurde dafür Glimmlampen verwendet, heutzutage können LED-Arrays die Aufgabe einfacher und besser erledigen. Das Bild zeigt den Aufbau. Links der Motor für die Scheibe, rechts auf dem Aluprofil ein Platinchen mit dem Lichtschranke zur Abtastung der Synchronlöcher. Daneben das 5 Watt LED-Array mit einem Lichtschacht der mit einem Diffussor aus weißem Plexiglas abgedeckt ist. Vor rechts die Platine mit der Videoschaltung. In der Mitte der eigentliche Empfänger im UKW-Bereich. Wie bei dem Röhren-und LCD > NBTV-Empfänger< wird ein Bausatz von >Kemo< verwendet<
Die Videoschaltung istrelativ einfach. Eine Klemmschaltung am Eingang sorgt für ein festes Potential unabhängig vom Bildinhalt. So kann das Synchronsignal auf einfache Weise mit einem Komparator abgetrennt werden. Die abgetrennten Synchronpulse werden einer PLL zugeführt welche die Motordrehzahl mit Hilfe der Sychronlöcher auf der Scheibe regelt. Ein Videoverstärker moduliert die Lichtleistung des LED-Arrays mit dem Bildinhalt. Über die Verstärkung und eine Offsetspannung werden Helligkeit und Kontrast des Bildes eingestellt. Eine zusätzliche Schaltung sorgt dafür dass der Motor bei fehlenden Synchronpulsen der Motor mit einer voreingestellten Drehzahl läuft. So wird erreicht das bei einem Wechsel der Signalquelle schnell eine stabile Bildlage erreicht wird.
>Schaltung des Videoteils<

Das Testsignal wird vom >NBTV-Sender< geliefert. Entweder direkt über ein BNC-Kabel oder mittels der UKW-Verbindung.
Das Ergebniss ist garnicht mal so schlecht. Allerdings fällt auf dass der Synchronpuls der als gerade Linie erscheinen sollte stark verbogen ist.
Der Grund dafür ist noch nicht klar. Da der Fehler nicht wandert kann man mangelnde Synchronisation sicher ausschliesen. Als weitere Ursache käme eine Ungenauigkeit der Bohrungen in Frage. Der Fehler beträgt maximal etwa 0,7° , bei einem Durchmesser von 200mm entspräche das einer Abweichung von 1,3 mm. Das wäre schon ziemlich viel zumal die Scheibe schon mit oben beschriebenen automatischen Bohrmaschine gefertigt wurde.
Mit einer neu gebohrten Scheibe sollte man darüber Aufschlüsse bekommen.