Hogeschool Gent : Departement Muziek & Drama

2120:

In zekere zin zou men natuurlijk kunnen stellen dat de mechanische output devices, aangezien ze visueel worden waargenomen, ook een optische output opleveren. Dit echter alleen in die zin, dat we hun toestandsverandering kunnen zien. In de kontekst van dit hoofdstukje echter, zullen we ons grosso modo beperken tot een bondige bespreking van alleen die toestellen met optische output die ofwel zelf rechtstreeks licht of lichtverschijnselen voortbrengen, ofwel die de manier waarop licht erdoor gereflekteerd wordt, veranderen. Het gaat hier dan ook om de tegenhangers van de foto-elektronische toestellen die we als input-transducers eerder leerden kennen. 

Er zijn bij de lichtvoortbrengende toestellen grosso modo twee kategorien te onderscheiden :

• 1. toestellen waarmee elektrische energie kan worden omgezet in optische energie, licht dus.
• 2. toestellen waarmee elektrische signalen op het optische medium kunnen worden overgebracht.

In het eerste geval gaat het dus om energetische konversie, in het tweede om informationele konversie. Het spreekt vanzelf dat het tweede niet zonder het eerste kan.

- gloeilampen

Eigenschappen: bruikbaar als omzetters van elektrische energie in licht, hoewel slechts voor 10 tot 20% efficient. Kunnen nauwelijks voor informatieoverdracht worden gebruikt, omdat de gloeidraad teveel tijd nodig heeft om van toestand te veranderen. De traagheid van gloeilampen hangt samen met de massa van hun gloeidraad : hoe meer massa deze heeft, hoe meer licht we kunnen verkrijgen maar ook, hoe trager het systeem reageert. Alle elektrische energie die aan een gloeilamp wordt toegevoerd en die niet als een lichtstroom wordt afgegeven, wordt omgezet in warmte-straling. Een intrinsieke eigenschap van alle licht dat wordt verkregen op thermische grondslag (door verhitting van een materiaal dus) is dat het uitgestraalde lichtspektrum een kontinu karakter heeft. De hoogste uitgestraalde lichtfrekwenties hangen af van de absolute temperatuur van de gloeidraad.

- LED's

Eigenschappen: LED'S zijn eigenlijk halfgeleider diodes gemaakt met gallium- arsenide. Zij zenden monokromatisch licht uit ( rood, groen, geel, blauw, infrarood). Zij zijn zeer goed bruikbaar voor informatieoverdracht en worden vaak ingezet voor galvanische ontkoppelingen ( optocouplers zoals gebruikt in Midi-apparatuur) en glasvezelsystemen. In informatieoverdracht-systemen kunnen zij op twee manieren worden gebruikt :

- als puls-bit systeem ( digitale transmissie)

LED’s gebruikt als diodes hebben een spanningsval die varieert naargelang de kleur van de Led. Dit is afhankelijk van de materialen waarmee de LED is gemaakt. Gewone silicium diodes hebben een spanningsval van 0.6 tot 1V. Germanium types hebben 0.3 tpt 0.5V. Bij LED’s varieert het van 1.4 tot 2.4V. De maximale stroom door een LED varieert van 5 tot 20mA naargelang het type en het formaat. De lichtopbrengst is een funktie van de stroom door de diode. LED’s moeten steeds met een stroombegrenzing (een weerstand volstaat meestal) worden toegepast. In tegenstelling tot lampjes reageren LED’s bijzonder snel op wisselende stroom. Ze kunnen om die redenen gebruikt worden voor informatieoverdracht.

- LASERS

Ook lasers geven zuiver monokromatisch licht af, maar doen dit bovendien ook nog in fase ! Hierop berust hun mogelijkheid tot extreme energiebundeling. Lasers kunnen zowel als energieomzetters dan als informatieoverdragers worden gebruikt. In de laatste toepassing gebruikt men hetzij amplitudemodulatie van het licht ( voor analoge signaaloverdracht), hetzij een of andere vorm van pulsmodulatie (PCM of PWM), voor digitale informatieoverdracht. Digitale optische transmissie gebeurt steeds serieel, net zoals bij LED's. Ook amplitude modulatie van het licht is mogelijk , hoewel daarvoor PWM-modulatie eigenlijke beter geschikt is.

LASERS kunnen in de handel in twee types worden verkregen:

• Gasontladingslasers (Helium-Neon voor rood bvb.)
• Halfgeleider-lasers (diodes, verwant met LED’s)

Voor kleine vermogens worden tegenwoordig bijna nog uitsluitend halfgeleidertypes gebruikt. Hun prijs is -mede door de ruime toepassing die ze hebben gevonden in toestellen zoals CD’schrijvers en spelers- erg gezakt. Halfgeleider-exemplaren voor rood zichtbaar licht kosten (1997) zo’n 1000fr. Infraroodexemplaren zijn heel wat goedkoper.

- gasontladingslampen

De werking hiervoor berust op ionisatie van het ingesloten gasmengsel en daarmee gepaard gaande energiesprongen, waarbij fotonen worden uitgezonden. Het opgewekte licht heeft een diskontinu karakter dat volledig bepaald wordt door de eigenschappen van het ingesloten gas of gasmengsel. Om toch een min of meer witachtig licht te verkrijgen , neemt men zijn toevlucht tot het bespuiten van de binnenwand van de gasontladingsbuis met welbepaalde fluorescerende stoffen.

Gasontladingslampen reageren in tegenstelling tot gloeilicht uiterst snel op de toegevoerde spanningsveranderingen, maar hun spanning/lichtintensiteit karakteristiek verloopt diskontinu : er is een minimale ontsteekspanning, waaronder de lamp helemaal niks doet en een minimale houdspanning , nml. die spanning die eens de lamp is ontstoken dient te worden toegevoerd opdat ze nog net zou blijven branden. Op dit principe berustten trouwens vele vandaag wat verouderde schakelingen voor het opwekken van zaagtandspanningen : de zgn. relaxatie-oscillatoren.

Het principeschema daarvan is alsvolgt:

100kOhm- 50Mohm

+ 500Volt out

Neon

500pF

Op basis van dit elektroluminiscentie-effekt werden ook digitale displays gebouwd (Nixie-buizen) en zelfs komputerschermen (de zogenaamde plasmaschermen op sommige laptopkomputers).

Rekenmachines zijn vaak met dit soort displays uitgerust. We kunnen hen herkennen aan hun groene of blauwe kleur.

Hun voordeel ligt in het uiterst minieme stroomverbruik. Het nadeel echter is, dat ze nood hebben aan een relatief hoge bedrijfsspanning (minimaal 60 Volt).

De hier beschreven relaxatieoscillator is eigenlijk van nature uit de allereerste verschijningsvorm van een spanningsgestuurde oscillator! In 1971 ontwierpen en bouwden we een synthesizer (de ‘Dodekadent’ met spanningssturing (80 tot 600V stuurspanning) waarbij uitsluitend van dit principe gebruik werd gemaakt. Het toestel is nig steeds in werkende staat...

- Plasma's - lichtbogen

Wanneer we hetzelfde effekt als van een gasontladingslamp zouden willen bereiken in gewone lucht, dan zijn door de grote koncentratie aan luchtmolekulen, veel grotere elektrische energien noodzakelijk. Dat het kan, zien we enerzijds in toepassingen zoals de koolbooglamp die vroeger steeds werd gebruikt voor 35mm filmprojektoren, het elektrisch lassen en anderzijds in de door mij op punt gestelde plasmaluidsprekers, waarbij echter het visueel licht-effekt eerder bijkomstig is.

In deze laatste toepassing zijn hoogfrekwente PWM-gemoduleerde spanningen nodig in de orde van minimaal 10.000 Volt. Daarover later meer, in een afzonderlijk hoofdstukje. 

- CRT's

Katodestraalbuizen zijn toestellen waarin de door een verhitte gloeidraad uitgezonden elektronen, in een magnetisch en statisch-elektrisch veld worden versneld en in botsing gebracht met een glazen plaat waarop een fosforescerende laag is aangebracht die gaat oplichten telkens de elektronenbundel de plaat raakt. De afbuigspanningen bepalen de plek waarop de bundel de plaat raakt. Er zijn principieel slechts drie stuurmogelijkheden :

• - X-as of horizontale afbuiging
• - Y-as of vertikale afbuiging
• - Z-parameter : intensiteit van de bundel en dus van het opgewekte licht.

Wanneer kleur-CRT's gebruikt worden , dan zijn er ook nog allerlei kleurmogelijkheden. Kleur CRT's bestaan eigenlijk uit drie verschillende monokrome CRT's in eenzelfde glazen ballon.

Het kleurpallet wordt verkregen door het instellen en sturen van de onderlinge sterkteverhoudingen tussen de drie monokromatische elektronenkanonnen.

Alle CRT's werken met hoogspanning. Let dus op wanneer je eraan zou willen knutselen. Spanningen van 30.000 Volt en meer zijn normaal en kunnen dodelijk zijn!

CRT's of beeldbuizen vinden toepassingen zowel in analoge als in digitale apparatuur. De meest nuttige klassieke analoge toepassing is wellicht de oscilloskoop , de fase-meter, het radarscherm . Van bedenkelijk nut, en dus van enorme populariteit zijn de welbekende TV en video-schermen . Hun hoogste nut ligt wellicht in het begrijpen van hun technische werking, maar beslist niet in hun gebruik.

Hoewel de fundamentele werking principieel bij de analoge elektronika thuishoort, behoren komputerschermen eigenlijk zo'n beetje thuis in een hybried gebied tussen digitaal en analoog. De besturing van een beeldscherm via komputer verloopt immers zuiver digitaal, waardoor de gebruiker de indruk kan krijgen dat de monitor een digitaal toestel zou zijn.

- spiegelgalvanometers

Het voordeel van dergelijke systemen boven klassieke wijzermeetinstrumenten, is dat de mechanische traagheid tot een absoluut minimum kan worden beperkt. Vandaar bvb. de toepassing van dergelijke instrumenten in analoge VU-meters op hoogwaardige studio mengpanelen.

- LCD's

Dit zijn vloeibare kristallen waarvan de struktuur onder invloed van een uiterst geringe externe spanning kan veranderd worden. Deze struktuurverandering gaat gepaard met een andere lichtabsoptiekoefficient die maakt dat wij het effekt als licht en donker waarnemen.

LCD's geven nooit zelf licht af, maar dienen door een externe lichtbron te worden bestraald of -wanneer ze op een transparant substraat zijn aangebracht- doorgelicht. 

Sturingen van gloeilampen :

Gloeilampen zijn zgn. resistieve belastingen.

Gebruiken we laagspanning en gelijkstroom dan kunnen we onze lampen zelfs via een gewone versterker uitsturen.

Het is echter veel goedkoper voor zo'n doel, wisselspanning te gebruik en deze te regelen via de techniek van de fase-aansnijding. Daarvoor worden thyristors en triacs gebruikt.

Deze techniek gaat ook op voor vermogensturing op netspanning.

Triacs en thyristors vinden we terug in zowat alle moderne lichtorgelschakelingen en diskotuigen.

Sturingen van lichtbronnen gebaseerd op elektroluminiscentie:

- PWM ( Puls-width-modulation)

Ook hiervoor kunnen thyristors worden gebruikt.

Sturingen van CRT's en andere beeldschermen:

- analoge : oscilloskoop : X-as , Y-as en eventueel Z-as

Te beschouwen als het beeldscherm van de analoge komputer. (alleen geldig voor CRT's).

• - digitale: Twee fundamenteel verschillende sturingsmogelijkheden:
• - 'character oriented' : elk byte staat voor een letterteken. Een tweede byte is eventueel te gebruiken voor helderheid, kleur ... Een beeldscherm van 80 tekens en 25 regels heeft dan ook een beeldschermgeheugen nodig van 2kByte, en wanneer ook kleur-info wordt gebruikt, 4kByte. Deze sturingswijze maximaliseert de snelheid van display en komputer.
• - 'pixel-oriented' : grafisch display elk pixel heeft een byte of 1 word, on/off, kleurinfo, knipperen, intensiteit ...

Een beeldscherm van 640 x 400 pixels, waarbij elk pixel gestuurd wordt door een byte , heeft een beeldschermgeheugen nodig van 256kByte. Is de byte waarde 0 , dan is het pixel uit, wanneer het 255 is, is het wit. Er zijn bij 8 bit-sturing dus 255 kleuren mogelijk.

Gebruiken we 4 bits per pixel (16 kleuren-palet) dan kunnen we volstaan met 128kByte.

Werken we grafisch maar in monochroom, d.w.z. 1 bit per pixel, dan komen we toe met slechts 32kByte aan geheugen per beeldscherm. Voor grafisch monochroom worden echter meestal 2 bits gebruikt, waarbij het extra bit de intensiteit van het pixel bepaalt. Dit brengt onze geheugenbehoefte op 64kByte per scherm.

Door deze besturingswijze krijgen we weliswaar enorme grafische mogelijkheden, doch het gebruik daarvan gaat ten koste van de machinesnelheid en van het geheugen.

Bij IBM-PC achtige komputers is het beeldschermgeheugen een vast segment uit het geheugenadresgebied. Er kan zowel 'character-oriented' gewerkt worden (de tot voor 1993 de normale video-mode op IBM-achtige machines) als grafisch (o.m. Windows). Machines zoals de Atari en de Apple MacIntosh werken uitsluitend in grafische modus.

Filedate: 900928