2.4.) Die CD / DVD.

Geschichte Die CD war ursprünglich als Alternative zur Schallplatte für die Musikaufzeichnung gedacht. Als in den 70er und 80er Jahren mit der Technik experimentiert wurde, dachte man an Datenaufzeichnung noch nicht, zumal die Entwicklung von Personal Computern damals noch in den Kinderschuhen steckte. Inzwischen ist die CD nicht nur für Musikaufzeichnungen ein wichtiges Medium, sondern auch für Datenspeicherung. Die meisten Computerprogramme werden heute über CD oder DVD verbreitet.

Funktionsprinzip:

Die CD und DVD sind optische Speichermedien. Das Basismaterial der Scheibe ist Polycarbonat. Auf dieses Trägermaterial ist eine sehr dünne Schicht aus Aluminium aufgebracht (50 -100 nm dick). Wenn Daten auf der CD sind, ist dies Schicht nicht eben, sondern es gibt ebene Stellen ("lands") und Vertiefungen ("pits") im Aluminium. Die Breite dieser Stellen beträgt nur etwa 1 Mikrometer (=1 Millionstel Meter). Wird die Oberfläche von einem Laserstrahl abgetastet, dann wird der Laserstrahl an den ebenen Stellen reflektiert und es wird Licht empfangen - dies könnte z.B. einer digitalen "1" entsprechen. In den Vertiefungen ergibt sich aber destruktive Interferenz, die die Lichtintensität auslöscht. Hier wird also kein Licht empfangen - dies entspricht dann einer digitalen "0".

Wie bei der Schallplatte sind die Daten spiralförmig auf der CD gespeichert, allerdings genau umgekehrt wie bei der Schallplatte von innen nach außen. Das hast Du bestimmt schon einmal gesehen, wenn Du eine teilweise beschriebene CD schräg gegen das Licht hältst

Die Schallplatte enthält außerdem die Daten in analoger Form: die Stärke der Auslenkung der Spur bestimmt die Amplitude (ähnlich wie bei einer Aufzeichnung einer Schreibstimmgabel auf einer berußten Glasplatte). Die CD enthält Daten und Musik in digitaler Form. Um Musik wieder hörbar zu machen, muss die digitale Information mit einem Analog-Digital-Wandler wieder in ein analoges Spannungssignal umgewandelt werden, das man verstärken kann.

Wird eine CD selbst gebrannt, dann ein Laserstrahl mit großer Leistung auf das Material gerichtet. Dabei entstehen Temperaturen von 500 bis 700 Grad, die die "pits" in das Material "brennen". ES gibt auch wiederbeschreibbare CDs (CD-RW) bei denen beim Löschen mit einem Laserstrahl die ursprüngliche Oberflächenbeschaffenheit wieder hergestellt wird.

Die CD / DVD und die Kreisbewegung.

Ältere CD-Laufwerke.

Wenn Dein Computer eine CD liest, dann hast Du bestimmt schon gehört, dass das Laufwerk "jault" also mit unterschiedlicher Drehfrequenz dreht. Manchmal hört man sogar gar nichts vom Laufwerk, obwohl Daten gelesen werden. Dies ist vor allem bei älteren CD-Laufwerken so.
Dies liegt daran, dass bei älteren Laufwerken der Datendurchsatz konstant ist. Das bedeutet, dass die Bahngeschwindigkeit v, mit der der Laserstrahl die CD abtastet, gleich bleibt. Sie beträgt bei Laufwerken mit einfacher Lesegeschwindigkeit 1,2 m/s.
Dies heißt dann aber, dass die Drehfrequenz der CD verändert werden muss, wenn Daten weiter außen oder weiter innen gelesen werden sollen.
Diese Änderung der Drehfrequenz hörst Du als "jaulen".

Die Daten werden dabei in einem Speicher zwischengepuffert, so dass sich Schwankungen in der Drehzahl nicht auswirken. Dies ist besonders bei CD-Spielern im Auto und beim "Diskman" nötig, da hier auch Stöße auftreten.

Modernere CD-Laufwerke.

Viele moderne CD-ROM-Laufwerke, ab etwa einer 32-fachen Lesegeschwindigkeit, lesen Daten-CDs hingegen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, um das zeitraubende Beschleunigen und Abbremsen der CD beim Hin- und Herspringen der Leseposition zu vermeiden.
Dadurch ändert sich bei diesen Laufwerken dann wieder die Bahngeschwindigkeit v in Abhängigkeit vom Radius r.
Sie ist beim Lesen außen größer als beim Lesen innen (vgl. Schallplatte).

Die höchste Datenrate bekommt man also nur beim Lesen außen, d.h. nur bei einer vollbeschriebenen CD. Nur hier wird dann z.B. tatsächlich mit 32-facher Geschwindigkeit gelesen.

Aufgabe:

• Mit welchen Drehfrequenzen muss sich bei einem alten CD Laufwerk der Motor drehen, wenn Daten vom Anfang (innen) und am Ende der Aufzeichnung (außen) gelesen werden sollen ("einfache Lesegeschwindigkeit")?

Es gilt: oder aufgelöst

Die innerste Datenspur befindet sich etwa 2,0 cm von der Mitte der CD. Setzt man dies in die Gleichung oben ein, so erhält man als Drehfrequenz etwa 9,5 Hz, also 9,5 Umdrehungen pro Sekunde, das sind etwa 572 Umdrehungen pro Minute.
Bei der äußersten Datenspur (Ende der Aufzeichnung) ist der Abstand zur CD Mitte etwa 5,5 cm. Wenn man dies in die Gleichung einsetzt, ergibt sich etwa 3,47 Hz als Drehfrequenz, was etwa 208 Umdrehungen je Minute entspricht.

• Mit welchen Frequenzen müsste sich der Antriebsmotor bei einem modernen Laufwerk (52-fache Geschwindigkeit) drehen, wenn auch hier die Bahngeschwindigkeit konstant bliebe, um eine Datenspur innen und außen zu lesen?

Da die CDs ja gleiche Abmessungen besitzen, bleiben die Abstände r für die erste und letzte Datenspur dieselben. Der Nenner in der Gleichung oben bleibt damit unverändert.
Die Lesegeschwindigkeit wäre dann aber 52 * 1,2 m/s also 62,4 m/s. Da die Drehfrequenz f proportional zur Bahngeschwindigkeit v ist, wären die jeweiligen Frequenzen also nun auch 52 mal so groß wie vorher.
Für das Lesen innen ergäbe sich dann 494 Hz oder 29640 Umdrehungen je Minute, für das Lesen außen 180,6 Hz oder 10834 Umdrehungen je Minute.

Je größer die Drehzahlen, desto mehr führen kleine Unwuchten auf den CDs (z.B. Aufkleber) dazu, dass starke Vibrationen auftreten und die CDs dadurch zerstört werden können.
Vielleicht hat es Dir auch schon einmal eine CD in einem modernen Laufwerk regelrecht zerfetzt.

Daher kann man so große Rotationsfrequenzen in der Praxis gar nicht nutzen. Moderne Laufwerke drehen mit bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute.

• Bei modernen Laufwerken bleibt die Drehzahl konstant und kann maximal 10.000 Umdrehungen pro Minute betragen. Wie groß ist dann die größtmögliche Lesegeschwindigkeit?

Die größte Lesegeschwindigkeit wird außen erreicht, d.h. bei 5,5 cm Abstand von der Rotationsachse (s.o.).

10.000 Umdrehungen je Minute sind 10.000 / 60=166,6 Hz.
Wegen
erhält man dann 2 * Pi * 166,6 1/s * 0,055 m=57,6 m/s (das entspricht etwa 48-facher Geschwindigkeit).

Weitere Informationen zum Thema: http://de.wikipedia.org/wiki/Compact_Disc

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