Un tub cu raze catodice (în engleză, tub cu raze catodice : CRT ) este un tub de vid format dintr-un filament încălzit, din electrozi sub formă de lentile perforate care, supuse unei diferențe de potențial (tensiune), creează un câmp electric care accelerează electroni . Acestea din urmă lovesc ecranul, pe care este depus un strat luminescent care reacționează la șocul electronilor prin crearea unui punct luminos. Traiectoria fluxului de electroni de la catod la ecran este posibilă prin prezența unui anod furnizat la un potențial foarte ridicat (de la câteva mii la câteva zeci de mii de volți în funcție de tipul de tub) care îl atrage pe cel . -aceasta.
Această componentă a fost utilizată timp de câteva decenii de majoritatea televizoarelor , monitoarelor de computer și osciloscoapelor , până la apariția ecranelor LCD .
Cele Tehnicile de vid au fost cunoscute încă din XVII - lea secol, cu stăpânirea electricității , oamenii de știință au avut ideea de a face experimente de electricitate în tuburi conținând gaz la mai mult sau mai puțin joasă presiune . Încă din 1858, germanii au observat șocuri electrice în aceste tuburi Geissler . Șocurile electrice din ceea ce sunt acum numite plasme produc lumină. Se observă că câmpurile magnetice produc o deviere asupra acestor descărcări. În timpul acestor investigații privind conducerea electricității în gaze la presiune scăzută, fizicianul și chimistul britanic William Crookes a descoperit că, atunci când presiunea a fost redusă, catodul a emis raze de lumină. Au fost numite „ raze catodice ”. Crookes a reușit să facă observațiile pentru că a acoperit pereții tubului cu un material fosforescent. Ulterior, primele tuburi catodice au fost numite tuburi Crookes .
Prima versiune a CRT este deci o diodă la catod rece cu un strat de fosfor pe față. Electronii sunt smulși din catod folosind o tensiune foarte mare. După ce a fost utilizat pentru investigarea fenomenelor fizice, tubul catodic va deveni un instrument de măsurare a semnalelor care variază rapid în timp. Oscilograf va înlocui oglinda rotativă pentru acest tip de măsură. În 1897, Ferdinand Braun a folosit pentru prima dată un tub catodic pentru a studia fenomenele dinamice, înregistrarea fenomenelor electrice rapide. Tuburile Braun timpurii erau umplute cu gaz la presiune scăzută, de obicei în jur de o sutime de milimetru de mercur . Pistolul electronic constă dintr-o peletă circulară care acționează ca un catod și un electrod inelar care acționează ca un anod . Tensiunea înaltă aplicată între anod și catod este produsă de o mașină de influență . În câmpul electric produs între catod și anod, unii ioni pozitivi deja prezenți în gazul neutru sunt accelerați către catod, care generează electroni secundari accelerați în direcția opusă. Electronii ionizează moleculele gazului de vid rezidual și ale ionilor pozitivi, deoarece sunt grele, se îndepărtează încet de fascicul, iar sarcina spațială pozitivă astfel produsă tinde să mențină fasciculul de electroni concentrat pe tot parcursul călătoriei sale către ecranul fosforescent . În tubul Braun, devierea electronilor, într-o direcție pentru semnalul care trebuie măsurat și în direcția perpendiculară pentru semnalul de referință, este produsă de bobine magnetice.
Unul dintre dezavantajele primelor oscilografe este apoi tensiunea de accelerare a electronilor care trebuie menținută la un nivel foarte ridicat, astfel încât energia fasciculului de electroni la nivelul ecranului să fie suficientă. În primii ani ai XX - lea secol , Rankin a avut ideea de a avea o mică bobină coaxial între catod și anod pentru a concentra fasciculul. Această modificare nu numai că mărește intensitatea fasciculului de electroni, dar reduce și mărirea imaginii sursă de pe ecran. Cele două fenomene merg în direcția unei creșteri a densității de curent a fasciculului și, prin urmare, calea este deschisă către o reducere a tensiunii de accelerație și, prin urmare, a câmpurilor magnetice de deviere.
În 1914, fizicianul francez Alexandre Dufour a avut ideea de a introduce o placă fotografică în tub în locul ecranului fluorescent, ceea ce a îmbunătățit eficiența și, în consecință, viteza de măsurare. Acest tip de dispozitiv se numește „oscilograf cu raze catodice”. Acest concept provoacă dezvoltarea unui anumit număr de dispozitive care funcționează între 20 și 60 de kilovolți și destinate înregistrării fenomenelor tranzitorii rapide non-periodice.
Prima versiune care utilizează un catod fierbinte a fost dezvoltată de JB Johnson și HW Weinhart de la Western Electric Company . Acest produs a fost comercializat în 1922 .
În 1907, inventatorul rus Boris Rosing a dezvoltat un sistem având un tub catodic ca integrator de imagine. În 1911, a demonstrat pentru prima dată principiul modulației luminii prin viteza variabilă a fasciculului. Elevul său Vladimir Kosma Zworykin , care a emigrat în Statele Unite, a produs în 1923 un tub de vizualizare a imaginii, cinescopul .
În 1940, în Statele Unite, Peter Goldmark a dezvoltat un sistem de televiziune color cu 343 de linii. Acest sistem cuprinde un disc cu trei filtre: roșu, verde și albastru , care se rotește în fața tubului camerei.
Razele catodice sunt fluxuri de electroni de mare viteză care provin de la un dispozitiv numit „ pistol de electroni ” constând dintr-un catod încălzit indirect (K) (un tub cu, în interior, un filament încălzit la o tensiune. De ordinul a 6,3 V sau mai mult) , o rețea (G1) numită Wehnelt și o serie de electrozi responsabili de accelerarea și focalizarea fasciculului catodic. Încălzirea catodului generează emisia de electroni. Această transmisie este axată pe wehnelt. Potențialul său, mai mic decât cel al catodului ( -35 până la -90 V ), face posibilă reglarea fluxului de electroni. Forma wehneltului care înconjoară complet catodul are scopul de a preveni revenirea ionilor pozitivi care ar putea duce la distrugerea sa prematură. Fluxul astfel creat este apoi accelerat de un anod (G2) în virtutea potențialului său foarte ridicat (de ordinul 600 V ) și focalizat pentru a obține o rază fină cu unul sau doi alți anodi (G3, G4). Acești electrozi acționează ca lentile electrostatice.
Raza care iese din pistolul cu electroni este apoi deviată, fie magnetic prin colaci (ca un tub de televiziune), fie electrostatic prin electrozi (în majoritatea osciloscoapelor). Acest mecanism de deviere este cel care efectuează scanarea orizontală și verticală (linii și cadre). Raza este supusă acțiunii anodului postaccelerator (G5) supus unei tensiuni foarte mari (THT) și apoi ajunge pe ecran acoperit cu un material fosforescent, adesea bazat pe pământuri rare . Când electronii lovesc această suprafață, lumina este emisă sub forma unui punct concentrat numit „punct” care luminează ecranul cu viteza de maturare condusă de deviație. Electronii care au lovit ecranul își pierd energia și se vor recombina într-un anod, în acest caz, cel al postaccelerării.
Pentru un tub color, folosim trei tunuri electronice (unul pe culoare primară) și adăugăm în spatele ecranului o mască perforată sau fire (în cazul tuburilor Trinitron ), astfel încât fiecare fascicul luminează culoarea corespunzătoare.
În cazul televizoarelor și ecranelor computerului , întreaga față a tubului este traversată pe o cale bine definită, iar imaginea este creată prin variația intensității fluxului de electroni (fasciculul) și, prin urmare, a intensității luminii loc, de-a lungul drumului său. Fluxul din toate televizoarele moderne este deviat de un câmp magnetic aplicat pe gâtul tubului printr-un „ jug magnetic ”, care este alcătuit din bobine (adesea două) înfășurate pe ferită și controlate printr-un circuit electronic. Este o mătură de deflexie magnetică.
În timpul scanării, fasciculul se deplasează de la stânga la dreapta, care se succed de sus în jos (cum ar fi liniile unei cărți), revenirea la linia următoare și la începutul paginii se face cu fasciculul oprit.
ÎmpletireTeleviziunea vine de la cinematograf și afișează 25 de imagini pe secundă în Europa (30 de imagini pe secundă pentru America și Japonia), care este aproape de 24 de imagini pentru filmele prezentate în cinematografe. Dar, spre deosebire de cinematograful care proiectează o imagine întreagă de fiecare dată, tubul catodic arată doar un punct de lumină în mișcare rapidă, fasciculul, care este prea puțin pentru ochi. Pentru a evita percepția pâlpâirii, cele 625 de linii (în Europa) ale imaginii clasice de televiziune sunt scanate în două etape: mai întâi liniile impare, apoi liniile pare, astfel obținem artificial 50 de imagini (60 în America și Japonia) pe în al doilea rând și ochiul percepe cu greu pâlpâire.
În cazul monitoarelor de computer, unde imaginile sunt afișate la o frecvență mai mare (60 până la 120 de imagini pe secundă), nu mai este necesară întrețeserea.
În cazul unui osciloscop , intensitatea fasciculului este menținută constantă, iar imaginea este desenată de calea pe care o parcurge fasciculul. În mod normal, devierea orizontală este proporțională cu timpul, iar cea verticală este proporțională cu semnalul. Tuburile pentru acest tip de utilizare sunt lungi și înguste. În plus, devierea este asigurată prin aplicarea unui câmp electrostatic în tub folosind plăci (de deviere) situate la gâtul tubului. Acest tip de deviere este mai rapid decât o deviere magnetică, deoarece în cazul unei deviații magnetice, inductanța bobinei previne variațiile rapide ale câmpului magnetic (deoarece împiedică variația rapidă a curentului care creează câmpul magnetic.) .
Afișare vector computerAfișajele timpurii pe computer au folosit tuburi cu acționare vectorială asemănătoare osciloscoapelor. Aici fasciculul trasa linii între puncte arbitrare, repetând acest lucru cât mai repede posibil. Monitoarele vectoriale au fost utilizate în cea mai mare parte la monitoarele de computer la sfârșitul anilor 1970. Ecranele vectoriale de computer nu suferă de aliasing și pixelare, dar sunt limitate prin faptul că pot afișa doar contururi de forme. Și o cantitate mică de text, de preferință mare (deoarece afișajul viteza este invers proporțională cu numărul de vectori de desenat, „umplerea” unei zone folosind o mulțime de vectori este imposibilă la fel ca scrierea unei cantități mari de text). Unele ecrane vectoriale sunt capabile să afișeze mai multe culori , folosind adesea două sau trei straturi de fosfor . În aceste ecrane, prin controlul vitezei fasciculului de electroni , stratul afectat este controlat și, prin urmare, culoarea afișată, care era cel mai adesea verde , portocalie sau roșie .
Alte afișaje grafice au folosit tuburi de depozitare . Aceste tuburi cu raze catodice au stocat imaginile și nu au necesitat reîmprospătarea periodică.
Ecranele vectoriale au fost utilizate în unele jocuri arcade la sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980, precum și pe consola de jocuri Vectrex.
Ecranul care constituie dispozitivul de afișare este o porțiune a unei sfere din sticlă foarte groasă, care îi permite să reziste presiunii atmosferice exercitate pe suprafața sa (de ordinul unui kilogram pe centimetru pătrat). Tubul de vid ( tub de electroni ) este alcătuit din ecran, partea din spate a ecranului (acoperită cu un strat de grafit adus la potențialul anodului) și gâtul (care ține pistolul de electroni). O bandă metalică este prezentă la joncțiunea dintre ecran și partea din spate a acestuia din urmă pentru a proteja dispozitivul de riscul de implozie și pentru a menține tubul în dispozitivul destinat să-l primească (televizor de exemplu).
Fiecare punct de lumină (denumit și „ fosfor ”) al unui ecran color este format din trei materiale, anterior trei discuri dispuse într-un triunghi echilateral, astăzi trei dreptunghiuri juxtapuse orizontal, fața tubului fiind deci acoperită cu puncte triple minuscule (triplete) ). Fiecare dintre aceste materiale produce o culoare dacă este supus unui flux de electroni , culorile sunt roșu, verde și albastru. Există trei tunuri electronice , una pe culoare și fiecare pistol poate lumina doar punctele unei singure culori, o mască (placă metalică străpunsă cu găuri: una per punct) este plasată în tub chiar înainte de față pentru a evita o revărsare a tunului pe celălalt.
Sticla folosită pentru fața tubului permite trecerea luminii produse de fosfor la exterior, dar în toate modelele moderne , blocheaza razele X generate de impactul fluxului de electroni de mare energie ( frână radiații continuă ) . Din acest motiv, sticla feței este încărcată cu plumb (este astfel sticlă de cristal ). Datorită acestui ecran și altor ecranări interne, tuburile pot îndeplini standarde din ce în ce mai stricte de siguranță împotriva radiațiilor.
Tuburile cu raze catodice au o intensitate a luminii care nu este liniară: gamma . Pentru primele televizoare, gama ecranului a fost un avantaj, deoarece prin comprimarea semnalului (un pic ca o pedală de compresie pentru chitară), contrastul este crescut. Tuburile moderne au încă o gamă (mai mică), dar această gamă poate fi corectată pentru a obține un răspuns liniar, permițând imaginea să fie văzută în adevăratele sale culori, ceea ce este foarte important în tipografie și în alte industrii .
Unele ecrane sau televizoare care utilizează tuburi cu raze catodice pot acumula electricitate statică inofensivă pe fața tubului (datorită numeroșilor electroni care bombardează ecranul), ceea ce poate cauza acumularea prafului, reducând calitatea ecranului. Prin urmare, curățarea este necesară (cu o cârpă uscată sau un produs adecvat, deoarece unele produse pot deteriora stratul antireflex dacă există).
Reciclarea tuburilor cu raze catodice este deosebit de dificilă, datorită prezenței de plumb , de bariu , de mercur și de tip pudră de fosfor substanțe toxice fosfor .