Cap. 1 CRT

1. Dispozitive de afişaj cu tub vidat (CRT)

Afişajul cu tub catodic (CRT, “cathode ray tube”) este un dispozitiv luminescent inventat în 1897 de K. F. Braun. Este relativ ieftin şi prezintă o rezoluţie bună a imaginilor pe ecran. A dominat tehnologia dispozitivelor de afişaj mai bine de 100 de ani. Dezavantajele sunt: greutate mare şi lăţime mare. De aceea s-au dezvoltat afişajele cu cristale lichide (LCD, “liquid crystal display”) şi cele cu plasmă (PDP, “plasma display panel”).

Tipuri de CRT: cu vizualizare directă, monocrome şi de proiecţie. Se produc anual 200 milioane de bucăţi şi cererea creşte constant cu 3%. Conform datelor din televiziune, cele mai uzuale sunt cele cu raportul lungime/înălţime egal cu 4/3, dar acum au căutare cele pentru care acest raport este 16/9. în unele cazuri speciale, acest raport este 1. Ecranul este rotunjit din cauza proprietăţilor de tensionare a sticlei, dar inovaţii recente au dus la realizarea de CRT cu ecran plat. Pentru a domina, în continuare, piaţa, afişajele cu CRT trebuie să concureze prin preţ scăzut, prin reducerea greutăţii şi a lăţimii, prin creşterea performanţelor de strălucire, calitate a culorilor şi contrast.

Principiul de operareStructura unui CRT monocrom – în Fig.1.1. Semnalul video este aplicat pe catod care este parte componentă a tunului electronic (EG, “electron gun”). Catodul generează electroni liberi. Aceştia sunt focalizaţi de către EG aşa cum lumina este focalizată printr-o lentilă. Electronii străbat uşor interiorul vidat al EG; sticla are rol de înveliş. Pe interiorul tubului este aplicat un strat subţie (film) conductor care determină un potenţial electric constant în interior. Filmul conductor creează un condensator de înaltă tensiune împreuna cu un alt film depus pe exteriorul tubului. Acest condensator stabilizează tensiunea de alimentare de la anod. Electronii emişi de EG şi accelearţi la 20-30 kV străbat rapid (sub formă de fascicul) panoul acoperit cu fosfor. Elementele de deflexie creează un câmp magnetic care curbează fasciculul şi-l face să “scaneze” (parcurgă) întregul panou. Electronii ciocnesc particulele de fosfor care emit scintilaţii (lumină).

Componentele CRTa) tunul electronic (EG) – secţiunea transversală în Fig.1.2. Are un catod şi operează cu lentirle electrice. Catodul, în mod uzual, este făcut din amestec de oxizi (de Ba, Ca şi Sr). Pri încălzire la 800C catodul emite electroni. Când se aplică pe catod un semnal de tensiune variabilă (ce conţine informaţia despre imagine), având amplitudinea de aprox. 100V, numărul de electroni ce trec prin grila 1 (G1) se modifică: cu cât numărul de electroni este mai mare cu atât imaginea este mai strălucitoare. Dar, pentru a “transforma” electronii dispersaţi emişi de catod într-un curent electric semnificativ şi pentru a forma imagini pe ecran trebuie ca structura şi forma EG, precum şi “repartizarea” tensiunii aplicate pe catod să fie proiectate cu atenţie. Cu semnale de 100 V EG se pot controla electroni având energia de 30 keV. Această funcţie de amplificator liber al zgomotului este unică şi nu se mai întâlneşte în niciun alt afişaj cu panou plat.b) deflexia - un fascicul de electroni emis de EG traversează tubul direct spre centru CRT. Pentru a-l face să parcurgă tot ecranul se folosesc, de obicei, două metode: deflexia electrostatică şi deflexia electromagnetică. Prima metodă necesită doi electrozi plani aşezaţi faţă în faţă. Când tensiunea electrică aplicată pe ei variază direcţia fasciculului de electroni care trece printre ei se modifică. În ciuda faptului că eficienţa acestei deflexii este mică, metoda este bună pentru frecvenţe înalte. A doua metodă, cea electromagnetică, are o eficienţă de deflexie mai mare şi este folosită în TV. Ea utilizează două perechi de bobine. Cum o pereche de bobine aşezate faţă în faţă produce un câmp magnetic, cele două perechi creează două câmpuri magnetice care dirijează fasciculul de electroni pe orizontală şi pe verticală (Fig.1.3). c) ecranul cu fosfor - interiorul panoului este acoperit cu straturi conţinând particule de fosfor; diametrul lor: 3 – 10 m; un film de Al acoperă şi protejează fosforul. Atomii/moleculele de gaz reziduale în CRT sunt ciocnite de electroni şi devin ioni. Fără filmul de protecţie aceşti ioni ar lovi

puternic particulele de fosfor şi le-ar degrada. De asemenea, filmul de Al măreşte strălucirea CRT prin reflectarea luminii care vine de la fosfor; el stabilizează potenţialul electric din jurul ecranului (cred ca este vorba de ecranare!).

CRT monocrom – este mai folosit decât cel color în afişajele din aparatele medicale; aici este mai important ca imaginile să aibă rezoluţie înaltă şi strălucire mare. Pentru rezoluţie bună – se aplică metoda elmg. de deflexie în EG: curentul electric ce trece prin bobinele montate pe “gâtul” CRT creează câmpuri magnetice cu rol de lentile elmg. Fiind plasată înafara tubului lentila are aberaţii foarte mici, iar spotul devine astfel foarte îngust.

CRT de proiecţie – CRT de proiecţie cu imagine color este o combinaţie de trei CRT monocrome având culorile roşu (R, “red”), verde (G, “green”) şi albastru (B, “blue”). Imaginile obţinute de la fiecare din cele trei panouri de CRT monocrom sunt lărgite de trei lentile optice şi proiectate pe ecranul exterior unde se combină (Fig.1.4). Ecranul cu fosfor al unui CRT monocrom are diagonala de 7-9 inches. Mărimea imaginilor proiectate este de 40-60 inches pe diagonală şi, de aceea, sunt necesare: strălucire de 105 cd/m2, rezoluţie înaltă (diametrul spotului de 0,2 mm). Dacă se aplică un curent mai mare pentru a face fosforul să lumineze mai bine, acesta devine prea fierbinte şi se degradează; deci, strălucirea CRT este saturată. Pentru a rezolva acest dezavantaj panoul CRT este răcit şi se foloseşte un fosfor îmbunătăţit.

2. CRT color

Principiul de operare: se aplică fosfor de trei culori diferite pentru a produce pe ecran imagini color (Fig.1.5); în faţa filmului de fosfor se montează un dispozitiv de selecţie a culorilor (o mască). Catodul din EG are trei părţi care emit electroni; ei trec prin mască şi ciocnesc cele trei varietăţi de fosfor (R, G, B) făcându-l să lumineze. Mecanismul de selectare a culorilor: dintre diferitele tipuri de măşti, cele mai folosite sunt masca de umbre şi grila de apertură; prima este o placă de oţel cu grosimea de 0,2 mm, cu orificii circulare sau dreptunghiulare (dimensiuni: aprox. 0,2 mm; distanţate prin 0,2 – 1,0 mm) (Fig.1.6 – este C2.2.7); orificiile trebuie să fie plasate astfel încât un fascicul de electroni emişi de partea de catod corespunzătoare unei anumite culori să treacă spre parte de fosfor de aceeaşi culoare; prin ciocnirea ei de către electroni masca se încălzeşte şi se dilată, iar poziţia orificiilor se modifică; de aceea se foloseşte “invar” (are coeficient de dilatare foarte mic). Grila de apertură are forma unui ecran vertical cu fante; ambele dispozitive au o transmitanţă a luminii de aprox. 20%, deci 80% din electronii emişi de EG nu trec de ele!Ecranul cu fosfor - se aplică pe…? un strat de “slurry” (?) ce conţine fosfor şi o substanţă fotosensibilă; după uscare se iradiază cu UV; se elimină partea inactivă (se spală cu apă); se repetă procesul de trei ori; astfel apar dungi de fosfor corespunzătoare celor trei culori R, G, B, separate prin dungi negre (ultimele se obţin la fel) (Fig.1.7 – este C2.2.8). Tunul electronic (EG) – pentru color este mai complicat decât cel descris mai sus; trei catozi, câte unul pentru fiecare culoare; o lentilă electrică mare pentru trei fascicule de electroni (Fig.1.8 – este..; [6]. Y. Wada, T. Daimon, “An electron gun for 76 cm 120-degree 16.9 color TV tubes”, SID’01 Digest, 1116). Sistemul de deflexie (de tip elmg.): să dirijeze simultan trei fascicule de electroni; ele trebuie să parcurgă tot ecranul.Puritate: CRT este proiectat pentru fascicule de electroni care să treacă printr-o mască şi să ciocnească anumite zone de pe ecranul cu fosfor. Traiectoriile fasciculelor sunt perturbate de cp. magn. terestru; pentru rezolvarea probl. - este necesară o ecranare împotriva cp. magn. terestru; se face cu o bobină plasată în jurul CRT, se magnetizează învelişul - apare un cp. magn. opus celui terestru. Contrast: se iau unele măsuri pentru a reduce reflexia luminii ambiante pe suprafaţa panoului şi a ecranului cu fosfor în scopul menţinerii unui contrast bun al imaginii; de ex., zonele dintre dungile/punctele colorate se fac de culoare neagră pentru a înjumătăţi reflexia luminii fără a bloca activarea fosforului. Pe panoul CRT se aplică sticlă cu transmitanţă mică; razele incidente trec prin sticla panoului, se reflectă pe ecranul cu fosfor şi trec din nou prin sticlă, deci transmitanţa

mică a acesteia reduce considerabil lumina reflectată. Lumina emisă de fosfor trece prin această sticlă, dar numai o singură dată. Cu cât transmitanţa sticlei este mai mică, contrastul imaginii este mai bun; valoarea cea mai favorabilă este de aprox. 50% (Fig.1.9 – este..). Totuşi, 4% din lumina incidentă este reflectată de suprafaţa panoului. Ecranele CRT pentru calculatoare au sticla tratată pentru efecte de reducere a luminii reflectate (se depune strat anti-reflexie). Siguranţă: sticla panoului este supusă la o diferenţă de presiune (în interior tubul este vidat, în exterior acţionează presiunea atmosferică); cea mai mică lovire a ecranului duce la pericolul de implozie, cu împrăştierea bucăţilor de sticlă; se aplică o bandă metalică în jurul CRT pentru a preveni asta.

3. Alte CRTsCRT cu panou plat: o mare provocare – cum să facem CRT plate? Deoarece sistemul de

deflexie curbează fasciculul de electroni, tubul catodic poate fi scurtat dacă unghiul de deflexie este mai mare; CRT actuale au acest unghi de 110, chiar de 120; aceasta implică, însă, o putere mai mare în alimentarea bobinelor ce produc cp. magnetic şi acesta se distorsionează, afectând dirijarea fasciculelor de electroni; calitatea imaginii scade. Ex. de CRT monocrom plat – Fig.1.10 – este …; [7]. M. Maeda, “2 inch flat CRT”, Japan Display’83; CRT color plat – nu este pe piaţă. Alternativă: dispozitiv de afişaj cu emisie în câmp (FED, “field emission display” – să completez!).

CRT cu fascicul indexat: numai 20% din electroni trec de dispozitivul de selectare a culorilor, ceilalţi sunt absorbiţi de masca respectivă; cu mai mulţi ani în urmă – s-au construit CRT fără mască; un singur fascicul de electroni parcurgea (scana) tot ecranul cu trei culori de fosfor; fasciculul trebuia să fie atât de îngust (spot foarte mic) încât să nu atingă decât o singură dungă (o singură culoare de fosfor); această dungă era plasată lângă o altă dungă de fosfor care nu emitea lumină (nicio culoare), ci radiaţie UV când era atinsă de electroni; semnalul UV era detectat şi trimis pe fasciculul de electroni care îşi comuta/schimba imediat informaţia de culoare. Problema era că pentru a obţine o strălucire mai mare era necesar un fascicul cu mai mulţi electroni şi diametrul spotului creştea. Studiile continuă - Fig.1.11 – este ….

4. Realizări recentea) 21-inch CRT cu rezoluţie foarte înaltă; pasul grilei de apertură în centrul ecranului este de 0,126 mm; rezoluţia orizontală: 2800 puncte; [8]. N. Okano, M. Maeda, K. Saita, Y. Horiuchi, “Development of ultra-high resolution 17/2100 CRT”, SID’99 Digest, 254.b) CRT cu fascicul indexat; selecţia culorilor se face prin controlul fasciculului de electroni; dungile de fosfor sunt paralele cu liniile de scanare a ecranului de către fasciculul de electroni; se numeşte tub F!T (“fast intelligent tracking”); Fig.1.12 – este …. [9]. A. H. Bergman, H. B. van den Brink, F. P. M. Budzelaar, P. J. Engelaar, A. H. M. Holtslag, W. L. Ijzerman, M. P. C. M. Krijn, P. J. G. van Lieshout, A. Notari, O. H. Willemsen, “The fast intelligent tracking (F!T) tube: a CRT without a shadow mask”, SID’01?Digest, 1210, anul?c) o problemă majoră a CRT – greutatea; se datorează, în special, învelişului de sticlă; se poate reduce prin reproiectarea formei - [10]. T. Sugawara, T. Murakami, “Status of glass bulb development for flat and thin CRTs”, SID’02 Digest, 1218d) catodul; densitatea de curent caracteristică emisiei termoelectronice a unui catod acoperit cu oxizi este limitată; un nou catod, numit catod-capcană (“hopping”) - se bazează pe o emisie secundară de electroni, cu autoreglare, care permite trecerea electronilor printr-o suprafaţă izolatoare; se foloseşte acest mecanism pentru a dirija electronii emişi de un catod larg (cum sunt cele obişnuite) printr-un canal îngust practicat în materialul izolator (Fig.1.13 – este C2.2.15). Capătul de ieşire al canalului funcţionează ca o sursă puternică de electroni şi poate reduce diametrul spotului; [11]. N. C. van der Vaart, G. G. P. van Gorkom, M. G. H. Hiddink, E. M. J. Niessen, A. J. J. Rademakerts, J. J. W. M. Rosink, R. Winters, S. T. de Zwart, “A nobel cathode for CRTs based on hopping electron transport”, SID’02 Digest, 1392.

Din Physics Planet 2005/13/03: STMicroelectronics Unveils the World`s First Vertical Deflection Booster for Slim CRT Displays (numai comentarii din presă!)

STMicroelectronics, a world leader in vertical drivers for CRT (Cathode Ray Tube) displays, introduced today the world`s first vertical-deflection booster for Slim CRTs. The STV8179F meets the need in large-size, reduced-depth CRT monitors for high output-current levels and flyback voltages, coupled with low heat dissipation.The emerging concept of Slim CRT combines form-factor benefits of flat panels with all the inherent advantages of CRT technology, such as superb sharpness, bright colors, and outstanding contrast, at an attractive price. Slim tubes approximate the depth of LCD and Plasma TVs at about a third of the cost.

STMicroelectronics has introduced its vertical-deflection booster for Slim CRTs. The STV8179F meets the need in large-size, reduced-depth CRT monitors for high output-current levels and flyback voltages, coupled with low heat dissipation.The vertical booster drives the vertical coil of the deflection yoke to scan the electron beam over the screen. This, in conjunction with horizontal deflection and beam modulation, creates viewable images. In slim CRT displays, very high output currents are needed to drive the coil, as the beam swings over wider deflection angles, compared to conventional CRTs. The STV8179F provides a peak-to-peak current up to 3.6A in operating mode.The advanced design of the STV8179F also sustains high output flyback voltages, up to 100V, to allow short retrace times required in 2H and High-Definition TVs. The vertical deflection booster utilizes ST's proprietary architecture based on 'external flyback,' which decreases the supply voltage -- and thus reduces the dissipation rate in the IC -- with no impact on the flyback voltage, the company reports.