El penetrón , abreviatura de tubo de penetración , es un tipo de televisor de color limitado que se utiliza en algunas aplicaciones militares. A diferencia de un televisor en color convencional , el penetrón produce una gama de colores limitada , normalmente dos colores y su combinación. Los penetrones y otros tubos de rayos catódicos (CRT) exclusivos para uso militar han sido reemplazados por LCD en los diseños modernos.
Un televisor en blanco y negro convencional (B&W) utiliza un tubo que está recubierto uniformemente con un fósforo en la cara interna. Cuando se excita con electrones de alta velocidad , el fósforo emite luz, normalmente blanca, pero también se utilizan otros colores en determinadas circunstancias. Un cañón de electrones en la parte posterior del tubo proporciona un haz de electrones de alta velocidad, y un conjunto de electroimanes dispuestos cerca del cañón permiten que el haz se mueva por la pantalla. La señal de televisión se envía como una serie de rayas, cada una de las cuales se muestra como una línea separada en la pantalla. La intensidad de la señal aumenta o disminuye la corriente en el haz, produciendo puntos brillantes u oscuros en la pantalla a medida que el haz barre el tubo.
En una pantalla a color, la capa uniforme de fósforo blanco se sustituye por puntos o líneas de fósforos de tres colores, que producen luz roja, verde o azul (RGB) cuando se excitan. Estos colores primarios se mezclan en el ojo humano para producir un único color aparente. Esto presenta un problema para los cañones de electrones convencionales, que no se pueden enfocar ni posicionar con la precisión suficiente para alcanzar estos patrones individuales mucho más pequeños. Varias empresas estaban trabajando en diversas soluciones a este problema a finales de la década de 1940, utilizando tres tubos separados o una única salida blanca con filtros de colores colocados delante. Ninguna de estas soluciones resultó práctica y este era un campo de considerable interés en materia de desarrollo.
El penetrón fue diseñado originalmente por Koller y Williams mientras trabajaban en General Electric (GE). [1] Inicialmente fue desarrollado como una forma novedosa de construir un televisor en color de un solo cañón con la simplicidad de un televisor en blanco y negro convencional. Al igual que el tubo en blanco y negro, utilizaba una capa uniforme de fósforo en la pantalla con un solo cañón de electrones en la parte trasera. Sin embargo, el revestimiento de fósforo se aplica en tres capas de diferentes colores, rojo en el interior más cercano al cañón, luego verde y azul en el exterior más cercano a la cara frontal del tubo. Los colores se seleccionaban aumentando la potencia del haz de electrones, lo que permitía que los electrones fluyeran a través de las capas inferiores para alcanzar el color adecuado.
En un televisor convencional, el voltaje se utiliza para controlar el brillo de la imagen, no su color, algo que el nuevo diseño también tenía que lograr. En el penetrón, el voltaje también se utiliza para seleccionar el color. Para abordar estas necesidades en competencia, la selección de color fue proporcionada por un mecanismo externo. La pistola se modulaba por voltaje como lo haría en un televisor en blanco y negro, con un aumento de potencia que produce un punto más brillante en la pantalla. Un conjunto de cables finos colocados detrás de la pantalla proporcionaba entonces la energía adicional necesaria para seleccionar una capa de color en particular. Dado que los fósforos eran relativamente opacos, el sistema requería voltajes de aceleración muy altos, entre 25 y 40 kV. Se introdujo una versión mejorada que utilizaba capas de fósforo transparentes y capas delgadas aislantes entre ellas que reducían los voltajes necesarios. [2] El dieléctrico garantizaba que los electrones errantes, ya sea fuera de voltaje de las pistolas o emisión secundaria de los fósforos mismos, se detuvieran antes de que alcanzaran la pantalla.
El penetrón era ideal para su uso con el sistema de transmisión CBS, que enviaba información de color como tres cuadros secuenciales separados. Los televisores experimentales de CBS utilizaban un filtro mecánico con tres secciones de color que giraban frente a un tubo en blanco y negro. La misma señal de sincronización se utilizaba en el penetrón para cambiar el voltaje de la rejilla de selección de color, con el mismo fin. La baja tasa de conmutación, 144 veces por segundo, significaba que el alto voltaje cambiante no era una fuente importante de ruido de alta frecuencia. A diferencia del sistema mecánico de CBS, el penetrón no tenía partes móviles, se podía construir en cualquier tamaño (lo que era difícil de hacer con el disco) y no tenía problemas de parpadeo. Representó un gran avance en la tecnología de visualización.
Poco después de la introducción del sistema de CBS, RCA introdujo un nuevo sistema que finalmente se impuso. A diferencia del sistema secuencial de campos de CBS, RCA codificaba directamente el color de cada punto de la pantalla, un sistema conocido como "secuencial de puntos". La ventaja del sistema RCA era que el componente principal de la señal era muy similar a la señal en blanco y negro que se utilizaba en los televisores existentes, lo que significaba que los millones de televisores en blanco y negro podían recibir la nueva señal, mientras que los televisores en color más nuevos podían verla en blanco y negro o en color si se proporcionaba esa señal adicional. Esta fue una gran ventaja sobre el sistema de CBS, y el NTSC seleccionó una versión modificada como el nuevo estándar de color en 1953.
La principal desventaja era la dificultad de enfocar correctamente el haz en el color correcto, un problema que RCA resolvió con su sistema de máscara de sombra . La máscara de sombra es una fina lámina de metal con pequeños agujeros fotograbados en ella, colocados de forma que los agujeros se encuentren directamente encima de un triplete de puntos de fósforo de color. Tres cañones de electrones separados se enfocan individualmente en la máscara, barriendo la pantalla de forma normal. Cuando los rayos pasan por encima de uno de los agujeros, lo atraviesan, y como los cañones están separados por una pequeña distancia entre sí en la parte posterior del tubo, cada haz tiene un ligero ángulo a medida que viaja a través del agujero. Los puntos de fósforo están dispuestos en la pantalla de forma que los rayos incidan únicamente en su fósforo correcto. Para garantizar que los agujeros se alineen con los puntos, se utiliza la máscara para crear los puntos utilizando material fotosensible.
El nuevo sistema de transmisión presentó un serio problema para el penetrón. La señal requería que el color se seleccionara a altas velocidades "sobre la marcha" a medida que el haz se dibujaba a través de la pantalla. Esto significaba que la rejilla de selección de color de alto voltaje tenía que ciclarse rápidamente, lo que presentaba numerosos problemas, en particular el ruido de alta frecuencia que llenaba el interior del tubo e interfería con la electrónica del receptor. Se introdujo otra modificación para resolver este problema, utilizando tres cañones separados, cada uno alimentado con un voltaje base diferente ajustado para alcanzar una de las capas. En esta versión no se requirió conmutación, lo que eliminó el ruido de alta frecuencia.
En la práctica, la producción de un sistema de este tipo resultó difícil y, para su uso en la televisión doméstica, GE introdujo su sistema " Porta-Color ", una mejora espectacular del sistema de máscara de sombras de RCA. Otros desarrolladores continuaron trabajando con el sistema básico intentando encontrar formas de resolver los problemas de conmutación de alta frecuencia, pero ninguno de ellos entró en producción comercial.
Sin embargo, para otros usos, las ventajas del penetrón se mantuvieron. Aunque no era muy adecuado para el método de transmisión de color por puntos, esto sólo era importante si uno recibía transmisiones por aire. Para usos en los que la señal podía proporcionarse en cualquier formato necesario, como en las pantallas de ordenador, el penetrón siguió siendo útil. Cuando no se necesitaba una gama de colores completa, la complejidad del penetrón se redujo aún más y se volvió muy atractivo. Esto lo prestó a aplicaciones personalizadas como la aviónica militar, donde la naturaleza de la señal de entrada no era importante y el desarrollador era libre de utilizar cualquier estilo de señalización que deseara. [3]
En el campo de la aviónica, el penetrón también tenía otras ventajas. El uso de fósforos en capas en lugar de rayas significaba que tenía una resolución más alta, tres veces mayor que la del sistema RCA. Esto era muy útil para la visualización de radares y los sistemas IFF , donde las imágenes a menudo se superponían con señales textuales que requerían una alta resolución para ser fácilmente legibles. Además, dado que toda la señal llegaba a la pantalla en un penetrón, en lugar del 15% en un tubo de máscara de sombra, para cualquier cantidad de energía dada, el penetrón era mucho más brillante. Esta era una ventaja importante en el campo de la aviónica, donde los presupuestos de energía a menudo eran bastante limitados, pero las pantallas a menudo recibían luz solar directa y necesitaban ser muy brillantes. La falta de la máscara de sombra también significaba que el penetrón era mucho más robusto mecánicamente y no sufría cambios de color bajo cargas g . [3]
Los penetrones se utilizaron desde finales de los años 1960 hasta mediados de los años 1980, principalmente para sistemas de radar o de IFF en los que se utilizaban habitualmente pantallas de dos colores (verde/rojo/amarillo). Las mejoras en las máscaras de sombra convencionales eliminaron la mayoría de sus ventajas durante este período. Un mejor enfoque permitió que el tamaño de los agujeros en la máscara de sombra aumentara en proporción al área opaca, lo que mejoró el brillo de la pantalla. El brillo se mejoró aún más con la introducción de fósforos más nuevos. Los problemas con el domo se abordaron mediante el uso de máscaras de sombra de invar que eran mecánicamente robustas y se sujetaban al tubo mediante un marco de metal resistente. [4]
Las pantallas Penetron también se ofrecieron como una opción en algunas terminales gráficas , donde no se requería el cambio de color de alta velocidad y la gama limitada del Penetron no era una preocupación. IDI ofreció dichas pantallas como una opción de $8,000 en sus terminales de la serie IDIgraph e IDIIOM. [5]
Tektronix, un importante fabricante de osciloscopios, ofreció una gama limitada de colores en algunos de sus osciloscopios CRT, utilizando tecnología tipo Penetron.
En la mayoría de las versiones del penetrón, el tubo tiene una capa interna de color rojo y una capa externa de color verde, separadas por una fina capa dieléctrica. Se produce una imagen completa escaneando dos veces, una vez con el cañón ajustado a una potencia más baja que se detiene en la capa roja, y luego otra vez a una potencia más alta que recorre la capa roja y llega a la verde. El amarillo se puede producir al alcanzar el mismo punto en ambos barridos.
En una pantalla en la que los colores están activados o desactivados y no es necesario crear distintos niveles de brillo, el sistema se puede simplificar aún más eliminando la rejilla de selección de colores y modulando el voltaje del propio cañón de electrones. Sin embargo, esto también causa problemas porque los electrones llegarán a la pantalla más rápido cuando se aceleren con voltajes más altos, lo que significa que también se debe aumentar la potencia del sistema de deflexión para garantizar que el escaneo cree el mismo tamaño de pantalla y anchos de línea en ambas pasadas.
Se experimentaron varias configuraciones alternativas del penetrón para resolver este problema. Un intento común utilizó un multiplicador de electrones en la cara del tubo en lugar de la rejilla de selección. En este sistema se utilizó un haz de barrido de baja energía y se colocaron imanes para hacer que los electrones golpearan los lados de los multiplicadores. Luego se liberaría una lluvia de electrones de mayor energía que viajarían hacia los fósforos en capas de una configuración normal del penetrón. Más tarde se observó que los haces que emanaban de los multiplicadores caían en anillos, lo que permitió una nueva disposición de los fósforos en anillos concéntricos en lugar de capas. [6]
La principal ventaja del penetrón es que carece del sistema de enfoque mecánico de un televisor con máscara de sombra, lo que significa que toda la energía del haz llega a la pantalla. Para cualquier cantidad de potencia dada, el penetrón será mucho más brillante, típicamente un 85% más brillante. Esta es una gran ventaja en un entorno de aviación, donde el suministro de energía es limitado pero las pantallas deben ser lo suficientemente brillantes para que se puedan leer fácilmente incluso cuando están iluminadas directamente por la luz del sol. El sistema garantiza la producción de los colores correctos a pesar de la interferencia externa o las fuerzas g de las maniobras, una cualidad muy importante en entornos de aviación. El penetrón también ofrecía resoluciones más altas porque el fósforo era continuo, a diferencia de los pequeños puntos de un sistema de máscara de sombra. Además, la falta de la máscara de sombra hace que el penetrón sea mucho más robusto mecánicamente.
Sinclair experimentó con una variante de esta tecnología en sus primeras pantallas de televisión de bolsillo, pero no logró producir una versión RGB. Existen ejemplos de estos tubos como prototipos.