Un tubo de rayos catódicos ( TRC ) es un tubo de vacío que contiene uno o más cañones de electrones , que emiten haces de electrones que se manipulan para mostrar imágenes en una pantalla fosforescente . [2] Las imágenes pueden representar formas de onda eléctricas en un osciloscopio , un fotograma de vídeo en un televisor analógico (TV), gráficos rasterizados digitales en un monitor de ordenador u otros fenómenos como objetivos de radar . Un CRT en un televisor se denomina comúnmente tubo de imagen . Los CRT también se han utilizado como dispositivos de memoria , en cuyo caso la pantalla no está destinada a ser visible para un observador. El término rayo catódico se utilizó para describir los haces de electrones cuando se descubrieron por primera vez, antes de que se entendiera que lo que se emitía desde el cátodo era un haz de electrones.
En los televisores CRT y los monitores de ordenador, toda la zona frontal del tubo se escanea repetida y sistemáticamente en un patrón fijo llamado raster . En los dispositivos de color, se produce una imagen controlando la intensidad de cada uno de los tres haces de electrones , uno para cada color primario aditivo (rojo, verde y azul) con una señal de vídeo como referencia. [3] En los monitores y televisores CRT modernos, los haces se doblan mediante deflexión magnética , utilizando un yugo de deflexión . La deflexión electrostática se utiliza habitualmente en los osciloscopios . [3]
El tubo es una envoltura de vidrio pesada, frágil y larga desde la parte frontal de la pantalla hasta el extremo posterior. Su interior debe estar casi vacío para evitar que los electrones emitidos colisionen con las moléculas de aire y se dispersen antes de que lleguen a la cara del tubo. De este modo, el interior se vacía a menos de una millonésima parte de la presión atmosférica . [4] Por lo tanto, manipular un CRT conlleva el riesgo de una implosión violenta que puede lanzar el vidrio a gran velocidad. La cara suele estar hecha de vidrio de plomo grueso o vidrio especial de bario y estroncio para que sea resistente a las roturas y bloquee la mayoría de las emisiones de rayos X. Este tubo constituye la mayor parte del peso de los televisores CRT y los monitores de ordenador. [5] [6]
Desde principios de la década de 2010, los CRT han sido reemplazados por tecnologías de pantalla plana como LCD , pantalla de plasma y pantallas OLED , que son más económicas de fabricar y utilizar, además de ser significativamente más livianas y delgadas. Las pantallas planas también se pueden fabricar en tamaños muy grandes, mientras que 40-45 pulgadas (100-110 cm) era aproximadamente el tamaño más grande de un CRT. [7]
Un CRT funciona calentando eléctricamente una bobina de tungsteno [8] que a su vez calienta un cátodo en la parte posterior del CRT, lo que hace que emita electrones que son modulados y enfocados por electrodos. Los electrones son dirigidos por bobinas o placas deflectoras, y un ánodo los acelera hacia la pantalla recubierta de fósforo , que genera luz cuando es golpeada por los electrones. [9] [10] [11]
Los rayos catódicos fueron descubiertos por Julius Plücker y Johann Wilhelm Hittorf . [12] Hittorf observó que algunos rayos desconocidos se emitían desde el cátodo (electrodo negativo) que podían proyectar sombras en la pared brillante del tubo, lo que indicaba que los rayos viajaban en línea recta. En 1890, Arthur Schuster demostró que los rayos catódicos podían ser desviados por campos eléctricos , y William Crookes demostró que podían ser desviados por campos magnéticos. En 1897, J. J. Thomson logró medir la relación masa-carga de los rayos catódicos, demostrando que estaban formados por partículas con carga negativa más pequeñas que los átomos, las primeras « partículas subatómicas », que ya habían sido denominadas electrones por el físico irlandés George Johnstone Stoney en 1891. La primera versión del CRT se conocía como el «tubo Braun», inventado por el físico alemán Ferdinand Braun en 1897. [13] Era un diodo de cátodo frío , una modificación del tubo de Crookes con una pantalla recubierta de fósforo . Braun fue el primero en concebir el uso de un CRT como dispositivo de visualización. [14] El tubo Braun se convirtió en la base de la televisión del siglo XX. [15]
En 1908, Alan Archibald Campbell-Swinton , miembro de la Royal Society (Reino Unido), publicó una carta en la revista científica Nature , en la que describía cómo se podía lograr una "visión eléctrica distante" utilizando un tubo de rayos catódicos (o tubo "Braun") como dispositivo de transmisión y recepción. [16] Amplió su visión en un discurso pronunciado en Londres en 1911 y publicado en The Times [17] y en el Journal of the Röntgen Society . [18] [19]
El primer tubo de rayos catódicos que utilizó un cátodo caliente fue desarrollado por John Bertrand Johnson (quien dio su nombre al término ruido Johnson ) y Harry Weiner Weinhart de Western Electric , y se convirtió en un producto comercial en 1922. [20] La introducción de cátodos calientes permitió voltajes de ánodo de aceleración más bajos y corrientes de haz de electrones más altas, ya que el ánodo ahora solo aceleraba los electrones emitidos por el cátodo caliente, y ya no tenía que tener un voltaje muy alto para inducir la emisión de electrones desde el cátodo frío. [21]
En 1926, Kenjiro Takayanagi demostró un receptor de TV CRT con una cámara de video mecánica que recibía imágenes con una resolución de 40 líneas. [22] En 1927, mejoró la resolución a 100 líneas, que no tuvo rival hasta 1931. [23] En 1928, fue el primero en transmitir rostros humanos en medios tonos en una pantalla CRT. [24]
En 1927, Philo Farnsworth creó un prototipo de televisor. [25] [26] [27] [28] [29]
El CRT fue bautizado en 1929 por su inventor Vladimir K. Zworykin . [24] : 84 Posteriormente fue contratado por RCA , a la que se le concedió una marca registrada para el término "Kinescope", el término de RCA para un CRT, en 1932; liberó voluntariamente el término al dominio público en 1950. [30]
En la década de 1930, Allen B. DuMont fabricó los primeros CRT que duraban 1.000 horas de uso, lo que fue uno de los factores que llevaron a la adopción generalizada de la televisión. [31]
Los primeros televisores electrónicos fabricados comercialmente con tubos de rayos catódicos fueron fabricados por Telefunken en Alemania en 1934. [32] [33]
En 1947 se creó el dispositivo de entretenimiento de tubo de rayos catódicos , el juego electrónico interactivo más antiguo conocido , así como el primero en incorporar una pantalla de tubo de rayos catódicos. [34]
Desde 1949 hasta principios de los años 1960, hubo un cambio de los CRT circulares a los CRT rectangulares, aunque los primeros CRT rectangulares fueron fabricados en 1938 por Telefunken. [35] [21] [36] [37] [38] [39] Si bien los CRT circulares eran la norma, los televisores europeos a menudo bloqueaban partes de la pantalla para que pareciera algo rectangular, mientras que los televisores estadounidenses a menudo dejaban todo el frente del CRT expuesto o solo bloqueaban las partes superior e inferior del CRT. [40] [41]
En 1954, RCA produjo algunos de los primeros CRT en color, los CRT 15GP22 utilizados en el CT-100 , [42] el primer televisor en color que se produjo en masa . [43] Los primeros CRT en color rectangulares también se fabricaron en 1954. [44] [45] Sin embargo, los primeros CRT en color rectangulares que se ofrecieron al público se fabricaron en 1963. Uno de los desafíos que se tuvieron que resolver para producir el CRT en color rectangular fue la convergencia en las esquinas del CRT. [38] [37] En 1965, los fósforos de tierras raras más brillantes comenzaron a reemplazar a los fósforos rojos y verdes más tenues y que contenían cadmio. Finalmente, los fósforos azules también fueron reemplazados. [46] [47] [48] [49] [50] [51]
El tamaño de los CRT aumentó con el tiempo, de 20 pulgadas en 1938, [52] a 21 pulgadas en 1955, [53] [54] 25 pulgadas en 1974, 30 pulgadas en 1980, 35 pulgadas en 1985, [55] y 43 pulgadas en 1989. [56] Sin embargo, los CRT experimentales de 31 pulgadas se fabricaron ya en 1938. [57]
En 1960 se inventó el tubo de Aiken , un tubo de rayos catódicos con formato de pantalla plana y un único cañón de electrones. [58] [59] La deflexión era electrostática y magnética, pero debido a problemas de patentes, nunca se puso en producción. También se pensó en utilizarlo como pantalla de visualización frontal en aviones. [60] Cuando se resolvieron los problemas de patentes, RCA ya había invertido mucho en tubos de rayos catódicos convencionales. [61]
En 1968 se lanzó la marca Sony Trinitron con el modelo KV-1310, que se basaba en la tecnología Aperture Grille. Se elogió por haber mejorado el brillo de salida. La pantalla Trinitron era idéntica a su forma cilíndrica vertical debido a su exclusiva construcción de cañón único de triple cátodo.
En 1987, Zenith desarrolló los CRT de pantalla plana para monitores de ordenador, reduciendo los reflejos y ayudando a aumentar el contraste y el brillo de la imagen. [62] [63] Estos CRT eran caros, lo que limitaba su uso a los monitores de ordenador. [64] Se intentó producir CRT de pantalla plana utilizando vidrio flotado económico y ampliamente disponible . [65]
En 1990, se lanzó al mercado el primer CRT con resolución HD, el Sony KW-3600HD. El museo nacional de Japón lo considera "material histórico". [66] [67] El Sony KWP-5500HD, un televisor de proyección CRT de alta definición, se lanzó en 1992. [68]
A mediados de la década de 1990, se fabricaban unos 160 millones de CRT al año. [69]
A mediados de la década de 2000, Canon y Sony presentaron las pantallas de emisión de electrones por conducción superficial y las pantallas de emisión de campo , respectivamente. Ambas eran pantallas planas que tenían uno (SED) o varios (FED) emisores de electrones por subpíxel en lugar de cañones de electrones. Los emisores de electrones se colocaban sobre una lámina de vidrio y los electrones se aceleraban hasta una lámina de vidrio cercana con fósforos utilizando un voltaje de ánodo. Los electrones no estaban enfocados, lo que hacía que cada subpíxel fuera esencialmente un CRT de haz de inundación. Nunca se pusieron en producción en masa porque la tecnología LCD era significativamente más barata, lo que eliminó el mercado de este tipo de pantallas. [70]
El último fabricante a gran escala de CRT (en este caso, reciclados) [71] , Videocon , cesó su actividad en 2015. [72] [73] Los televisores CRT dejaron de fabricarse casi al mismo tiempo. [74]
En 2012, la Comisión Europea multó a Samsung SDI y a otras empresas importantes por fijar los precios de los tubos de rayos catódicos para televisores. [75] Lo mismo ocurrió en 2015 en los EE. UU. y en Canadá en 2018. [76] [77]
Las ventas mundiales de monitores de ordenador CRT alcanzaron su punto máximo en 2000, con 90 millones de unidades, mientras que las de televisores CRT alcanzaron su punto máximo en 2005, con 130 millones de unidades. [78]
A partir de finales de los años 1990 y principios de los años 2000, los CRT comenzaron a ser reemplazados por LCD, empezando primero con monitores de computadora de tamaño menor a 15 pulgadas, [79] en gran parte debido a su menor volumen. [80] Entre los primeros fabricantes en detener la producción de CRT estuvo Hitachi en 2001, [81] [82] seguido por Sony en Japón en 2004, [83] Las pantallas planas bajaron de precio y comenzaron a desplazar significativamente a los tubos de rayos catódicos en la década de 2000. Las ventas de monitores LCD comenzaron a superar las de los CRT en 2003-2004 [84] [85] [86] y las ventas de televisores LCD comenzaron a superar las de los CRT en algunos mercados en 2005. [87] Samsung SDI detuvo la producción de CRT en 2012. [88]
A pesar de haber sido un pilar de la tecnología de visualización durante décadas, los monitores de ordenador y televisores basados en CRT están ahora obsoletos . La demanda de pantallas CRT cayó a finales de la década de 2000. [89] A pesar de los esfuerzos de Samsung y LG para hacer que los CRT fueran competitivos con sus homólogos de LCD y plasma, ofreciendo modelos más delgados y baratos para competir con los LCD de tamaño similar y más caros, [90] [91] [92] [93] [94] Los CRT finalmente se volvieron obsoletos y fueron relegados a los mercados en desarrollo y a los entusiastas de lo vintage una vez que los LCD bajaron de precio, con su menor volumen, peso y capacidad para montarse en la pared como ventajas.
Algunas industrias aún utilizan CRT porque es demasiado esfuerzo, tiempo de inactividad y/o costo reemplazarlos, o no hay sustituto disponible; un ejemplo notable es la industria de las aerolíneas. Aviones como el Boeing 747-400 y el Airbus A320 usaban instrumentos CRT en sus cabinas de vidrio en lugar de instrumentos mecánicos. [95] Las aerolíneas como Lufthansa todavía usan tecnología CRT, que también utiliza disquetes para actualizaciones de navegación. [ cita requerida ] También se utilizan en algunos equipos militares por razones similares. A partir de 2022 [update], al menos una empresa fabrica nuevos CRT para estos mercados. [96]
Un uso popular de los CRT por parte de los consumidores es el de los juegos retro . Algunos juegos son imposibles de jugar sin un hardware de pantalla CRT. Las pistolas de luz solo funcionan en CRT porque dependen de las propiedades de sincronización progresiva de los CRT. Otra razón por la que la gente usa CRT es debido a la combinación natural de estas pantallas. Algunos juegos diseñados para pantallas CRT aprovechan esto, lo que les permite verse más agradables estéticamente en estas pantallas. [ cita requerida ]
El cuerpo de un CRT generalmente se compone de tres partes: una pantalla/placa frontal/panel, un cono/embudo y un cuello. [97] [98] [99] [100] [101] La pantalla, el embudo y el cuello unidos se conocen como bulbo o envoltura. [37]
El cuello está hecho de un tubo de vidrio [102] mientras que el embudo y la pantalla se hacen vertiendo y luego presionando el vidrio en un molde. [103] [104] [105] [106] [107] El vidrio, conocido como vidrio CRT [108] [109] o vidrio de TV, [110] necesita propiedades especiales para proteger contra los rayos X mientras proporciona una transmisión de luz adecuada en la pantalla o es muy aislante eléctricamente en el embudo y el cuello. La formulación que le da al vidrio sus propiedades también se conoce como la masa fundida. El vidrio es de muy alta calidad, siendo casi libre de contaminantes y defectos. La mayoría de los costos asociados con la producción de vidrio provienen de la energía utilizada para fundir las materias primas en vidrio. Los hornos de vidrio para la producción de vidrio CRT tienen varios grifos para permitir que los moldes se reemplacen sin detener el horno, para permitir la producción de CRT de varios tamaños. Solo el vidrio utilizado en la pantalla necesita tener propiedades ópticas precisas.
Las propiedades ópticas del vidrio utilizado en la pantalla afectan la reproducción y pureza del color en los CRT a color. La transmitancia, o la transparencia del vidrio, se puede ajustar para que sea más transparente a ciertos colores (longitudes de onda) de la luz. La transmitancia se mide en el centro de la pantalla con una luz de longitud de onda de 546 nm y una pantalla de 10,16 mm de espesor. La transmitancia disminuye a medida que aumenta el espesor. Las transmitancias estándar para las pantallas CRT a color son 86%, 73%, 57%, 46%, 42% y 30%. Se utilizan transmitancias más bajas para mejorar el contraste de la imagen, pero ejercen más presión sobre el cañón de electrones, lo que requiere más potencia en el cañón de electrones para que una mayor potencia del haz de electrones ilumine los fósforos con más intensidad para compensar la transmitancia reducida. [64] [111] La transmitancia debe ser uniforme en toda la pantalla para garantizar la pureza del color. El radio (curvatura) de las pantallas ha aumentado (se ha vuelto menos curva) con el tiempo, de 30 a 68 pulgadas, evolucionando finalmente hacia pantallas completamente planas, lo que reduce los reflejos. El grosor de las pantallas curvas [112] y planas aumenta gradualmente desde el centro hacia afuera y, con él, la transmitancia se reduce gradualmente. Esto significa que los CRT de pantalla plana pueden no ser completamente planos en el interior. [112] [113]
El vidrio utilizado en los CRT llega desde la fábrica de vidrio a la fábrica de CRT como pantallas y embudos separados con cuellos fusionados, para los CRT de color, o como bombillas compuestas de una pantalla, un embudo y un cuello fusionados. Había varias formulaciones de vidrio para diferentes tipos de CRT, que se clasificaban utilizando códigos específicos para cada fabricante de vidrio. Las composiciones de las masas fundidas también eran específicas para cada fabricante. [114] Aquellos optimizados para una alta pureza de color y contraste se doparon con neodimio, mientras que aquellos para CRT monocromos se tiñeron a diferentes niveles, dependiendo de la formulación utilizada y tenían transmitancias del 42% o 30%. [115] La pureza es asegurar que se activen los colores correctos (por ejemplo, asegurar que el rojo se muestre uniformemente en la pantalla) mientras que la convergencia asegura que las imágenes no se distorsionen. La convergencia puede modificarse utilizando un patrón de trama cruzada. [116] [117] [118]
El vidrio CRT solía ser fabricado por empresas especializadas [119] como AGC Inc. , [120] [121] [122] OI Glass , [123] Samsung Corning Precision Materials, [124] Corning Inc. , [125] [126] y Nippon Electric Glass ; [127] otras como Videocon, Sony para el mercado estadounidense y Thomson fabricaban su propio vidrio. [128] [129] [130] [131] [132]
El embudo y el cuello están hechos de vidrio de potasa-soda con plomo o vidrio de silicato de plomo [6] formulado para proteger contra los rayos X generados por electrones de alto voltaje a medida que desaceleran después de golpear un objetivo, como la pantalla de fósforo o la máscara de sombra de un CRT de color. La velocidad de los electrones depende del voltaje del ánodo del CRT; cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la velocidad. [133] La cantidad de rayos X emitidos por un CRT también se puede reducir reduciendo el brillo de la imagen. [134] [135] [136] [100] Se utiliza vidrio con plomo porque es económico, [137] al mismo tiempo que protege en gran medida contra los rayos X, aunque algunos embudos también pueden contener bario. [138] [139] [140] [115] La pantalla suele estar hecha de una formulación especial de vidrio de silicato sin plomo [6] con bario y estroncio para proteger contra los rayos X, ya que no se oscurece a diferencia del vidrio que contiene plomo. [137] [141] Otra formulación de vidrio utiliza entre un 2 y un 3 % de plomo en la pantalla. [100] Alternativamente, también se puede utilizar circonio en la pantalla en combinación con bario, en lugar de plomo. [142]
Los CRT monocromáticos pueden tener una formulación de vidrio de bario-plomo tintado tanto en la pantalla como en el embudo, con un vidrio de potasa-sosa-plomo en el cuello; las formulaciones de potasa-sosa y bario-plomo tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. El vidrio utilizado en el cuello debe ser un excelente aislante eléctrico para contener los voltajes utilizados en la óptica electrónica del cañón de electrones, como las lentes de enfoque. El plomo en el vidrio hace que se dore (oscurezca) con el uso debido a los rayos X, generalmente el cátodo del CRT se desgasta debido al envenenamiento del cátodo antes de que el oscurecimiento se vuelva evidente. La formulación del vidrio determina el voltaje de ánodo más alto posible y, por lo tanto, el tamaño máximo posible de la pantalla del CRT. Para el color, los voltajes máximos suelen ser de 24 a 32 kV, mientras que para el monocromo suelen ser de 21 o 24,5 kV, [143] lo que limita el tamaño de los CRT monocromáticos a 21 pulgadas, o ~1 kV por pulgada. El voltaje necesario depende del tamaño y el tipo de CRT. [144] Dado que las formulaciones son diferentes, deben ser compatibles entre sí y tener coeficientes de expansión térmica similares. [115] La pantalla también puede tener un revestimiento antideslumbrante o antirreflejo, [145] [111] [146] o estar rectificada para evitar reflejos. [147] Los CRT también pueden tener un revestimiento antiestático. [111] [148] [64]
El vidrio con plomo en los embudos de los CRT puede contener entre un 21 y un 25 % de óxido de plomo (PbO), [149] [150] [114] El cuello puede contener entre un 30 y un 40 % de óxido de plomo, [151] [152] y la pantalla puede contener un 12 % de óxido de bario y un 12 % de óxido de estroncio . [6] Un CRT típico contiene varios kilogramos de plomo como óxido de plomo en el vidrio [101] dependiendo de su tamaño; los CRT de 12 pulgadas contienen 0,5 kg de plomo en total, mientras que los CRT de 32 pulgadas contienen hasta 3 kg. [6] El óxido de estroncio comenzó a usarse en los CRT, su principal aplicación, en la década de 1970. [153] [154] Antes de esto, los CRT usaban plomo en la placa frontal. [155]
Algunos de los primeros CRT utilizaban un embudo de metal aislado con polietileno en lugar de vidrio con material conductor. [53] Otros tenían embudos de cerámica o Pyrex soplado en lugar de embudos de vidrio prensado. [156] [157] [39] [158] [159] Los primeros CRT no tenían una conexión de tapa de ánodo dedicada; el embudo era la conexión del ánodo, por lo que estaba activo durante el funcionamiento. [160]
El embudo está recubierto por dentro y por fuera con un revestimiento conductor, [161] [162] convirtiendo al embudo en un condensador, ayudando a estabilizar y filtrar el voltaje del ánodo del CRT, y reduciendo significativamente la cantidad de tiempo necesario para encender un CRT. La estabilidad proporcionada por el revestimiento resolvió problemas inherentes a los primeros diseños de fuentes de alimentación, ya que utilizaban tubos de vacío. Debido a que el embudo se utiliza como condensador, el vidrio utilizado en el embudo debe ser un excelente aislante eléctrico ( dieléctrico ). El revestimiento interior tiene un voltaje positivo (el voltaje del ánodo que puede ser de varios kV) mientras que el revestimiento exterior está conectado a tierra. Los CRT alimentados por fuentes de alimentación más modernas no necesitan estar conectados a tierra , debido al diseño más robusto de las fuentes de alimentación modernas. El valor del condensador formado por el embudo es de 5–10 nF , aunque al voltaje con el que normalmente se suministra el ánodo. El condensador formado por el embudo también puede sufrir absorción dieléctrica , de forma similar a otros tipos de condensadores. [163] [143] [164] [165] [161] [115] Debido a esto, los CRT deben descargarse [166] antes de manipularlos para evitar lesiones.
La profundidad de un CRT está relacionada con el tamaño de su pantalla. [167] Los ángulos de deflexión habituales eran 90° para los CRT de monitores de ordenador y los CRT pequeños y 110°, que era el estándar en los CRT de TV más grandes, y 120 o 125° se utilizaban en los CRT delgados fabricados desde 2001-2005 en un intento de competir con los televisores LCD. [168] [111] [93] [99] [169] Con el tiempo, los ángulos de deflexión aumentaron a medida que se volvieron prácticos, de 50° en 1938 a 110° en 1959, [21] y 125° en la década de 2000. Los CRT con deflexión de 140° se investigaron, pero nunca se comercializaron, ya que los problemas de convergencia [ aclaración necesaria ] nunca se resolvieron. [170]
El tamaño de un CRT se puede medir por el área total de la pantalla (o diagonal frontal ) o alternativamente solo por su área visible (o diagonal) que está recubierta de fósforo y rodeada de bordes negros. [162] [171]
Si bien el área visible puede ser rectangular, los bordes del CRT pueden tener una curvatura (por ejemplo, los CRT de franja negra, fabricados por primera vez por Toshiba en 1972) [132] o los bordes pueden ser negros y verdaderamente planos (por ejemplo, los CRT Flatron), [112] [132] [172] o el área visible puede seguir la curvatura de los bordes del CRT (con o sin bordes negros o bordes curvos). [173] [174] [175]
Los CRT pequeños de menos de 3 pulgadas se fabricaron para televisores portátiles como el MTV-1 y visores de videocámaras. En estos, puede que no haya bordes negros, pero son verdaderamente planos. [176] [164] [177] [178] [179]
La mayor parte del peso de un CRT proviene de la pantalla de vidrio grueso, que comprende el 65% del peso total de un CRT y limita su tamaño práctico (ver § Tamaño). El embudo y el vidrio del cuello comprenden el 30% y el 5% restantes respectivamente. El vidrio en el embudo puede variar en espesor, para unir el cuello delgado con la pantalla gruesa. [180] [181] [6] [5] Se puede utilizar vidrio templado químicamente o térmicamente para reducir el peso del vidrio del CRT. [182] [183] [184] [185]
El revestimiento conductor exterior está conectado a tierra mientras que el revestimiento conductor interior está conectado usando el botón/tapa del ánodo a través de una serie de condensadores y diodos (un generador Cockcroft-Walton ) al transformador flyback de alto voltaje ; el revestimiento interior es el ánodo del CRT, [186] que, junto con un electrodo en el cañón de electrones, también se conoce como el ánodo final. [187] [188] El revestimiento interior está conectado al electrodo mediante resortes. El electrodo forma parte de una lente bipotencial. [188] [189] Los condensadores y diodos sirven como un multiplicador de voltaje para la corriente entregada por el flyback.
Para el revestimiento del embudo interior, los CRT monocromáticos utilizan aluminio, mientras que los CRT de color utilizan aquadag ; [115] Algunos CRT pueden utilizar óxido de hierro en el interior. [6] En el exterior, la mayoría de los CRT (pero no todos) [190] utilizan aquadag. [191] Aquadag es una pintura a base de grafito conductora de electricidad. En los CRT de color, el aquadag se rocía en el interior del embudo [192] [115] mientras que históricamente el aquadag se pintaba en el interior de los CRT monocromáticos. [21]
El ánodo se utiliza para acelerar los electrones hacia la pantalla y también recoge los electrones secundarios que son emitidos por las partículas de fósforo en el vacío del CRT. [193] [194] [195] [196] [21]
La conexión de la tapa del ánodo en los CRT modernos debe poder soportar hasta 55–60kV dependiendo del tamaño y el brillo del CRT. Los voltajes más altos permiten CRT más grandes, mayor brillo de imagen o un equilibrio entre los dos. [197] [144] Consiste en un clip de metal que se expande en el interior de un botón de ánodo que está incrustado en el vidrio del embudo del CRT. [198] [199] La conexión está aislada por una ventosa de silicona, posiblemente también usando grasa de silicona para evitar la descarga de corona . [200] [201]
El botón del ánodo debe tener una forma especial para establecer un sello hermético entre el botón y el embudo. Los rayos X pueden filtrarse a través del botón del ánodo, aunque ese puede no ser el caso en los CRT más nuevos a partir de fines de la década de 1970 hasta principios de la década de 1980, gracias a un nuevo diseño de botón y clip. [144] [202] El botón puede constar de un conjunto de 3 copas anidadas, con la copa más externa hecha de una aleación de níquel-cromo-hierro que contiene 40-49% de níquel y 3-6% de cromo para hacer que el botón sea fácil de fusionar al vidrio del embudo, con una primera copa interna hecha de hierro grueso y económico para proteger contra los rayos X, y con la segunda copa más interna también hecha de hierro o cualquier otro metal conductor de electricidad para conectarse al clip. Las copas deben ser lo suficientemente resistentes al calor y tener coeficientes de expansión térmica similares a los del vidrio del embudo para soportar ser fusionadas al vidrio del embudo. El lado interior del botón está conectado al revestimiento conductor interior del CRT. [194] El botón de ánodo puede estar unido al embudo mientras se lo presiona para darle forma en un molde. [203] [204] [144] Alternativamente, el blindaje contra rayos X puede estar integrado en el clip. [205]
El transformador flyback también se conoce como IHVT (transformador de alto voltaje integrado) si incluye un multiplicador de voltaje. El flyback utiliza un núcleo de hierro en polvo o cerámico para permitir un funcionamiento eficiente a altas frecuencias. El flyback contiene un devanado primario y muchos secundarios que proporcionan varios voltajes diferentes. El devanado secundario principal suministra al multiplicador de voltaje pulsos de voltaje para, en última instancia, suministrar al CRT el alto voltaje de ánodo que utiliza, mientras que los devanados restantes suministran el voltaje del filamento del CRT, los pulsos de manipulación, el voltaje de enfoque y los voltajes derivados de la trama de escaneo. Cuando se apaga el transformador, el campo magnético del flyback colapsa rápidamente, lo que induce un alto voltaje en sus devanados. La velocidad a la que colapsa el campo magnético determina el voltaje que se induce, por lo que el voltaje aumenta junto con su velocidad. Se utiliza un condensador (condensador de sincronización de retroceso) o una serie de condensadores (para proporcionar redundancia) para ralentizar el colapso del campo magnético. [206] [207]
El diseño de la fuente de alimentación de alto voltaje en un producto que utiliza un CRT tiene una influencia en la cantidad de rayos X emitidos por el CRT. La cantidad de rayos X emitidos aumenta con voltajes y corrientes más altos. Si el producto, como un televisor, utiliza una fuente de alimentación de alto voltaje no regulada, lo que significa que el voltaje del ánodo y del foco disminuyen con el aumento de la corriente de electrones cuando se muestra una imagen brillante, la cantidad de rayos X emitidos es la más alta cuando el CRT muestra imágenes moderadamente brillantes, ya que cuando se muestran imágenes oscuras o brillantes, el voltaje más alto del ánodo contrarresta la corriente más baja del haz de electrones y viceversa respectivamente. Los tubos de vacío del regulador de alto voltaje y del rectificador en algunos televisores CRT antiguos también pueden emitir rayos X. [155]
El cañón de electrones emite los electrones que finalmente golpean los fósforos en la pantalla del CRT. El cañón de electrones contiene un calentador, que calienta un cátodo, que genera electrones que, utilizando rejillas, se enfocan y finalmente se aceleran en la pantalla del CRT. La aceleración se produce en conjunción con el revestimiento interior de aluminio o aquadag del CRT. El cañón de electrones se coloca de manera que apunte al centro de la pantalla. [188] Está dentro del cuello del CRT, y se mantiene unido y montado en el cuello utilizando perlas de vidrio o varillas de soporte de vidrio, que son las tiras de vidrio en el cañón de electrones. [21] [188] [208] El cañón de electrones se fabrica por separado y luego se coloca dentro del cuello a través de un proceso llamado "bobinado" o sellado. [65] [209] [210] [211] [212] [213] El cañón de electrones tiene una oblea de vidrio que se fusiona al cuello del CRT. Las conexiones al cañón de electrones penetran la oblea de vidrio. [210] [214] Una vez que el cañón de electrones está dentro del cuello, sus partes metálicas (rejillas) se arquean entre sí utilizando alto voltaje para suavizar los bordes ásperos en un proceso llamado golpeteo puntual, para evitar que los bordes ásperos en las rejillas generen electrones secundarios. [215] [216] [217]
El cañón de electrones tiene un cátodo caliente calentado indirectamente que se calienta mediante un elemento calefactor de filamento de tungsteno; el calentador puede extraer de 0,5 a 2 A de corriente según el CRT. El voltaje aplicado al calentador puede afectar la vida útil del CRT. [218] [219] Calentar el cátodo energiza los electrones en él, lo que ayuda a la emisión de electrones, [220] mientras que al mismo tiempo se suministra corriente al cátodo; típicamente en cualquier lugar de 140 mA a 1,5 V a 600 mA a 6,3 V. [221] El cátodo crea una nube de electrones (emite electrones) cuyos electrones se extraen, aceleran y enfocan en un haz de electrones. [21] Los CRT de color tienen tres cátodos: uno para rojo, verde y azul. El calentador se encuentra dentro del cátodo pero no lo toca; el cátodo tiene su propia conexión eléctrica separada. El cátodo es un material recubierto sobre una pieza de níquel que proporciona la conexión eléctrica y el soporte estructural; El calentador se encuentra dentro de esta pieza sin tocarla. [186] [222] [223] [224]
Existen varios cortocircuitos que pueden ocurrir en un cañón de electrones de un CRT. Uno de ellos es un cortocircuito entre el calentador y el cátodo, que hace que el cátodo emita permanentemente electrones que pueden causar una imagen con un tinte rojo, verde o azul brillante con líneas de retroceso, según el cátodo o los cátodos afectados. Alternativamente, el cátodo puede hacer cortocircuito con la rejilla de control, posiblemente causando efectos similares, o la rejilla de control y la rejilla de la pantalla (G2) [225] pueden hacer cortocircuito causando una imagen muy oscura o ninguna imagen en absoluto. El cátodo puede estar rodeado por un blindaje para evitar la pulverización catódica . [226] [227]
El cátodo es una capa de óxido de bario que se recubre sobre una pieza de níquel para soporte eléctrico y mecánico. [228] [143] El óxido de bario debe activarse mediante calor para permitir que libere electrones. La activación es necesaria porque el óxido de bario no es estable en el aire, por lo que se aplica al cátodo como carbonato de bario, que no puede emitir electrones. La activación calienta el carbonato de bario para descomponerlo en óxido de bario y dióxido de carbono mientras se forma una capa delgada de bario metálico en el cátodo. [229] [228] La activación se realiza al formar el vacío (descrito en § Evacuación). Después de la activación, el óxido puede resultar dañado por varios gases comunes como vapor de agua, dióxido de carbono y oxígeno. [230] Alternativamente, se puede utilizar carbonato de bario, estroncio y calcio en lugar de carbonato de bario, produciendo óxidos de bario, estroncio y calcio después de la activación. [231] [21] Durante el funcionamiento, el óxido de bario se calienta a 800–1000 °C, momento en el que comienza a desprender electrones. [232] [143] [220]
Al ser un cátodo caliente, es propenso al envenenamiento catódico, que es la formación de una capa de iones positivos que impide que el cátodo emita electrones, reduciendo significativamente o completamente el brillo de la imagen y haciendo que el enfoque y la intensidad se vean afectados por la frecuencia de la señal de vídeo impidiendo que el CRT muestre imágenes detalladas. Los iones positivos provienen de moléculas de aire sobrantes en el interior del CRT o del propio cátodo [21] que reaccionan con el tiempo con la superficie del cátodo caliente. [233] [227] Se pueden añadir metales reductores como manganeso, circonio, magnesio, aluminio o titanio a la pieza de níquel para alargar la vida del cátodo, ya que durante la activación, los metales reductores se difunden en el óxido de bario, mejorando su vida útil, especialmente a altas corrientes de haz de electrones. [234] En los CRT a color con cátodos rojo, verde y azul, uno o más cátodos pueden verse afectados independientemente de los demás, provocando la pérdida total o parcial de uno o más colores. [227] Los CRT pueden desgastarse o quemarse debido al envenenamiento del cátodo. El envenenamiento del cátodo se acelera con el aumento de la corriente del cátodo (sobreexcitación). [235] En los CRT de color, dado que hay tres cátodos, uno para rojo, verde y azul, uno o más cátodos envenenados pueden causar la pérdida parcial o total de uno o más colores, tiñendo la imagen. [227] La capa también puede actuar como un condensador en serie con el cátodo, induciendo un retraso térmico. El cátodo puede estar hecho de óxido de escandio o incorporarlo como dopante, para retrasar el envenenamiento del cátodo, extendiendo la vida del cátodo hasta en un 15%. [236] [143] [237]
La cantidad de electrones generados por los cátodos está relacionada con su área de superficie. Un cátodo con mayor área de superficie crea más electrones, en una nube de electrones más grande, lo que hace que sea más difícil enfocar la nube de electrones en un haz de electrones. [235] Normalmente, solo una parte del cátodo emite electrones a menos que el CRT muestre imágenes con partes que estén en brillo de imagen completo; solo las partes en brillo completo hacen que todo el cátodo emita electrones. El área del cátodo que emite electrones crece desde el centro hacia afuera a medida que aumenta el brillo, por lo que el desgaste del cátodo puede ser desigual. Cuando solo se desgasta el centro del cátodo, el CRT puede iluminar intensamente aquellas partes de las imágenes que tienen brillo de imagen completo pero no mostrar partes más oscuras de las imágenes en absoluto, en tal caso el CRT muestra una característica gamma deficiente. [227]
Una corriente negativa [238] se aplica a la primera rejilla (de control) (G1) para converger los electrones del cátodo caliente, creando un haz de electrones. G1 en la práctica es un cilindro Wehnelt . [221] [239] El brillo de la pantalla no se controla variando el voltaje del ánodo ni la corriente del haz de electrones (nunca se varían) a pesar de que tienen una influencia en el brillo de la imagen, sino que el brillo de la imagen se controla variando la diferencia de voltaje entre el cátodo y la rejilla de control G1. La segunda rejilla (pantalla) del cañón (G2) acelera entonces los electrones hacia la pantalla usando varios cientos de voltios de CC. Luego, una tercera rejilla (G3) enfoca electrostáticamente el haz de electrones antes de que se desvíe y luego se acelere por el voltaje del ánodo sobre la pantalla. [240] El enfoque electrostático del haz de electrones se puede lograr usando una lente einzel energizada a hasta 600 voltios. [241] [229] Antes del enfoque electrostático, enfocar el haz de electrones requería un sistema de enfoque mecánico grande, pesado y complejo colocado fuera del cañón de electrones. [160]
Sin embargo, el enfoque electrostático no se puede lograr cerca del ánodo final del CRT debido a su alto voltaje en las docenas de kilovoltios, por lo que se puede utilizar un electrodo de alto voltaje (≈600–8000 V) [242] , junto con un electrodo en el voltaje del ánodo final del CRT, para enfocar en su lugar. Tal disposición se llama lente bipotencial, que también ofrece un mayor rendimiento que una lente einzel, o el enfoque se puede lograr utilizando una bobina de enfoque magnético junto con un alto voltaje de ánodo de docenas de kilovoltios. Sin embargo, el enfoque magnético es costoso de implementar, por lo que rara vez se utiliza en la práctica. [186] [229] [243] [244] Algunos CRT pueden utilizar dos rejillas y lentes para enfocar el haz de electrones. [236] El voltaje de enfoque se genera en el flyback utilizando un subconjunto del devanado de alto voltaje del flyback junto con un divisor de voltaje resistivo. El electrodo de enfoque está conectado junto con las otras conexiones que están en el cuello del CRT. [245]
Existe un voltaje llamado voltaje de corte que es el voltaje que crea el negro en la pantalla ya que hace que la imagen en la pantalla creada por el haz de electrones desaparezca, el voltaje se aplica a G1. En un CRT de color con tres cañones, los cañones tienen diferentes voltajes de corte. Muchos CRT comparten la rejilla G1 y G2 en los tres cañones, lo que aumenta el brillo de la imagen y simplifica el ajuste ya que en dichos CRT hay un solo voltaje de corte para los tres cañones (ya que G1 se comparte entre todos los cañones). [188] pero colocando una tensión adicional en el amplificador de video utilizado para alimentar el video a los cátodos del cañón de electrones, ya que el voltaje de corte se vuelve más alto. Los CRT monocromos no sufren este problema. En los CRT monocromos, el video se alimenta al cañón variando el voltaje en la primera rejilla de control. [246] [160]
Durante el retroceso del haz de electrones, el preamplificador que alimenta el amplificador de video se desactiva y el amplificador de video se polariza a un voltaje más alto que el voltaje de corte para evitar que se muestren las líneas de retroceso, o G1 puede tener un voltaje negativo grande aplicado para evitar que los electrones salgan del cátodo. [21] Esto se conoce como supresión. (ver Intervalo de supresión vertical e Intervalo de supresión horizontal ). La polarización incorrecta puede provocar líneas de retroceso visibles en uno o más colores, creando líneas de retroceso que están teñidas o son blancas (por ejemplo, teñidas de rojo si el color rojo se ve afectado, teñidas de magenta si los colores rojo y azul se ven afectados, y blancas si todos los colores se ven afectados). [247] [248] [249] Alternativamente, el amplificador puede ser controlado por un procesador de video que también introduce un OSD (On Screen Display) en la secuencia de video que se alimenta al amplificador, utilizando una señal de supresión rápida. [250] Los televisores y monitores de ordenador que incorporan CRT necesitan un circuito de restauración de CC para proporcionar una señal de vídeo al CRT con un componente de CC, restaurando el brillo original de diferentes partes de la imagen. [251]
El haz de electrones puede verse afectado por el campo magnético de la Tierra, lo que hace que entre normalmente en la lente de enfoque descentrado; esto se puede corregir utilizando controles de astigmatización. Los controles de astigmatización son tanto magnéticos como electrónicos (dinámicos); el magnético hace la mayor parte del trabajo mientras que el electrónico se utiliza para los ajustes finos. [252] Uno de los extremos del cañón de electrones tiene un disco de vidrio, cuyos bordes están fusionados con el borde del cuello del CRT, posiblemente utilizando frita ; [253] los cables metálicos que conectan el cañón de electrones al exterior pasan a través del disco. [254]
Algunos cañones de electrones tienen una lente cuadrupolo con enfoque dinámico para alterar la forma y ajustar el enfoque del haz de electrones, variando el voltaje de enfoque dependiendo de la posición del haz de electrones para mantener la nitidez de la imagen en toda la pantalla, especialmente en las esquinas. [111] [255] [256] [257] [258] También pueden tener una resistencia de purga para derivar voltajes para las rejillas a partir del voltaje final del ánodo. [259] [260] [261]
Después de fabricarse los CRT, se los envejeció para permitir que la emisión del cátodo se estabilizara. [262] [263]
Los cañones de electrones en los CRT de color son accionados por un amplificador de vídeo que toma una señal por canal de color y la amplifica a 40–170 V por canal, para ser alimentada a los cátodos del cañón de electrones; [249] cada cañón de electrones tiene su propio canal (uno por color) y todos los canales pueden ser accionados por el mismo amplificador, que internamente tiene tres canales separados. [264] Las capacidades del amplificador limitan la resolución, la frecuencia de actualización y la relación de contraste del CRT, ya que el amplificador necesita proporcionar un alto ancho de banda y variaciones de voltaje al mismo tiempo; las resoluciones y frecuencias de actualización más altas necesitan mayores anchos de banda (velocidad a la que se puede variar el voltaje y, por lo tanto, cambiar entre blanco y negro) y las relaciones de contraste más altas necesitan mayores variaciones de voltaje o amplitud para niveles de negro más bajos y blanco más altos. 30 MHz de ancho de banda generalmente pueden proporcionar una resolución de 720p o 1080i, mientras que 20 MHz generalmente proporcionan alrededor de 600 líneas (horizontales, de arriba a abajo) de resolución, por ejemplo. [265] [249] La diferencia de voltaje entre el cátodo y la rejilla de control es lo que modula el haz de electrones, modulando su corriente y creando así matices de colores que crean la imagen línea por línea y esto también puede afectar el brillo de la imagen. [227] Los fósforos utilizados en los CRT de color producen diferentes cantidades de luz para una cantidad dada de energía, por lo que para producir blanco en un CRT de color, los tres cañones deben emitir diferentes cantidades de energía. El cañón que emite más energía es el cañón rojo, ya que el fósforo rojo emite la menor cantidad de luz. [249]
Los CRT tienen una característica de triodo pronunciada , que da como resultado una gamma significativa (una relación no lineal en un cañón de electrones entre el voltaje de video aplicado y la intensidad del haz). [266]
Existen dos tipos de deflexión: magnética y electrostática. La magnética se utiliza generalmente en televisores y monitores, ya que permite ángulos de deflexión más altos (y, por lo tanto, CRT más superficiales) y potencia de deflexión (que permite una mayor corriente del haz de electrones y, por lo tanto, imágenes más brillantes) [267] al tiempo que evita la necesidad de altos voltajes para la deflexión de hasta 2 kV, [169] mientras que los osciloscopios a menudo utilizan la deflexión electrostática, ya que las formas de onda sin procesar capturadas por el osciloscopio se pueden aplicar directamente (después de la amplificación) a las placas de deflexión electrostática verticales dentro del CRT. [268]
Los que utilizan deflexión magnética pueden utilizar un yugo que tiene dos pares de bobinas de deflexión; un par para la deflexión vertical y otro para la horizontal. [269] El yugo puede estar unido (ser integral) o ser removible. Los que estaban unidos utilizaban pegamento [270] o un plástico [271] para unir el yugo al área entre el cuello y el embudo del CRT, mientras que los que tenían yugos removibles estaban sujetos con abrazaderas. [272] [117] El yugo genera calor cuya eliminación es esencial ya que la conductividad del vidrio aumenta con el aumento de la temperatura, el vidrio debe ser aislante para que el CRT siga siendo utilizable como un condensador. La temperatura del vidrio debajo del yugo se verifica así durante el diseño de un nuevo yugo. [143] El yugo contiene las bobinas de deflexión y convergencia con un núcleo de ferrita para reducir la pérdida de fuerza magnética [273] [269] así como los anillos magnetizados utilizados para alinear o ajustar los haces de electrones en los CRT de color (los anillos de pureza de color y convergencia, por ejemplo) [274] y los CRT monocromos. [275] [276] El yugo se puede conectar utilizando un conector, el orden en el que se conectan las bobinas de deflexión del yugo determina la orientación de la imagen mostrada por el CRT. [166] Las bobinas de deflexión se pueden mantener en su lugar utilizando pegamento de poliuretano. [270]
Las bobinas de deflexión son accionadas por señales de diente de sierra [277] [278] [249] que pueden ser entregadas a través de VGA como señales de sincronización horizontal y vertical. [279] Un CRT necesita dos circuitos de deflexión: un circuito horizontal y uno vertical, que son similares excepto que el circuito horizontal funciona a una frecuencia mucho más alta (una frecuencia de barrido horizontal ) de 15–240 kHz dependiendo de la frecuencia de actualización del CRT y el número de líneas horizontales a dibujar (la resolución vertical del CRT). La frecuencia más alta lo hace más susceptible a interferencias, por lo que se puede utilizar un circuito de control automático de frecuencia (AFC) para bloquear la fase de la señal de deflexión horizontal a la de una señal de sincronización, para evitar que la imagen se distorsione diagonalmente. La frecuencia vertical varía según la frecuencia de actualización del CRT. Por lo tanto, un CRT con una frecuencia de actualización de 60 Hz tiene un circuito de deflexión vertical que funciona a 60 Hz. Las señales de deflexión horizontal y vertical se pueden generar utilizando dos circuitos que funcionan de manera diferente; La señal de deflexión horizontal puede generarse utilizando un oscilador controlado por voltaje (VCO), mientras que la señal vertical puede generarse utilizando un oscilador de relajación activado. En muchos televisores, las frecuencias a las que funcionan las bobinas de deflexión están determinadas en parte por el valor de inductancia de las bobinas. [280] [249] Los CRT tenían diferentes ángulos de deflexión; cuanto mayor era el ángulo de deflexión, más superficial era el CRT [281] para un tamaño de pantalla determinado, pero a costa de una mayor potencia de deflexión y un menor rendimiento óptico. [143] [282]
Una mayor potencia de deflexión significa que se envía más corriente [283] a las bobinas de deflexión para doblar el haz de electrones en un ángulo mayor, [111] lo que a su vez puede generar más calor o requerir electrónica que pueda manejar la mayor potencia. [282] El calor se genera debido a las pérdidas resistivas y del núcleo. [284] La potencia de deflexión se mide en mA por pulgada. [249] Las bobinas de deflexión verticales pueden requerir ~24 voltios, mientras que las bobinas de deflexión horizontales requieren ~120 voltios para funcionar.
Las bobinas de deflexión son accionadas por amplificadores de deflexión. [285] Las bobinas de deflexión horizontal también pueden ser accionadas en parte por la etapa de salida horizontal de un televisor. La etapa contiene un condensador que está en serie con las bobinas de deflexión horizontal que realiza varias funciones, entre ellas: dar forma a la señal de deflexión de dientes de sierra para que coincida con la curvatura del CRT y centrar la imagen evitando que se desarrolle una polarización de CC en la bobina. Al comienzo del retroceso, el campo magnético de la bobina colapsa, lo que hace que el haz de electrones regrese al centro de la pantalla, mientras que al mismo tiempo la bobina devuelve energía a los condensadores, cuya energía se utiliza luego para obligar al haz de electrones a ir a la izquierda de la pantalla. [206]
Debido a la alta frecuencia a la que funcionan las bobinas de deflexión horizontal, la energía en las bobinas de deflexión debe reciclarse para reducir la disipación de calor. El reciclaje se realiza transfiriendo la energía del campo magnético de las bobinas de deflexión a un conjunto de condensadores. [206] El voltaje en las bobinas de deflexión horizontal es negativo cuando el haz de electrones está en el lado izquierdo de la pantalla y positivo cuando el haz de electrones está en el lado derecho de la pantalla. La energía necesaria para la deflexión depende de la energía de los electrones. [286] Los haces de electrones de mayor energía (voltaje y/o corriente) necesitan más energía para ser desviados, [133] y se utilizan para lograr un mayor brillo de imagen. [287] [288] [197]
Se utiliza principalmente en osciloscopios. La deflexión se lleva a cabo aplicando un voltaje a través de dos pares de placas, una para la deflexión horizontal y la otra para la vertical. El haz de electrones se dirige variando la diferencia de voltaje a través de las placas de un par; por ejemplo, aplicar un voltaje a la placa superior del par de deflexión vertical, mientras se mantiene el voltaje en la placa inferior a 0 voltios, hará que el haz de electrones se desvíe hacia la parte superior de la pantalla; aumentar el voltaje en la placa superior mientras se mantiene la placa inferior a 0 hará que el haz de electrones se desvíe a un punto más alto en la pantalla (hará que el haz se desvíe en un ángulo de deflexión mayor). Lo mismo se aplica con las placas de deflexión horizontales. Aumentar la longitud y la proximidad entre las placas de un par también puede aumentar el ángulo de deflexión. [289]
El efecto burn-in se produce cuando las imágenes se "queman" físicamente en la pantalla del CRT; esto ocurre debido a la degradación de los fósforos debido al bombardeo prolongado de electrones sobre los fósforos, y sucede cuando una imagen fija o un logotipo se deja demasiado tiempo en la pantalla, lo que hace que aparezca como una imagen "fantasma" o, en casos graves, también cuando el CRT está apagado. Para contrarrestar esto, se utilizaron protectores de pantalla en las computadoras para minimizar el efecto burn-in. [290] El efecto burn-in no es exclusivo de los CRT, ya que también ocurre en las pantallas de plasma y las pantallas OLED.
El vacío parcial del CRT de 0,01 pascales (1 × 10 −7 atm) [291] a 0,1 micropascales (1 × 10 −12 atm) o menos [292] se evacua o se agota en un horno de ~375–475 °C en un proceso llamado horneado o horneado . [293] El proceso de evacuación también desgasifica cualquier material dentro del CRT, mientras que descompone otros como el alcohol polivinílico utilizado para aplicar los fósforos. [294] El calentamiento y el enfriamiento se realizan gradualmente para evitar inducir estrés, endurecer y posiblemente agrietar el vidrio; el horno calienta los gases dentro del CRT, aumentando la velocidad de las moléculas de gas, lo que aumenta las posibilidades de que sean extraídas por la bomba de vacío. La temperatura del CRT se mantiene por debajo de la del horno, y el horno comienza a enfriarse justo después de que el CRT alcanza los 400 °C, o bien, el CRT se mantuvo a una temperatura superior a 400 °C durante 15 a 55 minutos. El CRT se calentó durante o después de la evacuación, y el calor puede haberse utilizado simultáneamente para fundir la frita en el CRT, uniendo la pantalla y el embudo. [295] [296] [297] La bomba utilizada es una bomba turbomolecular o una bomba de difusión . [298] [299] [300] [301] Anteriormente también se utilizaban bombas de vacío de mercurio. [302] [303] Después de hornear, el CRT se desconecta ("se sella o se inclina") de la bomba de vacío. [304] [305] [306] A continuación, se enciende el captador utilizando una bobina de RF (inducción). El captador suele estar en el embudo o en el cuello del CRT. [307] [308] El material absorbente, que a menudo está basado en bario, atrapa las partículas de gas restantes a medida que se evaporan debido al calentamiento inducido por la bobina de RF (que puede combinarse con el calentamiento exotérmico dentro del material); el vapor llena el CRT, atrapando las moléculas de gas que encuentra y se condensa en el interior del CRT formando una capa que contiene moléculas de gas atrapadas. El hidrógeno puede estar presente en el material para ayudar a distribuir el vapor de bario. El material se calienta a temperaturas superiores a 1000 °C, lo que hace que se evapore. [309] [310] [230] La pérdida parcial de vacío en un CRT puede dar como resultado una imagen borrosa, un brillo azul en el cuello del CRT, descargas disruptivas, pérdida de emisión del cátodo o problemas de enfoque. [160]
Los CRT solían ser reconstruidos, reparados o renovados. El proceso de reconstrucción incluía el desmontaje del CRT, el desmontaje y la reparación o sustitución de los cañones de electrones, la eliminación y redeposición de fósforos y aquadag , etc. La reconstrucción fue popular hasta la década de 1960 porque los CRT eran caros y se desgastaban rápidamente, lo que hacía que valiera la pena repararlos. [307] El último reconstructor de CRT en los EE. UU. cerró en 2010, [311] y el último en Europa, RACS, que estaba ubicado en Francia, cerró en 2013. [312]
También conocido como rejuvenecimiento, el objetivo es restaurar temporalmente el brillo de un CRT desgastado. Esto se hace a menudo aumentando cuidadosamente el voltaje en el calentador del cátodo y la corriente y el voltaje en las rejillas de control del cañón de electrones manualmente [ cita requerida ] . Algunos rejuvenecedores también pueden reparar cortocircuitos entre el calentador y el cátodo ejecutando una descarga capacitiva a través del cortocircuito. [227]
Los fósforos en los CRT emiten electrones secundarios debido a que se encuentran dentro del vacío del CRT. Los electrones secundarios son recolectados por el ánodo del CRT. [196] Los electrones secundarios generados por los fósforos deben recolectarse para evitar que se desarrollen cargas en la pantalla, lo que conduciría a una reducción del brillo de la imagen [21] ya que la carga repelería el haz de electrones.
Los fósforos utilizados en los CRT a menudo contienen metales de tierras raras, [313] [314] [290] que sustituyen a los fósforos de luz más tenue anteriores. Los primeros fósforos rojos y verdes contenían cadmio, [315] y algunos fósforos negros y blancos para CRT también contenían berilio en forma de silicato de berilio y zinc, [49] aunque también se utilizaban fósforos blancos que contenían cadmio, zinc y magnesio con plata, cobre o manganeso como dopantes. [21] Los fósforos de tierras raras utilizados en los CRT son más eficientes (producen más luz) que los fósforos anteriores. [316] Los fósforos se adhieren a la pantalla debido a las fuerzas de Van der Waals y electrostáticas. Los fósforos compuestos de partículas más pequeñas se adhieren con más fuerza a la pantalla. Los fósforos, junto con el carbono utilizado para evitar el sangrado de luz (en los CRT de color), se pueden eliminar fácilmente rascándolos. [138] [317]
Había varias docenas de tipos de fósforos disponibles para los CRT. [318] Los fósforos se clasificaban según el color, la persistencia, las curvas de subida y bajada de luminancia, el color en función del voltaje del ánodo (para los fósforos utilizados en los CRT de penetración), el uso previsto, la composición química, la seguridad, la sensibilidad al quemado y las propiedades de emisión secundaria. [319] Algunos ejemplos de fósforos de tierras raras son el óxido de itrio para el rojo [320] y el siliciuro de itrio para el azul en los tubos de índice de haz, [321] mientras que algunos ejemplos de fósforos anteriores son el sulfuro de cobre y cadmio para el rojo,
Los fósforos SMPTE-C tienen propiedades definidas por el estándar SMPTE-C, que define un espacio de color del mismo nombre. El estándar prioriza la reproducción precisa del color, lo que se dificultaba por los diferentes fósforos y espacios de color utilizados en los sistemas de color NTSC y PAL. Los televisores PAL tienen una reproducción del color subjetivamente mejor debido al uso de fósforos verdes saturados, que tienen tiempos de decaimiento relativamente largos que se toleran en PAL, ya que hay más tiempo en PAL para que los fósforos se descompongan, debido a su menor velocidad de cuadros. Los fósforos SMPTE-C se utilizaron en monitores de video profesionales. [322] [323]
El revestimiento de fósforo en los CRT monocromos y de color puede tener un revestimiento de aluminio en su lado posterior que se utiliza para reflejar la luz hacia adelante, proporcionar protección contra iones para evitar que los iones negativos en el fósforo se quemen, controlar el calor generado por los electrones que chocan contra el fósforo, [324] evitar la acumulación de estática que podría repeler a los electrones de la pantalla, formar parte del ánodo y recolectar los electrones secundarios generados por los fósforos en la pantalla después de ser golpeados por el haz de electrones, proporcionando a los electrones un camino de retorno. [325] [143] [326] [324] [21] El haz de electrones pasa a través del revestimiento de aluminio antes de golpear los fósforos en la pantalla; el aluminio atenúa el voltaje del haz de electrones en aproximadamente 1 kV. [327] [21] [319] Se puede aplicar una película o laca a los fósforos para reducir la rugosidad de la superficie formada por los fósforos para permitir que el revestimiento de aluminio tenga una superficie uniforme y evitar que toque el vidrio de la pantalla. [328] [329] Esto se conoce como formación de película. [175] La laca contiene solventes que luego se evaporan; la laca puede ser raspada químicamente para crear una capa de aluminio con agujeros que permitan que escapen los solventes. [329]
Existen varios fósforos disponibles según las necesidades de la aplicación de medición o visualización. El brillo, el color y la persistencia de la iluminación dependen del tipo de fósforo utilizado en la pantalla CRT. Los fósforos están disponibles con persistencias que van desde menos de un microsegundo hasta varios segundos. [330] Para la observación visual de eventos transitorios breves, puede ser deseable un fósforo de persistencia larga. Para eventos que son rápidos y repetitivos, o de alta frecuencia, generalmente es preferible un fósforo de persistencia corta. [331] La persistencia del fósforo debe ser lo suficientemente baja para evitar artefactos de manchas o imágenes superpuestas a altas frecuencias de actualización. [111]
Las variaciones en el voltaje del ánodo pueden provocar variaciones en el brillo en partes o en toda la imagen, además de eflorescencia, contracción o acercamiento o alejamiento de la imagen. Los voltajes más bajos provocan eflorescencia y acercamiento, mientras que los voltajes más altos hacen lo contrario. [332] [333] Es inevitable que haya eflorescencia, que se puede ver como áreas brillantes de una imagen que se expanden, distorsionando o haciendo a un lado las áreas más oscuras circundantes de la misma imagen. La eflorescencia se produce porque las áreas brillantes tienen una corriente de haz de electrones más alta del cañón de electrones, lo que hace que el haz sea más ancho y más difícil de enfocar. Una mala regulación del voltaje hace que el enfoque y el voltaje del ánodo disminuyan con el aumento de la corriente del haz de electrones. [155]
El doming es un fenómeno que se observa en algunos televisores CRT en el que partes de la máscara de sombra se calientan. En los televisores que presentan este comportamiento, tiende a ocurrir en escenas de alto contraste en las que hay una escena mayormente oscura con uno o más puntos brillantes localizados. A medida que el haz de electrones golpea la máscara de sombra en estas áreas, se calienta de manera desigual. La máscara de sombra se deforma debido a las diferencias de calor, lo que hace que el cañón de electrones golpee los fósforos de color incorrecto y se muestren colores incorrectos en el área afectada. [334] La expansión térmica hace que la máscara de sombra se expanda alrededor de 100 micrones. [335] [336] [337] [338]
Durante el funcionamiento normal, la máscara de sombra se calienta a alrededor de 80–90 °C. [339] Las áreas brillantes de las imágenes calientan la máscara de sombra más que las áreas oscuras, lo que lleva a un calentamiento desigual de la máscara de sombra y deformación (floración) debido a la expansión térmica causada por el calentamiento por el aumento de la corriente del haz de electrones. [340] [341] La máscara de sombra generalmente está hecha de acero, pero puede estar hecha de Invar [116] (una aleación de níquel-hierro de baja expansión térmica) ya que soporta dos o tres veces más corriente que las máscaras convencionales sin deformación notable, [111] [342] [63] al tiempo que hace que los CRT de mayor resolución sean más fáciles de lograr. [343] Se pueden aplicar recubrimientos que disipan el calor en la máscara de sombra para limitar la floración [344] [345] en un proceso llamado ennegrecimiento. [346] [347]
Se pueden utilizar resortes bimetálicos en los CRT que se utilizan en los televisores para compensar la deformación que se produce cuando el haz de electrones calienta la máscara de sombra, lo que provoca una expansión térmica. [62] La máscara de sombra se instala en la pantalla utilizando piezas de metal [348] o un riel o marco [349] [350] [351] que se fusiona con el embudo o el cristal de la pantalla respectivamente, [256] manteniendo la máscara de sombra en tensión para minimizar la deformación (si la máscara es plana, se utiliza en monitores de ordenador CRT de pantalla plana) y permitiendo un mayor brillo y contraste de la imagen.
Las pantallas de rejilla de apertura son más brillantes porque permiten el paso de más electrones, pero requieren cables de soporte. También son más resistentes a la deformación. [111] Los CRT de color necesitan voltajes de ánodo más altos que los CRT monocromos para lograr el mismo brillo, ya que la máscara de sombra bloquea la mayor parte del haz de electrones. Las máscaras de ranura [50] y, especialmente, las rejillas de apertura no bloquean tantos electrones, lo que da como resultado una imagen más brillante para un voltaje de ánodo determinado, pero los CRT de rejilla de apertura son más pesados. [116] Las máscaras de sombra bloquean [352] el 80-85% [340] [339] del haz de electrones, mientras que las rejillas de apertura permiten que pasen más electrones. [353]
El brillo de la imagen está relacionado con el voltaje del ánodo y el tamaño de los CRT, por lo que se necesitan voltajes más altos para pantallas más grandes [354] y un mayor brillo de la imagen. El brillo de la imagen también está controlado por la corriente del haz de electrones. [235] Los voltajes de ánodo y las corrientes del haz de electrones más altos también significan mayores cantidades de rayos X y generación de calor, ya que los electrones tienen una mayor velocidad y energía. [155] El vidrio con plomo y el vidrio especial de bario-estroncio se utilizan para bloquear la mayoría de las emisiones de rayos X.
Un límite práctico para el tamaño de un CRT es el peso del vidrio grueso necesario para sostener de forma segura su vacío, [355] ya que el exterior de un CRT está expuesto a la presión atmosférica total , que por ejemplo suma un total de 5.800 libras-fuerza (26.000 N ) en una pantalla de 27 pulgadas (400 in 2 ). [356] Por ejemplo, el gran Sony PVM-4300 de 43 pulgadas pesa 440 lb o 200 kg , [357] mucho más pesado que los CRT de 32 pulgadas (hasta 163 lb o 74 kg) y los CRT de 19 pulgadas (hasta 60 lb o 27 kg). Los televisores de pantalla plana mucho más ligeros pesan solo ~18 lb (8,2 kg) para los de 32 pulgadas y 6,5 lb (2,9 kg) para los de 19 pulgadas. [358]
El tamaño también está limitado por el voltaje del ánodo, ya que requeriría una mayor rigidez dieléctrica para evitar la formación de arcos eléctricos y las pérdidas eléctricas y la generación de ozono que provoca, sin sacrificar el brillo de la imagen.
Las máscaras de sombra también se vuelven más difíciles de hacer a medida que aumenta la resolución y el tamaño. [343]
En ángulos de deflexión, resoluciones y frecuencias de actualización elevados (ya que las resoluciones y frecuencias de actualización más altas requieren que se apliquen frecuencias significativamente más altas a las bobinas de deflexión horizontales), el yugo de deflexión comienza a producir grandes cantidades de calor, debido a la necesidad de mover el haz de electrones en un ángulo mayor, lo que a su vez requiere cantidades exponencialmente mayores de energía. A modo de ejemplo, para aumentar el ángulo de deflexión de 90 a 120°, el consumo de energía del yugo también debe aumentar de 40 vatios a 80 vatios, y para aumentarlo aún más de 120 a 150°, la potencia de deflexión debe aumentar nuevamente de 80 a 160 vatios . Esto normalmente hace que los CRT que van más allá de ciertos ángulos de deflexión, resoluciones y frecuencias de actualización sean poco prácticos, ya que las bobinas generarían demasiado calor debido a la resistencia causada por el efecto pelicular , las pérdidas por corrientes superficiales y parásitas , y/o posiblemente causando que el vidrio debajo de la bobina se vuelva conductor (ya que la conductividad eléctrica del vidrio disminuye con el aumento de la temperatura). Algunos yugos de deflexión están diseñados para disipar el calor que proviene de su funcionamiento. [115] [359] [284] [360] [361] [362] Los ángulos de deflexión más altos en los CRT a color afectan directamente la convergencia en las esquinas de la pantalla, lo que requiere circuitos de compensación adicionales para manejar la potencia y la forma del haz de electrones, lo que genera mayores costos y consumo de energía. [363] [364] Los ángulos de deflexión más altos permiten que un CRT de un tamaño determinado sea más delgado, sin embargo, también imponen más estrés en la envoltura del CRT, especialmente en el panel, el sello entre el panel y el embudo y en el embudo. El embudo debe ser lo suficientemente largo para minimizar el estrés, ya que un embudo más largo puede tener una mejor forma para tener un estrés menor. [99] [365]
En los CRT, la frecuencia de actualización depende de la resolución, y ambas están limitadas en última instancia por la frecuencia máxima de escaneo horizontal del CRT. El desenfoque de movimiento también depende del tiempo de decaimiento de los fósforos. Los fósforos que se descomponen demasiado lentamente para una frecuencia de actualización determinada pueden causar manchas o desenfoque de movimiento en la imagen. En la práctica, los CRT están limitados a una frecuencia de actualización de 160 Hz. [372] Las pantallas LCD que pueden competir con OLED (LCD de doble capa y mini-LED) no están disponibles en frecuencias de actualización altas, aunque las pantallas LCD de puntos cuánticos (QLED) están disponibles en frecuencias de actualización altas (hasta 144 Hz) [373] y son competitivas en reproducción de color con las OLED. [374]
Los monitores CRT aún pueden superar a los monitores LCD y OLED en cuanto a retardo de entrada, ya que no hay procesamiento de señal entre el CRT y el conector de pantalla del monitor, ya que los monitores CRT a menudo utilizan VGA que proporciona una señal analógica que se puede enviar directamente a un CRT. Las tarjetas de video diseñadas para su uso con CRT pueden tener un RAMDAC para generar las señales analógicas que necesita el CRT. [375] [9] Además, los monitores CRT a menudo son capaces de mostrar imágenes nítidas en varias resoluciones, una capacidad conocida como multisincronización . [376] Debido a estas razones, los CRT a veces son los preferidos por los jugadores de PC a pesar de su volumen, peso y generación de calor. [377] [367]
Los CRT tienden a ser más duraderos que sus contrapartes de panel plano, [9] aunque también existen LCD especializados que tienen una durabilidad similar.
Los CRT se produjeron en dos categorías principales, tubos de imagen y tubos de visualización. [69] Los tubos de imagen se usaban en televisores mientras que los tubos de visualización se usaban en monitores de computadora. Los tubos de visualización eran de mayor resolución y cuando se usaban en monitores de computadora a veces tenían sobreescaneo ajustable , [378] [379] o a veces subescaneo. [380] [381] Los CRT de tubo de imagen tienen sobreescaneo, lo que significa que no se muestran los bordes reales de la imagen; esto es deliberado para permitir variaciones de ajuste entre televisores CRT, evitando que los bordes irregulares (debido al blooming) de la imagen se muestren en la pantalla. La máscara de sombra puede tener ranuras que reflejan los electrones que no golpean la pantalla debido al sobreescaneo . [382] [111] Los tubos de imagen en color utilizados en televisores también se conocían como CPT. [383] Los CRT también se denominan a veces tubos Braun. [384] [385]
Si el CRT es un CRT en blanco y negro (B&W o monocromo), hay un solo cañón de electrones en el cuello y el embudo está recubierto en el interior con aluminio que se ha aplicado por evaporación; el aluminio se evapora al vacío y se deja condensar en el interior del CRT. [175] El aluminio elimina la necesidad de trampas de iones , necesarias para evitar que los iones se quemen en el fósforo, al mismo tiempo que refleja la luz generada por el fósforo hacia la pantalla, gestionando el calor y absorbiendo los electrones proporcionando un camino de retorno para ellos; anteriormente, los embudos estaban recubiertos en el interior con aquadag, utilizado porque se puede aplicar como pintura; [165] los fósforos se dejaban sin recubrir. [21] El aluminio comenzó a aplicarse a los CRT en la década de 1950, recubriendo el interior del CRT, incluidos los fósforos, lo que también aumentaba el brillo de la imagen, ya que el aluminio reflejaba la luz (que de otro modo se perdería dentro del CRT) hacia el exterior del CRT. [21] [386] [387] [388] En los CRT monocromáticos aluminizados, se utiliza Aquadag en el exterior. Hay un único revestimiento de aluminio que cubre el embudo y la pantalla. [175]
La pantalla, el embudo y el cuello se fusionan en una sola envoltura, posiblemente utilizando sellos de esmalte de plomo, se hace un orificio en el embudo sobre el cual se instala la tapa del ánodo y luego se aplican el fósforo, el aquadag y el aluminio. [65] Anteriormente, los CRT monocromáticos usaban trampas de iones que requerían imanes; el imán se usaba para desviar los electrones lejos de los iones más difíciles de desviar, dejando que los electrones pasaran mientras dejaban que los iones colisionaran en una lámina de metal dentro del cañón de electrones. [389] [160] [324] La quema de iones da como resultado un desgaste prematuro del fósforo. Dado que los iones son más difíciles de desviar que los electrones, la quema de iones deja un punto negro en el centro de la pantalla. [160] [324]
El recubrimiento interior de aquadag o aluminio era el ánodo y servía para acelerar los electrones hacia la pantalla, recogerlos después de chocar con ella y, al mismo tiempo, actuar como condensador junto con el recubrimiento exterior de aquadag. La pantalla tiene un único recubrimiento de fósforo uniforme y no tiene máscara de sombra, por lo que técnicamente no tiene límite de resolución. [390] [167] [391]
Los CRT monocromáticos pueden utilizar imanes de anillo para ajustar el centrado del haz de electrones e imanes alrededor del yugo de deflexión para ajustar la geometría de la imagen. [276] [392]
Cuando se apaga un CRT monocromático, la pantalla se retrae hasta convertirse en un pequeño punto blanco en el centro, junto con los fósforos que se apagan, disparados por el cañón de electrones; a veces tarda un tiempo en desaparecer. [ cita requerida ]
Los CRT en color utilizan tres fósforos diferentes que emiten luz roja, verde y azul respectivamente. Están agrupados en franjas (como en los diseños de rejilla de apertura ) o en grupos llamados "tríadas" (como en los CRT con máscara de sombra ). [394] [395]
Los CRT de color tienen tres cañones de electrones, uno para cada color primario (rojo, verde y azul), dispuestos en línea recta (en línea) o en una configuración triangular equilátera (los cañones suelen construirse como una sola unidad). [188] [ 269] [396] [397] [398] La configuración triangular a menudo se denomina cañón delta , en función de su relación con la forma de la letra griega delta (Δ). La disposición de los fósforos es la misma que la de los cañones de electrones. [188] [399] Una rejilla o máscara absorbe los electrones que, de lo contrario, golpearían el fósforo equivocado. [400]
Un tubo de máscara de sombra utiliza una placa de metal con pequeños agujeros, típicamente en una configuración delta, colocados de manera que el haz de electrones solo ilumine los fósforos correctos en la cara del tubo; [394] bloqueando todos los demás electrones. [100] Las máscaras de sombra que utilizan ranuras en lugar de agujeros se conocen como máscaras de ranura. [9] Los agujeros o ranuras son cónicos [401] [402] de modo que los electrones que golpean el interior de cualquier agujero se reflejen de vuelta, si no son absorbidos (por ejemplo, debido a la acumulación de carga local), en lugar de rebotar a través del agujero para golpear un punto aleatorio (incorrecto) en la pantalla. Otro tipo de CRT de color (Trinitron) utiliza una rejilla de apertura de cables verticales tensados para lograr el mismo resultado. [400] La máscara de sombra tiene un solo agujero para cada tríada. [188] La máscara de sombra suele estar 1 ⁄ 2 pulgada detrás de la pantalla. [116]
Los CRT Trinitron se diferenciaban de otros CRT de color en que tenían un solo cañón de electrones con tres cátodos, una rejilla de apertura que dejaba pasar más electrones, lo que aumentaba el brillo de la imagen (ya que la rejilla de apertura no bloqueaba tantos electrones) y una pantalla cilíndrica vertical, en lugar de una pantalla curva. [403]
Los tres cañones de electrones están en el cuello (excepto los Trinitrones) y los fósforos rojo, verde y azul en la pantalla pueden estar separados por una rejilla o matriz negra (llamada franja negra por Toshiba). [64]
El embudo está recubierto con aquadag en ambos lados mientras que la pantalla tiene un recubrimiento de aluminio separado aplicado al vacío, [188] [115] depositado después de que se aplica el recubrimiento de fósforo, frente al cañón de electrones. [404] [405] El recubrimiento de aluminio protege el fósforo de los iones, absorbe los electrones secundarios, proporcionándoles un camino de retorno, evitando que carguen electrostáticamente la pantalla que luego repelería los electrones y reduciría el brillo de la imagen, refleja la luz de los fósforos hacia adelante y ayuda a controlar el calor. También sirve como ánodo del CRT junto con el recubrimiento interno de aquadag. El recubrimiento interno está conectado eléctricamente a un electrodo del cañón de electrones mediante resortes, formando el ánodo final. [189] [188] El recubrimiento externo de aquadag está conectado a tierra , posiblemente utilizando una serie de resortes o un arnés que hace contacto con el aquadag. [406] [407]
La máscara de sombra absorbe o refleja electrones que de otra manera chocarían con los puntos de fósforo equivocados, [391] causando problemas de pureza de color (decoloración de las imágenes); en otras palabras, cuando se configura correctamente, la máscara de sombra ayuda a garantizar la pureza del color. [188] Cuando los electrones chocan con la máscara de sombra, liberan su energía en forma de calor y rayos X. Si los electrones tienen demasiada energía debido a un voltaje de ánodo demasiado alto, por ejemplo, la máscara de sombra puede deformarse debido al calor, lo que también puede suceder durante el horneado en Lehr a ~435 °C del sello de frita entre la placa frontal y el embudo del CRT. [352] [408]
Las máscaras de sombra fueron reemplazadas en los televisores por máscaras de ranura en la década de 1970, ya que las máscaras de ranura dejan pasar más electrones, lo que aumenta el brillo de la imagen. Las máscaras de sombra pueden estar conectadas eléctricamente al ánodo del CRT. [409] [50] [410] [411] Trinitron utilizó un solo cañón de electrones con tres cátodos en lugar de tres cañones completos. Los monitores CRT para PC suelen utilizar máscaras de sombra, excepto el Trinitron de Sony, el Diamondtron de Mitsubishi y el Cromaclear de NEC ; Trinitron y Diamondtron utilizan rejillas de apertura, mientras que Cromaclear utiliza una máscara de ranura. Algunos CRT con máscara de sombra tienen fósforos de color que son más pequeños en diámetro que los haces de electrones utilizados para iluminarlos, [412] con la intención de cubrir todo el fósforo, lo que aumenta el brillo de la imagen. [413] Las máscaras de sombra pueden prensarse en una forma curva. [414] [415] [416]
Los primeros CRT en color no tenían una matriz negra, que fue introducida por Zenith en 1969 y Panasonic en 1970. [413] [417] [132] La matriz negra elimina la fuga de luz de un fósforo a otro, ya que la matriz negra aísla los puntos de fósforo entre sí, por lo que parte del haz de electrones toca la matriz negra. Esto también se hace necesario por la deformación de la máscara de sombra. [64] [412] Aún puede producirse una fuga de luz debido a que los electrones errantes chocan con los puntos de fósforo equivocados. A altas resoluciones y frecuencias de actualización, los fósforos solo reciben una cantidad muy pequeña de energía, lo que limita el brillo de la imagen. [343]
Se utilizaron varios métodos para crear la matriz negra. Un método recubría la pantalla con fotorresistencia, como fotorresistencia de alcohol polivinílico sensibilizado con dicromato, que luego se secaba y se exponía; se eliminaban las áreas no expuestas y se recubría toda la pantalla con grafito coloidal para crear una película de carbono, y luego se utilizaba peróxido de hidrógeno para eliminar la fotorresistencia restante junto con el carbono que estaba encima, creando agujeros que a su vez creaban la matriz negra. La fotorresistencia tenía que tener el grosor correcto para garantizar una adhesión suficiente a la pantalla, mientras que el paso de exposición tenía que controlarse para evitar agujeros que fueran demasiado pequeños o demasiado grandes con bordes irregulares causados por la difracción de la luz, lo que en última instancia limitaba la resolución máxima de los CRT de color grandes. [412] Luego, los agujeros se rellenaban con fósforo utilizando el método descrito anteriormente. Otro método utilizaba fósforos suspendidos en una sal de diazonio aromática que se adherían a la pantalla cuando se exponían a la luz; los fósforos se aplicaban y luego se exponían para hacer que se adhirieran a la pantalla, repitiendo el proceso una vez para cada color. Luego se aplicó carbono a las áreas restantes de la pantalla mientras se exponía toda la pantalla a la luz para crear la matriz negra, y se aplicó un proceso de fijación utilizando una solución de polímero acuoso a la pantalla para hacer que los fósforos y la matriz negra sean resistentes al agua. [417] Se puede utilizar cromo negro en lugar de carbono en la matriz negra. [412] También se utilizaron otros métodos. [418] [419] [420] [421]
Los fósforos se aplican mediante fotolitografía . El lado interior de la pantalla se recubre con partículas de fósforo suspendidas en una suspensión de fotorresistencia de PVA, [422] [423] que luego se seca con luz infrarroja, [424] se expone y se revela. La exposición se realiza utilizando un "faro" que utiliza una fuente de luz ultravioleta con una lente correctora para permitir que el CRT alcance la pureza del color. Se utilizan máscaras de sombra removibles con clips accionados por resorte como fotomáscaras. El proceso se repite con todos los colores. Por lo general, el fósforo verde es el primero en aplicarse. [188] [425] [426] [427] Después de la aplicación del fósforo, la pantalla se hornea para eliminar cualquier químico orgánico (como el PVA que se utilizó para depositar el fósforo) que pueda quedar en la pantalla. [417] [428] Alternativamente, los fósforos se pueden aplicar en una cámara de vacío evaporándolos y permitiendo que se condensen en la pantalla, creando un recubrimiento muy uniforme. [236] Los primeros CRT en color tenían sus fósforos depositados mediante serigrafía. [42] Los fósforos pueden tener filtros de color sobre ellos (mirando hacia el espectador), contener pigmento del color emitido por el fósforo, [429] [314] o estar encapsulados en filtros de color para mejorar la pureza y reproducción del color mientras se reduce el deslumbramiento. [426] [411] Esta tecnología fue vendida por Toshiba bajo la marca Microfilter. [430] Una mala exposición debido a la luz insuficiente conduce a una mala adhesión del fósforo a la pantalla, lo que limita la resolución máxima de un CRT, ya que los puntos de fósforo más pequeños necesarios para resoluciones más altas no pueden recibir tanta luz debido a su menor tamaño. [431]
Después de que la pantalla se recubre con fósforo y aluminio y se instala la máscara de sombra sobre ella, la pantalla se une al embudo utilizando una frita de vidrio que puede contener entre un 65 y un 88 % de óxido de plomo en peso. El óxido de plomo es necesario para que la frita de vidrio tenga una temperatura de fusión baja. El óxido de boro (III) también puede estar presente para estabilizar la frita, con polvo de alúmina como polvo de relleno para controlar la expansión térmica de la frita. [432 ] [149] [6] La frita se puede aplicar como una pasta que consiste en partículas de frita suspendidas en acetato de amilo o en un polímero con un monómero de metacrilato de alquilo junto con un disolvente orgánico para disolver el polímero y el monómero. [433] [434] Luego, el CRT se cuece en un horno en lo que se llama un horneado Lehr, para curar la frita, sellando el embudo y la pantalla juntos. La frita contiene una gran cantidad de plomo, lo que hace que los CRT de color contengan más plomo que sus contrapartes monocromáticas. Por otro lado, los CRT monocromáticos no requieren frita; el embudo se puede fusionar directamente al vidrio [100] derritiendo y uniendo los bordes del embudo y la pantalla usando llamas de gas. La frita se usa en los CRT de color para evitar la deformación de la máscara de sombra y la pantalla durante el proceso de fusión. Los bordes de la pantalla y los bordes del embudo del CRT que se acoplan con la pantalla, nunca se funden. [188] Se puede aplicar una imprimación en los bordes del embudo y la pantalla antes de aplicar la pasta de frita para mejorar la adhesión. [435] El horneado de Lehr consta de varios pasos sucesivos que calientan y luego enfrían el CRT gradualmente hasta que alcanza una temperatura de 435–475 °C [433] (otras fuentes pueden indicar temperaturas diferentes, como 440 °C) [436] Después del horneado de Lehr, el CRT se lava con aire o nitrógeno para eliminar contaminantes, el cañón de electrones se inserta y se sella en el cuello del CRT, y se forma un vacío en el CRT. [437] [211]
Debido a las limitaciones en la precisión dimensional con la que se pueden fabricar los CRT de manera económica, no ha sido posible en la práctica construir CRT de color en los que se pudieran alinear tres haces de electrones para que impactaran fósforos del color respectivo en una coordinación aceptable, únicamente sobre la base de la configuración geométrica de los ejes del cañón de electrones y las posiciones de la abertura del cañón, las aberturas de la máscara de sombra, etc. La máscara de sombra asegura que un haz solo impactará puntos de ciertos colores de fósforos, pero variaciones mínimas en la alineación física de las partes internas entre CRT individuales causarán variaciones en la alineación exacta de los haces a través de la máscara de sombra, permitiendo que algunos electrones de, por ejemplo, el haz rojo impacten, digamos, fósforos azules, a menos que se haga alguna compensación individual por la variación entre tubos individuales.
La convergencia y la pureza del color son dos aspectos de este único problema. En primer lugar, para una reproducción correcta del color es necesario que, independientemente de dónde se desvíen los haces en la pantalla, los tres incidan en el mismo punto (y pasen nominalmente por el mismo orificio o ranura) en la máscara de sombra. [ aclaración necesaria ] Esto se llama convergencia. [438] Más específicamente, la convergencia en el centro de la pantalla (sin campo de deflexión aplicado por el yugo) se llama convergencia estática, y la convergencia sobre el resto del área de la pantalla (especialmente en los bordes y esquinas) se llama convergencia dinámica. [117] Los haces pueden converger en el centro de la pantalla y, sin embargo, desviarse unos de otros a medida que se desvían hacia los bordes; se diría que un CRT de este tipo tiene una buena convergencia estática pero una convergencia dinámica deficiente. En segundo lugar, cada haz solo debe incidir en los fósforos del color que se pretende incidir y en ningún otro. Esto se llama pureza. Al igual que la convergencia, existe la pureza estática y la pureza dinámica, con los mismos significados de "estático" y "dinámico" que para la convergencia. La convergencia y la pureza son parámetros distintos; un CRT puede tener una buena pureza pero una convergencia deficiente, o viceversa. Una convergencia deficiente provoca "sombras" o "fantasmas" de color a lo largo de los bordes y contornos mostrados, como si la imagen en la pantalla estuviera impresa en huecograbado con un registro deficiente. Una pureza deficiente hace que los objetos en la pantalla aparezcan descoloridos mientras que sus bordes permanecen nítidos. Los problemas de pureza y convergencia pueden ocurrir al mismo tiempo, en la misma o en diferentes áreas de la pantalla o en ambos en toda la pantalla, y de manera uniforme o en mayor o menor grado en diferentes partes de la pantalla.
La solución a los problemas de convergencia estática y pureza es un conjunto de imanes de anillo de alineación de color instalados alrededor del cuello del CRT. [439] Estos imanes permanentes débiles móviles suelen estar montados en el extremo posterior del conjunto de yugo de deflexión y se ajustan en la fábrica para compensar cualquier error de pureza estática y convergencia que sea intrínseco al tubo no ajustado. Normalmente hay dos o tres pares de dos imanes en forma de anillos hechos de plástico impregnado con un material magnético, con sus campos magnéticos paralelos a los planos de los imanes, que son perpendiculares a los ejes del cañón de electrones. A menudo, un par de anillos tiene 2 polos, otro tiene 4 y el anillo restante tiene 6 polos. [440] Cada par de anillos magnéticos forma un solo imán efectivo cuyo vector de campo se puede ajustar completamente y libremente (tanto en dirección como en magnitud). Al girar un par de imanes entre sí, se puede variar su alineación de campo relativa, ajustando la intensidad de campo efectiva del par. (A medida que giran uno con respecto al otro, se puede considerar que el campo de cada imán tiene dos componentes opuestos en ángulos rectos, y estos cuatro componentes [dos para cada uno de los dos imanes] forman dos pares, un par se refuerza entre sí y el otro par se opone y se cancela entre sí. Al girar alejándose de la alineación, los componentes de campo de los imanes que se refuerzan mutuamente disminuyen a medida que se intercambian por componentes cada vez más opuestos que se cancelan mutuamente). Al girar un par de imanes juntos, preservando el ángulo relativo entre ellos, se puede variar la dirección de su campo magnético colectivo. En general, el ajuste de todos los imanes de convergencia/pureza permite aplicar una ligera desviación del haz de electrones o un desplazamiento lateral finamente ajustados, que compensa los errores menores de convergencia estática y pureza intrínsecos al tubo no calibrado. Una vez configurados, estos imanes suelen pegarse en su lugar, pero normalmente se pueden liberar y reajustar en el campo (por ejemplo, en un taller de reparación de televisores) si es necesario.
En algunos CRT, se añaden imanes fijos ajustables adicionales para la convergencia dinámica o la pureza dinámica en puntos específicos de la pantalla, normalmente cerca de las esquinas o los bordes. El ajuste adicional de la convergencia dinámica y la pureza normalmente no se puede hacer de forma pasiva, sino que requiere circuitos de compensación activos, uno para corregir la convergencia horizontalmente y otro para corregirla verticalmente. En este caso, el yugo de deflexión contiene bobinas de convergencia, un conjunto de dos por color, enrolladas en el mismo núcleo, al que se aplican las señales de convergencia. Esto significa 6 bobinas de convergencia en grupos de 3, con 2 bobinas por grupo, con una bobina para la corrección de la convergencia horizontal y otra para la corrección de la convergencia vertical, y cada grupo comparte un núcleo. Los grupos están separados 120° entre sí. La convergencia dinámica es necesaria porque la parte frontal del CRT y la máscara de sombra no son esféricas, lo que compensa el desenfoque del haz de electrones y el astigmatismo. El hecho de que la pantalla del CRT no sea esférica [441] conduce a problemas de geometría que se pueden corregir utilizando un circuito. [442] Las señales utilizadas para la convergencia son formas de onda parabólicas derivadas de tres señales procedentes de un circuito de salida vertical. La señal parabólica se introduce en las bobinas de convergencia, mientras que las otras dos son señales de dientes de sierra que, cuando se mezclan con las señales parabólicas, crean la señal necesaria para la convergencia. Se utilizan una resistencia y un diodo para bloquear la señal de convergencia en el centro de la pantalla para evitar que se vea afectada por la convergencia estática. Los circuitos de convergencia horizontal y vertical son similares. Cada circuito tiene dos resonadores, uno normalmente sintonizado a 15.625 Hz y el otro a 31.250 Hz, que fijan la frecuencia de la señal enviada a las bobinas de convergencia. [443] La convergencia dinámica se puede lograr utilizando campos cuadrupolos electrostáticos en el cañón de electrones. [444] La convergencia dinámica significa que el haz de electrones no viaja en una línea perfectamente recta entre las bobinas de deflexión y la pantalla, ya que las bobinas de convergencia hacen que se curve para adaptarse a la pantalla.
La señal de convergencia puede ser en cambio una señal de dientes de sierra con una ligera apariencia de onda sinusoidal; la parte de onda sinusoidal se crea utilizando un condensador en serie con cada bobina de deflexión. En este caso, la señal de convergencia se utiliza para accionar las bobinas de deflexión. La parte de onda sinusoidal de la señal hace que el haz de electrones se mueva más lentamente cerca de los bordes de la pantalla. Los condensadores utilizados para crear la señal de convergencia se conocen como condensadores s. Este tipo de convergencia es necesaria debido a los altos ángulos de deflexión y las pantallas planas de muchos monitores de ordenador CRT. El valor de los condensadores s debe elegirse en función de la velocidad de barrido del CRT, por lo que los monitores con sincronización múltiple deben tener diferentes conjuntos de condensadores s, uno para cada frecuencia de actualización. [111]
En cambio, en algunos CRT se puede lograr la convergencia dinámica utilizando únicamente los imanes de anillo, imanes pegados al CRT, y variando la posición del yugo de deflexión, cuya posición se puede mantener utilizando tornillos de fijación, una abrazadera y cuñas de goma. [117] [445] Los CRT con un ángulo de deflexión de 90° pueden utilizar la "autoconvergencia" sin convergencia dinámica, lo que, junto con la disposición de tríada en línea, elimina la necesidad de bobinas de convergencia separadas y circuitos relacionados, lo que reduce los costos. complejidad y profundidad del CRT en 10 milímetros. La autoconvergencia funciona por medio de campos magnéticos "no uniformes". La convergencia dinámica es necesaria en los CRT con un ángulo de deflexión de 110°, y también se pueden utilizar devanados cuadrupolos en el yugo de deflexión a una determinada frecuencia para la convergencia dinámica. [446]
La convergencia y pureza dinámicas del color son una de las principales razones por las que, hasta el final de su historia, los CRT tenían cuello largo (profundo) y caras curvadas biaxialmente; estas características de diseño geométrico son necesarias para la convergencia y pureza dinámicas pasivas intrínsecas del color. Recién a partir de los años 1990 se pusieron a disposición sofisticados circuitos de compensación de convergencia dinámica activa que hicieron que los CRT de cuello corto y caras planas fueran viables. Estos circuitos de compensación activa utilizan el yugo de deflexión para ajustar con precisión la deflexión del haz de acuerdo con la ubicación del objetivo del haz. Las mismas técnicas (y los principales componentes del circuito) también hacen posible el ajuste de la rotación de la imagen de visualización, la inclinación y otros parámetros complejos de geometría de trama a través de la electrónica bajo el control del usuario. [111]
Como alternativa, los cañones pueden alinearse entre sí (converger) utilizando anillos de convergencia colocados justo fuera del cuello; con un anillo por cañón. Los anillos pueden tener polos norte y sur. Puede haber 4 conjuntos de anillos, uno para ajustar la convergencia RGB, un segundo para ajustar la convergencia roja y azul, un tercero para ajustar el desplazamiento vertical de la trama y un cuarto para ajustar la pureza. El desplazamiento vertical de la trama ajusta la rectitud de la línea de exploración. Los CRT también pueden emplear circuitos de convergencia dinámica, que garantizan una convergencia correcta en los bordes del CRT. También se pueden utilizar imanes de permalloy para corregir la convergencia en los bordes. La convergencia se lleva a cabo con la ayuda de un patrón de trama cruzada (cuadrícula). [447] [448] Otros CRT pueden utilizar en cambio imanes que se empujan hacia dentro y hacia fuera en lugar de anillos. [407] En los primeros CRT de color, los agujeros en la máscara de sombra se volvían progresivamente más pequeños a medida que se extendían hacia afuera desde el centro de la pantalla, para ayudar en la convergencia. [413]
Si la máscara de sombra o la rejilla de apertura se magnetizan, su campo magnético altera las trayectorias de los haces de electrones. Esto provoca errores de "pureza de color", ya que los electrones ya no siguen solo sus trayectorias previstas y algunos chocarán con fósforos de colores distintos al previsto. Por ejemplo, algunos electrones del haz rojo pueden chocar con fósforos azules o verdes, imponiendo un tinte magenta o amarillo a partes de la imagen que se supone que son de color rojo puro. (Este efecto se localiza en un área específica de la pantalla si la magnetización es localizada). Por lo tanto, es importante que la máscara de sombra o la rejilla de apertura no se magneticen. El campo magnético de la Tierra puede tener un efecto sobre la pureza de color del CRT. [447] Debido a esto, algunos CRT tienen escudos magnéticos externos sobre sus embudos. El escudo magnético puede estar hecho de hierro dulce o acero dulce y contener una bobina desmagnetizadora. [449] El escudo magnético y la máscara de sombra pueden estar magnetizados permanentemente por el campo magnético de la Tierra, lo que afecta negativamente la pureza del color cuando se mueve el CRT. Este problema se resuelve con una bobina desmagnetizadora incorporada, que se encuentra en muchos televisores y monitores de computadora. La desmagnetización puede ser automática y ocurrir siempre que se enciende el CRT. [450] [188] El escudo magnético también puede ser interno y estar en el interior del embudo del CRT. [451] [452] [111] [453] [454] [455]
Las pantallas CRT en color de los televisores y los monitores de ordenador suelen tener una bobina desmagnetizadora (desmagnetizadora) integrada montada alrededor del perímetro de la cara del CRT. Al encender la pantalla CRT, el circuito desmagnetizador produce una breve corriente alterna a través de la bobina que se desvanece a cero en unos pocos segundos, lo que produce un campo magnético alterno decreciente a partir de la bobina. Este campo desmagnetizador es lo suficientemente fuerte como para eliminar la magnetización de la máscara de sombra en la mayoría de los casos, manteniendo la pureza del color. [456] [457] En casos inusuales de magnetización fuerte donde el campo desmagnetizador interno no es suficiente, la máscara de sombra se puede desmagnetizar externamente con un desmagnetizador o desmagnetizador portátil más potente. Sin embargo, un campo magnético excesivamente fuerte, ya sea alterno o constante, puede deformar mecánicamente (doblar) la máscara de sombra, lo que provoca una distorsión permanente del color en la pantalla que parece muy similar a un efecto de magnetización.
El paso de punto define la resolución máxima de la pantalla, suponiendo que se trate de CRT con cañón delta. En estos, a medida que la resolución escaneada se acerca a la resolución del paso de punto, aparece muaré , ya que el detalle que se muestra es más fino que lo que la máscara de sombra puede reproducir. [458] Sin embargo, los monitores con rejilla de apertura no sufren de muaré vertical, porque sus franjas de fósforo no tienen detalle vertical. En los CRT más pequeños, estas franjas mantienen su posición por sí mismas, pero los CRT con rejilla de apertura más grande requieren una o dos franjas de soporte transversales (horizontales); una para los CRT más pequeños y dos para los más grandes. Los cables de soporte bloquean los electrones, lo que hace que los cables sean visibles. [459] En los CRT con rejilla de apertura, el paso de punto se reemplaza por el paso de franja. Hitachi desarrolló la máscara de sombra de paso de punto mejorado (EDP), que utiliza orificios ovalados en lugar de circulares, con los respectivos puntos de fósforo ovalados. [411] El efecto muaré se reduce en los CRT con máscara de sombra al disponer los orificios en la máscara de sombra en un patrón similar a un panal. [111]
Los CRT de proyección se utilizaron en proyectores CRT y televisores de retroproyección CRT , y generalmente son pequeños (de 7 a 9 pulgadas de ancho); [265] tienen un fósforo que genera luz roja, verde o azul, lo que los convierte en CRT monocromáticos; [460] y son similares en construcción a otros CRT monocromáticos. Los CRT de proyección más grandes en general duraron más y pudieron proporcionar niveles de brillo y resolución más altos, pero también fueron más caros. [461] [462] Los CRT de proyección tienen un voltaje de ánodo inusualmente alto para su tamaño (como 27 o 25 kV para un CRT de proyección de 5 o 7 pulgadas respectivamente), [463] [464] y un cátodo de tungsteno/bario especialmente hecho (en lugar del óxido de bario puro normalmente utilizado) que consiste en átomos de bario incrustados en tungsteno poroso al 20% o aluminatos de bario y calcio o de óxidos de bario, calcio y aluminio recubiertos sobre tungsteno poroso; El bario se difunde a través del tungsteno para emitir electrones. [465] El cátodo especial puede suministrar 2 mA de corriente en lugar de los 0,3 mA de los cátodos normales, [466] [465] [229] [167] lo que los hace lo suficientemente brillantes como para usarse como fuentes de luz para proyección. El alto voltaje del ánodo y el cátodo especialmente hecho aumentan el voltaje y la corriente, respectivamente, del haz de electrones, lo que aumenta la luz emitida por los fósforos y también la cantidad de calor generado durante el funcionamiento; esto significa que los CRT de proyector necesitan refrigeración. La pantalla generalmente se enfría utilizando un contenedor (la pantalla forma parte del contenedor) con glicol; el glicol puede teñirse, [467] o se puede usar glicol incoloro dentro de un contenedor que puede ser coloreado (formando una lente conocida como elemento c). Las lentes coloreadas o el glicol se utilizan para mejorar la reproducción del color a costa del brillo, y solo se usan en CRT rojos y verdes. [468] [469] Cada CRT tiene su propio glicol, que tiene acceso a una burbuja de aire para permitir que el glicol se contraiga y se expanda a medida que se enfría y se calienta. Los CRT de proyección pueden tener anillos de ajuste al igual que los CRT de color para ajustar el astigmatismo, [470] que es el ensanchamiento del haz de electrones (luz difusa similar a las sombras). [471] Tienen tres anillos de ajuste; uno con dos polos, uno con cuatro polos y otro con 6 polos. Cuando se ajusta correctamente, el proyector puede mostrar puntos perfectamente redondos sin ensanchamiento. [472] Las pantallas utilizadas en los CRT de proyección eran más transparentes de lo habitual, con un 90% de transmitancia. [115] Los primeros CRT de proyección se fabricaron en 1933. [473]
Los proyectores CRT estaban disponibles con enfoque electrostático y electromagnético, siendo este último más caro. El enfoque electrostático utilizaba electrónica para enfocar el haz de electrones, junto con imanes de enfoque alrededor del cuello del CRT para realizar ajustes de enfoque finos. Este tipo de enfoque se degradó con el tiempo. El enfoque electromagnético se introdujo a principios de la década de 1990 e incluía una bobina de enfoque electromagnético además de los imanes de enfoque ya existentes. El enfoque electromagnético era mucho más estable durante la vida útil del CRT, y conservaba el 95% de su nitidez al final de su vida útil. [474]
Los tubos de índice de haz , también conocidos como Uniray, Apple CRT o Indextron, [475] fueron un intento en la década de 1950 por parte de Philco de crear un CRT de color sin una máscara de sombra, eliminando los problemas de convergencia y pureza, y permitiendo CRT menos profundos con ángulos de deflexión más altos. [476] También requirió una fuente de alimentación de menor voltaje para el ánodo final, ya que no usaba una máscara de sombra, que normalmente bloquea alrededor del 80% de los electrones generados por el cañón de electrones. La falta de una máscara de sombra también lo hizo inmune al campo magnético de la tierra, al mismo tiempo que hacía innecesaria la desmagnetización y aumentaba el brillo de la imagen. [477] Se construyó de manera similar a un CRT monocromático, con un revestimiento exterior de aquadag, un revestimiento interior de aluminio y un solo cañón de electrones, pero con una pantalla con un patrón alterno de franjas de fósforo rojo, verde, azul y UV (índice) (similar a un Trinitron) con un tubo fotomultiplicador montado lateralmente [478] [477] o fotodiodo apuntando hacia la parte trasera de la pantalla y montado en el embudo del CRT, para rastrear el haz de electrones para activar los fósforos por separado uno del otro usando el mismo haz de electrones. Solo se usó la franja de fósforo de índice para el seguimiento, y fue el único fósforo que no estaba cubierto por una capa de aluminio. [327] Se archivó debido a la precisión requerida para producirlo. [479] [480] Fue revivido por Sony en la década de 1980 como Indextron, pero su adopción fue limitada, al menos en parte debido al desarrollo de las pantallas LCD. Los CRT con índice de haz también sufrían de malas relaciones de contraste de solo alrededor de 50:1, ya que se requería algo de emisión de luz por parte de los fósforos en todo momento por parte de los fotodiodos para seguir el haz de electrones. Permitió proyectores CRT de color de un solo CRT debido a la falta de máscara de sombra; normalmente, los proyectores CRT usan tres CRT, uno para cada color, [481] ya que se genera mucho calor debido al alto voltaje del ánodo y la corriente del haz, lo que hace que una máscara de sombra sea poco práctica e ineficiente ya que se deformaría bajo el calor producido (las máscaras de sombra absorben la mayor parte del haz de electrones y, por lo tanto, la mayor parte de la energía transportada por los electrones relativistas); los tres CRT significaban que se debía realizar un procedimiento de calibración y ajuste complicado [482] durante la instalación del proyector, y mover el proyector requeriría recalibrarlo. Un solo CRT significaba que se eliminaba la necesidad de calibración, pero se reducía el brillo ya que la pantalla CRT tenía que usarse para tres colores en lugar de que cada color tuviera su propia pantalla CRT. [475] Un patrón de rayas también impone un límite de resolución horizontal; en contraste, los proyectores CRT de tres pantallas no tienen un límite de resolución teórico, debido a que tienen recubrimientos de fósforo únicos y uniformes.
Los CRT planos son aquellos con una pantalla plana. A pesar de tener una pantalla plana, pueden no ser completamente planos, especialmente en el interior, en lugar de eso tienen una curvatura mucho mayor. Una excepción notable es el LG Flatron (fabricado por LG.Philips Displays , más tarde LP Displays) que es realmente plano en el exterior y el interior, pero tiene un panel de vidrio adherido en la pantalla con una banda de borde tensada para brindar protección contra implosiones. Estos CRT completamente planos fueron introducidos por primera vez por Zenith en 1986, y usaban máscaras de sombra tensadas planas, donde la máscara de sombra se mantiene bajo tensión, lo que proporciona una mayor resistencia a la floración. [483] [484] [485] [256] [349] [486] Los CRT planos tienen una serie de desafíos, como la deflexión. Se requieren amplificadores de deflexión vertical para aumentar la cantidad de corriente que se envía a las bobinas de deflexión vertical para compensar la curvatura reducida. [283] Los CRT utilizados en el Sinclair TV80 y en muchos Sony Watchman eran planos en el sentido de que no eran profundos y sus pantallas frontales eran planas, pero sus cañones de electrones estaban colocados a un lado de la pantalla. [487] [488] El TV80 usaba deflexión electrostática [489] mientras que el Watchman usaba deflexión magnética con una pantalla de fósforo que estaba curvada hacia adentro. Se usaron CRT similares en los timbres de video. [490]
Los CRT de radar como el 7JP4 tenían una pantalla circular y escaneaban el haz desde el centro hacia afuera. El yugo de deflexión giraba, haciendo que el haz girara de forma circular. [491] La pantalla a menudo tenía dos colores, a menudo un color brillante de persistencia corta que solo aparecía cuando el haz escaneaba la pantalla y un resplandor de fósforo de persistencia larga. Cuando el haz golpea el fósforo, este se ilumina intensamente y, cuando el haz se va, el resplandor de persistencia larga más tenue permanecería encendido donde el haz golpeó el fósforo, junto con los objetivos de radar que fueron "escritos" por el haz, hasta que el haz volviera a golpear el fósforo. [492] [493]
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En los CRT de osciloscopios , se utiliza la deflexión electrostática , en lugar de la deflexión magnética que se utiliza habitualmente con los televisores y otros CRT de gran tamaño. El haz se desvía horizontalmente aplicando un campo eléctrico entre un par de placas a su izquierda y derecha, y verticalmente aplicando un campo eléctrico a las placas de arriba y de abajo. Los televisores utilizan deflexión magnética en lugar de electrostática porque las placas de deflexión obstruyen el haz cuando el ángulo de deflexión es tan grande como el requerido para tubos que son relativamente cortos para su tamaño. Algunos CRT de osciloscopios incorporan ánodos de post-deflexión (PDA) que tienen forma de espiral para garantizar un potencial de ánodo uniforme a lo largo del CRT y funcionan a hasta 15 kV. En los CRT PDA, el haz de electrones se desvía antes de acelerarse, lo que mejora la sensibilidad y la legibilidad, especialmente al analizar pulsos de voltaje con ciclos de trabajo cortos. [494] [159] [495]
Al visualizar eventos rápidos de un solo disparo, el haz de electrones debe desviarse muy rápidamente, con pocos electrones incidiendo en la pantalla, lo que genera una imagen tenue o invisible en la pantalla. Los CRT de osciloscopio diseñados para señales muy rápidas pueden brindar una pantalla más brillante al pasar el haz de electrones a través de una placa de microcanales justo antes de que llegue a la pantalla. A través del fenómeno de emisión secundaria , esta placa multiplica la cantidad de electrones que llegan a la pantalla de fósforo, lo que brinda una mejora significativa en la velocidad de escritura (brillo) y también una sensibilidad y un tamaño de punto mejorados. [496] [497]
La mayoría de los osciloscopios tienen una retícula como parte de la pantalla visual, para facilitar las mediciones. La retícula puede estar marcada permanentemente dentro de la cara del CRT, o puede ser una placa externa transparente hecha de vidrio o plástico acrílico . Una retícula interna elimina el error de paralaje , pero no se puede cambiar para adaptarse a diferentes tipos de mediciones. [498] Los osciloscopios suelen proporcionar un medio para que la retícula se ilumine desde un lado, lo que mejora su visibilidad. [499]
Se encuentran en los osciloscopios analógicos con almacenamiento de fósforo . Son distintos de los osciloscopios de almacenamiento digital que dependen de una memoria digital de estado sólido para almacenar la imagen.
Cuando un osciloscopio controla un único y breve acontecimiento, un tubo convencional sólo mostrará dicho acontecimiento mientras se produce. El uso de un fósforo de larga persistencia puede permitir observar la imagen después del acontecimiento, pero sólo durante unos pocos segundos en el mejor de los casos. Esta limitación se puede superar mediante el uso de un tubo de rayos catódicos de almacenamiento de visión directa (tubo de almacenamiento). Un tubo de almacenamiento seguirá mostrando el acontecimiento después de que se haya producido hasta el momento en que se borre. Un tubo de almacenamiento es similar a un tubo convencional, excepto que está equipado con una rejilla metálica recubierta de una capa dieléctrica situada inmediatamente detrás de la pantalla de fósforo. Un voltaje aplicado externamente a la malla garantiza inicialmente que toda la malla esté a un potencial constante. Esta malla está constantemente expuesta a un haz de electrones de baja velocidad procedente de un "cañón de inundación" que funciona independientemente del cañón principal. Este cañón de inundación no se desvía como el cañón principal, sino que "ilumina" constantemente toda la malla de almacenamiento. La carga inicial en la malla de almacenamiento es tal que repele los electrones del cañón de inundación, a los que se les impide golpear la pantalla de fósforo.
Cuando el cañón principal de electrones escribe una imagen en la pantalla, la energía del haz principal es suficiente para crear un «alivio de potencial» en la malla de almacenamiento. Las áreas en las que se crea este alivio ya no repelen los electrones del cañón de inundación, que pasan ahora a través de la malla e iluminan la pantalla de fósforo. En consecuencia, la imagen que fue trazada brevemente por el cañón principal continúa mostrándose después de que se haya producido. La imagen se puede «borrar» volviendo a suministrar el voltaje externo a la malla para restablecer su potencial constante. El tiempo durante el cual se puede mostrar la imagen era limitado porque, en la práctica, el cañón de inundación neutraliza lentamente la carga en la malla de almacenamiento. Una forma de permitir que la imagen se conserve durante más tiempo es apagar temporalmente el cañón de inundación. Entonces es posible que la imagen se conserve durante varios días. La mayoría de los tubos de almacenamiento permiten aplicar un voltaje más bajo a la malla de almacenamiento que restablece lentamente el estado de carga inicial. Al variar este voltaje se obtiene una persistencia variable. Al apagar el cañón de inundación y el suministro de voltaje a la malla de almacenamiento, se permite que dicho tubo funcione como un tubo de osciloscopio convencional. [500]
Los monitores vectoriales se utilizaron en los primeros sistemas de diseño asistido por ordenador [501] y se encuentran en algunos juegos arcade de finales de los años 1970 y mediados de los años 1980, como Asteroids . [502] Dibujan gráficos punto a punto, en lugar de escanear una trama. Se pueden utilizar CRT monocromáticos o en color en las pantallas vectoriales, y los principios esenciales del diseño y el funcionamiento de los CRT son los mismos para ambos tipos de pantalla; la principal diferencia está en los patrones y circuitos de deflexión del haz.
The Williams tube or Williams-Kilburn tube was a cathode-ray tube used to electronically store binary data. It was used in computers of the 1940s as a random-access digital storage device. In contrast to other CRTs in this article, the Williams tube was not a display device, and in fact could not be viewed since a metal plate covered its screen.
In some vacuum tube radio sets, a "Magic Eye" or "Tuning Eye" tube was provided to assist in tuning the receiver. Tuning would be adjusted until the width of a radial shadow was minimized. This was used instead of a more expensive electromechanical meter, which later came to be used on higher-end tuners when transistor sets lacked the high voltage required to drive the device.[503] The same type of device was used with tape recorders as a recording level meter, and for various other applications including electrical test equipment.
Some displays for early computers (those that needed to display more text than was practical using vectors, or that required high speed for photographic output) used Charactron CRTs. These incorporate a perforated metal character mask (stencil), which shapes a wide electron beam to form a character on the screen. The system selects a character on the mask using one set of deflection circuits, but that causes the extruded beam to be aimed off-axis, so a second set of deflection plates has to re-aim the beam so it is headed toward the center of the screen. A third set of plates places the character wherever required. The beam is unblanked (turned on) briefly to draw the character at that position. Graphics could be drawn by selecting the position on the mask corresponding to the code for a space (in practice, they were simply not drawn), which had a small round hole in the center; this effectively disabled the character mask, and the system reverted to regular vector behavior. Charactrons had exceptionally long necks, because of the need for three deflection systems.[504][505]
Nimo was the trademark of a family of small specialised CRTs manufactured by Industrial Electronic Engineers. These had 10 electron guns which produced electron beams in the form of digits in a manner similar to that of the charactron. The tubes were either simple single-digit displays or more complex 4- or 6- digit displays produced by means of a suitable magnetic deflection system. Having little of the complexities of a standard CRT, the tube required a relatively simple driving circuit, and as the image was projected on the glass face, it provided a much wider viewing angle than competitive types (e.g., nixie tubes).[506] However, their requirement for several voltages and their high voltage made them uncommon.
Flood-beam CRTs are small tubes that are arranged as pixels for large video walls like Jumbotrons. The first screen using this technology (called Diamond Vision by Mitsubishi Electric) was introduced by Mitsubishi Electric for the 1980 Major League Baseball All-Star Game.[507][508] It differs from a normal CRT in that the electron gun within does not produce a focused controllable beam. Instead, electrons are sprayed in a wide cone across the entire front of the phosphor screen, basically making each unit act as a single light bulb.[509] Each one is coated with a red, green or blue phosphor, to make up the color sub-pixels. This technology has largely been replaced with light-emitting diode displays. Unfocused and undeflected CRTs were used as grid-controlled stroboscope lamps since 1958.[510] Electron-stimulated luminescence (ESL) lamps, which use the same operating principle, were released in 2011.[511]
CRTs with an unphosphored front glass but with fine wires embedded in it were used as electrostatic print heads in the 1960s. The wires would pass the electron beam current through the glass onto a sheet of paper where the desired content was therefore deposited as an electrical charge pattern. The paper was then passed near a pool of liquid ink with the opposite charge. The charged areas of the paper attract the ink and thus form the image.[512][513]
In the late 1990s and early 2000s Philips Research Laboratories experimented with a type of thin CRT known as the Zeus display, which contained CRT-like functionality in a flat-panel display. The cathode of this display was mounted under the front of the display, and the electrons from the cathode would be directed to the back to the display where they would stay until extracted by electrodes near the front of the display, and directed to the front of the display which had phosphor dots.[514][515][516][517][518] The devices were demonstrated but never marketed.
Some CRT manufacturers, both LG.Philips Displays (later LP Displays) and Samsung SDI, innovated CRT technology by creating a slimmer tube. Slimmer CRT had the trade names Superslim,[519] Ultraslim,[520] Vixlim (by Samsung)[521] and Cybertube and Cybertube+ (both by LG Philips displays).[522][523] A 21-inch (53 cm) flat CRT has a 447.2-millimetre (17.61 in) depth. The depth of Superslim was 352 millimetres (13.86 in)[524] and Ultraslim was 295.7 millimetres (11.64 in).[525]
CRTs can emit a small amount of X-ray radiation; this is a result of the electron beam's bombardment of the shadow mask/aperture grille and phosphors, which produces bremsstrahlung (braking radiation) as the high-energy electrons are decelerated. The amount of radiation escaping the front of the monitor is widely considered to be not harmful. The Food and Drug Administration regulations in 21 CFR 1020.10 are used to strictly limit, for instance, TV receivers to 0.5 milliroentgens per hour at a distance of 5 cm (2 in) from any external surface; since 2007, most CRTs have emissions that fall well below this limit.[526] Note that the roentgen is an outdated unit and does not account for dose absorption. The conversion rate is about .877 roentgen per rem.[527] Assuming that the viewer absorbed the entire dose (which is unlikely), and that they watched TV for 2 hours a day, a .5 milliroentgen hourly dose would increase the viewers yearly dose by 320 millirem. For comparison, the average background radiation in the United States is 310 millirem a year. Negative effects of chronic radiation are not generally noticeable until doses over 20,000 millirem.[528]
The density of the x-rays that would be generated by a CRT is low because the raster scan of a typical CRT distributes the energy of the electron beam across the entire screen. Voltages above 15,000 volts are enough to generate "soft" x-rays. However, since CRTs may stay on for several hours at a time, the amount of x-rays generated by the CRT may become significant, hence the importance of using materials to shield against x-rays, such as the thick leaded glass and barium-strontium glass used in CRTs.[136]
Concerns about x-rays emitted by CRTs began in 1967 when it was found that TV sets made by General Electric were emitting "X-radiation in excess of desirable levels". It was later found that TV sets from all manufacturers were also emitting radiation. This caused TV industry representatives to be brought before a U.S. congressional committee, which later proposed a federal radiation regulation bill, which became the 1968 Radiation Control for Health and Safety Act. It was recommended to TV set owners to always be at a distance of at least 6 feet from the screen of the TV set, and to avoid "prolonged exposure" at the sides, rear or underneath a TV set. It was discovered that most of the radiation was directed downwards. Owners were also told to not modify their set's internals to avoid exposure to radiation. Headlines about "radioactive" TV sets continued until the end of the 1960s. There once was a proposal by two New York congressmen that would have forced TV set manufacturers to "go into homes to test all of the nation's 15 million color sets and to install radiation devices in them". The FDA eventually began regulating radiation emissions from all electronic products in the US.[529]
Older color and monochrome CRTs may have been manufactured with toxic substances, such as cadmium, in the phosphors.[49][530][531][532] The rear glass tube of modern CRTs may be made from leaded glass, which represent an environmental hazard if disposed of improperly.[533] Since 1970, glass in the front panel (the viewable portion of the CRT) used strontium oxide rather than lead, though the rear of the CRT was still produced from leaded glass. Monochrome CRTs typically do not contain enough leaded glass to fail EPA TCLP tests. While the TCLP process grinds the glass into fine particles in order to expose them to weak acids to test for leachate, intact CRT glass does not leach (The lead is vitrified, contained inside the glass itself, similar to leaded glass crystalware).
At low refresh rates (60 Hz and below), the periodic scanning of the display may produce a flicker that some people perceive more easily than others, especially when viewed with peripheral vision. Flicker is commonly associated with CRT as most TVs run at 50 Hz (PAL) or 60 Hz (NTSC), although there are some 100 Hz PAL TVs that are flicker-free. Typically only low-end monitors run at such low frequencies, with most computer monitors supporting at least 75 Hz and high-end monitors capable of 100 Hz or more to eliminate any perception of flicker.[534] Though the 100 Hz PAL was often achieved using interleaved scanning, dividing the circuit and scan into two beams of 50 Hz. Non-computer CRTs or CRT for sonar or radar may have long persistence phosphor and are thus flicker free. If the persistence is too long on a video display, moving images will be blurred.
50 Hz/60 Hz CRTs used for TV operate with horizontal scanning frequencies of 15,750 and 15,734.27 Hz (for NTSC systems) or 15,625 Hz (for PAL systems).[535] These frequencies are at the upper range of human hearing and are inaudible to many people; however, some people (especially children) will perceive a high-pitched tone near an operating CRT TV.[536] The sound is due to magnetostriction in the magnetic core and periodic movement of windings of the flyback transformer[537] but the sound can also be created by movement of the deflection coils, yoke or ferrite beads.[538]
This problem does not occur on 100/120 Hz TVs and on non-CGA (Color Graphics Adapter) computer displays, because they use much higher horizontal scanning frequencies that produce sound which is inaudible to humans (22 kHz to over 100 kHz).
If the glass wall is damaged, atmospheric pressure can implode the vacuum tube into dangerous fragments which accelerate inward and then spray at high speed in all directions. Although modern cathode-ray tubes used in TVs and computer displays have epoxy-bonded face-plates or other measures to prevent shattering of the envelope, CRTs must be handled carefully to avoid injury.[539]
Early CRTs had a glass plate over the screen that was bonded to it using glue,[143] creating a laminated glass screen: initially the glue was polyvinyl acetate (PVA),[540] while later versions such as the LG Flatron used a resin, perhaps a UV-curable resin.[541][349] The PVA degrades over time creating a "cataract", a ring of degraded glue around the edges of the CRT that does not allow light from the screen to pass through.[540] Later CRTs instead use a tensioned metal rim band mounted around the perimeter that also provides mounting points for the CRT to be mounted to a housing.[384] In a 19-inch CRT, the tensile stress in the rim band is 70 kg/cm2.[542]
Older CRTs were mounted to the TV set using a frame. The band is tensioned by heating it, then mounting it on the CRT; the band cools afterwards, shrinking in size and putting the glass under compression,[543][143][544] which strengthens the glass and reduces the necessary thickness (and hence weight) of the glass. This makes the band an integral component that should never be removed from an intact CRT that still has a vacuum; attempting to remove it may cause the CRT to implode.[324]
The rim band prevents the CRT from imploding should the screen be broken. The rim band may be glued to the perimeter of the CRT using epoxy, preventing cracks from spreading beyond the screen and into the funnel.[545][544]
Alternatively the compression caused by the rim band may be used to cause any cracks in the screen to propagate laterally at a high speed so that they reach the funnel and fully penetrate it before they fully penetrate the screen. This is possible because the funnel has walls that are thinner than the screen. Fully penetrating the funnel first allows air to enter the CRT from a short distance behind the screen, and prevent an implosion by ensuring the screen is fully penetrated by the cracks and breaks only when the CRT already has air.[143]
To accelerate the electrons from the cathode to the screen with enough energy[546] to achieve sufficient image brightness, a very high voltage (EHT or extra-high tension) is required,[547] from a few thousand volts for a small oscilloscope CRT to tens of thousands for a larger screen color TV. This is many times greater than household power supply voltage. Even after the power supply is turned off, some associated capacitors and the CRT itself may retain a charge for some time and therefore dissipate that charge suddenly through a ground such as an inattentive human grounding a capacitor discharge lead. An average monochrome CRT may use 1–1.5 kV of anode voltage per inch.[548][276]
Under some circumstances, the signal radiated from the electron guns, scanning circuitry, and associated wiring of a CRT can be captured remotely and used to reconstruct what is shown on the CRT using a process called Van Eck phreaking.[549] Special TEMPEST shielding can mitigate this effect. Such radiation of a potentially exploitable signal, however, occurs also with other display technologies[550] and with electronics in general.[citation needed]
Due to the toxins contained in CRT monitors the United States Environmental Protection Agency created rules (in October 2001) stating that CRTs must be brought to special e-waste recycling facilities. In November 2002, the EPA began fining companies that disposed of CRTs through landfills or incineration. Regulatory agencies, local and statewide, monitor the disposal of CRTs and other computer equipment.[551]
As electronic waste, CRTs are considered one of the hardest types to recycle.[552] CRTs have relatively high concentration of lead and phosphors, both of which are necessary for the display. There are several companies in the United States that charge a small fee to collect CRTs, then subsidize their labor by selling the harvested copper, wire, and printed circuit boards. The United States Environmental Protection Agency (EPA) includes discarded CRT monitors in its category of "hazardous household waste"[553] but considers CRTs that have been set aside for testing to be commodities if they are not discarded, speculatively accumulated, or left unprotected from weather and other damage.[554]
Various states participate in the recycling of CRTs, each with their reporting requirements for collectors and recycling facilities. For example, in California the recycling of CRTs is governed by CALRecycle, the California Department of Resources Recycling and Recovery through their Payment System.[555] Recycling facilities that accept CRT devices from business and residential sector must obtain contact information such as address and phone number to ensure the CRTs come from a California source in order to participate in the CRT Recycling Payment System.
In Europe, disposal of CRT TVs and monitors is covered by the WEEE Directive.[556]
Multiple methods have been proposed for the recycling of CRT glass. The methods involve thermal, mechanical and chemical processes.[557][558][559][560] All proposed methods remove the lead oxide content from the glass. Some companies operated furnaces to separate the lead from the glass.[561] A coalition called the Recytube project was once formed by several European companies to devise a method to recycle CRTs.[5] The phosphors used in CRTs often contain rare earth metals.[562][563][564][313] A CRT contains about 7 grams of phosphor.[565]
The funnel can be separated from the screen of the CRT using laser cutting, diamond saws or wires or using a resistively heated nichrome wire.[566][567][568][569][570]
Leaded CRT glass was sold to be remelted into other CRTs,[78] or even broken down and used in road construction or used in tiles,[571][572] concrete, concrete and cement bricks,[573] fiberglass insulation or used as flux in metals smelting.[574][575]
A considerable portion of CRT glass is landfilled, where it can pollute the surrounding environment.[5] It is more common for CRT glass to be disposed of than being recycled.[576]
Applying CRT in different display-purpose:
Historical aspects:
Safety and precautions:
Evidence for the existence of "cathode-rays" was first found by Plücker and Hittorf ...
![CRT monocromático más antiguo[393] sin aluminio, solo aquadag](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/40/Osziroehre.jpg/1280px-Osziroehre.jpg)
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of June 2024 (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite magazine}}: Cite magazine requires |magazine= (help); Missing or empty |title= (help)24:TV viewers of the 1970s will see their programs on sets quite different from today's, if designs now being worked out are developed. At the Home Furnishings Market in Chicago, Illinois, on June 21, 1961, a thin TV screen is a feature of this design model. Another feature is an automatic timing device which would record TV programs during the viewers' absence to be played back later. The 32x22-inch color screen is four inches thick.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)