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 CRT de pantalla plana para monitores de computadora, 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 computadora. [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 curvado) 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 las 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 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 ]
Color CRTs use three different phosphors which emit red, green, and blue light respectively. They are packed together in stripes (as in aperture grille designs) or clusters called "triads" (as in shadow mask CRTs).[394][395]
Color CRTs have three electron guns, one for each primary color, (red, green and blue) arranged either in a straight line (in-line) or in an equilateral triangular configuration (the guns are usually constructed as a single unit).[188][269][396][397][398] The triangular configuration is often called delta-gun, based on its relation to the shape of the Greek letter delta (Δ). The arrangement of the phosphors is the same as that of the electron guns.[188][399] A grille or mask absorbs the electrons that would otherwise hit the wrong phosphor.[400]
A shadow mask tube uses a metal plate with tiny holes, typically in a delta configuration, placed so that the electron beam only illuminates the correct phosphors on the face of the tube;[394] blocking all other electrons.[100] Shadow masks that use slots instead of holes are known as slot masks.[9] The holes or slots are tapered[401][402] so that the electrons that strike the inside of any hole will be reflected back, if they are not absorbed (e.g. due to local charge accumulation), instead of bouncing through the hole to strike a random (wrong) spot on the screen. Another type of color CRT (Trinitron) uses an aperture grille of tensioned vertical wires to achieve the same result.[400] The shadow mask has a single hole for each triad.[188] The shadow mask is usually 1⁄2 inch behind the screen.[116]
Trinitron CRTs were different from other color CRTs in that they had a single electron gun with three cathodes, an aperture grille which lets more electrons through, increasing image brightness (since the aperture grille does not block as many electrons), and a vertically cylindrical screen, rather than a curved screen.[403]
The three electron guns are in the neck (except for Trinitrons) and the red, green and blue phosphors on the screen may be separated by a black grid or matrix (called black stripe by Toshiba).[64]
The funnel is coated with aquadag on both sides while the screen has a separate aluminum coating applied in a vacuum,[188][115] deposited after the phosphor coating is applied, facing the electron gun.[404][405] The aluminum coating protects the phosphor from ions, absorbs secondary electrons, providing them with a return path, preventing them from electrostatically charging the screen which would then repel electrons and reduce image brightness, reflects the light from the phosphors forwards and helps manage heat. It also serves as the anode of the CRT together with the inner aquadag coating. The inner coating is electrically connected to an electrode of the electron gun using springs, forming the final anode.[189][188] The outer aquadag coating is connected to ground, possibly using a series of springs or a harness that makes contact with the aquadag.[406][407]
The shadow mask absorbs or reflects electrons that would otherwise strike the wrong phosphor dots,[391] causing color purity issues (discoloration of images); in other words, when set up correctly, the shadow mask helps ensure color purity.[188] When the electrons strike the shadow mask, they release their energy as heat and x-rays. If the electrons have too much energy due to an anode voltage that is too high for example, the shadow mask can warp due to the heat, which can also happen during the Lehr baking at ~435 °C of the frit seal between the faceplate and the funnel of the CRT.[352][408]
Shadow masks were replaced in TVs by slot masks in the 1970s, since slot masks let more electrons through, increasing image brightness. Shadow masks may be connected electrically to the anode of the CRT.[409][50][410][411] Trinitron used a single electron gun with three cathodes instead of three complete guns. CRT PC monitors usually use shadow masks, except for Sony's Trinitron, Mitsubishi's Diamondtron and NEC's Cromaclear; Trinitron and Diamondtron use aperture grilles while Cromaclear uses a slot mask. Some shadow mask CRTs have color phosphors that are smaller in diameter than the electron beams used to light them,[412] with the intention being to cover the entire phosphor, increasing image brightness.[413] Shadow masks may be pressed into a curved shape.[414][415][416]
Early color CRTs did not have a black matrix, which was introduced by Zenith in 1969, and Panasonic in 1970.[413][417][132] The black matrix eliminates light leaking from one phosphor to another since the black matrix isolates the phosphor dots from one another, so part of the electron beam touches the black matrix. This is also made necessary by warping of the shadow mask.[64][412] Light bleeding may still occur due to stray electrons striking the wrong phosphor dots. At high resolutions and refresh rates, phosphors only receive a very small amount of energy, limiting image brightness.[343]
Several methods were used to create the black matrix. One method coated the screen in photoresist such as dichromate-sensitized polyvinyl alcohol photoresist which was then dried and exposed; the unexposed areas were removed and the entire screen was coated in colloidal graphite to create a carbon film, and then hydrogen peroxide was used to remove the remaining photoresist alongside the carbon that was on top of it, creating holes that in turn created the black matrix. The photoresist had to be of the correct thickness to ensure sufficient adhesion to the screen, while the exposure step had to be controlled to avoid holes that were too small or large with ragged edges caused by light diffraction, ultimately limiting the maximum resolution of large color CRTs.[412] The holes were then filled with phosphor using the method described above. Another method used phosphors suspended in an aromatic diazonium salt that adhered to the screen when exposed to light; the phosphors were applied, then exposed to cause them to adhere to the screen, repeating the process once for each color. Then carbon was applied to the remaining areas of the screen while exposing the entire screen to light to create the black matrix, and a fixing process using an aqueous polymer solution was applied to the screen to make the phosphors and black matrix resistant to water.[417] Black chromium may be used instead of carbon in the black matrix.[412] Other methods were also used.[418][419][420][421]
The phosphors are applied using photolithography. The inner side of the screen is coated with phosphor particles suspended in PVA photoresist slurry,[422][423] which is then dried using infrared light,[424] exposed, and developed. The exposure is done using a "lighthouse" that uses an ultraviolet light source with a corrector lens to allow the CRT to achieve color purity. Removable shadow masks with spring-loaded clips are used as photomasks. The process is repeated with all colors. Usually the green phosphor is the first to be applied.[188][425][426][427] After phosphor application, the screen is baked to eliminate any organic chemicals (such as the PVA that was used to deposit the phosphor) that may remain on the screen.[417][428] Alternatively, the phosphors may be applied in a vacuum chamber by evaporating them and allowing them to condense on the screen, creating a very uniform coating.[236] Early color CRTs had their phosphors deposited using silkscreen printing.[42] Phosphors may have color filters over them (facing the viewer), contain pigment of the color emitted by the phosphor,[429][314] or be encapsulated in color filters to improve color purity and reproduction while reducing glare.[426][411] Such technology was sold by Toshiba under the Microfilter brand name.[430] Poor exposure due to insufficient light leads to poor phosphor adhesion to the screen, which limits the maximum resolution of a CRT, as the smaller phosphor dots required for higher resolutions cannot receive as much light due to their smaller size.[431]
After the screen is coated with phosphor and aluminum and the shadow mask installed onto it the screen is bonded to the funnel using a glass frit that may contain 65–88% of lead oxide by weight. The lead oxide is necessary for the glass frit to have a low melting temperature. Boron oxide (III) may also present to stabilize the frit, with alumina powder as filler powder to control the thermal expansion of the frit.[432][149][6] The frit may be applied as a paste consisting of frit particles suspended in amyl acetate or in a polymer with an alkyl methacrylate monomer together with an organic solvent to dissolve the polymer and monomer.[433][434] The CRT is then baked in an oven in what is called a Lehr bake, to cure the frit, sealing the funnel and screen together. The frit contains a large quantity of lead, causing color CRTs to contain more lead than their monochrome counterparts. Monochrome CRTs on the other hand do not require frit; the funnel can be fused directly to the glass[100] by melting and joining the edges of the funnel and screen using gas flames. Frit is used in color CRTs to prevent deformation of the shadow mask and screen during the fusing process. The edges of the screen and the edges of funnel of the CRT that mate with the screen, are never melted.[188] A primer may be applied on the edges of the funnel and screen before the frit paste is applied to improve adhesion.[435] The Lehr bake consists of several successive steps that heat and then cool the CRT gradually until it reaches a temperature of 435–475 °C[433] (other sources may state different temperatures, such as 440 °C)[436] After the Lehr bake, the CRT is flushed with air or nitrogen to remove contaminants, the electron gun is inserted and sealed into the neck of the CRT, and a vacuum is formed on the CRT.[437][211]
Due to limitations in the dimensional precision with which CRTs can be manufactured economically, it has not been practically possible to build color CRTs in which three electron beams could be aligned to hit phosphors of respective color in acceptable coordination, solely on the basis of the geometric configuration of the electron gun axes and gun aperture positions, shadow mask apertures, etc. The shadow mask ensures that one beam will only hit spots of certain colors of phosphors, but minute variations in physical alignment of the internal parts among individual CRTs will cause variations in the exact alignment of the beams through the shadow mask, allowing some electrons from, for example, the red beam to hit, say, blue phosphors, unless some individual compensation is made for the variance among individual tubes.
Color convergence and color purity are two aspects of this single problem. Firstly, for correct color rendering it is necessary that regardless of where the beams are deflected on the screen, all three hit the same spot (and nominally pass through the same hole or slot) on the shadow mask.[clarification needed] This is called convergence.[438] More specifically, the convergence at the center of the screen (with no deflection field applied by the yoke) is called static convergence, and the convergence over the rest of the screen area (specially at the edges and corners) is called dynamic convergence.[117] The beams may converge at the center of the screen and yet stray from each other as they are deflected toward the edges; such a CRT would be said to have good static convergence but poor dynamic convergence. Secondly, each beam must only strike the phosphors of the color it is intended to strike and no others. This is called purity. Like convergence, there is static purity and dynamic purity, with the same meanings of "static" and "dynamic" as for convergence. Convergence and purity are distinct parameters; a CRT could have good purity but poor convergence, or vice versa. Poor convergence causes color "shadows" or "ghosts" along displayed edges and contours, as if the image on the screen were intaglio printed with poor registration. Poor purity causes objects on the screen to appear off-color while their edges remain sharp. Purity and convergence problems can occur at the same time, in the same or different areas of the screen or both over the whole screen, and either uniformly or to greater or lesser degrees over different parts of the screen.
The solution to the static convergence and purity problems is a set of color alignment ring magnets installed around the neck of the CRT.[439] These movable weak permanent magnets are usually mounted on the back end of the deflection yoke assembly and are set at the factory to compensate for any static purity and convergence errors that are intrinsic to the unadjusted tube. Typically there are two or three pairs of two magnets in the form of rings made of plastic impregnated with a magnetic material, with their magnetic fields parallel to the planes of the magnets, which are perpendicular to the electron gun axes. Often, one pair of rings has 2 poles, another has 4, and the remaining ring has 6 poles.[440] Each pair of magnetic rings forms a single effective magnet whose field vector can be fully and freely adjusted (in both direction and magnitude). By rotating a pair of magnets relative to each other, their relative field alignment can be varied, adjusting the effective field strength of the pair. (As they rotate relative to each other, each magnet's field can be considered to have two opposing components at right angles, and these four components [two each for two magnets] form two pairs, one pair reinforcing each other and the other pair opposing and canceling each other. Rotating away from alignment, the magnets' mutually reinforcing field components decrease as they are traded for increasing opposed, mutually cancelling components.) By rotating a pair of magnets together, preserving the relative angle between them, the direction of their collective magnetic field can be varied. Overall, adjusting all of the convergence/purity magnets allows a finely tuned slight electron beam deflection or lateral offset to be applied, which compensates for minor static convergence and purity errors intrinsic to the uncalibrated tube. Once set, these magnets are usually glued in place, but normally they can be freed and readjusted in the field (e.g. by a TV repair shop) if necessary.
On some CRTs, additional fixed adjustable magnets are added for dynamic convergence or dynamic purity at specific points on the screen, typically near the corners or edges. Further adjustment of dynamic convergence and purity typically cannot be done passively, but requires active compensation circuits, one to correct convergence horizontally and another to correct it vertically. In this case the deflection yoke contains convergence coils, a set of two per color, wound on the same core, to which the convergence signals are applied. That means 6 convergence coils in groups of 3, with 2 coils per group, with one coil for horizontal convergence correction and another for vertical convergence correction, with each group sharing a core. The groups are separated 120° from one another. Dynamic convergence is necessary because the front of the CRT and the shadow mask are not spherical, compensating for electron beam defocusing and astigmatism. The fact that the CRT screen is not spherical[441] leads to geometry problems which may be corrected using a circuit.[442] The signals used for convergence are parabolic waveforms derived from three signals coming from a vertical output circuit. The parabolic signal is fed into the convergence coils, while the other two are sawtooth signals that, when mixed with the parabolic signals, create the necessary signal for convergence. A resistor and diode are used to lock the convergence signal to the center of the screen to prevent it from being affected by the static convergence. The horizontal and vertical convergence circuits are similar. Each circuit has two resonators, one usually tuned to 15,625 Hz and the other to 31,250 Hz, which set the frequency of the signal sent to the convergence coils.[443] Dynamic convergence may be accomplished using electrostatic quadrupole fields in the electron gun.[444] Dynamic convergence means that the electron beam does not travel in a perfectly straight line between the deflection coils and the screen, since the convergence coils cause it to become curved to conform to the screen.
The convergence signal may instead be a sawtooth signal with a slight sine wave appearance, the sine wave part is created using a capacitor in series with each deflection coil. In this case, the convergence signal is used to drive the deflection coils. The sine wave part of the signal causes the electron beam to move more slowly near the edges of the screen. The capacitors used to create the convergence signal are known as the s-capacitors. This type of convergence is necessary due to the high deflection angles and flat screens of many CRT computer monitors. The value of the s-capacitors must be chosen based on the scan rate of the CRT, so multi-syncing monitors must have different sets of s-capacitors, one for each refresh rate.[111]
Dynamic convergence may instead be accomplished in some CRTs using only the ring magnets, magnets glued to the CRT, and by varying the position of the deflection yoke, whose position may be maintained using set screws, a clamp and rubber wedges.[117][445] 90° deflection angle CRTs may use "self-convergence" without dynamic convergence, which together with the in-line triad arrangement, eliminates the need for separate convergence coils and related circuitry, reducing costs. complexity and CRT depth by 10 millimeters. Self-convergence works by means of "nonuniform" magnetic fields. Dynamic convergence is necessary in 110° deflection angle CRTs, and quadrupole windings on the deflection yoke at a certain frequency may also be used for dynamic convergence.[446]
Dynamic color convergence and purity are one of the main reasons why until late in their history, CRTs were long-necked (deep) and had biaxially curved faces; these geometric design characteristics are necessary for intrinsic passive dynamic color convergence and purity. Only starting around the 1990s did sophisticated active dynamic convergence compensation circuits become available that made short-necked and flat-faced CRTs workable. These active compensation circuits use the deflection yoke to finely adjust beam deflection according to the beam target location. The same techniques (and major circuit components) also make possible the adjustment of display image rotation, skew, and other complex raster geometry parameters through electronics under user control.[111]
Alternatively, the guns can be aligned with one another (converged) using convergence rings placed right outside the neck; with one ring per gun. The rings can have north and south poles. There can be 4 sets of rings, one to adjust RGB convergence, a second to adjust Red and Blue convergence, a third to adjust vertical raster shift, and a fourth to adjust purity. The vertical raster shift adjusts the straightness of the scan line. CRTs may also employ dynamic convergence circuits, which ensure correct convergence at the edges of the CRT. Permalloy magnets may also be used to correct the convergence at the edges. Convergence is carried out with the help of a crosshatch (grid) pattern.[447][448] Other CRTs may instead use magnets that are pushed in and out instead of rings.[407] In early color CRTs, the holes in the shadow mask became progressively smaller as they extended outwards from the center of the screen, to aid in convergence.[413]
If the shadow mask or aperture grille becomes magnetized, its magnetic field alters the paths of the electron beams. This causes errors of "color purity" as the electrons no longer follow only their intended paths, and some will hit some phosphors of colors other than the one intended. For example, some electrons from the red beam may hit blue or green phosphors, imposing a magenta or yellow tint to parts of the image that are supposed to be pure red. (This effect is localized to a specific area of the screen if the magnetization is localized.) Therefore, it is important that the shadow mask or aperture grille not be magnetized. The earth's magnetic field may have an effect on the color purity of the CRT.[447] Because of this, some CRTs have external magnetic shields over their funnels. The magnetic shield may be made of soft iron or mild steel and contain a degaussing coil.[449] The magnetic shield and shadow mask may be permanently magnetized by the earth's magnetic field, adversely affecting color purity when the CRT is moved. This problem is solved with a built-in degaussing coil, found in many TVs and computer monitors. Degaussing may be automatic, occurring whenever the CRT is turned on.[450][188] The magnetic shield may also be internal, being on the inside of the funnel of the CRT.[451][452][111][453][454][455]
Color CRT displays in TV sets and computer monitors often have a built-in degaussing (demagnetizing) coil mounted around the perimeter of the CRT face. Upon power-up of the CRT display, the degaussing circuit produces a brief, alternating current through the coil which fades to zero over a few seconds, producing a decaying alternating magnetic field from the coil. This degaussing field is strong enough to remove shadow mask magnetization in most cases, maintaining color purity.[456][457] In unusual cases of strong magnetization where the internal degaussing field is not sufficient, the shadow mask may be degaussed externally with a stronger portable degausser or demagnetizer. However, an excessively strong magnetic field, whether alternating or constant, may mechanically deform (bend) the shadow mask, causing a permanent color distortion on the display which looks very similar to a magnetization effect.
Dot pitch defines the maximum resolution of the display, assuming delta-gun CRTs. In these, as the scanned resolution approaches the dot pitch resolution, moiré appears, as the detail being displayed is finer than what the shadow mask can render.[458] Aperture grille monitors do not suffer from vertical moiré, however, because their phosphor stripes have no vertical detail. In smaller CRTs, these strips maintain position by themselves, but larger aperture-grille CRTs require one or two crosswise (horizontal) support strips; one for smaller CRTs, and two for larger ones. The support wires block electrons, causing the wires to be visible.[459] In aperture grille CRTs, dot pitch is replaced by stripe pitch. Hitachi developed the Enhanced Dot Pitch (EDP) shadow mask, which uses oval holes instead of circular ones, with respective oval phosphor dots.[411] Moiré is reduced in shadow mask CRTs by arranging the holes in the shadow mask in a honeycomb-like pattern.[111]
Projection CRTs were used in CRT projectors and CRT rear-projection TVs, and are usually small (being 7–9 inches across);[265] have a phosphor that generates either red, green or blue light, thus making them monochrome CRTs;[460] and are similar in construction to other monochrome CRTs. Larger projection CRTs in general lasted longer, and were able to provide higher brightness levels and resolution, but were also more expensive.[461][462] Projection CRTs have an unusually high anode voltage for their size (such as 27 or 25 kV for a 5 or 7-inch projection CRT respectively),[463][464] and a specially made tungsten/barium cathode (instead of the pure barium oxide normally used) that consists of barium atoms embedded in 20% porous tungsten or barium and calcium aluminates or of barium, calcium and aluminum oxides coated on porous tungsten; the barium diffuses through the tungsten to emit electrons.[465] The special cathode can deliver 2 mA of current instead of the 0.3mA of normal cathodes,[466][465][229][167] which makes them bright enough to be used as light sources for projection. The high anode voltage and the specially made cathode increase the voltage and current, respectively, of the electron beam, which increases the light emitted by the phosphors, and also the amount of heat generated during operation; this means that projector CRTs need cooling. The screen is usually cooled using a container (the screen forms part of the container) with glycol; the glycol may itself be dyed,[467] or colorless glycol may be used inside a container which may be colored (forming a lens known as a c-element). Colored lenses or glycol are used for improving color reproduction at the cost of brightness, and are only used on red and green CRTs.[468][469] Each CRT has its own glycol, which has access to an air bubble to allow the glycol to shrink and expand as it cools and warms. Projector CRTs may have adjustment rings just like color CRTs to adjust astigmatism,[470] which is flaring of the electron beam (stray light similar to shadows).[471] They have three adjustment rings; one with two poles, one with four poles, and another with 6 poles. When correctly adjusted, the projector can display perfectly round dots without flaring.[472] The screens used in projection CRTs were more transparent than usual, with 90% transmittance.[115] The first projection CRTs were made in 1933.[473]
Projector CRTs were available with electrostatic and electromagnetic focusing, the latter being more expensive. Electrostatic focusing used electronics to focus the electron beam, together with focusing magnets around the neck of the CRT for fine focusing adjustments. This type of focusing degraded over time. Electromagnetic focusing was introduced in the early 1990s and included an electromagnetic focusing coil in addition to the already existing focusing magnets. Electromagnetic focusing was much more stable over the lifetime of the CRT, retaining 95% of its sharpness by the end of life of the CRT.[474]
Beam-index tubes, also known as Uniray, Apple CRT or Indextron,[475] was an attempt in the 1950s by Philco to create a color CRT without a shadow mask, eliminating convergence and purity problems, and allowing for shallower CRTs with higher deflection angles.[476] It also required a lower voltage power supply for the final anode since it did not use a shadow mask, which normally blocks around 80% of the electrons generated by the electron gun. The lack of a shadow mask also made it immune to the earth's magnetic field while also making degaussing unnecessary and increasing image brightness.[477] It was constructed similarly to a monochrome CRT, with an aquadag outer coating, an aluminum inner coating, and a single electron gun but with a screen with an alternating pattern of red, green, blue and UV (index) phosphor stripes (similarly to a Trinitron) with a side mounted photomultiplier tube[478][477] or photodiode pointed towards the rear of the screen and mounted on the funnel of CRT, to track the electron beam to activate the phosphors separately from one another using the same electron beam. Only the index phosphor stripe was used for tracking, and it was the only phosphor that was not covered by an aluminum layer.[327] It was shelved because of the precision required to produce it.[479][480] It was revived by Sony in the 1980s as the Indextron but its adoption was limited, at least in part due to the development of LCD displays. Beam-index CRTs also suffered from poor contrast ratios of only around 50:1 since some light emission by the phosphors was required at all times by the photodiodes to track the electron beam. It allowed for single CRT color CRT projectors due to a lack of shadow mask; normally CRT projectors use three CRTs, one for each color,[481] since a lot of heat is generated due to the high anode voltage and beam current, making a shadow mask impractical and inefficient since it would warp under the heat produced (shadow masks absorb most of the electron beam, and, hence, most of the energy carried by the relativistic electrons); the three CRTs meant that an involved calibration and adjustment procedure[482] had to be carried out during installation of the projector, and moving the projector would require it to be recalibrated. A single CRT meant the need for calibration was eliminated, but brightness was decreased since the CRT screen had to be used for three colors instead of each color having its own CRT screen.[475] A stripe pattern also imposes a horizontal resolution limit; in contrast, three-screen CRT projectors have no theoretical resolution limit, due to them having single, uniform phosphor coatings.
Flat CRTs are those with a flat screen. Despite having a flat screen, they may not be completely flat, especially on the inside, instead having a greatly increased curvature. A notable exception is the LG Flatron (made by LG.Philips Displays, later LP Displays) which is truly flat on the outside and inside, but has a bonded glass pane on the screen with a tensioned rim band to provide implosion protection. Such completely flat CRTs were first introduced by Zenith in 1986, and used flat tensioned shadow masks, where the shadow mask is held under tension, providing increased resistance to blooming.[483][484][485][256][349][486]Flat CRTs have a number of challenges, like deflection. Vertical deflection boosters are required to increase the amount of current that is sent to the vertical deflection coils to compensate for the reduced curvature.[283] The CRTs used in the Sinclair TV80, and in many Sony Watchmans were flat in that they were not deep and their front screens were flat, but their electron guns were put to a side of the screen.[487][488] The TV80 used electrostatic deflection[489] while the Watchman used magnetic deflection with a phosphor screen that was curved inwards. Similar CRTs were used in video door bells.[490]
Radar CRTs such as the 7JP4 had a circular screen and scanned the beam from the center outwards. The deflection yoke rotated, causing the beam to rotate in a circular fashion.[491] The screen often had two colors, often a bright short persistence color that only appeared as the beam scanned the display and a long persistence phosphor afterglow. When the beam strikes the phosphor, the phosphor brightly illuminates, and when the beam leaves, the dimmer long persistence afterglow would remain lit where the beam struck the phosphor, alongside the radar targets that were "written" by the beam, until the beam re-struck the phosphor.[492][493]
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In oscilloscope CRTs, electrostatic deflection is used, rather than the magnetic deflection commonly used with TV and other large CRTs. The beam is deflected horizontally by applying an electric field between a pair of plates to its left and right, and vertically by applying an electric field to plates above and below. TVs use magnetic rather than electrostatic deflection because the deflection plates obstruct the beam when the deflection angle is as large as is required for tubes that are relatively short for their size. Some Oscilloscope CRTs incorporate post deflection anodes (PDAs) that are spiral-shaped to ensure even anode potential across the CRT and operate at up to 15 kV. In PDA CRTs the electron beam is deflected before it is accelerated, improving sensitivity and legibility, specially when analyzing voltage pulses with short duty cycles.[494][159][495]
When displaying fast one-shot events, the electron beam must deflect very quickly, with few electrons impinging on the screen, leading to a faint or invisible image on the display. Oscilloscope CRTs designed for very fast signals can give a brighter display by passing the electron beam through a micro-channel plate just before it reaches the screen. Through the phenomenon of secondary emission, this plate multiplies the number of electrons reaching the phosphor screen, giving a significant improvement in writing rate (brightness) and improved sensitivity and spot size as well.[496][497]
Most oscilloscopes have a graticule as part of the visual display, to facilitate measurements. The graticule may be permanently marked inside the face of the CRT, or it may be a transparent external plate made of glass or acrylic plastic. An internal graticule eliminates parallax error, but cannot be changed to accommodate different types of measurements.[498] Oscilloscopes commonly provide a means for the graticule to be illuminated from the side, which improves its visibility.[499]
These are found in analog phosphor storage oscilloscopes. These are distinct from digital storage oscilloscopes which rely on solid state digital memory to store the image.
Where a single brief event is monitored by an oscilloscope, such an event will be displayed by a conventional tube only while it actually occurs. The use of a long persistence phosphor may allow the image to be observed after the event, but only for a few seconds at best. This limitation can be overcome by the use of a direct view storage cathode-ray tube (storage tube). A storage tube will continue to display the event after it has occurred until such time as it is erased. A storage tube is similar to a conventional tube except that it is equipped with a metal grid coated with a dielectric layer located immediately behind the phosphor screen. An externally applied voltage to the mesh initially ensures that the whole mesh is at a constant potential. This mesh is constantly exposed to a low velocity electron beam from a 'flood gun' which operates independently of the main gun. This flood gun is not deflected like the main gun but constantly 'illuminates' the whole of the storage mesh. The initial charge on the storage mesh is such as to repel the electrons from the flood gun which are prevented from striking the phosphor screen.
When the main electron gun writes an image to the screen, the energy in the main beam is sufficient to create a 'potential relief' on the storage mesh. The areas where this relief is created no longer repel the electrons from the flood gun which now pass through the mesh and illuminate the phosphor screen. Consequently, the image that was briefly traced out by the main gun continues to be displayed after it has occurred. The image can be 'erased' by resupplying the external voltage to the mesh restoring its constant potential. The time for which the image can be displayed was limited because, in practice, the flood gun slowly neutralises the charge on the storage mesh. One way of allowing the image to be retained for longer is temporarily to turn off the flood gun. It is then possible for the image to be retained for several days. The majority of storage tubes allow for a lower voltage to be applied to the storage mesh which slowly restores the initial charge state. By varying this voltage a variable persistence is obtained. Turning off the flood gun and the voltage supply to the storage mesh allows such a tube to operate as a conventional oscilloscope tube.[500]
Vector monitors were used in early computer aided design systems[501] and are in some late-1970s to mid-1980s arcade games such as Asteroids.[502]They draw graphics point-to-point, rather than scanning a raster. Either monochrome or color CRTs can be used in vector displays, and the essential principles of CRT design and operation are the same for either type of display; the main difference is in the beam deflection patterns and circuits.
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)
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