Электронно-лучевая трубка
-
История и развитие
- Катодные лучи были открыты в 1890-х годах.
- В 1897 году была изобретена трубка Брауна.
- В 1908 году Кэмпбелл-Суинтон предложил использовать ЭЛТ для телевидения.
- В 1922 году была разработана первая ЭЛТ с горячим катодом.
- В 1926 году Такаянаги продемонстрировал ЭЛТ-телевизор.
- В 1930-х годах ЭЛТ стали серийно выпускаться.
- В 1954 году RCA выпустила первые цветные ЭЛТ.
- В 1960 году была изобретена трубка Эйкена.
- В 1987 году Zenith разработала ЭЛТ с плоским экраном.
- В 1990 году Sony выпустила первую ЭЛТ с разрешением HD.
-
Конструкция и принцип работы
- ЭЛТ состоит из стеклянной оболочки, катода, нити накала, управляющего электрода и отклоняющих катушек.
- Катод испускает электроны, которые фокусируются и отклоняются для отображения изображения.
- Электроны ускоряются анодом и попадают на экран, покрытый люминофором.
-
Применение и вытеснение
- ЭЛТ использовались в телевизорах, осциллографах, радиолокационных целях и запоминающих устройствах.
- С начала 2010-х годов ЭЛТ были вытеснены плоскими панелями, такими как ЖК-дисплеи и OLED-дисплеи.
- Плоские дисплеи дешевле, легче и тоньше, а также могут быть изготовлены в больших размерах.
-
История и производство ЭЛТ
- ЭЛТ не были запущены в массовое производство из-за дешевизны ЖК-дисплеев.
- Последний крупный производитель ЭЛТ, Videocon, прекратил производство в 2015 году.
- В 2012 году Samsung SDI и другие компании были оштрафованы за установление цен на ЭЛТ.
-
Снижение популярности ЭЛТ
- С конца 1990-х годов ЭЛТ начали заменяться ЖК-дисплеями.
- Продажи ЖК-мониторов превысили продажи ЭЛТ в 2003-2004 годах.
- В 2005 году продажи ЖК-телевизоров превысили продажи ЭЛТ на некоторых рынках.
-
Современное использование ЭЛТ
- В некоторых отраслях промышленности ЭЛТ все еще используются из-за их преимуществ.
- В авиации и военной технике ЭЛТ используются из-за отсутствия замены.
- ЭЛТ-карты используются для ретроигр и световых пушек.
-
Конструкция ЭЛТ
- Корпус ЭЛТ состоит из экрана, конуса и горловины.
- Стекло для ЭЛТ должно обладать особыми свойствами для защиты от рентгеновских лучей.
- Состав стекла влияет на цветопередачу и контрастность.
-
Материалы и технологии
- Воронка и горлышко изготовлены из освинцованного стекла для защиты от рентгеновских лучей.
- Экран обычно изготавливается из бессвинцового силикатного стекла.
- В монохромных ЭЛТ экран и воронка могут быть из тонированного бариево-свинцового стекла.
-
Экологические аспекты
- Освинцованное стекло содержит несколько килограммов свинца.
- В ранних ЭЛТ использовались металлические воронки, изолированные полиэтиленом.
- Воронка покрыта токопроводящим покрытием для стабилизации анодного напряжения.
-
Конструкция и материалы
- Воронка используется как конденсатор, стекло должно быть диэлектриком.
- Внутреннее покрытие имеет положительное напряжение, внешнее заземлено.
- Современные ЭЛТ не нуждаются в заземлении благодаря надежным источникам питания.
- Емкость конденсатора составляет 5-10 нФ.
- ЭЛТ необходимо разряжать перед использованием.
-
Размеры и вес
- Размер ЭЛТ измеряется по диагонали экрана или видимой области.
- Видимая область может быть прямоугольной или повторять кривизну краев.
- Вес ЭЛТ зависит от экрана, воронки и горлышка.
- Стекло в воронке может быть разной толщины.
-
Анод и его компоненты
- Внешнее покрытие заземлено, внутреннее подключено к аноду через конденсаторы и диоды.
- Анод используется для ускорения электронов и сбора вторичных электронов.
- Анодная кнопка должна выдерживать высокое напряжение.
- Обратный трансформатор обеспечивает высокое анодное напряжение.
-
Электронная пушка
- Электронная пушка испускает электроны на экран.
- Содержит нагреватель, катод, сетки и стеклянную пластину.
- Катод нагревается вольфрамовой нитью накала, создавая электронное облако.
- Электронная пушка может иметь несколько коротких замыканий, что влияет на изображение.
-
Конструкция катода
- Катод состоит из слоя оксида бария на никелевом основании.
- Оксид бария активируется нагревом для высвобождения электронов.
- Активация выполняется в вакууме, чтобы избежать повреждения газами.
-
Отравление катода
- Катод подвержен отравлению положительными ионами, что снижает яркость изображения.
- Отравление ускоряется при увеличении катодного тока.
- В цветных ЭЛТ отравление может вызвать потерю одного или нескольких цветов.
-
Управление электронным лучом
- Отрицательный ток подается на первую сетку для создания электронного пучка.
- Вторая сетка ускоряет электроны к экрану.
- Третья сетка фокусирует электронный луч с помощью линзы Эйнцеля или бипотенциальной линзы.
-
Напряжение отсечки и гашение
- Напряжение отсечки создает черный цвет на экране.
- В цветных ЭЛТ напряжение отсечки разное для каждого излучателя.
- Во время обратного прохождения луча видеоусилитель отключается для предотвращения отображения линий обратного хода.
-
Магнитное поле и астигматизм
- Магнитное поле Земли влияет на электронный луч, что можно исправить с помощью элементов управления астигматизацией.
- Некоторые ЭЛТ оснащены квадрупольной линзой для динамической фокусировки.
-
Старение и усилитель
- ЭЛТ подвергаются старению для стабилизации эмиссии катода.
- Электронные пушки приводятся в действие видеоусилителем, который усиливает сигнал до 40-170 В на канал.
- Усилитель ограничивает разрешение, частоту обновления и контрастность ЭЛТ.
-
Типы отклонения
- Магнитное отклонение используется в телевизорах и мониторах, обеспечивая высокие углы отклонения и яркость.
- Электростатическое отклонение используется в осциллографах для прямого применения сигналов к вертикальным пластинам.
-
Магнитное отклонение
- Используется в телевизорах и мониторах.
- Включает две пары катушек: вертикальную и горизонтальную.
- Катушки могут быть приклеены или съемными.
- Катушки генерируют тепло, которое необходимо удалять.
- Катушки управляются сигналами, подаваемыми через VGA.
- Горизонтальные катушки работают на частоте 15-240 кГц, вертикальные — в зависимости от частоты обновления экрана.
- Катушки требуют напряжения 24 В для вертикальных и 120 В для горизонтальных.
- Катушки приводятся в действие усилителями.
-
Электростатическое отклонение
- Используется в осциллографах.
- Включает две пары пластин: горизонтальную и вертикальную.
- Напряжение на пластинах управляет отклонением луча.
-
Выгорание
- Происходит из-за деградации фосфоров из-за длительной бомбардировки электронами.
- Для предотвращения используется screensavers.
-
Эвакуация
- Проводится при температуре 375-475 °C.
- Включает нагрев и охлаждение для предотвращения трещин.
- Используются вакуумные насосы и геттеры для удаления газов.
-
Перестройка
- Включает разборку, ремонт или замену компонентов.
- Популярна до 1960-х годов из-за высокой стоимости и быстрого износа.
-
Реактивация
- Временное восстановление яркости изношенного экрана.
- Включает увеличение напряжения на катоде и тока на управляющих сетках.
-
Принцип работы люминофоров в ЭЛТ
- Люминофоры излучают вторичные электроны, которые собираются анодом.
- Вторичные электроны предотвращают накопление зарядов на экране, что снижает яркость изображения.
-
Состав и свойства люминофоров
- Люминофоры часто содержат редкоземельные металлы, заменяя более тусклые предшественники.
- Ранние люминофоры содержали кадмий, а некоторые белые люминофоры — бериллий.
- Редкие земные люминофоры более эффективны и долговечны.
-
Классификация и применение люминофоров
- Люминофоры классифицируются по цвету, стойкости, кривым яркости и другим параметрам.
- SMPTE-C люминофоры используются в профессиональных видеомониторах.
-
Покрытие и защита люминофоров
- Алюминиевое покрытие на задней стороне экрана отражает свет, защищает от ионов и предотвращает статическое электричество.
- Лаковое покрытие уменьшает шероховатость поверхности и предотвращает контакт с стеклом.
-
Стойкость люминофоров
- Стойкость люминофоров варьируется от менее чем одной микросекунды до нескольких секунд.
- Для визуальных наблюдений используются люминофоры с высокой стойкостью, а для быстрых событий — с низкой.
-
Ограничения и решения
- Блуминг возникает из-за неравномерного нагрева теневой маски.
- Доминг возникает из-за неравномерного нагрева теневой маски и её расширения.
- Для решения этих проблем используются биметаллические пружины и специальные покрытия.
-
Влияние напряжения и размера
- Яркость изображения зависит от напряжения и размера экрана.
- Высокие напряжения и токи приводят к увеличению рентгеновского излучения и тепла.
- Размер экрана ограничен весом стекла и требованиями к диэлектрической прочности.
-
Ограничения по отклонению
- При высоких углах отклонения и частотах требуется больше энергии, что приводит к перегреву.
- Это делает ЭЛТ с высокими углами отклонения и частотами непрактичными.
-
Отклоняющие хомуты и тепловыделение
- Отклоняющие хомуты предназначены для отвода тепла от электронно-лучевых трубок.
- Высокие углы отклонения требуют дополнительной схемы компенсации, что увеличивает затраты и энергопотребление.
- Большие углы отклонения делают трубки тоньше, но создают нагрузку на оболочку.
-
Сравнение с другими технологиями
- ЖК-дисплеи имеют меньший объем, энергопотребление и тепловыделение, но уступают ЭЛТ в цветопередаче и частоте обновления.
- OLED-дисплеи имеют меньший объем и аналогичную цветопередачу, но уступают ЭЛТ в частоте обновления.
- ЭЛТ-мониторы превосходят ЖК- и OLED-дисплеи по задержке ввода и мультисинхронизации.
-
Типы электронно-лучевых трубок
- Кинескопы использовались в телевизорах, дисплейные трубки — в компьютерных мониторах.
- Дисплейные трубки имели более высокое разрешение и регулируемую развертку.
- Кинескопные трубки имели расширенную развертку для предотвращения размытия.
-
Монохромные электронно-лучевые трубки
- Используют одну электронную пушку и алюминиевое покрытие для предотвращения выгорания ионов.
- Алюминий отражает свет и поглощает электроны, обеспечивая обратный путь.
- Ранее использовались ионные ловушки и магниты для отклонения ионов.
-
Цветные электронно-лучевые трубки
- Используют три люминофора для красного, зеленого и синего света.
- Оснащены тремя электронными пушками и теневой маской для управления электронами.
- Теневая маска поглощает или отражает электроны, обеспечивая чистоту цвета.
-
Проблемы с теневыми масками
- Теневые маски могут деформироваться из-за нагрева при высоких напряжениях.
- В 1970-х годах теневые маски заменили на щелевые, что увеличило яркость изображения.
- Теневые маски могут быть электрически связаны с анодом.
-
Производство экранов
- Ранние цветные ЭЛТ не имели черной матрицы, которая была введена в 1969-1970 годах.
- Черная матрица устраняет утечку света и предотвращает деформацию теневых масок.
- Для создания черной матрицы использовались различные методы, включая фоторезист и ароматические диазониумы.
-
Применение фосфоров
- Фосфоры наносятся с помощью фотолитографии.
- Фосфоры могут быть покрыты цветными фильтрами для улучшения цветопередачи.
- Фосфоры могут быть нанесены в вакуумной камере для равномерного покрытия.
-
Процесс сборки
- Экран и теневая маска соединяются с помощью стеклянной фритты.
- Фритта содержит оксид свинца для низкой температуры плавления.
- После сборки экран запекается в печи для герметизации.
-
Проблемы с цветопередачей
- Цветовые лучи должны быть выровнены для правильного отображения цветов.
- Проблемы с цветопередачей включают статическую и динамическую сходимость и чистоту.
- Для компенсации этих проблем используются магниты, установленные на задней части отклоняющей системы.
-
Регулировка магнитов
- Вращение магнитов изменяет их относительное расположение и напряженность поля.
- Регулировка магнитов позволяет точно настроить отклонение электронного луча.
-
Динамическая конвергенция
- Динамическая конвергенция необходима для компенсации сферичности экрана и астигматизма.
- Используются параболические сигналы и резонаторы для создания сигнала конвергенции.
- Динамическая конвергенция может быть достигнута с помощью электростатических квадрупольных полей.
-
Самоконвергенция
- В некоторых ЭЛТ используется самоконвергенция без динамической конвергенции.
- Это снижает затраты и глубину ЭЛТ.
-
Активные компенсационные схемы
- Активные компенсационные схемы позволяют использовать ЭЛТ с коротким горлышком и плоскими торцами.
- Используются отклоняющая скоба и электроника для точной регулировки отклонения луча.
-
Магнитное экранирование и размагничивание
- Намагничивание теневой маски или решетки апертуры изменяет траектории электронов.
- Магнитное поле Земли влияет на чистоту цветопередачи.
- Используются внешние и внутренние магнитные экраны и катушки размагничивания.
-
Разрешение
- Шаг точки определяет максимальное разрешение дисплея.
- В ЭЛТ с диафрагменной решеткой шаг точек заменяется шагом полос.
- Компания Hitachi разработала теневую маску с улучшенным шагом растра.
-
Проекционные ЭЛТ
- Использовались в проекторах и телевизорах с задней проекцией
- Имеют монохромный свет (красный, зеленый, синий)
- Имеют высокое анодное напряжение и вольфрамо-бариевую катоду
- Требуют охлаждения из-за высокого напряжения и тока
-
Типы фокусировки
- Электростатическая фокусировка: электроника и магниты
- Электромагнитная фокусировка: электромагнитная катушка и магниты
-
Beam-index трубки
- Попытка создать цветную ЭЛТ без теневой маски
- Требуют низкого напряжения и не подвержены магнитному полю
- Имеют чередующиеся полосы красного, зеленого, синего и УФ-фосфора
- Ограничены из-за сложности производства и контрастности
-
Плоские ЭЛТ
- Имеют плоский экран, но могут быть не полностью плоскими
- Используют плоские теневые маски для уменьшения бликов
- Требуют вертикальных усилителей для компенсации кривизны
-
Радарные ЭЛТ
- Имеют круговой экран и сканируют луч от центра
- Используют два цвета: яркий и долго сохраняющийся
- Применяются в радарах
-
Оscilloscope ЭЛТ
- Используют электростатическое отклонение вместо магнитного
- Включают постдефлекционные аноды для улучшения чувствительности
- Могут использовать микроканальные пластины для увеличения яркости
-
Graticules
- Используются для измерений на осциллоскопах
- Могут быть внутренними или внешними
- Часто имеют боковую подсветку для улучшения видимости
-
Типы электронно-лучевых трубок
- Цифровые запоминающие осциллографы используют твердотельную цифровую память.
- Обычные лампы отображают события только в момент их возникновения.
- Люминофор длительного действия позволяет наблюдать изображение после события, но недолго.
- Накопительные трубки сохраняют изображение после его возникновения.
-
Принцип работы накопительной трубки
- Накопительная трубка снабжена металлической сеткой с диэлектриком.
- Внешнее напряжение обеспечивает постоянный потенциал сетки.
- Прожекторный пистолет освещает сетку, создавая рельеф.
- Изображение сохраняется до стирания.
-
Векторные мониторы
- Использовались в системах автоматизированного проектирования и аркадных играх.
- Рисуют графику от точки к точке.
- Могут быть монохромными или цветными.
-
Трубки для хранения данных
- Трубка Уильямса использовалась для хранения двоичных данных.
- Не была устройством отображения.
-
Кошачий глаз
- Использовался в ламповых радиоприемниках для настройки.
- Минимизирует ширину радиальной тени.
-
Персонажи
- Использовались для дисплеев с большим количеством текста.
- Включают перфорированную металлическую маску для символов.
-
Нимо
- Семейство специализированных электронно-лучевых трубок.
- Требовали простой схемы управления и обеспечивали широкий угол обзора.
-
Электронно-лучевая трубка с прожектором
- Используется в больших видеостенах.
- Электроны рассеиваются по всей передней части экрана.
-
Электронно-лучевая трубка с печатающей головкой
- Использовалась в электростатических печатающих головках.
- Провода пропускали ток на бумагу, формируя изображение.
-
ЭЛТ-дисплей Zeus
- Экспериментальный плоский дисплей.
- Катод под передней панелью, электроны направляются на заднюю панель.
-
Более тонкие ЭЛТ
- Superslim, Ultraslim, Vixlim, Cybertube и Cybertube+.
- Глубина Superslim 352 мм, Ultraslim 295,7 мм.
-
Проблемы со здоровьем
- Электронно-лучевые трубки испускают рентгеновское излучение.
- Излучение не вредно при соблюдении правил.
- Важно использовать материалы для защиты от рентгеновских лучей.
-
Опасения по поводу рентгеновского излучения
- В 1967 году обнаружено, что телевизоры General Electric излучают рентгеновское излучение.
- Позже выяснилось, что все телевизоры излучают радиацию.
- В 1968 году принят Закон о радиационном контроле.
-
Рекомендации по безопасности
- Владельцам телевизоров рекомендовано находиться на расстоянии не менее 6 футов от экрана.
- Избегать длительного воздействия радиации.
- Не модифицировать внутренние устройства телевизоров.
-
Токсичность и материалы
- Старые ЭЛТ могли содержать токсичные вещества, такие как кадмий.
- Современные ЭЛТ могут содержать освинцованное стекло, опасное для окружающей среды.
- Монохромные ЭЛТ не содержат достаточного количества освинцованного стекла для прохождения тестов EPA.
-
Мерцание и шум
- При низкой частоте обновления (60 Гц и ниже) возможно мерцание.
- ЭЛТ 50 Гц/60 Гц могут создавать слышимый шум.
- Современные ЭЛТ используют более высокие частоты, что устраняет шум.
-
Взрыв и защита
- Повреждение стеклянной стенки может привести к взрыву.
- Современные ЭЛТ имеют лицевые панели, склеенные эпоксидной смолой.
- Ободок предотвращает разрушение ЭЛТ при поломке экрана.
-
Поражение электрическим током
- ЭЛТ требуют высокого напряжения для яркости изображения.
- Конденсаторы и ЭЛТ могут сохранять заряд после отключения питания.
-
Переработка и утилизация
- В 2001 году EPA разработало правила утилизации ЭЛТ.
- В 2002 году начали штрафовать за неправильную утилизацию.
- В США и Европе существуют различные методы утилизации ЭЛТ.
-
Использование электронно-лучевого стекла
- Освинцованное электронно-лучевое стекло использовалось для переплавки в другие трубки или для разбивки и использования в дорожном строительстве.
- Оно также применялось для изготовления плитки, бетона, бетонных и цементных кирпичей, стекловолоконной изоляции и в качестве флюса при выплавке металлов.
-
Экологические проблемы
- Значительная часть электронно-лучевого стекла выбрасывается на свалки, загрязняя окружающую среду.
- Чаще всего электронно-лучевое стекло утилизируется, а не перерабатывается.
-
Исторические аспекты
- Двухстабильная накопительная трубка с прямым обзором.
- Плоский дисплей.
- Трубка Гира.
- История технологии отображения информации.
- Устройство для анализа изображений.
- ЖК-телевизор, ЖК-дисплей со светодиодной подсветкой, светодиодный дисплей.
- Пенетрон.
- Дисплей c электронным эмиттером поверхностной проводимости.
- Тринитрон.
-
Техника безопасности и меры предосторожности
- Фильтр мониторинга.
- Светочувствительная эпилепсия.
- Сертификация TCO.
- Рекомендации.
-
Избранные патенты
- США.
- патент 1,691,324: Телевизионная система Зворыкина.