Катодно-лъчева тръба (CRT): как работи, устройство и история

Катодно-лъчевата тръба или CRT е изобретена от Карл Фердинанд Браун и в продължение на десетилетия беше най-разпространеният тип дисплей. Тя се използваше в почти всички компютърни монитори и телевизори, докато не започнаха да навлизат плоски панели като LCD и плазмени екрани.

Как работи CRT

В основата на работата на катодно-лъчевата тръба е електронният поток, генериран от електронен пистолет. В горната част на тръбата се намира нагрят катодът, който представлява електрод (метал или покритие), способен да излъчва електрони при нагряване. Чрез разликата в потенциалите между катода и анода, електроните се ускоряват напред и образуват т.нар. катоден лъч. За да се намали разсейването и да се контролира посоката на лъча, тръбата е изпомпана до вакуум.

Електроните достигат до предната част на тръбата, където покритието от фосфорен материал свети при удар от електрони. Чрез прецизно управление кои участъци от фосфора се облъчват се формира изображението на екрана. Ако тази картина се обновява многократно в секунда (например 50–60 Hz и повече), човешкото око възприема движение и непрекъснато изображение.

Компоненти и управление на лъча

Електронният пистолет обикновено включва:

• катод (източник на електрони),
• контролна решетка (регулира интензитета на потока),
• фокусиращи електроди (за оформяне на тънък фокусен сноп),
• ускоряващи аноди (за достигане на необходимата скорост/енергия на електроните).

Отклоняването на лъча може да се извършва по два начина. В телевизионните и мониторните CRT апарати се използват магнитни намотки (дефлексионна система) около шията на тръбата, които създават магнитно поле и отклоняват лъча. В осцилоскопите и някои специализирани устройства се използват електростатични плочи, които отклоняват лъча чрез електрично поле.

Цветни CRT

В цветните CRT дисплеи има три електронни пистолета (за червено, зелено и синьо). На фосфорния слой са нанесени петна или линии от три различни фосфора, които светят в съответните цветове. За да попадне всеки електронен сноп само върху съответния фосфор, на предната част се използва механизъм като shadow mask (засенчваща маска) или апертурна решетка (aperture grill). Тези конструкции гарантират точността на цветовете, но изискват допълнителни настройки за конвергенция и чистота на цветовете.

Технически особености и параметри

Някои важни характеристики на CRT включват:

• ускоряващо напрежение — определя скоростта и енергията на електроните (типично от няколко хиляди до над 20 kV при големи телевизори);
• фокус и резолюция — определят остротата на точката на екрана и възможната детайлност (dot pitch при цветни екрани);
• яркост и контраст — зависят от типа фосфор, ток през електронния сноп и структурата на екрана;
• рестартиране и честота на опресняване — влияят върху трептенето и удобството при гледане; много монитори поддържаха високи честоти (70–120 Hz) за по-плавно изображение;
• персистентност на фосфора — времето, през което светенето на фосфора затихва, оказва влияние върху движението и следите;
• ефект “burn-in” (изгаряне) — при статично изображение някои фосфори могат да се задържат и да оставят трайни следи.

Предимства и недостатъци

Предимства:

• много добро качество на цветопредаване и контраст при съответна настройка,
• широк динамичен диапазон и добри ъгли на гледане,
• ниски латенции при игрови и професионални приложения (особено за старите мониторни CRT).

• големи размери и тегло (особено за големи диагонали),
• висока консумация на енергия в сравнение с плоските панели,
• възможност за образуване на магнитни смущения и нужда от демагнетизация,
• рискове при счупване (стъкло под вакуум може да имплодира) и необходимост от правилно депониране поради някои токсични компоненти (като олово в стъклото).

История и приложения

Катодно-лъчевата тръба е изобретена в края на XIX век — експериментите и патентите на Карл Браун (Braun) от около 1897 г. са отправна точка; първоначално тя се използва като осцилоскоп — прибор за изобразяване на електрически вълни. През 1920-те и 1930-те електронните тръби и системите за сканиране доведоха до първите електронни телевизионни приемници; един от пионерите е Фило Т. Фарнсуърт, работил върху електронно сканиране и демонстрирал работещи системи в края на 1920-те години. CRT остана доминиращият тип екран до навлизането и масовото приемане на плоски панели в края на XX — началото на XXI век, когато течнокристалният дисплей и други технологии станаха по-евтини и компактни.

Приложенията на CRT включват телевизори, компютърни монитори, осцилоскопи, радари, медицински системи за образна диагностика и специализирани визуализатори в научни и индустриални уреди.

Безопасност, поддръжка и рециклиране

CRT-тръбите съдържат стъкло, метални компоненти и понякога олово в частите на стъклото; при счупване има риск от нараняване и отделяне на опасни материали. Защитните мерки включват правилна опаковка, внимателно транспортиране и използване на имплозионни пръстени или решетки в конструкцията. Старите CRT устройства трябва да се предават за специализиран рециклинг — не бива да се изхвърлят с битовите отпадъци.

Заключение

Катодно-лъчевата тръба беше ключова технология за визуализация през по-голямата част на XX век. Въпреки че днес е почти напълно изместена от плоските панели в масовите потребителски устройства, CRT остава важен исторически пример за инженерно решение, което съчетава електроника, физика и оптика. За специалистите тя все още предлага интересни характеристики (напр. за ретро-гейминг, някои професионални приложения и лабораторни уреди), докато широкото разпространение е приключило поради предимствата на модерните, по-леки и енергийно ефективни дисплейни технологии.

Въпроси и отговори

В: Кой е изобретил електронно-лъчевата тръба?

В: Какво представлява катодно-лъчевата тръба?

В: Как работи?

Въпрос: Кога за пръв път се използва за телевизия?

В: Кога вместо тях започват да се използват LCD и плазмени екрани?

В: Какво прави екраните тежки?

Търсене по буква