Tubos de Rayos Catódicos

INTRODUCCIÓN 

El interior de un televisor podemos dividirlo básicamente en dos partes. La primera la constituirían los elementos dedicados a la recepción de la señal y el segundo estaría compuesto por aquellos elementos que se ocupan de producir la imagen. Esto depende de la tecnología en pantallas de televisión, en este caso Tubo de Rayos Catódicos.

Un tubo de rayos catódicos consiste esencialmente en un cañón de electrones capaz de generar un delgado haz electrónico, un sistema deflector y una pantalla recubierta por una fina capa de una sustancia luminiscente.

El tubo de rayos catódicos o TRC es una de las principales piezas en el funcionamiento de un televisor. Gracias a esta válvula electrónica las señales eléctricas que se procesan desde su recepción en la antena y hasta su llegada a la placa base del TRC, pueden ser convertidas en información lumínica.

CONTENIDO.

1.    Historia

2.    Descripción global de un televisor

3.    Composición de un tubo de rayos catódicos

4.    Enfoque electroestático y magnético

5.    Control de la densidad del haz

6.    Transducción de la señal

7.    Conformación de la imagen

8.    Transmisión de la imagen

9.    Tubos de imagen en color

10.  Tipos de tubos de imagen en color

11.  Funciones adicionales del tubo

12.  Comparación de tecnologías  LCD – CRT

1.    HISTORIA.

El tubo de rayos catódicos es una válvula o tubo electrónico en el que un haz de electrones se enfoca sobre un área pequeña de una superficie emisora de luz que constituye la pantalla y cuya intensidad y posición sobre ella pueden variarse. Originalmente se conoció como “tubo de Braun” en honor de Karl Ferdinand Braun, físico alemán que realizó investigaciones sobre los rayos catódicos. El tubo de rayos catódicos tiene su origen en el “tubo de Crookes” figura 1, una forma primitiva  de un tubo de descarga de baja presión, cuyo cátodo era un disco plano de aluminio en un extremo del tubo y el ánodo un alambre en uno de los lados del tubo, fuera de la zona del haz electrónico. El tubo se utilizó para estudiar los rayos catódicos.

1.    DESCRIPCIÓN GLOBAL DE UN TELEVISOR.

Un receptor de televisión sea a blanco y negro o a color básicamente consta, en su acepción más simple, de tres tipos de circuitos con misiones bien diferenciadas.

1.    Los circuitos de amplificación que se encargan de recoger la señal captada por la antena y amplificarla hasta los niveles necesarios que requieren los dos elementos reproductores principales: el tubo de rayos catódicos (tubo de imagen) y el altavoz.

2.    Los circuitos de desviación o barrido, que se encargan de producir la exploración luminosa de la pantalla del tubo de imagen y cuyo funcionamiento es autónomo, aunque requieren el control o sincronismo externo para poder obtener una representación visual correcta de las imágenes.

3.    Los circuitos de sincronismo, cuya misión es la de extraer de la modulación de vídeo las señales de control necesarias para poner en fase el ciclo de exploración de la toma de imágenes y el de su reproducción en el televisor.

Además de estos tres tipos de circuitos, el televisor requiere como todo sistema electrónico, un bloque de alimentación adaptado a las necesidades de conjunto y por supuesto un decodificador de color.

1.    COMPOSICION DE UN TUBO DE RAYOS CATODICOS.

La imagen en un televisor es producida por lo que llamamos "tubo de rayos catódicos" (TRC o CRT). Este elemento fue creado mucho antes de la invención del televisor y es una pieza fundamental de la televisión además de constituir uno de los elementos principales de éste, ya que influye de manera primordial en el tamaño, en la forma y en el precio del aparato.

Tubos de Rayos Catódicos.

Figura 3. Composición del Tubo de Rayos Catódicos.

El tubo de rayos catódicos está formado básicamente por: (Figura 2 – Figura 3).

·         Filamento: Es el elemento calefactor del cátodo, es decir, le proporciona la energía calorífica necesaria para que se desprendan electrones del cátodo. 
Se alimenta con c.c. (por ej. 11V) o C.A.

·         Cátodo Emisor de electrones: Este elemento está constituido, por lo general, por un cilindro hueco de níquel recubierto en uno de sus extremos por sustancias emisoras de electrones, tales como óxido de bario y estroncio. 

Una sustancia emisora de electrones es una sustancia que al calentarse suficientemente es capaz de expulsar electrones, algo así como una pequeña bomba que estuviera constantemente explotando y lanzando electrones en todas direcciones mientras se mantiene caliente. 

Al tener forma cilíndrica, se consigue una especie de efecto cañón ya que solo salen hacia fuera aquellos electrones que van en la dirección que apunta el emisor de electrones. De ahí que este aparato también sea conocido con el nombre de cañón de electrones.

En su interior se encuentra el filamento. La tensión entre el cátodo y el filamento no debe exceder del límite máximo marcado para cada tipo de tubo. Al cátodo se le suele aplicar la señal de vídeo y por lo tanto su tensión variara, aunque vamos a tomar como tensión normal 160 V. Respecto a masa.

Para controlar esta emisión se le coloca la rejilla de control, que es la que nos controla el brillo y para que los electrones impacten en la pantalla, se utiliza otra rejilla denominada rejilla de pantalla que los atrae al estar a un mayor potencial que el cátodo. Para mantener estable el haz utilizamos una tercera rejilla la de enfoque que obliga a que los electrones sigan una trayectoria, para que al final impacten en el ánodo final (la pantalla).

·         Wehnelt: También conocida como rejilla de control consiste en un cilindro metálico con un orificio circular en el fondo, el cual rodea al cátodo y cuya misión es la de controlar el flujo de electrones que desde el cátodo se dirigen a la pantalla.

El potencial aplicado al cilindro de Wehnelt debe ser negativo respecto al cátodo. Su tensión fluctúa entre 0 y 150 V (respecto al catado -160V y -10V). Cuanta más negativa respecto al cátodo menos electrones pasan y por lo tanto más débil es el haz (gris negro). Generalmente se conecta  a masa (0V).

·         Primer ánodo acelerador  Tiene forma de cilindro. Su tensión respecto a   masa es de unos 200 V para dar a los electrones una gran velocidad.

·         Segundo ánodo acelerador   Otro cilindro hueco al cual se le aplican 18 KV (MAT) que acelera aún más el haz de electrones.

·         Ánodo de enfoque  Como a partir del primer ánodo acelerador el haz se hace divergente, es necesario concentrarlo y para ello se utiliza el ánodo  de enfoque, cuya tensión está entre 0V y 400V respecto a masa. Cada tubo tiene una tensión de enfoque óptima, comprendida entre estos dos valores.

El acelerador de electrones consiste simplemente en dos placas suficientemente distanciadas entre las cuales existe una diferencia de potencial de aproximadamente 400V. Esta diferencia de potencial, consecuentemente, crea un campo eléctrico que, como vimos, produce una atracción de las partículas cargadas. 

Por lo tanto, los electrones, al estar cargados negativamente, son atraídos por las placas y acelerados en la misma dirección que llevaban. En cuanto los electrones tienen suficiente velocidad prosiguen su camino en dirección a la pantalla y es entonces cuando actúan las "unidades de desviación".

·         Tercer ánodo acelerador  Otro cilindro hueco al cual se le aplica una V de  18 KV, encargándose de la aceleración final del haz.

·         Placas Deflectoras: También llamadas yugos, bobinas deflectoras, etc. 
La función de estas unidades, es desviar la trayectoria del electrón enfocándolo a un punto de la pantalla determinado. Quizá éste sea el elemento del tubo donde se requiera mayor precisión, ya que depende de ella que el chorro de electrones incida en una parte u otra de la pantalla.

 
Esta desviación de la trayectoria del electrón se consigue creando dos campos magnéticos perpendiculares entre sí, con lo que uno de ellos será responsable de la desviación del electrón en sentido horizontal, mientras que el otro lo será en el sentido vertical. La creación del campo magnético se lleva a cabo, como ya vimos en el caso de los altavoces o de los micrófonos, mediante unas bobinas que van enrolladas sobre un núcleo cilíndrico de un material magnético especial denominado ferroxcube. Este conjunto, a su vez, suele ir recubierto sobre una 
envoltura protectora. Al hacer pasar una corriente eléctrica por esas bobinas se crea el campo magnético. Variando la intensidad de esa corriente se consigue que el campo sea más o menos intenso y que, por tanto, el electrón se desvíe en un mayor o menor grado. 

·         Pantalla: Su interior se encuentra recubierto de una sustancia fluorescente. Dicha sustancia, cuando recibe el impacto del electrón, produce un desprendimiento de luz prácticamente instantáneo.

Así se puede producir un punto luminoso esporádico en un determinado lugar de la pantalla. De esta forma en vez que el emisor de electrones emita un solo electrón, emite un chorro de electrones constante, en este caso no veríamos un punto luminoso esporádico sino que sería un punto luminoso fijo en la pantalla. Y luego, hacemos variar uno de los dos campos magnéticos que componen la unidad de desviación y lo hacemos de tal forma que vaya cambiando de sentido, podríamos observar cómo, en la pantalla, el punto luminoso comenzaría a subir y a bajar a lo largo de la pantalla. 

La variación del campo magnético puede hacerse a tal velocidad que el punto luminoso comenzaría a subir y a bajar tan rápidamente que a nuestros ojos ya no parecería un punto moviéndose sino una línea recta. Si variamos el otro campo, lo que habría ocurrido es que en lugar de aparecer una línea vertical se mostraría una línea horizontal, si se hacen variar ambos campos magnéticos podremos conseguir cualquier figura.

La pantalla está formada por:

·         La parte externa de vidrio entintado. (Pared gruesa para soportar presiones del orden de 1kg/cm² debido al vacio interno del tubo).

·         La capa fluorescente que cubre la cara interna y que es de fósforo, de  forma que cuando el haz incide sobre ella se genera un punto luminoso que   desprende luz en todas direcciones.

·         La película de aluminio vaporizado que realiza varias funciones :

a)    Refleja hacia afuera de la pantalla la luz emitida por el fósforo como si  fuera un espejo, aumentado así la luminosidad de la pantalla. 

b)    Protege la capa de fósforo contra los iones, alargando su vida. 

c)    Hace de último ánodo acelerador. A ella se conecta la MAT haciendo a la vez de capa conductora para llevarle dicha MAT al 2º y 3º ánodo acelerador. El positivo de la MAT se aplica a ésta película a través de una grapa recubierta de una ventosa de goma que evita fugas al exterior.

No se aplica esta tensión a través de una de las patas del tubo ya que la fuerte tensión provocaría arcos a las patas próximas. El negativo se conecta a masa.  Como la parte externa del tubo también es conductor y está conectada a masa forman un condensador con dieléctrico de vidrio y cuya capacidad oscila entre 500pF y 2000pF y sirve para filtrar la tensión pulsatoria de MAT

El tubo de rayos catódicos se encuentra herméticamente cerrado y con el vacío hecho en su interior. La razón de que tenga hecho el vacío es lógica ya que en el aire contiene un gran número de moléculas (oxígeno, nitrógeno, vapor de agua, dióxido de carbono, etc.), además de partículas mayores, como el polvo, el polen, etc.

1.    ENFOQUE ELECTROSTATICO Y MAGNETICO.

La operación de formar el haz de electrones denso y delgado se llama enfoque y cuando ello se realiza mediante cilindros electrizados el procedimiento toma el nombre “electrostático”. No es la única manera de enfocar el haz pues hay otro método, que es el magnético y que se ilustra en la Figura 4.

Se ha comprobado que las cargas eléctricas sufren la influencia del magnetismo y que si se acerca un imán al rayo de electrones los mismos desvían su recorrido tal como si fuera limaduras de hierro. Con muchos imanes puestos alrededor del haz desordenado de electrones se podría conseguir la concentración del mismo, pero resultaría sumamente complicado el tener que moverlos para lograr el enfoque correcto.

En el interior de la bobina se forma un campo magnético concentrado. Al salir los electrones del cátodo y atravesar la bobina, las trayectorias se desvían hasta converger, tal como se muestra en la Figura 4. Esto es lo que se denomina enfoque magnético y se regula perfectamente variando la intensidad de la corriente eléctrica que recorre la bobina.

En la práctica se emplean los dos tipos de enfoque, aunque los tubos modernos de televisión venían preferiblemente con el sistema magnético. Esto no quiere decir que un sistema sea superior al otro en cuanto a lograr el objetivo, pero razones prácticas hicieron imponer el magnético sobre el electrostático.

Figura 4.  Concentración del haz electrónico mediante una bobina recorrida por corriente eléctrica.

Figura 5.  Concentración del haz electrónico mediante anillos o cilindros electrizados.

1.    CONTROL DE LA DENSIDAD DEL HAZ.

La mayor o menor cantidad de luz que corresponde a cada punto enfocado de la escena se traduce en una densidad diferente del haz luminoso.

En la figura 6 podemos ver el procedimiento en su forma más elemental. Hay que  intercalar en el recorrido de los electrones en un anillo o algo parecido, por cuyo interior puedan pasar libremente los electrones. Pero ese anillo tiene una conexión que va al exterior del tubo, de manera que podemos electrizarlo. Al anillo se le da una carga negativa para qué rechace parte de los electrones que quieren pasar por él.

Si se varía la carga eléctrica o el potencial del anillo controlador, variará correspondientemente la cantidad de electrones que pasan y en consecuencia la densidad del haz que sigue su camino hacia la pantalla.

Este anillo toma el nombre de grilla de control, y tiene una misión muy parecida a las grillas de igual nombre de las válvulas de radio. Con solo variar la carga eléctrica de la grilla de control podemos variar la densidad del haz electrónico y esto se traduce en variación proporcional de la luminosidad de la escena que podemos ver en la pantalla, que es el frente del mismo tubo.

Figura 6.  Forma como se puede gobernar la densidad del haz mediante un aro electrizado. 

1.    TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL.

Las señales digitales del entorno son recibidas por el adaptador de VGA. El adaptador lleva las señales a través de un circuito llamado convertidor analógico digital (DAC). Dicho circuito contiene tres convertidores, uno por cada color básico utilizado en la visualización: rojo, azul y verde.

El adaptador envía señales a los tres cañones de electrones (en el caso de la televisión monocromática sólo había un cañón). Cada cañón de electrones expulsa una corriente de electrones continuamente. Una cantidad determinada por cada uno de los tres colores básicos.

El adaptador también envía señales a un mecanismo en el cuello del tubo de rayos catódicos que enfoca y dirige los rayos de electrones. Parte del mecanismo es un componente, formado por material magnético y bobinas, que abraza el cuello del tubo de rayos catódicos, que sirve para mandar la desviación de los haces de electrones, llamado yugo de desvío magnético. Las señales enviadas al yugo de ayuda determinan la resolución del monitor (la cantidad de píxeles horizontal y verticalmente) y la frecuencia con que la imagen de la pantalla será redibujada.

En la transmisión,  la cámara de televisión capta las imágenes, descompone los colores en los tres básicos y los convierte en señales eléctricas, moduladas en UHF para emitirlas.

1.    CONFORMACIÓN DE LA IMAGEN.

Una imagen se constituye en la pantalla del monitor por la activación selectiva de una multitud de puntos de imagen.

Los rayos pasan a través de los agujeros en una placa de metal llamada máscara de sombra o mascara perforada. La función de la máscara es mantener los rayos de electrones alineados con sus blancos en el interior de la pantalla de tubo de rayos catódicos y debe ser lo más transparente posible para mejorar el brillo.

Los electrones, con distinta desviación, golpean el revestimiento de fósforo dentro de la pantalla y se ilumina. Se utilizan tres materiales de fósforo diferentes, uno para cada color básico. El fósforo se ilumina de forma proporcional a la cantidad de electrones emitidos.

Para crear diferentes colores se combinan las intensidades de los haces de electrones de los tres colores básicos y si el haz de electrones es el mismo en los tres casos produciremos la luz blanca. Después de que cada haz deje un punto de fósforo, este continúa iluminado brevemente, a causa de una condición llamada persistencia. Para que una imagen permanezca estable, el fósforo debe de ser reactivado repitiendo la localización de los haces de electrones.

Esta es la forma de mostrar un punto en la pantalla, pero ¿cómo se consigue rellenar toda la pantalla de puntos? La respuesta es fácil: el cañón de electrones activa el primer punto de la esquina superior izquierda y, rápidamente, activa los siguientes puntos de la primera línea horizontal. Después sigue pintando y rellenando las demás líneas de la pantalla hasta llegar a la última y vuelve a comenzar el proceso conocido como refresco de pantalla y se realiza 60 veces por segundo. Esta acción es tan rápida que el ojo humano no es capaz de distinguir cómo se activan los puntos por separado, percibiendo la ilusión de que todos los píxeles se activan al mismo tiempo.

Tubo de barrido en color:

1)     Tres cañones de electrones.

2)     Haces de electrones.

3)     Máscara para separar los rayos rojos, azules y verdes de la imagen visualizada.

4)     Capa fosforescente con zonas receptivas para cada color.

5)     Gran superficie plana sobre la cara interior de la pantalla cubierta de fósforo.

Esta imagen puede ser ajustada por el usuario mediante los controles de brillo y contraste que lo que hacen es:

BRILLO: este control lo que hace es añadirle a la señal de luminancia cierto nivel de tensión continua con lo que desplazamos el conjunto de la imagen hacia el blanco.

CONTRASTE: nos ajusta la amplitud de la señal de entrada proporcionándonos más o menos diferencia entre tonalidades claras y oscuras.