Opis działania monitorów CRT

1. Opis działania monitorów CRT

2. CRT (ang. Cathode-Ray Tube) czy też monitory CRT - to przyjęte w języku polskim potoczne oznaczenie dla modeli monitorów komputerowych, których ekran oparty jest na kineskopie od którego pochodzi nazwa CRT. Właściwe określenie to monitory kineskopowe. W monitorach tego rodzaju do wyświetlania obrazu używa się wiązki elektronów wystrzeliwanej z działa elektronowego (najczęściej katoda), która odchylana magnetycznie (przy pomocy płytek odchylania poziomego i pionowego) pada na luminofor, powodując jego wzbudzenie do świecenia. Określenie CRT zaistniało w języku polskim po wprowadzeniu na rynek alternatywnych sposobów wyświetlana obrazu w monitorach komputerowych oraz odbiornikach telewizyjnych.

3. Działo katodowe w kineskopie wyrzuca elektrony, które, odchylone w polu elektromagnetycznym, bombardują fosforyzujące plamki zawierające triady barw. Tor lotu elektronów jest zaburzany przez cewki elektromagnetyczne, które odchylają go pod odpowiednim kątem w lewo, w prawo, w górę lub w dół, tak aby strumień elektronów uderzał w odpowiednie miejsce na ekranie. Cewki odchylające, zbudowane z pasm materiału elektromagnetycznego ułożonych w odpowiedni wzór, pod wpływem sygnału elektrycznego o odpowiednim przebiegu czasowym kierują początkowo strumień elektronów od lewego górnego rogu ekranu poziomo do prawego końca pierwszego wiersza. Potem następuje wygaszanie strumienia i wiązka (w danej chwili nieobecna) wraca do lewego końca, ale o jeden rząd plamek niżej, skąd znów jest przenoszona do prawego końca. W ten sposób omiatany jest cały ekran z lewej na prawą stronę i z góry na dół. Kiedy wiązka znajdzie się w prawym dolnym rogu, znów następuje wygaszanie i powrót do punktu wyjścia. Operacja jest powtarzana tyle razy w ciągu sekundy, aby oko ludzkie widziało stabilny obraz.

4. Kineskop Kineskop jest rodzajem lampy obrazowej. Cechą odróżniającą kineskop od lampy oscyloskopowej jest magnetyczne odchylanie elektronów. Elektrony emitowane przez katodę są formowane w wąską wiązkę przez działo elektronowe następnie przyśpieszane przez anodę i uderzają w powierzchnię ekranu pokrytą luminoforem wywołując jego świecenie. Aby dało się rozświetlić każdy punkt powierzchni ekranu wiązka musi być odchylana w dwóch kierunkach - pionowym i poziomym. Do odchylenia wiązki elektronów wykorzystywane jest pole magnetyczne wytwarzane przez cewki odchylające. Kąt odchylenia wiązki elektronów od linii prostej jest proporcjonalny do natężenie pola magnetycznego, czyli do natężenia prąduelektrycznego płynącego przez cewki. Aby uzyskać liniowy przebieg wiązki po powierzchni ekranu (stałą prędkość przesuwania) pole a zatem i prąd w cewkach musi narastać liniowo. (ponieważ powierzchnia ekranu nie jest wycinkiem kuli, to kształt prądu musi nieco odbiegać od prostej) Zaletą odchylania magnetycznego jest możliwość uzyskania bardzo dużego kąta odchylenia, niemalże o 90°. umożliwia tworzenie to bardzo krótkich lamp o dużej powierzchni ekranu, odwrotnie niż w lampach oscyloskopowych. Wadą z kolei jest duża moc pobierana przez cewki w celu odchylenia strumienia oraz konieczność używania coraz wyższych napięć wraz ze wzrostem częstotliwości odchylania i rozmiaru ekranu - prędkość poruszania się plamki zależy od szybkości zmian pola magnetycznego, a zmieniające się pole generuje w cewkach odchylających napięcie - tym wyższe im szybciej się zmienia.

5. Kineskopy mogą być wykonywane jako monochromatyczne, zwane też 'czarno-białymi' (choć niekoniecznie muszą świecić na biało, w użyciu są też inne kolory, np. zielony) lub kolorowe, czyli świecące jednocześnie w trzech kolorach podstawowych - czerownym, zielonym i niebieskim, co zgodnie z addytywną teorią barw umożliwia uzyskanie wszystkich kolorów z bielą włącznie. Kineskop o takiej konstrukcji zawiera trzy niezależne działa elektronowe, po jednym dla każdego koloru. Wiązki odchylane są przez to samo pole w taki sposób, że trafiają w ten sam punkt na powierzchni ekranu. W środku tuż przed powierzchnią ekranu umieszczona jest blacha z małymi otworkami (tzw. maska), która rozdziela trzy strumienie i kieruje do trzech oddzielnych plamek luminoforu 1 - czerwonego, zielonego i niebieskiego - umieszczonych bardzo blisko siebie. Kineskopy są to bańki szklane "wypełnione" próżnią. Najczęściej mają kształt wycinka kuli. Związane jest to z drogą którą ma przebyć strumień elektronów. Jest wtedy równa. Efekt płaskiej części obrazowej uzyskuje się poprzez powiększanie promienia kuli oraz nadlewania szkłem powierzchni czołowej 1. Luminofor – substancja chemiczna wykazująca luminescencję (tzw. zimne świecenie, jarzenie - zjawisko emisji fal świetlnych przez ciała).

6. CRT monochromatyczny 1. Cewki odchylające 2. Wiązka elektronów 4. Luminofor

7. CRT kolorowy

10. Zasada działania monitora kineskopowego Elementem wykonawczym (zamieniającym sygnały w obraz) monitora CRT jest kineskop, czyli próżniowa bańka szklana zaopatrzona w działo elektronowe i płaską powierzchnię prezentacyjną (ekran). Wysyłane przez działo elektrony rozświetlają kolorowe plamki na ekranie, tworząc obraz. Proces zaczyna się już w karcie graficznej, która odpowiednio interpretuje dane wysyłane do niej przez procesor i przekształca je w sygnały sterujące monitorem. Ponieważ sygnały generowane przez kartę graficzną są z natury rzeczy cyfrowe, a monitor wykorzystuje sygnały analogowe, gdzieś po drodze odbywa się konwersja. Jest ona realizowana przez zawarty w karcie graficznej układ konwersji analogowo-cyfrowej RAMDAC (ang. RAM digital-to-analog converter). Tak uzyskany sygnał analogowy jest przesyłany za pomocą kabli do monitora. Główny element monitora to działo emitujące strumień elektronów. Strumień ten uderza w ekran. Działo uwalnia elektrony z ujemnej elektrody (katody) dzięki ciepłu - dlatego właśnie monitor nie jest zaraz po włączeniu gotowy do pracy i musi się rozgrzać. W rzeczywistości kineskop zawiera nie jedno działo, a trzy, i każde z nich wysyła strumień elektronów. Ale więcej informacji na ten temat nieco dalej.

11. Podstawowe parametry Jednym z najważniejszych parametrów monitora, określającym jego rzeczywistą wartość, jest rozdzielczość z jaką może on wyświetlać obraz. Jest ona ściśle związana z maksymalną częstotliwością odchylania poziomego i pionowego monitora, dlatego więc te parametry odgrywają największą rolę. Częstotliwość odchylania poziomego określa prędkość, z jaką strumień elektronów wyświetla jedną linię poziomą na ekranie (stanowi ona odwrotność czasu jaki upływa na narysowanie jednego punktu). Natomiast częstotliwość odchylania pionowego (odświeżania obrazu) określa liczbę kompletnych ekranów, które monitor jest w stanie wyświetlić w czasie 1 s. Im obie powyższe częstotliwości są większe, tym rozdzielczość monitora może ulec zwiększeniu. Należy jednak pamiętać aby obraz (o danej rozdzielczości) był wyświetlany z odpowiednią częstotliwością odświeżania. Luminofor, zastosowany w kineskopach świeci tylko krótką chwilę - gdy wiązka elektronów przestaje padać na dany punkt, ulega on wygaszeniu. Jeśli częstotliwość odświeżania jest zbyt niska, możemy zauważyć zjawisko migotania obrazu, które jest bardzo męczące i szkodliwe dla oczu. W celu zapewnienia odpowiedniej stabilności obrazu strumień musi w odpowiednio krótkich odstępach czasu przebiegać przez całą powierzchnię ekranu. W nowoczesnych monitorach częstotliwość odświeżania nie powinna być mniejsza niż 75-82 Hz.

12. OdchylanieTor przelotu elektronów przez rurę kineskopu jest odchylany pod odpowiednim kątem (w lewo, w prawo, w górę lub w dół) przez prostopadłe do trajektorii zmienne pole elektromagnetyczne wytwarzane przez uzwojenia cewek sterujących, tak aby strumień elektronów padał na odpowiednie miejsce na ekranie. Cewki odchylające, zbudowane z pasm materiału elektromagnetycznego ułożonych w odpowiedni sposób w przestrzeni, pod wpływem sygnału elektrycznego o zadanym przebiegu czasowym kreują obraz. W górnej części leja kineskopu umiejscowiona jest anoda wysokonapięciowa. Fakt wykorzystywania w monitorach wysokich napięć jest głównym powodem, dla którego nie powinno się nigdy samodzielnie otwierać monitora (porazić prądem może nawet monitor odłączony od zasilania!). Dodatnio naładowana anoda ściąga do siebie ujemne ładunki wytwarzane przez działo. Elektrony podążają w jej kierunku ze stałą prędkością, jednak nigdy do niej nie docierają. Są bowiem kierowane siłą cewek odchylających w stronę ekranu ulokowanego naprzeciw działa.Moduł odchylania kieruje strumień kolejno z lewej strony na prawą, z powrotem do lewej krawędzi i znów z lewej strony na prawą, tylko jeden rząd niżej, zapewniając w ten sposób całkowite pokrycie ekranu strumieniem. Kiedy strumień dotrze do prawego dolnego rogu, cała zabawa zaczyna się od nowa od lewego górnego rogu. Omiatanie ekranu strumieniem jest na tyle szybkie i częste, że triady fosforyzujące nie zdążą jeszcze zgasnąć, kiedy są znów rozświetlane. Dzięki temu unika się migotania obrazu. Parametr decydujący o tym, ile razy obraz jest rysowany w ciągu sekundy, nazywa się częstotliwością odświeżania ekranu. Tak więc częstotliwość 75 Hz oznacza siedemdziesięciopięciokrotne odświeżanie obrazu w ciągu każdej sekundy.

13. OstrośćAby zapewnić większą dokładność, z jaką zapalane są punkty świetlne na wewnętrznej powierzchni ekranu, potrzebny jest jakiś mechanizm blokujący błądzące elektrony (strumień nie jest mocno skupiony). Najczęściej stosuje się siatkę maskującą, czyli arkusz metalowy z oczkami wytrawionymi kwasem, przez które mogą przenikać elektrony. Siatka maskująca podczas działania rozgrzewa się i rozciąga, przez co strumieniowi trudniej jest trafiać we właściwe miejsca. Z tego powodu siatka jest zaokrąglana, aby łatwiej było uwzględnić jej rozszerzanie. Dawniej wiązało się to z zakrzywianiem również samego szkła ekranu. Firma Sony, walcząc z zaokrąglonymi kineskopami, opracowała rozwiązanie alternatywne dla siatki maskującej - kratę szczelinową. Zamiast podziurawionego arkusza metalu stosuje się naprężone, gęsto rozmieszczone druty rozciągnięte od górnej do dolnej krawędzi ekranu. Pozwala to większej ilości elektronów na dotarcie do materiału fosforyzującego, a więc daje większą jaskrawość, gwarantując przy tym odpowiednie trafianie strumieniem w kolorowe plamki. Rozwiązanie to firma Sony promuje pod nazwą Trinitron. Licencję na kineskopy o takiej budowie kupiła firma Mitsubishi sprzedająca zaopatrzone w nie monitory pod nazwą Diamondtron.

14. Wszystkie kineskopy trinitronowe mają pewną wadę, z którą trzeba się pogodzić. Do utrzymania kraty szczelinowej we właściwym miejscu potrzebne są dwa cienkie, ale widoczne gołym okiem druty biegnące pionowo z góry na dół, mniej więcej w 1/3 i 2/3 szerokości kineskopu. Dlatego w każdym kineskopie trinitronowym, jeśli się bliżej przyjrzeć, widać dwie cienkie pionowe szare linie. Niektórzy użytkownicy ich nie zauważają, innych one irytują. Jedynym sposobem sprawdzenia, do której kategorii się należy, jest wypróbowanie monitora (najlepiej przed kupnem!). Inna ujemna strona tego rozwiązania to wrażliwość na pola elektromagnetyczne. Jeśli w pobliżu ekranu położy się głośniki, obraz zacznie się deformować.Kolejne rozwiązanie alternatywne zaproponowała firma NEC. Maska szczelinowa stanowi połączenie siatki maskującej i kraty szczelinowej, bo jest zbudowana z jednolitego arkusza materiału, ale ma otwory w kształcie podłużnym, przypominającym bardziej szczeliny niż koła. Technologia ta dopuszcza więcej światła, ale pozwala uniknąć problematycznych zaokrągleń, typowych dla siatki maskującej.

15. Kineskopy możemy podzielić na cztery podstawowe typy: Kineskopy typu Delta – inwarowe W kineskopie tego typu zastosowano maskownicę (maską) perforowaną. Jest nią cienka, czarna folia posiadająca określoną liczbę okrągłych otworów. Nazwa "Delta" odzwierciedla sposób położenia poszczególnych pikseli: jeden kolorowy punkt na ekranie tworzą trzy leżące obok siebie jednobarwne punkty, tworzące trójkąt równoboczny. Tak samo względem siebie umiejscowione są trzy działa elektronowe. KineskopTrinitronZostał skonstruowany dużo później przez firmę Sony. Podstawową różnicą między nim a "Deltą" jest inna konstrukcja maskownicy. Tworzą ją cienkie, czarne pionowo rozpięte, metalowe druciki grubości 0,1 mm. Dzięki takiemu rozwiązaniu wyświetlane na ekranie punkty mają kształt prostokątny, co zapewnia większy kontrast i ostrość oraz lepszą geometrię obrazu. Dodatkową zaletą tego kineskopu jest fakt, iż jest on wycinkiem walca (a nie kuli , jak w przypadku kineskopów Delta), co w efekcie sprawia, że ekran jest bardziej płaski, przez co zniekształcenia geometryczne obrazu są mniejsze, a także posiadają lepsze właściwości przeciwodblaskowe.

16. Kineskop Diamondtron Stosowany w monitorach firmy Mitsubishi, jest to pewna modyfikacja konstrukcji Sony, maska jest również szczelinowa, ale zastosowane zostały trzy działa elektronowe (po jednym dla każdego koloru) - w kineskopie Trinitron zastosowane jest jedno działo. Kineskop CromaClear Wprowadzony przez firmę NEC, jest połączeniem dwóch wyżej opisanych technologii. W masce kratowej istnieją również szczeliny, są jednak o wiele krótsze niż w przypadku maski szczelinowej, pogrupowane w triady i przesunięte względem siebie. Dzięki temu kolory są żywsze, obraz bardziej stabilny i kontrastowy.

17. Siatka maskująca: ludzkie oko postrzega lekko zaokrąglone powierzchnie jako płaskie. Jeśli krzywizna jest zbyt duża, obraz robi się wypukły. Jeśli powierzchnia jest zbyt płaska, obraz może wydawać się wklęsły.

18. Trinitron:technologia opracowana w firmie Sony; optymalizuje wewnętrzną krzywiznę ekranu i pozwala uzyskać prawie płaską powierzchnię zewnętrzną, dającą obraz płaski (dla ludzkiego oka).

19. Najczęstsze wady obrazu monitorów CRT Zniekształcenia poduszkowo-beczkowe (po lewej) i tzw. poduszkowo-zbalansowane (po prawej) należą do najczęstszych defektów obrazu, dlatego w OSD niemal każdego monitora znajdziemy opcje pozwalające je usunąć.

20. Obrócony obraz (po lewej) to typowy objaw zbyt "brutalnego" potraktowania monitora - np. gdy upadł on nam podczas transportu. Opcja regulacji odkształceń narożników obrazu (po prawej) występuje w ok. połowie spośród testowanych modeli.

21. Zniekształcenia trapezowe (po lewej) i równoległoboczne (po prawej) są stosunkowo łatwe do wyregulowania. Odpowiednie opcje znajdziemy w menu każdego monitora.