ELETTRO-

RADARTECNICA

TUBO A RAGGI CATODICI

Il termine tubo a raggi catodici, più comunemente tubo catodico o CRT indica la tecnologia comunemente usata per la visualizzazione nei monitor e nei televisori, che consiste nel convogliare ad hoc dei raggi catodici su di una superficie sensibile, che ricostruisce l'immagine visibile. La misura dei monitor CRT si effettua sulla diagonale dell'area visibile, in Pollici.

La tecnologia alla base del tubo catodico fu sviluppata nel 1897 dal fisico tedesco Karl Ferdinand Braun che realizzò il primo oscilloscopio, mentre il primo prototipo del tipo usato nei moderni televisori fu realizzato dall'inventore statunitense Philo Farnsworth.

Attualmente la tecnologia del tubo catodico è destinata ad una progressiva obsolescenza in favore delle tecnologie al plasma, a cristalli liquidi e OLED, meno ingombranti, più parsimoniose nel consumo elettrico e con costi di produzione in continua discesa.

I monitor a tubo catodico presentano il vantaggio, rispetto alle tecnologie concorrenti, di una migliore velocità di reazione (o minore latenza, molto apprezzata nell'uso dei videogiochi) e immagini con colori più fedeli.

DESCRIZIONE E FUNZIONAMENTO

La struttura del tubo catodico deriva direttamente dal diodo a catodo freddo, a sua volta derivato dal tubo di Crookes, a cui è aggiunto uno schermo rivestito di materiale fluorescente, anche chiamato Tubo di Brown. Nel 1922 fu sviluppata la prima versione commerciale a catodo caldo da parte di J. B. Johnson e H. W. Weinhart, della Western Electric.

Il catodo è un piccolo elemento metallico riscaldato all'incandescenza che emette elettroni per effetto termoelettronico. All'interno del tubo catodico, in cui è stato praticato un vuoto spinto, questi elettroni vengono diretti in un fascio (raggi catodici) per mezzo di una elevata differenza di potenziale elettrico tra catodo e anodo, con l'aiuto di altri campi elettrici o magnetici opportunamente disposti per focalizzare accuratamente il fascio. Il raggio (detto anche pennello elettronico) viene deflesso dall'azione di campi magnetici (Forza di Lorentz) in modo da arrivare a colpire un punto qualunque sulla superficie interna dello schermo, l'anodo. Questa superficie è rivestita di materiale fluorescente (detti fosfori, in genere metalli di transizione oppure terre rare) che eccitato dall'energia degli elettroni emette luce.

Nei televisori e nei monitor la superficie è scandita secondo una matrice predefinita di righe successive, chiamata raster, e l'immagine è creata modulando l'intensità del fascio elettronico secondo l'andamento del segnale video. La scansione è ottenuta deviando il fascio per mezzo del campo magnetico variabile generato da opportuni elettromagneti fissati sul 'collo' del tubo (deflessione elettromagnetica), che costituiscono il cosiddetto giogo di deflessione. Appositi circuiti elettronici pilotano gli elettromagneti del giogo in modo da effettuare una scansione in perfetta sincronia.

Nell'oscilloscopio invece l'intensità del pennello elettronico è costante, mentre la deflessione viene effettuata in base a segnali arbitrari. Solitamente la deflessione orizzontale avviene proporzionalmente al tempo, secondo una base configurabile dall'utente, mentre la verticale è proporzionale al segnale da analizzare.

In questi tubi, più stretti e lunghi, la deflessione viene effettuata per mezzo di un campo elettrico generato da placche disposte ortogonalmente all'interno del tubo (deflessione elettrostatica). Questa tecnica è preferibile nell'oscilloscopio perché consente una variazione molto rapida del segnale di deflessione, che è invece limitata entro precisi margini dall'induttanza degli elettromagneti.

La notevole velocità di questo tipo di deflessione è stata sfruttata dal costruttore statunitense Tektronix, nella famiglia di oscilloscopi della serie 7000, in uso negli anni settanta, nei quali un circuito denominato 'readout', forniva visualizzati sullo schermo insieme al segnale in analisi, il valori della base tempi e il fattore di attenuazione impostati, oltre ad alcune funzioni minori. I caratteri alfanumerici, disposti su due linee, una sul margine superiore dello schermo, l'altra sul margine inferiore, erano generati appunto deflettendo velocemente lo spot in punti predeterminati a formare i caratteri, costituiti da 5 o 6 punti interlacciati, conseguenza di brevi impulsi di tensione immessi in sequenza ciclica nel circuito dell'amplificatore verticale, il cui valore era memorizzato nelle ROM dei caratteri.

I primi monitor per computer usavano un sistema simile a quello dell'oscilloscopio. Erano chiamati monitor vettoriali poiché le immagini erano costituite da linee tracciate tra punti arbitrari e frequentemente rigenerate. I monitor vettoriali furono usati fino agli anni settanta e ottanta in alcuni videogiochi.

Questo tipo di monitor non presenta il difetto dell'aliasing tipico dei monitor attuali, ma non è adatto per mostrare caratteri oppure immagini che non siano al tratto a causa della difficoltà di rinfrescare un numero elevato di linee.  Alcuni monitor vettoriali sono in grado di mostrare diversi colori, utilizzando un tubo catodico a colori ordinario oppure più strati di fosfori, regolando l'energia cinetica degli elettroni in modo da penetrare fino allo strato necessario.

Spaccato di un tubo a raggi catodici a colori shadow mask
1)Cannone di elettroni
2)Fascio di elettroni
3)Bobina di messa a fuoco
4)Bobina di deflessione
5)Polo positivo (Anodo)
6)Maschera di separazione del verde, rosso e blu
7)Strato di fosfori verdi, rossi e blu
8)Ingrandimento dello strato con i fosfori

I tubi catodici a colori utilizzano differenti tipi di fosfori (7 e 8 nella figura) in grado di emettere i colori rosso, verde e blu, disposti in sottili strisce parallele (tecnica aperture griglie) oppure a gruppi di punti (tecnica shadow mask). Questi fosfori sono facilmente visibili osservando uno schermo acceso da una distanza molto ravvicinata.

Ci sono quindi tre catodi (1) con tre sistemi di focalizzazione (complessivamente detti cannoni elettronici), che generano un fascio per ciascun colore (2) (in realtà i fasci sono invisibili, la corrispondenza con il colore dipende esclusivamente da quale fosforo viene colpito).

All'interno del tubo, a breve distanza dallo schermo, è presente una maschera metallica forata (6) con la funzione di assorbire gli elettroni che non siano sulla traiettoria esatta per raggiungere il fosforo corretto (7) e che causerebbero altrimenti confusione nei colori visualizzati.

L'impatto degli elettroni con la maschera metallica è causa di produzione di una piccola quantità di raggi X. Per questo motivo la parte frontale del tubo è realizzata in vetro al piombo, in modo da lasciarsi attraversare dalla luce dell'immagine ma non dai raggi X. Inoltre il sistema elettronico è progettato in modo da impedire che la tensione anodica possa salire a valori eccessivi, causando l'emissione di raggi X di energia maggiore.  

Si sono sperimentati in passato altri metodi per generare i colori, come per esempio l'utilizzo di un unico pennello elettronico che scandisce in sequenza i tre fosfori colorati che costituiscono il pixel dell'immagine.    Il tubo catodico presenta una curva di risposta caratteristica del triodo, che conduce ad una relazione non lineare tra la corrente elettronica e l'intensità della luce emessa, chiamata funzione gamma. Nei primi televisori questo era positivo poiché aveva l'effetto di comprimere il contrasto (riducendo il rischio di saturazione delle parti più chiare o scure), ma in alcune applicazioni informatiche dove la resa dei colori deve essere lineare, come nel desktop publishing, deve essere applicata una correzione gamma.

CAMPI MAGNETICI

Poiché gli elettroni vengono deviati dal campo magnetico, si deve evitare di avvicinare magneti (es. altoparlanti) ad uno schermo a colori, in quanto provocherebbero la magnetizzazione della maschera e

quindi la rappresentazione errata dei colori. Tale fenomeno permane anche dopo la rimozione del magnete e la correzione può essere difficoltosa.

I moderni televisori e monitor implementano una speciale bobina di smagnetizzazione che, all'accensione dell'apparecchio, produce un breve ma intenso campo magnetico con andamento sinusoidale smorzato, a partire dalla frequenza a 50 Hz della rete elettrica. Questo campo variabile può eliminare una modesta magnetizzazione residua. Sono disponibili anche appositi smagnetizzatori esterni da utilizzare nel caso la bobina interna non sia efficace o manchi del tutto. Come alternativa si può utilizzare un saldatore a mano che abbia un trasformatore integrato. La smagnetizzazione manuale deve iniziare dal centro, allontanandosi progressivamente dallo schermo con movimento a spirale, ripetendo il processo fino al ripristino dei colori corretti.

In casi estremi, in particolare con i magneti al neodimio-ferro-boro, il campo magnetico può deformare meccanicamente la maschera. Questo danno è irreversibile e rende praticamente inutilizzabile il tubo catodico.

Nei vecchi monitor in bianco e nero, privi di maschera, il problema non si pone e possono essere impiegati per dimostrazioni fisiche sul moto degli elettroni nel campo magnetico.

RISCHIO DI IMPLOSIONE

All'interno del tubo è praticato un vuoto spinto, per cui su tutta la sua superficie agisce costantemente una spinta risultante diretta costantemente verso l'interno, dovuta in massima parte dalla spinta idrostatica (1Kg per cm²) dell'atmosfera. Questo permanente stato di sollecitazione del materiale del tubo costituisce un cospicuo accumulo di energia potenziale al suo interno, energia che può liberarsi sotto forma di una implosione in caso di rottura del vetro. Nei tubi dei moderni televisori e monitor la parte frontale è irrobustita con l'interposizione di lamine plastiche, in modo da resistere agli urti e non implodere. La restante parte del tubo ed in particolare il collo sono invece molto delicati.
In altri tubi, come per esempio gli oscilloscopi, non esiste il rinforzo dello schermo, che viene invece protetto con uno schermo plastico anteposto.

TOSSICITA' DEI FOSFORI

Nei vecchi tubi venivano impiegati per i fosfori materiali tossici, sostituiti ora da altri più sicuri. L'implosione o comunque la rottura del vetro causa la dispersione di questi materiali. Nello smaltimento del tubo si deve tenere conto della presenza di piombo, che è considerato un inquinante.

ALTA TENSIONE

I tubi a raggi catodici sono alimentati con tensioni elettriche molto alte. Queste tensioni possono permanere nell'apparecchio anche per molto tempo dopo lo spegnimento e la disconnessione dalla rete elettrica. Evitare quindi di aprire monitor o apparecchi televisivi anche a spina staccata se non si ha una adeguata preparazione tecnica e comunque adottando le necessarie precauzioni (es. scaricamento del tubo e dei condensatori).

DEGRADO NEL TEMPO

Come avviene in tutti i tubi termoionici, anche nel CRT l'efficienza di emissione di elettroni da parte del catodo, nel tempo tende a diminuire progressivamente, con conseguente minore luminosità delle immagini sullo schermo. Negli oscilloscopi, la conseguenza è una minore luminosità della traccia. Causa del degrado, è l'alterazione dello strato di ossido depositato sulla superficie del catodo e la formazione sulla superficie di minuscoli grumi, vere e proprie scorie, conseguenza delle innumerevoli accensioni e spegnimenti, la cui presenza costituisce uno schermo al flusso di elettroni generato. Negli anni in cui il tubo CRT era di uso universale, dato l'elevato costo per la sua sostituzione, esistevano in commercio particolari apparecchi chiamati 'rigeneratori', i quali permettevano di effettuare una momentanea pulitura delle scorie depositate sul catodo. Il metodo consisteva nell'applicare una tensione sufficientemente elevata, tra il pin collegato al catodo e il pin collegato alla prima griglia vicina ad esso. L'eventuale arco voltaico che si formava, distruggeva le scorie più consistenti dando per breve tempo nuova vita al tubo.