Tube cathodique
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Le tube cathodique (CRT ou Cathode ray tube en Anglais), fut inventé par Karl Ferdinand Braun, ce composant est un dispositif d'affichage utilisé dans la plus part des écrans d'ordinateurs, télévisions et oscilloscopes. Le tube cathodique fut développé par les travaux de Philo Farnsworth et fut utilisé dans les télévisions jusqu'aux début des années 2000 remplacé progressivement par les écrans plasmas, les écrans LCD.
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Origines
La première version du tube cathodique fut une diode à cathode froide, en fait une modification du tube de Crookes avec une couche de phosphore sur la face, ce tube est parfois appeler tube Braun. La première version utilisant une cathode chaude fut développée par J. B. Johnson et H. W. Weinhart de la société Western Electric. Ce produit fut commercialisé en 1922.
Fonctionnement
Les rayons cathodiques sont des flux d'électrons à haute vitesse provenant de la cathode du tube, cette vitesse importante est due à la haute tension de l'anode. Dans un tube cathodique, les électrons sont focalisés, soit magnétiquement par une bobine ou bien électrostatiquement par une grille de manière à obtenir un mince rayon, la densité du rayon peut éventuellement être contrôlé par une grille comme c'est le cas dans les tubes TV. Ce rayon est en suite dévié soit magnétiquement par des bobines(comme dans un tube TV) ou bien électrostatiquement par des électrodes de déflections (dans la plus part des oscilloscopes). Ce rayon arrive ensuite sur l'anode recouverte d'une matière phosphorescente, souvent à base de terres rares. Quand les électrons frappent cette surface, de la lumière est émise.
L'affichage à balayage
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1 : canons à électrons
2 : faisceaux d'électrons
3 : masque pour séparer les rayons rouge, bleu et vert de l'image affichée
4 : couche phosphorescente avec des zones réceprices pour chaque couleur
5 : gros plan sur la face intérieure de l'écran recouverte de phosphore
Dans le cas des télévisions et des écrans d'ordinateurs modernes, toute la face du tube est scannée selon un parcours bien défini, et l'image est créée en faisant varier l'intensité du flux d'électron (le faisceau) au long de son parcours. Le flux dans toutes les TV modernes est dévié par un champ magnétique appliqué sur le col du tube par un « joug magnétique » (magnetic yoke en anglais), qui est composé de bobines (souvent deux) enroulées sur de la ferrite et contrôlées par un circuit électronique. Cela est un balayage par déflection magnétique.
L'affichage vectoriel
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1 : électrodes déviant le faisceau
2 : canon à électrons
3 : faisceaux d'électrons
4 : bobine pour faire converger le faisceau
5 : face intérieur de l'écran recouverte de phosphore
Dans le cas d'un oscilloscope, l'intensité du faisceau est maintenue constant, et l'image est dessinée par le chemin que parcourt le faisceau. Normalement, la déflection horizontale est proportionnelle au temps, et la déflection verticale est proportionnelle au signal. Les tubes pour ce genre d'utilisation sont long et étroit, de plus la déflection est assurée par l'application d'un champ électrostatique dans le tube à l'aide de plaques (de déflection) situées au niveau du col du tube. Ce type de déflection est plus rapide qu'une déflection magnétique, car dans le cas d'une déflection magnétique, l'inductance de la bobine empêche les variations rapides du champ magnétique (car elle empêche la variation rapide du courant qui crée le champ magnétique).
Affichage vectoriel des ordinateurs
Les premiers écrans graphiques pour ordinateurs utilisaient des tubes à commande vectorielle semblables ceux des oscilloscopes. Ici le faisceau traçait des lignes entre des points arbitraires, en répétant cela le plus vite possible. Les moniteurs vectoriels furent utilisés pour la plus part des écrans d'ordinateur de la fin des années 1970 jusqu'au milieu des années 1980. L'affichage vectoriel pour ordinateur ne souffre pas d'aliasing et de pixelization, mais sont limités car ils peuvent seulement afficher les contours des formes, et une faible quantité de texte de préférence gros. (Car la vitesse d'affichage est inversement proportionnelle au nombre de vecteurs à dessiner, « remplire » une zone en utilisant plein de vecteurs est impossible tout comme l'écriture d'une grande quantité de text). Certains écrans vectoriels sont capables d'affichés plusieurs couleurs souvent en utilisant deux ou trois couches de phosphore, dans ces écrans, en contrôlant la force du faisceau d'électron on contrôle la couche atteinte et donc la couleur affichée qui le plus souvent étaient soit le vert, l'orange ou le rouge.
D'autres écrans graphiques utilisaient des tubes de stockage (storage tube). Ces tubes cathodiques stockaient les images et ne nécessitaient pas de rafraîchissement périodique.
Ecrans couleurs
Principe
Les écrans couleurs utilisent trois matières regroupées en un point, la face du tube est donc recouverte de points minuscules. Chacune de ces matières produit une couleur si elle est soumit à un flux d'électrons, les couleurs sont les suivantes: le rouge, le vert et le bleu. Il y a trois canons à électrons, un par couleur, et chaque canon ne peut allumer que les points d'une couleur, un masque est disposé dans le tube avant la face pour éviter qu'un canon ne déborde sur l'autre.
Protections
Le verre utilisé pour la face du tube, permet le passage de la lumière produite par le phosphore vers l'extérieur, mais dans tous les modèles modernes il bloque les rayons X générés par l'impact du flux d'électrons à haute énergie. C'est pour cette raison que le verre de la face est chargé en plomb (c'est donc du verre cristal). Grâce à cela et aux autres blindages internes, que les tubes peuvent satisfaire les normes de sécurité de plus en plus sévères en matière de rayonnement.
Rendu des couleurs
Les tubes cathodiques ont une caractéristique intensité du flux d'électrons, intensité lumineuse qui n'est pas linéaire, on appelle cela le gamma. Pour les premières télévisions, le gamma de l'écran fut un avantage, car en compressant le signal (un peu à la manière d'une pédale de compression pour guitare) le contraste est augmenté (note: on ne parle pas de compression numérique, mais de compression d'un signal, qui peut être définie par une réduction de ce qui a un niveau faible et une augmentation de ce qui est plus élevé). Les tubes modernes ont toujours un gamma (plus faible), mais ce gamma peut être corrigé, de manière à obtenir une réponse linéaire, permettant de voir l'image sous ses vrais couleurs, ce qui est très important dans l'imprimerie entre autres.
Electricité statique
Certains écrans ou télévisions utilisant des tubes cathodiques peuvent accumuler de l'électricité statique, inoffensive, sur la face du tube ce qui peut entraîner l'accumulation de poussières réduisant la qualité de l'image, un nettoyage est donc nécessaire (avec un chiffon sec ou un produit adapté car certains produits peuvent abîmer la couche anti reflet si elle existe).
Autres technologies
Les tubes cathodiques ont des chances de devenir obsolètes car peu à peu les écrans à plasma et les écrans à cristaux liquides remplacent les écrans à tube cathodiques. Ces nouveaux types d'écrans ont pour avantages un encombrement réduit et une consommation plus faible. De plus leur prix devient de plus en plus proche de celui des écrans à tubes. Leur rendu des couleurs est maintenant identique aux tubes. Le temps de latence de plus en plus faible permet (pour certains modèles en dessous de 12ms), d'utiliser des jeux d'action tels que Doom 3, sans avoir à subir des traînées d'affichage lors de mouvements rapides. Ces traînées étaient jusqu'a présent un frein important pour une utilisation dans les écrans d'ordinateurs grand publique.
Applications
- La plupart des téléviseurs et écrans d'ordinateur
- Les oscilloscopes
- Les radars