Tubo catodico

Il termine tubo a raggi catodici, più comunemente tubo catodico o CRT (acronimo del termine inglese Cathode Ray Tube), 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 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.

Indice

1 Descrizione e funzionamento 2 Manutenzione 2.1 Pulizia 2.2 Campi magnetici 3 Sicurezza e rischi per la salute 3.1 Campi EM 3.2 Raggi X 3.3 Rischio di implosione 3.4 Tossicità dei fosfori 3.5 Immagini lampeggianti 3.6 Alta tensione

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.

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 70 e 80 in alcuni videogiochi come Asteroids.
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.
Alcuni tubi (Direct View Bistable Storage Tube) sono in grado di memorizzare l'immagine e non richiedono il rinfresco periodico.

I tubi catodici a colori utilizzano differenti tipi di fosfori (4 e 5 nella figura a destra) in grado di emettere i colori rosso, verde e blu, disposti in sottili strisce parallele (tecnica aperture grille) 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 (3) con la funzione di assorbire gli elettroni che non siano sulla traiettoria esatta per raggiungere il fosforo corretto (5) 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.

Manutenzione

Pulizia

Durante il funzionamento del tubo, sulla superficie dello schermo si induce una carica elettrostatica che, sebbene non rappresenti un pericolo per l'uomo, provoca il deposita di polvere che a lungo andare degrada la qualità dell'immagine. Per questo motivo è opportuno pulire periodicamente lo schermo con prodotti specifici (prodotti non adatti possono danneggiare il rivestimento antiriflesso, se presente).

A causa della presenza di alta tensione, l'interno di un apparecchio televisivo attira molta polvere, che può essere rimossa con un moderato getto di aria compressa, possibilmente all'aperto.
La superficie esterna del tubo catodico compresa tra lo schermo ed il collo è rivestita da una fine polvere nera di grafite. Il suo scopo è di realizzare l'armatura di un condensatore in grado di accumulare e livellare l'alta tensione generata (l'altra armatura è un rivestimento analogo sulla superficie interna del vetro). Questa polvere, che potrebbe sembrare ad un occhio profano un semplice deposito di sporco, non deve assolutamente essere rimossa.

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, ricordando però al pubblico di non farlo sul televisore di casa!

Sicurezza e rischi per la salute

Campi EM

Alcuni ritengono che i campi elettromangetici emessi durante il funzionamento del tubo catodico possano avere effetti biologici. Al di la' dei possibili effetti, l'intensità di questo campo si riduce a valori trascurabili entro un metro di distanza e comunque è più intenso ai lati dello schermo piuttosto che di fronte.

Raggi X

Come già accennato i tubi a colori emettono una piccola quantità di raggi X, bloccata per la maggior parte dallo spesso vetro al piombo dello schermo. La Food and drug administration americana stabilisce un limite di 0.5 milliroentgen per ora (mR/hr) per l'intensità dei raggi X alla distanza di 5 cm dalla superficie esterna di un apparecchio televisivo. (Rif. [1])

Rischio di implosione

All'interno del tubo è praticato un vuoto spinto, per cui su tutta la sua superficie agisce costantemente la pressione atmosferica (1Kg per cm²). Questo rappresenta un cospicuo accumulo di energia potenziale che può liberarsi sotto forma di una implosione in caso di danneggiamento 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.
Il tubo catodico deve essere maneggiato con attenzione e competenza; si deve evitare in particolare di sollevarlo per il collo o comunque non per i punti apositamente previsti.

Tossicità 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.

Immagini lampeggianti

Lo sfarfallio prodotto dal continuo ridisegno dell'immagine (50 volte al secondo) può in alcuni soggetti essere causa scatenante di crisi epilettiche. Sono disponibili sistemi per ridurre questo rischio.

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).

Categoria:Hardware Categoria:Televisione

See also: Tubo catodico, 1897, 1922, Acronimo, Altoparlante, Anni 70, Anni 80, Anodo, Blu, Boro