CRT-монітор

Вступ

Сьогодні найпоширеніший тип моніторів – це CRT (Cathode Ray Tube (катодно-променева трубка)) монітори. Іноді CRT розшифровується і як Cathode Ray Terminal, що відповідає вже не самій трубці, а пристрою, на ній заснованому.

1. Конструкція CRT-моніторів

Найважливішим елементом монітора є кінескоп, який зветься також електронно-променевою трубкою.

Кінескоп складається з герметичної скляної трубки, усередині якої вакуум. Один з кінців трубки вузький і довгий – це горловина, а інший – широкий і досить плаский – це екран. Із фронтальної сторони внутрішня частина скла трубки покрита люмінофором (luminophor). Як люмінофори для кольорових CRT використовуються сполуки на основі рідкоземельних металів – іттрія, ербію та ін.

Для створення зображення в CRT-моніторі використовується електронна гармата, звідки під дією сильного електростатичного поля виходить потік електронів. Крізь металеву маску або ґрати вони потрапляють на внутрішню поверхню скляного екрана монітора, покриту різнобарвними люмінофорними крапками.

Конструкція CRT-моніторів

Потік електронів (промінь) може відхилятися у вертикальній і горизонтальній площині, що забезпечує послідовне влучення його на все поле екрана. Відхилення променя відбувається за допомогою відхиляючої системи. Відхиляючі системи розділяються на сідлоподібно-тороїдальні та сідлоподібні. Останні більш поширені, оскільки створюють знижений рівень випромінювання. Відхиляюча системи складається з декількох котушок індуктивності, розміщених у горловини кінескопа. За допомогою змінного магнітного поля дві котушки створюють відхилення пучка електронів у горизонтальній площині, а інші дві – у вертикальній.

Зміна магнітного поля виникає під дією змінного струму, що протікає через котушки й змінюється за пилкоподібним законом у часі, при цьому котушки надають променю потрібний напрямок. Шлях електронного променя на екрані схематично показаний на рис. 2. Суцільні лінії – це активний хід променя, пунктир – зворотний.

Розгорнення променів на екрані CRT

Частота переходу на нову лінію називається частотою горизонтального (або рядкового) розгорнення. Частота переходу з нижнього правого кута в лівий верхній називається частотою вертикального (або кадрового) розгорнення.

Після відхиляючої системи потік електронів на шляху до фронтальної частини трубки проходить через модулятор інтенсивності та прискорювальну систему, що працюють за принципом різності потенціалів. Внаслідок цього електрони здобувають більшу енергію, частина з якої витрачається на світіння люмінофора.

Електрони потрапляють на люмінофорний шар, після чого енергія електронів перетворюється на світло, тобто потік електронів змушує крапки люмінофора світитися. Ці світлові крапки люмінофора формують зображення, що ви бачите на вашому моніторі. Як правило, у кольоровому CRT моніторі використовується три електронні гармати, на відміну від однієї гармати, застосовуваної в монохромних моніторах, які зараз практично не виробляються. Відомо, що око людини реагує на основні кольори: червоний (Red), зелений (Green) і синій (Blue) та на їхні комбінації, які створюють нескінченну кількість кольорів.

Люмінофорний шар, що покриває фронтальну частину електронно-променевої трубки, складається з трьох типів різнобарвних часток, чиї кольори відповідають основним кольорам RGB (звідси й назва групи з люмінофорних елементів – тріади). Люмінофор починає світитися, як було сказано вище, під впливом прискорених електронів, які створюються трьома електронними гарматами. Кожна з трьох гармат відповідає одному з основних кольорів і посилає пучок електронів на різні люмінофорні частки, чиє світіння основними кольорами з різною інтенсивністю комбінується та внаслідок чого формується зображення з необхідним кольором. Наприклад, якщо активувати червоні, зелені й синю люмінофорні частки, то їхня комбінація сформує білий колір.

Для управління CRT необхідна управляюча електроніка, якість якої багато в чому визначає і якість монітора. До речі, саме поняття як управляюча електроніка, створювана різними виробниками, є одним із критеріїв, що визначають різницю між моніторами з однаковою CRT. Отже, кожна гармата випромінює електронний промінь (або потік, або пучок), що впливає на люмінофорні елементи різного кольору (зеленого, червоного або синього).

Зрозуміло, що електронний промінь, призначений для червоних люмінофорних елементів, не має впливати на люмінофор зеленого або синього кольорів. Щоб досягти такої дії, використовується спеціальна маска, чия структура залежить від типу кінескопів від різних виробників, що забезпечує дискретність (растровість) зображення.

CRT можна розбити на два класи – трипроменеві з дельтоподібним розташуванням електронних гармат і з планарним розташуванням електронних гармат. У цих трубках застосовуються щілинні й тіньові маски, хоча вірніше сказати, що вони всі тіньові. При цьому трубки із планарним розташуванням електронних гармат ще називають кінескопами із самосвідомістю променів, тому що вплив магнітного поля Землі на три планарно розташованих променя практично однаковий і при зміні положення трубки відносно поля Землі не потрібно робити додаткові регулювання.

2. Тіньова маска

Тіньова маска (shadow mask) – це найпоширеніший тип масок, вона застосовується з часу винаходу перших кольорових кінескопів. Поверхня в кінескопів з тіньовою маскою зазвичай сферичної форми (опукла). Це зроблено для того, щоб електронний промінь у центрі екрана й по краях мав однакову товщину. Тіньова маска складається з металевої пластини із круглими отворами, які займають приблизно 25% площі.

Тіньова маска CRT

Знаходиться маска перед скляною трубкою з люмінофорним шаром. Як правило, більшість сучасних тіньових масок виготовляють з інвару. Інвар (InVar) – магнітний сплав заліза [64%] з нікелем [36%]. Цей матеріал має гранично низький коефіцієнт теплового розширення, тому, незважаючи на те, що електронні промені нагрівають маску, вона не створює негативного впливу на чистоту кольору зображення.

Отвори в металевій сітці працюють як приціл (хоча й не точний), саме цим забезпечується те, що електронний промінь потрапляє тільки на необхідні люмінофорні елементи й тільки в певних областях.

Тіньова маска створює ґрати з однорідними крапками (інша назва – тріади), де кожна така крапка складається з трьох люмінофорних елементів основних кольорів – зеленного, червоного й синього, які світяться з різною інтенсивністю під впливом променів з електронних гармат. Зміною струму кожного з трьох електронних променів можна досягти довільного кольору елемента зображення, утвореного тріадою крапок.

Одним зі «слабких» місць моніторів з тіньовою маскою є її термічна деформація. Частина променів від електронно-променевої гармати потрапляє на тіньову маску, внаслідок чого відбувається нагрівання й подальша деформація тіньової маски. Зсув отворів тіньової маски призводить до виникнення ефекту строкатості екрана (зсуву кольорів RGB). Істотно впливає на якість монітора матеріал тіньової маски. Кращим матеріалом маски є інвар.

Недоліки тіньової маски добре відомі: по-перше, це мале співвідношення пропускаємих та затримуваних маскою електронів (лише близько 20–30% проходить через маску), що вимагає застосування люмінофорів з великою світловіддачею, а це в свою чергу погіршує монохромність світіння, зменшуючи діапазон передачі кольору, а по-друге, забезпечити точний збіг трьох променів, що лежать в одній площині, при відхиленні їх на більші кути досить важко.

Тіньова маска застосовується в більшості сучасних моніторів – Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, View Sonic.

Мінімальна відстань між люмінофорними елементами однакового кольору в сусідніх рядках називається кроком крапок (dot pitch) та є індексом якості зображення.

Крок крапок однакового кольору в сусідніх рядках

Крок крапок зазвичай вимірюється в міліметрах (мм). Чим менше значення кроку крапок, тим вище якість відтвореного на моніторі зображення. Відстань між двома сусідніми крапками по горизонталі дорівнює кроку крапок, помноженій на 0,866.

3. Апертурні грати

Є ще один вид трубок, у яких використовуються Aperture Grille (апертурні ґрати). Ці трубки стали відомі під назвою Trinitron і вперше були представлені на ринку компанією Sony в 1982 р. У трубках з апертурними ґратами застосовується оригінальна технологія, де є три променеві гармати, три катоди й три модулятори, але при цьому є одне загальне фокусування.

Апертурні ґрати CRT

Апертурні ґрати – це тип маски, використовуваний різними виробниками у своїх технологіях для виробництва кінескопів, що носять різні назви, але однакові по суті, наприклад технологія Trinitron від Sony, Diamond Tron від Mitsubishi і SonicTron від View Sonic. Це рішення не містить у собі металеві ґрати з отворами, як у випадку з тіньовою маскою, а має ґрати з вертикальних ліній. Замість крапок з люмінофорними елементами трьох основних кольорів апертурні ґрати містять серію ниток, що складаються з люмінофорних елементів вибудуваних у вигляді вертикальних смуг трьох основних кольорів.

Така система забезпечує високу контрастність зображення і добру насиченість кольорів, що разом забезпечує високу якість моніторів із трубками на основі цієї технології. Маска, застосована в трубках фірми Sony (Mitsubishi, View Sonic), являє собою тонку фольгу, на яку нанесені тонкі вертикальні лінії.

Вона тримається на горизонтальному (одному в 15», двох в 17», трьох і більше в 21») дротику, тінь від якої видна на екрані. Цей дротик застосовується для гасіння коливань і називається damper wire. Його добре видно, особливо при світлому фоні зображення на моніторі. Деяким користувачам ці лінії принципово не подобаються, інші ж навпаки задоволені й використовують їх як горизонтальну лінійку.

Мінімальна відстань між смугами люмінофора однакового кольору називається кроком смуг (strip pitch) і вимірюється в міліметрах (мм) (рис. 7.10). Чим менше значення кроку смуг, тим вища якість зображення на моніторі. При апертурних ґратах має сенс тільки горизонтальний розмір крапки, оскільки вертикальний визначається фокусуванням електронного променя й системою, що відхиляє.

Апертурні ґрати використовуються в моніторах від View Sonic, Radius, Nokia, LG, CTX, Mitsubishi, у всіх моніторах від SONY.

4. Щілинна маска

Щілинна маска (slot mask) – ця технологія широко застосовується компанією NEC під ім'ям «CromaClear». Це рішення на практиці являє собою комбінацію тіньової маски й апертурних ґрат. У цьому випадку люмінофорні елементи розташовані у вертикальних еліптичних осередках, а маска зроблена з вертикальних смуг (рис. 5). Фактично вертикальні смуги розділені на еліптичні осередки, які містять групи із трьох люмінофорних елементів трьох основних кольорів.

Щілинна маска CRT

Щілинна маска використовується, крім моніторів від NEC (де осередки еліптичні), у моніторах Panasonic із трубкою Pure Flat (раніше називалася Pan Flat). Зазначимо, що не можна порівнювати розмір кроку для трубок різних типів: крок крапок (або тріад) трубки з тіньовою маскою вимірюється по діагоналі, у той час як крок апертурних ґрат, інакше званий горизонтальним кроком крапок, – по горизонталі. Тому при однаковому кроці крапок трубка з тіньовою маскою має більшу щільність крапок, ніж трубка з апертурними ґратами. Для прикладу крок смуг 0,25 мм приблизно еквівалентний кроку крапок, що дорівнює 0,27 мм.

Також у 1997 р. компанією Hitachi – найбільшим проектувальником і виготовлювачем CRT – була розроблена EDP – новітня технологія тіньової маски. У типовій тіньовій масці тріади розміщені більш-менш рівносторонньо, створюючи трикутні групи, розподілені рівномірно поперек внутрішньої поверхні трубки. Компанія Hitachi зменшила відстань між елементами тріади по горизонталі, тим самим створивши тріади, ближчі за формою до рівнобедреного трикутника. Для запобігання виявлення проміжків між тріадами самі крапки були подовжені і являють собою скоріше овали, ніж коло.

Обидва типи масок – тіньова маска й апертурні ґрати – мають свої переваги та своїх прихильників. Для офісних додатків, текстових редакторів і електронних таблиць більше підходять кінескопи з тіньовою маскою, що забезпечують дуже високу чіткість і достатній контраст зображення. Для роботи з пакетами растрової й векторної графіки традиційно рекомендуються трубки з апертурними ґратами, яким властиві чудова яскравість і контрастність зображення. Крім того, робоча поверхня цих кінескопів являє собою сегмент циліндра з більшим радіусом кривизни по горизонталі (на відміну від CRT із тіньовою маскою, що мають сферичну поверхню екрана), що істотно (до 50%) знижує інтенсивність відблисків на екрані.

EDP-технологія масці CRT

Електронно-променеві трубки виробляються переважно в Японії. Для деяких серій моніторів Acer, Daewoo, LG Electronics, Philips, Samsung і View Sonic трубки виготовляє концерн Hitachi. У виробах ADI і Daewoo встановлюються трубки Toshiba. Компанії Apple, Compaq, IBM, MAG і Nokia застосовують CRT Sony Trinitron. Нарешті, Mitsubishi постачає CRT для фірм CTX, Iiyama і Wyse, а трубки Panasonic (Matsushita) можна зустріти в моніторах CTX, Philips і View Sonic. Найчастіше виробники трубок бувають перевантажені замовленнями, тому у виробництво моніторів однієї й тієї самої серії вносять вклад різні постачальники.

5. Сучасні CRT

FD Trinitron (Sony).

У цей час всі вироблені Sony CRT-монітори мають плоску зовнішню поверхню екрана (навіть моделі з діагоналлю 15»). Технологія, використана Sony у своїх моніторах, розробляється компанією вже понад тридцять років, і не буде перебільшенням сказати, що вона здобула всесвітню популярність. Усе почалося в 1968 р., коли була винайдена технологія Trinitron. У 1982 р. Sony випустила перший комп'ютерний дисплей, у якому була застосована CRT Trinitron. У 1998 р. компанія представила перший монітор із плоскою поверхнею екрана, виконаний за технологією FD Trinitron.

CRT Trinitron, які всім добре відомі по побутових телевізорах, відрізнялися від звичайних тим, що мали не сферичну поверхню екрана, а циліндричну. Зупинимося на цікавих моментах, що відрізняють технологію FD Trinitron. Насамперед це високий рівень роздільної здатності. Щоб досягти високої роздільної здатності, необхідна наявність трьох складових – дуже тонкої екранної маски, мінімального діаметра електронного променя й безпомилкового позіціонування цього променя на всій поверхні екрана. Таке завдання приховує у собі чимало труднощів. Наприклад, зменшення діаметра електронного променя викликає зниження яскравості зображення. Щоб компенсувати втрати в яскравості, потрібно збільшити потужність електрон-ного променя, але це веде до скорочення терміну служби люмінофорного покриття й катода самої електронної гармати, що служить джерелом електронів.

В FD Trinitron застосована конструкція електронної гармати за назвою SAGIC (Small Aperture G1 with Impregnated Cathode). У ній використовується звичний барієвий катод, але збагачений вольфрамом, що дозволяє продовжити термін служби CRT. Крім того, діаметр фільтруючого отвору в першому елементі ґрат електронної гармати G1 зменшений до 0,3 мм порівняно зі звичайними 0,4 мм, що дозволяє одержувати на виході тонкіший електронний промінь.

Як екранну маску Sony використовує апертурні ґрати із кроком 0,22–0,28 мм (Цей показник змінюється не тільки в залежності від моделі монітора. У самому моніторі крок маски може бути різним у центрі й на периферійних ділянках). Застосування апертурних ґрат замість тіньової маски дозволяє збільшити кількість електронів, що досягають поверхні люмінофорного покриття, а це дає чистішу, краще сфальцьовану та яскраву картинку. Крім того, в електронній гарматі застосовані спеціальні системи фокусування: DQL (Dynamic Quadropole Lens), MALS (Multi Astigmatism Lens System) і EFEAL (Extended Field Elliptical Aperture Lens). Вони дозволяють одержувати тонку й відмінно сфальцьовану пляму електронного променя в будь-якому місці екрана.

Усі монітори з CRT FD Trinitron мають спеціальне багатошарове покриття (від 4 до 6 шарів), що виконує кілька функцій. По-перше, воно дозволяє одержувати реалістичні кольори на поверхні екрана за рахунок зниження відбитого світла. Крім того, завдяки додатковому спеціальному чорному шару антиблікового покриття (Hi-Con™) підвищується контрастність, значно поліпшена передача сірих відтінків. На додаток до всього це унікальне для FD Trinitron чорне покриття, яке всмоктує як пряме, так і відбите світло, що підвищує контрастність зображення.

Flatron (LG Electronics).

Основна відмінність CRT Flatron від кінескопів інших виробників полягає в тому, що в них для формування зображення використовується абсолютно пласка поверхня екрана як зовні, так і всередині. Це дозволило збільшити кут огляду та, як наслідок, видиму область зображення. У моніторах LG Flatron використовується щілинна маска, що дозволяє відтворювати зображення з високою роздільною здатністю (крок маски в 17» моніторів LG Flatron 775FT і 795FT Plus – 0,24 мм). Крім того, у CRT LG Flatron товщина маски знижена, що підвищує якість формованої на екрані електронної плями.

У LG Flatron використовується електронна гармата спеціальної конструкції – Hi-Lb-MQ Gun. У звичайних гарматах по краях екрана електронна пляма має овальну форму. Це веде до появи муару й зниження горизонтального оптичного розділення. Застосована ж у Hi-Lb-MQ Gun система фокусування дозволяє досягати практично ідеальної форми електронної плями по всій поверхні екрана. У конструкцію ґрат електронної гармати також внесені зміни – доданий додатковий фільтруючий елемент G3.

Ще однією примітною особливістю Flatron є антиблікове та антистатичне покриття W-ARAS, яке значно знижує кількість відбитого світла й разом з тим дозволяє досягти найнижчого коефіцієнта світлопропускання екрана (38% проти 40–52% у конкурентів).

Ergo Flat (Hitachi). У CRT Ergo Flat використовується тіньова маска з дуже маленьким кроком (так, у моделі Hitachi CM771 крок маски дорівнює 0,22 мм по горизонталі й 0,14 мм по вертикалі).

DynaFlat (Samsung). У CRT DynaFlat фірми Samsung також використовується тіньова маска з дуже маленьким кроком (до 0,20 мм). Крім того, у моніторах цього типу застосовується також антибліковое та антистатичне покриття Smart III. За відгуками фахівців, монітори з CRT DynaFlat дозволяють одержувати навіть яскравішу й насиченішу картинку, ніж у моніторах на базі FD Trinitron.