Óptica - Tubo de raios catódicos

Óptica - Tubo de raios catódicos

30/05/2018

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  Este artigo é sobre o tubo de raios catódicos, conhecido como CRT (Cathode Ray Tube) e em seu formato mais utilizado e popularmente conhecido como "TV Tubo".

  Primeiro, que tal descobrirmos a origem do tubo de raios catódicos?

  O inventor da válvula termiônica, conhecido também como cinescópio e CRT, foi o cientista Karl Ferdinand Braun no ano de 1897. Na época, este equipamento foi chamado de "Tubo de Braun". Em 1907, o cientista russo Boris Rising ligou um cinescópio a um receptor de sinais e conseguiu, pela primeira vez na história, reproduzir formas geométricas no ecrã do tubo. O primeiro tubo a usar os filamentos que aquecem os cátodos foi criado por John B. Johnson e Harry Weiner Weinhart, funcionários da Western Electric. O primeiro televisor CRT comercial foi fabricado pela Telefunken na Alemanha, em 1934.

  Neste artigo, não explicaremos detalhes sobre o funcionamento do circuito da placa do tubo, apenas daremos ênfase no processo de exibição de imagens que, parece ser complexo mas, não é!

  Um monitor tubo utiliza de uma válvula para produzir imagens. Uma válvula eletrônica parecida com aquelas válvulas que reinavam na eletrônica antes do surgimento e popularização do transistor. Esta válvula possui três partes principais, que liberam os feixes de elétrons numa determinada quantidade para ascender os fósforos RGB dos pixels da tela e gerar os pontos coloridos.

  Na superfície da tela, há uma camada do elemento químico Fósforo dopado com materiais que o deixam verde, vermelho e azul. Cada pixel possui um subpixel verde, um vermelho e um azul. Estas três cores são a base para gerar milhões de outras cores!

 > Dependendo da carga elétrica que o subpixel azul receber, um tom de azul será gerado;

 > Dependendo da carga que o subpixel verde receber, um tom de verde será gerado;

 > Dependendo da carga que o subpixel vermelho receber, será gerado um tom de vermelho.

 

  O processo de geração de luz é chamado de fluorescência (um tipo de luminescência ou eletroluminescência, como preferir) pois, o fósforo é estimulado eletricamente por uma corrente alternada e emite fótons de luz. Você verá mais detalhes sobre este fenômeno nos artigos sobre a lâmpada fluorescente e TV de Plasma! Aguarde!

 

  Logo atrás da camada de fósforo, há uma máscara de sombra responsável por separar os pixels e facilitar a distribuição dos três feixes de elétrons oriundos da válvula em cada pixel. Para desmagnetizar esta máscara e evitar manchas na tela, há a Bobina de Gauss fixa ao redor do tubo do lado de fora. Ela gera um campo eletromagnético alternado que afeta o funcionamento da máscara dentro do tubo e a desmagnetiza.

 

  Agora, vamos detalhar a válvula que libera os feixes de elétrons. Veja o diagrama abaixo:

Diagrama 1

 

 > Os retângulos amarelos simbolizam os filamentos, que servem para aquecer os cátodos;

 > O cátodo libera elétrons ao ser aquecido. Essa liberação de elétrons é regulada pela tensão vinda dos pinos 6, 8 e 11 do soquete do tubo;

 > A grade "G1" ou "Grade de controle" trabalha com uma tensão de 0 Volts e é ligada ao aterramento;

 > A grade "G2" ou "Grade Screen" dá a primeira aceleração nos elétrons, para que eles cheguem até a última grade, a "G4";

 > A grade "G3" ou "Grade de foco" cria um campo eletrostático muito alto afim de juntar os elétrons num feixe extremamente fino para que eles não se espalhem;

 > A Grade "G4" ou "Ânodo Acelerador" dá um impulso extremamente forte nos três feixes de elétrons para que eles cheguem até o fósforo da tela.

 

  Para os cátodos liberarem elétrons eles precisam estar aquecidos. Para isso, há uma linha de 6 Volts alternada ou contínua que alimentam os três filamentos. Esta tensão pode ser alternada ou contínua pois, a única utilidade dela é aquecer os cátodos (efeito termoiônico).

  São três cátodos: um para a cor verde, outro para a vermelha e outro para a azul. Os cátodos liberam elétrons ao serem aquecidos mas, só isso não seria o suficiente para gerar imagem. Cada cátodo possui uma entrada de tensão que varia entre 70 e 140 Volts. Quanto menor a tensão, maior é a liberação de elétrons. Quanto maior a tensão, menor é a liberação de elétrons. A tensão de entrada e a quantidade de elétrons na saída do cátodo é inversamente proporcional.

 

  O tom de vermelho, de verde e de azul que se formará em cada pixel depende da quantidade de elétrons que é liberada por cada cátodo. A liberação de elétrons feita pelo cátodo é controlada pela diferença de potencial (DDP) de entrada, que vai de 70 a 140 Volts. Desta forma, podemos dizer que, os três sinais de cores são três tensões que variam entre 70 e 140 Volts. Cada tensão é aplicada em um dos três cátodos.

  As grades G2, G3 e G4 são alimentadas pelo Fly-back, que será explicado mais abaixo.

  A grade G2, como foi dito, dá o primeiro impulso para que os elétrons cheguem até a grade G4. A tensão da grade G2 varia de 200 a 600 Volts. Os elétrons não tem força para chegarem sozinhos até o ânodo acelerador e por isso há esta grade. Quanto menor a tensão da Grade Sreen, mais escura ficará a tela e, quanto maior a tensão, mais clara vai ficar a tela.

  Os elétrons são uma carga negativa que tende a se dispersar dentro do tubo. Para que isso não aconteça, há a grade G3, que recebe uma tensão que vai de 4 kV a 7 kV para gerar um campo eletrostático. Este campo eletrostático faz os três feixes de elétrons, já meio dispersos, oriundos de cada cátodo, se transformarem em três finíssimos feixes de elétrons.

  A tela está relativamente longe da válvula eletrônica que gera os três feixes de elétrons, portanto, é necessário uma quarta grade, conhecida como G4 ou ânodo acelerador. Sabe aquele fio que está geralmente em cima do tubo de imagem e é fixo a ele através de uma chupeta? Então, este fio está ligado ao Fly-back e alimenta a grade G4! Para que os três feixes de elétrons cheguem até o fósforo da tela, é aplicado uma diferença de potencial em torno de 25 kV. Dependendo do modelo do tubo, esta tensão pode ser menor, chegando a no mínimo 20 kV, ou maior, chegando a 30 kV.

 

  Mas, como que os três feixes de elétrons são direcionados para cada pixel da tela? Eles não se movimentam sozinhos e, numa tela de TV tubo há, no mínimo, 525 linhas de pixels. Para isso, temos as bobinas defletoras conhecidas como "Yoke". Elas são fixas no "pescoço" do tubo de imagem e são responsáveis pela movimentação dos três feixes de elétrons dentro do tubo. Essa movimentação ocorre através de um campo eletromagnético muito forte que faz com que os feixes de elétrons mudem de direção e atinjam todos os pixels da tela. Esse campo eletromagnético capaz de mudar a direção dos feixes de elétrons é chamada de deflexão eletrostática. Os estudos que levaram a deflexão eletrostática dos cinescópios modernos partiram do físico inglês J. J. Thomson.

  Veja abaixo, o diagrama de blocos de tubo de imagem:

Diagrama 2

 

  A Bobina Defletora Horizontal (BDH) não é visível pois, fica por debaixo da Bobina Defletora Vertical (DBV). A BDH movimenta os feixes de elétrons na horizontal, ou seja, percorre a linha. Já a BDV movimenta os feixes de elétrons de cima para baixo, ou seja, faz com que haja a mudança de linha.

  No padrão de TV analógica brasileiro, são 525 linhas de pixels que devem ser atualizadas de forma intercalada, ou seja, primeiro as linhas ímpares e depois as linhas pares para que seja formado 1 imagem (ou Frame, em inglês). TVs tubo comuns possuem uma taxa de atualização de 30 Hz (30 imagens por segundo) mas, como eu disse, para formar cada imagem, primeiro é atualizado as linhas ímpares e após volta-se atualizando as pares, portanto, no BDV há uma frequência de 60 Hertz.

  A atualização é intercalada pois, no passado, quando as TVs tubo foram inventadas, os fósforos utilizados na tela não eram tão bons e havia a necessidade de intercalar a atualização para que não se notasse a imagem se apagando na parte de cima do monitor quando o feixe de elétrons estivesse atualizando as linhas de baixo. Este padrão ficou para sempre na indústria de TVs tubo.

  Como são 525 linhas a serem atualizadas 30 vezes por segundo (no mínimo), é necessário um sinal de 15.750 Hertz (15,7 KHz) na BDH. O tipo de onda elétrica gerada é a "dente de serra".

  Veja abaixo, a imagem de uma onda dente de serra:

  As duas bobinas precisam estar em sincronismo, ou seja, enquanto uma estiver movimentando os feixes de elétrons para atualizar as linhas, a outra deve estar movimentando os feixes para trocarem de linha, portanto, se olharmos o padrão de TV analógica brasileiro, a cada ciclo do sinal de sincronismo vertical, se passam 262,5 ciclos do sincronismo horizontal.

  Isso vale para monitores tubo utilizados em computadores também. A diferença é que, eles podem ter uma resolução um pouco maior (no máximo 1024 x 768) e uma taxa de atualização de 60 Hz. A interface normalmente utilizada é a VGA, o sinal de sincronismo é mandado pelo controlador de vídeo do computador e, no circuito do monitor ele é entendido para gerar os sinais que irão interagir com os feixes de elétrons através das bobinas BDH e BDV.

  No caso de um monitor com resolução 1024 x 768, são 768 linhas que serão atualizadas de forma intercalada, portanto, uma frequência de 120 Hz é necessária para reproduzir 60 Hz e uma frequência de 48.360 Hz (incluído os pulsos de Front Porch, Back Porch e o Sync Pulse) é utilizada para atualizar as 768 linhas de pixels.

 

Bobina "Tilt"

  A bobina Tilt não está presente em todos os monitores mas, ela serve para rotacionar a imagem. Esta é uma bobina que fica enrolada ao redor do tubo, e ao receber uma corrente continua gera um campo eletromagnético que interage com os feixes de elétrons e assim rotaciona a imagem. Veja a imagem abaixo:

 

Ajuste de Pureza

   Nos monitores de tubo há ainda o ajuste de pureza. No Diagrama 2, destaquei esta parte do tubo com a sigla "AP". Este ajuste de pureza serve para a pureza da imagem e a convergência dela. São anéis magnéticos que fazem alterações nos feixes de elétrons afim de tirar manchas coloridas da tela. Estes anéis podem ser chamados de unidade multipolar.

  > Anéis de 2 polos: Ajuste de pureza;

  > Anéis de 4 polos: Ajuste R e B (Vermelho e Azul);

  > Anéis de 6 polos: Ajuste G (Verde);

 

  Estes ajustes focalizam cada feixe de elétrons no seu respectivo subpixel, evitando que apareçam manchas coloridas na imagem. Estes ajustes não devem ser mexidos pois, eles já vem regulados de fábrica e alterações só podem ser feitas por técnicos especializados caso haja alterações na qualidade da imagem.

  Para ajustar a cor é necessário deixar a tela vermelha com a ajuda de um programa de calibragem de vídeo e movimentar o anel de 2 polos até que a tela fique completamente vermelha, isto é, sem manchas de outras cores. A imagem abaixo mostra quando a tela está perfeitamente ajustada:

  Para calibrar a convergência se usa outro programa que deixe a tela toda quadriculada para que possa se movimentar os anéis de convergência (os de 4 e 6 polos). A imagem abaixo mostra quando a tela está perfeitamente ajustada:

  Para ajustar os cantos da tela, tudo era mais difícil, principalmente em monitores mais antigos que, vinham com 2 trimpots e algumas bobinas extras para ajustar a convergência nos cantos da tela.

  Veja mais detalhes interessantes sobre o ajuste de pureza e a máscara de sombras CLICANDO AQUI!

 

A Bobina de Gauss

  Veja mais sobre a relação entre a Bobina de Gauss e a máscara de sombras CLICANDO AQUI!

 

O Soquete

  A placa do tubo é a responsável por receber os sinais RGB e das grades G1, G2 e G3, além da energia dos filamentos e mandar para a válvula do tubo. Para ligar a placa e a válvula há um soquete, marcado no Diagrama 2 como "S". Este soquete é padrão mas, pode ter algumas diferenças entre os modelos de TV. Veja abaixo, o diagrama de pinos dele.

  Como você pode ver, alguns pinos não estão presentes simplesmente por que a fabricante decide que não são necessários.

   Veja abaixo, a tabela de pinos do soquete da válvula do tubo:

   Em televisores de 17 polegadas ou mais, o pino 2 também serve para alimentar a grade foco, para dar mais nitidez ao centro e aos cantos e laterais da imagem.

 

  Já notou que não são comuns os tubos de imagem com proporções de 16x9? Há apenas os 4x3 pois, é mais complexo deslocar os feixes de elétrons para os cantos da imagem devido a maior largura do tubo, fazendo com que, a imagem não ficasse perfeita.

  E os tubos de imagem com tela plana? Estes na verdade não são exatamente planos! é colocado uma camada de vidro extra, esta camada é plana e tem a função de estabilizar a imagem e dar a impressão de que que é uma tela plana pois, por causa do tubo ter a válvula centralizada, é necessário estufar o centro da tela para que a distância entre a camada de fósforos e o canhão de elétrons (a válvula) seja a mesma em qualquer ponto da tela. Caso a tela não fosse estufada, os feixes de elétrons levariam mais tempo para atingir o fósforo dos cantos e menos tempo para atingir o fósforo do centro da tela.

 

 

O Fly-Back

  O Fly-Back é uma espécie de transformador que gera as altas tensões para o funcionamento do tubo de imagem. Ele também recebe o sinal de sincronismo horizontal, gera a MAT (Muita Alta Tensão) que está entre 20 e 30 kV que alimenta a grade G4 e também as tensões da grade G1, G2 e G3. Nele há 2 potenciômetros, o de cima é para ajuste da tensão da Grade de Foco e o outro para ajuste da tensão da Grade de Screen. A Grade de controle é ligada ao polo negativo e só serve para aterramento.

  Veja abaixo, uma imagem de um Fly-back:

   A diferença entre um Fly-Back de um televisor para o Fly-Back de um monitor é que a capacitância do tubo do monitor é mais baixa, fazendo-se necessário incluir um capacitor de filtro de MAT no Fly-Back. O tubo de TV sozinho, isto é, sem a válvula, sem o yoke e as demais peças é chamado de "aquadag", que na verdade é um grande capacitor que filtra a MAT antes de ela chegar na G4. No caso de monitores de computador, a capacitância do aquadag é muito baixa, não filtrando corretamente a energia e fazendo com que um capacitor tivesse que ser incluído no Fly-Back.

  Internamente, além dos potenciômetros e das bobinas, há diodo(s) retificador(es). O diagrama de um modelo de Fly-Back é mostrado abaixo:

   A pinagem do Fly-Back pode mudar de modelo para modelo.

   Perceba que há diodos, 1 resistor, 2 potenciômetros e as bobinas. Ao lado do diagrama é mostrado a parte de baixo do Fly-Back com seu pinos numerados de 1 a 10. Em artigos futuros poderemos detalhar mais o funcionamento do Fly-Back e do restante do circuito do tubo de imagem.

  Você deve estar pensando: como que entra 127 ou 220 Volts pela fonte de alimentação e o circuito consegue gerar vários níveis de tensão muito mais altos que o da entrada?

  Isso é simples! Quando multiplicamos a tensão, automaticamente reduzimos a corrente elétrica, por isso que, a entrada da fonte de alimentação do aparelho eletrônico fica na faixa dos 4 a 7 Amperes e a MAT de 25 kV da saída do Fly-Back trabalha a alguns miliAmperes. Isso também vale para os outros níveis de tensão gerados no circuito da TV tubo. Então, podemos concluir que, para aumentar os níveis de tensão, reduzimos a intensidade de corrente e para aumentar a intensidade da corrente, diminui-se o nível da tensão elétrica.

 

Máscara de Sombras, Grade de Abertura e Filtros de Cores RGB

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   Como você pode ver, o funcionamento da TV tubo não é tão complexo. Devemos cuidar na manutenção pois, há várias partes do circuito que trabalham com altas tensões e, dependendo do organismo da pessoa, levar um choque de uma TV tubo pode ser fatal. Num próximo artigo, vamos detalhar o funcionamento da placa do tubo de imagem e assim completaremos os estudos sobre o funcionamento deste fascinante aparelho eletrônico!

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FONTES e CRÉDITOS

 

Texto, diagramas / tabelas e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Burgos Eletrônica; Wikipédia (somente artigos com fontes verificadas!); apostila de manutenção de monitores e televisores CRT.

 

ùltima atualização: 07 de Outubro de 2019.

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