Tubos de raios catódicos não são tão simples quanto parecem e há muitas coisas em seu interior que gostaríamos de estudar!
Este é o motivo pelo qual desmontamos a publicação original, que tratava apenas da separação dos pixels na tela e expandimos para um apanhado geral sobre o cinescópio, expandindo ainda mais o conteúdo!
Neste artigo vamos abordar algumas características estruturais e de funcionamento do cinescópio, incluindo as diferenças e variações que há entre a Máscara de Sombras (Shadow Mask) e a Grade de Abertura (Aperture Grille).
Para entender este texto é fundamental a leitura do primeiro conteúdo relacionado. Para acessa-lo, CLIQUE AQUI!
A carcaça de vidro
A atmosfera da Terra exerce uma forte pressão sobre todos os corpos na sua superfície. Nós mesmos estamos sujeitos a uma pressão da ordem de 1 kG por centímetro quadrado da superfície de nosso corpo no nível do mar. Isso significa que uma pessoa está sujeita a uma força total de várias toneladas, se considerarmos a superfície total de seu corpo.
Não morremos esmagados por esta forte pressão pois ela é contraposta pela pressão que vem de dentro para fora de nosso corpo, conforme mostra a Imagem abaixo:
Imagem 1 - A 'briga' de forças que mantém tudo em ordem
Em outras palavras, além da resistência mecânica do corpo há também uma pressão interna que nos permite não ser esmagados pela atmosfera.
Assim, todos os corpos em nossa volta se mantém inteiros porque a pressão exercida pela atmosfera em todos os sentidos é equilibrada por uma força no sentido inverso.
No entanto, quando uma dessas pressões não existir, toda a pressão da atmosfera pode aparecer sobre o corpo sem contraposição, com todos os efeitos destrutivos que isso possa significar.
Esse é o caso do tubo de raios catódicos.
Um tubo de raios catódicos, como o cinescópio de um monitor de vídeo exige a presença do vácuo no seu interior para funcionar, isso significa que em toda a sua superfície externa existe a pressão da atmosfera (que no nível do mar é 1 ATM, ou seja, 101.325 kPa), no entanto, não existe uma pressão interna para contra-balançar. Isso significa que ele está sujeito a um esforço constante de várias toneladas de fora para dentro:
Para que se tenha uma ideia, num cinescópio, a pressão externa sobre a estrutura de vidro é da ordem de 10 toneladas!
Isso exige que os fabricantes não só cuidem para que o material usado e a sua forma sejam tais que o esforço seja suportado, como também para que em caso de rompimento do tubo o resultado não seja violento a ponto de colocar em risco a segurança do usuário.
Mas qual é a especificação do vidro que compõe o cinescópio?
Primeiro precisamos saber que um cinescópio é composto por três partes principais cuja composição química difere. Estas partes são destacadas no diagrama abaixo:
Imagem 2 - O cinescópio é dividido em várias regiões, cada uma com um nome genérico
Agora com as partes definidas, observe a tabela abaixo:
Tabela 1 - A composição química da carcaça do cinescópio
A adição de Chumbo ocorre nos vidros do funil e do pescoço. No vidro da tela há a adição de Bário, visto que a formação da imagem é comprometida se o vidro contém Chumbo. O Bário também é capaz de absorver certa quantidade de radiação devido a sua densidade.
A adição de Chumbo ao vidro é proposital e necessária para que os níveis de radiação não atinjam valores de 10 mR/h em uma distância de 30 cm da superfície externa do tubo. Esses valores limites são impostos pela Food and Drug Adminstration (FDA) nos Estados Unidos da América e usualmente seguidos pelos fabricantes de monitores CRT.
CURIOSIDADE: Caso tenha ficado interessado sobre todos estes compostos químicos e o processo de produção dos vidros em geral, CLIQUE AQUI! e veja a publicação dedicada ao assunto preparada pelo HC!
O que acontece é que uma simples batida que cause uma trinca já pode fazer com que a estrutura perca a capacidade de resistir à pressão, e se rompa de modo violento causando uma implosão.
Dizemos "implosão" pois a força destrutiva atua de fora para dentro, com o ar atmosférico "procurando" preencher o local em que existe o vácuo.
O formato e a espessura do vidro do cinescópio ao longo de toda a estrutura são estudados justamente para obter o máximo de resistência em função do vácuo que deve existir no seu interior.
Assim, a tela, que é a parte mais crítica pela sua forma, já que deve ter uma grande superfície é de vidro mais grosso. A curvatura visa justamente dar maior resistência (além de outros fatores que serão vistos adiante e que foram vistos na outra publicação sobre o assunto), daí o motivo dos primeiros cinescópios serem muito curvos. Com a tecnologia moderna pode-se manter esta resistência, porém, com uma curvatura menor, melhorando também a qualidade da imagem.
O 'gargalo' ou 'pescoço' onde é instalado a válvula pode ser de vidro mais fino, mas com isso torna-se mais frágil em caso de pancadas. No entanto, como está na parte traseira, todo coberto pela carcaça plástica do aparelho e localizado mais ao centro do equipamento, circundado por uma placa de circuito, o risco de quebra é bem menor.
Porém, a parte mais frágil é a região da borda da tela com o corpo do tubo (funil). Para evitar que em caso de implosão, as partes de vidro voem de forma perigosa, esta parte é normalmente protegida por uma cinta composta por liga de aço. Esta cinta jamais deve ser removida (para vê-la, retorne na Imagem 2).
CURIOSIDADE: Os primeiros CRTs tinham uma placa de vidro sobre a tela que era afixada com cola, criando uma tela de vidro laminado, tal qual o para-brisa dos carros atuais. Inicialmente, o adesivo era Acetato de Polivinila (PVA), enquanto versões posteriores usavam uma outra resina, como o Polivinil Butiral (PVB), amplamente utilizado atualmente em para-brisas. Para saber mais sobre estes e outros polímeros, CLIQUE AQUI!
O PVA se degrada ao longo do tempo criando uma "catarata", um anel de cola degradada ao redor das bordas do CRT que não permite a passagem da luz da tela.
Os CRTs posteriores passaram a ser implementados com uma cinta de metal tensionada montada ao redor do perímetro, e que também fornece pontos de fixação para que o cinescópio seja montado em um alojamento. Em um CRT de 19 polegadas, a tensão de tração na faixa do aro é cerca de 70 kG/cm³.
A cinta é tensionada aquecendo-a, depois montando-a no CRT. Ao esfriar, a cinta encolhe em tamanho que coloca o vidro sob compressão, fortalecendo-o e reduzindo a espessura necessária (e, portanto, sua massa). Este processo torna-o um componente integral que nunca deve ser removido de um CRT intacto que ainda tenha vácuo, pois ao tentar tal façanha há um grande risco de implosão.
A cinta também pode ser colada no cinescópio usando Poliepóxido, evitando que as rachaduras se espalhem além da tela para o funil.
De qualquer forma, deve-se ter o máximo cuidado ao trabalhar com um monitor, evitando-se qualquer tipo de pancada no cinescópio.
Os casos de implosão são muito raros, e mesmo quando um monitor cai no chão ou leva uma forte pancada, os danos mais comuns são justamente em outras partes, tais como placas de circuito impresso.
Descarte do cinescópio
O próprio ato de "jogar" o monitor no lixo já mostra que não se deve simplesmente deixar uma bomba com 10 toneladas de pressão em qualquer lugar. Deve-se levar em conta a tentação de crianças atirarem pedras nele para "ver o que acontece", ao encontrá-lo abandonado.
Existem alguns procedimentos que permitem que esta "bomba" de pressão seja desarmada, tais como os recomendados por Joroen Stessen, engenheiro da holandesa Philips:
→ Faça com uma broca fina um furo no contato de metal do ânodo, ali onde vai a "chupeta", no funil do cinescópio. O metal é fino e mole, dando passagem ao ar externo. Através deste furo o ar entra e em pouco tempo a pressão externa é contrabalançada pela pressão do ar que sai desaparecendo o perigo de explosão. O máximo que pode acontecer em caso de uma pedrada ou queda é a sua quebra.
Imagem 3 - O CRT visto por fora
→ Outro método é quebrar o pequeno gargalo que existe no centro do soquete por onde é instaurado o vácuo (como nas lâmpadas incandescentes). Esta parte do cinescópio não está sujeita a pressões fortes pela sua forma e área, sendo bastante frágil. Remova a parte plástica do soquete e com um alicate ou martelo quebre o gargalo. Observe a imagem para se situar melhor:
Imagem 4 - O gargalo do cinescópio coberto pela carcaça plástica do soquete
O revestimento condutor
Você já deve ter visto alguém se referir ao cinescópio como AquaDAG, ou citar este curioso material.
Pois bem, o AquaDAG, fabricado pela Acheson Industries, uma subsidiária da ICI, é um nome comercial para um revestimento de grafite à base de água comumente usado em tubos de raios catódicos (CRTs).
O nome é uma forma abreviada de "Aqueous Defloculated Acheson Graphite", mas tornou-se um termo genérico para revestimentos de grafite condutores usados em tubos de vácuo. Outros produtos relacionados incluem Oildag, Electrodag e Molydag.
Os nomes dos produtos geralmente são impressos com "DAG" em maiúsculas, pois é uma sigla. Este composto é utilizado como revestimento eletricamente condutor em superfícies isolantes e como lubrificante.
A defloculação refere-se à distribuição de grafite em pó de alta pureza em uma solução aquosa destilada contendo aproximadamente 2% a 10% em massa de vários tipos de ácido tânico / galotânico e separando a suspensão de grafite coloidal das partículas não suspensas restantes.
É fornecido na forma de pasta concentrada e geralmente é diluído com água destilada até a consistência desejada antes da aplicação. Pode ser aplicado com pincel, swab, pulverização ou imersão, e após a superfície é seca deixa uma camada de grafite puro.
Após a secagem, o revestimento é eletricamente condutor. Sua resistência e outras propriedades elétricas variam com o grau de diluição e o método de aplicação. Por exemplo, quando diluído 1:1 e aplicado com pincel sua resistência é:
→ Seco ao ar: 800 Ohms / M³;
→ Aquecido a 200 ° C: 500 Ohms / M³;
→ Aquecido a 300 °C: 20 ~ 30 Ohms / M³.
Um revestimento AquaDAG condutor aplicado no interior do invólucro de vidro dos cinescópios serve como um eletrodo de alta tensão. O revestimento cobre as paredes internas do 'funil' e do 'pescoço' do tubo CRT e é descontinuado próximo à tela, na divisa com o revestimento fluorescente. Devido ao grafite, é eletricamente condutor e faz parte do eletrodo de alta tensão, do ânodo que acelera o feixe de elétrons.
A "chupeta" na parte superior do cinescópio é onde vai o cabo que liga o Fly-Back ao terminal elétrico do revestimento condutor interno. Na imagem abaixo, um CRT destruído, com o 'caco' de vidro contendo a "chupeta" em evidência na mão do 'fuçador':
Imagem 5 - A "chupeta" é a ponte de ligação do cabo do Fly-Back com o revestimento interno "AquaDAG"
CURIOSIDADE: Na indústria de fabricação de tubos de televisão, a etapa de fabricação que aplica o revestimento de grafite é chamada de "dagging".
O segundo ânodo é a Grade G4 na ponta do canhão de elétrons no pescoço do tubo, conectado a uma alta tensão positiva de 15 a 30 kV (proveniente do Fly-Back). Este cilindro de metal possui clipes de mola, que pressionam as paredes do tubo, fazendo contato com o revestimento AquaDAG. O feixe de elétrons que sai do canhão é acelerado pela alta tensão no ânodo para atingir a tela.
O revestimento AquaDAG tem duas funções: mantém um campo elétrico uniforme dentro do tubo próximo à tela, de modo que o feixe de elétrons permaneça colimado e não seja distorcido por campos externos (exceto o das bobinas defletoras), e coleta os elétrons após atingirem a tela, servindo como caminho de retorno para a corrente catódica.
Quando o feixe de elétrons atinge a tela, além de fazer com que o revestimento fluorescente emita luz, também expulsa outros elétrons da superfície. Esses elétrons secundários - isto é, essa energia elétrica que não virou luz ou calor - são atraídos pela alta tensão positiva do revestimento e retornam através dele para a fonte de alimentação do ânodo. Sem o revestimento, uma carga espacial negativa se desenvolveria perto da tela, repelindo, desviando o feixe de elétrons. Um valor típico da corrente do feixe coletada pelo revestimento do ânodo é de 0,6 mA.
CURIOSIDADE: Em muitos CRTs, o revestimento AquaDAG desempenha uma terceira função: é um capacitor de filtro para alimentação do ânodo de alta tensão.
Para isso, um segundo revestimento condutor é aplicado na parte externa do vidro do tubo, ficando em paralelo com o revestimento interno. Este revestimento externo é conectado ao GND da alimentação do ânodo, assim a tensão total é aplicada nos dois revestimentos.
O 'sanduíche' dos dois revestimentos AquaDAG (eletrodos) separados pela parede de vidro (dielétrico) do cinescópio forma um capacitor para filtrar a ondulação do sinal do ânodo.
Embora a capacitância seja pequena, com valores máximos utilizados na faixa de 500 pF, devido à baixa corrente anódica, já é suficiente para atuar como capacitor de filtro.
Quando o cinescópio não contempla esta função de capacitor, há a necessidade de um capacitor dedicado no Fly-Back.
O risco de choque
Os cinescópios de monitores de vídeo trabalham com uma alta tensão contínua que varia entre 15 000 e 30 000 volts (depende do tamanho da tela) necessária para acelerar o feixe de elétrons.
Esta alta tensão é aplicada em um eletrodo interno (o AquaDAG) que reveste o cinescópio através de uma tomada denominada "chupeta" de alta tensão (para vê-la, volte na Imagem 3).
Por outro lado, no lado externo do cinescópio também há o mesmo revestimento condutor, que é ligado ao GND do circuito de modo a atuar como filtro.
Os dois materiais condutores e o vidro do 'pescoço' do cinescópio formam um capacitor. Carregado com 15 a 30 kV, um capacitor com este valor pode significar um perigo potencial de choque em quem tocar no tubo, mesmo com o aparelho desligado.
É por este motivo que, ao se reparar monitores de vídeo, televisores ou qualquer outro aparelho que tenha fontes de "Muito Alta Tensão" (MAT) para alimentar um cinescópio, recomenda-se que antes seja feita sua descarga.
A técnica de se usar uma chave de fendas para fazer a descarga, produzindo-se assim um arco e um forte estalo não é das mais recomendáveis, pois pode marcar (danificar) a própria ferramenta.
Muito melhor é ter um circuito de descarga o qual consiste em um conjunto de resistores de 1 M em série e uma ponta de prova de alta tensão, conforme mostra a figura abaixo:
Imagem 6 - Equipamento utilizado para descarregar o cinescópio
Com alguns MΩ de resistência, um capacitor de 5 a 10 nF precisa de pelo menos uns cinco segundos para se descarregar o suficiente de modo a não apresentar mais perigo de choques.
Neste tópico serão detalhadas características das máscaras que definem os domínios dos pontos RGB, bem como a fixação delas dentro do cinescópio e o elemento fluorescente por dentro da tela.
As TVs em preto e branco utilizavam um sinal contínuo e a tela do tubo podia ser revestida uniformemente de Fósforo. Com o esquema de codificação de cores compatível com essa tecnologia e desenvolvido originalmente por Georges Valensi em 1938, a cor mudava continuamente ao longo da linha, e isso era muito rápido para qualquer tipo de filtro absolver e reproduzir imagens coloridas. Em vez disso, o fósforo teve que ser decomposto em um padrão discreto de manchas coloridas, isto é, o famoso padrão RGB que conhecemos, todavia, focar o feixe de elétrons vindo do canhão em cada um desses pequenos pontos estava além da capacidade dos canhões da época.
CURIOSIDADE: Os primeiros experimentos da RCA, empresa engajada na evolução da tecnologia durante a primeira metade do século passado usavam projetores de três tubos e sistemas baseados em espelho que eram conhecidos como "Triniscópio".
Máscara de Sombra "Tipo Delta"
A empresa RCA finalmente resolveu o problema de exibir as imagens coloridas no CRT com a introdução da Máscara de Sombra. A Máscara de Sombra consiste em uma fina chapa de aço com uma matriz de milhares de pequenos furos gravados nela, colocados logo atrás da superfície frontal do tubo de imagem. Três canhões, dispostos em um triângulo, estavam prontos para largarem o feixe de elétrons em cada buraco da máscara.
Os elétrons perdidos na borda do feixe foram cortados pela máscara, criando um ponto nitidamente focado, pequeno o suficiente para atingir um único fósforo, e desta forma colorindo a tela. Como cada um dos canhões estava apontado para o buraco de um ângulo ligeiramente diferente, os pontos de fósforo no tubo podiam ser ligeiramente separados para evitar sobreposição.
No design da máscara de sombra, o tamanho dos furos na máscara é definido pela resolução exigida na tela (quantidade de pixels), que era constante. No entanto, a distância entre os canhões e os buracos 'não batia' perfeitamente. Para pontos próximos ao centro da tela, a distância era menor, nos pontos nos cantos, a distância era maior. Para garantir que os canhões estivessem focados nos furos, um sistema conhecido como convergência dinâmica (veja o que é convergência dinâmica no final deste artigo) precisava ajustar constantemente o ponto de foco à medida que o feixe se movia pela tela, mesmo a curvatura do vidro sendo esférica.
Imagem 7 - Uma tela com Máscara do tipo Delta precisa ter curvatura esférica
Os desenhos acima mostram um tubo de imagem com Máscara do tipo Delta visto de lado. O da esquerda ilustra o que aconteceria com cada feixe se a tela fosse verticalmente plana. O ângulo de incidência quando as linhas mais altas ou mais baixas na tela fossem ser desenhadas faria com que parte do feixe fosse barrado, não excitando perfeitamente os respectivos fósforos. O desenho da direita mostra o motivo pelo qual os cinescópios com este tipo de máscara precisam ter tela curvada horizontalmente e verticalmente.
A desvantagem dessa abordagem era que, independente do canhão de elétrons, a Máscara de Sombra impedia que a maior parte da energia chegasse aos Fósforos. Para garantir que não houvesse sobreposição do feixe de elétrons na tela, os pontos precisavam ser separados e a Máscara poderia cobrir cerca de 85% da superfície. Isso resultou em imagens muito escuras, exigindo muito mais potência do feixe de elétrons para formar uma imagem de qualidade. Outro fator negativo é que o sistema era altamente dependente dos ângulos relativos entre os três feixes de elétrons disparados em cada Fósforo RGB, o que exigia um ajuste mecânico constante para garantir que os canhões atingissem as seus respectivos filtros corretamente.
Apesar dos problemas, a superioridade técnica do sistema RCA foi esmagadora em comparação com o sistema CBS e foi selecionada como o novo padrão NTSC em 1953. A primeira transmissão usando o novo padrão ocorreu no dia primeiro de Janeiro de 1954, quando a NBC transmitiu o Torneio de Roses Parade.
Apesar desse início precoce, apenas alguns anos após o início regular da transmissão televisiva programada, o consumo de televisores coloridos por parte do consumidor era muito pequeno. As imagens escuras, os ajustes constantes e os altos custos os mantiveram em um nicho próprio. A baixa aceitação do consumidor também levou a uma falta de programação de cores, reduzindo ainda mais a demanda pelos televisores coloridos. Em 1960, nos EUA, para cada 50 televisores comuns vendidos apenas um colorido era comprado.
A Máscara de Sombras tipo Delta pode ser vista abaixo, em um pedaço ampliado para melhor se entender seu funcionamento:
Imagem 8
Agora, veja a distribuição dos filtros RGB em cada um dos círculos:
Imagem 9
O feixe de elétrons tem que convergir exatamente no furo da máscara de sombra Delta, pois caso isso ocorresse antes da Máscara ou depois dela haveria então uma contaminação de cor devido aos três sinais elétricos (um para a cor Verde, um pro Vermelho e um pro Azul) se misturarem. Pra garantir que isso não aconteça, os televisores tubo tem dois ajustes: o ajuste de pureza (veja os detalhes sobre o assunto no artigo explicativo sobre a TV Tubo) e o ajuste de convergência (veja sobre convergência no final deste artigo).
Por mais que houvesse os dois ajustes, devido ao posicionamento dos três canhões, era extremamente difícil ajustar a convergência e a pureza de cada cor (Red, Green e Blue). Veja abaixo como era o posicionamento dos três canhões em relação á Mascara de Sombras Delta:
Imagem 10
Como foi dito, nos primeiros televisores com Máscara de Sombra Delta, o ajuste tinha que ser periódico para evitar uma perda de qualidade de vídeo ainda maior do que já era. É tão ruim esse ajuste nos aparelhos com Máscara Delta, que apesar do ajuste fino ainda poderiam sobrar os pixels dos cantos com convergência e pureza irregular. Os circuitos responsáveis pela regulagem da pureza e convergência também eram bem complexos, e somado as características únicas do cinescópio e da Máscara de Sombras Delta, tudo piorava.
Nos tubos com Máscara de Sombras In Line, o ajuste de pureza e convergência é feito de forma muito mais fácil, e sua regulagem é composta de anéis imantados no pescoço do Cinescópio (como pode ser visto no artigo explicativo sobre a TV Tubo) e, nas últimas TVs Tubo produzidas, o ajuste poderia ser feito na posição da bobina defletora, isto é, com alguns imãs na bobina, bastava ajustar a posição do Yoke e tudo era resolvido.
CURIOSIDADE: Se ocorrer dos feixes não chegarem aos seus respectivos fósforos da tela e baterem em algum ponto da Máscara de Sombra, a mesma ficava imantada. Sabe o motivo pelo qual a TV tubo distorce a imagem ao ser colocado próximo da tela um imã ou um campo magnético?
A Máscara de Sombras é feita de uma liga de Aço Carbono ou Ferro com Níquel, sendo ferromagnéticos e facilmente 'polariazáveis' quando expostos à um campo magnético, gerando uma mudança na trajetória dos feixes de elétrons, causando a distorção de cores!
O próprio televisor já possui uma bobina desmagnetizadora, chamada de “bobina de Gauss” (que também é vista no diagrama do cinescópio no artigo sobre a TV CRT), ligada diretamente na tensão alternada para efetuar a desmagnetização da Máscara de Sombras. Em alguns casos é utilizado uma bobina desmagnetizadora externa, ligada direta na rede elétrica: Basta apertar um botão presente na capa desta bobina e passa-la ao redor do tubo de raios catódicos para fazer a desmagnetização da Máscara.
A Sony entrou no mercado de televisores em 1960 com a TV8-301, que exibia imagens em preto e branco, a primeira televisão totalmente transistorizada sem projeção. Uma combinação de fatores, incluindo seu pequeno tamanho de tela, limitou suas vendas a nichos de mercado.
Os engenheiros da Sony estudavam o mercado de cores, mas a situação no Japão era ainda pior que nos EUA: as TVs a cores responderam por apenas 300 unidades dos 9 milhões de aparelhos vendidos em 1960. Mas em 1961, os revendedores estavam perguntando ao departamento de vendas da Sony quando um conjunto de cores estaria disponível, que por sua vez pressionou a engenharia. Masaru Ibuka, o presidente e co-fundador da Sony recusou-se firmemente a desenvolver um sistema baseado no design de máscaras de sombra da marca RCA, que ele considerava tecnicamente deficiente. Ele insistiu em desenvolver uma solução única!
Em 1961, uma delegação da Sony estava visitando a feira IEEE em Nova York, incluindo Masaru Ibuka, Akio Morita (outro co-fundador da Sony) e Nobutoshi Kihara, que estava promovendo seu novo gravador de vídeo caseiro CV-2000. Esta foi a primeira viagem de Kihara ao exterior e ele passou grande parte do tempo vagando pela área comercial, onde encontrou o estande da pequena empresa Autometric. Eles estavam demonstrando um novo tipo de televisão em cores baseada no tubo Chromatron, que usava uma única pistola de elétrons e uma grade vertical de fios finos carregados eletricamente em vez de uma máscara de sombra. A imagem resultante era muito mais brilhante do que qualquer coisa que o projeto RCA pudesse produzir e não apresentava os problemas de convergência que exigiam ajustes constantes. Ele rapidamente levou Morita e Ibuka para ver o design.
Morita fez um acordo com a Paramount Pictures, que estava pagando pelo desenvolvimento do Chromatron pela Chromatic Labs, assumindo todo o projeto. No início de 1963, Senri Miyaoka foi enviado a Manhattan para providenciar a transferência da tecnologia para a Sony, o que levaria ao fechamento da Chromatic Labs. A equipe americana ficou muito feliz em apontar as sérias falhas no sistema Chromatron, dizendo a Miyaoka que o design era inútil.
Em setembro de 1964, um protótipo de 17 polegadas havia sido construído no Japão, mas testes de produção em massa estavam demonstrando sérios problemas. Os engenheiros da Sony não conseguiram criar uma versão do Chromatron que pudesse ser produzida em série de maneira confiável.
Quando os aparelhos foram finalmente disponibilizados no final de 1964, eles foram colocados no mercado a um preço competitivo de 198.000 ienes (cerca de US$ 550 na época), porém, custou à empresa mais de 400.000 ienes (US$ 1.111,11) para produzir cada TV. Ibuka havia apostado todas as fichas na Chromatron e já havia montado uma nova fábrica para produzi-las com a esperança de que os problemas de produção fossem resolvidos e a linha se tornasse lucrativa. Depois que vários milhares de aparelhos foram feitos, a situação não melhorou. Enquanto isso, a Panasonic e a Toshiba estavam no processo de introdução de aparelhos baseados na tecnologia da RCA. Em 1966, o Chromatron estava quebrando a empresa financeiramente.
A Grade de Abertura
No Outono de 1966, Ibuka finalmente cedeu e anunciou que pessoalmente lideraria uma busca por um substituto para o Chromatron. Susumu Yoshida foi enviado aos EUA para procurar possíveis licenças e ficou impressionado com as melhorias que a RCA havia feito no brilho geral ao introduzir novos fósforos de maior qualidade na tela. Ele também viu o design "Porta-color" da General Electric, usando três canhões paralelos ao invés da disposição em triângulo, o que permitia iluminar uma parte maior da tela. Seu relatório foi motivo de preocupação no Japão, onde parecia que a Sony estava ficando cada vez mais aquém dos desenhos americanos. Eles talvez teriam que ser forçados a licenciar o sistema de máscara de sombra da RCA se quisessem permanecer competitivos.
Ibuka não estava disposto a desistir completamente, e seus 30 engenheiros exploraram uma ampla variedade de abordagens para ver se poderiam criar seu próprio design. A certa altura, Yoshida perguntou a Senri Miyaoka se o arranjo de canhões paralelos usado pela GE poderia ser substituído por um único canhão com três cátodos, pois isso seria mais difícil de construir, mas reduziria o custo a longo prazo. Miyaoka construiu um protótipo e ficou surpreso com o quão bem ele funcionou, apesar de ter problemas de foco. Mais tarde naquela semana, mais precisamente no sábado, Miyaoka foi convocado para o escritório de Ibuka. Yoshida havia acabado de informar Ibuka sobre seu sucesso, e os dois perguntaram a Miyaoka se eles poderiam realmente transformar o novo canhão em um produto viável. Ansioso pra partir pros seus afazeres pessoais, Miyaoka respondeu que sim, pediu licença e saiu. Na segunda-feira seguinte, Ibuka anunciou que a Sony estaria desenvolvendo um novo tubo de televisão em cores, baseado no protótipo de Miyaoka. Em fevereiro de 1967, os problemas de foco foram resolvidos e, como havia um único canhão, o foco foi alcançado com ímãs permanentes em vez de uma bobina, e não exigiu ajustes manuais após a fabricação.
O TRINITRON
Durante o desenvolvimento, o engenheiro da Sony, Akio Ohgoshi introduziu outra modificação. O sistema da GE melhorou a máscara de sombra RCA, substituindo os pequenos orifícios redondos por retângulos um pouco maiores. Como os canhões estavam alinhados, seus elétrons aterrissariam em três trechos retangulares ao invés de três pontos menores, sobre o dobro da área iluminada. Ohgoshi propôs remover completamente a máscara e substituí-la por uma série de slots verticais, isto é, os fios verticais que compõem a Grade de Abertura, iluminando a tela inteira. Embora isso exija que os canhões sejam alinhadas com muito cuidado com os fósforos no tubo, a fim de garantir que alcancem as cores certas, no novo tubo de Miyaoka isso parecia possível.
Na prática, isso se mostrou fácil de construir, mas difícil de colocar no tubo - os fios finos eram mecanicamente fracos e tendiam a se mover quando os tubos eram batidos, resultando em mudança de cores na tela. Esse problema foi resolvido colocando um ou dois fios finos de Tungstênio em posição horizontal para manter os fios verticais da grade no lugar.
A combinação do canhão de elétrons três em um e a substituição da máscara de sombra pela Grade de Abertura resultaram em um produto exclusivo e facilmente patenteável. Apesar de Trinitron e Chromatron não terem tecnologia em comum, o canhão de elétrons compartilhado levou a muitas afirmações errôneas de que as duas são muito parecidas ou iguais.
Introduzido oficialmente por Ibuka em abril de 1968, o Trinitron original de 12 polegadas tinha uma qualidade de tela que superava facilmente qualquer conjunto comercial em termos de brilho, fidelidade de cores e simplicidade de operação.
CURIOSIDADE: Os primeiros televisores coloridos destinados ao mercado do Reino Unido tinham um decodificador PAL diferente dos inventados e licenciados pela Telefunken da Alemanha. O decodificador dentro dos televisores Trinitron da Sony, vendidos no Reino Unido, do KV-1300UB ao KV-1330UB tinha um sistema NTSC adaptado para PAL. O decodificador usava uma linha de atraso de 64 microssegundos para armazenar todas as outras linhas, no entanto, em vez de usar a linha de atraso para calcular a média da fase da linha atual e da linha anterior, simplesmente repetia a mesma linha duas vezes. Quaisquer erros de fase podem ser compensados usando um botão de controle de tonalidade na frente do aparelho, normalmente desnecessário em um aparelho PAL.
As análises do Trinitron foram totalmente positivas, embora todas mencionassem seu alto custo. A Sony ganhou um Emmy Award pelo Trinitron em 1973. Em seu 84º aniversário em 1992, Ibuka afirmou que o Trinitron era seu produto de maior orgulho.
Novos modelos seguiram rapidamente. Tamanhos maiores de 19" e depois 27" foram introduzidos, além de menores, incluindo um portátil de 7". Em meados da década de 1980, foi introduzido um novo revestimento de fósforo que era muito mais escuro que os conjuntos anteriores, dando às telas uma cor preta quando desligado, ao contrário do cinza claro anterior. Isso melhorou a faixa de contraste da imagem.
A patente da Sony no monitor Trinitron acabou em 1996, depois de 20 anos. Após a expiração da patente, fabricantes como Mitsubishi (cuja produção de monitores atualmente faz parte da NEC Display Solutions) estavam livres para usar o design Trinitron para sua própria linha de produtos sem licença da Sony, embora não pudessem usar o nome Trinitron. Por exemplo, os televisores Mitsubishi que usam Grade de Abertura são chamados de Diamondtron. Até certo ponto, o nome Trinitron se tornou um termo genérico referente a qualquer conjunto semelhante.
Ainda nos anos 1990, a Sony respondeu com o FD Trinitron, que usava sistemas de feedback controlados via computador para garantir foco nítido em uma tela plana. Introduzidos inicialmente nos modelos de 27", 32" e 36" em 1998, os novos tubos foram oferecidos em uma variedade de resoluções para diferentes usos. Versões de 13 polegadas ou mais também receberam o FD Trinitron, porém, demorou um tempinho a mais. Também foram produzidas versões de alta resolução, Hi-Scan e Super Fine Pitch.
O FD Trinitron não conseguiu recuperar o fôlego que a marca Trinitron possuía anteriormente. Na temporada de Natal de 2004, eles aumentaram as vendas em 5%, mas mesmo assim com queda nos lucros, depois de serem forçados a reduzir custos para competir no mercado.
O design Trinitron incorpora o tubo de imagem de três cátodos em um único canhão de elétrons e a Grade de Abertura alinhada verticalmente.
Os feixes de elétrons emitidos pelos cátodos estão todos voltados para um único ponto na parte traseira da tela, onde atingem a Grade de Abertura, sendo nada mais que uma sequência de fios metálicos que separam cada cor de fósforo.
Devido à ligeira separação dos cátodos na parte traseira do tubo, os três feixes se aproximam da grade em ângulos ligeiramente diferentes. Quando passam pela grade, retêm esse ângulo, atingindo seus fósforos coloridos individuais que são depositados em faixas verticais no interior do painel frontal. O principal objetivo da grade é garantir que cada feixe atinja apenas as faixas de fósforo por sua cor, assim como uma máscara de sombra. No entanto, ao contrário de uma máscara de sombra, não há essencialmente obstruções ao longo de cada faixa de fósforo inteira.
Os fios verticais da Grade de Abertura possuem uma frequência natural e acabam entrando em ressonância com sons altos próximos à tela, resultando em tremulação de cores. Para reduzir esses efeitos ressonantes, um ou dois fios estabilizadores horizontais (As telas de 15" e abaixo têm um fio localizado a cerca de dois terços da tela, enquanto os monitores acima de 15" têm 2 fios nas posições de um e dois terços), chamados "fios de amortecimento", são soldados nos fios da grade e podem ser visíveis como finas linhas escuras na face da tela. Esses fios estabilizadores são a maneira mais fácil de distinguir rapidamente as telas com Grade de Abertura e as telas com Máscara de Sombra. Esses fios de amortecimento, denominados 'damper wires', normalmente construídos a base de Tungstênio, também são úteis para impedir que um ou mais fios se deformem ou se desloquem por choque mecânico (impactos) ou por calor (o feixe de elétrons também gera calor, que dilata os materiais).
Os fios de amortecimento da Grade de Abertura também têm o potencial de serem afetados pela distorção harmônica quando alto-falantes são colocados perto do CRT, no entanto, para que este seja um problema visível, os alto-falantes precisariam estar muito perto da tela e reproduzindo um som muito alto.
As telas com Grade de Abertura tendem a ser verticalmente planas (embora ainda não fossem horizontalmente), enquanto as telas com Máscara de Sombra geralmente têm uma curvatura esférica (o que foi explicado na Imagem 7).
A superfície frontal do tubo Trinitron é reta na vertical e curva na horizontal, acarretando o formato cilíndrico neste tipo de cinescópio. O vidro precisa por esse motivo ser mais espesso ainda na parte frontal do que a dos antigos tubos de superfície esférica, para suportar a pressão atmosférica, daí sua massa também maior.
Veja abaixo a imagem de um pedaço de tela Trinitron ampliada:
Imagem 11 - Perceba que não há linhas horizontais, a não ser um ou dois fios de amortecimento
Telas com a tecnologia Trinitron possuem um revestimento anti-ofuscante composto por uma folha de poliuretano (PU) revestida para dispersar os reflexos. Essa folha pode ser danificada com muita facilidade. A solução é simplesmente remover completamente a folha, o que se pode fazer nos monitores CRT Trinitron e Diamondtron usando uma lâmina Stanley e um pauzinho. Muitos usuários afirmam que a remoção do revestimento antirreflexo aumenta a emissão geral de luz da tela e resulta em cores mais vivas e uma imagem mais nítida, mas às custas do contraste reduzido e (como esperado) aumento da reflexão das fontes de luz na frente da tela de exibição.
Os tubos da marca RCA construídos na década de 1950 cortam cerca de 85% do feixe de elétrons, enquanto a grade corta cerca de 25%. Melhorias nos projetos de Máscaras de Sombra diminuíam continuamente essa diferença entre os dois projetos, e no final dos anos 80 a diferença de desempenho, pelo menos teoricamente foi eliminada. Mas como?
Máscara de Sombra "In Line"
Nos anos 1980 chegaram as Máscaras de Sombra "In Line". Ao invés de utilizar uma chapa de aço com uma matriz de furos, resolveram utilizar uma chapa de aço com perfurações em formato retangular. Desta forma os fósforos eram distribuídos em linhas na tela, como pode ser visto na imagem abaixo:
Imagem 12
As linhas pretas que separam os retângulos com os Fósforos RGB compõem a Máscara de Sombras.
Veja outra imagem abaixo que descreve o funcionamento do mecanismo:
Imagem 13
O CROMACLEAR
Cromaclear é uma marca comercial da tecnologia CRT usada pela NEC em meados dos anos 90. Essa tecnologia é a adoção da Máscara de Sombra com organização dos furos semelhantes à Máscara In Line e o canhão de elétrons em linha, pioneira na GE Porta-Color de 1966 e usada pela maioria dos tubos CRT pós anos 2000. Alegou-se que Cromaclear poderia oferecer a nitidez da imagem dos CRTs com Grade de Abertura Trinitron e Diamondtron sem suas desvantagens (por exemplo os fios de amortecimento horizontais).
A diferença mais significativa entre os CRTs Cromaclear e as tecnologias de monitor de computador CRT existentes é seu padrão de fósforo. Com os CRTs Cromaclear, a medição convencional do "tamanho do ponto" não é mais tão precisa. O termo "passo da máscara" é mais apropriado ao discutir esta especificação.
Uma medida do passo da máscara é a distância entre os fósforos da mesma cor em uma máscara Cromaclear, cujo tom é de 0,25 mm.
Veja abaixo como é a máscara Cromaclear e a organização dos fósforos RGB:
Imagem 14
O design da Máscara de Sombras Cromaclear e o alinhamento iluminado de fósforo fornecem um tom mais rígido da Máscara, levando a uma melhor qualidade de imagem. Além disso, o tom mais rigoroso da máscara e os canhões do tipo ELA melhoram o foco e combatem o Moiré. O Moiré poderá ser explicado num artigo futuro que talvez demorará para sair, justamente por ser pura matemática.
Veja abaixo um padrão Moiré, formado por dois conjuntos de linhas paralelas, um conjunto inclinado em um ângulo de 5° em relação ao outro:
Imagem 15
A qualidade geral da imagem do monitor é difícil de quantificar. Dada a natureza complexa inerente dos CRTs, diversos fatores se combinam para produzir a imagem de um monitor. Esses fatores - foco, contraste e saturação de cores - entram em cena ao decidir qual monitor e tecnologia fornece a "melhor" imagem. Quando discutidos em relação ao Cromaclear, esses itens precisam de mais dissertações.
No que se refere ao Foco, o Cromaclear incorpora um novo canhão SDF-ELA (Foco Único Dinâmico - Abertura Grande Expandida) para tubos de 15 polegadas e DQF-ELA (Foco Dinâmico Quadrupolo - Abertura Grande Expandida) para tubos de 17 polegadas. Esses canhões fornecem clareza e foco uniformes na imagem. Ao visualizar imagens nos cantos dos monitores, outros CRTs podem distorcer a proporção e a perspectiva da imagem. Usando um canhão ELA específico para Cromaclear, esse problema é praticamente eliminado. Isso também fornece aprimoramentos para a visualização de texto de seis pontos e elementos finos de pixel único.
Como consequência da nova forma de máscara de Cromaclear, o feixe de elétrons que passava pela Máscara de Sombra teve que ser adaptado para corresponder. O canhão ELA utilizada para Cromaclear possui uma correspondência exata entre feixe / máscara (um feixe de elétron elíptico passa por uma abertura de máscara elíptica) para uma transferência ideal de potência do feixe de elétrons para os fósforos da tela.
O excesso de transferência de energia pode levar a uma grade ou máscara distorcida, resultando em possível degradação da imagem (problemas de pureza da cor e / ou uniformidade do brilho). Essa incompatibilidade tende a ocorrer nos CRTs com Grade de Abertura.
CURIOSIDADE: Convergência é o processo de controlar a deflexão do feixe de CRT para manter os feixes vermelho, verde e azul adequadamente sobrepostos ao fazer a varredura. À medida que o canhão de elétrons varre a tela, a forma dos feixes de elétrons varia levemente à medida que o feixe atinge as bordas externas da tela. Falta de convergência, o termo técnico usado quando esse processo não é completamente preciso, aparece como uma mancha de cores na borda de uma imagem exibida na tela. Por exemplo, um monitor CRT com feixes de elétrons desalinhados mostrará uma letra "H" na cor branca sobre um fundo preto com uma das cores primárias ou secundárias sombreando suas bordas. O Cromaclear fornece impedimentos para desalinhamentos, incluindo os canhões ELA e seu tom de máscara apertado.
A máscara de sombra Cromaclear, no entanto, ainda tem muito mais metal impeditivo do que uma máscara de Grade de Abertura, levando, em geral, a uma imagem mais escura e suave do que a CRT com Grade de Abertura equivalente. O impacto dos fios de amortecimento da Grade de Abertura CRT é muito menor do que o metal extra total na máscara Cromaclear, que é efetivamente como ter um fio de amortecimento espesso para cada linha de fósforo. Por sua vez, isso significa que o CRT Cromaclear precisa de um feixe de elétrons muito mais poderoso para iluminar os fósforos com brilho, o que reduz a vida útil do CRT e sua capacidade de foco, que é a parte mais cara de qualquer monitor ou televisão deste tipo.
CURIOSIDADE: Os CRTs com Grade de Abertura não têm elementos "horizontais" se comparados com a Máscara de Sombra, porém, a resolução do CRT na direção vertical é limitada pelo foco do feixe de elétrons e pela granularidade do fósforo, ao contrário de Cromaclear e outros CRTs baseados em máscaras de sombra, cuja resolução vertical é limitada pelo número de linhas de metal que forma a Máscara. Como o CRT com Grade de Abertura também possui menos metal, permitindo a melhor focagem e as imagens mais brilhantes, se torna mais simples de produzir as telas CRT de alta resolução. Os monitores CRT de computador com alta qualidade e alta resolução quase sempre implementam Grade de Abertura por esse mesmo motivo.
A fixação da Máscara / Grade
Independente de estarmos a dissertar sobre a Máscara de Sombras ou a Grade de Abertura, estamos discutindo sobre um estrutura feita de liga metálica montada numa estrutura de vidro. Ao contrário do que podes pensar, não há cola ou orifícios para a colocação de parafusos por dentro do cinescópio.
Ao serrar um cinescópio na altura de sua cinta metálica, onde há a junção entre o vidro do funil e o vidro da tela, internamente, nos deparamos com uma moldura, confeccionada em aço-carbono ou em liga de Alumínio. Esta moldura também possui formato funilado, como vemos na imagem abaixo:
Imagem 16 - Na esquerda, uma moldura com base em Alumínio. Na direita uma moldura com base em Aço
Nessa moldura está conferida a Máscara de Sombras ou a Grade de Abertura. A moldura, por sua vez, é apenas encaixada na tela, ficando retida por estar precisamente justa em toda a borda de vidro, que posteriormente é emendada com o funil. Para retirar essa moldura, em muitos casos, é necessário forçar com uma chave de fenda para desacoplar a chapa metálica do vidro (me refiro aos procedimentos de reciclagem de CRTs).
CURIOSIDADE: Esta moldura 'funilada' é também uma blindagem contra EMI (e não contra ao imã que você põe perto da tela pra 'brincar' com o feixe de elétrons :v). Perceba então que ela não chega até a região onde se encontra a atividade eletromagnética das bobinas defletoras...
Imagem 17 - A área ocupada pela moldura metálica
Como mencionado anteriormente em uma das "CURIOSIDADEs", a Máscara de Sombras é feita em liga de Aço-Carbono ou Aço-Carbono com Níquel, e o mesmo serve para Grade de Abertura, porém, com adendo dos fios de amortecimento serem confeccionados em Tungstênio ou Molibdênio (elementos com ponto de fusão bastante elevados).
O motivo de se utilizar Aço-Carbono, ou o mais eficiente Ferro com Níquel é justamente a baixa dilatação, que é ocasionada pelo calor na região da tela. Dada a diminuta dimensão dos orifícios da Máscara ou os finíssimos espaços entre cada fio da Grade de Abertura, uma dilatação (expansão) exagerada do material quando aquecido geraria uma obstrução acentuada à passagem do feixe de elétrons, posteriormente diminuindo a emissão de luz da camada de fósforo.
CURIOSIDADE: As ligas Invar (Ferro + Níquel) têm teor de Ni na faixa de 30 ~ 36%, sendo o restante de Fe, podendo ser acrescentados outros elementos. A liga mais utilizada na indústria como um todo tem 36% Ni e 64% Fe, sendo conhecida como Invar-36, cujo coeficiente de dilatação é inferior a 1,5x10−6 / °C, entre 0°C e 100°C.
O elemento Fluorescente
A camada emissora de luz está entre a tela de vidro e a Máscara / Grade.
Imagem 18 - Ao retirar a moldura, nos deparamos com este frágil revestimento branco. Há muitas coisas interessantes por aqui
Dezenas de tipos de fósforo estavam disponíveis para CRTs. Eles foram classificados de acordo com a cor, persistência, curvas de aumento e queda de luminância, cor dependendo da voltagem do ânodo, uso pretendido, composição química, segurança, sensibilidade à queima e propriedades de emissão secundária.
CURIOSIDADE: Os materiais depositados na tela emitem luz através dos processos de fosforescência e fluorescência. A fluorescência é o fenômeno de emissão de luz enquanto o material está sendo bombardeado por elétrons, e a fosforescência é a emissão de luz após o bombardeamento de elétrons. Para saber mais sobre estes dois fenômenos, CLIQUE AQUI!
Os fósforos usados em CRTs geralmente contêm metais de terras raras, pois são mais eficientes (produzem mais luz) que os "fósforos dimmer" anteriores. Os primeiros fósforos vermelhos e verdes continham Cádmio, e alguns fósforos CRT preto e branco também continham pó de Berílio, embora fósforos brancos contendo Cádmio, Zinco e Magnésio com Prata, Cobre ou Manganês como dopantes também fossem usados.
Os fósforos do padrão SMPTE-C (Society of Motion Picture and Television Engineers para intensidade e matiz de fósforos RGB, criada no final dos anos 1970), rotulados como P22 vermelho, P22 azul e P22 verde e utilizados em monitores de vídeo profissionais priorizam a reprodução precisa de cores, o que foi dificultado pelos diferentes fósforos e espaços de cores usados nos sistemas de cores NTSC e PAL.
Os aparelhos de TV PAL têm uma reprodução de cores subjetivamente melhor devido ao uso de fósforos verdes saturados, que têm tempos de decaimento relativamente longos, dada a menor taxa de quadros.
O revestimento de fósforo em CRTs monocromáticos e coloridos pode ter uma camada de Alumínio em sua parte traseira que tem como objetivo refletir a luz para frente, fornecer proteção contra íons e conduzir o calor gerado por elétrons colidindo contra o fósforo - que gera os elétrons secundários também, evitando o acúmulo estático que poderia repelir os elétrons da tela (pois o Alumínio é um condutor de energia) -, e assim formando parte do ânodo (ou seja, está ligado ao revestimento condutor interno AquaDAG, descrito anteriormente).
CURIOSIDADE: Os fósforos aderem à tela por causa das tais forças de Van der Waals e forças eletrostáticas, e quanto menor o tamanho das partículas, maior a aderência. No entanto, esta camada, juntamente com o Carbono (usado para evitar o sangramento da luz em CRTs coloridos) e a de Alumínio podem ser facilmente removidos com um simples passar de dedos, tanto que nos processos de reciclagem, a camada emissora de luz é separada do vidro utilizando-se de um simples aspirador de pó.
Imagem 19 - A fragilidade da camada fluorescente
Como o feixe de elétrons passa pelo revestimento de Alumínio antes de atingir os fósforos, há uma atenuação de cerca de 1 kV.
Um filme ou verniz pode ser aplicado aos fósforos para reduzir a rugosidade da superfície formada para permitir que o revestimento de Alumínio tenha uma superfície uniforme e evite que ele toque o vidro da tela.
A laca contém solventes que são posteriormente evaporados, podendo ser quimicamente áspera para fazer com que um revestimento de Alumínio poroso seja criado para permitir o escape das substâncias.
Para complementar a leitura, leia ESTE ARTIGO sobre filtros de cores para entender melhor o funcionamento dos fósforos do Tubo de Raios Catódicos.
Neste artigo, em que boa parte foi traduzido do Wikipedia, vemos os principais tipos de Máscaras de Sombra e Grade de Abertura presentes nos monitores e televisores CRT. Para duvidas, sugestões, criticas e ideias, envie um e-mail para o Hardware Central!
FONTES E CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter; Tradução do Wikipedia feita por Leonardo Ritter.
Imagens: Leonardo Ritter; Google Imagens.
Fontes: Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Burgos Eletrônica; Instituto Newton C. Braga; Página do Brat; site 'fazendovideo.com'; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 18 de Setembro de 2022.