Tube cathodique

Le tube cathodique, découvert par Karl Ferdinand Braun, est un système constitué d'un filament chauffé, de cathodes et d'anodes en forme de lentilles trouées qui, soumises à une différence de potentiel, créent un champ électrique accélérant les électrons.



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  • Tube cathodique (CRT ou Cathode Ray Tube en Anglais)... et un concentrateur pour les électrons pour former un flux d'électrons dirigé vers l'écran.... (source : verreonline)
  • Les fondamentaux de l'écran à tube cathodique.... L'idée de base, c'est qu'un canon à électrons à l'arrière du tube tire un faisceau d'électrons en ... (source : erenumerique)

Le tube cathodique (en anglais, Cathode Ray Tube : CRT), découvert par Karl Ferdinand Braun, est un système constitué d'un filament chauffé, de cathodes et d'anodes en forme de lentilles trouées qui, soumises à une différence de potentiel (tension), créent un champ électrique accélérant les électrons. Ces derniers viennent frapper un des bords plats, l'écran, sur lequel on a déposé une couche fluorescente réagissant au choc des électrons en créant un point lumineux.

Ce composant était un système d'affichage utilisé dans la majorité des écrans d'ordinateurs, des téléviseurs et des oscilloscopes. Il est devenu de moins en moins utilisé à partir de la fin du XXe siècle et remplacé presque complètement par davantage les écrans LCD que les écrans plasmas au début du XXIe siècle.

Photo du tube cathodique se trouvant à l'intérieur d'un téléviseur.
Photo du même tube cathodique vu sous un autre angle.

Historique

Tube de Crookes

Vue schématique d'un tube de Crookes.

Lorsque la cathode est chauffée, elle émet des rayons qui se progagent jusqu'à l'anode. Quand les parois intérieures du tude sont revêtues d'une matière phosphorescente, elles émettent de la lumière. Une croix métallique disposée entre la cathode et l'anode projette son ombre sur l'anode, ce qui suggère que des rayons sont la cause de la luminescence, que ces rayons se propagent en ligne droite et que de la lumière est émise quand ils frappent le revêtement phosphorescent.

Les techniques de vide étaient connues depuis le XVIIe siècle et , avec la maitrise de l'électricité, des savants eurent l'idée de faire des expériences d'électricité dans des tubes contenant des gaz à plus ou moins basse pression. Dès 1858, des Allemands observent des décharges électriques dans ces tubes de Geissler. Les décharges électriques dans ce qu'on nomme désormais des plasmas produisent effectivement de la lumière. On observe que les champs magnétiques produisent une déflexion sur ces décharges. C'est lors de telles investigations sur la conduction de l'électricité dans des gaz à faible pression, que le physicien et chimiste britannique William Crookes découvrit que quand la pression était abaissée, la cathode émettait des rayons lumineux. Ils ont été nommés rayons cathodiques. C'est parce qu'il avait enduit les parois du tube d'une matière phosphorescente que Crookes a pu faire ses observations. Par la suite, on a nommé tube de Crookes les premiers tubes à rayons cathodiques.

L'oscillographe

La première version du tube cathodique est par conséquent une diode à cathode froide avec une couche de phosphore sur la face. Après avoir été utilisé pour l'investigation de phénomènes physiques, le tube cathodique va devenir un instrument de mesures des signaux variant rapidement dans le temps. L'oscillographe se substituera au miroir tournant pour ce type de mesures. En 1897, Braun utilise pour la première fois un tube à rayon cathodique pour étudier des phénomènes dynamiques, l'enregistrement de phénomènes électriques rapides[1], [2]. Les premiers tubes de Braun sont remplis de gaz à basse pression, typiquement autour du centième de millimètre de mercure[1]. Le canon à électrons est constitué d'une pastille circulaire qui joue le rôle de cathode et d'une électrode en anneau qui joue le rôle d'anode. La haute tension appliquée entre l'anode et la cathode est produite par une «machine à influence», c'est-à-dire une bobine d'induction[1]. Dans le champ électrique produit entre la cathode et l'anode, quelques ions positifs déjà présents dans le gaz neutre sont accélérés vers la cathode, ce qui génère des électrons secondaires accélérés dans la direction opposée. Les électrons ionisent les molécules du gaz du vide résiduel et les ions positifs, parce qu'ils sont lourds, s'éloignent lentement du faisceau, et la charge d'espace positive ainsi produite tend à maintenir concentré le faisceau d'électrons tout au long de son parcours jusqu'à l'écran phosphorescent[1]. Dans le tube de Braun, la déflection des électrons, dans une direction pour le signal à mesurer et dans la direction perpendiculaire pour le signal de référence, est produite par des bobines magnétiques[3].

Un des inconvénients des premiers oscillographes est alors la tension d'accélération des électrons qui doit être maintenue à un très haut niveau pour que l'énergie du faisceau électronique au niveau de l'écran soit suffisante[1]. Dans les premières années du XXe siècle, Rankin a l'idée de disposer une petite bobine coaxiale entre la cathode et l'anode dans l'objectif de concentrer le faisceau[4], [1]. Cette modification permet non seulement d'augmenter l'intensité du faisceau d'électrons, mais également de diminuer le grandissement de l'image de la source sur l'écran. Les deux phénomènes vont dans le sens d'un accroissement de la densité de courant du faisceau et la voie est par conséquent ouverte à une réduction de la tension d'accélération, et par conséquent des champs magnétiques de déflection[1].

En 1914, A. Dufour a l'idée d'insérer une plaque photographique dans le tube à la place de l'écran fluorescent, ce qui perfectionne l'efficacité et donc la vitesse de la mesure. Ce type d'appareil est nommé un «oscillographe cathodique». Ce concept provoque le développement d'un certain nombre d'appareils fonctionnant entre 20 et 60 kilovolts et conçus pour l'enregistrement de phénomènes transitoires rapides non périodiques[1].

La première version utilisant une cathode chaude fut développée par J. B. Johnson et H. W. Weinhart de la société Western Electric. Ce produit fut commercialisé en 1922.

La visualisation d'images

En 1907, l'inventeur russe Boris Rosing élabore un dispositif ayant un tube cathodique comme intégrateur d'images[5]. En 1911, il démontre pour la première fois le principe de modulation de la lumière par vitesse variable du faisceau[5]. Son élève Vladimir Kosma Zworykin, émigré aux États-Unis, produira en 1923 un tube de visualisation de l'image, le kinéscope[5].

En 1940, aux États-Unis, Peter Goldmark met au point un dispositif de télévision couleur à 343 lignes. Ce dispositif comporte un disque à trois filtres : rouge, vert et bleu, en rotation devant le tube de la caméra[5].

La norme PAL a 625 lignes et la norme NTSC a 525 lignes tandis que le format d'affichage est de 575 lignes en PAL et 479 en NTSC [6]. Pour des raisons de simplifications des traitements numériques, l'image est de 576 lignes et 768 colonnes pour le PAL ou 480 lignes en NTSC. Les points qui permet de l'affichage pour le PAL est de 442 368 points (la «Full HD» a 4, 69 fois plus de pixels).

Fonctionnement

Les rayons cathodiques sont des flux d'électrons à haute vitesse provenant de la cathode du tube, cette vitesse importante est due à la haute tension de l'anode. Dans un tube cathodique, les électrons sont focalisés, soit magnétiquement par une bobine ou bien électrostatiquement par une grille de façon à obtenir un mince rayon, la densité du rayon peut peut-être être contrôlée par une grille comme c'est le cas dans les tubes de téléviseurs, la totalité du système est nommé «canon à électrons». Le rayon qui sort du canon à électrons est ensuite dévié, soit magnétiquement par des bobines (comme dans un tube de téléviseur), soit électrostatiquement par des électrodes de déflections (dans la majorité des oscilloscopes). Ce rayon arrive ensuite sur l'anode recouverte d'une matière phosphorescente, fréquemment à base de terres rares. Lorsque les électrons frappent cette surface, de la lumière est émise.

L'affichage à balayage

Tube à balayage couleur
1 : canons à électrons
2 : faisceaux d'électrons
3 : masque pour séparer les rayons rouge, bleu et vert de l'image affichée
4 : couche phosphorescente avec des zones réceptrices pour chaque couleur
5 : gros plan sur la face intérieure de l'écran recouverte de phosphore.

Dans le cas des téléviseurs et des moniteurs d'ordinateurs modernes, toute la face du tube est parcourue selon un trajet bien défini, et l'image est créée en faisant fluctuer l'intensité du flux d'électrons (le faisceau), et par conséquent l'intensité lumineuse du spot, au long de son parcours. Le flux dans l'ensemble des téléviseurs modernes est dévié par un champ magnétique appliqué sur le col du tube par un «joug magnétique» (magnetic yoke en anglais), qui se compose de bobines (fréquemment deux) enroulées sur du ferrite et contrôlées par un circuit électronique. C'est un balayage par déflection magnétique.

Au cours du balayage, le faisceau parcourt de gauche à droite des lignes qui se succèdent de haut en bas (comme les lignes d'un ouvrage), le retour à la ligne suivante et en début de page se fait à faisceau éteint.

L'entrelacement

La télévision est issue du cinéma et affiche 25 images par seconde en Europe (30 images par seconde pour l'Amérique et le Japon), ce qui est proche des 24 images pour les films projetés en salle. Mais contrairement au cinéma qui projette une image entière à chaque fois, le tube cathodique ne montre qu'un point lumineux à déplacement rapide, le faisceau, ce qui est trop peu pour l'œil. Pour éviter une vision de clignotement, les 625 lignes (en Europe) de l'image de télévision classique sont balayées en deux temps : en premier lieu les lignes impaires puis les lignes paires, de cette façon on obtient artificiellement 50 images (60 en Amérique et Japon) par seconde et l'œil ne perçoit plus de clignotement.

Dans le cas des moniteurs informatiques, dont l'affichage des images se fait à une fréquence plus élevée (de 60 à 120 par seconde), l'entrelacement n'est plus indispensable.

L'affichage vectoriel

Tube d'oscilloscope
1 : électrodes déviant le faisceau
2 : canon à électrons
3 : faisceaux d'électrons
4 : bobine pour faire converger le faisceau
5 : face intérieure de l'écran recouverte de phosphore

Dans le cas d'un oscilloscope, l'intensité du faisceau est maintenue constante, et l'image est dessinée par le chemin que parcourt le faisceau. Théoriquement, la déflection horizontale est proportionnelle au temps et la déflection verticale est proportionnelle au signal. Les tubes pour ce genre d'utilisation sont longs et étroits. Qui plus est , la déflection est assurée par l'application d'un champ électrostatique dans le tube avec plaques (de déflection) localisées au col du tube. Ce type de déflection est plus rapide qu'une déflection magnétique, car dans le cas d'une déflection magnétique, l'inductance de la bobine empêche les variations rapides du champ magnétique (car elle empêche la variation rapide du courant qui crée le champ magnétique).

Affichage vectoriel des ordinateurs

Les premiers écrans graphiques pour ordinateurs utilisaient des tubes à commande vectorielle identiques à ceux des oscilloscopes. Ici le faisceau traçait des lignes entre des points arbitraires, en répétant cela le plus vite envisageable. Les moniteurs vectoriels furent utilisés pour la majorité dans les écrans d'ordinateur de la fin des années 1970. L'affichage vectoriel pour ordinateur ne souffre pas de crènelage et de pixelisation, mais est limité, car il peut uniquement afficher les contours des formes, et une faible quantité de texte, plutôt gros (car la vitesse d'affichage est inversement proportionnelle au nombre de vecteurs à dessiner, «remplir» une zone en utilisant plein de vecteurs est impossible tout comme l'écriture d'une grande quantité de texte). Certains écrans vectoriels sont capables d'afficher plusieurs couleurs, fréquemment en utilisant deux ou trois couches de phosphore. Dans ces écrans, en contrôlant la vitesse du faisceau d'électrons, la couche atteinte est contrôlée et par conséquent la couleur affichée qui le plus fréquemment était soit le vert, l'orange ou le rouge.

D'autres écrans graphiques utilisaient des tubes de stockage (storage tube). Ces tubes cathodiques stockaient les images et ne nécessitaient pas de rafraîchissement périodique.

Écrans couleurs

Principe

Chaque point lumineux (encore nommé luminophore) d'un écran couleur est constitué de trois matières, jadis trois disques disposés en triangle équilatéral, actuellement trois rectangles superposés horizontalement, la face du tube est par conséquent recouverte de triples points minuscules. Chacune de ces matières produit une couleur si elle est soumise à un flux d'électrons, les couleurs sont le rouge, le vert et le bleu. Il y a trois canons à électrons, un par couleur, et chaque canon ne peut allumer que les points d'une couleur, un masque (plaque métallique percée de trous : un par pixel) est disposé dans le tube juste avant la face pour éviter qu'un canon ne déborde sur l'autre.

Luminophores d'un tube cathodique 70 cm.

Protections

Le verre utilisé pour la face du tube permet le passage de la lumière produite par le phosphore vers l'extérieur, mais dans l'ensemble des modèles modernes il bloque les rayons X générés par l'impact du flux d'électrons à haute énergie (rayonnement continu de freinage). C'est pour cette raison que le verre de la face est chargé en plomb (c'est par conséquent du verre cristal). C'est grâce à cela ainsi qu'aux autres blindages internes, que les tubes peuvent satisfaire les normes de sécurité de plus en plus sévères en matière de rayonnement.

Rendu des couleurs

Les tubes cathodiques ont une intensité lumineuse qui n'est pas linéaire : le gamma. Pour les premières télévisions, le gamma de l'écran fut un avantage, car en compressant le signal (un peu à la manière d'une pédale de compression pour guitare), le contraste est augmenté[note 1]. Les tubes modernes ont toujours un gamma (plus faible), mais ce gamma peut être corrigé de façon à obtenir une réponse linéaire, servant à voir l'image sous ses vraies couleurs, ce qui est particulièrement important dans l'imprimerie entre autres.

Électricité statique

Certains écrans ou téléviseurs utilisant des tubes cathodiques peuvent accumuler de l'électricité statique, inoffensive, sur la face du tube (à cause des nombreux électrons bombardant l'écran), ce qui peut entraîner l'accumulation de poussières réduisant la qualité de l'image, un nettoyage est par conséquent indispensable (avec un chiffon sec ou un produit adapté car certains produits peuvent abîmer la couche antireflet si elle existe).

L'emission pour la jeunesse Télétactica a mis celle-ci a profit dans les années 80.

Caractéristiques

2 à 3 fois plus énergivores qu'un écran LCD[7]. La durée de vie est de 25 000 heures[7] soit 13, 7 ans si l'écran reste allumé 5 heures par jour.

À la fin du XXe siècle, les écrans les plus courants ont une diagonale de 35 cm à 75 cm. Au début du XXIe siècle, le changement de technologie permet la commercialisation au grand public d'écrans de diagonale de très petite taille à 127 cm.

Autres technologies

Les tubes cathodiques sont obsolètes car progressivement les écrans à plasma et les écrans à cristaux liquides remplacent les écrans à tube cathodique. Ces nouveaux types d'écrans ont pour avantage un encombrement réduit. De plus leur prix devient de plus en plus proche de celui des écrans à tubes. Leur rendu des couleurs dépend fortement des constructeurs mais les résultats sont quelquefois meilleurs sur les tubes ou à d`autre moment meilleur sur le plasma[8]. Le temps de latence de plus en plus faible permet (pour certains modèles, en dessous de 2 ms) d'utiliser des jeux d'action, tels que les jeux de tir subjectifs, sans avoir à subir des traînées d'affichage lors de mouvements rapides. Ces traînées étaient un frein à leur utilisation dans le grand public.

Début 2010, on trouve toujours quelques particulièrement rares écrans d'ordinateurs ou téléviseurs possédant un tube cathodique. Il n'aura fallu que moins d'une dizaine d'année pour que cette technologie omniprésente soit abandonnée.

Applications

Les tubes cathodiques dans les radars et dans les oscilloscopes sont en cours d'abandon.

Références

  1. Ernst Ruska, The early development of electron lenses and electron microscopy, Hirzel Verlag, 1980, p. 11-13
  2. F. Braun, Über ein Verfahren zur Demonstration und zum Studium des zeitlichen Verlaufes variabler Ströme, Ann. Pysik Chemie, 60, (1897), p. 552-559 (Sur une méthode pour la démonstration et l'étude des formes d'onde des courants variables
  3. The Cathode Ray Tube site
  4. R. Rankin, The cathode ray oscillograph, The Electric club J. II, (1905) p. 620-631
  5. Histoire de la Télévision sur le site de NordMag
  6. http ://www. macetvideo. com/technique/Pixels/Pixels1. html Publié en janvier 2002
  7. http ://www. clubic. com/article-14650-1-4-moniteurs-lcd-17-pouces. html
  8. section écrans sur hardware. fr, dossier écrans sur hardware. fr

Notes

  1. Ce n'est pas une compression numérique, mais une compression d'un signal, qui peut être définie par une augmentation de ce qui a un niveau faible et une réduction de ce qui est plus élevé

Liens externes

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