Técnico em eletrônica Quarto módulo
2019/1
Aula 3
Tubo de raios catódicos
Filipe Andrade La-Gatta filipe.lagatta@ifsudestemg.edu.br
IF Sudeste MG/JF
Funcionamento básico
Baseado na emissão de raios com energia por um catodo, dentro de um tubo a vácuo, que incide em material que brilha ao receber esta radiação.
Por ser baseado em um tubo, onde o catodo gera raios, ficou conhecido como “Tubo de raios catódicos” (TRC, ou simplesmente “tubo”, CRT cathode ray tube). O catodo é uma estrutura carregada negativamente que a partir de certo nível de energia, começa a emitir elétrons.
Os elétrons emitidos são o raio catódico.
Por terem carga negativa, buscam o menor caminho até um referencial positivo. O referencial positivo é atribuído à superfície da tela.
A superfície da tela é impregnada por material que ao receber elétrons, responde emitindo luz visível.
Tubo de raios catódicos Funcionamento básico
Figura:Tubo com componentes básicos.
Pela construção mostrada, o feixe de elétrons que sai do catodo somente incidiria no centro da tela fosforescente.
Portanto, faz-se necessário um sistema que controle a direção do feixe. Primeira alternativa seria variar o ângulo com o qual o feixe é gerado, porém demanda um controle muito fino, e um sistema mecânico muito preciso, o que era inviável a anos atrás.
Modelo de controle adotado: utilizar campos eletromagnéticos para interferir na trajetória do feixe de elétrons.
É gerado um sistema cartesiano de campos que permite direcionar o feixe para qualquer parte da tela fosforescente.
Método clássico de gerar um campo elétrico: capacitor de placas paralelas. Método adotado no TRC: um sistema de duas bobinas, dispostas em 90o, que
geram um campo magnético que é capaz de defletar a trajetória do feixe tanto na horizontal quanto na vertical.
Tubo de raios catódicos Funcionamento básico
É válido lembrar que esse sistema descrito, um único feixe, aplica-se no caso de imagens exibidas em televisões “preto e branco”.
Para a criação do feixe de elétrons um filamento aquece o catodo.
Os elétrons que se desprendem do catodo, buscam então o ânodo que é formado ao redor da tela fosforescente.
Este ânodo é formado por uma camada condutora que reveste os lados do tubo, o Aquadag, que funciona como um capacitor (2 nF), com tensão positiva por dentro do tubo - 9 a 15 kV para TV’s P&B, e 18 a 24,5 kV para TV’s a cores - e aterrado na parte externa.
Para facilitar a dispersão dos feixes e reforçar a liberação dos elétrons existe logo após o catodo, uma estrutura chamada de canhão de elétrons, feito em material com capacidade de fornecer elétrons ao feixe, visto como o primeiro ânodo. Mas antes deste reforço é posicionada uma grade de controle, que determinará com qual intensidade esse feixe se propagará no tubo.
Além de toda esta estrutura, existem também componentes do tubo responsáveis por garantir que o feixe seja tão fino quanto necessário, o que garantirá o foco da imagem resultante formada na tela.
Tubo de raios catódicos Funcionamento básico
Todo este sistema de controle serve para uma função: formar um número específico de linhas na tela, que no caso do Brasil (PAL-M), tem 525 linhas e 60 quadros por segundo.
Lembrando que a cada dois quadros, forma-se uma imagem.
Assim, como visto anteriormente, ao receber a primeira imagem, o TRC começa a escrever na linha 1, 3, 5, ..., até a 525, e a segunda sequência começa da linha 2, 4, 6, ... até a linha 524.
Convenciona-se chamar cada sequência de campo ímpar e campo par. No intervalo entre o preenchimento de uma linha e a próxima há o retorno ou retraço horizontal, e no intervalo entre um campo e o próximo há o retorno ou retraço vertical do feixe de elétrons, que deve obrigatoriamente fazer estes retornos estando desligado.
O comando para os retornos, deve ser a partir de pulsos de sincronismo, que devem ser enviados junto da informação de imagem, para garantir que todos os televisores, de qualquer tamanho e tipo, formem corretamente a imagem.
Por uma análise simples: serão transmitidas 30 imagens por segundo (cada uma será exibida em um campo ímpar e um campo par) cada imagem com 525 linhas. Resultado: 30 × 525 = 15.750 retornos horizontais por segundo (15.750 Hz). Como cada imagem gasta dois retornos verticais (campo ímpar e campo par), tem-se 60 retornos verticais por segundo (60 Hz).
E todos estes formam os pulsos de sincronismo.
Do conjunto de informações de imagem, mais o conjunto de pulso, forma-se o sinal de vídeo composto.
Tubo de raios catódicos Funcionamento básico
Há aqui mais um detalhe importante: a linha não é preenchida de forma contínua. Cada uma das 525 linhas é dividia horizontalmente em pequenas porções.
Cada menor porção desta linha na imagem é denominada pixel.
Para que haja uma boa definição da imagem, é necessário que cada linha seja dividida em pelo menos 500 partes.
Portanto, considerando a escrita de 15.750 linhas por segundo, e que cada linha tem 500 pontos:
500 × 15.750 = 7.875.000 pixels por segundo.
Ou seja, para a transmissão de imagem em forma de vídeo no padrão PAL-M, necessita-se acionar o catodo do tubo de raios catódicos com pelo menos 7.875 MHz.
Daí percebe-se que o sistema que controla os retornos horizontal e vertical, e o acionamento do feixe de elétrons é feito em alta frequência, para determinados controles.
Analise dos tempos de retornos, e observações pertinentes:
Período gasto no retorno/linha horizontal: T = 1/f = 1/15.750 = 63, 49 µs (Conhecido como 1H, ou tempo para a varredura de uma linha)
Período gasto no campo vertical: T = 1/f = 1/60 = 16, 7 ms Porém, é fisicamente impossível que o retorno vertical seja instantâneo. Em função disto, são perdidas por campo, aproximadamente 20 linhas, ou seja, sobram efetivamente para serem exibidas aproximadamente 483 linhas.
Esta sobra é importante, pois no lugar destas linhas serem transmitidas, as emissoras suprimem a informação de imagem, e enviam informações extras, como legendas (closed caption), áudio original (SAP), entre outros.
Tubo de raios catódicos Captação da imagem
Captação da imagem
Nos primeiros modelos de câmeras, que funcionavam de forma reversa ao TRC, o catodo era um filamento impregnado com partículas de prata revestida de óxido de césio, elemento que emite elétrons ao ser iluminado.
Problema: césio é radioativo.
Gerações futuras usaram óxido de chumbo, trissulfeto de alumínio (permite ajustar intensidade do feixe de acordo com a tensão aplicada), e nos últimos modelos uma mistura de seleneto de zinco (ZnSe) com telureto de zinco (ZnTe) e telureto de cádmio (CdTe), que apresenta elevada sensibilidade com grande resolução. Atualmente com o crescente uso de materiais semicondutores, desenvolveu-se o CCD (Charge Coupled Device) que se constitui basicamente de uma estrutura semelhante ao de uma memória, portanto com dimensões reduzidas, com linhas em material semicondutor, e cada linha dividida em porções de material semicondutor dopado para apresentar sensibilidade à luz. Um sistema eletrônico então lê a informação em cada ponto do CCD e forma assim a imagem
sequencialmente.
Obrigado.
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