Tube cathodique
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Le tube cathodique (CRT ou Cathode Ray Tube en anglais), fut inventé par Karl Ferdinand Braun. Le dispositif est 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 (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées...) accélérant les électrons. Ces derniers viennent frapper un des bords plats, l'écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et...), sur lequel on a déposé une couche fluorescente réagissant au choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) des électrons en créant un point (Graphie) lumineux.

Ce composant est un dispositif d'affichage (L' affichage désigne l'application d'une surface de papier script dans un lieu public(et non du foyer)sur un support destiné à son émission, externe ou interne, ce qui...) utilisé dans la plupart des écrans d'ordinateurs, télévisions et oscilloscopes. Le tube cathodique (Le tube cathodique (CRT ou Cathode Ray Tube en anglais), fut inventé par Karl Ferdinand Braun. Le dispositif est constitué d'un filament chauffé, de cathodes et...) fut développé par les travaux de Philo Farnsworth et fut moins utilisé dans les télévisions à partir des années 2000 car remplacé progressivement par les écrans plasmas et les écrans LCD.

Tube cathodique autre vue
Tube cathodique autre vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.)

Origines

La première version du tube cathodique fut une diode à cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne...) froide, en fait une modification du tube de Crookes avec une couche de phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.) sur la face, ce tube est parfois appelé tube Braun. La première version utilisant une cathode chaude fut développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) par J. B. Johnson et H. W. Weinhart de la société Western Electric. Ce produit fut commercialisé en 1922.

Fonctionnement

Les rayons cathodiques (On nomme rayons cathodiques une éjection continue d'électrons. Lorsque les éjections de rayons se font dans un gaz excitable, elles peuvent déterminer une...) sont des flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) d'électrons à haute vitesse (On distingue :) provenant de la cathode du tube, cette vitesse importante est due à la haute tension (La tension est une force d'extension.) de l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit...). Dans un tube cathodique, les électrons sont focalisés, soit magnétiquement par une bobine ou bien électrostatiquement par une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de...) de manière à obtenir un mince rayon, la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour...) du rayon peut éventuellement être contrôlée par une grille comme c'est le cas dans les tubes TV, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) du dispositif est appelé " canon à électrons ". Le rayon qui sort du canon à électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) est ensuite dévié, soit magnétiquement par des bobines(comme dans un tube TV), soit électrostatiquement par des électrodes de déflections (dans la plupart des oscilloscopes). Ce rayon arrive ensuite sur l'anode recouverte d'une matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) phosphorescente, souvent à base de terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.). Quand les électrons frappent cette surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...), de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) est émise, c'est le " spot ".

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
Tube à balayage couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).)
1 : canons à électrons
2 : faisceaux d'électrons
3 : masque pour séparer les rayons rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.), bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446...) et vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un...) 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 télévisions et des écrans d'ordinateurs modernes, toute la face du tube est scannée selon un parcours bien défini, et l'image est créée en faisant varier l'intensité du flux d'électrons (le faisceau), et donc l'intensité lumineuse du spot, au long de son parcours. Le flux dans toutes les TV modernes est dévié par un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une...) appliqué sur le col du tube par un " joug magnétique " (magnetic yoke en anglais), qui est composé de bobines (souvent deux) enroulées sur du ferrite et contrôlées par un circuit électronique (Un circuit électronique est un ensemble de composants électroniques interconnectés sur un circuit imprimé dans le but de remplir une fonction. C'est pour cela qu'un...). C'est un balayage par déflection magnétique.
Au cours du balayage le spot parcourt de gauche à droite des lignes qui se succèdent de haut en bas (comme les lignes d'un livre), le retour à la ligne suivante et en début de page se fait spot éteint.

L'entrelacement (L'entrelacement (en l'anglais Interlaced), ou balayage entrelacé, est une technique destinée à réduire l'impression de scintillement sur un écran à faible fréquence de balayage (50–60 Hz).)

La télévision (La télévision est la transmission, par câble ou par ondes radioélectriques, d'images ou de scènes animées et généralement sonorisées qui sont...) est issue du cinéma (On nomme cinéma une projection visuelle en mouvement, le plus souvent sonorisée. Le terme désigne indifféremment aujourd'hui une salle de projection ou l'art en lui-même.) et affiche 25 images par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une...) en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité...) (30 images par seconde pour l'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par l'océan Atlantique....) et le Japon) ce qui est proche des 24 des 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 ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la...) rapide, le spot, ce qui est trop peu pour l'œil. Pour éviter une perception de clignotement les 625 lignes (en Europe) de l'image de télévision classique sont balayées en deux temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.): d'abord 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 (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...) plus élevée (60 à 70 par secondes) l'entrelacement n'est plus nécessaire.

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 intérieur de l'écran recouverte de phosphore
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 intérieur de l'écran recouverte de phosphore

Dans le cas d'un oscilloscope, l'intensité du faisceau est maintenue constant, et l'image est dessinée par le chemin que parcourt le faisceau. Normalement, la déflection horizontale est proportionnelle au temps, et la déflection verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) est proportionnelle au signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés...). Les tubes pour ce genre d'utilisation sont longs et étroits, de plus la déflection est assurée par l'application d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) dans le tube à l'aide de plaques (de déflection) situées 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 (L'inductance d’un circuit électrique est un coefficient qui traduit le fait qu’un courant le traversant crée un champ magnétique à travers la section entourée...) 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 (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) vectorielle semblables à ceux des oscilloscopes. Ici le faisceau traçait des lignes entre des points arbitraires, en répétant cela le plus vite possible. Les moniteurs vectoriels furent utilisés pour la plupart dans les écrans d'ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous forme...) 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 seulement afficher les contours des formes, et une faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de texte, de préférence gros (car la vitesse d'affichage est inversement proportionnelle au nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de vecteurs à dessiner, " remplir " une zone en utilisant plein de vecteurs est impossible tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme l'écriture d'une grande quantité de texte). Certains écrans vectoriels sont capables d'afficher plusieurs couleurs, souvent en utilisant deux ou trois couches de phosphore. Dans ces écrans, en contrôlant la vitesse du faisceau d'électrons, on contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) la couche atteinte et donc la couleur affichée qui le plus souvent 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 (pixel) d'un écran couleur est constitué de trois matières, autrefois trois disques disposés en triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La...) équilatéral, aujourd'hui trois rectangles juxtaposés horizontalement, la face du tube est donc recouverte de triples points minuscules. Chacune de ces matières produit une couleur si elle est soumise à un flux d'électrons, les couleurs sont les suivantes : 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.

Protections

Le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...) utilisé pour la face du tube, permet le passage de la lumière produite par le phosphore vers l'extérieur, mais dans tous les modèles modernes il bloque les rayons X générés par l'impact du flux d'électrons à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (Bremsstrahlung). C'est pour cette raison que le verre de la face est chargé en plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) (c'est donc du verre cristal). C'est grâce à cela et aux autres blindages internes, que les tubes peuvent satisfaire les normes de sécurité de plus en plus sévères en matière de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.).

Rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D...) des couleurs

Les tubes cathodiques ont une caractéristique intensité du flux d'électrons, intensité lumineuse qui n'est pas linéaire, on appelle cela 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: on ne parle pas de compression numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...), mais de compression d'un signal, qui peut être définie par une réduction de ce qui a un niveau faible et une augmentation de ce qui est plus élevé). Les tubes modernes ont toujours un gamma (plus faible), mais ce gamma peut être corrigé, de manière à obtenir une réponse linéaire, permettant de voir l'image sous ses vraies couleurs, ce qui est très important dans l'imprimerie entre autres.

Électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :)

Certains écrans ou télévisions utilisant des tubes cathodiques peuvent accumuler de l'électricité statique, inoffensive, sur la face du tube ce qui peut entraîner l'accumulation de poussières réduisant la qualité de l'image, un nettoyage est donc nécessaire (avec un chiffon sec ou un produit adapté car certains produits peuvent abîmer la couche antireflet si elle existe).

Autres technologies

Les tubes cathodiques ont des chances de devenir obsolètes car peu à peu les écrans à plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les...) et les écrans à cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.) remplacent les écrans à tube cathodique. Ces nouveaux types d'écrans ont pour avantages un encombrement réduit et une consommation plus faible. De plus leur prix devient de plus en plus proche de celui des écrans à tubes. Leur rendu des couleurs est maintenant identique aux tubes[réf. nécessaire]. 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 jusqu'à présent un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) important pour une utilisation dans les écrans d'ordinateurs grand public.

Applications

  • La plupart des téléviseurs et écrans d'ordinateur
  • Les oscilloscopes
  • Les radars
  • ...
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