Katodová trubice

Rozbalit box

Obsah boxu

Katodová trubice (anglicky cathode-ray tube, zkráceně CRT) je vakuová elektronka, která slouží k zobrazování obrazu. Paprsek elektronů, emitovaný z rozžhavené katody, je usměrňován a vychylován elektrickým nebo magnetickým polem tak, aby dopadal na určené místo stínítka pokrytého luminoforem. V místě dopadu se luminofor rozzáří, a rychlým pohybem paprsku po stínítku se tak vytváří viditelný obraz.

Po většinu 20. století byla katodová trubice dominantní technologií pro výrobu televizorů, počítačových monitorů a osciloskopů. Na počátku 21. století byla postupně vytlačena modernějšími plochými zobrazovacími technologiemi, jako jsou LCD, plazmové displeje a OLED.

📜 Historie

Vývoj katodové trubice je úzce spjat s výzkumem katodového záření v 19. století.

🔬 Objev katodového záření

První experimenty s elektrickými výboji ve zředěných plynech prováděl již v roce 1857 německý fyzik a sklář Heinrich Geissler. Vytvořil tzv. Geisslerovy trubice, které vedly k vývoji vakuových technologií. Na jeho práci navázal britský fyzik William Crookes, který v 70. letech 19. století zkonstruoval tzv. Crookesovu trubici. Pozoroval v ní záhadné záření vycházející z katody, které bylo možné stínit a které roztáčelo malý mlýnek, což dokazovalo jeho hybnost. Toto záření bylo nazváno katodové záření. V roce 1897 britský fyzik Joseph John Thomson pomocí experimentů s Crookesovou trubicí v elektrickém a magnetickém poli prokázal, že toto záření je tvořeno proudem záporně nabitých částic, které nazval "korpuskule" – dnes je známe jako elektrony. Za tento objev obdržel Nobelovu cenu za fyziku.

🇩🇪 Braunova trubice

První skutečnou katodovou trubici, která byla navržena pro zobrazování, zkonstruoval v roce 1897 německý fyzik Karl Ferdinand Braun. Jeho "Braunova trubice" byla v podstatě Crookesova trubice s luminoforovým stínítkem a systémem pro vychylování paprsku. Původně používal magnetické pole pro vychylování, později byly přidány i elektrostatické vychylovací desky. Braunova trubice se stala základem pro osciloskop, klíčový měřicí přístroj v elektronice.

📺 Vznik televize

Potenciál katodové trubice pro přenos obrazu si uvědomilo několik vynálezců. Ruský vědec Boris Rosing jako první použil CRT v roce 1907 v experimentálním televizním systému k zobrazení jednoduchých geometrických tvarů.

Klíčovými postavami pro vývoj plně elektronické televize byli Vladimir Zvorykin, ruský emigrant pracující pro společnost RCA v USA, a americký vynálezce Philo Farnsworth. Zvorykin v roce 1929 představil vylepšenou katodovou trubici nazvanou kineskop, která byla optimalizována pro televizní příjem. Farnsworth nezávisle vyvinul a v roce 1927 patentoval kompletní elektronický televizní systém, jehož součástí byla i zobrazovací trubice. Po dlouhých patentových sporech se obě technologie staly základem pro masovou výrobu televizorů.

První komerčně úspěšné televizory s CRT se objevily na trhu koncem 30. let 20. století. Barevná televize, která využívá složitější katodové trubice se třemi elektronovými děly a maskou, se začala masově rozšiřovat v 60. letech.

⚙️ Princip a konstrukce

Katodová trubice je skleněná baňka s hlubokým vakuem, která se skládá z několika klíčových částí.

📤 Elektronové dělo

Elektronové dělo (nebo také elektronová tryska) je zdroj elektronového paprsku. Skládá se z:

Žhavicí vlákno: Podobně jako ve žárovce se elektrickým proudem rozžhaví.
Katoda: Kovová trubička obklopující žhavicí vlákno. Její povrch je potažen materiálem s nízkou výstupní prací elektronů (např. oxidy barya a stroncia). Teplem z vlákna se z katody uvolňují elektrony (tzv. termoelektrická emise).
Řídicí mřížka (Wehneltův válec): Váleček s otvorem, který obklopuje katodu. Přivedením záporného napětí vůči katodě reguluje počet elektronů, které projdou otvorem. Tím se řídí jas výsledného bodu na stínítku. U televizorů je na tuto mřížku přiváděn obrazový signál.
Urychlovací a ostřicí anody: Soustava elektrod s vysokým kladným napětím (řádově kilovolty až desítky kilovoltů), které elektrony prudce urychlí směrem ke stínítku a zároveň je elektrostaticky zaostří do tenkého paprsku.

🧭 Vychylovací systém

Usměrněný paprsek elektronů je nutné vychylovat tak, aby postupně vykreslil celý obraz. Existují dva hlavní způsoby vychylování:

Elektrostatické vychylování: Používá se především v osciloskopech. Paprsek prochází mezi dvěma páry vodivých desek. Jeden pár je orientován horizontálně (vychyluje paprsek vertikálně) a druhý vertikálně (vychyluje horizontálně). Přivedením napětí na desky se vytvoří elektrické pole, které odkloní dráhu záporně nabitých elektronů. Tento systém je velmi rychlý, ale umožňuje jen menší vychylovací úhly, což vede k delším a užším trubicím.
Magnetické vychylování: Používá se v televizorech a monitorech. Kolem krku trubice za elektronovým dělem je umístěna soustava cívek (tzv. vychylovací cívky nebo jho). Průchodem pilovitého proudu cívkami se vytváří proměnlivé magnetické pole, které působí na letící elektrony Lorentzovou silou a vychyluje je. Tento systém umožňuje velké vychylovací úhly (až přes 110°), což vede ke kratším a hlubším obrazovkám, ale je pomalejší než elektrostatické vychylování.

🖥️ Stínítko

Vnitřní strana čelní stěny baňky je pokryta vrstvou luminoforu. To je látka, která při dopadu elektronů s vysokou energií emituje viditelné světlo (jev zvaný katodoluminiscence). Barva světla závisí na použitém luminoforu.

Monochromatické CRT: Používají jeden typ luminoforu (např. sirník zinečnatý pro zelenou barvu v osciloskopech nebo směs pro bílou barvu v černobílých TV).
Barevné CRT: Stínítko je pokryto malými body nebo proužky tří různých luminoforů: pro červenou, zelenou a modrou barvu (model RGB). Těsně před stínítkem je umístěna tzv. stínící maska (shadow mask) nebo štěrbinová maska (aperture grille, např. technologie Trinitron od Sony). Tato maska je tenký kovový plát s precizně vyleptanými otvory. Barevná CRT má tři samostatná elektronová děla, jedno pro každou barvu. Maska zajišťuje, že paprsek z "červeného" děla dopadne pouze na červené luminofory, z "zeleného" na zelené atd. Lidské oko pak body ležící těsně u sebe vnímá jako jeden barevný bod.

Vnitřní povrch baňky je často pokryt vodivou vrstvou (aquadag), která slouží jako sběrná elektroda pro elektrony, které dopadly na stínítko, a zároveň pomáhá dále urychlovat paprsek.

📉 Úpadek a nahrazení

Od počátku 21. století začaly být CRT monitory a televizory masivně nahrazovány plochými zobrazovacími technologiemi, zejména LCD. Důvody úpadku CRT byly:

Velikost a hmotnost: CRT jsou kvůli své konstrukci velmi hluboké a těžké, zejména u větších úhlopříček.
Spotřeba energie: Mají výrazně vyšší spotřebu elektrické energie ve srovnání s LCD.
Geometrické zkreslení: Obraz u okrajů může být mírně zkreslený (poduškovité nebo soudkovité zkreslení).
Blikání obrazu: Obraz je neustále překreslován (obnovovací frekvence). Při nižších frekvencích (např. 50 Hz) může být blikání vnímáno a způsobovat únavu očí.
Vyzařování: CRT emitují slabé rentgenové záření (bezpečně odstíněno olovnatým sklem) a elektromagnetické pole.

Přesto měly CRT i své výhody, které jsou dodnes oceňovány v některých specifických oblastech:

Kontrast a úroveň černé: CRT dokáže zobrazit absolutní černou barvu tím, že na dané místo jednoduše nevysílá elektrony. To vede k teoreticky nekonečnému kontrastnímu poměru.
Doba odezvy: Reakce luminoforu je téměř okamžitá, což eliminuje rozmazání pohybu (motion blur), které bylo problémem u starších LCD panelů.
Pozorovací úhly: Obraz na CRT neztrácí barvy ani kontrast při pohledu z úhlu.
Nativní rozlišení: CRT nemá pevně danou mřížku pixelů a dokáže plynule zobrazovat různá rozlišení bez ztráty ostrosti.

Díky těmto vlastnostem jsou CRT stále vyhledávány komunitou hráčů retro videoher, protože hry byly často navrhovány s ohledem na specifické vlastnosti CRT zobrazení.

💡 Pro laiky

Představte si katodovou trubici jako super-rychlou "stříkací pistoli" na neviditelné částečky (elektrony), která míří na speciální plátno.

Pistole (elektronové dělo): V zadní části trubice je zařízení, které "vystřeluje" tenký proud elektronů. Sílu tohoto proudu lze měnit, což ovlivňuje, jak jasně se bod na plátně rozsvítí.
Zaměřovače (vychylovací systém): Kolem proudu elektronů jsou silné magnety (nebo nabité destičky), které tento proud bleskově ohýbají nahoru, dolů, doleva i doprava.
Plátno (stínítko): Přední skleněná stěna televize je zevnitř pokryta látkou (luminofor), která se rozsvítí, kdykoliv ji zasáhne elektron.

Celý proces funguje tak, že elektronový paprsek pod kontrolou magnetů začne v levém horním rohu a neuvěřitelnou rychlostí "kreslí" obraz řádek po řádku, zleva doprava, až do pravého dolního rohu. To vše se opakuje padesátkrát nebo šedesátkrát za sekundu. Naše oko je příliš pomalé na to, aby vidělo pohybující se bod, a místo toho vnímá kompletní, plynulý a pohyblivý obraz. U barevné televize jsou ve skutečnosti tři takové "pistole" (pro červenou, zelenou a modrou barvu), které malují obraz společně.

Šablona:Aktualizováno