История в одном экране: от ЭЛП до LED

В телевизоре, где строчная развертка осуществляется с помощью ламп, анодное напряжение кинескопа появляется лишь после того, как выходная лампа строчной развертки и демпферный диод прогреются до необходимой температуры. В этот момент накал самих кинескопов успевает обеспечить необходимую устойчивость.

Человек и лампа: кинескоп

Старику Владимиру Зворыкину было более семидесяти лет, и несмотря на это, он продолжал свою трудовую деятельность, хотя и только в первой половине дня. После работы он возвращался домой и обедал с супругой Катериной. Часто в их разговорах, как и во многих случаях для людей его возраста, звучала критика в адрес телевизора. Однако стоит отметить, что он почти не смотрел телевизионные передачи. Эта машина, когда-то считавшаяся чудом техники, уже давно стала для него просто источником назойливой рекламы и неинтересных развлечений. У Владимира Зворыкина, гениального русского ученого с американской судьбой, были собственные, личные обиды на этот аппарат. Ведь именно он стал одним из создателей телевидения, которое навсегда изменило жизнь человечества.

Жизнь Владимира Зворыкина, который родился 30 июля 1888 года, можно смело назвать одной из самых выдающихся историй успеха ХХ века. Он появился на свет в уважаемой семье, которая предоставила ему все возможности для успешного старта. Удивительно, но он смог не потеряться в мире, полном войн и революций. Оказавшись за пределами Родины, он стал настоящей суперзвездой в области науки и техники. Тем не менее, в отличие от многих эмигрантов первой волны, он не раз возвращался на свою историческую Родину. Зворыкин смог собрать невероятную коллекцию почетных наград и званий, а на старости лет наслаждался спокойной жизнью на ласковом солнце Флориды, успешно проведя небычайно долгую жизнь.

Когда изучаешь биографию Владимира Зворыкина, складывается впечатление, что его всегда сопутствовал добрый ангел-хранитель. Возможно, действительно благодаря каким-то удивительным особенностям характера этот выходец из богатейшей купеческой семьи города Мурома находил выгодные пути, искусно лавируя между опасностями и согласиями своей бурной эпохи. Он всегда мог оказаться в нужный момент в нужном месте, что, безусловно, способствовало встречам с такими людьми, которые могли значительно изменить его жизнь к лучшему.

Знакомство с делами своего отца, включая речное пароходство, дало Владимиру первое представление о механизмах и технике, однако он не выказал особого интереса к управлению бизнесом и, окончив реальное училище в Муроме, переехал в Санкт-Петербург. В главном городе той эпохи его встретило революционное брожение умов. Это был 1906 год, а студенческая среда становилась питательной основой для радикальных идей и действий. Как отмечают биографы, обучаясь в Петербургском технологическом институте, Зворыкин активно участвовал в митингах и демонстрациях. Тем не менее, он всегда старался избегать чрезмерно активных участников протестов и, в конечном итоге, смог избежать серьезных неприятностей с законом.

На острие прогресса

В качестве альтернативы борьбе за правое дело судьба подготовила Зворыкину встречу, благодаря которой он и вошел в историю. Проводя много времени в институтской физической лаборатории, он познакомился с профессором Борисом Львовичем Розингом. Узнав о любопытстве студента к вакуумным трубкам, профессор решил поделиться с ним важнейшим проектом своей жизни — электрической телескопией. Значительно усовершенствовав осциллоскопическую катодную трубку Брауна, которая оставляла светящийся след на флюоресцирующем экране, Розинг решил адаптировать её для передачи изображения на расстояние. Первый прототип был собран Розингом в 1907 году. И хотя с помощью этой системы удавалось передавать лишь грубые силуэты геометрических фигур, для своего времени это было совершенно невероятное достижение. Россия, безусловно, находилась на фронтире исследования телевидения, однако дальнейшему развитию этой тематики воспрепятствовали внезапные исторические катаклизмы.

Механическое телевидение

Однако всего этого могло и не произойти, если бы в XIX веке не начали проводиться експерименты по передаче изображений на расстояние. В 1862 году итальянский изобретатель Джовани Казелли разработал устройство, способное передавать изображение по проводам — так называемый пантелеграф. Однако такая технология требовала предварительной подготовки изображения, в частности, необходимость нанесения его на токопроводящую медную пластину. Ускорить процесс ретрансляции изображений удалось благодаря открытиям фотопроводимости селена инженером-электриком Уиллоуби Смитом и внешнего фотоэффекта, открытого Генрихом Герцем. В начале XX века на свет появились устройства, способные передавать неподвижные изображения. В октябре 1925 года в своей лаборатории Джон Логие Бэрд достиг успеха в передаче черно-белого изображения игрушечной куклы, которое сканировалось в 30 вертикальных линиях и передавалось со скоростью пять изображений в секунду. После успешной демонстрации Бэрд вышел на улицу и привел курьера, чтобы протестировать, как будет выглядеть изображение человеческого лица на экране. Курьер по имени Эдвард Тайтон стал первым человеком, изображение которого было передано по телевидению.

ЭЛТ, кинескопы и APPLE

Многие из нас помнят телевизоры с кинескопом, как показано на представленной выше картинке, но мало кто знает, что их появление связано с работой немецкого ученого Карла Фердинанда Брауна, который в конце XIX века разработал первую электронно-лучевую трубку (ЭЛТ). Изначально эти трубки использовались как индикаторные приборы при изучении электромагнитных колебаний. Однако уже с 1902 года Брауном заинтересовался российский ученый Борис Львович Розинг, который проводил эксперименты по воспроизведению изображений с помощью ЭЛТ. В дальнейшем Розинг стал основоположником принципов и устройства современного телевидения.

Первые серийные модели телевизоров с кинескопом были произведены компанией Telefunken в 1934 году. В Советском Союзе серийное производство телевизоров началось в 1940 году, но последующие события войны серьезно затормозили развитие массового производства. В то же время в США продолжалось активное развитие радиопромышленности, и уже в 1953 году стартовало полноценное цветное телевидение. Не менее важным было развитие и телетайпов – электронных пишущих машинок, которые предоставляли возможность обмена текстовыми сообщениями между двумя абонентами по проводам. Позже инженеры научились напрямую подключать телетайпы к электроническим вычислительным машинам и печатать созданный компьтером текст. Однако из-за высокой стоимости телетайпов, лишь немногие могли позволить себе подобное оборудование. Поэтому с начала 70-х годов прошлого века начались поиски пригода более экономичных альтернатив. Дон Ланкастер, Ли Фезельзенштейн и Стив Возняк начали экспериментировать с идеей создания экономичных экранов видеотерминалов, используя телевизоры как дисплеи. Это стало основой для появления композитного видеовыхода и первых компьютерных мониторов, а также компании Apple, основанной Стивом Возняком.

Принцип работы ЭЛТ.

В конце XIX века, в процессе изучения проводимости разреженных газов, были открыты катодные лучи. Они возникают в результате эмиссии электрона в вакууме от нагретого катода. Хотя сами лучи невидимы, они способны вызывать свечение люминофоров при их воздействии.

Дальнейшие исследования строения вещества привели к открытию электрона, и катодные лучи были идентифицированы как поток электронов. Если эти электроны собрать в узкий пучок и направить на поверхность, покрытую люминофором (то есть экран), можно создать светящееся пятно, которое видимо зрителю.

Это светящееся пятно может изменять свою яркость в зависимости от энергии и количества поступающих электронов. Путем изменения направления электронного пучка можно перемещать это светящееся пятно по экрану. Поскольку электроны в пучке движутся с высокой скоростью (в пределах от $10^6$ до $10^7$ м/с), перемещение может осуществляться очень быстро, что превосходит инерцию человеческого зрения.

Принцип работы электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) основывается на необходимости формирования изображения из строк, при этом электронный пучок должен последовательно проходить по всем строкам с высокой частотой, обновляя изображение десятки раз в секунду. Для наблюдателя это создаёт иллюзию того, что на экране имеется полноценное изображение, а не всего лишь одна точка. При последовательном обновлении изображения у зрителя появляется возможность наблюдать за движущимися объектами.

Устройство ЭЛТ

Следовательно, для формирования изображения требуется создать узкий пучок электронов, направить его на экран, покрытый люминофором, и обладать возможностью регулировать его интенсивность и направление. В электронной лучевой трубке (ЭЛТ) содержатся следующие ключевые компоненты.

Колба ЭЛТ — это основной конструктивный элемент, который создаёт вакуум и служит для крепления всех остальных деталей. Она представляет собой трубку, расширяющуюся на одном конце. Боковая поверхность широкого конца покрыта люминофором изнутри. С другой стороны колбы расположены конструктивные элементы для генерации электронного пучка — электронная пушка.

Электроны в пушке генерируются катодом — цилиндрической деталью, покрытой материалом, который легко испускает электроны при нагреве. Внутри катода имеется нагревательная спираль, обеспечивающая рождение электронов.

После этого электроны проходят через узкое отверстие управляющего электрода, на котором установлен отрицательный потенциал, что позволяет модифицировать количество электронов в пучке, изменяя его интенсивность (изменение яркости изображения).

После выхода из управляющего электрода, поток электронов привлекается положительным полем анода. Обычно в ЭЛТ имеется два анода, которые изготовлены в форме цилиндров, содержащих отверстия для прохождения электронов. Это дизайн позволяет на первом аноде собирать электроны в узкий пучок (то есть сфокусировать его), а второй служит для окончательного разгона электронов.

Финальный компонент ЭЛТ — отклоняющая система, расположенная между электронной пушкой и экраном, предназначенная для изменения направления движения электронного пучка. Отклоняющая система может быть электростатической (использует две пары пластин, обычно такие системы используются в осциллографах) или электромагнитной (с применением двух пар индуктивных катушек, чаще используется в телевизорах). В соответствии с законами электродинамики, изучаемыми в старших классах школы, с помощью поля, создаваемого отклоняющей системой, возможно направить электронный пучок в точку экрана, необходимую для формирования изображения. При этом сигналы, отвечающие за модуляцию электронного пучка и изменение его направления, формируются специальными электрическими схемами.

Также ЭЛТ может обладать несколькими электронными пушками, позволяя генерировать сразу несколько лучей. Это дает возможность осциллографам исследовать одновременно несколько сигналов, а телевизоры управляют тремя разными цветами изображения.

Видеомониторы и видеоадаптеры

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), кинескоп — это электровакуумный прибор, который преобразует электрические сигналы в световые.

Электронная пушка, предназначенная для генерации электронного луча, в цветных кинескопах и многолучевых осциллографах объединяется в электронно-оптический проектор.

Экран, покрытый люминофором — это вещество, которое светится при воздействии на него пучка электронов; отклоняющая система управляет лучом таким образом, чтобы он формировал нужное изображение.

Устройство и принцип работы черно-белого кинескопа

В колбе 9 создаётся глубокий вакуум: вначале из неё выкачивается воздух, затем при помощи индуктора нагреваются все металлические детали кинескопа для выделения адсорбированных газов, и для постепенного удаления оставшегося воздуха используется геттер.

Для того чтобы сгенерировать электронный луч 2, в конструкции используется устройство, называемое электронной пушкой. Катод 8, нагреваемый нитью накала 5, испускает электроны. Чтобы повысить количество испускаемых электронов, катод покрывается материалом с низким значением работы выхода (некоторые ведущие производители ЭЛТ применяют запатентованные технологии для этого). Изменяя напряжение на управляющем электроде (модуляторе) 12, можно варьировать интенсивность электронного луча и, следовательно, яркость изображения (в некоторых моделях есть управление непосредственно по катоду). Кроме управляющего электрода, электроны в современных ЭЛТ проходят через фокусирующий электрод (до 1961 года в отечественных кинескопах использовалась электромагнитная фокусировка при помощи фокусирующей катушки 3 с сердечником 11), отвечающий за фокусировку пятна на экране кинескопа в точку. Также имеется ускоряющий электрод, который дополнительно увеличивает скорость электронов внутри пушки, и анод. После выхода из пушки электроны ускоряются анодом 14, представляющим собой металлизированное покрытие внутренней поверхности конуса кинескопа, соединённого с одноимённым электродом пушки. В цветных кинескопах с внутренним электростатическим экраном он соединяется с анодом. Напряжение на аноде варьируется от 7 до 30 киловольт. У небольших осциллографических ЭЛТ аноды нередко представляют собой лишь один из электродов электронной пушки и питаются меньшими напряжениями — всего до нескольких сот вольт.

Далее луч проходит через отклоняющую систему 1, которая изменяет направление луча (на рисунке показана магнитная отклоняющая система). В телевизионных ЭЛТ чаще используется магнитная отклоняющая система, так как она обеспечивает большие углы отклонения. В осциллографических электронно-лучевых трубках применяется электростатическая отклоняющая система, что позволяет добиться более высокого быстродействия.

Электронный луч попадает на покрытый люминофором 10 экран 4. При бомбардировке электронами люминофор светится, и быстро движущееся пятно переменной яркости создает изображение на экране.

Люминофор, бомбардируемый электронами, получает отрицательный заряд и начинает вторичную эмиссию — сам становится источником электронов. Это приводит к тому, что вся трубка приобретает отрицательный заряд. Чтобы избежать этого, по поверхности колбы располагается проводящий слой аквадага — смеси на основе графита (6), соединённый с заземлением.

Кинескоп подключается через выводы 13 и высоковольтное гнездо 7.

В черно-белых телевизорах состав люминофора подбирают таким образом, чтобы он светился нейтрально-серым оттенком. В видеотерминалах, радарах и прочих устройствах часто используют желтые или зеленые люминофоры, что снижает утомляемость глаз.

Угол отклонения луча

Углом отклонения луча ЭЛТ называют максимальный угол между двумя возможными положениями электронного луча внутри колбы, при которых светящееся пятно ещё видно на экране. Величина этого угла влияет на соотношение диагонали (или диаметра) экрана к длине ЭЛТ. У осциллографических ЭЛТ этот угол, как правило, составляет до 40 градусов, что связано с необходимостью повысить чувствительность луча к воздействию отклоняющих пластин. У первых советских телевизоров с круглым экраном угол отклонения составлял 50 градусов, у более поздних черно-белых моделей он вырос до 70 градусов, а начиная с 60-х годов, этот показатель достигал 110 градусов. У отечественных цветных кинескопов угол отклонения составляет 90 градусов.

Основные технические характеристики

Ключевым параметром является диапазон принимаемых частот. Сегодня практически все телевизоры, производимые массово, способны принимать метровые и дециметровые радиоволны. Некоторые модели могут даже обрабатывать сигналы кабельного телевидения. Современные телевизионные приемники способны запоминать не менее 99 каналов.

В некоторых версиях этот показатель достигает еще большего значения.

Однако число каналов и частоты — это еще не все. Порой в различных местах сигнал может быть очень слабым или нестабильным. В таких случаях критически важным показателем становится чувствительность приемника. Важно отметить, что чувствительность может быть ограничена шумами или проблемами с синхронизацией. Долгое время ЭЛТ-телевизоры имели формат 4:3. Но в настоящее время таких моделей уже очень немного, так как большинство производителей перешли на более оптимальное соотношение 16:9.

В бюджетных моделях и старых устройствах частота смены кадров составляет не более 50-60 Гц. Тем не менее, более современные телевизоры способны обновлять изображение 100 раз в секунду. Это улучшение сделало просмотр гораздо безопаснее для зрения. Яркость изображения измеряется в канделах (кд) на квадратный метр. У обычного кинескопа этот показатель варьируется от 150 до 300, что более чем достаточно для четкого восприятия изображения даже при низком освещении.