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 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 est un dispositif d'affichage utilisé dans la plupart des écrans d'ordinateurs, télévisions et oscilloscopes. Le tube cathodique 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.

Origines

La première version du tube cathodique fut une diode à Cathode froide, en fait une modification du tube de Crookes avec une couche de Phosphore sur la face, ce tube est parfois appelé tube Braun. 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.

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 manière à obtenir un mince rayon, la densité du rayon peut éventuellement être contrôlée par une grille comme c'est le cas dans les tubes TV, l'ensemble du dispositif est appelé « canon à électrons ». Le rayon qui sort du canon à électron 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 phosphorescente, souvent à base de Terres rares. Quand les électrons frappent cette surface, de la Lumière est émise, c'est le « spot ».

L'affichage à balayage

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 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. 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

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 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 rapide, le spot, ce qui est trop peu pour l'oeil. Pour éviter une perception de clignotement les 625 lignes (en Europe) de l'image de télévision classique sont balayées en deux temps: 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'oeil ne perçoit plus de clignotement. Dans le cas des moniteurs informatiques dont l'affichage des images se fait à une fréquence plus élevée (60 à 70 par secondes) l'entrelacement n'est plus nécessaire.

L'affichage vectoriel

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 est proportionnelle au signal. Les tubes pour ce genre d'utilisation sont longs et étroits, de plus la déflection est assurée par l'application d'un champ électrostatique 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 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 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 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 de texte, de préférence 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, souvent en utilisant deux ou trois couches de Phosphore. Dans ces écrans, en contrôlant la vitesse du faisceau d'électrons, on contrôle 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 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 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 (Bremsstrahlung). C'est pour cette raison que le verre de la face est chargé en Plomb (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.

Rendu 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, mais de 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). 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 statique

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 et les écrans à cristaux liquides 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 dépend fortement des constructeurs mais les résultats sont parfois meilleurs que ceux des écrans cathodiques. 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 important pour une utilisation dans les écrans d'ordinateurs grand public.

Applications

• Les anciens téléviseurs et écrans d'ordinateur (jusqu'au milieu des années 2000)
• Les oscilloscopes
• Les radars
• ...

Voir aussi

• Trinitron