ЭЛТ-мониторы – это мониторы, формирующие изображение с помощью электронно-лучевой трубки, из которой под действием электростатического поля исходит поток электронов, бомбардирующий внутреннюю поверхность экрана монитора, покрытую люминофором. Люминофор под воздействием электронов начинает светиться, формируя изображение на экране монитора.
Началом истории создания ЭЛТ-мониторов можно считать 1855 году. В то время немецким стеклодувом Генрихом Гейслером было сделано, на первый взгляд, не относящееся к монитором изобретение. Он создал вакуумный стеклянный сосуд.
Через несколько лет после этого изобретения другой немецкий ученый, физик и математик, друг Генриха Гейслера, - Юлиус Плюккер впаял в вакуумный сосуд два электрода и подал на них напряжение. В результате возникшей разности потенциала, от одного электрода к другому пошел ток, стремящийся выровнять разность потенциалов. Под действием тока в вакуумной трубке возникло свечение, характер которого зависел от глубины вакуума.
Свечение вызывалось столкновением атомов, оставшихся в сосуде газов, с электронами, идущими от электрода с большим потенциалом к электрону с меньшим потенциалом. Так как электрон с большим потенциалом называется катодом, а с меньшим потенциалом – анодом, то поток электронов, излучаемый катодом получил название – катодные лучи.
Итак, в 1859 году Юлиусом Плюккером было совершено знаковое открытие, позволившее в дальнейшем создать ЭЛТ-мониторы.
Исследования Юлиуса Плюккера продолжил Уильям Крукс, открывший, что катодные лучи исходят перпендикулярно к катоду и распространяются прямолинейно, но могут отклоняться под действием магнитного поля. Для доказательства этого явления Уильям Крукс в 1879 году создал газоразрядную трубку, названную трубкой Крукса. Опыты с газоразрядными трубками также показали, что, попадая на некоторые вещества, катодные лучи вызывают их свечение. Впоследствии такие вещества были названы катодолюминофорами.
Первое изображение с помощью электронно-лучевой трубки было сделано только через 18 лет после многочисленных опытов и исследований катодных лучей. И это открытие принадлежит Карлу Фердинанду Брауну. Именно он разработал принцип формирования изображения с помощью электронно-лучевой трубки, впоследствии названной трубкой Брауна.
В первой модели трубки Брауну не удалось получить полный вакуум, и использовался холодной катод, требующий сильного внешнего электрического поля для испускания электронов. Все это приводило к необходимости использовать большого ускоряющего напряжения (100 киловольт). К тому же магнитное отклонение луча осуществлялось только по вертикали. Отклонение по горизонтали (изменение сигнала по времени) осуществлялось с помощью вращающегося зеркала.
Свое изобретение Браун использовал, как осциллограф, для изучения электрических колебаний. Снаружи, вокруг узкой части стеклянной трубки между диафрагмой и экраном, располагался электромагнит. Исследуемый ток подводили к катушке электромагнита, в результате возникало электромагнитное поле, отклоняющее катодный луч. Катодный луч высвечивал на флуоресцирующем экране линию, соответствующую изменению магнитного поля под действием тока. Высвеченная линия позволяла определить изменение тока, подводимого к электромагниту.
Светящаяся линия проектировалась на внешний экран с помощью зеркала. Поворачивая зеркало, можно было наблюдать изменение сигнала по времени – двумерную кривую линию, форма которой зависела от амплитуды изменения подводимого к электромагниту тока и скорости поворота зеркала.
Фердинанд Браун не патентовал свое изобретение и демонстрировал его на всевозможных выставках и семинарах. В результате работу оценило множество ученых и вложило свой вклад в развитие и совершенствование электронно-лучевых трубок.
Так уже в 1899 году И. Ценнек, ассистент Брауна, добавил второе магнитное поле, перпендикулярное первому, и получил возможность отклонения катодного луча по вертикали.
В 1903 году Артур Венельт поместил в трубку цилиндрический электрод с отрицательным, относительно катода, потенциалом. Изменение потенциала позволяло менять интенсивность катодных лучей и тем самым яркость свечения люминофора.
В 1906 году М. Дикман и Г. Глаге доработали трубку Брауна и ввели возможность управления током, подаваемым на электромагниты. В результате они смогли отображать на экране не просто изменение тока от времени, а конкретные фигуры. В том же году они получили патент на использование трубки Брауна для передачи изображений букв и штрихов.
Электронно-лучевые трубки оказались незаменимыми в различных приборах, таких как осциллографы, позволяющих исследовать быстропротекающие процессы. Но на этом область их применения не ограничивалась. Возможность формирования изображения с помощью электронно-лучевых трубок заинтересовала множество ученых во всем мире, и вскоре стали появляться все более и более совершенные устройства.
Так в 1907 году русский физик Борис Львович Розинг разработал прибор на основе трубки Брауна, способный воспроизводить движущееся изображение, и получил патент на свою разработку в 1908-1910 гг. в России, Англии и Германии. Он же 9 мая 1911 года, на заседании Русского технического общества, продемонстрировал передачу, прием и воспроизведение на экране электронно-лучевой трубки телевизионных изображений - простых геометрических фигур.
В дальнейшем подобные приборы стали называться кинескопами, от греч. kinesis - движение и skopeo - смотреть.
Первые кинескопы были векторные. В таких кинескопах использовался один пучок катодных лучей, перемещающийся от одной точки к другой, оставляя на экране светящиеся линии, которые постепенно затухали. Затухание происходило очень быстро и обычно не превышало 0,1 секунды.
Для того, чтобы изображение оставалось на экране, его приходилось с частотой несколько десятков герц перерисовывать. Все это приводило к жестким ограничениям по количеству отображаемой на экране информации. Если требовалось отображение сложного объекта, то изображение могло начинать мерцать. Происходило это из-за того, что к концу прорисовки сложного объекта та часть его, которая выводилась первой, уже начинала гаснуть.
Так как векторные кинескопы не могли отображать сложные графические объекты, им быстро нашлась замена в виде растровых кинескопов. Но до сих пор в различных областях науки и техники используются векторные мониторы, в основном в виде измерительных приборов, таких как осциллографы, так как позволяют получить высокое разрешение, частоту регенерации и значительно проще устроены, а, следовательно, и дешевле, чем матричные кинескопы. Также именно векторные кинескопы стали первыми использоваться в качестве мониторов для ЭВМ.
В растровых кинескопах траектория перемещения луча по экрану всегда постоянна и не зависит от выводимых изображений. Луч пробегает по строкам экрана сверху вниз и с помощью модуляции яркости луча формирует изображение. В этом случае время вывода изображения не зависит от его сложности, но возникают ограничения по разрешению изображения, а именно по количеству и длине строк, пробегающих лучом, а также времени изменения модуляции яркости луча, определяющего сколько различных точек может быть выведено за время прохождения лучом одной строки.
Но, несмотря на эти ограничения, первые электронные телевизоры использовали именно растровые кинескопы, а вот в ЭВМ растровые мониторы стали использоваться значительно позже векторных, так как требовали значительного объема памяти для регенерации изображения и обладали маленькой разрешающей способностью.
Развитие электронно-лучевых трубок шло семимильными шагами, сильно этому способствовало и развитие телевидения. Так в 1935 году в Германии началось первое регулярное телевещание для электронных телевизоров. Регулярное телевещание для телевизоров с оптико-механической разверткой началось гораздо раньше, с 1927 года в Великобритании. В 1936 году электронное телевещание стало регулярным и в Англии, Италии, Франции, а затем инициативу подхватили и другие страны.
В скором времени ЭЛТ-телевизоры стали выпускаться серийно. Так уже в 1939 году был представлен первый электронный телевизор для массового производства. Эта модель, RCS TT-5, была разработана в США в научно-исследовательской лаборатории RCA, возглавляемой Владимиром Зворыкиным, русским эмигрантом, и представляла собой большой деревянный ящик с экраном с диагональю 5 дюймов.
Первый электронный телевизор в России ТК-1 был выпущен в конце 1938 года Ленинградским заводом имени Козицкого по американской документации (в Америке подобные телевизоры выпускались с 1934 года). Производство телевизоров было крайне трудоемким и сложным процессом, множество радиодеталей поставлялось из заграницы, и всего было выпущено около 6000 телевизоров, большинство из которых использовались в качестве экспериментальных установок в научно-исследовательских лабораториях.
Первый Российский серийный электронный телевизор был создан на ленинградском заводе «Радист» в конце 1939 года и назывался ""17ТН-1"". Он представлял собой громоздкую напольную тумбу с небольшим круглым экраном 17 дюймов. Производство телевизоров было все еще дорогостоящим и сложным процессом, поэтому до начала войны было выпущено всего 2000 экземпляров.
Первый массово-серийный и доступный простым потребителям в России стал телевизор КВН-49-1, разработанный в 1947 году в Ленинградском НИИ телевидения. Серийный выпуск телевизоров этой марки начался в 1949 году. Кстати, название КВН произошло от первых букв разработчиков телевизора: Кенигсона В.К, Варшавского Н.М и Николаевского И.А, ну а 49, как вы догадались, от года начала серийного выпуска.
В 1950 году произошел очередной прорыв в технологии. В США был разработан масочный цветной кинескоп с тремя электронными пушками.
Экран кинескопа был покрыт тремя типами люминофора, светящегося под действием электронных лучей красным, зеленым и синим цветом. Каждая точка изображения формировалась тремя участками люминофора разного типа, в совокупности воспринимающаяся глазом, как единая цветная точка.
В основании кинескопа располагалось три электронно-лучевые пушки. Если смотреть сверху на них, то они представляли собой вершины равностороннего треугольника. Лучи, излучаемые этими пушками, синхронно пробегали все строки развертки, также как это делал единственный луч в одноцветных кинескопах. Но каждый луч попадал на свой тип люминофора, и, модулируя интенсивность лучей, на экране можно было отобразить цветные точки.
Для того чтобы лучи, излучаемые электронными пушками, попадали на свой участок из трех типов люминофора и не засвечивали соседние участки, использовалась теневая решетка, состоящая из множества отверстий, через которые проходили лучи. Благодаря теневой решетке, повышалась контрастность изображения, так как лучи, переходя от одного участка экрана к другому, не задевали люминофоры чужого типа. Но, в свою очередь, уменьшалось количество проходящих электронов, что уменьшало яркость картинки.
В первых кинескопах в качестве маски использовался тонкий стальной лист с круглыми отверстиями. Такая маска назвалась теневой, она позволяла максимально точно позиционировать электронный лучи, но круглые отверстия задерживали достаточно большую часть электронов. Впоследствии отверстия стали делать коническими, что позволило увеличить их пропускную способность. Теневая маска обеспечивала высокую точность изображения, но меньшую яркость (по сравнению с щелевой и аппретурной решеткой). Такие маски чаще всего применялись в мониторах.
Впоследствии в телевизионных кинескопах электронные пушки стали располагать планарно, параллельно земле, что упрощало настройки кинескопа и позиционирование лучей. Для таких кинескопов в маске делались овальные отверстия, и называлась она – щелевая решетка. Щелевая решетка обеспечивает более насыщенные цвета, по сравнению с теневой маской, но менее насыщенные, чем у апертурной решетки. Но в то же время получаемое изображение более четкое, чем у апетурной решетки. Однако щелевая решетка склона к муарам. В результате основная область применения таких кинескопов – телевидение.
Впоследствии такие производители, как Sony или Mitsubishi в качестве маски стали использовать апертурную решетку – множество вертикально натянутых тонких проволок. При этом электронные лучи не ограничивались, как в двух предыдущих типах масок, а фокусировались в нужных точках экрана, за счет чего прозрачность апертурной решетки была в разы выше и достигала 80%, а соответственно была выше яркость и насыщенность изображения.
Первый цветной телевизор с электронно-лучевой трубкой был выпущен в США в марте 1954 года компанией Westinghouse и назывался H840CK15, и стоил 1295 долларов. Спустя несколько недель, в США был выпущен еще один цветной телевизор, но уже компанией RCA - RCA CT-100. Он был снабжен 15-ти дюймовым цветным кинескопом и стоил около 1000 долларов. В то время, к примеру, новый, шикарный автомобиль стоил 2000 долларов, так что цветные телевизоры рассчитывались не на массовое потребление, а скорее как дорогая игрушка для ограниченного круга элиты. Вскоре цветное телевидение перешло в массы, и во всех странах появилось огромное количество различных моделей цветных телевизоров. На сайте www.earlytelevision.org можно посмотреть фотографии и описания большинства первых цветных и монохромных телевизоров и мониторов.
Технология отображения на ЭЛТ-телевизорах совершенствовалась год от года, и, когда настала эра ЭВМ, электронно-лучевые трубки стали использоваться для отображения результатов их работы. Конечно, произошло это не сразу. Первые ЭВМ в качестве устройств вывода использовали, в основном, различные печатающие устройства или записывали результат вычислений на магнитную ленту. Но уже тогда многие ЭВМ оснащались электронно-лучевыми трубками, но использовались они не как мониторы, а как осциллографы, контролирующие исправность электрических цепей вычислительных машин или даже, как запоминающие устройства .
Ярким примером служит ЭВМ SSEM (Manchester Small-Scale Experimental Machine) – манчестерская малая экспериментальная машина, заработавшая в июне 1948 года.
В ней использовалось целых три электронно-лучевые трубки. Однако только одна из них отображала информацию, две других представляли собой оперативную память, позволившую избавиться от громоздких, трудоемких и опасных ртутных линий задержки.
На прообраз монитора в SSEM выводилась информация, содержавшаяся в двух других электронно-лучевых трубках.
ЭЛТ-мониторы для вывода информации использовались и в ЭВМ CSIRAC (Council for Scientific and Industrial Research Automatic Computer) - Автоматическом Компьютере Совета по Научным и Промышленным Исследованиям. CSIRAC был разработан в Австралии и заработал в ноябре 1949 года.
В этой ЭВМ вывод результатов работы осуществлялся все еще на телетайп, но для контроля процесса работы использовался ЭЛТ-монитор, отображавший состояние регистров ЭВМ, используемых при вычислении.
Еще один случай использования электронно-лучевой трубки для вывода результатов работы ЭВМ зафиксирован в 1950 году. Произошло это в Англии в Кембриджском университете. И использовалась она в электронно-вычислительной машине EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer).
Естественно, мониторы, используемые в EDSAC, SSEM, CSIRAC и в других ЭВМ того времени, сильно отличались от современных ЭЛТ-мониторов и больше походили на осциллографы. Но все же это были первые попытки вывода информации не на принтер, а на электронный монитор, в конечном итоге приведшие к созданию современного ЭЛТ-монитора.
Начиная с 50-х годов, практически все ЭВМ в том или ином виде использовали ЭЛТ-трубки. Наиболее показательной в этом плане является ЭВМ Whirlwind (Вихрь), созданная в 1951 году в США. Использовалась она в станции американской ПВО «SAGE 1» и предназначалась для обработки в режиме реального времени непрерывно поступающего потока данных о состояния воздушной обстановки и фиксации информации о вторжении самолетов в воздушное пространство США.
Естественно, просто обработать данные было недостаточно. Было необходимо в режиме реального времени отображать полученные данные, а именно положение обнаруженных воздушных объектов. Сделать это с помощью распространенного в то время телетайпа было невозможно. Во-первых, потребовалось бы огромное количество бумаги, а, во-вторых, распечатанная таким образом информация была ненаглядной и требующей значительных усилий и времени для принятия решений, которого у военных, в случае вторжения вражеской авиации, не было.
Поэтому было принято решение, в качестве основного устройства отображения, использовать ЭЛТ-монитор, позволяющий наглядно, а главное в режиме реального времени, отображать всю информацию, требующуюся для работы системы ПВО.
Демонстрация работы системы ПВО SAGE состоялась 20 апреля 1951 года. Данные с радара, установленного в заливе Кейп-Код, передавались в командный центр, где обрабатывались в ЭВМ Whirlwind, а затем отображались на экранах ЭЛТ-мониторов в виде движущихся точек, соответствующих положению обнаруженных самолетов.
В конечном итоге, в США была создана целая сеть из 23-х командных пунктов ПВО SAGE, обеспечивающих защиту воздушных границ США долгие годы.
В шестидесятых годах мониторами оснащались уже практически все ЭВМ, и их стали производить серийно. Для разгрузки центрального процессора ЭЛТ-мониторы оснащали своими вычислительными ресурсами, и они стали называться дисплейными станциями.
Первой такой дисплейной станцией была оснащена ЭВМ «DEC PDP-1». Дисплейная станция была монохромной, имела ЭЛТ-дисплей, диаметром 16 дюймов с разрешением 1024 х 1024 точки. Под разрешением в векторных мониторах понимается количество точек, которые могут быть заданы, в качестве граничных координат отображаемых отрезков.
Вскоре появился и первая коммерческая дисплейная станция IBM 2250. IBM 2250 была разработана в 1964 году и использовалась в ЭВМ серии System/360.
IBM 2250 имела дисплей размером 12х12 дюймов с разрешением 1024х1024 точки и поддерживала частоту обновления экрана в 40 Гц. Отображаемые символы, цифры и буквы состояли из отдельных отрезков и были максимально упрощены для увеличения производительности.
В памяти дисплейной станции были заложены специальные подпрограммы, отвечающие за форматирование символов на экране. Таким образом, центральному процессору ЭВМ требовалось только указать, какой символ и где вывести на экране. Расчет отображаемого символа и управление катодным лучом производилось уже в самой дисплейной станции, что сильно разгружало ЭВМ.
Описанные выше дисплейные станции, как и их прототипы, были векторными.
Между тем популярность ЭВМ набирала рост. Многие предприятия использовали ЭВМ. Но в шестидесятых годах ЭВМ представляли собой дорогостоящие устройства, и обеспечить всех специалистов своей ЭВМ было невозможно. В результате, начали развиваться терминальные системы, в которых ЭВМ отдавалась в распоряжение сразу нескольким пользователям. Доступ к вычислительным ресурсам осуществлялись через специальные терминалы, оборудованные монитором, устройством ввода-вывода, и подключенные к удаленной ЭВМ.
Одной из первых терминальных систем, оборудованных терминалами с ЭЛТ-мониторами, была система IBM 2848. Разработана эта система была в 1964 году и состояла из одного устройства контроля IBM 2848, представляющего собой прообраз современных видеоадаптеров, к которому могло подключаться до 8 терминалов IBM 2260.
Терминалы системы были оснащены ЭЛТ-мониторами, способными отображать только текст с разрешением 12 строк по 80 символов в каждой строке. Всего отображалось 64 различных знака (26 букв, 10 цифр, 25 специальных символов и 3 контрольных символа). Причем текст отображался не на всей области ЭЛТ, а только на небольшом участке, размером 4 на 9 дюймов.
В основном эта терминальная система использовалась для работы с ЭВМ серии IBM system/360. Одна из таких систем функционировала с 1969 по 1972 года в компьютерном центре в Колумбии.
В 1972 был создан один из первых цветных терминалов - IBM 3279. Первоначально терминал IBM 3279 поддерживал 4 цвета: красный, зеленый, голубой и белый, и работал только в текстовом режиме. Причем при стандартных настройках вводимые символы окрашивались в зеленый или красный цвет, а выводимые - белым или голубым.
Позже были выпущены модификации, способные работать и в графическом режиме с поддержкой уже семи цветов. Примером такого терминала может служить IBM 3279G.
Но настоящий бум развития ЭЛТ- мониторов начался с появления персональных компьютеров. Например, ЭВМ IBM 5100, разработанная в 1975 году, имела встроенный пятидюймовый ЭЛТ- монитор, способный отображать 16 строк по 64 символа в каждой. Видеоадаптера, как такового, в ЭВМ не было, а изображение выводилось с помощью контроллера дисплея, имеющего прямой доступ к оперативной памяти по адресам 0x0200..0x05ff, где содержался текст для отображения.
Подобная технология отображения замедляла работу ЭВМ, так как для формирования изображения использовался центральный процессор. Также негативно сказывалось на быстродействие частое обращение к ОЗУ для считывания области, содержащей информацию для отображения.
Поэтому вскоре для отображения данных на мониторе были разработаны специальные видеоадаптеры, значительно разгружающие центральный процессор и ОЗУ, так как видеоадаптеры оснащались встроенным ОЗУ и не требовали постоянного обращения к основному ОЗУ для регенерации изображения.
Первый такой видеоадаптер был разработан в 1981 году, назывался он Monochrome Display Adapter (MDA) и использовался в IBM PC.
Как следует из названия, адаптер был монохромный, работал только в текстовом режиме с разрешением 80х25 символов (720х350 точек).
Стандартный видеоадаптер MDA основывался на чипе Motorola 6845 и содержал 4 КБ видеопамяти. Частота развёртки составляла 50 Гц.
Цвет выводимого текста определялся типом люминофора, используемого в кинескопе монитора. Обычно использовался люминофор P1 – зеленый цвет, люминофор P3 – светло-коричневый, или люминофор P4 – белый. В первых мониторах, выпускаемых для адаптера MDA, использовался зеленый люминофор, примером таких мониторы может быть IBM 5151.
Практически одновременно, в 1981 году, был выпущен цветной видеоадаптер CGA - Color Graphics Adapter. Видеоадаптер поддерживал максимальное разрешение 640х200 и палитру, состоящую из 16 цветов. Работал видеоадаптер в двух режимах – текстовом и графическом. В текстовом режиме можно было использовать все 16 цветов и разрешение, либо 40 на 25 символов, либо 80 на 25 символов.
В графическом режиме при разрешении 320 на 200 пикселей можно было использовать 4 цвета из стандартных политр: пурпурный, сине-зелёный, белый и черный или красный, зелёный, коричневый/жёлтый и черный. При разрешении 640х200 отображение было монохромным (черно-белым).
Дополнительные настройки позволяли формировать свои палитры из доступных 16 цветов и, например, делать отображение при разрешении 640х200 не черно-белым, а черно-зеленым и так далее.
В момент выпуска видеоадаптера не было мониторов, способных использовать все его возможности. Имеющиеся монохромные мониторы или NTSC-совместимый телевизор могли подключаться к видеоадаптеру только через композитный разъем. Но при этом качество отображения было ужасным, особенно при высоком разрешении (640х200).
Монитор, полностью поддерживающий все функции видеоадаптера, был выпущен компанией IBM только в 1983 году – это был 12-дюймовый монитор IBM 5153. Позже различными производителями было выпущено множество аналогов этого монитора.
В 1984 году компанией Hercules Computer Technology был выпущен еще один видеоадаптер - Hercules Graphics Card (Hercules) - графический адаптер Геркулес. Он поддерживал не только текстовый режим, как MDA, с разрешением 80х25 символов, но и графический, с разрешением 720х348. Hercules все еще оставался монохромным, но поддержка более высокого, чем CGA разрешения, совместимость с широко распространенными мониторами стандарта MDA, такими как IBM 5151, сделали его популярной альтернативой видеоадаптера CGA.
Однако не видеоадаптеры CGA, не видеоадаптеры Hercules не удовлетворяли растущим потребностям пользователей ЭВМ. Поэтому в том же 1984 году появился видеоадаптер Enhanced Graphics Adapter (EGA), что в переводе означает - усовершенствованный графический адаптер.
Видеоадаптер EGA значительно превосходил по техническим возможностям своих предшественников. Он мог формировать графическое изображение, используя 16 цветов из 64 цветной палитры при разрешении 640х350 точек.
Но для полноценного использования нового видеоадаптера потребовались мониторы нового стандарта, позволяющие работать с цветным изображением высокого разрешения (естественно высокого для того времени).
Чтобы не оказаться в невыгодной позиции на рынке, разработчики нового видеоадаптера предусмотрели возможность поддержки различных цветовых режимов и разрешений, повторяющих возможности предыдущих стандартов и возможность вывода изображения на мониторы предыдущих стандартов. Естественно, при этом страдало качество изображения, либо уменьшалась разрешающая способность, либо количество цветов, но при этом открывались дополнительные возможности для пользователей, которые могли модернизировать свои системы постепенно, не затрачивая сразу большие суммы.
Перед подключением монитора на плате необходимо было настроить конфигурацию видеоадаптера для работы с выбранным стандартом монитора и режима формирования изображения (графическое, тестовое, разрешение картинки и т.д.). Для этого предназначались шесть переключателей, обычно, располагающихся на задней стороне видеоадаптера. В частности, поддерживались следующие стандарты мониторов:
Стоит отметить, что большинство видеоадаптеров EGA выпускались всего лишь с 64 кб памяти, что было недостаточно для отображения 16-цветного изображения с разрешением 640x350 точек, а позволяло использовать только 4 цвета или 16 цветов, но при разрешении 640x200.
Естественно, были видеоадаптеры с 128 кб памяти и даже с 256 кб, но стоили они значительно дороже, и далеко не все могли их себе позволить, впрочем, как и новые EGA-мониторы. Так что на практике в большинстве случаев возможности нового видеоадаптера использовались не полностью, но, несмотря на это, он пользовался большой популярностью, и замена ему вышла только спустя три года. Это был новый стандарт видеоадаптеров MCGA.
MultiColor Graphics Adapter (MCGA) ? многоцветный графический адаптер, выпущенный в 1987 году. Он значительно превосходил все существующие на тот момент видеоадаптеры по количеству цветов в палитре, составляющим 262144.
Но объем видеопамяти был маленький, всего 64 Кб, что сильно снижало его возможности, но это положительно сказалась на его цене.
Единовременно адаптер мог отображать 256 цветов, выбранных из палитры, но из-за ограниченной видеопамяти разрешение экрана при этом составляло всего 320х200. При монохромном отображении или в текстовом режиме разрешение было несколько выше.
Основные характеристики графического адаптера следующие:
Объем памяти: 64 Кб;
Тестовое разрешение: 640x400 (80х50 символов при размере символа 8х8 или 80х25 символов при размере символа 8х16);
Количество цветов: 256, выбираемых из палитры 262144 цветов;
Разрешение экрана при отображении 256 цветов: 320x200;
Разрешение экрана в монохромном режиме: 640?480;
Частота строчной развертки: 31,5 KГц.
Впервые этот адаптер использовался в ЭВМ IBM PS/2 Model 30, представленной второго апреля 1987 года. Причем он представлял собой не отдельную плату, а встраивался в материнскую плату ЭВМ. Позже MCGA использовался в IBM PS/2 Model 25 тоже в виде интегрированной в материнскую плату системы.
Адаптер не успел завоевать широкую популярность, так как очень быстро был вытеснен сильно превосходящим его графическим адаптером VGA. И после снятия с производства ЭВМ IBM PS/2 25 и 30 перестал выпускаться и адаптер MCGA.
Графический адаптер VGA (Video Graphics Array) был разработан компанией IBM в 1987 и впервые был использован в ЭВМ IBM PS/2 Model 50. Вскоре VGA стал общепризнанным стандартом мониторов и видеоадаптеров.
Основное разрешение, поддерживаемое адаптером VGA, было 640х480 пикселей, при этом одновременно отображалось 16 цветов, выбираемых из палитры 262144 оттенка. Новое разрешение позволяло более качественно отображать картинку и имело отношение сторон 4:3, которое надолго стало стандартом, и только в последние годы было вытеснено широкоформатным отображением, как в мониторах, так и в телевизорах, которые в принципе с каждым днем все меньше и меньше отличаются от мониторов.
Видеоадаптер VGA поддерживал и другие расширения:
и это не считая текстового режима отображения.
В отличие от предыдущих графических адаптеров, в VGA использовался аналоговый сигнал для передачи отображаемой информации монитору. Использование аналогового сигнала позволяло уменьшить количество проводов в кабеле, так как передавать требовалось только сигналы трех основных цветов и сигналы синхронизации, и отдельный канал выделялся для передачи служебной информации. Также новый аналоговый интерфейс связи между графическим адаптером и монитором позволял в дальнейшем увеличивать количество единовременно отображаемых цветов без изменения интерфейса связи с монитором и собственно без изменения самого монитора.
Но для работы с графическими адаптерами VGA были нужны новые многочастотные аналоговые мониторы. Эти мониторы могли работать с различной частотой кадров, что позволяло им поддерживать режимы с различной разрешающей способностью и практически неограниченное число цветов, и полностью обеспечивать весь потенциал графических адаптеров VGA.
Со временем графические интерфейсы операционных систем прочно вошли в нашу жизнь, появлялось огромное число видеоигр и различных приложений, требующих высокого разрешения и способности отображение более чем 256 цветов. Видеоадаптер VGA не был в состоянии удовлетворить возросшие потребности пользователей, в результате многие фирмы стали выпускать собственные расширенные версии видеоадаптера VGA, впоследствии получивших общее название Super VGA или SVGA. Со временем возможности видеоадаптеров SVGA росли. Стали поддерживаться режимы: High Color и True Color, в которых одновременно отображалось 32768 и более чем 16,7 миллионов различных цветов. Поддерживались разрешения: 800х600, 1024х760, 1280х1024, 1600х1200 и т.д.
Параллельно, с развитием видеоадаптеров SVGA, совершенствовались и мониторы. Увеличивалась частота развертки, поддерживаемые разрешения, качество цветопередачи и т.д.
Казалось, что ЭЛТ-мониторы прочно и надолго вошли в нашу жизнь, но буквально за несколько лет про них практически забыли, и сейчас мало у кого можно их встретить. Всему виной стали ЖК-мониторы, незаметно, в тени славы ЭЛТ-мониторов, достигнувшие вершин качества отображения, сравнимых с качеством отображения и цветопередачи ЭЛТ-мониторов. Но при этом ЖК-мониторы были более компактные и эргономичные. Естественно у них были свои недостатки, но они все менее и менее сказываются на их качестве. Но более подробно об истории ЖК-мониторов и их устройствах поговорим в одной из следующих статей.
Изготовители электронно-лучевых трубок еще не исчерпали своего потенциала и словно только пробуют силы, держа в руках давно испытанный, но по-прежнему дорогостоящий компонент, технологический прогресс которого идет болезненно медленно на фоне стремительно развивающихся новинок. Профессиональные мониторы становятся дешевле, и этот факт, несомненно, очень радует пользователей, нуждающихся в высоком качестве картинки на экране. Если раньше они предпочитали только мониторы brand name (от Sony или ViewSonic) - хорошие, конечно, но довольно дорогие, то теперь на рынке появляется все больше моделей, обладающих порой даже более высокими характеристиками и к тому же позволяющих сэкономить ощутимую сумму.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ; Cathode Ray Tube, или CRT) - это традиционная технология формирования изображения на «дне» герметично запечатанной стеклянной «бутылки». Мониторы получают сигнал от компьютера и преобразуют его в форму, воспринимаемую электронно-лучевой пушкой, расположенной в «горлышке» огромной колбы. Пушка «стреляет» в нашу сторону, а широкое дно (куда мы, собственно, и смотрим) состоит из «теневой маски» и люминесцентного покрытия, на котором создается изображение. Электромагнитные поля управляют пучком электронов: отклоняющая система изменяет направление потока частиц таким образом, что они достигают нужного места на экране, проходя через теневую маску, падают на фосфоресцирующую поверхность и формируют изображение (активизированный электронным лучом участок экрана испускает свет, видимый глазом; рис.1). Такая технология называется «эмиссионной».Экран монитора представляет собой матрицу, состоящую из гнезд-триад, определенной структуры и формы (зависящей от конкретной технологии изготовления - см. далее). Каждое такое гнездо состоит из трех элементов (точек, полос или других структур), формирующих RGB-триаду, в которой основные цвета располагаются настолько близко друг к другу, что отдельные элементы неразличимы для глаза.
Таким образом, электронно-лучевые трубки, используемые в современных мониторах, имеют следующие основные элементы:
С этими элементами и связана непрерывная борьба производителей за качество изображения.
Электронная пушка состоит из подогревателя, катода, испускающего поток электронов, и модулятора, ускоряющего и фокусирующего электроны.
В современных кинескопах применяются оксидные катоды, в которых электроны испускаются эмиссионным покрытием из редкоземельных элементов, нанесенным на никелевый колпачок с расположенной внутри него нитью накала. Подогреватель обеспечивает нагревание катода до температуры 850-880 °C, при которой и происходит испускание (эмиссия) электронов с поверхности катода. Остальные электроды трубки используются для ускорения и формирования пучка электронов.
Соответственно каждая из трех электронных пушек создает пучок электронов для формирования своего цвета. При этом различают ЭЛТ с дельтовидным и планарным расположением пушек.
В случае дельтовидного расположения электронные пушки размещаются в вершинах равностороннего треугольника под углом 1° к оси кинескопа.
Ошибка в значении угла наклона не должна превышать 1’. Наклон пушек выбирается таким образом, чтобы электронные лучи пересекались в некоторой точке (точке схождения) и дальше, расходясь на определенный угол, образовывали на маске небольшой круг, в пределах которого одновременно может находиться только одно отверстие теневой маски и одна RGB-триада (три точки люминофора основных цветов). Соответственно точки люминофора при этом также располагают по вершинам равностороннего треугольника, образующего эту триаду. Центр каждого отверстия в теневой маске расположен напротив оси симметрии данной триады точек люминофора.
Электронные лучи, расходясь после теневой маски, попадают на точки люминофора соответствующего цвета и заставляют их светиться.
Электронный луч достигает экрана, пройдя через теневую маску, которая может иметь различную (точечную или линейную) структуру. Теневая маска, выполненная из тонкого сплава, направляет электронный луч на флуоресцирующий материал определенного цвета.
При этом маска задерживает 70-85% всех электронов, испускаемых катодами, в результате чего она нагревается до высокой температуры.
Раньше маски изготавливали из сплавов на основе железа, и при сильном нагревании они деформировались, в результате чего отверстия смещались относительно триад люминофора. Для компенсации смещений маска крепилась к экрану при помощи системы «замков» из материала со специально подобранным коэффициентом температурного расширения; при нагревании эти «замки» перемещали маску вдоль оси ЭЛТ в сторону экрана.
В современных моделях применяется теневая маска из инвара - специального сплава с оченьнебольшим коэффициентом температурного расширения, поэтому смещение масок при нагреве остается минимальным.
В кинескопах с планарным расположением пушек используются щелевые маски, а люминофор трех основных цветов наносится на экран в виде вертикальных чередующихся полосок таким образом, чтобы одному щелевидному отверстию соответствовала своя RGB-триада. В таких ЭЛТ все три электронные пушки соосны друг другу, расположены в одной вертикальной плоскости и наклонены под небольшим углом к горизонтальной плоскости. Такое расположение в значительной мере позволяет скомпенсировать воздействие на пучки электронов магнитного поля Земли и упростить сведение лучей.
Расходясь после точки схождения, лучи образуют эллипс, охватывающий одновременно только одно отверстие щелевой маски и соответственно три находящиеся за ней полоски люминофора. Отверстие щелевой маски находится напротив средней (зеленой) полоски люминофора.
Отношение площади отверстий к общей площади маски в электронно-лучевых трубках такого типа значительно выше, чем у теневой маски, поэтому та же яркость свечения может быть достигнута при значительно меньшей мощности электронных пучков и, следовательно, срок службы таких кинескопов существенно больше.
По достижении поверхности экрана луч взаимодействует с ним, при этом энергия электронов преобразуется в световую. Экран представляет собой обладающую особыми оптическими свойствами стеклянную поверхность, на которой распылен специальный фосфоресцирующий материал. Высокое качество изображения достигается правильным выбором материалов и технологии. Фосфоресцирующий материал должен обеспечивать требуемую энергетическую эффективность, разрешающую способность, долговечность, точную цветопередачу и послесвечение.
Для минимизации отражающих свойств экрана используются специальные антибликовые панели. Не ухудшая изображения, они ослабляют блики, а также уменьшают электромагнитное излучение монитора. Однако, ввиду высокой стоимости таких панелей, они используются в дорогих мониторах с большим разрешением, например в 21-дюймовых. В последнее время вместо антибликовой панели на мониторах с диагональю 21 дюйм и меньше используют антибликовое покрытие. Такое покрытие, как и панели, ограничивает излучение в соответствии со стандартами ТСО. Новые технологии позволяют перейти к коммерческому использованию мониторов с антибликовым покрытием.
Антистатическое покрытие экрана обеспечивается с помощью напыления специального химического состава для предотвращения накопления электростатического заряда. Оно требуется в соответствии с рядом стандартов по безопасности и эргономике, в том числе MPR II.
Время горизонтального перемещения луча от левого до правого края экрана называется периодом горизонтальной развертки. Величина, обратно пропорциональная этому периоду, называется частотой горизонтальной развертки, или просто горизонтальной разверткой (иногда встречаются названия «частота строчной развертки», или «строчная частота»), и измеряется в килогерцах (кГц). Например, для монитора с разрешением 1024 x 768 пикселов горизонтальная развертка обратно пропорциональна времени, за которое луч сканирует 1024 пиксела. При увеличении разрешающей способности за тот же период времени лучом должно быть отсканировано большее число пикселов. При увеличении частоты кадров частота горизонтальной развертки также должна быть увеличена.
Монитор с электронно-лучевой трубкой обновляет изображение на экране десятки раз в секунду. Это число называется частотой вертикальной развертки, или частотой обновления экрана, и измеряется в герцах (Гц).
Монитор с вертикальной разверткой 60 Гц имеет такую частоту мерцания, как лампа дневного света в США (несколько выше, чем в Европе, где частота сети 50 Гц). Обычно при частотах выше 75 Гц мерцание незаметно для глаза (режим без мерцания). Стандарт VESA рекомендует работу на частоте 85 Гц, считая это важным потребительским показателем эргономичности монитора.
Расчет частоты горизонтальной развертки исходя из частоты кадров: Горизонтальная развертка = (число строк) x (вертикальная развертка) x 1,05. Например, требуемая горизонтальная развертка при вертикальной частоте 85 Гц и разрешении 1024 x 768 составляет: 768 x 85 x 1,05 = 68 500 Гц = = 68,5 кГц.
Разрешающая способность характеризует качество воспроизведения изображения монитором. Для получения высокого разрешения в первую очередьвысококачественным должен быть видеосигнал. Электронные цепи должны обработать его таким образом, чтобы обеспечить правильные уровни и сочетания фокусировки, цвета, яркости и контраста. Разрешающая способность характеризуется числом точек, или пикселов (dot) на число строк (line). Например, разрешение монитора 1024 x 768 означает возможность различить до 1024 точек по горизонтали при числе строк до 768.
Например, если горизонтальное разрешение 820 точек, а период отображения данных по горизонтали 10,85 нс = 10,85 x 10-6 с, то требуется частота пикселов (pixel rate) примерно 76 МГц. Монитор с высоким разрешением может выводить на экран в 24 раза больше информации, нежели телевизор.
Контраст характеризует яркость экрана по сравнению с темной зоной в отсутствие видеосигнала. Контраст можно настроить регулировкой «Усиление», воздействуя на входной видеосигнал.
Под равномерностью понимается постоянство уровня яркости по всей поверхности экрана монитора, которое обеспечивает пользователю комфортные условия для работы. Временная неравномерность цвета может быть устранена размагничиванием экрана. Принято различать «равномерность распределения яркости» и «равномерность белого».
Для получения четкого изображения и чистых цветов на экране монитора красный, зеленый и синий лучи, исходящие из всех трех электронных пушек, должны попадать в точно заданное место на экране. Термин «несведение лучей» означает отклонение красного и синего от центрирующего зеленого.
Под статическим несведением понимается несведение трех цветов (RGB), одинаковое на всей поверхности экрана, вызванное незначительной погрешностью при сборке электронной пушки. Изображение на экране может быть откорректировано регулировкой статического сведения.
В то время как в центре экрана монитора изображение остается четким, на его краях может проявиться несведение. Оно вызывается ошибками в обмотках или при их установке и может быть устранено с помощью магнитных пластин.
Электронный луч, если не предприняты специальные меры, расфокусируется (увеличивается в диаметре) по мере удаления его от центра экрана. Для компенсации искажения формируется специальный компенсирующий сигнал. Величина компенсирующего сигнала зависит от свойств ЭЛТ и ее отклоняющей системы. Чтобы устранить смещение фокуса, вызванное различием в путях пробега луча (расстоянии) от электронно-лучевой пушки до центра и до краев экрана, требуется увеличивать напряжение с ростом отклонения луча от центра с помощью высоковольтного трансформатора, как показано на рис. 4.
Чистота и четкость изображения достигается, когда каждый из электронных лучей RGB падает на поверхность экрана в строго определенной точке. Отсюда следует, что требуется выверенная взаимосвязь между электронной пушкой, отверстиями теневой маски и точками фосфоресцирующей поверхности (люминофора) экрана. Нарушение чистоты и четкости изображения могут быть обусловлены следующими причинами:
Монитору свойственно мерцание. Оно связано с тем, что по истечении определенного времени происходит ослабление излучения света фосфором. Чтобы поддерживать свечение, экран должен быть подвержен периодическому воздействию луча от электронно-лучевой трубки. Мерцание становится заметным, если интервал времени между воздействиями слишком велик или недостаточно время послесвечения фосфоресцирующего вещества экрана.
Эффект мерцания может также усугубляться ярким экраном и большим углом зрения к нему. Устранению мерцания как проблеме эргономики в последнее время уделяется все больше внимания - мерцание экрана, таким образом, становится ключевым коммерческим показателем товара. Уменьшение мерцания достигается увеличением частоты регенерации (обновления) экрана на каждом уровне разрешения. Стандарт VESA рекомендует использовать частоту не менее 85 Гц.
Дрожание изображения возникает вследствие высокочастотных вибраций отверстий маски монитора, вызванных как взаимовлиянием сети, сигналов видео, смещения, блока управления микропроцессорными цепями, так и неправильной организацией заземления. Термин «дрожание» относится к колебаниям с частотами выше 30 Гц. При частотах от 1 до 30 Гц чаще употребляют термин «плавание», а ниже 1 Гц - «дрейф». Дрожание в той или иной степени свойственно всем мониторам. Хотя незначительное дрожание может остаться для пользователя незаметным, оно все же вызывает утомление глаз и должно быть отрегулировано. В части 3 ISO 9241 (Предписания по эргономике) допускается диагональное отклонение точки не более 0,1 мм.
Современные мониторы с любой маской имеют практически плоскую форму экрана, благодаря которой существенно снижаются искажения геометрии, особенно по углам. Поэтому тип маски по форме экрана определить не так просто.
На сегодняшний день в ЭЛТ-дисплеях используются три основные технологии формирования матриц и масок для RGB-триад:
Изготовители различных моделей говорят о больших преимуществах именно своей технологии, но тот факт, что на рынке предлагается несколько моделей и, кроме того, многие производители мониторов выпускают модели с различными типами матриц, показывает, что однозначного выбора не бывает. Предпочтения определяются только вкусами пользователя и его задачами.
Наиболее старая и широко используемая технология с так называемой теневой маской использует перфорированную металлическую пластину, помещаемую перед люминофором. Она маскирует три отдельных луча, каждый из которых управляется собственной электронной пушкой. Маскирование обеспечивает необходимую концентрацию каждого луча и обеспечивает его попадание только на нужный цветовой участок люминофора. Однако практика показывает, что ни один из мониторов не обеспечивает идеального выполнения этой задачи по всей поверхности экрана.
Ранние ЭЛТ-дисплеи с теневой маской имели выраженную криволинейную (сферическую) поверхность. Это позволяло добиваться лучшей фокусировки и уменьшало нежелательные эффекты и отклонения, вызываемые нагревом. В настоящее время большинство профессиональных и специализированных мониторов имеет практически плоский прямоугольный экран (типа FST).
Мониторы с теневой маской имеют свои преимущества:
Из недостатков можно отметить меньшую яркость таких мониторов, недостаточную контрастность изображения и более короткий срок службы, по сравнению с другими типами дисплеев.
Новую технологию изготовления CRT-дисплеев - с апертурной решеткой вместо традиционной точечной маски - впервые предложила фирма Sony, выпустив мониторы с трубкой Trinitron. В электронных пушках этих трубок используются динамические квадрупольные магнитные линзы, позволяющие формировать очень тонкий и точно направленный пучок электронов.
Благодаря такому решению значительно снижается астигматизм - рассеивание электронного пучка, приводящее к недостаточной резкости и контрастности изображения (особенно по горизонтали). Но главное отличие от технологии с теневой маской здесь состоит в том, что вместо металлической пластины с круглыми отверстиями, выполняющей функции маски, здесь используется вертикальная проволочная сетка (апертурная решетка) и люминофор наносится не в виде точек, а в виде вертикальных полос.
Мониторы с апертурной решеткой имеют следующие преимущества:
Из недостатков можно отметить только «неприятные» горизонтальные нити - ограничители, используемые в таких мониторах для придания проволочной сетке дополнительной жесткости. Хотя проволочки в апертурной решетке туго натянуты, в процессе работы они могут вибрировать под воздействием пучков электронов. Демпферная нить (а в экранах больших размеров - две нити) служит для ослабления колебаний и гашения вибрации. По этим нитям мониторы с трубкой Trinitron можно отличить от других моделей. Кроме того, если в процессе работы такого монитора его слегка качнуть, колебания изображения будут видны даже невооруженным глазом. Именно поэтому мониторы с этими трубками не рекомендуется ставить на системные блоки типа desktop.
Остается добавить, что в электронно-лучевых трубках Sony Trinitron используется система трех пучков электронов, излучаемых одной пушкой, а в трубках с подобной апертурной решеткой компании Mitsubishi - Diamondtron - система из трех лучей с тремя пушками.
И, наконец, последний, комбинированный тип электронно-лучевой трубки, так называемый CromaСlear/OptiClear (впервые предложенный фирмой NEC) - это вариант теневой маски, в которой используются не круглые отверстия, а щели, как в апертурной решетке, только короткие - «пунктиром», и люминофор наносится в виде таких же эллиптических полосок, а полученные таким образом гнезда для большей равномерности расположены в «шахматном» порядке.
Такая гибридная технология позволяет сочетать все преимущества вышеописанных типов при отсутствии их недостатков. Четкий и ясный текст, натуральные, но достаточно яркие цвета и высокая контрастность изображения неизменно привлекают к этим мониторам все группы пользователей.
В статье использованы некоторые материалы с русскоязычного Web-сайта компании Samsung Electronics (http://www.samsung.ru).
КомпьютерПресс 5"2000
Здравствуйте, читатели моего блога, которых заинтересовал ЭЛТ монитор. Я постараюсь, чтобы эта статья была интересна всем, и тем, кто уже не застал их, и тем, у кого данное устройство приятно ассоциируется с первым опытом освоения персонального компьютера.
Сегодня дисплеи ПК представляют собой плоские и тонкие экраны. Но в некоторых малобюджетных организациях можно встретить и массивные кинескопные мониторы. С ними связана целая эпоха в развитии мультимедийных технологий.
Свое официальное название ЭЛТ мониторы получили от русской аббревиатуры термина «электронно-лучевая трубка». Английским аналогом которой является фраза Cathode Ray Tube с соответствующим сокращением CRT.
До того как в домах появились ПК, данный электротехнический прибор был представлен в нашем быту кинескопными телевизорами. Они одно время даже использовались в качестве дисплеев (прикиньте). Но об этом позже, а сейчас давайте немного разберемся в принципе действия ЭЛТ, что позволит нам говорить о таких мониторах на боле серьезном уровне.
История развития электронно-лучевой трубки и ее превращение в ЭЛТ мониторы с достойным разрешением экрана насыщена интересными открытиями и изобретениями. Сначала это были приборы типа осциллограф, экраны радаров РЛС. Потом развитие телевидения подарило нам более удобные для просмотра устройства.
Если говорить конкретно о дисплеях персональных компьютеров, доступных широкому кругу пользователей, то титул первого моника наверное, стоит отдать векторной дисплейной станции IBM 2250. Создали его в 1964 году для коммерческого использования вместе с ЭВМ серии System/360.
Компании IBM принадлежит много разработок по оснащению ПК мониторами, в том числе и проектирование первых видеоадаптеров, ставших прообразом современных мощных и стандартов передаваемого на дисплей изображения.
Так, в 1987 увидел свет адаптер VGA (Video Graphics Array) работающий с разрешением 640×480 и соотношением сторон 4:3. Эти параметры оставались базовыми для большинства выпускаемых мониторов и телевизоров до появления широкоформатных стандартов. В процессе эволюции ЭЛТ мониторов происходило множество изменений в технологии их производства. Но я хочу отдельно остановиться на таких моментах:
Зная, как работает кинескоп, мы сможем разобраться в особенностях ЭЛТ мониторов. Луч, выпускаемый электронной пушкой, отклоняется индукционным магнитом, чтобы попасть точно в специальные отверстия в маске, расположенной перед экраном.
Они формируют пиксель, а их форма определяет конфигурацию цветных точек и качественные параметры получаемой картинки:
Но не только форма пикселя определяла достоинства монитора. Со временем и его размер стал иметь определяющее значение. Он изменялся в пределах от 0,28 до 0,20 мм, и маска с меньшими, более плотными отверстиями позволяла создавать изображения высокого разрешения.
Важной и, увы, заметной для потребителя характеристикой оставалась частота обновления экрана, выражавшаяся в мерцании изображения. Разработчики старались изо всех сил, и постепенно вместо чувствительных 60 Гц динамика смены выводимой картинки достигла 75, 85 и даже 100 Гц. Последний показатель уже позволял работать с максимальным комфортом и глаза почти не уставали.
Работая над улучшением качества продолжалась. Разработчики не забывали и о таком неприятном явлении, как низкочастотное электромагнитное излучение. В таких экранах это излучение направленно электронной пушкой прямо на пользователя. Для устранения этого недостатка использовались всевозможные технологии и применялись разные защитные экраны и защитные покрытия для экранов.
Ужесточались и требования к безопасности мониторов, которые нашли отражение в постоянно обновляемых стандартах: MPR I, MPR II, TCO"92, TCO"95 и TCO"99.
Работы над постоянным совершенствованием мультимедийной видео техники и технологий со временем привели к появлению цифрового видео высокой четкости. Чуть позже появились тонкие экраны с подсветкой от экономных светодиодных ламп. Эти дисплеи стали воплощением мечты, ведь они:
И не специалистам было понятно, что эпоха CRT мониторов завершилась. И казалось, что возврата к этим устройствам уже не будет. Но некоторые профессионалы, знающие все особенности новых и старых экранов, не спешили избавляться от высококачественных ЭЛТ дисплеев. Ведь по некоторым техническим характеристикам они явно выигрывали у своих ЖК конкурентов:
Именно последние два качества оставили кинескопным дисплеям шанс еще раз проявить себя. И они оказались до сих пор востребованы у игроманов и, особенно, у специалистов, работающих в сфере графического дизайна и обработки фотографий.
Вот такая длинная и интересная история у старого, доброго друга, называемого ЭЛТ монитор. И если у вас дома или на предприятии еще остался такой, вы можете снова опробовать его в деле и по-новому оценить его качества.
На этом я прощаюсь с вами, мои дорогие читатели.
Мониторы на электронно-лучевых трубках (ну и телевизоры в том числе)
– наверное единственные устройства в быту, которые содержат радиолампу
(кинескоп как раз оной и являются), и всё сильнее вытесняются
аналогичными устройствами с ЖК матрицей. Давайте разберем и посмотрим,
что же содержится внутри монитора.
Первая вставшая проблема – как разобрать. Вроде все шурупы
выкрутил – а не открывается. Оказалось это всё злощастная защелка в
крышке, на которую нужно нажать тонкой отверткой, причем достаточно
сильно, а я боясь ее сломать давил легонько, потому и пошкрябал
поверхность:
Сняв верхнюю пластмассовую крышку мы можем видеть
электромагнитный экран, выполненный виде кожуха из весьма толстой
перфорированной алюминиевой фольги. Его предназначение – Не выпускать
электромагнитное излучение создаваемое монитором в процессе работы.
Кожух электрически соединен с шасси, которая в свою очередь заземлена.
Снимем экран и увидим начинку. На кинескоп надеты слева направо:
Провод подключения анода (красный с резинкой виде присоски),
Отклоняющая система, магниты фокусировки и плата контроллера, надетая
на торец кинескопа, питающая катод.
ВНИМАНИЕ! НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ МОНИТОР СО СНЯТОЙ КРЫШКОЙ!!! На анод подается ускоряющее напряжение +25000 вольт, касание смертельно.
Как же работает монитор? Вкратце получится следующее. Катод
представляет собой нечто вроде спиральки электрической лампочки. Когда
на катод подают напряжение, он разогревается, и из-за явления
термоэлектронной эмиссии с него начинают вылетать электроны. Так как в
кинескопе вакуум то ничего не мешает электронам двигаться в
пространстве. Вылетевший электрон начинает равноускоренно двигаться в
направлении экрана, так как он притягивается положительным зарядом
анода (напомню, у электрона заряд отрицательный) Пролетая фокусирующие
магниты поток электронов фокусируется в тонкий луч. Далее луч попадает
в область действия отклоняющей системы. Отклоняющая система магнитная и
представляет собой несколько катушек особой формы. Подавая на катушки
напряжение можно формировать такое магнитное поле, которое отклонит
электронный луч в любую точку экрана. Заставляя меняться магнитное поле
мы заставим луч последовательно пробегать экран строка за строкой, так
мы получим изображение. Электроны попадающие на экран бомбардируют
люминофор, вещество которое светится при облучении электронами. За счет
инерционности зрения мы видим сформированную на экране картинку, хотя
она представляет собой последовательно зажженные точки. Это принцип
работы вкратце и упрощенно. Более подробные материалы можно найти в
интернете.
Теперь несколько часто задаваемых вопросов.
Что при включении монитора гудит и шуршит, и после выключении монитора тоже шуршит?
Гудит при включении петля размагничивания. Дело в том то
непосредственно за экраном есть маска из железа, которая позволяет
строить цветные изображения. Если эта маска намагнитится, то цвета на
мониторе поплывут, поэтому ее при каждом включении размагничивают
переменным магнитным полем. Для этого служит петля размагничивания –
черный жгут на самой широкой части кинескопа. На нее при включении на
пару секунд подается переменный ток частотой 50 герц который и снимает
намагниченность маски. Теперь про шуршание. Дело в том, что в процессе
эксплуатации внутри монитора скапливается пыль. Когда пыли много она
покрывает кинескоп. При включении монитора на анод подается
положительное напряжение, которое формирует на его поверхности
статический заряд. Статический заряд притягивает пылинки, и когда вся
пыль на кинескопе начинает массово к нему притягиваться это и дает
такое шуршание. Когда монитор выключают – электроника начинает заряд с
кинескопа снимать, и пылинки отлипают от монитора под воздействием силы
упругости, и опять таки когда они начинают это делать массово – слышно
шуршание.
Монитор излучает много вредных полей и долго сидеть за ним вредно
Как мы могли убедиться разобрав монитор – у него есть
алюминиевый экран, который не выпускает электромагнитное излучение
наружу. Передняя поверхность монитора тоже покрыта тончайшей пленкой из
метала (обратите внимание, у телевизоров такого напыления нет, поэтому
на его поверхности накапливается статический заряд, который трещит если
провести рукой, у мониторов же такого нет). Электроны, бомбардирующие
люминофор излучают мягкий рентген, но он полностью поглощается стеклом
экрана. Если монитор заземлен то можно с уверенностью сказать, никаких
вредных полей в огромном количестве он не излучает. Что касается
вредности для глаз, то вредность заключается в:
1)Мерцании картинки. Комфортную картинку даёт частота обновления не
менее 85 Гц, но ОС зачастую по умолчанию устанавливает минимум – 60 Гц,
так что проверьте и правильно настройте свой монитор. В противном
случае будет повышенная утомляемость глаз.
2)Постоянная статическая нагрузка на глаза. В течении часов глаз
фокусирован на расстоянии в полметра, что опять таки ведет к утомлению.
Но конструкция монитора тут не причем, та же самая нагрузка и при
чтении книги.
А правда что ЭЛТ мониторы вреднее ЖК?
Нет, неправда. Правильно настроенный ЭЛТ монитор по степени вреда аналогичен ЖК монитору.
Я видел/слышал что есть специальные защитные экраны, которые нужно
разместить перед экраном что бы оградиться от вредного воздействия
монитора.
Да действительно, такие экраны были, и представляли собой кусок
стекла, с напыленной прозрачной металлизацией, но они нужны были в 90х
годах, когда конструкция мониторов была несовершенна. Как было сказано
выше на современных мониторах подобная металлизация уже сделана на
кинескопе, так что необходимость в дополнительной защите отсутствует.
А еще говорят что кактусы рядом с монитором впитывают вредные излучения, и защищают пользователя
Это
полнейшая ерунда. Электромагнитное излучение нельзя всосать из
окружающего пространства, его можно поглотить, но поглотить можно
только то, что падает на тело. Миф про кактусы – устойчивый бытовой
миф, регулярно всплывающий в статейках «на заметку» в бульварной
прессе.
А еще продаются такие специальные наклеечки от вредного излучения…
Подобного рода наклеечки, в том числе и для мобильных телефонов – обыкновенная афера.
С 1902 года с трубкой Брауна работает Борис Львович Розинг . 25 июля 1907 года он подал заявку на изобретение «Способ электрической передачи изображений на расстояния». Развертка луча в трубке производилась магнитными полями, а модуляция сигнала (изменение яркости) с помощью конденсатора, который мог отклонять луч по вертикали, изменяя тем самым число электронов, проходящих на экран через диафрагму. 9 мая 1911 года на заседании Русского технического общества Розинг продемонстрировал передачу телевизионных изображений простых геометрических фигур и приём их с воспроизведением на экране ЭЛТ.
В начале и середине XX века значительную роль в развитии ЭЛТ сыграли Владимир Зворыкин , Аллен Дюмонт и другие.
Устройство чёрно-белого кинескопа
В баллоне 9 создан глубокий вакуум - сначала выкачивается воздух, затем все металлические детали кинескопа нагреваются индуктором для выделения поглощённых газов, для постепенного поглощения остатков воздуха используется геттер .
Для того, чтобы создать электронный луч 2 , применяется устройство, именуемое электронной пушкой . Катод 8 , нагреваемый нитью накала 5 , испускает электроны. Чтобы увеличить испускание электронов, катод покрывают веществом, имеющим малую работу выхода (крупнейшие производители ЭЛТ для этого применяют собственные запатентованные технологии). Изменением напряжения на управляющем электроде (модуляторе ) 12 можно изменять интенсивность электронного луча и, соответственно, яркость изображения (также существуют модели с управлением по катоду). Кроме управляющего электрода, пушка современных ЭЛТ содержит фокусирующий электрод (до 1961 года в отечественных кинескопах применялась электромагнитная фокусировка при помощи фокусирующей катушки 3 с сердечником 11 ), предназначенный для фокусировки пятна на экране кинескопа в точку, ускоряющий электрод для дополнительного разгона электронов в пределах пушки и анод. Покинув пушку, электроны ускоряются анодом 14 , представляющем собой металлизированное покрытие внутренней поверхности конуса кинескопа, соединённое с одноимённым электродом пушки. В цветных кинескопах со внутренним электростатическим экраном его соединяют с анодом. В ряде кинескопов ранних моделей, таких, как 43ЛК3Б, конус был выполнен из металла и представлял анод сам собой. Напряжение на аноде находится в пределах от 7 до 30 киловольт. В ряде малогабаритных осциллографических ЭЛТ анод представляет собой только один из электродов электронной пушки и питается напряжением до нескольких сот вольт.
Далее луч проходит через отклоняющую систему 1 , которая может менять направление луча (на рисунке показана магнитная отклоняющая система). В телевизионных ЭЛТ применяется магнитная отклоняющая система как обеспечивающая большие углы отклонения. В осциллографических ЭЛТ применяется электростатическая отклоняющая система как обеспечивающая большее быстродействие.
Электронный луч попадает в экран 10 , покрытый люминофором 4 . От бомбардировки электронами люминофор светится и быстро перемещающееся пятно переменной яркости создаёт на экране изображение.
Люминофор от электронов приобретает отрицательный заряд, и начинается вторичная эмиссия - люминофор сам начинает испускать электроны. В результате вся трубка приобретает отрицательный заряд. Для того, чтобы этого не было, по всей поверхности трубки находится соединённый с общим проводом слой аквадага - проводящей смеси на основе графита (6 ).
Кинескоп подключается через выводы 13 и высоковольтное гнездо 7 .
В чёрно-белых телевизорах состав люминофора подбирают таким, чтобы он светился нейтрально-серым цветом. В видеотерминалах, радарах и т. д. люминофор часто делают жёлтым или зелёным для меньшего утомления глаз.
Углом отклонения луча ЭЛТ называется максимальный угол между двумя возможными положениями электронного луча внутри колбы, при которых на экране ещё видно светящееся пятно. От величины угла зависит отношение диагонали (диаметра) экрана к длине ЭЛТ. У осциллографических ЭЛТ составляет как правило до 40 градусов, что связано с необходимостью повысить чувствительность луча к воздействию отклоняющих пластин. У первых советских телевизионных кинескопов с круглым экраном угол отклонения составлял 50 градусов, у чёрно-белых кинескопов более поздних выпусков был равен 70 градусам, начиная с 60-х годов увеличился до 110 градусов (один из первых подобных кинескопов-43ЛК9Б). У отечественных цветных кинескопов составляет 90 градусов.
При увеличении угла отклонения луча уменьшаются габариты и масса кинескопа, однако, увеличивается мощность, потребляемая узлами развёртки. В настоящее время в некоторых областях возрождено применение 70-градусных кинескопов: в цветных VGA мониторах большинства диагоналей. Также угол в 70 градусов продолжает применяться в малогабаритных чёрно-белых кинескопах (например, 16ЛК1Б), где длина не играет такой существенной роли.
Так как внутри ЭЛТ невозможно создать идеальный вакуум, внутри остаётся часть молекул воздуха. При столкновении с электронами из них образуются ионы , которые, имея массу, многократно превышающую массу электронов, практически не отклоняются, постепенно выжигая люминофор в центре экрана и образуя так называемое ионное пятно. Для борьбы с этим до середины 60 гг. применялись ионная ловушка, обладающая крупным недостатком: её правильная установка - довольно кропотливая операция, а при неправильной установке изображение отсутствует. В начале 60 гг. был разработан новый способ защиты люминофора: алюминирование экрана, кроме того позволившее вдвое повысить максимальную яркость кинескопа, и необходимость в ионной ловушке отпала.
В телевизоре, строчная развёртка которого выполнена на лампах, напряжение на аноде кинескопа появляется только после прогрева выходной лампы строчной развёртки и демпферного диода. Накал кинескопа к этому моменту успевает разогреться.
Внедрение в узлы строчной развёртки полностью полупроводниковой схемотехники породило проблему ускоренного износа катодов кинескопа по причине подачи напряжения на анод кинескопа одновременно с включением. Для борьбы с этим явлением разработаны любительские узлы, обеспечивающие задержку подачи напряжения на анод либо модулятор кинескопа. Интересно, что в некоторых из них, несмотря на то, что они предназначены для установки в полностью полупроводниковые телевизоры, в качестве элемента задержки использована радиолампа. Позднее начали выпускаться телевизоры промышленного производства, в которых такая задержка предусмотрена изначально.
Чтобы создать на экране изображение, электронный луч должен постоянно проходить по экрану с высокой частотой - не менее 25 раз в секунду. Этот процесс называется развёрткой . Есть несколько способов развёртки изображения.
Электронный луч проходит весь экран по строкам. Возможны два варианта:
Электронный луч проходит вдоль линий изображения.
Устройство цветного кинескопа. 1 -Электронные пушки. 2 - Электронные лучи. 3 - Фокусирующая катушка. 4 - Отклоняющие катушки. 5 - Анод. 6 - Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т. д. 7 - Красные, зелёные и синие зёрна люминофора. 8 - Маска и зёрна люминофора (увеличенно).
Цветной кинескоп отличается от чёрно-белого тем, что в нём три пушки - «красная», «зелёная» и «синяя» (1 ). Соответственно, на экран 7 нанесены в некотором порядке три вида люминофора - красный, зелёный и синий (8 ).
На красный люминофор попадает только луч от красной пушки, на зелёный - только от зелёной, и т. д. Это достигается тем, что между пушками и экраном установлена металлическая решётка, именуемая маской (6 ). В современных кинескопах маска выполнена из инвара - сорта стали с небольшим коэффициентом температурного расширения.
Существует два типа масок:
Среди этих масок нет явного лидера: теневая обеспечивает высокое качество линий, апертурная даёт более насыщенные цвета и высокий к.п.д. Щелевая сочетает достоинства теневой и апертурной, но склонна к муарам .
Типы решёток, способы замера шага на них
Чем меньше элементы люминофора, тем более высокое качество изображения способна дать трубка. Показателем качества изображения является шаг маски .
В современных мониторных ЭЛТ шаг маски находится на уровне 0,25 мм. Телевизионные кинескопы, просмотр изображения на которых осуществляется с большего расстояния, используют шаги порядка 0,8 мм.
Так как радиус кривизны экрана много больше расстояния от него до электронно-оптической системы вплоть до бесконечности в плоских кинескопах, а без применения специальных мер точка пересечения лучей цветного кинескопа находится на постоянном расстоянии от электронных пушек, необходимо добиться того, чтобы эта точка находилась точно на поверхности теневой маски, в противном случае образуется рассовмещение трёх цветовых составляющих изображения, увеличивающееся от центра экрана к краям. Чтобы этого не происходило, необходимо должным образом сместить электронные лучи. В кинескопах с дельтаобразным расположением пушек это делается специальной электромагнитной системой, управляемой отдельно устройством, которое в старых телевизорах была вынесена в отдельный блок - блок сведения - для периодических регулировок. В кинескопах с планарным расположением пушек регулировка производится при помощи специальных магнитов, расположенных на горловине кинескопа. Со временем, особенно у кинескопов с дельтаобразным расположением электронных пушек, сведение нарушается и нуждается в дополнительной регулировке. Большинство компаний по ремонту компьютеров предлагают услугу повторного сведения лучей монитора.
Необходимо в цветных кинескопах для снятия влияющей на качество изображения остаточной или случайной намагниченности теневой маски и электростатического экрана. Размагничивание происходит благодаря возникновению в так называемой петле размагничивания - кольцеобразной гибкой катушке большого диаметра, расположенной на поверхности кинескопа - импульса быстропеременного затухающего магнитного поля. Для того, чтобы этот ток после включения телевизора постепенно уменьшался, используются терморезисторы . Многие мониторы дополнительно к терморезисторам содержат реле , которое по окончании процесса размагничивания кинескопа отключает питание этой цепи, чтобы терморезистор остыл. После этого можно специальной клавишей, либо, чаще, особой командой в меню монитора, вызвать срабатывание этого реле и провести повторное размагничивание в любой момент, не прибегая к отключению и включению питания монитора.
Тринескопом называется конструкция, состоящая из трёх чёрно-белых кинескопов, светофильтров и полупрозрачных зеркал (либо дихроичных зеркал, объединяющих функции полупрозрачных зеркал и фильтров), используемая для получения цветного изображения.
Кинескопы используются в системах растрового формирования изображения: различного рода телевизорах , мониторах , видеосистемах. Осциллографические ЭЛТ наиболее часто используются в системах отображения функциональных зависимостей: осциллографах , вобулоскопах, также в качестве устройства отображения на радиолокационных станциях, в устройствах специального назначения; в советские годы использовались и в качестве наглядных пособий при изучении устройства электроннолучевых приборов в целом. Знакопечатающие ЭЛТ используются в различной аппаратуре специального назначения.
Обозначение отечественных ЭЛТ состоит из четырёх элементов:
В особых случаях к обозначению может добавляться пятый элемент, несущий дополнительную информацию.
Пример: 50ЛК2Б - чёрно-белый кинескоп с диагональю экрана 50 см, вторая модель, 3ЛО1И - осциллографическая трубка с диаметром экрана зелёного свечения 3 см, первая модель.
Это излучение создаётся не самим кинескопом, а отклоняющей системой. Трубки с электростатическим отклонением, в частности, осциллографические, его не излучают.
В мониторных кинескопах для подавления этого излучения отклоняющую систему часто закрывают ферритовыми чашками. Телевизионные кинескопы такой экранировки не требуют, поскольку зритель обычно сидит на значительно большем расстоянии от телевизора, чем от монитора.
В кинескопах присутствует ионизирующее излучение двух видов.
Первое из них - это сам электронный луч, представляющий собой, по сути, поток бета-частиц низкой энергии (25 кЭв). Наружу это излучение не выходит, и опасности для пользователя не представляет.
Второе - тормозное рентгеновское излучение, которое возникает при бомбардировке экрана электронами. Для ослабления выхода этого излучения наружу до полностью безопасных величин стекло легируют свинцом (см. ниже). Однако, в случае неисправности телевизора или монитора, приводящей к значительному повышению анодного напряжения, уровень этого излучения может увеличиться до заметных величин. Для предотвращения таких ситуаций блоки строчной развёртки оборудуют узлами защиты.
В отечественных и зарубежных телевизорах цветного изображения, выпущенных до середины 1970-х годов, могут встречаться дополнительные источники рентгеновского излучения - стабилизирующие триоды, подключаемые параллельно кинескопу, и служащие для стабилизации анодного напряжения, а значит, и размеров изображения. В телевизорах «Радуга-5» и «Рубин-401-1» используются триоды 6С20С, в ранних моделях УЛПЦТ - ГП-5. Поскольку стекло баллона такого триода значительно тоньше, чем у кинескопа, и не легировано свинцом, он является значительно более интенсивным источником рентгеновского излучения, чем сам кинескоп, поэтому его помещают в специальный стальной экран. В более поздних моделях телевизоров УЛПЦТ используются иные методы стабилизации высокого напряжения, и этот источник рентгеновского излучения исключён.
Монитор Mitsubishi Diamond Pro 750SB (1024x768, 100 Гц), снятый с выдержкой 1/1000 с. Яркость искусственно завышена; показана реальная яркость изображения в разных точках экрана.
Луч ЭЛТ-монитора, формируя изображение на экране, заставляет светиться частицы люминофора. До момента формирования следующего кадра эти частицы успевают погаснуть, поэтому можно наблюдать «мерцание экрана». Чем выше частота смены кадров, тем менее заметно мерцание. Низкая частота ведет к усталости глаз и наносит вред здоровью.
У большинства телевизоров на базе электронно-лучевой трубки ежесекундно сменяется 25 кадров, что с учётом чересстрочной развёртки составляет 50 полей (полукадров) в секунду (Гц). В современных моделях телевизоров эта частота искусственно завышается до 100 герц. При работе за экраном монитора мерцание чувствуется сильнее, так как при этом расстояние от глаз до кинескопа намного меньше, чем при просмотре телевизора. Минимальной рекомендуемой частотой обновления экрана монитора является частота 85 герц. Ранние модели мониторов не позволяют работать с частотой развёртки более 70-75 Гц. Мерцание ЭЛТ явно можно наблюдать боковым зрением.
Изображение на электронно-лучевой трубке является размытым по сравнению с другими видами экранов. Считается, что размытое изображение - один из факторов, способствующих усталости глаз у пользователя.
В настоящее время (2008 год) в задачах, не требовательных к цветопередаче, с точки зрения эргономики ЖК-мониторы , подключенные через цифровой разъём DVI, безусловно, предпочтительнее.
В работе ЭЛТ применяется высокое напряжение. Остаточное напряжение в сотни вольт, если не принимать никаких мер, может задерживаться на ЭЛТ и схемах «обвязки» неделями. Поэтому в схемы добавляют разряжающие резисторы, которые делают телевизор вполне безопасным уже через несколько минут после выключения.
Вопреки распространённому мнению, напряжением анода ЭЛТ нельзя убить человека из-за небольшой мощности преобразователя напряжения - будет лишь ощутимый удар. Однако, и он может оказаться смертельным при наличии у человека пороков сердца. Он может также приводить к травмам, включая, летальные, косвенным образом, когда, отдёрнув руку, человек касается других цепей телевизора и монитора, содержащих чрезвычайно опасные для жизни напряжения - а такие цепи присутствуют во всех моделях телевизоров и мониторов, использующих ЭЛТ.
Любая электроника (в том числе ЭЛТ) содержит вещества, вредные для здоровья и окружающей среды. В числе их: свинцовое стекло, соединения бария в катодах , люминофоры .
Начиная со второй половины 60-х годов опасная часть кинескопа прикрывается специальным металлическим взрывозащитным бандажом , выполненным в виде цельнометаллической штампованной конструкции либо намотанной в несколько слоёв ленты. Такой бандаж исключает возможность самопроизвольного взрыва. В некоторых моделях кинескопов дополнительно использовалась защитная плёнка, покрывавшая экран.
Несмотря на применение защитных систем, не исключается поражение людей осколками при умышленном разбивании кинескопа. В связи с этим при уничтожении последнего для безопасности предварительно разбивают штенгель - технологическую стеклянную трубку в торце горловины под пластмассовым цоколем, через которую при производстве осуществляется откачка воздуха.
Малогабаритные ЭЛТ и кинескопы с диаметром или диагональю экрана до 15 см опасности не представляют и взрывозащитными приспособлениями не оснащаются.
