静電偏向型ブラウン管プロジェクト1 (2014)
Electrostatic Cathode Ray Tube Project 1 (2014) (labguysworld.com)
要約
この記事は、LabGuy氏がEric Schlaepfer氏設計のCRTドライバー回路とTiny TV Mark 2ビデオラスタライザーボードを使用して、小型オシロスコープやレーダーディスプレイ管にテレビ画像を表示するプロジェクトについて詳述しています。静電偏向方式のCRTの仕組み、高電圧ドライバーボードの役割、P7レーダー用蛍光体やビデオベクトルスコープの分析、そして様々なCRTでのテスト結果が記録されています。
全文翻訳
LabGuy's World: 静電偏向型ブラウン管プロジェクト1
プロジェクト開始 - 20141030
プロジェクト目標：私のTiny TV Mark 2ビデオラスタライザーボードを使用して、小型のオシロスコープまたはレーダーディスプレイ管にテレビ画像を表示すること。これを達成するために、友人のEric Schlaepferが設計した3枚のCRTドライバー回路を使用します。私は数ヶ月前に彼のCRTドライバーボードを組み立てていました。それらは、完全にデバッグされたTiny TVボードの到着を待っていました。スコープクロックボードキットを追加する計画もあります！さあ、始めましょう！
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Tiny TV Mark 2とEricの3枚のボードが3JP7レーダーディスプレイ管を駆動している様子 - 20141212
このプロジェクトの主な特徴は、管が静電偏向を使用していることです。電子ビームは、特定の電圧に帯電した2つの平行な金属板の間を通過します。両方のプレートがゼロボルトの場合、ビームは影響を受けずに通過します。一方のプレートが他方よりも正の電圧になると、ビームはそのより正に帯電したプレートに引き寄せられ、負のプレートから反発されます。
偏向板や管内の他の要素は、非常に高い駆動電圧で動作し、それを必要とします。多くの場合、数千ボルトです。Ericのボードの機能は、Tiny TVからの低電圧駆動を、これらのブラウン管が必要とする非常に高い電圧に変換することです。
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回路図 - 20141212
Tiny TV Mark 2、PCB1は、バッファリングされガンマ補正されたビデオをEricのCRTドライバーボードに提供します。また、ビデオと同期した2つの走査ランプ電圧を生成し、これらはJ3経由でPCB2にも送られます。水平、垂直、ビデオ駆動は、グラフィックまたはオシロスコープディスプレイについて話す際に、X、Y、Z信号として知られています。
EricのCRTドライバーボードセット：60ボルトバイアス、偏向＆ビデオ、および1,200V電源 - 更新 20141221
最初の写真：60ボルトバイアスボード、PCB3。CRTカソード駆動ビデオアンプ用に+12ボルトを+60ボルトに変換します。
2番目の写真：偏向およびビデオドライバーボード、PCB2。このボードは4つの電源で動作します。それらは、管ヒーター用の6.3V、低電圧回路用の+12VDC、ビデオアンプ用の+60VDC、およびCRT二次陽極および偏向板ドライバーアンプ用の最大+1,200VDCです。その後、ボードはすべてのDCレベルとその他の適切な駆動電圧をCRTに提供します。ポテンショメーターの豊富な配列により、非常に柔軟なセットアップが可能になり、最も多くのCRTをサポートできます。
最後の写真：1,200ボルト高電圧電源。12ボルトを数ミリアンペアで+800〜+1200ボルトに昇圧します。電圧はポテンショメーターで設定されます。このボードの周りでは、細心の注意を払って作業してください。
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偏向後陽極用の3,000ボルト外部電源 - 20141212
ここで、私のプラスマイナス3,000ボルトのベンチ電源を見ることができます。CRTにPDA（偏向後陽極）が装備されている場合に使用します。これは、偏向板とスクリーン蛍光体の間のCRT内部にある導電性コーティングです。この方法では、低速の電子は偏向板の間を通過し、高速の電子よりも大きく偏向されます。プレートを通過した後、電子はPDA電極の影響を受け、蛍光体に加速されます。これにより、この機能を持たない管よりも高い輝度で、高い偏向ゲインが得られます。
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3JP7のスクリーンショット - 20141212
さあ、始めましょう。ボードを起動しました。煙は出ませんでした。写真で見える問題のデバッグを開始したところ、私のTektronics TDS744Aオシロスコープが壊れました。完全に沈黙！スコープがないので、この週末はこれ以上のトラブルシューティングはできません。
上の写真を見ると、左側の水平走査に明らかな問題があります。スコープが壊れる前に、Tiny TVボードが約3ボルトの振幅で3つの良好な信号を出力していることを自分で証明できました。Ericのページでどこかのアップデートを見落とした可能性があります。次回プロジェクトに取り組むときに調査します。明らかに、これは現在保留中です。
P7レーダー蛍光体について説明しましょう。P7は2段階の蛍光体です。長残光性の黄色蛍光体の表面に、非常に短残光性の青/紫外蛍光体が堆積されています。電子ビームは黄色蛍光体に強い影響を与えません。代わりに、黄色蛍光体は紫外線によって明るく励起されます。黄色蛍光体の2番目の望ましい特性は、刺激が除去された後もしばらくの間、使用可能な時間発光することです。暗い部屋では最大30秒です。この長残光性は、初期のアナログレーダーや、コンピュータメモリが豊富で安価になる前に、効果的に画像記憶メモリとして使用されていました。
P7の長残光効果を観察したい場合は、青色光を遮断する黄色フィルターを管に装着できます。逆に、青色蛍光体を観察または撮影したい場合は、青色フィルターを使用します。
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ビデオベクトロスコープディスプレイ - カラー信号アナライザー - 20141213
画像ソースクレジット：Wikipedia
上記のスケールは、コンポジットビデオにおける色差信号の関係を表しています。垂直軸はR-Y、水平軸はB-Yです。この例を選んだのは、原色とその逆の「悪魔の双子」を示しているからです。
加法混色と減法混色の原色。ベクトロスコープディスプレイ上のカラーボックスに注意してください。青の反対色は黄色です。他の原色とその否定は、赤/シアン、緑/マゼンタです。実際、多くの故障したNTSCカラーテレビは、カラーデコーダーが誤動作すると、緑色またはマゼンタ色の画像になります。白黒ビデオ信号の場合、ベクトロスコープは中央にドットを表示します - クロマ情報なし、ルミナンスのみ。ビデオ信号のこのビューでは、ルミナンスはスケールの中央で画面に直接出入りするベクトルです。Wikipediaでさらに読むには、画像の下のリンクをクリックしてください。色関係を視覚化するために、これを提示します。
要約すると、写真のP7スクリーンの画像は灰色に見えます。実際、灰色です。これは、青色光と黄色光の両方が加算されて白色光を生成するためです。少なくとも人間の目にとってはそうです。青と黄色は互いに反対の色です。青は加法混色の原色であり、黄色は減法混色の原色です。2つの反対色の原色が混ざると、色相はキャンセルされ、ルミナンス、つまり明るさ情報のみが残ります。したがって、グレースケールが現れます。これはP7の静止画像にのみ有効です。動く画像は、非常に迷惑な黄色の彗星の尾と、まぶしいほどの明るい青色のエッジを持ちます。テレビ視聴には適していません。レーダーには最適です。
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1EP1のスクリーンショット - 20141213
1EP1 CRTをEricのボードに接続しました。高電圧を800ボルトに下げると、問題なく動作しました。ビームスポットが、可能な限りフォーカスしても大きすぎるため、テレビには適していません。それでもかなり印象的です。
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光れ、ベイビー、光れ！（1EP1ヒーター） - 20141213
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SparkFun O-Clock、AVRオシロスコープクロックキット、およびLabguyの各種CRT - 20141216
最初の写真では、左側にSparkfun AVR Scope Clockキットが見えます。背景には高電圧ドライバーボードがあり、その手前には私の1EP11青色蛍光体CRTがあります。2番目の写真は、私の緑色蛍光体1EP1と同じセットアップです。写真3と4は、意図されたとおりに高帯域幅XYZディスプレイを駆動するスコープクロックの出力です。この場合、私のTektronics 606Bです。Ericの高電圧ドライバーボードは、アンプの帯域幅が狭いです。これが、小型管に見られる歪みの原因です。
次に試したCRTは1DP1でした。しかし、Ericのボードは、ヒーターの一方の側とカソードが共有されているCRTを必ずしもサポートしていません。偏向ボードにカソードピンからヒーターピンの非接地側へジャンパーを配置しました。その後、ボードは管を点灯させません。これで2枚目の偏向ボードをこのように損傷しました。あと1枚！Mouserから高電圧トランジスタをさらに購入する必要があります。はんだ付けが好きでよかった！
これらの管のデータシートは、このページの下部にある参照セクションにあります。
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Raytheon 3UP1 2.5インチ長方形静電偏向型CRT - 20141219
3UP1は、1957年頃のコンパクトな長方形オシロスコープCRTです。Labguyと同じくらい古い！幅1-3/8インチ、高さ1-1/8インチ、長さ7-1/2インチです。ガンは2,000ボルトで動作します。そのため、ここでは1200ボルトで動作させています。この電圧を高く設定するほど、画像は小さくなります。これはこれらの管では正常です。A2電圧が増加すると、電子速度も増加します。電子が偏向板の間を通過する時間が短くなるため、遅い電子よりも偏向が少なくなります。この管のデータシートは、このページの下部にある参照セクションにあります。
この管は非常にうまく機能します！画像は鮮明で詳細です。この3UP1は、私のTiny TVラスタライザーとEricの高電圧ドライバーで駆動されています。残念ながら、この管はひどく酷使されています。蛍光体には多くの邪魔な焼き付き跡があります。スコープクロックがあればもっと良く見えるかもしれません…。
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Sparkfun AVR O-Clockディスプレイを備えたRaytheon 3UP1 - 20141220
今朝、スコープクロックを素早く配線し、3UP1で試しました。このディスプレイは、焼き付きのある蛍光体を使用したテレビ画像よりも許容できます。このディスプレイにはグレースケールがほとんどないため、この3UP1はベクトルグラフィックスや一般的なオシログラフィ（オシログラフィー）には非常に適しています。蛍光体が焼けているのは残念です。4:3アスペクト比の標準定義ビデオに理想的だったでしょう。これを私の完全に適応可能な、あらゆる標準に対応するテレビモニターに使用したかったのです。この管のデータシートは、このページの下部にある参照セクションにあります。
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Sparkfun AVR O-Clockディスプレイを備えたNational Union 1DP11 - 20141220
1DP11は、かわいらしい小さな管です。直径4分の3インチ、長さわずか2インチで、私が知る限り最も小さい静電偏向型CRTです。スクリーンは10円玉と同じサイズです！P11蛍光体の目を引く青色をご覧ください。私のお気に入りの一つです。最後の写真では、スクリーンの裏側で画像を見ることができます。また、管の後端にあるラジオ管スタイルのヒーター/カソードも見ることができます。この管のデータシートは、このページの下部にある参照セクションにあります。
カソードとヒーターの一方の側がピンを共有するCRTを実行したときに、ビデオ出力トランジスタが壊れていた理由がわかりました。修正策は、6.3VAC回路をEricの偏向ボードに通さないことです。偏向ボード上の経路は、トランスの一方の側が接地されています。カソード出力をその回路に接続すると、カソード出力を直接接地することとまったく同じになります！トランジスタには悪い！
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1937年頃！Sparkfun AVR O-Clockディスプレイを備えたRCA 913 - 20141220
修正！20141223。以前は913が1927年に初めて登場したと述べていましたが、それは誤りです。RCAは1937年に913を導入しました。
このCRTは私のコレクションの中で最も古いタイプです。RCAは1937年にこれらを販売し始め、低予算のラジオ修理店が低コストのオシロスコープを実現できるようにしました。当時はまだテレビは利用できませんでした。これはシングルエンドチューブです。つまり、いくつかの電極がピンを共有しています。陽極#2と2つの偏向板は共通に接続され、ピン1にルーティングされています。外側の缶がシールドとして機能し、二次陽極と共通になっていることは何の役にも立ちません。缶の外側は800ボルトです。ヤバい！動作中は触らないでください。この管のデータシートは、このページの下部にある参照セクションにあります。
シングルエンド偏向。これは、偏向波形が1組の偏向板のうちの1つにのみ送信されることを意味します。もう一方のプレートは、通常、二次陽極電圧と同じ値の安定したDC電圧に保持されます。このプロセスは機能しますが、ご覧のとおり、所定の偏向電圧に対して、管は半分の偏向範囲しか提供しません。バイポーラ駆動では、一方のプレートが1ボルト上昇し、もう一方が1ボルト下降します。それらの間の総電圧変化は2ボルトです。
以下の回路図を以前に示した回路図と比較すると、違いがわかります。913は、私がこれまでに使用したCRTの中で最も多くのピンが共有されています。HK（ヒーター/カソード）ピンとD1/D3/A2共有ピンです。これにより、RCAは4つの追加ピンとより大きな管エンベロープのコストを節約でき、913は非常に経済的に製造および販売できました。913は、1つの接続しない工場テストピン（ピン8）を含めて、合計7ピンに配線されています。
ピン8はゲッターピンかもしれません。ゲッターは、管が密封された直後に、内部の酸素の最後の痕跡を消費するために使用される内部管素子です。ゲッター電極に化学カクテルが塗布され、高電圧で点火されます。それは気体吸収のために気化します。それが真空管の内部に見られる光沢のある銀色の斑点です。その斑点が明るく光沢があれば、管は気密です。粉っぽい白であれば、シールが失われています。913の内部を見ることはできません。（私の913のいずれかが悪いことを願って、分解できるようにしました。動作中の真空管は廃棄しません！）
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EricのCRTボードドライバーセットで使用するためのRCA 913配線図 - 20141221
913はカソードがヒーターの一方の側とピン2を共有していることに注意してください。偏向ボードをバイパスし、ヒーターエレメントを接地からフローティングさせた方法を見てください。トランスと配線は多くの浮遊容量を追加し、駆動帯域幅に影響を与える可能性があります。これにより、画面画像のディテールが失われたり、ぼやけたりします。このヒーターカソード配線は、1DP1/1DP11管にも同じです。
通常、この種のCRTは、カソードが負の高電圧にある状態で操作されます。外側の缶と二次陽極は接地されており、管の無料シールドを提供します。これにより、2つの単独の偏向板はほぼ接地電位で動作できます。それらの平均DCレベルは二次陽極と等しくなければなりません。Ericのボードは二次陽極を高電圧で実行し、偏向電圧をこの電圧を中心に設定します。陽極を高電圧で、プレートを低電圧で実行すると、プレートと陽極間の相互作用によりビームがぼやけます。これが、プレートと二次陽極がすべて同じ「平均」電圧であるべき理由です。
幸いなことに、Ericのボードの非点収差（Astigmatism）制御により、これが正確に可能になります。非点収差を設定するために、XとYのセンタリングコントロールの両方を中間設定にしました。次に、画像が管の中央に来るまで非点収差コントロールを調整しました。これで、すべての偏向板が同じ平均電圧になります！フォーカスコントロールを軽く調整すると、クロック画像は可能な限りシャープになりました。シングルエンド走査では、非点収差コントロールは、2つの偏向板に接続されていることにより、「対角線コントロール」として機能します！これを見て、しばらくの間、私はくすくす笑いました。対角線センタリング？それはおかしいですね！
このセットアップで、私のRCA 913を3つすべてテストしました。すべて明るくシャープにフォーカスされています。77年も経っているのに悪くない！私の特定の管がどれくらい古いかはわかりません。RCAは1950年代、おそらく1960年代まで913を製造していました。
これらの小型CRTの実際の動作を示す14分間のビデオをお楽しみください - 20141222
修正！20141223。RCAは1937年に913を導入しました。ビデオでは、913が1927年に初めて登場したと述べていますが、それは誤りです。
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CRT電圧分割器とHV差動アンプの回路図 - 20141222
数年前に構築し、テストする機会がなかった偏向ボードを見つけました。最初の回路図のポイントAとBは、2番目の回路図の-X/+Xまたは-Y/+Yとマークされたポイントに接続されます。これにより、高電圧アンプの動作DC電圧がCRTで非点収差の問題を引き起こさなくなります。各コレクタは0ボルトから300ボルトまでスイングできます。2つの出力が180度逆位相で動作すると、偏向板は最大300ボルトのピーク・ツー・ピーク電圧を受け取ります。どの管もオーバー・スキャンするには十分すぎるほどです。
アンプの出力は、2番目の回路図に示すように、AC結合で偏向板に接続されます。この設計では、管の二次陽極はゼロボルト、つまり接地電位で動作し、カソードは-1,980ボルトで動作します。偏向後陽極は+910ボルトで動作します。輝度ポテンショメータにかかる約100ボルトを含めると、総供給電圧は絶対値で3,000ボルトになります。この高電圧は、Gamma High Voltage model MC30（3,000ボルト、1mA（3ワット）電源）によって供給されます。
今日はマゾヒスティックな楽しみを味わいましょう。鉛筆（2番）を研ぎ、そろばんを用意してください。そろばんです！そして、上記の電圧分割器文字列の値を計算してください。HV電源が3,000ボルトだと仮定します。準備はいいですか？始め！
センタリングコントロールはデュアルポテンショメータで構成されています。分割器チェーンでの配線方法により、これらのポテンショメータは200ボルト、より正確にはプラスマイナス100ボルトの電圧がかかります。それらは、一方のポテンショメータが出力を増加させ、もう一方が減少するように配線されています。中央に配置された場合、ポテンショメータ/ペアの出力は、それらの間にほぼゼロボルトになります。
分割器の構造を見てください。ポジショニングポテンショメータの中心が、分割器のグラウンド基準として選択された電圧分割器タップの中心に配置されているのがわかります。偏向電圧は、4つの0.1uF 3KVコンデンサを介してプレートにAC結合されます。それらのDC基準はセンタリングポテンショメータによって確立されます。AC結合された信号は、このDC基準を中心に自動的にスイングします。
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Labguyのプロトタイプ偏向ボードとアンティーク300V安定化電源 - 20141222
最初の写真は、私のアンティークの自家製300ボルト安定化電源です。6.3VAC/1A、+340ボルト（非安定化）、および安定化された+300ボルトを出力します。レギュレーションは、2つの0A2型 ［150V電圧レギュレータ管］によって提供されます。部品の古さから判断すると、有能なホビイストが1950年代半ばから後半にかけてこの電源を構築したと思われます。シリコンではなく、セレン整流器の存在に基づいています。50年以上経ってもまだうまく機能しています。デュアル偏向アンプボードに安定化された+300ボルトを供給しています。
2番目の写真。デュアル偏向アンプは、左上にある小さな茶色のボードです。この場合、SparkFunスコープクロックボードによって駆動されています。最初は正しく動作しなかったため、より繰り返し性の高いランプを持つTiny TV 2ボードに切り替えました。
最後の写真。偏向ランプ電圧は過度に増幅され、大きくクリップされています。このボードは、以前のTubetimeボードよりも大きな領域をスキャンできることがわかります。AC結合により、スキャンアンプは300ボルトの全範囲で動作でき、CRTは必要な電圧で動作できます。現在、私自身の設計によるビデオアンプはありません。しかし、歯車は回っています…。
これにより、Tektronics TDS744Aデジタルオシロスコープはまだ修理中です。いつ戻ってくるか、いくらかかるか、まだ連絡がありません。スコープがあれば、これらのプロジェクトのトラブルシューティングははるかに簡単です。比較的まともなオシロスコープを構築するための部品は手元にありますが、新しいものをデバッグして調整するには、動作する校正済みオシロスコープが必要です…。
ああ！皮肉です。
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成功！私の高電圧スキャンアンプがついに動作しました - ある意味で！ - 20141223
粘り強さは報われます。問題は、XおよびYアンプのゲインが非常に高いことです。オシロスコープがないと、何も確信できません。しかし、スコープクロックとTiny TV 2の両方の出力レベルコントロールがほぼゼロに設定されているようです。高電圧偏向ボードの入力レベルコントロールも同様です。しかし、慎重に調整することで、スコープクロックを画面に表示させることができました。次に、アンプ入力をTiny TVボードに戻し、そのXおよびY出力レベルを調整して、最後の写真のようなまともなテレビラスタを表示させました。
スキャン折り返し歪みが消えたように見えます。水平ソーセージ波が正弦波として出力されており、その問題をマスクしている可能性があります。あるいは、そうでないかもしれません。ラスタの上部にある明るい線は、垂直ランプジェネレータが最大振幅に達し、スキャン時間の終わりにクリップされていることを示しています。垂直ランプ生成コンデンサから約1uFを追加する必要があります。または定数電流値をわずかに下げる必要があります。しかし、それは問題ではありません。スキャンが逆さまになっていてもです。はんだごてで20秒、偏向板のリードを交換すれば、それは正しい方向に反転します。
次のステップは、CRT高電圧バイアスボードにビデオドライブ入力を追加することです。そうすれば、クロスハッチパターンを供給して、高電圧XおよびYアンプの線形性を画面上で直接確認できます。
そのため、その間、中央の2枚の写真でP7蛍光体の栄光をご覧ください。前面に長残光性の黄色蛍光体、背面には短残光性の紫外線/青色蛍光体があります。
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さらなる成功！私の高電圧スキャンアンプがついに正しく動作しました！ - 20141223
アンプ設計の詳細な分析の後、2つのMJE340トランジスタにエミッタ縮退抵抗を追加し忘れていたことに気づきました。これらの抵抗、R3とR4は、アンプを適度なゲイン100に設定します。それでも、3ボルトの入力だけでアンプを飽和させるには十分なゲインであり、CRTをオーバー・スキャンするには十分すぎます。これは、もちろん、レベルコントロールが依然としてその下限値の非常に近くに設定されていることを意味します。
XおよびYアンプボードには新しい抵抗が見えませんが、ブレッドボードの底面に表面実装抵抗を使用したためです。調整は、これまでよりもそれほどクリティカルではなくなりました。少なくともコントロールの設定ははるかに簡単です。
帯域幅はEricのボードと変わりません。今度は、アンプの帯域幅を改善する方法を学ぶ必要があります。150オーム抵抗の両端に10uFコンデンサを追加しようとしました。オシロスコープがないと、何が起こったか分かりません。ただ、うまくいかなかっただけです。続報をお待ちください！
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メリークリスマス！親友のJoeがオシロスコープを貸してくれました。 - 20141223
Labguyのクリスマス奇跡。Joe、ありがとう。ビジネスに戻れました！
お祝いに、3JP12、中残光性オレンジ蛍光体CRTをお楽しみください。1986年頃の12MHz 386 PCコンピュータの時代を覚えているなら、多くのモノクロテキストおよびグラフィックス端末でこの蛍光体を見たことがあるでしょう。残光時間は約1秒です。
これまでにいくつの蛍光体を見たでしょうか？レビューしましょう。P1グリーンがありました。CyclopsプロジェクトでP4 BWテレビ蛍光体を見ました。次にP7レーダー蛍光体がありました。そしてP11ターコイズブルーがあります。最後にP12中残光性オレンジです。（ビデオでは）P31青緑色蛍光体がありました。これで6種類のCRT蛍光体です。まもなく、P14とPSP（P24のようなもの）が登場します。どちらも走査蛍光体です。一方はUVモノクロームです。もう一方はカラー走査用です。ゾクゾクしませんか？
このプロジェクトは、静電偏向型CRTドライバーアンププロジェクトページで継続されます。
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参考文献：
- 私のお気に入りのメーカー、Eric Schlaepferを紹介します。EricのウェブサイトはTUBE TIMEと呼ばれ、多くのクールな電子機器に関する優れたリソースです。Ericはまさにサイエンスマスターです。サンマテオメーカーフェアでの彼の展示をぜひご覧ください。
- National Union 1DP1のデータシート。
- RCA 1EP1のデータシート。
- RCA 913のデータシート。
- Raytheon 3UP1のデータシート。
- Sylvania 3JP1のデータシート。
- John F. Rider著「The Cathode Ray Tube at Work」
- ARRLアマチュア無線ハンドブック（1980年代以前のいずれかの年）。
作成日：2014年12月12日 更新日：2015年2月22日