Dit project beschrijft de poging om televisiebeelden weer te geven op kleine oscilloscoop- of radarschermbuizen. Centraal staat het gebruik van een Tiny TV Mark 2 video-rasterizerboard in combinatie met CRT-drivercircuits ontworpen door Eric Schlaepfer.
Technische Kernpunten:
- Electrostatische Afbuiging: In tegenstelling tot magnetische afbuiging wordt hier gebruikgemaakt van parallelle platen onder hoge spanning om de elektronenstraal te sturen.
- Hardware: Het systeem maakt gebruik van diverse printplaten voor bias (60V), deflectie en video-aansturing, en een hoogspanningsvoeding die tot 1200V levert. Voor buizen met een Post Deflection Anode (PDA) wordt een externe 3000V voeding ingezet voor betere helderheid en afbuigingswinst.
- Fosforanalyse: Er wordt uitgebreid ingegaan op verschillende fosfortypes, zoals de P7-radarfosfor met zijn lange persistentie (nabeeld), en de kleurrelaties in een vectorscope.
Testresultaten en Optimalisaties:
De auteur heeft diverse buizen getest, waaronder de Raytheon 3UP1 en de antieke RCA 913 uit 1937. Tijdens dit proces werden diverse technische uitdagingen opgelost, zoals:
- Het voorkomen van doorbrandende transistors bij buizen met gedeelde heater/kathode-pinnen.
- Het corrigeren van astigmatisme en focus bij single-ended afbuiging.
- De bouw van een eigen hoogspannings-scanversterker met emitter-degeneratieweerstanden om de gain te optimaliseren.
LabGuy's World: Project Electrostatische Beeldbuis 1
Projectdoel
Werking van de Electrostatische Afbuiging
Het belangrijkste kenmerk van dit project is dat de buis gebruikmaakt van electrostatische afbuiging. De elektronenstraal passeert tussen twee parallelle metalen platen die onder een bepaalde spanning staan. Wanneer beide platen op nul volt staan, passeert de straal ongestoord tussen hen door. Zodra één plaat positiever wordt aangestuurd dan de andere, wordt de straal aangetrokken door de positiever geladen plaat en afgestoten door de negatieve plaat.
De afbuigplaten en andere elementen in de buis werken met zeer hoge spanningen, in veel gevallen duizenden volts. De functie van de printplaten van Eric is om de laagspanningsaansturing van de Tiny TV om te zetten naar de extreem hoge spanningen die vereist zijn voor deze kathodestraalbuizen (CRT's).
Systeemarchitectuur en Hardware
Tiny TV Mark 2 (PCB1)
De Tiny TV Mark 2 levert gebufferde, gamma-gecorrigeerde video aan de CRT-driverboards van Eric. Daarnaast genereert het twee scan-ramp-spanningen (synchroon met de video) voor de horizontale en verticale scanning. Deze worden via J3 naar PCB2 gestuurd. In de context van grafische of oscilloscoopdisplays worden de horizontale, verticale en videosignalen aangeduid als respectievelijk X-, Y- en Z-signalen.
De CRT-driverset van Eric
De set bestaat uit drie printplaten:
- 60 Volt Bias Board (PCB3): Zet +12 volt om naar +60 volt voor de video-versterker van de CRT-kathode.
- Deflection and Video Driver Board (PCB2): Deze plaat werkt op vier voedingen: 6,3 V voor de buisverwarming, +12VDC voor laagspanningscircuits, +60VDC voor de videoversterker en tot +1200VDC voor de tweede anode van de CRT en de afbuigplaat-versterkers. Een uitgebreide reeks potentiometers maakt een flexibele instelling mogelijk voor diverse CRT's.
- 1200 Volt Hoogspanningsvoeding: Verhoogt 12 volt naar +800 tot +1200 volt bij enkele milliampères. De spanning is instelbaar via een potentiometer. Let op: wees zeer voorzichtig bij het werken met deze plaat.
Externe 3000 Volt Voeding en de PDA
Er wordt gebruikgemaakt van een laboratoriumvoeding van plus en minus 3000 volt voor buizen die uitgerust zijn met een PDA (Post Deflection Anode). Een PDA is een geleidende coating aan de binnenzijde van de CRT, tussen de afbuigplaten en het fosforscherm. Omdat elektronen met een lage snelheid sterker worden afgebogen dan snelle elektronen, zorgt de PDA ervoor dat de elektronen na de platen worden versneld richting het fosfor. Dit resulteert in een hogere afbuigingswinst en een hogere helderheid dan bij buizen zonder deze functie.
Analyse van Fosfor en Kleur
P7 Radarfosfor
P7 is een tweestaps-fosfor: een geel fosfor met een lange persistentie (nabeeld), met daarop een blauw/ultraviolet fosfor met een zeer korte persistentie. De elektronenstraal heeft geen sterk effect op het gele fosfor; dit wordt in plaats daarvan helder geactiveerd door ultraviolet licht. Het gele fosfor blijft tot wel 30 seconden gloeien in een donkere kamer nadat de stimulatie is gestopt. Deze lange persistentie werd vroeger gebruikt als een vorm van beeldgeheugen in analoge radar voordat computergeheugen goedkoop en overvloedig beschikbaar was.
Om het effect van de lange persistentie van P7 te zien, kan een geel filter over de buis worden geplaatst om het blauwe licht te blokkeren. Om het blauwe fosfor te fotograferen of te bekijken, wordt een blauw filter gebruikt.
De Video Vectorscope en Kleurrelaties
Een vectorscope toont de relatie tussen kleurverschilsignalen in composietvideo, waarbij de verticale as R-Y en de horizontale as B-Y is.
- Additieve en subtractieve primaire kleuren: De tegenhanger van blauw is geel; rood staat tegenover cyaan en groen tegenover magenta.
- Luminantie: Bij een zwart-wit videosignaal toont de vectorscope een stip in het midden (geen chroma-informatie, enkel luminantie).
Op P7-schermen zien beelden er grijs uit omdat het blauwe en gele licht samenwit licht produceren voor het menselijk oog (blauw is een additieve primaire kleur, geel een subtractieve). Bij stilstaande beelden resulteert dit in grijstinten, maar bij bewegende beelden ontstaan er hinderlijke gele 'komeetstaarten' en felblauwe randen, wat ongeschikt is voor TV maar perfect voor radar.
Testresultaten met diverse CRT's
3JP7
Tijdens het opstarten ontstond een duidelijk probleem met de horizontale scan aan de linkerzijde. Voordat mijn Tektronics TDS744A oscilloscoop defect raakte, kon ik vaststellen dat de Tiny TV-board drie goede signalen van ongeveer 3 volt amplitude leverde. Dit onderzoek is momenteel on hold vanwege de defecte scope.
1EP1
Deze buis werkte prima bij een verlaagde hoogspanning van 800 volt. Hij is echter ongeschikt als TV omdat de straalvlek te groot is, zelfs bij maximale focus.
1DP1
Bij deze buis traden problemen op. De printplaat van Eric ondersteunt niet noodzakelijkerwijs CRT's waarbij één pin gedeeld wordt door de kathode en één zijde van de verwarming. Dit leidde tot het doorbranden van twee deflectie-boards.
Raytheon 3UP1
Een compacte rechthoekige oscilloscoop-CRT uit circa 1957. De gun werkt op 2000 volt, maar werd hier getest op 1200 volt. Er is een direct verband tussen de A2-spanning en de beeldgrootte: hoe hoger de spanning, hoe sneller de elektronen bewegen en hoe minder ze worden afgebogen, waardoor het beeld kleiner wordt. Ondanks sommige brandplekken in het fosfor is het beeld scherp en gedetailleerd.
National Union 1DP11
Dit is de kleinste electrostatische CRT die ik ken, met een scherm ter grootte van een dime (circa 1,8 cm) en een opvallende blauwe P11-fosfor.
Oplossing voor doorgebrande transistors: Ik heb ontdekt dat bij buizen met een gedeelde heater/kathode-pin, het 6,3VAC-circuit niet via de deflectie-board moet lopen. De huidige route heeft één zijde van de transformator aan aarde, waardoor de kathode-uitgang effectief direct met de aarde wordt verbonden, wat fataal is voor de transistors.
RCA 913 (circa 1937)
Dit is het oudste type in mijn collectie, geïntroduceerd in 1937 voor budget-oscilloscopen. Het is een single-ended buis, wat betekent dat meerdere elektroden pinnen delen (Anode #2 en twee afbuigplaten zijn verbonden met pin 1). De buitenste behuizing dient als afscherming en staat op 800 volt.
Single-ended afbuiging: Hierbij wordt het afbuigsignaal naar slechts één plaat van het paar gestuurd, terwijl de andere plaat op een constante DC-spanning blijft (meestal gelijk aan de A2-spanning). Dit resulteert in een half afbuigbereik vergeleken met bipolaire aansturing (waarbij de ene plaat stijgt terwijl de andere daalt).
De RCA 913 heeft zeer veel gedeelde pinnen (HK-pin en D1/D3/A2-pin), wat de productiekosten destijds drukte.
Technische Optimalisaties en Voedingscircuits
Astigmatisme en Focus
Bij de RCA 913 moet de gemiddelde spanning van de platen gelijk zijn aan die van de tweede anode om defocussering te voorkomen. De astigmatisme-regeling op de board van Eric maakt dit mogelijk. In een single-ended scan-opstelling fungeert de astigmatisme-regeling feitelijk als een diagonale regeling.
Eigen Hoogspannings-scanversterker
Ik heb een eigen deflectie-board gebouwd met de volgende kenmerken:
- Spanningsdeling: De centreringsregelingen bestaan uit dubbele potmeters die zodanig zijn bedraad dat ze elkaar compenseren.
- AC-koppeling: De afbuigspanning is via vier .1uF 3KV condensatoren AC-gekoppeld aan de platen.
- Voeding: Gebruik van een antieke, zelfbouw 300 volt geregelde voeding uit de jaren '50, met selenium-gelijkrichters en 0A2 spanningsregelaarbuisjes.
Problemen en oplossingen: Aanvankelijk was de versterkingsfactor van de X- en Y-versterkers extreem hoog, waardoor de instellingen bijna op nul moesten staan. Door emitter-degeneratieweerstanden (R3 en R4) toe te voegen aan de MJE340-transistors, werd de gain teruggebracht naar een bescheiden factor 100. Hierdoor is het instellen van de controls veel eenvoudiger geworden.
Overzicht van gebruikte fosforen
Tijdens dit project zijn de volgende fosforen bekeken:
- P1: Groen.
- P4: Zwart-wit TV fosfor.
- P7: Radar fosfor (geel/blauw).
- P11: Turquoise blauw.
- P12: Medium persistentie oranje (bekend van monochrome terminals uit de jaren '80).
- P31: Blauw/groen.
Referenties
- Eric Schlaepfer (Website: TUBE TIME).
- Datasheet National Union 1DP1.
- Datasheet RCA 1EP1.
- Datasheet RCA 913.
- Datasheet Raytheon 3UP1.
- Datasheet Sylvania 3JP1.
- The Cathode Ray Tube at Work door John F. Rider.
- ARRL Amateur Radio Handbook (edities van vóór de jaren '80).
LabGuy's World: Project Electrostatische Beeldbuis 1
Projectdoel
Werking van de Electrostatische Afbuiging
Het belangrijkste kenmerk van dit project is dat de buis gebruikmaakt van electrostatische afbuiging. De elektronenstraal passeert tussen twee parallelle metalen platen die onder een bepaalde spanning staan. Wanneer beide platen op nul volt staan, passeert de straal ongestoord tussen hen door. Zodra één plaat positiever wordt aangestuurd dan de andere, wordt de straal aangetrokken door de positiever geladen plaat en afgestoten door de negatieve plaat.
De afbuigplaten en andere elementen in de buis werken met zeer hoge spanningen, in veel gevallen duizenden volts. De functie van de printplaten van Eric is om de laagspanningsaansturing van de Tiny TV om te zetten naar de extreem hoge spanningen die vereist zijn voor deze kathodestraalbuizen (CRT's).
Systeemarchitectuur en Hardware
Tiny TV Mark 2 (PCB1)
De Tiny TV Mark 2 levert gebufferde, gamma-gecorrigeerde video aan de CRT-driverboards van Eric. Daarnaast genereert het twee scan-ramp-spanningen (synchroon met de video) voor de horizontale en verticale scanning. Deze worden via J3 naar PCB2 gestuurd. In de context van grafische of oscilloscoopdisplays worden de horizontale, verticale en videosignalen aangeduid als respectievelijk X-, Y- en Z-signalen.
De CRT-driverset van Eric
De set bestaat uit drie printplaten:
- 60 Volt Bias Board (PCB3): Zet +12 volt om naar +60 volt voor de video-versterker van de CRT-kathode.
- Deflection and Video Driver Board (PCB2): Deze plaat werkt op vier voedingen: 6,3 V voor de buisverwarming, +12VDC voor laagspanningscircuits, +60VDC voor de videoversterker en tot +1200VDC voor de tweede anode van de CRT en de afbuigplaat-versterkers. Een uitgebreide reeks potentiometers maakt een flexibele instelling mogelijk voor diverse CRT's.
- 1200 Volt Hoogspanningsvoeding: Verhoogt 12 volt naar +800 tot +1200 volt bij enkele milliampères. De spanning is instelbaar via een potentiometer. Let op: wees zeer voorzichtig bij het werken met deze plaat.
Externe 3000 Volt Voeding en de PDA
Er wordt gebruikgemaakt van een laboratoriumvoeding van plus en minus 3000 volt voor buizen die uitgerust zijn met een PDA (Post Deflection Anode). Een PDA is een geleidende coating aan de binnenzijde van de CRT, tussen de afbuigplaten en het fosforscherm. Omdat elektronen met een lage snelheid sterker worden afgebogen dan snelle elektronen, zorgt de PDA ervoor dat de elektronen na de platen worden versneld richting het fosfor. Dit resulteert in een hogere afbuigingswinst en een hogere helderheid dan bij buizen zonder deze functie.
Analyse van Fosfor en Kleur
P7 Radarfosfor
P7 is een tweestaps-fosfor: een geel fosfor met een lange persistentie (nabeeld), met daarop een blauw/ultraviolet fosfor met een zeer korte persistentie. De elektronenstraal heeft geen sterk effect op het gele fosfor; dit wordt in plaats daarvan helder geactiveerd door ultraviolet licht. Het gele fosfor blijft tot wel 30 seconden gloeien in een donkere kamer nadat de stimulatie is gestopt. Deze lange persistentie werd vroeger gebruikt als een vorm van beeldgeheugen in analoge radar voordat computergeheugen goedkoop en overvloedig beschikbaar was.
Om het effect van de lange persistentie van P7 te zien, kan een geel filter over de buis worden geplaatst om het blauwe licht te blokkeren. Om het blauwe fosfor te fotograferen of te bekijken, wordt een blauw filter gebruikt.
De Video Vectorscope en Kleurrelaties
Een vectorscope toont de relatie tussen kleurverschilsignalen in composietvideo, waarbij de verticale as R-Y en de horizontale as B-Y is.
- Additieve en subtractieve primaire kleuren: De tegenhanger van blauw is geel; rood staat tegenover cyaan en groen tegenover magenta.
- Luminantie: Bij een zwart-wit videosignaal toont de vectorscope een stip in het midden (geen chroma-informatie, enkel luminantie).
Op P7-schermen zien beelden er grijs uit omdat het blauwe en gele licht samenwit licht produceren voor het menselijk oog (blauw is een additieve primaire kleur, geel een subtractieve). Bij stilstaande beelden resulteert dit in grijstinten, maar bij bewegende beelden ontstaan er hinderlijke gele 'komeetstaarten' en felblauwe randen, wat ongeschikt is voor TV maar perfect voor radar.
Testresultaten met diverse CRT's
3JP7
Tijdens het opstarten ontstond een duidelijk probleem met de horizontale scan aan de linkerzijde. Voordat mijn Tektronics TDS744A oscilloscoop defect raakte, kon ik vaststellen dat de Tiny TV-board drie goede signalen van ongeveer 3 volt amplitude leverde. Dit onderzoek is momenteel on hold vanwege de defecte scope.
1EP1
Deze buis werkte prima bij een verlaagde hoogspanning van 800 volt. Hij is echter ongeschikt als TV omdat de straalvlek te groot is, zelfs bij maximale focus.
1DP1
Bij deze buis traden problemen op. De printplaat van Eric ondersteunt niet noodzakelijkerwijs CRT's waarbij één pin gedeeld wordt door de kathode en één zijde van de verwarming. Dit leidde tot het doorbranden van twee deflectie-boards.
Raytheon 3UP1
Een compacte rechthoekige oscilloscoop-CRT uit circa 1957. De gun werkt op 2000 volt, maar werd hier getest op 1200 volt. Er is een direct verband tussen de A2-spanning en de beeldgrootte: hoe hoger de spanning, hoe sneller de elektronen bewegen en hoe minder ze worden afgebogen, waardoor het beeld kleiner wordt. Ondanks sommige brandplekken in het fosfor is het beeld scherp en gedetailleerd.
National Union 1DP11
Dit is de kleinste electrostatische CRT die ik ken, met een scherm ter grootte van een dime (circa 1,8 cm) en een opvallende blauwe P11-fosfor.
Oplossing voor doorgebrande transistors: Ik heb ontdekt dat bij buizen met een gedeelde heater/kathode-pin, het 6,3VAC-circuit niet via de deflectie-board moet lopen. De huidige route heeft één zijde van de transformator aan aarde, waardoor de kathode-uitgang effectief direct met de aarde wordt verbonden, wat fataal is voor de transistors.
RCA 913 (circa 1937)
Dit is het oudste type in mijn collectie, geïntroduceerd in 1937 voor budget-oscilloscopen. Het is een single-ended buis, wat betekent dat meerdere elektroden pinnen delen (Anode #2 en twee afbuigplaten zijn verbonden met pin 1). De buitenste behuizing dient als afscherming en staat op 800 volt.
Single-ended afbuiging: Hierbij wordt het afbuigsignaal naar slechts één plaat van het paar gestuurd, terwijl de andere plaat op een constante DC-spanning blijft (meestal gelijk aan de A2-spanning). Dit resulteert in een half afbuigbereik vergeleken met bipolaire aansturing (waarbij de ene plaat stijgt terwijl de andere daalt).
De RCA 913 heeft zeer veel gedeelde pinnen (HK-pin en D1/D3/A2-pin), wat de productiekosten destijds drukte.
Technische Optimalisaties en Voedingscircuits
Astigmatisme en Focus
Bij de RCA 913 moet de gemiddelde spanning van de platen gelijk zijn aan die van de tweede anode om defocussering te voorkomen. De astigmatisme-regeling op de board van Eric maakt dit mogelijk. In een single-ended scan-opstelling fungeert de astigmatisme-regeling feitelijk als een diagonale regeling.
Eigen Hoogspannings-scanversterker
Ik heb een eigen deflectie-board gebouwd met de volgende kenmerken:
- Spanningsdeling: De centreringsregelingen bestaan uit dubbele potmeters die zodanig zijn bedraad dat ze elkaar compenseren.
- AC-koppeling: De afbuigspanning is via vier .1uF 3KV condensatoren AC-gekoppeld aan de platen.
- Voeding: Gebruik van een antieke, zelfbouw 300 volt geregelde voeding uit de jaren '50, met selenium-gelijkrichters en 0A2 spanningsregelaarbuisjes.
Problemen en oplossingen: Aanvankelijk was de versterkingsfactor van de X- en Y-versterkers extreem hoog, waardoor de instellingen bijna op nul moesten staan. Door emitter-degeneratieweerstanden (R3 en R4) toe te voegen aan de MJE340-transistors, werd de gain teruggebracht naar een bescheiden factor 100. Hierdoor is het instellen van de controls veel eenvoudiger geworden.
Overzicht van gebruikte fosforen
Tijdens dit project zijn de volgende fosforen bekeken:
- P1: Groen.
- P4: Zwart-wit TV fosfor.
- P7: Radar fosfor (geel/blauw).
- P11: Turquoise blauw.
- P12: Medium persistentie oranje (bekend van monochrome terminals uit de jaren '80).
- P31: Blauw/groen.
Referenties
- Eric Schlaepfer (Website: TUBE TIME).
- Datasheet National Union 1DP1.
- Datasheet RCA 1EP1.
- Datasheet RCA 913.
- Datasheet Raytheon 3UP1.
- Datasheet Sylvania 3JP1.
- The Cathode Ray Tube at Work door John F. Rider.
- ARRL Amateur Radio Handbook (edities van vóór de jaren '80).
Groetjes,