DE4236905B4

DE4236905B4 - Magnet-Fokussiereinrichtung für Kathodenstrahlröhren

Info

Publication number: DE4236905B4
Application number: DE4236905A
Authority: DE
Inventors: Bruno Roussel; Jean-Marc Perreaut
Original assignee: Thomson Tubes and Displays SA
Current assignee: Thomson Tubes and Displays SA
Priority date: 1991-11-05
Filing date: 1992-10-31
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2012-11-01
Also published as: JP3448607B2; DE4236905A1; US5397969A; FR2683386B1; JPH07201291A; FR2683386A1

Abstract

Magnet-Fokussiereinrichtung (3), zur Anordnung um den Hals (8) einer Kathodenstrahlröhre (1);
– mit einem magnetischen oder magnetisierbaren Gehäuse (10) mit einem Luftspalt (13) in einem Abschnitt davon, der radial dem Hals (8) am nächsten ist;
– mit einer statischen Fokussierspule (11), welche im Gehäuse eingeschlossen und über einen Gleichstrom anregbar ist;
– mit einer dynamischen Fokussierspule (12), die zwischen der statischen Fokussierungsspule (11) und dem Hals (8) der Kathodenstrahlröhre (1) angeordnet und von einem periodisch variablen Strom anregbar ist;
dadurch gekennzeichnet,
– dass der Teil (20) des Gehäuses, der die statische Fokussierspule (11) umschließt, und der Teil (21) des Gehäuses, der die dynamische Fokussierspule (11) umschließt, unterschiedliche magnetische Permeabilitäten aufweisen.

Description

Das technische Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, sind die Kathodenstrahlröhren mit einer Elektronenkanone und einer Einrichtung zum magnetischen Fokussieren der Elektronen bzw. des Elektronenstrahls, welcher von der Elektronenkanone ausgeht.
Magnet-Fokussiereinheiten werden normalerweise bei Bildröhren oder Kathodenstrahlröhren (CRT) mit hoher Auflösung verwendet. Wegen der Erzeugung eines zu dem Elektronenstrahl, der von der Elektronenkanone ausgeht, koaxialen Magnetfeldes erlauben sie es, den Auftreffpunkt dieses Strahles auf dem Schirm der Röhre so klein wie erwünscht zu machen.
Solche Röhren werden zum Beispiel im Anwendungsbereich der Fernsehgeräte, bei der Projektion oder bei professionellen Anzeigegeräten hoher Auflösung eingesetzt. Die Fokussierlinse, welche mit den magnetischen Fokussiereinrichtungen gebildet wird, kann entweder mittels eines Permanentmagneten oder mittels einer Ringwicklung realisiert werden, die in einem magnetischen Kreis eingeschlossen ist, der einen Schlitz aufweist, in welchem ein möglicher abstimmbarer Gleichstrom fliesst.
Es kann notwendig sein, eine dynamische Fokussierspule der Haupt-Fokussierspule hinzuzufügen, um den Elektronenstrahl über die gesamte Fläche des Bildschirms der Röhre mit derselben Präzision zu fokussieren. In diesem Fall wird das Feld, welches von der dynamischen Fokussierspule erzeugt wird, das Feld der Haupt-Fokussierspule modulieren, und zwar abhängig von der Position des Auftreffpunktes des Strahles auf dem Schirm. Die Frequenz des Stromes innerhalb der Hilfsspule ist dieselbe, wie die Zeilen-Abtastfrequenz des Bildschirms. Dieses bereitet gewisse Probleme bei höheren Abtastfrequenzen, zum Beispiel in der Größenordnung von 16 kHz oder größer:

(1) Starke elektrische Kopplungen zwischen der statischen Hauptspule und der dynamischen Spule;
(2) starke Ströme, die von der dynamischen Fokussierspule in dem Gehäuse des Magnetkreises induziert werden, das die statische Fokussierspule aufweist; und folglich ein Energieverlust;
(3) das Auftreten von magnetischen Verzögerungen aufgrund der Zeit zum Aufbau des Feldes in dem Magnetkreis, was kritisch bei hohen Abtastfrequenzen wird;
(4) immer stärker sinkende Wirkung des dynamischen Feldes auf den Elektronenstrahl, wenn die Abtastfrequenz ansteigt.

Aus der DE 27 52 598 C3 ist eine Fokussierungseinrichtung bekannt, die eine statische Fokussierspule und eine dynamische Fokussierspule aufweisen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die dynamische Fokussierspule konzentrisch innerhalb der statischen Fokussierspule angeordnet. In einer weiteren Anordnung ist die dynamische Fokussierspule derart in Strahlrichtung von der statischen Fokussierspule versetzt ist, dass sich die Magnetfelder der beiden Fokussierspulen nicht überlappen. Aus der DE 730 719 ist eine magnetische Elektronenlinse bekannt, die Polschuhe mit Werkstoffen verwendet, die verschieden große Permeabilitäten aufweisen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Magnet-Fokussiereinrichtung für Kathodenstrahlröhren zu schaffen, die bei Abtastfrequenzen der Größenordnung von 16 kHz oder höher arbeiten kann und bei der die Fehler der magnetischen Verzögerung der Kopplung zwischen der statischen und dynamischen Spule und die elektrischen und magnetischen Verluste keine kritischen Werte erreichen.
Die Lösung der erwähnten Aufgabe liegt in der technischen Lehre, wie in den Ansprüchen 1 und 8 angegeben. Dabei weist die Fokussiereinrichtung eine statische Fokussierspule, die von einem Gleichstrom durchflossen ist, und eine dynamische Fokussierspule auf, die von einem variablen periodischen Strom angeregt wird. Sie weist auch ein Gehäuse auf, dessen Teile zwei unterschiedliche magnetische Permeabilitäten haben.
Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Ergänzungen und Konkretisierungen der erfindungsgemässen technischen Lehren, wobei hervorzuheben ist, dass die beiden unterschiedlichen magnetischen Materialien Weicheisen und Ferrit sein können. Auch zwei unterschiedliche Gestaltungen derjenigen Teile des magnetischen Kreises, dessen Permeabilität am geringsten ist, können um den Hals der Kathodenstrahlröhre gelegt sein.
Ausführungsbeispiele sollen das Verständnis der Erfindung vertiefen.
1 ist eine perspektivische Ansicht, teils im Schnitt, einer Kathodenstrahlröhre mit einem Magnet-Fokussiersystem gemäss der Erfindung.
Die 2a und 2b sind Längsschnitte in Richtung der Hauptachse Z der Röhre, dies bei Magnet-Fokussiereinrichtungen gemäss dem Stand der Technik.
3a und 3b zeigen die Profile längs der Z-Achse des Fokussierungsfeldes, wie sie von den Einrichtungen gemäss den 2a und 2b erzeugt werden.
4a und 4b sind Ausführungsbeispiele – im Längsschnitt entlang der Z-Achse der Fokussiereinrichtung – der Erfindung, wobei die Profile der Fokussierfelder längs der Z-Achse gezeigt sind, die von den jeweiligen Ausführungsbeispielen erzeugt werden.
5 ist eine perspektivische Ansicht – teils im Schnitt- von Teilen des Ausführungsbeispiels von 4a.
6 ist eine Darstellung, wie sich die Real- und Imaginärkomponente einer komplexen Permeabilität von Ferrit, das gesintert wurde, als Funktion der Betriebsfrequenz verändert.
Die Brennweite f einer Magnet-Fokussierlinse wird mit dem folgenden Ausdruck beschrieben, in welchem H(z) das Magnetfeld ist, welches längs der Hauptachse Z der Röhre erzeugt wird, und k einen Koeffizienten darstellt, der von der geometrischen Konfiguration des Systems abhängt:
Wenn das Feld H(z) von einer Feldvariablen mit der Zeit moduliert wird, ein sogenanntes dynamisches Feld, ergibt sich aus der obigen Gleichung folgendes:
Im Prinzip ist es wünschenswert, die Modulation des Feldes H(z) zu beeinflussen, und zwar mit dem dynamischen Feld h(z), welches so klein als möglich ist, um soviel Energie wie möglich zu sparen. In diesem Zusammenhang wird der Term h² (z)dz vernachlässigbar, wenn h << H wird, und zwar im Hinblick auf die beiden anderen Terme, und die Brennweitenvariation, welche durch die Modulation des Feldes H erreicht wird, kann vereinfacht durch folgenden Ausdruck beschrieben werden:
Daran kann erkannt werden, dass die dynamische Fokussierspule dann effizienter wird, wenn die Aktionszonen des Feldes H und h längs der Z-Achse überlappen bzw. sich überschneiden.
1 zeigt eine Kathodenstrahlröhre 1 mit einer Ablenkeinrichtung 2 für den Elektronenstrahl 5, der von der Elektronenkanone 4 ausgeht und wobei beabsichtigt wird, den Auftreffpunkt 6 des Strahles 5 auf dem Schirm 7 der Röhre 1 über deren gesamte Oberfläche zu abzutasten. Diese Röhre hat weiterhin eine magnetische Fokussiereinrichtung 3 für den Elektronenstrahl, welche Einrichtung auf dem Hals 8 der Röhre zwischen der Ablenkeinrichtung 2 und der Elektronenkanone 4 angeordnet ist.
Die Fokussiereinrichtung 3, wie sie im Stand der Technik beschrieben und in 2a und 3a skizziert ist, weist die statische Spule 11 auf, die auf dem Hals 8 der Röhre 1 platziert wird. Sie ist in einem Gehäuse 10 eingeschlossen, das zu einem Luftspalt 13 offen ist, an welchem das statische Feld H auftritt. Die dynamische Fokussierspule 12 wird auf der Höhe des Spaltes bzw. der Lücke im Gehäuse angeordnet, so dass das Feld h und das Feld H am gleichen Ort der Z-Achse wirken, um den Einfluss des Feldes h, welches von der dynamischen Fokussierspule gebildet wird, zu optimieren. Das Gehäuse 10 wird im allgemeinen aus Weich- oder Gussstahl gefertigt, ein Material mit einem weichen Remanenzfeld; dies ist eine wesentliche Charakteristik zum Erhalt einer gleichen Wirkung der magnetischen Linse – gebildet über das Feld H – mit jedem Eingriff des Fokussiersystems. Allerdings weist die Fokussiereinrichtung gemäss 2a folgende Beschränkungen auf:

(1) Das Feld h, welches von der dynamischen Spule 12 erzeugt wird, wird in dem Magnetkreis 10 eingeschlossen. Eine elektrische Kopplung entsteht dann zwischen den Spulen 11 und 12, womit insbesondere die Amplitude des Feldes H zeitabhängig modifiziert wird.
(2) Die Ströme, welche von der Spule in dem Weicheisen-Kreis 10 induziert werden, sind stark, was sich in behindernden Energieverlusten äussert, die aufgrund des geringen Widerstandes des Weicheisens – in der Größenordnung von 10 micro-Ohm·cm – entstehen. Es ist in diesem Zusammenhang herauszustellen, dass ein Widerstand von zumindest 1 Ohm·cm wünschenswert wäre, um vernachlässigbare elektrische Verluste zu erhalten.

In einer anderen Lösung – nach dem Stand der Technik – ist die dynamische Fokussierspule 12 – die 2b und 3b zeigen dies – relativverschoben gegenüber der Ausnehmung 13, so dass die Wirkungsbereiche der Felder H und h längs der Z-Achse ein wenig überlagert sind bzw. sich ein wenig überlappen. Ein Stück von MU-Metall 14, das nur einige Zehntel mm dick ist, isoliert die Spule 12 magnetisch von dem Weicheisen-Gehäuse 10, so dass eine schwache Kopplung zwischen den Spulen 11 und 12 entsteht. Die Lage der Spule 12 bewirkt, dass ihr Einfluss auf das Feld H weniger wahrnehmbar ist als im Fall der 2a. Es ist deshalb erforderlich, den Strom in der Spule 12 zu erhöhen, um eine entsprechende Modulation des Feldes H zu erzielen, was erforderlich machen würde, eine – bei hohen Frequenzen unerwünschte – hohe Energie zuzuführen. Auch sind die Verluste über Foucault Ströme immer noch sehr hoch aufgrund des geringen Widerstandes des MU-Metalls, in der Größenordnung von 50 micro-Ohm·cm.
Es hat sich auch im Stand der Technik erwiesen, dass eine magnetische Verzögerung entsteht, die in der Zeitverzögerung zwischen dem fliessenden Strom in der Spule 12 und dem von ihm erzeugten Feld begründet ist. Die magnetische Verzögerung bewirkt eine Fokussier-Unsymmetrie zwischen den extremen Punkten einer und derselben Zeile. Diese Verschiebung wird verursacht von dem schlechten dynamischen Verhalten der Werkstoffe, in denen das Feld h eingeschlossen ist; Weicheisen im einen Fall, MU-Metall im anderen. Deshalb dauert es bei der Einrichtung gemäss 2b in der Größenordnung von 20 μsec, um ein Feld mit 99.9% des Endwertes des Feldes, den es aufweisen sollte, aufzubauen.
Die Einrichtung in 4a veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem das Feld H der statischen Fokussierspule 11 und das Feld h der dynamischen Fokussierspule 12 verschobene Wirkungsbereiche längs der Hauptachse der Röhre haben. Die beiden Spulen sind so arrangiert, dass der Wirkungsbereich des Feldes h weitgehend innerhalb der Aktionszone H liegt. Entsprechend wird die Spule 12 nahe dem Luftspalt 13 angeordnet, der durch Unterbrechung des magnetischen Kreises entstanden ist, welcher die im wesentlichen toroidale Mantellinie bildet, und die Spule 11 umgibt. Diese Konfiguration ist möglich und wirksam durch Herstellen des Gehäuses in zwei Teilen 20 und 21, den Baumaterialien, die verschiedene magnetische Permeabilität aufweisen, speziell bei Frequenzen gleich oder grösser 16 kHz.
Die Permeabilität des Werkstoffs ist im allgemeinen konstant bis zu einer bestimmten Frequenz, an welcher der Skineffekt spürbar wird. Um das Frequenzverhalten dieses Werkstoffes zu beschreiben, ist es üblich, seine magnetische Permeabilität als komplexe Funktion auszudrücken, dergestalt, dass: μ = μ' – jμ'',wo μ' eine Funktion der Frequenz ist, die die Magnetisierung des Materials charakterisiert und μ'' eine andere Funktion der Frequenz ist, die die magnetischen Verluste im Inneren des Materials beschreibt.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Wahl von Weicheisen zum Bau oder zur Fertigung des Teiles 21 des Gehäuses und Ferrit zum Bau oder zur Fertigung des Teiles 20 exzellente Ergebnisse bringen. Die beiden Teile 20 und 21 werden an gegenüberliegenden Seiten des Luftspaltes angeordnet. Das Ferrit-Teil 20 hat aus Gründen der Fertigungsvereinfachung und des einfacheren Zusammenbaus eine kronenähnliche Form, wobei es eine Wand des Gehäuses bildet, das die Spule 11 umgibt, und zwar senkrecht zur Z-Achse der Röhre. Die Spule 12 ist so angeordnet, dass sie zur gleichen Zeit so nahe wie möglich an der Röhre angeordnet ist, um eine höchstmögliche Beeinflussung auf den Elektronenstrahl mit einem Minimum an Strom zu haben, und zwar unter dem Ferrit-Teil. In dieser Weise befindet sich das Magnetfeld, was durch die Spule 12 erzeugt wird, nahezu ausschliesslich in dem Ferrit 20 und nicht in dem Weicheisen-Kreis. Dies ergibt eine sehr schwache Kupplung zwischen den Spulen 11 und 12.
Die Analyse des Frequenzverhaltens von Ferrit – bildlich in 6 festgehalten – zeigt, dass es eine Permeabilität gibt, deren Komponente μ' groß bleibt (etwa 2000) bis zu Frequenzen in der Größenordnung von 1 MHz; während ihre Imaginärkomponente μ'', welche die magnetischen Verluste anzeigt, bis zu Frequenzen nahe 200 kHz gering bleibt. Darüberhinaus ist die magnetische Verzögerung in diesem Fall sehr gering, da ein Feld sich auf 99.9% seines Wertes, den es haben soll, in der Größenordnung von micro-sec aufbaut. Letztlich sind die Verluste aufgrund des induzierten Stromes in dem Ferrit gering, da der Widerstand von Ferrit um 100 Ohm·cm liegt.
Das zur Fertigung des Teiles 20 eingesetzte Ferrit wird von LCC-Cie Europenne de Composants Electroniques hergestellt und ist unter der Kennzeichnung T22 erhältlich.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die 4b. In ihr bildet das Ferritteil 22 die am nächsten zum Hals 8 der Röhre gelegene Wand des magnetischen Gehäuses, welches die statische Spule 11 umgibt. Das Ferritteil 22 in diesem Ausführungsbeispiel weist die Form einer zylindrischen Röhre oder eines Röhrenstücks auf, dessen traverse Achse mit der Hauptachse Z der Röhre übereinstimmt. Die Spule 12 ist – wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel – unter dem Ferritteil 22 gelegen, am Nächsten sowohl zum Hals 8 der Röhre 1, als auch zum Rand des Luftspaltes 13.

Claims

Magnet-Fokussiereinrichtung (3), zur Anordnung um den Hals (8) einer Kathodenstrahlröhre (1); – mit einem magnetischen oder magnetisierbaren Gehäuse (10) mit einem Luftspalt (13) in einem Abschnitt davon, der radial dem Hals (8) am nächsten ist; – mit einer statischen Fokussierspule (11), welche im Gehäuse eingeschlossen und über einen Gleichstrom anregbar ist; – mit einer dynamischen Fokussierspule (12), die zwischen der statischen Fokussierungsspule (11) und dem Hals (8) der Kathodenstrahlröhre (1) angeordnet und von einem periodisch variablen Strom anregbar ist; dadurch gekennzeichnet, – dass der Teil (20) des Gehäuses, der die statische Fokussierspule (11) umschließt, und der Teil (21) des Gehäuses, der die dynamische Fokussierspule (11) umschließt, unterschiedliche magnetische Permeabilitäten aufweisen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (20, 21) mit unterschiedlicher magnetischer Permeabilität an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Luftspaltes (13) gelegen sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (20) des Gehäuses, der aus dem Werkstoff gefertigt ist, dessen Imaginärkomponente der magnetischen Permeabilität am geringsten ist, die Form eines Annulus aufweist, der auf der Z-Achse der Kathodenstrahlröhre (1) zentriert ist und in einer Ebene angeordnet wird, die im wesentlichen senkrecht zu der Z-Achse ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Gehäuses, der aus dem Werkstoff gefertigt ist, dessen Imaginärkomponente der magnetischen Permeabilität am geringsten ist, die Form einer zylindrischen Röhre (22) oder Rohrstücks (20) aufweist, dessen traverse Achse mit der Z-Achse der Kathodenstrahlröhre (1) übereinstimmt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe, welche das magnetische Gehäuse (10) bilden, Weicheisen (21) und Ferrit (20) sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (20), dessen Imaginärkomponente der magnetischen Permeabilität am geringsten ist, einen spezifischen Widerstand von zumindest etwa 1 Ohm cm hat.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung und die Kathodenstrahlröhre (1) kombiniert werden.
Magnet-Fokussiereinrichtung (3) zur Anordnung um den Hals (8) einer Kathodenstrahlröhre (1), die eine Hauptachse (Z) aufweist, – mit einem magnetisierbaren Gehäuse (10), das einen Luftpalt (13) in einem Abschnitt aufweist, der radial dem Hals (8) am nächsten ist; – mit einer statischen Fokussierspule (11), die in dem magnetisierbaren Gehäuse enthalten ist und von einem Gleichstrom aktivierbar ist; – mit einer dynamischen Fokussierspule (12), die der statischen Fokussierspule (11) benachbart um den Hals (8) der Kathodenstrahlröhre (1) angeordnet ist und über einen variablen Strom einer Frequenz, die gleich oder größer als 16 kHz ist, aktivierbar ist; dadurch gekennzeichnet, – dass eine erste magnetische Feldverteilung (h) mit einem ersten Schwerpunkt von der dynamischen Fokussierspule (12) gebildet ist, und zwar längs der Hauptachse (Z) der Kathodenstrahlröhre (1), und in Richtung eines zweiten Schwerpunkts einer zweiten Feldverteilung (H), die von der statischen Spule (11) erzeugbar ist, relativverschoben ist, wobei die erste Feldverteilung (h) weitgehend innerhalb der zweiten Feldverteilung (H) verbleibt.