Совсем недавно электронно-лучевая трубка была распространена в самых различных устройствах, например, аналоговых осциллографах, а также в отраслях радиотехники – телевидении и радиолокации. Но прогресс не стоит на месте, и электронно-лучевые трубки начали постепенно вытесняться более современными решениями. Стоит отметить, что в некоторых устройствах их все же применяют, поэтому давайте рассмотрим, что это такое.
В качестве источника заряженных частиц в электронно-лучевых трубках используют накаленный катод, который в следствии термоэлектронной эмиссии испускает электроны. Внутрь управляющего электрода, имеющего цилиндрическую форму, помещают катод. Если изменять отрицательный потенциал управляющего электрода, можно менять яркость светового пятна на экране. Это связано с тем, что изменении отрицательного потенциала электрода влияет на величину электронного потока. За управляющим электродом располагают два цилиндрических анода, внутри которых установлены диафрагмы (перегородки с небольшими отверстиями). Ускоряющее поле, создаваемое анодами, обеспечивает направленное движение электронов в сторону экрана и одновременно «собирает» в узкий поток (луч) электронный поток. Помимо фокусировки, которая реализуется с помощью электростатического поля, в электронно-лучевой трубке применяют и магнитную фокусировку луча. Чтоб это реализовать, на горловину трубки одевают фокусирующую катушку. , которая действует на электроны в магнитном поле, создаваемом катушкой, прижимает их к оси трубки, формируя тем самым тонкий луч. Для перемещения или отклонения электронного луча на экране, точно также как и для фокусировки, применяют электрические и магнитные поля.
Из двух пар пластин состоит электростатическая система отклонения луча: горизонтальной и вертикальной. Пролетая между пластинами, электроны будут отклоняться в сторону положительно заряженной пластины (рисунок а)):
Две взаимно перпендикулярные пары пластин позволяют отклонять электронный луч как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Магнитная система отклонения состоит из двух пар катушек 1 – 1 / и 2 – 2 / , расположенных на баллоне трубки под прямым углом друг к другу (рисунок б)). В магнитном поле, создаваемом данными катушками, на пролетающие электроны будет действовать сила Лоренца.
По вертикалям перемещение потока электронов будет вызывать магнитное поле горизонтально расположенных катушек. Поле вертикально расположенных катушек – по горизонтали. Полупрозрачным слоем специального вещества, которое способно светиться при бомбардировке его электронами, покрывается экран электронно-лучевой трубки. К таким веществам можно отнести некоторые полупроводники – вольфрамовокислый кальций, виллемит и другие.
Основная группа электронно-лучевых трубок – осциллографические трубки, основным назначением которых является исследование быстрых изменений тока и напряжения. В таком случае исследуемый ток подается на отклоняющую систему, результатом чего станет отклонение луча на экране пропорционально силе этого тока (напряжения).
В электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) для воспроизведения изображения на люминесцентном экране используется пучок электронов, получаемых с нагретого катода. Катод изготовляют оксидным, с косвенным накалом, в виде цилиндра с подогревателем. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной его фокусировки. На модулятор подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт. Чем это напряжение больше, тем больше электронов возвращается на катод. Другие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В ЭЛТ их минимум два. На втором аноде напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (порядка 20 кВ), а на первом аноде напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов имеются перегородки с отверстиями (диафрагмы). Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществляется с помощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благодаря диафрагмам. Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электронным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т. е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцентному экрану. Электронный прожектор размещается в узкой горловине колбы ЭЛТ. Этот луч отклоняется под действием электрического или магнитного поля, а интенсивность луча можно изменять посредством управляющего электрода, меняя тем самым яркость пятна. Люминесцентный экран формируется путем нанесения тонкого слоя люминофора на внутреннюю поверхность торцевой стенки конической части ЭЛТ. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих экран, превращается в видимый свет.
ЭЛТ С электростатическим управлением.
Электрические поля обычно используются в ЭЛТ с экраном малого размера. В системах отклонения электрическим полем вектор поля ориентирован перпендикулярно начальной траектории луча. Отклонение осуществляется приложением разности потенциалов к паре отклоняющих пластин рисунок ниже. Обычно отклоняющие пластины делают отклонение в горизонтальном направлении пропорциональным времени. Это достигается приложением к отклоняющим пластинам напряжения, которое равномерно возрастает, пока луч перемещается поперек экрана. Затем это напряжение быстро падает до своего исходного уровня и снова начинает равномерно возрастать. Сигнал, который требует исследования, подают на пластины, отклоняющие в вертикальном направлении. Если продолжительность однократной горизонтальной развертки равна периоду или соответствует частоте повторения сигнала, на экране будет непрерывно воспроизводиться один период волнового процесса.
1- экран ЭЛТ, 2-катод, 3- модулятор, 4-первый анод, 5- второй анод, П - отклоняющие пластины.
ЭЛТ с электромагнитным управлением
В тех случаях, когда требуется большое отклонение, использование электрического поля для отклонения луча становится неэффективным.
Электромагнитные трубки имеют электронную пушку, такую же, как и электростатические. Разница состоит в том, что напряжение на первом аноде не изменяется, и аноды предназначены только для ускорения электронного потока. Магнитные поля требуются для отклонения луча в телевизионных ЭЛТ с большими экранами.
Фокусировка электронного луча осуществляется при помощи фокусирующей катушки. Фокусирующая катушка имеет рядовую намотку и одевается прямо на колбу трубки. Фокусирующая катушка создает магнитное поле. Если электроны движутся по оси, то угол между вектором скорости и магнитными силовыми линиями будет равен 0, следовательно, сила Лоренца равна нулю. Если электрон влетает в магнитное под углом, то за счет силы Лоренца траектория электрона будет отклоняться к центру катушки. В результате все траектории электронов будут пересекаться в одной точке. Изменяя ток через фокусирующую катушку, можно изменять местоположение этой точки. Добиваются того, чтобы эта точка находилась в плоскости экрана. Отклонение луча осуществляется при помощи магнитных полей, формируемых двумя парами отклоняющих катушек. Одна пара - катушки вертикального отклонения, и другая - катушки таким образом, что их магнитные силовые линии на осевой линии будут взаимно перпендикулярны. Катушки имеют сложную форму и располагаются на горловине трубки.
При использовании магнитных полей для отклонения луча на большие углы ЭЛТ получается короткой, а также позволяет изготавливать экраны больших размеров.
Кинескопы.
Кинескопы относятся к комбинированным ЭЛТ, то есть они имеют электростатическую фокусировку и электромагнитное отклонение луча для увеличения чувствительности. Основным отличием кинескопов от ЭЛТ является следующее: электронная пушка кинескопов имеет дополнительный электрод, который называется ускоряющим электродом. Он располагается между модулятором и первым анодом, на него подается положительное напряжение в несколько сотен вольт относительно катода, и он служит для дополнительного ускорения электронного потока.
Схематическое устройство кинескопа для черно-белого телевидения: 1- нить подогревателя катода; 2- катод; 3- управляющий электрод; 4- ускоряющий электрод; 5- первый анод; 6- второй анод; 7- проводящее покрытие (аквадаг); 8 и 9- катушки вертикального и горизонтального отклонения луча; 10- электронный луч; 11- экран; 12- вывод второго анода.
Вторым отличием является то, что экран кинескопа, в отличие от ЭЛТ, трехслойный:
1 слой - наружный слой - стекло. К стеклу экрана кинескопа предъявляются повышенные требования по параллельности стенок и по отсутствию посторонних включений.
2 слой - это люминофор.
3 слой - это тонкая алюминиевая пленка. Эта пленка выполняет две функции:
Увеличивает яркость свечения экрана, действуя как зеркало.
Основная функция состоит в защите люминофора от тяжелых ионов, которые вылетают из катода вместе с электронами.
Цветные кинескопы.
Принцип действия основан на том, что любой цвет и оттенок можно получить смешиванием трех цветов - красного, синего и зеленого. Поэтому цветные кинескопы имеют три электронных пушки и одну общую отклоняющую систему. Экран цветного кинескопа состоит из отдельных участков, каждый из которых содержит три ячейки люминофора, которые светятся красным, синим и зеленым цветами. Причем размеры этих ячеек настолько малы и они расположены настолько близко друг к другу, что их свечение воспринимается глазом как суммарное. Это общий принцип построения цветных кинескопов.
Мозаика (триады) экрана цветного кинескопа с теневой маской: R- красные, G- зеленые, B- синие люминофорные «точки».
Электропроводность полупроводников
Собственная проводимость полупроводников.
Собственным полупроводником называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решеткой на валентной орбите которого находится четыре электрона. В полупроводниковых приборах чаще всего используются кремний Si и германий Ge .
Ниже показана электронная оболочка атома кремния. В образовании химических связей и в процессе проводимости могут участвовать только четыре электрона внешней оболочки, называемые валентными электронами. Десять внутренних электронов в таких процессах не участвуют.
Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть представлена следующим образом.
Если электрон получил энергию, большую ширины запрещенной зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой . В химически чистом полупроводнике концентрация электронов n равна концентрации дырок p .
Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда.
Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счет собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.
Примесная проводимость проводников.
Так как у химически чистых полупроводников проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.
Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным. За счет этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь, за счет которой n > p , называется донорной примесью. Полупроводник, у которого n > p , называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n -типа.
В полупроводнике n -типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.
При введении трехвалентной примеси три ее валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвертая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.
Примесь, при которой p > n , называется акцепторной примесью.
Полупроводник, у которого p > n , называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником р-типа . В полупроводнике р-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.
Образование электронно-дырочного перехода.
Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела р и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счет которого электроны из n -области переходят в р-область , а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в р-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина р- n перехода - десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле р-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.
Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряженности электрического поля - на границе раздела.
Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на р- n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером . Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть р- n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.
Прямое и обратное включение р- n перехода.
Приложим внешнее напряжение плюсом к р -области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю р- n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через р- n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.
Такое включение р- n перехода называется прямым, и ток через р- n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении р- n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на р-область , а плюсом на n -область , то возникает внешнее электрическое поле, линии напряженности которого совпадают с внутренним полем р- n перехода. В результате это приведет к увеличению потенциального барьера и ширины р- n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть р- n переход, и считается, что р- n переход закрыт. Оба поля - и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через р- n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током . Такое включение р- n перехода также называется обратным.
Свойства р- n перехода. Вольтамперная характеристика р- n перехода
К основным свойствам р- n перехода относятся:
- свойство односторонней проводимости;
Температурные свойства р- n перехода;
Частотные свойства р- n перехода;
Пробой р- n перехода.
Свойство односторонней проводимости р- n перехода рассмотрим на вольтамперной характеристике.
Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через р- n переход тока от величины приложенного напряжения I = f (U ) – рис.29.
Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что р- n переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство р- n перехода показывает, как изменяется работа р- n перехода при изменении температуры. На р- n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени - охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока. Частотные свойства р- n перехода показывают, как работает р- n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства р- n перехода определяются двумя видами емкости перехода.
Первый вид емкости - это емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной емкостью. Второй тип емкости - это диффузионная емкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через р- n переход при прямом включении.
Если на р- n переход подавать переменное напряжение, то емкостное сопротивление р- n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах емкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением р- n перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту емкость потечет достаточно большой обратный ток, и р- n переход потеряет свойство односторонней проводимости.
Вывод: чем меньше величина емкости р- n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.
На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная емкость, т. к. диффузионная емкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление р- n перехода мало.
Пробой р- n перехода .
При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определенном обратном напряжении называется электрическим пробоем р- n перехода.
Электрический пробой - это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения р- n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счет теплового действия тока и р- n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем р- n перехода. Тепловой пробой необратим.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один р-n переход и имеющее два вывода. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.
Маркировка диодов состоит из 4 обозначений:
К С -156 А
Используемая как для передачи, так и для приема электронно-лучевая трубка снабжена устройством, испускающим электронный луч, а также устройствами, обеспечивающими управление его интенсивностью, фокусировку и отклонение. Здесь рассказывается обо всех этих операциях. В заключение профессор Радиоль заглядывает в будущее телевидения.
Итак, мой любезный Незнайкин, я должен объяснить тебе устройство и принципы работы электронно-лучевой трубки, так как она применяется в телевизионных передатчиках и приемниках.
Электронно-лучевая трубка существовала задолго до появления телевидения. Она использовалась в осциллографах - измерительных приборах, позволяющих наглядно увидеть формы электрических напряжений.
Электронная пушка
Электронно-лучевая трубка имеет катод обычно с косвенным накалом, который испускает электроны (рис. 176). Последние притягиваются анодом, имеющим положительный относительно катода потенциал. Интенсивностью потока электронов управляет потенциал другого электрода, установленного между катодом и анодом. Этот электрод носит название модулятора, имеет форму цилиндра, частично охватывающего катод, а в его дне есть отверстие, через которое проходят электроны.
Рис. 176. Пушка электронно-лучевой трубки, испускающая пучок электронов. Я - нить накала; К - катод; М - модулятор; А - анод.
Я чувствую, что ты сейчас испытываешь определенное недовольство мною. "Почему он не сказал мне, что это просто-напросто триод?!" - возможно, думаешь ты. На самом деле, модулятор играет ту же самую роль, что и сетка в триоде. А все эти три электрода вместе образуют электршпую пушку. Почему? Стреляет она чем-нибудь? Да. В аноде проделано отверстие, через которое пролетает значительная часть притягиваемых анодом электронов.
В передатчике электронный луч «просматривает» различные элементы изображения, пробегая по светочувствительной поверхности, на которую проецируется это изображение. В приемнике луч создает изображение на флуоресцирующем экране.
Чуть позже мы более подробно рассмотрим эти функции. А сейчас я должен изложить тебе две основные проблемы: как концентрируется луч электронов и как заставляют его отклоняться, чтобы обеспечить просмотр всех элементов изображения.
Способы фокусировки
Фокусировка необходима для того, чтобы сечение луча в месте его соприкосновения с экраном не превышало размеров элемента изображения. Луч в этой точке соприкосновения обычно называют пятном.
Для того чтобы пятно было достаточно малым, луч нужно пропустить через электронную линзу. Так называют устройство, использующее электрические или магнитные поля и воздействующее на электронный луч так же, как двояковыпуклая стеклянная линза на световые лучи.
Рис. 177. Благодаря воздействию нескольких анодов электронный луч фокусируется в одну точку на экране.
Рис. 178. Фокусировка электронного луча обеспечивается магнитным полем, создаваемым катушкой, к которой приложено постоянное напряжение.
Рис. 179. Отклонение электронного луча переменным полем.
Рис. 180. Две пары пластин позволяют отклонять электронный луч в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Рис. 181. Синусоида на экране электронного осциллографа, в котором на горизонтальные отклоняющие пластины приложено переменное напряжение, а на вертикальные пластины - линейное напряжение такой же частоты.
Фокусировка осуществляется электрическими силовыми линиями, для чего за первым анодом устанавливают второй (также снабженный отверстием), на который подают более высокий потенциал. Можно также установить за вторым анодом третий и подать на него еще более высокий потенциал, чем на второй. Разность потенциалов между анодами, через которые проходит электронный луч, воздействует на электроны наподобие электрических силовых линий, идущих от одного анода к другому. И это воздействие имеет тенденцию направить к оси луча все электроны, траектория которых отклонилась (рис. 177).
Потенциалы анодов в используемых в телевидении электронно-лучевых трубках часто достигают нескольких десятков тысяч вольт. Величина же анодных токов, наоборот, очень небольшая.
Из сказанного ты должен понять, что мощность, какую нужно отдать в трубке, не представляет собой ничего сверхъестественного.
Сфокусировать луч можно также воздействием на поток электронов магнитным полем, создаваемым протекающим по катушке током (рис. 178).
Отклонение электрическими полями
Итак, нам удалось настолько сфокусировать луч, что его пятно на экране имеет крохотные размеры. Однако неподвижное пятно в центре экрана не дает никакой практической пользы. Нужно заставить пятно пробегать по чередующимся строкам обоих полукадров, как это объяснил тебе Любознайкин во время вашей последней беседы.
Как обеспечить отклонение пятна, во-первых, по горизонтали, чтобы оно быстро пробегало по строкам, и, во-вторых, по вертикали, чтобы пятно переходило с одной нечетной строки на следующую нечетную или же с одной четной на следующую четную? Кроме того, нужно обеспечить очень быстрый возврат с конца одной строки к началу той, которую пятну предстоит пробежать. Когда же пятно закончит последнюю строку одного полукадра, оно должно очень быстро подняться кверху и занять исходное положение в начале первой строки следующего полукадра.
В этом случае отклонение электронного луча может также осуществляться изменением электрических или магнитных полей. Позднее ты узнаешь, какую форму должны иметь управляющие разверткой напряжения или токи и как их получить. А сейчас посмотрим, как устроены трубки, отклонение в которых осуществляется электрическими полями.
Эти поля создают путем приложения разности потенциалов между двумя металлическими пластинами, расположенными по одну и другую сторону от луча. Можно сказать, что пластины представляют собой обкладки конденсатора. Ставшая положительной обкладка притягивает электроны, а ставшая отрицательной - их отталкивает (рис. 179).
Ты легко поймешь, что две расположенные горизонтально пластины определяют отклонение электронного луча но вертикали. Для перемещения луча по горизонтали нужно использовать две пластины, расположенные вертикально (рис. 180).
В осциллографах как раз и используют этот способ отклонения; там устанавливают как горизонтальные, так и вертикальные пластины. На первые подают периодические напряжения, форму которых мужно определить, - эти напряжения отклоняют пятно по вертикали. На вертикальные пластины подают напряжение, отклоняющее пятно по горизонтали с постоянной скоростью и почти мгновенно возвращающее его к началу строки.
При этом появляющаяся на экране кривая отображает форму изменения изучаемого напряжения. По мере перемещения пятна слева направо рассматриваемое напряжение заставляет его подниматься или опускаться в зависимости от своих мгновенных значений. Если ты будешь таким образом рассматривать напряжение сети переменного тока, то на экране электронно-лучевой трубки увидишь красивую синусоидальную кривую (рис. 181).
Флуоресценция экрана
А теперь пора тебе объяснить, что экран электронно-лучевой трубки изнутри покрыт слоем флуоресцентного вещества. Так называют вещество, которое под воздействием ударов электронов светится. Чем мощнее эти удары, тем выше вызываемая ими яркость.
Не путай флуоресценцию с фосфоресценцией. Последняя присуща веществу, которое под воздействием дневного света или света электрических ламп само становится светящимся. Именно так светятся ночью стрелки твоего будильника.
Телевизоры оснащают электронно-лучевыми трубками, экран которых сделан из полупрозрачного флуоресцентного слоя. Под воздействием электронных лучей этот слой становится светящимся. В черно-белых телевизорах производимый таким образом свет - белый. Что же касается цветных телевизоров, то в них флуоресцентный слой состоит из 1500000 элементов, одна треть которых излучает красный свет, другая треть светится синим светом, а последняя треть - зеленым.
Рис. 182. Под воздействием магнитного поля магнита (тонкие стрелки) электроны отклоняются в перпендикулярном ему направлении (толстые стрелки).
Рис. 183. Катушки, создающие магнитные поля, обеспечивают отклонение электронного луча.
Рис. 184. По мере увеличения угла отклонения трубку делают короче.
Рис. 185. Размещение проводящего слоя, необходимого для отвода с экрана во внешнюю цепь первичных и вторичных электронов.
Позднее тебе объяснят, как комбинации этих трех цветов позволяют получить всю гамму самых разнообразных цветов, в том числе и белый свет.
Магнитное отклонение
Вернемся к проблеме отклонения электронного луча. Я описал тебе способ, основанный на изменении электрических полей. В настоящее время в телевизионных электронно-лучевых трубках используется отклонение луча магнитными полями. Эти поля создают электромагниты, расположенные вне трубки.
Напомню, что магнитные силовые линии стремятся отклонить электроны в направлении, которое образует с ними прямой угол. Следовательно, если полюсы намагничивания расположены слева и справа от электронного луча, то силовые линии идут в горизонтальном направлении и отклоняют электроны сверху вниз.
А полюсы, расположенные сверху и снизу от трубки, смещают электронный луч по горизонтали (рис. 182). Пропуская по таким магнитам переменные токи соответствующей формы, заставляют луч совершать требующийся путь полной развертки изображений.
Итак, как ты видишь, электронно-лучевая трубка окружена немалым количеством катушек. Вокруг нее находится соленоид, обеспечивающий фокусировку электронного луча. А отклонением этого луча управляют две пары катушек: в одной витки расположены в горизонтальной плоскости, а в другой - в вертикальной, Первая пара катушек отклоняет электроны справа налево, вторая -г вверх и вниз (рис. 183).
Угол отклонения луча от оси трубки раньше не превышал , полное же отклонение луча составляло 90°. В наши дни изготовляют трубки с полным отклонением луча до 110°. Благодаря этому длина трубки уменьшилась, что позволило изготовить телевизоры меньшего объема, так как глубина их футляра уменьшилась (рис. 184).
Возвращение электронов
Ты, может быть, спрашиваешь себя, каков конечный путь электронов, ударившихся о флуоресцентный слой экрана. Так знай, что этот путь заканчивается ударом, вызывающим испускание вторичных электронов. Совершенно недопустимо, чтобы экран накапливал первичные и вторичные электроны, так как их масса создала бы отрицательный заряд, когорый стал бы отталкивать другие излучаемые электронной пушкой электроны.
Для предотвращения такого накопления электронов внешние стенки колбы от экрана до анода покрывают проводящим слоем. Таким образом, приходящие на флуоресцентный слой электроны притягиваются анодом, имеющим очень высокий положительный потенциал, и поглощаются (рис. 185).
Контакт анода выводят на боковую стенку трубки, тогда как все другие электроды соединяют со штырьками цоколя, расположенного на противоположном относительно экрана конце трубки.
Существует ли опасность взрыва?
Еще один вопрос, несомненно, рождается в твоем мозгу. Ты, должно быть, спрашиваешь себя, с какой силой атмосфера давит на эти большие вакуумные трубки, устанавливаемые в телевизорах. Ты знаешь, что на уровне земной поверхности атмосферное давление составляет около . Площадь же экрана, диагональ которого равна 61 см, составляет . Это означает, что воздух давит на этот экран с силой . Если учесть остальную часть поверхности колбы в ее конической и цилиндрической частях, то можно сказать, что трубка выдерживает общее давление, превышающее 39-103 Н.
Выпуклые участки трубки легче, чем плоские, выдерживают высокое давление. Поэтому раньше трубки изготовляли с весьма выпуклым экраном. В наши дни научились делать экраны достаточно прочными, чтобы даже при плоской форме они успешно выдерживали давление воздуха. Поэтому риск взрыва, направленного внутрь, исключен. Я умышленно сказал взрыва, направленного внутрь, а не просто взрыва, так как если разрывается электронно-лучевая трубка, то ее осколки устремляются внутрь.
В старых телевизорах из предосторожности перед экраном устанавливали толстое защитное стекло. В настоящее время обходятся без него.
Плоский экран будущего
Ты молод, Незнайкин. Перед тобой открывается будущее; ты увидишь эволюцию и прогресс электроники во всех областях. В телевидении, несомненно, наступит такой день, когда электронно-лучевая трубка в телевизоре будет заменена плоским экраном. Такой экран будут вешать на стену как простую картину. А все схемы электрической части телевизора благодаря микроминиатюризации будут размещены в раме этой картины.
Использование интегральных схем даст возможность до минимума сократить размер многочисленных схем, составляющих электрическую часть телевизора. Применение интегральных схем уже получило широкое распространение.
И наконец, если все ручки и кнопки управления телевизором придется размещать на окружающей экран раме, то наиболее вероятно, что для регулировки телевизора будут применяться дистанционные устройства управления. Не поднимаясь со своего кресла, телезритель сможет переключать телевизор с одной программы на другую, изменять яркость и контрастность изображения и громкость звукового сопровождения. Для этой цели у него под рукой будет маленькая коробочка, излучающая электромагнитные волны или ультразвуки, которые заставят телевизор произвести все заданные переключения и регулировки. Впрочем, такие устройства уже существуют, но пока не получили широкого распространения...
А теперь вернемся из будущего в настоящее. Я предоставляю Любознайкину возможность объяснить тебе, как электронно-лучевые трубки в настоящее время используются для передачи и приема телевизионных изображений.
Задачи работы
- общее знакомство с устройством и принципом действия электронных осциллографов,
- определение чувствительности осциллографа,
- проведение некоторых измерений в цепи переменного тока при помощи осциллографа.
Общие сведения об устройстве и работе электронного осциллографа
С помощью катода электронно-лучевой трубки осциллографа создается электронный поток, который формируется в трубке в узкий пучок, направленный к экрану. Сфокусированный на экране трубки электронный пучок вызывает в месте падения светящееся пятно, яркость которого зависит от энергии пучка (экран покрыт специальным люминесцирующим составом, светящимся под воздействием пучка электронов). Электронный луч является практически безынерционным, поэтому световое пятно можно практически мгновенно перемещать в любом направлении по экрану, если воздействовать на электронный пучок электрическим полем. Поле создается с помощью двух пар плоскопараллельных пластин, называемых отклоняющими пластинами. Малая инерционность луча обуславливает возможность наблюдения быстропеременных процессов с частотой 10 9 Гц и более.
Рассматривая существующие осциллографы, разнообразные по конструкции и назначению, можно увидеть, что функциональная схема их примерно одинакова. Основными и обязательными узлами должны быть:
Электронно-лучевая трубка для визуального наблюдения исследуемого процесса;
Источники питания для получения необходимых напряжений, подаваемых на электроды трубки;
Устройство для регулировки яркости, фокусировки и смещения луча;
Генератор развертки для перемещения электронного луча (и соответственно, светящегося пятна) по экрану трубки с определенной скоростью;
Усилители (и аттенюаторы), используемые для усиления или ослабления напряжения исследуемого сигнала, если оно недостаточно для заметного отклонения луча на экране трубки или, напротив, слишком велико.
Устройство электронно-лучевой трубки
Прежде всего, рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки (рис. 36.1). Обычно это стеклянная колба 3, откачанная до высокого вакуума. В узкой ее части расположен нагреваемый катод 4, из которого вылетают электроны за счет термоэлектронной эмиссии Система цилиндрических электродов 5, 6, 7 фокусирует электроны в узкий пучок 12 и управляет его интенсивностью. Далее следуют две пары отклоняющих пластин 8 и 9 (горизонтальные и вертикальные) и, наконец, экран 10 – дно колбы 3, покрытое люминесцирующим составом, благодаря которому становится видимым след электронного луча.
В состав катода входит вольфрамовая нить – нагреватель 2, расположенная в узкой трубке, торец которой (для уменьшения работы выхода электронов) покрыт слоем окиси бария или стронция и собственно является источником потока электронов.
Процесс формирования электронов в узкий луч с помощью электростатических полей во многом напоминает действие оптических линз на световой луч. Поэтому система электродов 5,6,7 носит название электронно-оптического устройства.
Электрод 5 (модулятор) в виде закрытого цилиндра с узким отверстием находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода и выполняет функции, аналогичные управляющей сетке электронной лампы. Изменяя величину отрицательного напряжения на модулирующем или управляющем электроде, можно изменять количество электронов, проходящих через его отверстие. Следовательно, с помощью модулирующего электрода можно управлять яркостью луча на экране. Потенциометр, управляющий величиной отрицательного напряжения на модуляторе, выведен на переднюю панель осциллографа с надписью ”яркость”.
Система из двух коаксиальных цилиндров 6 и 7, называемых первым и вторым анодами, служит для ускорения и фокусировки пучка. Электростатическое поле в промежутке между первым и вторым анодами направлено таким образом, что отклоняет расходящиеся траектории электронов снова к оси цилиндра, подобно тому, как оптическая система из двух линз действует на расходящийся пучок света. При этом катод 4 и модулятор 5 составляют первую электронную линзу, а первому и второму анодам соответствует другая электронная линза.
В итоге пучок электронов фокусируется в точке, которая должна лежать в плоскости экрана, что оказывается возможным при соответствующем выборе разности потенциалов между первым и вторым анодами. Ручка потенциометра, регулирующего это напряжение, выведена на переднюю панель осциллограф с надписью ”фокус”.
При попадании электронного луча на экран на нем образуется резко очерченное светящееся пятно (соответствующее сечению пучка), яркость которого зависит от количества и скорости электронов в пучке. Большая часть энергии пучка при бомбардировке экрана превращается в тепловую. Во избежание прожога люминесцирующего покрытия не допустима большая яркость при неподвижном электронном луче. Отклонение луча осуществляется с помощью двух пар плоскопараллельных пластин 8 и 9, расположенных под прямым углом друг к другу.
При наличии разности потенциалов на пластинах одной пары однородное электрическое поле между ними отклоняет траекторию пучка электронов в зависимости от величины и знака этого поля. Расчеты показывают, что величина отклонения луча на экране трубки D (в миллиметрах) связана с напряжением на пластинах U D и напряжением на втором аноде Ua 2 (в вольтах) следующим образом:
(36.1),
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) – электровакуумные приборы, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световое изображение с помощью тонкого электронного луча, направляемого на специальный экран, покрытый люминофором - составом, способным светиться при бомбардировке его электронами.
На рис. 15 показано устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением луча . В трубке имеется оксидный подогревный катод с эмиттирующей поверхностью, обращенной к отверстию в модуляторе. На модуляторе относительно катода устанавливается небольшой отрицательный потенциал. Далее по оси трубки (и по ходу луча) располагается фокусирующий электрод, называемый также первым анодом, его положительный потенциал способствует вытягиванию электронов из прикатодного пространства через отверстие модулятора и формированию из них узкого луча. Дальнейшую фокусировку и ускорение электронов осуществляет поле второго анода (ускоряющего электрода). Его потенциал в трубке наиболее положительный и составляет единицы – десятки киловольт. Совокупность катода, модулятора и ускоряющего электрода образует электронную пушку (электронный прожектор). Неоднородное электрическое поле в пространстве между электродами действует на электронный пучок как собирательная электростатическая линза. Электроны под действием этой линзы сходятся в точку на внутренней стороне экрана. Экран изнутри покрыт слоем люминофора – вещества, преобразующего энергию потока электронов в свет. Снаружи место падения потока электронов на экран светится.
Для управления положением светящегося пятна на экране и тем самым получения изображения электронный луч отклоняют по двум координатам с помощью двух пар плоских электродов – отклоняющих пластин X и Y. Угол отклонения луча зависит от напряжения, приложенного к пластинам. Под действием переменных отклоняющих напряжений на пластинах луч обегает разные точки на экране. Яркость свечения точки зависит от силы тока луча. Для управления яркостью подают переменное напряжение на вход модулятора Z. Для получения устойчивого изображения периодического сигнала осуществляют его периодическую развертку на экране, синхронизируя линейно изменяющееся напряжение развертки по горизонтали X исследуемым сигналом, который одновременно поступает на пластины вертикального отклонения Y. Таким путем формируют изображения на экране ЭЛТ. Электронный луч обладает малой инерционностью.
Кроме электростатической, применяется и магнитная фокусировка электронного луча. Для нее используют катушку с постоянным током, в которую вставляют ЭЛТ. Качество магнитной фокусировки выше (меньше размер пятна, меньше искажения), однако магнитная фокусировка громоздкая и непрерывно потребляет энергию.
Широко применяется (в кинескопах) магнитное отклонение луча, осуществляемое двумя парами катушек с токами. В магнитном поле электрон отклоняется по радиусу окружности, и угол отклонения может быть существенно большим, чем в ЭЛТ с электростатическим отклонением. Однако быстродействие магнитной отклоняющей системы невысокое из-за инерционности катушек с током. Поэтому в осциллографических трубках применяют исключительно электростатическое отклонение луча как менее инерционное.
Экран является важнейшей частью ЭЛТ. В качестве электролюминофоров применяют различные неорганические соединения и их смеси, например, сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка, вольфраматы кальция и кадмия и т.п. с примесями активаторов (меди, марганца, висмута и др.). Основные параметры люминофора: цвет свечения, яркость, сила света пятна, световая отдача, послесвечение. Цвет свечения определяется составом люминофора. Яркость свечения люминофора в Кд/м 2
B ~ (dn/dt)(U-U 0) m ,
где dn/dt – поток электронов в секунду, то есть, ток луча, А;
U 0 - потенциал свечения люминофора, В;
U – ускоряющее напряжение второго анода, В;
Сила света пятна пропорциональна яркости. Световая отдача – это отношение силы света пятна к мощности луча в Кд/Вт.
Послесвечение – это время, в течение которого яркость пятна после выключения луча спадает до 1% первоначального значения. Различают люминофоры с очень коротким (менее 10 мкс) послесвечением, с коротким (от 10 мкс до 10 мс), средним (от 10 до 100 мс), длительным (от 0,1 до 16 с) и очень длительным (более 16 с) послесвечением. Выбор величины послесвечения определяется областью применения ЭЛТ. Для кинескопов применяют люминофоры с малым послесвечением, так как изображение на экране кинескопа непрерывно меняется. Для осциллографических трубок используют люминофоры с послесвечением от среднего до очень длительного, в зависимости от частотного диапазона подлежащих отображению сигналов.
Важный вопрос, требующий более подробного рассмотрения, связан с потенциалом экрана ЭЛТ. Когда электрон попадает на экран, он заряжает экран отрицательным потенциалом. Каждый электрон подзаряжает экран, и его потенциал становится все более отрицательным, так что очень быстро возникает тормозящее поле, и движение электронов к экрану прекращается. В реальных ЭЛТ это не происходит, потому что каждый электрон, попавший на экран, выбивает из него вторичные электроны, то есть, имеет место вторично-электронная эмиссия. Вторичные электроны уносят с экрана отрицательный заряд, а для их удаления из пространства перед экраном внутренние стенки ЭЛТ покрыты проводящим слоем на основе углерода, электрически соединенным со вторым анодом. Для того, чтобы этот механизм работал, коэффициент вторичной эмиссии
, то есть, отношение числа вторичных электронов к числу первичных, должно превышать единицу. 
Однако у люминофоров коэффициент вторичной эмиссии К вэ зависит от напряжения на втором аноде U a . Пример такой зависимости изображен на рис. 16, откуда следует, что потенциал экрана не должен превышать величину
U a max , иначе яркость изображения будет не увеличиваться, а уменьшаться. В зависимости от материала люминофора напряжение U a max = 5…35 кВ. Для повышения предельного потенциала экран изнутри покрывают тонкой проницаемой для электронов пленкой металла (обычно алюминия – алюминированый экран), электрически соединенной со вторым анодом. В этом случае потенциал экрана определяется не коэффициентом вторичной эмиссии люминофора, а напряжением на втором аноде. Это позволяет использовать более высокое напряжение второго анода и получать более высокую яркость свечения экрана. Яркость свечения возрастает также и из-за отражения света, излучаемого вовнутрь трубки, от алюминиевой пленки. Последняя прозрачна лишь для достаточно быстрых электронов, поэтому напряжение второго анода должно превышать 7…10 кВ.
Срок службы электронно-лучевых трубок ограничивается не только потерей эмиссии катодом, как у других электровакуумных приборов, но также и разрушением люминофора на экране. Во-первых, мощность электронного луча используется крайне неэффективно. Не более двух процентов ее превращаются в свет, в то время как более 98% лишь нагревают люминофор, при этом происходит его разрушение, выражающееся в том, что постепенно световая отдача экрана снижается. Выгорание происходит быстрее при увеличении мощности потока электронов, при снижении ускоряющего напряжения, а также более интенсивно в местах, на которые луч падает большее время. Другой фактор, снижающий срок службы электронно-лучевой трубки, - это бомбардировка экрана отрицательными ионами, образующимися из атомов оксидного покрытия катода. Разгоняясь ускоряющим полем, эти ионы движутся к экрану, проходя отклоняющую систему. В трубках с электростатическим отклонением ионы отклоняются так же эффективно, как и электроны, поэтому попадают на разные участки экрана более или менее равномерно. В трубках с магнитным отклонением ионы отклоняются слабее из-за своей многократно большей массы, чем у электронов, и попадают, в основном, в центральную часть экрана, с течением времени образуя на экране постепенно темнеющее так называемое «ионное пятно». Трубки с алюминированным экраном гораздо менее чувствительны к ионной бомбардировке, так как пленка алюминия преграждает путь ионам к люминофору.
Наиболее широко применяются два типа электронно-лучевых трубок: осциллографические и кинескопы . Осциллографические трубки предназначены для отображения разнообразных процессов, представленных электрическими сигналами. Они имеют электростатическое отклонение луча, так как оно позволяет осциллографу отображать более высокочастотные сигналы. Фокусировка луча также электростатическая. Обычно осциллограф используется в режиме с периодической разверткой: на пластины горизонтального отклонения от внутреннего генератора развертки поступает пилообразное напряжение с постоянной частотой (напряжение развертки ), к пластинам вертикального отклонения прикладывается усиленное напряжение исследуемого сигнала. Если сигнал периодический и его частота в целое число раз превышает частоту развертки, на экране возникает неподвижный график сигнала во времени (осциллограмма ). Современные осциллографические трубки по конструкции сложнее, чем изображенная на рис. 15, они имеют большее количество электродов, применяются также двухлучевые осциллографические ЭЛТ, имеющие двойной комплект всех электродов при одном общем экране и позволяющие отображать синхронно два разных сигнала.
Кинескопы представляют собой ЭЛТ с яркостной отметкой , то есть, с управлением яркостью луча путем изменения потенциала модулятора; они применяются в бытовых и промышленных телевизорах, а также мониторах компъютеров для преобразования электрического сигнала в двумерное изображение на экране. От осциллографических ЭЛТ кинескопы отличаются большими размерами экрана, характером изображения (полутоновое на всей поверхности экрана), применением магнитного отклонения луча по двум координатам, относительно малым размером светящегося пятна, жесткими требованиями к стабильности размеров пятна и линейности разверток. Наиболее совершенными являются цветные кинескопы для мониторов компъютеров, они имеют высокое разрешение (до 2000 строк), минимальные геометрические искажения растра, правильную цветопередачу. В разное время выпускались кинескопы с размером экрана по диагонали от 6 до 90 см. Длина кинескопа по его оси обычно немного меньше размера диагонали, максимальный угол отклонения луча 110…116 0 . Экран цветного кинескопа изнутри покрыт множеством точек или узких полос из люминофоров разных составов, преобразующих электрический луч в один из трех основных цветов: красный, зеленый, голубой. В цветном кинескопе три электронные пушки, по одной на каждый основной цвет. При развертке по экрану лучи перемещаются параллельно и засвечивают соседние участки люминофора. Токи лучей разные и зависят от цвета получаемого элемента изображения. Кроме кинескопов для непосредственного наблюдения, существуют проекционные кинескопы, имеющие при небольших размерах высокую яркость изображения на экране. Это яркое изображение затем проецируют оптическими средствами на плоский белый экран, получая изображение большого размера.