Устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки с. Принципы работы и параметры электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)

Пожалуй, нет такого человека, который бы в своей жизни не сталкивался с приборами, в конструкцию которых входит электронно-лучевая трубка (или ЭЛТ). Сейчас подобные решения активно вытесняются своими более современными аналогами на основе жидкокристаллических экранов (ЖК). Однако существует ряд областей, в которых электронно-лучевая трубка по-прежнему является незаменимой. Например, в высокоточных осциллографах ЖК использовать нельзя. Тем не менее, очевидно одно - прогресс устройств отображения информации в конечном итоге приведет к полному отказу от ЭЛТ. Это вопрос времени.

История появления

Первооткрывателем можно считать Ю. Плюккера, который в 1859 году, изучая поведение металлов при различных внешних воздействиях, обнаружил явление излучения (эмиссии) элементарных частиц - электронов. Формируемые пучки частиц получили название катодных лучей. Также он обратил внимание на возникновение видимого свечения некоторых веществ (люминофор) при попадании на них электронных лучей. Современная электронно-лучевая трубка способна создавать изображение именно благодаря этим двум открытиям.

Через 20 лет опытным путем было установлено, что направлением движения излучаемых электронов можно управлять воздействием внешнего магнитного поля. Это легко объяснить, если вспомнить, что перемещающиеся носители отрицательного заряда характеризуются магнитным и электрическим полями.

В 1895 году К. Ф. Браун доработал систему управления в трубке и тем самым сумел менять вектор направленности потока частиц не только полем, но и особым зеркалом, способным вращаться, что открыло совершенно новые перспективы использования изобретения. В 1903 году Венельт разместил внутри трубки катод-электрод в виде цилиндра, что дало возможность управлять интенсивностью излучаемого потока.

В 1905 году Эйнштейн сформулировал уравнения расчета фотоэффекта и через 6 лет было продемонстрировано работающее устройство передачи изображений на расстояния. Управление лучом осуществлялось а за величину яркости отвечал конденсатор.

Во время начала производства первых моделей ЭЛТ промышленность была не готова создавать экраны с большим размером диагонали, поэтому в качестве компромисса применялись увеличительные линзы.

Устройство электронно-лучевой трубки

С тех пор устройство было доработано, однако изменения носят эволюционный характер, так как ничего принципиально нового в ход работы добавлено не было.

Стеклянный корпус начинается трубкой с конусообразным расширением, образующим экран. В устройствах цветного изображения внутренняя поверхность с определенным шагом покрыта тремя видами люминофора дающими свой цвет свечения при попадании пучка электронов. Соответственно, есть три катода (пушки). Для того чтобы отсеять расфокусировавшиеся электроны и обеспечить точное попадание нужного луча в нужную точку экрана, между катодной системой и слоем люминофора размещают стальную решетку - маску. Ее можно сравнить с трафаретом, отсекающим все лишнее.

С поверхности подогреваемых катодов начинается эмиссия электронов. Они устремляются в сторону анода (электрод, с положительным зарядом), подключенного к конусной части трубки. Далее пучки фокусируются специальной катушкой и попадают в поле отклоняющей системы. Проходя через решетку, падают на нужные точки экрана, вызывая преобразование своей в свечение.

Вычислительная техника

Мониторы с электронно-лучевой трубкой нашли широкое применение в составе компьютерных систем. Простота конструкции, высокая надежность, точная цветопередача и отсутствие задержек (тех самых миллисекунд реакции матрицы в ЖК) - вот их основные преимущества. Однако в последнее время, как уже указывалось, ЭЛТ вытесняется более экономными и эргономичными ЖК-мониторами.

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением, т. е. с фокусировкой и отклонением луча электрическим полем, называемые для краткости электростатическими трубками, особенно широко применяют в осциллографах.

Рис. 20.1. Принцип устройства (а) и условное графическое обозначение (б) электростатической электронно-лучевой трубки

На рис. 20.1 показаны принцип устройства электростатической трубки простейшего типа и ее изображение на схемах. Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса или в виде цилиндра большего диаметра. На внутреннюю поверхность основания расширенной части нанесен люминесцентный экран ЛЭ - слой веществ, способных излучать свет под ударами электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы, как правило, на штырьки цоколя (для упрощения на рисунке выводы проходят непосредственно через стекло баллона).

Катод К обычно бывает оксидный косвенного накала в виде цилиндра с подогревателем. Вывод катода иногда совмещен с одним выводом подогревателя. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором (М ), цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной фокусировки его. На модулятор подается отрицательное - напряжение (обычно десятки вольт). С увеличением этого напряжения все больше электронов возвращается на катод. При некотором отрицательном напряжении модулятора трубка запирается.

Следующие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В простейшем случае их два. На втором аноде А 2 напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (иногда 10 - 20 кВ), а на первом аноде А 1 напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов 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. Более сложные фокусирующие системы содержат большее число цилиндров.

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.

На пути электронного луча поставлены под прямым углом друг к другу две пары отклоняющих пластин П х и П y . Напряжение, подведенное к ним, создает электрическое поле, отклоняющее электронный луч в сторону положительно заряженной пластины. Поле пластин является для электронов поперечным. В таком поле электроны движутся по параболическим траекториям, а, выйдя из него, далее движутся по инерции прямолинейно, т. е. электронный луч получает угловое отклонение. Чем больше напряжение на пластинах, тем сильнее отклоняется луч и тем больше смещается на люминесцентном экране светящееся, так называемое электронное пятно, возникающее от ударов электронов.

Пластины П y отклоняют луч по вертикали и называются пластинами вертикального отклонения (пластинами «игрек»), а пластины П х - пластинами горизонтального отклонения (пластинами «икс»). Одна пластина каждой пары иногда соединяется с корпусом аппаратуры (шасси), т. е. имеет нулевой потенциал. Такое включение пластин называется несимметричным. Для того чтобы между вторым анодом и корпусом не создавалось электрическое поле, влияющее на полет электронов, второй анод обычно также бывает соединен с корпусом. Тогда при отсутствии напряжения на отклоняющих пластинах между ними и вторым анодом не будет никакого поля, действующего на электронный луч.

Рис. 20.2. Питание электростатической трубки от двух источников

Поскольку второй анод соединен с корпусом, то катод, имеющий высокий отрицательный потенциал, равный напряжению второго анода, должен быть хорошо изолирован от корпуса. При включенном питании прикосновение к проводам катода, модулятора и цепи накала опасно. Так как на электронный луч могут влиять посторонние электрические и магнитные поля, то трубку часто помещают в экранирующий чехол из мягкой стали.

Свечение люминесцентного экрана объясняется возбуждением атомов вещества экрана. Электроны, ударяя в экран, передают свою энергию атомам экрана, в которых один из электронов переходит на более удаленную от ядра орбиту. При возвращении электрона обратно, на свою орбиту, выделяется квант лучистой энергии (фотон) и наблюдается свечение. Это явление называется катодолюминесценцией, а вещества, светящиеся под ударами электронов, называются катодолюминофорами или просто люминофорами.

Электроны, попадающие на экран, могут зарядить его отрицательно и создать тормозящее поле, уменьшающее их скорость. От этого уменьшится яркость свечения экрана и может вообще прекратиться попадание электронов на экран. Поэтому необходимо снимать отрицательный заряд с экрана. Для этого на внутреннюю поверхность баллона наносится проводящий слой. Он обычно бывает графитовым и называется аквадагом. Аквадаг соединяется со вторым анодом. Вторичные электроны, выбиваемые из экрана ударами первичных электронов, летят к проводящему слою. После ухода вторичных электронов потенциал экрана обычно близок к потенциалу проводящего слоя. В некоторых трубках имеется вывод от проводящего слоя (ПС на рисунке), который можно использовать в качестве дополнительного анода с более высоким напряжением. При этом электроны дополнительно ускоряются после отклонения в системе отклоняющих пластин (так называемое послеускорение ).

Проводящий слой исключает также образование на стенках баллона отрицательных зарядов от попадающих туда электронов. Эти заряды могут создавать дополнительные поля, нарушающие нормальную работу трубки. Если в трубке проводящего слоя нет, то вторичные электроны уходят с экрана на отклоняющие пластины и второй анод.

Все электроды трубки обычно монтируют с помощью металлических держателей и изоляторов на стеклянной ножке трубки.

Цепи питания. Цепи питания электростатической трубки показаны на рис. 20.2. Постоянные напряжения подаются на электроды от двух выпрямителей E 1 и Е 2 . Первый должен давать высокое напряжение (сотни и тысячи вольт) при токе в единицы миллиампер, источник Е 2 - напряжение, в несколько раз меньшее. От этого же источника питаются и другие каскады, работающие совместно с трубкой. Поэтому он рассчитан на ток в десятки миллиампер.

Питание электронного прожектора осуществляется через делитель, состоящий из резисторов R 1 R 2 , R 3 и R 4 . Их сопротивление обычно большое (сотни килоом), чтобы делитель потреблял небольшой ток. Сама трубка также потребляет малый ток: в большинстве случаев десятки или сотни микроампер.

Переменный резистор R 1 является регулятором яркости. Он регулирует отрицательное напряжение модулятора, которое снимается с правого участка R 1 Увеличение этого напряжения по абсолютному значению уменьшает число электронов в луче и, следовательно, яркость свечения.

Для регулирования фокусировки луча служит переменный резистор R 3 , с помощью которого изменяют напряжение первого анода. При этом изменяется разность потенциалов, а следовательно, и напряженность поля между анодами. Если, например, понижать потенциал первого анода, то разность потенциалов между анодами возрастет, поле станет сильнее и его фокусирующее действие увеличится. Поскольку напряжение первого анода U а 1 не следует уменьшать до нуля или увеличивать до напряжения второго анода U a 2 , в делитель введены резисторы R 2 и R 4

Напряжение второго анода U a 2 лишь немного меньше, чем напряжение Е 1 (разница - падение напряжения на резисторе R 1 ). Следует помнить, что скорость электронов, вылетающих из прожектора, зависит только от напряжения второго анода, но не от напряжения модулятора и первого анода. Некоторое число электронов попадает на аноды, особенно если аноды с диафрагмами. Поэтому в цепях анодов протекают токи в доли миллиампера и замыкаются через источник Е 1 . Например, электроны тока первого анода движутся в направлении от катода к аноду, затем через правый участок резистора R 3 и через резистор R 4 к плюсу источника Е 1 далее внутри него и через резистор R 1 к катоду.

Для начальной установки светящегося пятна на экране служат переменные резисторы R 5 и R 6 , подключенные к источнику Е 2 . Движки этих резисторов через резисторы R 7 и R 8 с большим сопротивлением подключены к отклоняющим пластинам. Кроме того, с помощью резисторов R 9 и R 10 , имеющих одинаковое сопротивление, устанавливается точка нулевого потенциала, соединенная с корпусом. У резисторов R 5 и R 6 на концах получаются потенциалы +0,5Е 2 и -0,5Е 2 , а их средние точки имеют нулевой потенциал. Когда движки резисторов R 5 , R 6 находятся в среднем положении, то на отклоняющих пластинах напряжение равно нулю. Смещая движки от среднего положения, можно подавать на пластины различные напряжения, отклоняющие электронный луч по вертикали или горизонтали и устанавливающие светящееся пятно в любой точке экрана.

На отклоняющие пластины через разделительные конденсаторы C 1 и С 2 подается также переменное напряжение, например исследуемое напряжение при использовании трубки для осциллографии. Без конденсаторов отклоняющие пластины шунтировались бы по постоянному напряжению внутренним сопротивлением источника переменного напряжения. При малом внутреннем сопротивлении постоянное напряжение на отклоняющих пластинах резко уменьшилось бы. С другой стороны, источник переменного напряжения иногда дает и постоянное напряжение, которое нежелательно подавать на отклоняющие пластины. Во многих случаях недопустимо также, чтобы в источник переменного напряжения попадало постоянное напряжение, имеющееся в цепях отклоняющих пластин.

Резисторы R 7 и R 8 включают для того, чтобы увеличить входное сопротивление отклоняющей системы для источников переменного напряжения. Без таких резисторов эти источники были бы нагружены на значительно меньшее сопротивление, создаваемое только резисторами R 5 , R 6 и резисторами R 9 , R 10 . При этом резисторы R 7 и R 8 не понижают постоянное напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины, так как через них не протекают постоянные токи.

Полезным током является ток электронного луча. Электроны этого тока движутся от катода к люминесцентному экрану и выбивают из последнего вторичные электроны, которые летят на проводящий слой и далее движутся в направлении к плюсу источника Е 1 , затем через его внутреннее сопротивление и резистор R 1 к катоду.

Рис. 20.3. Первая линза электронного прожектора

Питание электродов трубки может быть выполнено и по другим вариантам, например от одного источника высокого напряжения.

Электронные прожекторы. Электронный прожектор представляет собой электронно-оптическую систему, состоящую из нескольких электростатических электронных линз. Каждая линза образована неоднородным электрическим полем, которое вызывает искривление траекторий электронов (напоминающее преломление световых лучей в оптических линзах), а также ускоряет или тормозит электроны.

Простейший прожектор содержит две линзы. Первая линза, или линза предварительной фокусировки, образована, катодом, модулятором и первым анодом. На рис. 20.3 изображено поле в этой части прожектора. Эквипотенциальные поверхности показаны сплошными линиями, а силовые линии - штрихами. Как видно, часть силовых линий от первого анода идет к объемному заряду около катода, а остальные к модулятору, который имеет более низкий отрицательный потенциал, нежели катод. Линия ББ´ условно делит поле на две части. Левая часть поля фокусирует поток электронов и придает им скорость. Правая часть поля дополнительно ускоряет электроны и несколько рассеивает их. Но рассеивающее действие слабее фокусирующего, так как в правой части поля электроны движутся с большей скоростью.

Рис. 20.4. Траектории электронов в первой линзе электронного прожектора

Рассматриваемое поле аналогично системе двух линз - собирающей и рассеивающей. Собирающая линза сильнее рассеивающей, и в целом система является фокусирующей. Однако движение электронных потоков происходит по иным законам, нежели преломление световых лучей в линзах.

На рис. 20.4 показаны траектории электронов для крайних электронных пучков, выходящих из катода. Электроны движутся по криволинейным траекториям. Их потоки фокусируются и пересекаются в небольшой области, которая называется первым пересечением или скрещением и в большинстве случаев находится между модулятором и первым анодом.

Первая линза короткофокусная, так как скорость электронов в ней сравнительно невелика, и их траектории искривляются достаточно сильно.

С увеличением отрицательного напряжения модулятора по абсолютному значению повышается потенциальный барьер около катода и все меньшее число электронов способно его преодолеть. Уменьшается катодный ток, а следовательно, ток электронного луча и яркость свечения экрана. Потенциальный барьер повышается в меньшей степени у центральной части катода, так как здесь сильнее влияет ускоряющее поле, проникающее от первого анода через отверстие модулятора. При некотором отрицательном напряжении модулятора потенциальный барьер у краев катода повышается настолько, что электроны уже не могут его преодолеть. Рабочей остается только центральная часть катода. Дальнейшее увеличение отрицательного напряжения уменьшает площадь рабочей части катода и в конце концов сводит ее к нулю, т. е. трубка запирается. Таким образом, регулирование яркости связано с изменением площади рабочей поверхности катода.

Рис. 20.5. Вторая фокусирующая линза электронного прожектора

Рис. 20.6. Электронный прожектор с ускоряющим (экранирующим) электродом

Рассмотрим фокусировку электронного луча во второй линзе, т. е. в системе двух анодов (рис. 20.5, а). Линия ББ´ делит поле между анодами на две части. В левую часть поля поступает расходящийся электронный поток, который фокусируется, а в правой части поля происходит рассеивание потока. Рассеивающее действие слабее фокусирующего, так как скорость электронов в правой части поля выше, чем в левой. Все поле подобно оптической системе, состоящей из собирающей и рассеивающей линз (рис. 20.5, б). Поскольку скорости электронов в поле между анодами высокие, то система оказывается длиннофокусной. Это и требуется, так как необходимо сфокусировать электронный пучок на экран, находящийся довольно далеко.

При повышении разности потенциалов между анодами (уменьшении напряжения первого анода) напряженность поля увеличивается и фокусирующее действие усиливается. Принципиально можно регулировать фокусировку изменением напряжения второго анода, но это неудобно, так как будет изменяться скорость электронов, вылетающих из прожектора, что приведет к изменению яркости свечения на экране и повлияет на отклонение луча отклоняющими пластинами.

Недостаток описанного прожектора - взаимное влияние регулирования яркости и фокусировки. Изменение потенциала первого анода влияет на яркость, так как этот анод своим полем воздействует на потенциальный барьер около катода. А изменение напряжения модулятора сдвигает вдоль оси трубки область первого пересечения электронных траекторий, что нарушает фокусировку. Кроме того, регулирование яркости изменяет ток первого анода, а так как в его цепь включены резисторы с большими сопротивлениями, то меняется напряжение на нем, что приводит к расфокусировке. Изменение тока второго анода не влияет на фокусировку, так как в цепь этого анода не включены резисторы и, следовательно, напряжение на нем не может изменяться.

В настоящее время применяют прожекторы, в которых между модулятором и первым анодом поставлен дополнительный, ускоряющий (экранирующий ) электрод (рис. 20.6). Он соединен со вторым анодом, и напряжение на нем постоянно. Благодаря экранирующему действию этого электрода изменение потенциала первого анода при регулировании фокусировки практически не изменяет поле у катода.

Фокусирующая система, состоящая из ускоряющего электрода и двух анодов, работает следующим образом. Поле между первым и вторым анодом такое же, как показано на рис. 20.5, а. Оно осуществляет фокусировку так, как было объяснено ранее. Между ускоряющим электродом и первым анодом имеется неоднородное поле, подобное полю между анодами, но не ускоряющее, а тормозящее. Электроны, влетающие в это поле расходящимся потоком, в левой половине поля рассеиваются, а в правой - фокусируются. При этом фокусирующее действие сильнее рассеивающего, так как в правой половине поля скорость электронов меньше. Таким образом, на участке между ускоряющим электродом и первым анодом также происходит фокусировка. Чем ниже напряжение первого анода, тем выше напряженность поля и сильнее фокусировка.

Рис. 20.7. Электростатическое отклонение луча

Чтобы регулирование яркости меньше влияло на фокусировку, первый анод делают без диафрагм (рис. 20.6). На него электроны не попадают, т. е. ток первого анода равен нулю. Современные электронные прожекторы дают на экране светящееся пятно с диаметром, не превышающим 0,002 диаметра экрана.

Электростатическое отклонение луча. Отклонение электронного луча и светящегося пятна на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется чувствительностью трубки. Если обозначить отклонение пятна по вертикали через у, а напряжение на пластинах «игрек» через U y , то

y = S y U y , (20.1)

где S y - чувствительность трубки для пластин «игрек».

Подобно этому отклонение пятна по горизонтали

x = S x U x . (20.2)

Таким образом, чувствительность электростатической трубки есть отношение отклонения светящегося пятна на экране к соответствующему отклоняющему напряжению:

S x = x /U x и S y = y /U y . (20.3)

Другими словами, чувствительность есть отклонение светящегося пятна, приходящееся на 1 В отклоняющего напряжения. Выражают чувствительность в миллиметрах на вольт. Иногда под чувствительностью понимают величину, обратную S x или S y , и выражают ее в вольтах на миллиметр.

Формулы (20.3) не означают, что чувствительность обратно пропорциональна отклоняющему напряжению. Если увеличить в несколько раз U y , то во столько же раз возрастет у, а значение S y останется без изменения. Следовательно, S y не зависит от U y . Чувствительность бывает в пределах 0,1 - 1,0 мм/В. Она зависит от режима работы и некоторых геометрических размеров трубки (рис. 20.7):

S = l пл l /(2dU a 2), (20.4)

где l пл - длина отклоняющих пластин; l - расстояние от середины пластин до экрана; d - расстояние между пластинами; U a 2 - напряжение второго анода.

Эту формулу нетрудно объяснить. С увеличением l пл электрон дольше летит в отклоняющем поле и получает большее отклонение. При одном и том же угловом отклонении смещение светящегося пятна на экране возрастает с увеличением расстояния l . Если увеличить d , то напряженность поля между пластинами, а следовательно, отклонение уменьшится. Повышение напряжения U a 2 приводит к уменьшению отклонения, поскольку возрастает скорость, с которой электроны пролетают поле между пластинами.

Рассмотрим возможность повышения чувствительности исходя из формулы (20.4). Увеличение расстояния l нежелательно, так как чрезмерно длинная трубка неудобна в эксплуатации. Если увеличить l пл или уменьшить d , то нельзя получить значительного отклонения луча, так как он будет попадать на пластины. Чтобы этого не произошло, пластины изгибают и располагают относительно друг друга так, как показано на рис. 20.8. Можно увеличить чувствительность, понижая напряжение U a 2 . Но это связано с уменьшением яркости свечения, что во многих случаях недопустимо, особенно при большой скорости движения луча по экрану. Понижение анодного напряжения ухудшает также фокусировку. При более высоком напряжении U a 2 электроны движутся с большими скоростями, меньше сказывается взаимное отталкивание электронов. Их траектории в электронном прожекторе располагаются под малым углом к оси трубки. Такие траектории называются параксиальными. Они обеспечивают лучшую фокусировку и меньшие искажения изображения на экране.

Уменьшение яркости свечения при понижении анодного напряжения U a 2 компенсируется в трубках с послеускорением. В этих трубках электронный прожектор сообщает электронам энергию не более 1,5 кэВ. С такой энергией они пролетают между отклоняющими пластинами, а затем попадают в ускоряющее поле, созданное третьим анодом. Последний представляет собой проводящий слой перед экраном, отделенный от остального слоя, соединенного со вторым анодом (рис. 20.9, а). При этом U a 3 > U a 2 . Поле между этими двумя слоями образует линзу, которая ускоряет электроны. Но вместе с тем происходит некоторое искривление траекторий электронов. Вследствие этого чувствительность снижается и возникают искажения в изображении. Эти недостатки в значительной степени устраняются при многократном послеускорении, когда имеется несколько проводящих колец с постепенно возрастающим напряжением: U a 4 > U a 3 > U a 2 > U a1 (рис. 20.9, б).

Рис. 20.8. Отклоняющие пластины

Рис. 20.9. Дополнительные аноды для послеускорения

Если отклоняющее напряжение изменяется с очень высокой частотой, то в изображении возникают искажения, так как время пролета электронов в поле отклоняющих пластин становится соизмеримым с периодом колебаний отклоняющего напряжения. За это время напряжение на пластинах заметно изменяется (даже может изменить свой знак). Для уменьшения таких искажений отклоняющие пластины делают короткими и применяют более высокие ускоряющие напряжения. С повышением частоты, кроме того, все больше сказывается влияние собственной емкости отклоняющих пластин.

В настоящее время для осциллографии на СВЧ применяют специальные трубки с более сложными отклоняющими системами.

Измерение и наблюдение переменных напряжений. Если к отклоняющим пластинам «игрек» подведено переменное напряжение, то электронный луч совершает колебания и на экране видна вертикальная светящаяся черточка (рис. 20.10, а ) Ее длина пропорциональна двойной амплитуде подведенного напряжения 2 U m . Зная чувствительность трубки и измерив у, можно определить U m по формуле

U m = y /(2S y). (20.5)

Рис. 20.10. Измерение переменного напряжения с помощью ЭЛТ

Рис. 20.11. Пилообразное напряжение для линейной развертки

Рис. 20.12. Осциллограммы синусоидального напряжения при кратном соотношении частот

Например, если S y = 0,4 мм/В, а у = 20 мм, то U m = 20/(2 0,4) = 25 В.

Если чувствительность трубки неизвестна, ее определяют. Для этого нужно подвести к пластинам известное переменное напряжение и измерить длину светящейся черточки. Напряжение можно подвести от сети и измерить вольтметром. Следует помнить, что вольтметр покажет действующее значег ние напряжения, которое надо пересчитать в амплитуду, умножив на 1,4.

Как видно, ЭЛТ можно использовать в качестве амплитудного вольтметра. Достоинство такого измерительного устройства - большое входное сопротивление и возможность измерений на весьма высоких частотах.

Описанный метод позволяет измерять пиковые значения несинусоидальных напряжений, а также амплитуды положительной и отрицательной полуволн переменного напряжения. Для этого запоминают положение светящегося пятна при отсутствии измеряемого напряжения, затем его подают и измеряют расстояния у 1 и у 2 от начального положения пятна до концов светящейся черточки (рис. 20.10, б). Амплитуды полуволн при этом

U m1 = у 1 /S y и U m2 = у 2 /S y . (20.6)

Для наблюдения переменных напряжений к пластинам П у подводят исследуемое напряжение, а к пластинам П х - напряжение развертки U разв, имеющее пилообразную форму (рис. 20.11) и получаемое от специального генератора. Это напряжение осуществляет временную развертку. В течение времени t 1 когда напряжение растет, электронный луч равномерно движется по горизонтали в одном направлении, например слева направо, т. е. делает прямой, или рабочий, ход. При резком уменьшении напряжения в течение времени t 2 луч делает быстрый обратный ход. Все это повторяется с частотой напряжения развертки.

Когда исследуемое напряжение отсутствует, на экране видна горизонтальная светящаяся черточка, играющая роль оси времени. Если подать исследуемое переменное напряжение на пластины П у , то пятно на экране одновременно будет совершать колебание по вертикали и повторяющееся равномерное движение с обратным ходом по горизонтали. В результате наблюдается светящаяся кривая исследуемого напряжения (рис. 20.12). На рисунке показаны осциллограммы синусоидального напряжения, но можно наблюдать напряжение любой формы.

Чтобы кривая была неподвижной, период развертывающего напряжения Т разв должен быть равен периоду исследуемого напряжения Т или в целое число раз больше его:

Т разв = n Т , (20.7)

где п - целое число.

Рис. 20.13. Осциллограммы синусоидального напряжения при дробном соотношении частот

Соответственно частота развертки Ур а з В должна быть в целое число раз меньше частоты исследуемого напряжения:

f разв = f /n . (20.8)

Тогда за время Т разв пройдет целое число колебаний исследуемого напряжения и в конце обратного хода пятно на экране окажется в том месте, откуда оно начало двигаться во время прямого хода. На рисунке показаны наблюдаемые осциллограммы при п = 1, или Т разв = Т, и п = 2, т. е. Т разв = 2Т Время обратного хода t 2 желательно иметь возможно меньшим, так как за счет него часть кривой не воспроизводится (штрихи на рисунке). Кроме того, чем меньше t 2 , тем быстрее обратный ход луча и тем слабее он виден. Следует установить п не менее 2, чтобы было видно полностью хотя бы одно целое колебание. Подбор значения п производится изменением частоты генератора развертки. Если п не будет целым числом, то осциллограмма не остается неподвижной и вместо одной кривой наблюдается несколько, что неудобно. На рис. 20.13 показаны осциллограммы синусоидального напряжения при п = 1 / 2 и п = 3 / 4 . Для упрощения здесь принято, что время обратного хода t 2 = 0. Стрелки с цифрами на рисунке указывают последовательность движения пятна на экране.

Подобранное целое число п обычно сохраняется лишь короткое время, так как генератор развертки имеет нестабильную частоту, да и частота исследуемого напряжения также может изменяться. Для сохранения выбранного п в течение длительного времени применяют синхронизацию генератора развертки исследуемым напряжением. Синхронизация состоит в том, что исследуемое напряжение подводится к генератору развертки и он генерирует пилообразное напряжение с частотой, меньшей в целое число раз, нежели частота исследуемого.

Исследуемые напряжения обычно подают на отклоняющие пластины через разделительные конденсаторы (см. рис. 20.2). Поэтому на пластины не попадает постоянная составляющая и наблюдается лишь переменная. Ось времени (нулевая ось) этой составляющей представляет собой ту горизонтальную линию, которая остается на экране, если прекратить подачу исследуемого напряжения. Для получения истинной осциллограммы напряжения, содержащего постоянную составляющую, его необходимо подавать на пластины непосредственно, а не через конденсаторы.

Если нужно наблюдать осциллограмму тока, то в его цепь включают резистор R . Напряжение на нем, пропорциональное исследуемому току, подводят к пластинам П у . По известной чувствительности трубки определяют это напряжение. Разделив его на сопротивление R , находят ток. Чтобы ток заметно не изменился при включении резистора R , последний должен иметь относительно малое сопротивление. Если напряжение будет недостаточным, то его придется подавать через усилитель с известным коэффициентом усиления.

Искажения изображений. В электростатических трубках искажения осциллограмм наблюдаются главным образом при несимметричном включении отклоняющих пластин, т. е. когда одна пластина каждой пары соединена со вторым анодом (см. рис. 20.2). Пусть при таком включении на пластины П у подано переменное напряжение с амплитудой U m . Тогда на одной пластине потенциал равен нулю относительно корпуса, а на другой пластине он меняется от + U m до - U m (рис. 20.14, а). Соответственно меняются и потенциалы различных точек в пространстве между пластинами. При положительной полуволне напряжения электроны пролетают через точки с потенциалами более высокими, чем U а2 . За счет этого скорость их увеличивается, а чувствительность трубки уменьшается. При отрицательной полуволне электроны уменьшают скорость, так как потенциалы точек между пластинами ниже U а2 . Это приведет к увеличению чувствительности трубки. В результате отклонение y 1 при положительной полуволне будет меньше, чем отклонение у 2 при отрицательной полуволне. Осциллограмма синусоидального напряжения станет несинусоидальной, т. е. возникнут нелинейные искажения.

Рис. 20.14. Отклонение электронного луча при несимметричном (а) и симметричном (б) включении отклоняющих пластин

При симметричном включении ни одна из отклоняющих пластин не соединяется непосредственно с корпусом и вторым анодом, а точки нулевого потенциала находятся в средней плоскости между пластинами (рис. 20.14, б). Потенциалы пластин в любой момент одинаковы по значению и противоположны по знаку. На одной пластине потенциал принимает крайние значения ±0,5U m , а на другой соответственно − + 0,5U m . Отклонение электронного луча к любой из пластин происходит в одинаковых условиях, и поэтому у 1 = у 2 . На рис. 20.15 показан вариант симметричного включения отклоняющих пластин. Постоянное напряжение для начальной установки пятна снимается со сдвоенного резистора R 6 , R 6 ´. При одновременном перемещении их движков с помощью одной ручки потенциалы отклоняющих пластин изменяются одинаково по значению, но противоположно по знаку.

Рис. 20.15. Симметричное включение отклоняющих пластин

Симметричные включение пластин уменьшает и другие неприятные явления, например ухудшение фокусировки при смещении пятна к краю экрана.

Несимметричное включение пластин, более удаленных от прожектора, создает трапецеидальные искажения. Они возникают вследствие наличия поля на пути электронов от одной пары пластин к другой. Пусть, например, на ближайшие к прожектору пластины П у , включенные любым образом, подано переменное напряжение, а на пластинах П х , включенных несимметрично, напряжение равно нулю. Тогда на экране видна вертикальная светящаяся черточка 1 (рис. 20.16).

Рис. 20.16. Трапецеидальные искажения

Рис. 20.17. Принцип устройства и условное графическое обозначение магнитной электронно-лучевой трубки

Если подать на пластину П х , не соединенную с корпусом, положительный потенциал, то черточка сместится в сторону этой пластины (линия 2 ), но станет несколько короче. Это объясняется тем, что между положительно заряженной пластиной П х и пластинами П у образовалось дополнительное ускоряющее поле, которое несколько искривляет траектории электронов и уменьшает их отклонение, вызванное напряжением на пластинах П у . При отрицательном потенциале той же пластины П х на электроны, вылетевшие из пластин П у , действует дополнительное тормозящее поле, которое несколько увеличит их отклонение; черточка на экране сместится влево и станет длиннее (линия 3 ). Рассмотренные светящиеся черточки образуют фигуру в виде трапеции, что объясняет название данных искажений. Для уменьшения искажений устанавливают экраны между пластинами П х и П у и придают более удаленным от прожектора пластинам специальную форму.

В настоящее время применяют, как правило, симметричное включение пластин, так как оно уменьшает многие виды искажений. Несимметричное включение можно применять в том случае, когда отклонение луча будет производиться только в одну сторону.

Как работает электронно-лучевая трубка?

Электронно-лучевые трубки - это электровакуумные приборы, в которых образуется электронный пучок малого поперечного сечения, причем электронный пучок может отклоняться в желаемом направлении и, попадая на люминесцентный экран, вызывать его свечение (рис. 5.24). Электронно-лучевая трубка является электронно-оптическим преобразователем, превращающим электрический сигнал в соответствующее ему изображение в виде импульсного колебания, воспроизводимого на экране трубки. Электронный пучок образуется в электронном прожекторе (или электронной пушке), состоящем из катода и фокусирующих электродов. Первый фокусирующий электрод, который называют также модулятором , выполняет функции сетки с отрицательным смещением, направляющей электроны к оси трубки. Изменение напряжения смещения сетки влияет на число электронов, а следовательно, на яркость получаемого на экране изображения. За модулятором (в направлении к экрану) расположены следующие электроды, задачей которых является фокусирование и ускорение электронов. Они действуют на принципе электронных линз. Фокусирующе-ускоряющие электроды называются анодами и на них подается положительное напряжение. В зависимости от типа трубки анодные напряжения имеют значения от нескольких сотен вольт до нескольких десятков киловольт.

Рис. 5.24. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки:

1 - катод; 2 - анод I: 3 - анод II; 4 - горизонтальные отклоняющие пластины; 5 - электронный пучок; 6 - экран; 7 - вертикальные отклоняющие пластины; 8 - модулятор

В некоторых трубках фокусировку пучка производят с помощью магнитного поля путем использования катушек, расположенных снаружи лампы, вместо электродов, находящихся внутри трубки и создающих фокусирующее электрическое поле. Отклонение пучка также осуществляется двумя методами: с помощью электрического или магнитного поля. В первом случае в трубке помещают отклоняющие пластины, во втором - снаружи трубки монтируют отклоняющие катушки. Для отклонения как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях используют пластины (или катушки) вертикального или горизонтального отклонения луча.

Экран трубки покрыт изнутри материалом - люминофором, который светится под влиянием бомбардировки электронами. Люминофоры отличаются различным цветом свечения и разным временем свечения после прекращения возбуждения, которое называется временем послесвечения . Обычно оно составляет от долей секунды до нескольких часов в зависимости от назначения трубки.

С 1902 года с трубкой Брауна работает Борис Львович Розинг . 25 июля 1907 года он подал заявку на изобретение «Способ электрической передачи изображений на расстояния». Развертка луча в трубке производилась магнитными полями, а модуляция сигнала (изменение яркости) с помощью конденсатора, который мог отклонять луч по вертикали, изменяя тем самым число электронов, проходящих на экран через диафрагму. 9 мая 1911 года на заседании Русского технического общества Розинг продемонстрировал передачу телевизионных изображений простых геометрических фигур и приём их с воспроизведением на экране ЭЛТ.

В начале и середине XX века значительную роль в развитии ЭЛТ сыграли Владимир Зворыкин , Аллен Дюмонт и другие.

Классификация

По способу отклонения электронного луча все ЭЛТ делятся на две группы: с электромагнитным отклонением (индикаторные ЭЛТ и кинескопы) и с электростатическим отклонением (осциллографические ЭЛТ и очень небольшая часть индикаторных ЭЛТ).

По способности сохранять записанное изображение ЭЛТ делят на трубки без памяти, и трубки с памятью (индикаторные и осциллографические), в конструкции которых предусмотрены специальные элементы (узлы) памяти, с помощью которых единожды записанное изображение может многократно воспроизводиться.

По цвету свечения экрана ЭЛТ подразделяются на монохромные и многоцветные. Монохромные могут иметь разный цвет свечения: белый, зелёный, синий, красный и другие. Многоцветные подразделяются по принципу действия на двухцветные и трёхцветные. Двухцветные - индикаторные ЭЛТ, цвет свечения экрана которых меняется или за счет переключения высокого напряжения, или за счет изменения плотности тока электронного луча. Трёхцветные (по основным цветам) - цветные кинескопы, многоцветность свечения экрана которых обеспечивается специальными конструкциями электронно-оптической системы, цветоделительной маски и экрана.

Осциллографические ЭЛТ подразделяют на трубки низкочастотного и СВЧ диапазонов. В конструкциях последних применена достаточно сложная система отклонения электронного луча.

Кинескопы подразделяют на телевизионные, мониторные и проекционные (применяются в видеопроекторах). Мониторные кинескопы имеют меньший шаг маски, чем телевизионные, а проеционные кинескопы имеют повышенную яркость свечения экрана. Они являются монохромными и имеют красный, зелёный и синий цвет свечения экрана.

Устройство и принцип работы

Общие принципы

Устройство чёрно-белого кинескопа

В баллоне 9 создан глубокий вакуум - сначала выкачивается воздух, затем все металлические детали кинескопа нагреваются индуктором для выделения поглощённых газов, для постепенного поглощения остатков воздуха используется геттер .

Для того, чтобы создать электронный луч 2 , применяется устройство, именуемое электронной пушкой . Катод 8 , нагреваемый нитью накала 5 , испускает электроны. Чтобы увеличить испускание электронов, катод покрывают веществом, имеющим малую работу выхода (крупнейшие производители ЭЛТ для этого применяют собственные запатентованные технологии). Изменением напряжения на управляющем электроде (модуляторе ) 12 можно изменять интенсивность электронного луча и, соответственно, яркость изображения (также существуют модели с управлением по катоду). Кроме управляющего электрода, пушка современных ЭЛТ содержит фокусирующий электрод (до 1961 года в отечественных кинескопах применялась электромагнитная фокусировка при помощи фокусирующей катушки 3 с сердечником 11 ), предназначенный для фокусировки пятна на экране кинескопа в точку, ускоряющий электрод для дополнительного разгона электронов в пределах пушки и анод. Покинув пушку, электроны ускоряются анодом 14 , представляющем собой металлизированное покрытие внутренней поверхности конуса кинескопа, соединённое с одноимённым электродом пушки. В цветных кинескопах со внутренним электростатическим экраном его соединяют с анодом. В ряде кинескопов ранних моделей, таких, как 43ЛК3Б, конус был выполнен из металла и представлял анод сам собой. Напряжение на аноде находится в пределах от 7 до 30 киловольт. В ряде малогабаритных осциллографических ЭЛТ анод представляет собой только один из электродов электронной пушки и питается напряжением до нескольких сот вольт.

Далее луч проходит через отклоняющую систему 1 , которая может менять направление луча (на рисунке показана магнитная отклоняющая система). В телевизионных ЭЛТ применяется магнитная отклоняющая система как обеспечивающая большие углы отклонения. В осциллографических ЭЛТ применяется электростатическая отклоняющая система как обеспечивающая большее быстродействие.

Электронный луч попадает в экран 10 , покрытый люминофором 4 . От бомбардировки электронами люминофор светится и быстро перемещающееся пятно переменной яркости создаёт на экране изображение.

Люминофор от электронов приобретает отрицательный заряд, и начинается вторичная эмиссия - люминофор сам начинает испускать электроны. В результате вся трубка приобретает отрицательный заряд. Для того, чтобы этого не было, по всей поверхности трубки находится соединённый с анодом слой аквадага - проводящей смеси на основе графита (6 ).

Кинескоп подключается через выводы 13 и высоковольтное гнездо 7 .

В чёрно-белых телевизорах состав люминофора подбирают таким, чтобы он светился нейтрально-серым цветом. В видеотерминалах, радарах и т. д. люминофор часто делают жёлтым или зелёным для меньшего утомления глаз.

Угол отклонения луча

Углом отклонения луча ЭЛТ называется максимальный угол между двумя возможными положениями электронного луча внутри колбы, при которых на экране ещё видно светящееся пятно. От величины угла зависит отношение диагонали (диаметра) экрана к длине ЭЛТ. У осциллографических ЭЛТ составляет как правило до 40°, что связано с необходимостью повысить чувствительность луча к воздействию отклоняющих пластин и обеспечить линейность характеристики отклонения. У первых советских телевизионных кинескопов с круглым экраном угол отклонения составлял 50°, у чёрно-белых кинескопов более поздних выпусков был равен 70°, начиная с 1960-х годов увеличился до 110° (один из первых подобных кинескопов - 43ЛК9Б). У отечественных цветных кинескопов составляет 90°.

При увеличении угла отклонения луча уменьшаются габариты и масса кинескопа, однако:

• увеличивается мощность, потребляемая узлами развёртки. Для решения этой проблемы уменьшался диаметр горловины кинескопа, что, однако, потребовало изменения конструкции электронной пушки.
• возрастают требования к точности изготовления и сборки отклоняющей системы, что было реализовано путём компоновки кинескопа с отклоняющей системой в единый модуль и сборки его в заводских условиях.
• возрастает число необходимых элементов настройки геометрии растра и сведения .

Всё это привело к тому, что в некоторых областях до сих пор применяются 70-градусные кинескопы. Также угол в 70° продолжает применяться в малогабаритных чёрно-белых кинескопах (например, 16ЛК1Б), где длина не играет такой существенной роли.

Ионная ловушка

Так как внутри ЭЛТ невозможно создать идеальный вакуум, внутри остаётся часть молекул воздуха. При столкновении с электронами из них образуются ионы , которые, имея массу, многократно превышающую массу электронов, практически не отклоняются, постепенно выжигая люминофор в центре экрана и образуя так называемое ионное пятно. Для борьбы с этим до середины 1960-х годов применялся принцип «ионной ловушки»: ось электронной пушки была расположена под некоторым углом к оси кинескопа, а расположенный снаружи регулируемый магнит обеспечивал поле, поворачивающее поток электронов к оси. Массивные же ионы, двигаясь прямолинейно, попадали в собственно ловушку.

Однако данное построение вынуждало увеличивать диаметр горловины кинескопа, что приводило к росту необходимой мощности в катушках отклонящей системы.

В начале 1960-х годов был разработан новый способ защиты люминофора: алюминирование экрана, кроме того, позволившее вдвое повысить максимальную яркость кинескопа, и необходимость в ионной ловушке отпала.

Задержка подачи напряжения на анод либо модулятор

В телевизоре, строчная развёртка которого выполнена на лампах, напряжение на аноде кинескопа появляется только после прогрева выходной лампы строчной развёртки и демпферного диода. Накал кинескопа к этому моменту успевает разогреться.

Внедрение в узлы строчной развёртки полностью полупроводниковой схемотехники породило проблему ускоренного износа катодов кинескопа по причине подачи напряжения на анод кинескопа одновременно с включением. Для борьбы с этим явлением разработаны любительские узлы, обеспечивающие задержку подачи напряжения на анод либо модулятор кинескопа. Интересно, что в некоторых из них, несмотря на то, что они предназначены для установки в полностью полупроводниковые телевизоры, в качестве элемента задержки использована радиолампа. Позднее начали выпускаться телевизоры промышленного производства, в которых такая задержка предусмотрена изначально.

Развёртка

Чтобы создать на экране изображение, электронный луч должен постоянно проходить по экрану с высокой частотой - не менее 25 раз в секунду. Этот процесс называется развёрткой . Есть несколько способов развёртки изображения.

Растровая развёртка

Электронный луч проходит весь экран по строкам. Возможны два варианта:

• 1-2-3-4-5-… (построчная развёртка);
• 1-3-5-7-…, затем 2-4-6-8-… (чересстрочная развёртка).

Векторная развёртка

Электронный луч проходит вдоль линий изображения. Векторная развёртка применялась в игровой консоли Vectrex .

Развёртка на экране радара

В случае использования экрана кругового обзора, т. н. тайпотрона, электронный луч проходит по радиусам экрана (экран при этом имеет форму круга). Служебная информация в большинстве случаев (цифры, буквы, топографические знаки) развёртывается дополнительно сквозь знаковую матрицу (находится в электронно-лучевой пушке).

Цветные кинескопы

Устройство цветного кинескопа. 1 -Электронные пушки. 2 - Электронные лучи. 3 - Фокусирующая катушка. 4 - Отклоняющие катушки. 5 - Анод. 6 - Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т. д. 7 - Красные, зелёные и синие зёрна люминофора. 8 - Маска и зёрна люминофора (увеличенно).

Цветной кинескоп отличается от чёрно-белого тем, что в нём три пушки - «красная», «зелёная» и «синяя» (1 ). Соответственно, на экран 7 нанесены в некотором порядке три вида люминофора - красный, зелёный и синий (8 ).

В зависимости от типа применённой маски, пушки в горловине кинескопа расположены дельтаобразно (в углах равностороннего треугольника) либо планарно (на одной линии). Некоторые одноимённые электроды разных электронных пушек соединены проводниками внутри кинескопа. Это ускоряющие электроды, фокусирующие электроды, подогреватели (соединены параллельно) и, часто, модуляторы. Такая мера необходима для экономии количества выводов кинескопа, ввиду органиченных размеров его горловины.

На красный люминофор попадает только луч от красной пушки, на зелёный - только от зелёной, и т. д. Это достигается тем, что между пушками и экраном установлена металлическая решётка, именуемая маской (6 ). В современных кинескопах маска выполнена из инвара - сорта стали с небольшим коэффициентом температурного расширения.

Типы масок

Существует два типа масок:

Среди этих масок нет явного лидера: теневая обеспечивает высокое качество линий, апертурная даёт более насыщенные цвета и высокий КПД. Щелевая сочетает достоинства теневой и апертурной, но склонна к муарам .

Чем меньше элементы люминофора, тем более высокое качество изображения способна дать трубка. Показателем качества изображения является шаг маски .

• Для теневой решётки шаг маски - расстояние между двумя ближайшими отверстиями маски (соответственно, расстояние между двумя ближайшими элементами люминофора одного цвета).
• Для апертурной и щелевой решётки шаг маски определяется как расстояние по горизонтали между щелями маски (соответственно, горизонтальное расстояние между вертикальными полосами люминофора одного цвета).

В современных мониторных ЭЛТ шаг маски находится на уровне 0,25 мм. Телевизионные кинескопы, просмотр изображения на которых осуществляется с большего расстояния, используют шаги порядка 0,8 мм.

Сведение лучей

Так как радиус кривизны экрана много больше расстояния от него до электронно-оптической системы вплоть до бесконечности в плоских кинескопах, а без применения специальных мер точка пересечения лучей цветного кинескопа находится на постоянном расстоянии от электронных пушек, необходимо добиться того, чтобы эта точка находилась точно на поверхности теневой маски, в противном случае образуется рассовмещение трёх цветовых составляющих изображения, увеличивающееся от центра экрана к краям. Чтобы этого не происходило, необходимо должным образом сместить электронные лучи. В кинескопах с дельтаобразным расположением пушек это делается специальной электромагнитной системой, управляемой отдельно устройством, которое в старых телевизорах была вынесена в отдельный блок - блок сведения - для периодических регулировок. В кинескопах с планарным расположением пушек регулировка производится при помощи специальных магнитов, расположенных на горловине кинескопа. Со временем, особенно у кинескопов с дельтаобразным расположением электронных пушек, сведение нарушается и нуждается в дополнительной регулировке. Большинство компаний по ремонту компьютеров предлагают услугу повторного сведения лучей монитора.

Размагничивание

Необходимо в цветных кинескопах для снятия влияющей на качество изображения остаточной или случайной намагниченности теневой маски и электростатического экрана.

Размагничивание происходит благодаря возникновению в так называемой петле размагничивания - кольцеобразной гибкой катушке большого диаметра, расположенной на поверхности кинескопа - импульса быстропеременного затухающего магнитного поля. Для того, чтобы этот ток после включения телевизора постепенно уменьшался, используются терморезисторы . Многие мониторы дополнительно к терморезисторам содержат реле , которое по окончании процесса размагничивания кинескопа отключает питание этой цепи, чтобы терморезистор остыл. После этого можно специальной клавишей, либо, чаще, особой командой в меню монитора, вызвать срабатывание этого реле и провести повторное размагничивание в любой момент, не прибегая к отключению и включению питания монитора.

Тринескоп

Тринескопом называется конструкция, состоящая из трёх чёрно-белых кинескопов, светофильтров и полупрозрачных зеркал (либо дихроичных зеркал, объединяющих функции полупрозрачных зеркал и фильтров), используемая для получения цветного изображения.

Применение

Кинескопы используются в системах растрового формирования изображения: различного рода телевизорах , мониторах , видеосистемах.

Осциллографические ЭЛТ наиболее часто используются в системах отображения функциональных зависимостей: осциллографах , вобулоскопах, также в качестве устройства отображения на радиолокационных станциях, в устройствах специального назначения; в советские годы использовались и в качестве наглядных пособий при изучении устройства электронно-лучевых приборов в целом.

Знакопечатающие ЭЛТ используются в различной аппаратуре специального назначения.

Обозначение и маркировка

Обозначение отечественных ЭЛТ состоит из четырёх элементов:

• Первый элемент: число, указывающее диагональ прямоугольного либо диаметр круглого экрана в сантиметрах;
• Второй элемент: две буквы, указывающие на принадлежность ЭЛТ к определённому конструктивному виду. ЛК - кинескоп, ЛМ - трубка с электромагнитным отклонением луча, ЛО - трубка с электростатическим отклонением луча, ЛН - трубки с памятью (индикаторные и осциллографические);
• Третий элемент: число, указывающие номер модели данной трубки с данной диагональю, при этом для осциллографических трубок СВЧ -диапазона нумерация начинается с номера 101;
• Четвёртый элемент: буква, указывающая цвет свечения экрана. Ц - цветной, Б - белого свечения, И - зелёного свечения, В - жёлто-зелёного свечения, С - оранжевого свечения, П - красного свечения, А - синего свечения. Х - обозначает экземпляр, имеющий худшие светотехнические параметры по сравнению с прототипом.

В особых случаях к обозначению может добавляться пятый элемент, несущий дополнительную информацию.

Пример: 50ЛК2Б - чёрно-белый кинескоп с диагональю экрана 50 см, вторая модель, 3ЛО1И - осциллографическая трубка с диаметром экрана зелёного свечения 3 см, первая модель.

Воздействие на здоровье

Электромагнитное излучение

Это излучение создаётся не самим кинескопом, а отклоняющей системой. Трубки с электростатическим отклонением, в частности, осциллографические, его не излучают.

В мониторных кинескопах для подавления этого излучения отклоняющую систему часто закрывают ферритовыми чашками. Телевизионные кинескопы такой экранировки не требуют, поскольку зритель обычно сидит на значительно большем расстоянии от телевизора, чем от монитора.

Ионизирующее излучение

В кинескопах присутствует ионизирующее излучение двух видов.

Первое из них - это сам электронный луч, представляющий собой, по сути, поток бета-частиц низкой энергии (25 кЭв). Наружу это излучение не выходит, и опасности для пользователя не представляет.

Второе - тормозное рентгеновское излучение, которое возникает при бомбардировке экрана электронами. Для ослабления выхода этого излучения наружу до полностью безопасных величин стекло легируют свинцом (см. ниже). Однако, в случае неисправности телевизора или монитора, приводящей к значительному повышению анодного напряжения, уровень этого излучения может увеличиться до заметных величин. Для предотвращения таких ситуаций блоки строчной развёртки оборудуют узлами защиты.

В отечественных и зарубежных телевизорах цветного изображения, выпущенных до середины 1970-х годов, могут встречаться дополнительные источники рентгеновского излучения - стабилизирующие триоды, подключаемые параллельно кинескопу, и служащие для стабилизации анодного напряжения, а значит, и размеров изображения. В телевизорах «Радуга-5» и «Рубин-401-1» используются триоды 6С20С, в ранних моделях УЛПЦТ - ГП-5. Поскольку стекло баллона такого триода значительно тоньше, чем у кинескопа, и не легировано свинцом, он является значительно более интенсивным источником рентгеновского излучения, чем сам кинескоп, поэтому его помещают в специальный стальной экран. В более поздних моделях телевизоров УЛПЦТ используются иные методы стабилизации высокого напряжения, и этот источник рентгеновского излучения исключён.

Мерцание

Монитор Mitsubishi Diamond Pro 750SB (1024x768, 100 Гц), снятый с выдержкой 1/1000 с. Яркость искусственно завышена; показана реальная яркость изображения в разных точках экрана.

Луч ЭЛТ-монитора, формируя изображение на экране, заставляет светиться частицы люминофора. До момента формирования следующего кадра эти частицы успевают погаснуть, поэтому можно наблюдать «мерцание экрана». Чем выше частота смены кадров, тем менее заметно мерцание. Низкая частота ведет к усталости глаз и наносит вред здоровью.

У большинства телевизоров на базе электронно-лучевой трубки ежесекундно сменяется 25 кадров, что с учётом чересстрочной развёртки составляет 50 полей (полукадров) в секунду (Гц). В современных моделях телевизоров эта частота искусственно завышается до 100 герц. При работе за экраном монитора мерцание чувствуется сильнее, так как при этом расстояние от глаз до кинескопа намного меньше, чем при просмотре телевизора. Минимальной рекомендуемой частотой обновления экрана монитора является частота 85 герц. Ранние модели мониторов не позволяют работать с частотой развёртки более 70-75 Гц. Мерцание ЭЛТ явно можно наблюдать боковым зрением.

Нечёткое изображение

Изображение на электронно-лучевой трубке является размытым по сравнению с другими видами экранов. Считается, что размытое изображение - один из факторов, способствующих усталости глаз у пользователя. С другой стороны, при использовании качественных мониторов, размытие не оказывает сильного влияния на здоровье человека, а сам эффект размытия позволяет не использовать сглаживание экранных шрифтов на мониторе, что отображается на качестве восприятия картинки, отсутствуют искажения шрифтов, присущие ЖК-мониторам.

Высокое напряжение

В работе ЭЛТ применяется высокое напряжение. Остаточное напряжение в сотни вольт, если не принимать никаких мер, может задерживаться на ЭЛТ и схемах «обвязки» неделями. Поэтому в схемы добавляют разряжающие резисторы, которые делают телевизор вполне безопасным уже через несколько минут после выключения.

Вопреки распространённому мнению, напряжением анода ЭЛТ нельзя убить человека из-за небольшой мощности преобразователя напряжения - будет лишь ощутимый удар. Однако, и он может оказаться смертельным при наличии у человека пороков сердца. Он может также приводить к травмам, включая, летальные, косвенным образом, когда, отдёрнув руку, человек касается других цепей телевизора и монитора, содержащих чрезвычайно опасные для жизни напряжения - а такие цепи присутствуют во всех моделях телевизоров и мониторов, использующих ЭЛТ, а также включая чисто механические травмы, сопряженные со внезапным бесконтрольным падением, вызванным электрической судорогой.

Ядовитые вещества

Любая электроника (в том числе ЭЛТ) содержит вещества, вредные для здоровья и окружающей среды. В числе их: соединения бария в катодах , люминофоры .

Использованные ЭЛТ в большинстве стран считаются опасным мусором и подлежат вторичной переработке или захоронению на отдельных полигонах.

Взрыв ЭЛТ

Поскольку внутри ЭЛТ вакуум, за счёт давления воздуха на один только экран 17-дюймового монитора приходится нагрузка около 800 кг - вес микролитражного легкового автомобиля . Из-за особенностей конструкции давление на экран и конус ЭЛТ является положительным, а на боковую часть экрана - отрицательным, что вызывает опасность взрыва. При работе с ранними моделями кинескопов правила техники безопасности требовали использования защитных рукавиц, маски и очков. Перед экраном кинескопа в телевизоре устанавливался стеклянный защитный экран, а по краям - металлическая защитная маска.

Начиная со второй половины 1960-х годов опасная часть кинескопа прикрывается специальным металлическим взрывозащитным бандажом , выполненным в виде цельнометаллической штампованной конструкции либо намотанной в несколько слоёв ленты. Такой бандаж исключает возможность самопроизвольного взрыва. В некоторых моделях кинескопов дополнительно использовалась защитная плёнка, покрывавшая экран.

Несмотря на применение защитных систем, не исключается поражение людей осколками при умышленном разбивании кинескопа. В связи с этим при уничтожении последнего для безопасности предварительно разбивают штенгель - технологическую стеклянную трубку в торце горловины под пластмассовым цоколем, через которую при производстве осуществляется откачка воздуха.

Малогабаритные ЭЛТ и кинескопы с диаметром или диагональю экрана до 15 см опасности не представляют и взрывозащитными приспособлениями не оснащаются.

Другие виды электронно-лучевых приборов

Кроме кинескопа, к электронно-лучевым приборам относят:

• Квантоскоп (лазерный кинескоп), разновидность кинескопа, экран которого представляет собой матрицу полупроводниковых лазеров , накачиваемых электронным лучом. Квантоскопы применяются в проекторах изображения.
• Знакопечатающая электронно-лучевая трубка.
• Индикаторная электронно-лучевая трубка используются в индикаторах радиолокационных станциий.
• Запоминающая электронно-лучевая трубка .
  • Графекон
• Передающая телевизионная трубка преобразует световые изображения в электрические сигналы.
• Моноскоп передающая электронно-лучевая трубка, преобразующая единственное изображение, выполненное непосредственно на фотокатоде, в электрический сигнал. Применялся для передачи изображения телевизионной испытательной таблицы (например, ТИТ-0249).
• Кадроскоп электронно-лучевая трубка с видимым изображением, предназначенная для настройки блоков разверток и фокусировки луча в аппаратуре, использующей электронно-лучевые трубки без видимого изображения (графеконы, моноскопы, потенциалоскопы). Кадроскоп имеет цоколевку и привязочные размеры, аналогичные электронно-лучевой трубке, используемой в аппаратуре. Более того, основная ЭЛТ и кадроскоп подбираются по параметрам с очень высокой точностью и поставляются только комплектом. При настройке вместо основной трубки подключают кадроскоп.

См. также

Примечания

Литература

• Д. Бриллиантов, Ф. Игнатов, В. Водычко. Однолучевой цветной кинескоп - хромоскоп 25ЛК1Ц. Радио № 9, 1976. С. 32, 33.

Ссылки

• С. В. Новаковский. 90 лет электронному телевидению // Электросвязь № 6, 1997
• П. Соколов. Мониторы // iXBT, 1999
• Mary Bellis. The History of the Cathode Ray Tube // About:Inventors
• Евгений Козловский. Старый друг лучше «Компьютерра» № 692, 27 июня 2007
• Мухин И. А. Как выбрать ЭЛТ-монитор Компьютер-бизнес-маркет № 49(286), ноябрь-декабрь 2004. С. 366-371

Пассивные твердотельные	Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Индуктивность · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные	Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд ·

§ 137. Электронно-лучевая трубка. Осциллограф

Для наблюдения, записи, измерений и контроля различных изменяющихся процессов в устройствах автоматики, телемеханики и других областях техники применяют осциллографы (рис. 198). Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка - электровакуумный прибор, в наиболее простом виде предназначенный для преобразования электрических сигналов в световые.

Рассмотрим, как отклоняется электрон и электронный луч в электрическом поле электронно-лучевой трубки осциллографа.
Если электрон поместить между двумя параллельными пластинами (рис. 199, а), имеющими разноименные электрические заряды, то под действием электрического поля, возникающего между пластинами, электрон отклонится, так как он заряжен отрицательно. Он отталкивается от пластины А , имеющей отрицательный заряд, и притягивается к пластине Б , имеющей положительный электрический заряд. Движение электрона будет направлено вдоль линий поля.

Когда в поле между пластинами попадает движущийся со скоростью V электрон (рис. 199, б), то на него действуют не только силы поля F , но и сила F 1 , направленная по его движению. В результате действия этих сил электрон отклонится от своего прямолинейного пути и будет перемещаться по линии ОК . - по диагонали.
Если между пластинами пропустить узкий пучок движущихся электронов - электронный луч (рис. 199, в), он под действием электрического поля отклонится. Угол отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов, из которых состоит луч, и величины напряжения, создающего электрическое поле между пластинами.
Каждая электронно-лучевая трубка (рис. 200) представляет собой баллон, из которого выкачан воздух. Коническая часть внутренней поверхности баллона покрыта графитом и называется аквадагом . Внутри баллона 3 помещается электронный прожектор 8 - электронная пушка, отклоняющие пластины 4 и 6 , и экран 5 . Электронный прожектор трубки состоит из подогревного катода, который излучает электроны, и системы электродов, образующих электронный луч. Этот луч, испускаемый катодом трубки, перемещается с большой скоростью к экрану и по существу является электрическим током, направленным в сторону, обратную движению электронов.

Катод представляет собой никелевый цилиндр, торец которого покрыт слоем оксида. Цилиндр надет на тонкостенную керамиковую трубку, а внутри нее для подогрева катода помещается нить из вольфрама, выполненная в виде спирали.
Катод расположен внутри управляющего электрода 7 , имеющего форму стаканчика. В дне стаканчика сделано небольшое отверстие, через которое проходят электроны, вылетающие из катода; это отверстие называется диафрагмой . На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение (порядка нескольких десятков вольт) по отношению к катоду. Оно создает электрическое поле, действующее на электроны, вылетающие с катода так, что они собираются в узкий луч, направленный в сторону экрана трубки. Точка пересечения траекторий полета электронов называется первым фокусом трубки . Увеличивая отрицательное напряжение на управляющем электроде, можно часть электронов отклонить настолько, что они не пройдут через отверстие и таким образом количестно электронов, попадающих на экран, уменьшится. Изменяя напряжение управляющего электрода, можно регулировать количество электронов в нем. Это позволяет изменять яркость светящегося пятна на экране электроннолучевой трубки, который покрыт специальным составом, обладающим способностью светиться под воздействием электронного луча, попадающего на него.
В состав электронной пушки также входят создающие ускоряющее поле два анода: первый - фокусирующий 1 и второй - управляющий 2 . Каждый из анодов представляет собой цилиндр с диафрагмой, которая служит для ограничения поперечного сечения электронного луча.
Аноды располагаются вдоль оси трубки на некотором расстоянии один от другого. На первый анод подается положительное напряжение порядка нескольких сотен вольт, а второй анод, соединенный с аквадагом трубки, имеет положительный потенциал, в несколько раз больший потенциала первого анода.
Электроны, вылетающие из отверстия управляющего электрода, попадая в электрическое поле первого анода, приобретают большую скорость. Пролетая внутри первого анода, пучок электронов под действием сил электрического поля сжимается и образует тонкий электронный луч. Далее электроны пролетают через второй анод, приобретают еще большую скорость (несколько тысяч километров в секунду), летят через диафрагму к экрану. На последнем под действием ударов электронов образуется светящееся пятно диаметром менее одного миллиметра. В этом пятне расположен второй фокус электронно-лучевой трубки.
Для отклонения электронного луча в двух плоскостях электронно-лучевая трубка снабжена двумя парами пластин 6 и 4 , расположенных в разных плоскостях перпендикулярно одна другой.
Первая пара пластин 6 , которая находится ближе в электронной пушке, служит для отклонения луча в вертикальном направлении; эти пластины называются вертикально отклоняющими . Вторая пара пластин 4 , расположенная ближе к экрану трубки, служит для отклонения луча в горизонтальном направлении; эти пластины называются горизонтально отклоняющими .
Рассмотрим принцип действия отклоняющих пластин (рис. 201).

Отклоняющие пластины В 2 и Г 2 подключены к движкам потенциометров П в и П г. К концам потенциометров подается постоянное напряжение. Отклоняющие пластины В 1 и Г 1 как и средние точки потенциометров, заземлены, и их потенциалы равны нулю.
Когда движки потенциометров стоят в среднем положении, потенциал на всех пластинах равен нулю, и электронный луч создает светящееся пятно в центре экрана - точку О . При перемещении движка потенциометра П г влево на пластину Г 2 подается отрицательное напряжение и поэтому электронный луч, отталкиваясь от этой пластины, отклонится и светящаяся точка на экране сместится в направлении точки А .
При перемещении движка потенциометра П г вправо потенциал пластины Г 2 будет увеличиваться и электронный луч, а следовательно, и светящаяся точка на экране сместятся по горизонтали к точке Б . Таким образом, при непрерывном изменении потенциала на пластине Г 2 электронный луч прочертит на экране горизонтальную линию АБ .
Аналогично при изменении потенциометром П в напряжения на вертикально отклоняющих пластинах луч будет отклоняться по вертикали и прочертит на экране вертикальную линию ВГ . При одновременном изменении напряжения на обеих парах отклоняющих пластин можно переместить электронный луч в любом направлении.
Экран электронно-лучевой трубки покрыт специальным составом - люминофором, способным светиться под действием ударов быстро летящих электронов. Таким образом, когда сфокусированный луч попадает в ту или иную точку экрана, то она начинает светиться.
Для покрытия экранов электронно-лучевых трубок используют люминофоры в виде окиси цинка, бериллиевого цинка, смеси сернокислого цинка с сернокислым кадмием и др. Эти материалы обладают свойством продолжать некоторое время свое свечение после прекращения ударов электронов. Это значит, что они обладают послесвечением .
Известно, что глаз человека, получив зрительное впечатление, может удержать его примерно 1/16 секунды. В электронно-лучевой трубке луч по экрану может перемещаться настолько быстро, что ряд последовательных светящихся точек на экране воспринимаются глазом в виде сплошной светящейся линии.
Напряжение, подлежащее изучению (рассмотрению) с помощью осциллографа, подается на вертикально отклоняющие пластины трубки. На горизонтально отклоняющие пластины подают пилообразное напряжение, график которого приведен на рис. 202, а.

Это напряжение дает электронный генератор пилообразных импульсов, который смонтирован внутри осциллографа. Под действием пилообразного напряжения электронный луч перемещается горизонтально по экрану. За время t 1 - t 8 луч перемещается по экрану слева направо, а за время t 9 - t 10 быстро возвращается в исходное положение, затем вновь движется слева направо и т. д.
Выясним, как можно увидеть на экране электронно-лучевой трубки осциллографа форму кривой мгновенных значений напряжения, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины. Допустим, что к горизонтально отклоняющим трубкам подано пилообразное напряжение с амплитудой 60 в и с периодом изменения в 1/50 сек .
На рис. 202, б показан один период синусоидального напряжения, форму кривой которого мы хотим увидеть, а в круге (рис. 202, в) показано результирующее перемещение электронного луча на экране трубки осциллографа.
Напряжения в одни и те же мгновения имеют на верхних двух графиках одинаковые обозначения.
В момент времени t 1 пилообразное напряжение (U г), отклоняющее электронный луч по горизонтали, равно 60 в , а напряжение на вертикальных пластинах U в равно нулю и на экране светится точка O 1 . В момент времени t 2 напряжение U г = - 50 в , а напряжение U в = 45 в . За время, равное t 2 - t 1 , электронный луч переместится в положение O 2 по линии O 1 - O 2 . В момент времени t 3 напряжение U г = 35 в , а напряжение U в = 84,6 в . За время t 3 - t 2 луч переместится в точку O 3 по линии O 2 - O 3 и т. д.
Процесс воздействия электрических полей, создаваемых обеими парами отклоняющих пластин, на электронный луч будет продолжаться, и луч будет отклоняться далее по линии O 3 - O 4 - o 6 и т. д.
За время t 10 - t 9 электронный луч быстро отклонится влево (произойдет обратный ход луча), а затем процесс будет повторяться: Исследуемое напряжение изменяется периодически, поэтому электронный луч будет многократно перемещаться по одному и тому же пути, в результате чего будет видна довольно яркая линия, по форме совпадающая с формой кривой напряжения, поданного на вертикально отклоняющие пластины трубки.
Так как период (и частота) напряжений пилообразных импульсов развертки и исследуемого напряжения равны, то синусоида на экране будет неподвижна. Если частота этих напряжений разная и не кратная друг другу, то изображение будет перемещаться вдоль экрана трубки.
При подключении к обеим парам отклоняющих пластин двух синусоидальных напряжений одинаковых амплитуд и частот, но сдвинутых по фазе на 90°, на экране трубки будет видна окружность. Таким образом, с помощью осциллографа можно наблюдать и исследовать различные процессы, происходящие в электрических цепях. Кроме генератора пилообразных импульсов, осциллограф имеет усилители для усиления напряжения, подаваемого на пластины вертикального отклонения луча, и пилообразного напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения.