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 ·

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.

Применение электронно-лучевой трубки

Электронно-лучевые трубки применяются в осциллографах для измерения напряжения и фазовых углов, анализа формы кривой силы тока или напряжения и т. д. Эти трубки используются в телевизионных и радиолокационных установках.

Электронно-лучевые трубки бывают разных типов. По способу получения электронного луча они делятся на трубки с холодным и накаленным катодом. Трубки с холодным катодом используются сравнительно редко, так как для их работы требуются очень высокие напряжения (30-70 кВ). Трубки с накаленным катодом имеют широкое применение. Эти трубки по способу управления электронным лучом также разделяются на два вида: электростатические и магнитные. В электростатических трубках управление электронным лучом осуществляется с помощью электрического поля, а в магнитных - с помощью магнитного поля.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением применяются в осциллографах и бывают чрезвычайно разнообразны по конструктивному выполнению. Учащихся достаточно ознакомить с принципом устройства такой трубки, содержащей основные типовые элементы. Этим целям отвечает трубка типа 13ЛОЗ7, которая представлена на таблице с некоторыми упрощениями.

Электронно-лучевая трубка представляет собой хорошо вакуумированный стеклянный баллон, внутри которого находятся электроды. Широкий торец трубки - экран - с внутренней стороны покрывается флуоресцирующим веществом. Вещество экрана светится при ударах электронов. Источником электронов служит катод косвенного накала. Катод состоит из нити накала 7, вставленной в тонкую фарфоровую трубочку (изолятор), на которую надет цилиндр 6 с оксидным покрытием торца (катод), благодаря чему достигается излучение электронов только в одном направлении. Вылетевшие из катода электроны устремляются к анодам 4 и 3, имеющим довольно высокий потенциал относительно катода (несколько сотен вольт). Для придания пучку электронов формы луча и его фокусировки на экране пучок проходит через ряд электродов. Однако следует обратить внимание уча-щихся только на три электрода: модулятор (управляющий цилиндр) 5, первый анод 4 и второй анод 3. Модулятор представляет собой трубчатый электрод, на который подается отрицательный потенциал относительно катода. Благодаря этому проходящий через модулятор электронный пучок будет стягиваться в узкий пучок (луч) и направляться электрическим полем через отверстие в аноде в сторону экрана. Повышая или понижая потенциал управляющего электрода, можно регулировать коли-чество электронов в луче, т. е. интенсивность (яркость) свечения экрана. С помощью анодов не только создается ускоряющее поле (обеспечивается разгон электронов), но, изменяя потенциал одного из них, можно более точно фокусировать электронный луч на экране и получить большую резкость светящейся точки. Обычно фокусировку осуществляют путем изменения потенциала первого анода, который называется фокусирующим.

Электронный луч, выйдя из отверстия в аноде, проходит между двумя парами отклоняющих пластин 1,2 и попадает на экран, вызывая его свечение.

Подавая напряжение на отклоняющие пластины, можно вызвать отклонение луча и смещение светящегося пятна от центра экрана. Величина и направление смещения зависят от напряжения, поданного на пластины, и полярности пластин. На таблице показан случай, когда напряжение подано только на вертикальные пластины 2. При указанной полярности пластин смещение электронного луча под действием сил электрического поля происходит вправо. Если подать напряжение на го-ризонтальные пластины 1, то смещение луча будет происходить в вертикальном направлении.

В нижней части таблицы приведен способ управления лучом с помощью магнитного поля, созданного двумя взаимно перпендикулярными катушками (каждая катушка разделена на две секции), оси которых имеют вертикальное и горизонтальное направления. На таблице показан случай, когда в горизонтальной катушке ток отсутствует и вертикальная катушка обеспечивает смещение луча только в горизонтальном направлении.

Магнитное поле горизонтальной катушки вызывает смещение луча в вертикальном направлении. Совместное действие магнитных полей двух катушек обеспечивает движение луча по всему экрану.

Магнитные трубки применяются в телевизорах.

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.

Задачи работы

1. общее знакомство с устройством и принципом действия электронных осциллографов,
2. определение чувствительности осциллографа,
3. 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.