Федеральное агентство по образованию
Кузбасская государственная педагогическая академия
Кафедра автоматизации производственных процессов
Реферат
по радиотехнике
Тема: Осциллографическая электронно-лучевая трубка. Передающие телевизионные трубки
Электронно-лучевые индикаторы
1.1 Основные параметры ЭЛТ
1.2 Осциллографические электронные трубки
II. Передающие телевизионные трубки
2.1 Передающие телевизионные трубки с накоплением зарядов
2.1.1 Иконоскоп
2.1.2 Супериконоскоп
2.1.3 Ортикон
2.1.4 Суперортикон
2.1.5 Видикон
Список используемой литературы
I . Электронно-лучевые индикаторы
Электронно-лучевым называют электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей.
Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Источником электронов в ЭЛТ подогревный катод. Эмитированные катодом электроны собираются в узкий луч электрическим или магнитным полем специальных электродов или катушек с током. Электронный луч фокусируется на экране, для изготовления которого внутреннюю сторону стеклянного баллона трубки покрывают люминофором – веществом, способным светиться при бомбардировке его электронами. Положением видимого сквозь стекло баллона пятна на экране можно управлять, отклоняя поток электронов путём воздействия на него электрического или магнитного поля специальных (отклоняющих) электродов или катушек с током. Если формирование электронного луча и управление им осуществляется с помощью электростатических полей, то такой прибор называют ЭЛТ с электростатическим управлением. Если для этих целей используют не только электростатические, но и магнитные поля, то прибор называют ЭЛТ с магнитным управлением.
Схематическое изображение электронно-лучевой трубки
Рис.1
На рис.1 схематически показано устройство ЭЛТ. Элементы трубки размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух до остаточного давления 1-10 мкПа. Кроме электронной пушки, включающей в себя катод 1, сетку 2 и ускоряющий электрод 3, в электронной лучевой трубке есть магнитная отклоняющая и фокусирующая система 5 и отклоняющие электроды 4, позволяющие направить пучок электронов в различные точки внутренней поверхности экрана 9, имеющего металлическую анодную сетку 8 с проводящим слоем люминофора. Напряжение на сетку анода с люминофором подается через высоковольтный ввод 7. Пучок электронов, падающих с большой скоростью на люминофор, вызывает его свечение, и на экране можно видеть светящееся изображение пучка электронов.
Современные фокусирующие системы обеспечивают диаметр светящегося пятна на экране менее 0,1 мм. Вся система электродов, формирующих электронный луч, крепится на держателях (траверсах) и образует единое устройство, называемое электронам прожектором. Для управления положением светящегося пятна на экране применяют две пары специальных электродов - отклоняющих пластин, расположенных взаимно перпендикулярно. Изменяя разность потенциалов между пластинами каждой пары, можно изменять положение электронного луча во взаимно перпендикулярных плоскостях благодаря воздействию электростатических полей отклоняющих пластин на электроны. Специальные генераторы в осциллографах и телевизорах формируют линейно изменяющееся напряжение, которое подаётся на отклоняющие электроды и создает развертку изображения по вертикали и горизонтали. В результате на экране получают двумерную картину изображения.
ЭЛТ с магнитным управлением содержит такой же электронный прожектор, как и ЭЛТ с электростатическим управлением, за исключением второго анода. Вместо него применяют короткую катушку (фокусирующую) с током, надеваемую на горловину трубки вблизи первого анода. Неоднородное магнитное поле фокусирующей катушки, воздействуя на электроны, выполняет роль второго анода в трубке с электростатической фокусировкой.
Отклоняющая система в трубке с магнитным управлением выполняется в виде двух пар отклоняющих катушек, также размещаемых на горловине трубки между фокусирующей катушкой и экраном. Магнитные поля двух пар катушек взаимно перпендикулярны, что позволяет управлять положением электронного луча при изменении тока в катушках. Магнитные отклоняющие системы используют в трубках с высоким анодным потенциалом, необходимым для получения большой яркости свечения экрана, в частности в телевизионных приемных трубках - кинескопах. Поскольку магнитная отклоняющая система размещается вне баллона ЭЛТ, ее удобно вращать вокруг оси ЭЛТ, меняя положение осей на экране, что важно в некоторых применениях, например в радиолокационных индикаторах. С другой стороны, магнитная отклоняющая система инерционнее электростатической и не позволяет перемещать луч с частотой более 10-20 кГц. Поэтому в осциллографах - приборах, предназначенных для наблюдения на экране ЭЛТ изменений электрических сигналов во времени,- применяют трубки с электростатическим управлением. Заметим, что существуют ЭЛТ с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением.
1.1 Основные параметры ЭЛТ
Цвет свечения экрана может быть |различным в зависимости от состава люминофора. Чаще других используют экраны с белым, зеленым, синим, фиолетовым цветом свечения, однако имеются ЭЛТ с желтым, голубым, красным, оранжевым цветом.
Послесвечение - время, необходимое для спадания яркости свечения от номинальной до первоначальной после прекращения электронной бомбардировки экрана. Послесвечение делится на пять групп: от очень короткого (менее 10 -5 с) до очень длительного (более 16 с).
Разрешающая способность - ширина светящейся сфокусированной линии на экране или минимальный диаметр светящегося пятна.
Яркость свечения экрана - сила света, испускаемого 1 м 2 экрана в направлении, нормальном к его поверхности. Чувствительность к отклонению - отношение смещения пятна па экране к значению отклоняющего напряжения или напряженности магнитного поля.
Существуют разные виды ЭЛТ: осциллографические ЭЛТ, приёмные телевизионные трубки, передающие телевизионные трубки и проч. В своей работе я рассмотрю устройство и принцип действия осциллографической ЭЛТ и передающих телевизионных трубок.
1.2 Осциллографические электронно-лучевые трубки
Осциллографические трубки предназначены для получения изображения электрических сигналов на экране. Обычно это ЭЛТ с электростатическим управлением, в которых для наблюдения применяют зеленый цвет свечения экрана, а для фотографирования - голубой или синий. Для наблюдения быстропротекающих периодических процессов служат ЭЛТ с повышенной яркостью свечения и коротким послесвечением (не более 0,01 с). Медленные периодические и однократные быстро протекающие процессы лучше наблюдать на экранах ЭЛТ с длительным послесвечением (0,1-16 с). Осциллографические ЭЛТ выпускаются с круглым и прямоугольным экранами размерами от 14x14 до 254 мм в диаметре. Для одновременного наблюдения двух процессов и более выпускаются многолучевые ЭЛТ, в которых смонтированы два (или более) независимых электронных прожектора с соответствующими отклоняющими системами. Прожекторы смонтированы так, что и оси пересекаются в центре экрана.
II . Передающие телевизионные трубки
Передающие телевизионные трубки и системы преобразуют изображения объектов передачи в электрические сигналы. По способу преобразования изображений объектов передачи в электрические сигналы, передающие телевизионные трубки и системы подразделяются на трубки и системы мгновенного действия и трубки с накоплением зарядов.
В первом случае величина электрического сигнала определяется тем световым потоком, который в данный момент времени падает или на катод фотоэлемента, или на элементарный участок фотокатода передающей телевизионной трубки. Во втором случае происходит преобразование световой энергии в электрические заряды на накопительном элементе (мишени) передающей телевизионной трубки в течении периода кадровой развертки. Распределение электрических зарядов на мишени соответствует распределению света и тени по поверхности передаваемого объекта. Совокупность электрических зарядов на мишени называется потенциальным рельефом. Электронный луч периодически обегает все элементарные участки мишени и списывает потенциальный рельеф. При этом на нагрузочном сопротивлении выделяется напряжение полезного сигнала. Трубки второго типа, т.е. с накопленной световой энергией, имеют больший КПД, чем трубки первого типа, поэтому они широко применяются в телевидении. Именно поэтому подробней я рассмотрю устройство и виды трубок второго типа.
Передающие телевизионные трубки с накоплением зарядов
Иконоскоп
Важнейшей частью иконоскопа (рис.1а) является мозаика, которая состоит из тонкого листка слюда толщиной 0,025 мм. На одну сторону слюды нанесено большое число изолированных друг от друга мелких серебряных зёрен 4, окисленных и обработанных в парах цезия.
Совсем недавно электронно-лучевая трубка была распространена в самых различных устройствах, например, аналоговых осциллографах, а также в отраслях радиотехники – телевидении и радиолокации. Но прогресс не стоит на месте, и электронно-лучевые трубки начали постепенно вытесняться более современными решениями. Стоит отметить, что в некоторых устройствах их все же применяют, поэтому давайте рассмотрим, что это такое.
В качестве источника заряженных частиц в электронно-лучевых трубках используют накаленный катод, который в следствии термоэлектронной эмиссии испускает электроны. Внутрь управляющего электрода, имеющего цилиндрическую форму, помещают катод. Если изменять отрицательный потенциал управляющего электрода, можно менять яркость светового пятна на экране. Это связано с тем, что изменении отрицательного потенциала электрода влияет на величину электронного потока. За управляющим электродом располагают два цилиндрических анода, внутри которых установлены диафрагмы (перегородки с небольшими отверстиями). Ускоряющее поле, создаваемое анодами, обеспечивает направленное движение электронов в сторону экрана и одновременно «собирает» в узкий поток (луч) электронный поток. Помимо фокусировки, которая реализуется с помощью электростатического поля, в электронно-лучевой трубке применяют и магнитную фокусировку луча. Чтоб это реализовать, на горловину трубки одевают фокусирующую катушку. , которая действует на электроны в магнитном поле, создаваемом катушкой, прижимает их к оси трубки, формируя тем самым тонкий луч. Для перемещения или отклонения электронного луча на экране, точно также как и для фокусировки, применяют электрические и магнитные поля.
Из двух пар пластин состоит электростатическая система отклонения луча: горизонтальной и вертикальной. Пролетая между пластинами, электроны будут отклоняться в сторону положительно заряженной пластины (рисунок а)):
Две взаимно перпендикулярные пары пластин позволяют отклонять электронный луч как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Магнитная система отклонения состоит из двух пар катушек 1 – 1 / и 2 – 2 / , расположенных на баллоне трубки под прямым углом друг к другу (рисунок б)). В магнитном поле, создаваемом данными катушками, на пролетающие электроны будет действовать сила Лоренца.
По вертикалям перемещение потока электронов будет вызывать магнитное поле горизонтально расположенных катушек. Поле вертикально расположенных катушек – по горизонтали. Полупрозрачным слоем специального вещества, которое способно светиться при бомбардировке его электронами, покрывается экран электронно-лучевой трубки. К таким веществам можно отнести некоторые полупроводники – вольфрамовокислый кальций, виллемит и другие.
Основная группа электронно-лучевых трубок – осциллографические трубки, основным назначением которых является исследование быстрых изменений тока и напряжения. В таком случае исследуемый ток подается на отклоняющую систему, результатом чего станет отклонение луча на экране пропорционально силе этого тока (напряжения).
Электростатическим управлением
Рассмотрим устройство ЭЛТ с электростатическим управлением (рис.2.12.):
Рис 2.12. Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением.
В состав простейшей электронной пушки входят: катод, управляющий электрод, первый и второй аноды.
Катод предназначен для создания потока электронов. Обычно в ЭЛТ применяется оксидный подогревный катод, изготовленный в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится подогреватель. Активный слой наносится на дно цилиндра. Таким образом, катод имеет плоскую излучающую поверхность и электроны излучаются узким лучом в направлении экрана. Вывод катода обычно присоединяется внутри баллона к одному из концов нити накала.
Управляющий электрод , или модулятор, предназначен для регулировки яркости светящегося пятна на экране. Выполнен управляющий электрод в виде никелевого цилиндра, окружающего катод. В цилиндре выполнено отверстие (диафрагма), сквозь которое проходят электроны, излучаемые катодом.
На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение относительно катода. Изменяя это напряжение, можно регулировать величину тока луча и, следовательно, изменять яркость светящегося пятна на экране трубки.
Первый анод представляет собой цилиндр с двумя или тремя диафрагмами.
Влияние управляющего электрода и первого анода на ток луча аналогично влиянию управляющей сетки и анода на анодный ток в электронных лампах.
Второй анод выполнен также в виде цилиндра, но несколько большего диаметра, чем первый. Этот анод обычно имеет одну диафрагму.
К первому аноду подводится напряжение порядка 300-1000В (относительно катода). На второй анод подается более высокое напряжение (1000-16000 В ).
Рассмотрим принцип работы трубки. Накаленный катод излучает электроны. Под действием электрического поля, имеющегося между первым анодом и катодом, электроны получают ускорение и пролетают через диафрагмы в первом аноде. Из первого анода электроны выходят в виде узкого расходящегося луча.
Электрическое поле между первым и вторым анодами называется фокусирующим. Оно изменяет траекторию электронов так, что при выходе из второго анода электроны двигаются, приближаясь к оси трубки. В пространстве между вторым анодом и экраном электроны движутся по инерции за счет энергии, приобретенной в ускоряющих полях электронной пушки.
Изменением потенциала первого анода можно регулировать напряженность фокусирующего поля таким образом, чтобы траектории всех электронов пересекались на экране. При падении электронов на экраних кинетическая энергия частично превращается в световую, за счет чего на экране получается светящаяся точка (пятно).
Падающие на экран электроны выбивают из материала экрана вторичные электроны, которые улавливаются проводящим графитовым слоем (аквадагом ), нанесенным на внутреннюю поверхность баллона. Кроме того, аквадаг играет роль электростатического экрана и предохраняет электронный поток трубки от воздействия внешних электрических полей, так как он соединен со вторым анодом трубки и вместе с ним заземлен.
Диафрагмы внутри анодов способствуют сужению луча электронов, так как они перехватывают электроны, сильно отклонившиеся от оси трубки.
Две пары отклоняющих пластин при подаче на них управляющих (модулирующих) напряжений обеспечивают возникновение между соответствующими пластинами Х-Х и У-У разности потенциалов, управляющих перемещением сфокусированного электронного луча в нужную точку экрана для получения требуемого изображения. При воздействии на этот поток двух модулирующих напряжений одновременно можно добиться отклонения электронного луча в любую точку рабочей поверхности экрана.
Вывод: достоинством ЭЛТ с электростатическим управлением является то, что в них затраты мощности на управление лучом невелики, схема управления отклонением электронного луча значительно проще, чем в ЭЛТ с магнитным управлением. Величина отклонения луча в трубках данного типа практически не зависит от частоты отклоняющего напряжения.
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.
Студент должен знать : структурную схему осциллографа; назначение основных блоков осциллографа; устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки; принцип действия генератора развертки (пилообразного напряжения), сложение взаимно перпендикулярных колебаний.
Студент должен уметь : определять опытным путем цену деления по горизонтали и по вертикали, измерять величину постоянного напряжения, период, частоту и амплитуду переменного напряжения.
Краткая теория Структура осциллографа
Электронный осциллограф является универсальным прибором, позволяющим следить за быстропротекающими электрическими процессами (длительностью до 10 -12 с). С помощью осциллографа можно измерить напряжение, силу тока, промежутки времени, определять фазу и частоту переменного тока.
Т.к. в функционирующих нервах и мышцах живых организмов возникают разности потенциалов, то электронный осциллограф, или его модификации широко применяют в биологических и медицинских исследованиях работы различных органов, сердца, нервной системы, глаз, желудка и т.д.
Прибор можно использовать для наблюдения и измерения неэлектрических величин, если применять специальные первичные преобразователи.
В осциллографе нет движущихся механических частей (см. рис. 1), а происходит отклонение электронного пучка в электрическом или магнитном полях. Узкий пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом, вызывает его свечение в этой точке. При перемещении пучка электронов можно следить за ним по движению светящейся точки на экране.
Электронный луч «следит» за изменением изучаемого электрического поля не отставая от него, т.к. электронный луч является практически безинерционным.
Рис. 1. Рис. 2.
Структура электронно-лучевой трубки Катод и модулятор
В этом большое достоинство электронного осциллографа по сравнению с другими регистрирующими приборами.
Современный электронный осциллограф имеет следующие основные узлы: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, усилители, блок питания.
Устройство и работа электронно-лучевой трубки
Рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим управлением электронным лучом.
ЭЛТ, схематически изображенная на рис. 1, представляет собой стеклянную колбу специальной формы, в которой создан высокий вакуум (порядка 10 -7 мм рт.ст.). Внутри колбы расположены электроды, выполняющие функцию электронной пушки для получения узкого пучка электронов; отклоняющие луч пластины и экран, покрытый слоем люминофора.
Электронная пушка состоит из катода 1, управляющего (модулирующего) электрода 2, дополнительного, экранирующего электрода 3 и первого и второго анодов 4, 5.
Подогревной катод 1 выполнен в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится нить накала, имеет слой оксида на передней торцевой части с малой работой выхода электронов для получения электронов (рис. 2).
Катод находится внутри управляющего электрода или модулятора, представляющего собой металлический стакан с отверстием в торце, через которое могут проходить электроны. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода и, изменяя величину этого потенциала, можно регулировать интенсивность потока электронов, проходящих через его отверстие и тем самым изменять яркость свечения экрана. Одновременно электрическое поле между катодом и модулятором фокусирует пучок электронов (рис. 2).
Экранирующий электрод 3 имеет потенциал немного выше потенциала катода и служит для облегчения выхода электронов, исключения взаимодействия электрических полей управляющего электрода 2 и первого анода 4.
Дополнительная фокусировка и ускорение электронов происходит электрическим полем между первым и вторым анодами, образующими электронную линзу. Аноды эти выполнены в виде цилиндров с диафрагмами внутри. На первый анод 4 подается положительный потенциал по отношению к катоду порядка сотен вольт, на второй 5 порядка тысячи вольт. Линии напряженности электрического поля между этими анодами представлены на рис.3.
