Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№36

25.3. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

К электронно-лучевым трубкам (ЭЛТ) относятся электронные трубки, в которых электронный пучок может быть сфокусиро­ван в поперечном сечении до нужного размера на поверхности, а также может менять положение и интенсивность, способствуя тем самым получению видимого или другим способом обнаружи­ваемого изображения. Электронно-лучевые трубки относятся к электровакуумным приборам с катодолюминесцентными экранами, выходная информация которых представлена в форме светового поля, и является типичным и широко применяемым элект­ронно-лучевым прибором. Они бывают однолучевые и много­лучевые, монохромные и цвет­ные.

Электронно-лучевые труб­ки с электростатическим уп­равлением. Схематическое изображение конструкции ЭЛТ с электростатическим управлением показано на рис. 25.5. В узкой части стеклян­ной колбы размещен электронный прожектор, состоящий из катода 1, модулятора 2, ускоряющего электрода 3, первого 4 и второго 5 анодов. Электронный прожектор создает остросфокусированный пучок электронов — электронный луч. За электронным прожектором размещаются две пары взаимно перпендикулярных пластин 6, отклоняющих луч в вертикальном и горизонтальном направлениях. Электронный луч, попадая на покрытый люмино­фором экран 7, вызывает его свечение. Перемещением электрон­ного луча по экрану и изменением плотности тока в луче изме­няются координата и яркость светящейся точки экрана.

Внутри колбы ЭЛТ обеспечивается вакуум. В ЭЛТ используют катоды косвенного подогрева, представляющие собой небольшой металлический цилиндр, внутри которого размещена спираль из вольфрама или высокоомного сплава. Внешняя сторона дна ци­линдра обычно покрыта оксидным слоем — смесь оксидов бария и стронция, а иногда и кальция. Толщина покрытия состав­ляет 20—100 мкм.

К спирали катода подключают источник чаще всего перемен­ного тока. По спирали протекающий ток нагревает катод и уже при сравнительно невысоких температурах (950—1100 К) с оксидного слоя катода начинается термоэлектронная эмиссия.

Модулятор ЭЛТ представляет собой цилиндр с отверстием — диафрагмой. К модулятору прикладывают небольшое относительно катода отрицательное напряжение. Это напряжение создает вокруг катода тормозящее поле, поэтому через отверстие вылетают только те электроны, начальная скорость которых достаточна для пре­одоления тормозящего поля модулятора. Изменением потенциала модулятора меняется плотность тока электронного луча. Так как непосредственное измерение тока в электронном луче затрудни­тельно, то в качестве характеристики, отражающей способность модулятора изменять яркость светящегося пятна, берут зависи­мость тока второго анода 5 от напряжения модулятора. Такую характеристику называют модуляционной (рис. 25.6).

Через диафрагму модулятора вылетевшие электроны попадают в электрическое поле ускоряющего электрода. К этому электроду прикладывается высокое напряжение, напряженность электриче­ского поля на участке модулятор — ускоряющий электрод полу­чается большой, вследствие чего скорость электронов (м/с) также большая:

, (25.1)

где U_А - напряжение на ускоряющем электроде: е - заряд элект­рона; т - масса электрона.

Ускоряющий электрод с первым и вторым анодами не только ускоряют электроны, но и фокусируют электронный луч, как опти­ческая линза фокусирует световой луч. Принцип фокусировки основан на том, что электроны, летящие перпендикулярно экви­потенциальным линиям электрического поля, не изменяют на­правления движения (изменяют только скорость), а электроны, летящие под углом θ < π/2 к эквипотен-циальным линиям, меняют не только скорость, но и направление. Эквипотенциальными счи­таются линии, проходящие через точки с одинаковым потенциа­лом. Причиной изменения направления является поперечная со­ставляющая напряженности электрического поля Е_у (рис. 25.7, а). На рис. 25.7 6, представлены изображение эквипотенциальных линий поля на участке катод — ускоряющий электрод и условные траектории электронов. Как видно, там, где эквипотенциальные линии обращены выпуклостью к движущимся электронам, траек­тории направляются к оси, а там, где эквипотенциальные линии обращены вогнутостью к направлению движения траектории, искривляются в обратным направлении — от оси. Вели­чины перемещений электронов в попе­речном направлении пропорциональны не только Е_у, но и времени их пребывания в электрическом поле или обратно пропорциональны скоростям движения. Поэтому ввиду того что скорости электронов вблизи катода меньше, чем вблизи ускоряющегося электрода, траектории электронов образуют сходящийся пучок.

Участок электронного прожектора от ускоряющего электрода до второго анода также представляет собой электронную линзу, улучшающую фокусирование луча. Фокусное расстояние этой линзы изменяется с помощью напряжения на первом аноде, что дает возможность получить на экране малое светящееся пятно.

Для улучшения фокусировки в ускоряющем электроде и ано­дах ставятся диафрагмы с малыми отверстиями, «срезающие» удаленные от оси лучи.

Качество фокусировки ухудшают термоэлектронная эмиссия от нагретого катодом модулятора и вторичная электронная эмиссия с краев диафрагмы первого анода. Вследствие этих явлений внутри ЭЛТ появляются свободные несфокусированные электроны, кото­рые, попадая на экран, приводят к размытости пятна и общей засветке экрана. Покрывая поверхности электродов металлом с высокой работой выхода электронов, например золотом, можно уменьшить термоэлектронную и вторичную эмиссии.

Управление положением светящейся точки на экране осуще­ствляется напряжениями, прикладываемыми к парам взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин. Горизонтальные пла­стины отклоняют луч по вертикали, а вертикальные − по гори­зонтали.

Пример. Предположим, что к Y-пластинам, отклоняющим луч по вертикали, при­ложено постоянное напряжение U_y (рис. 25.8). Поток электронов, входящих в пространство между пластинами со скоростью v_z [см. (25.1)1, притягивается к имеющей положительный потенциал пластине и приобретает скорость в на­правлении оси у, равную v_y.

Угол отклонения луча α определяется выражением

,

а величина отклонения

пропорциональна расстоянию отклоняющих пластин от экрана l₂ и отношению скоростей v_y / v_z. Для расчета этого отношения предполагается, что вдоль оси z электрон движется с постоян­ной скоростью u_z, поэтому время его пребывания между отклоняющими пластинами

(где l₁ — длина отклоняющих пластин), а также что электрическое поле меж­ду пластинами однородно, поэтому электрон вдоль оси у движется с по­стоянным ускорением и к моменту выхода из пространства между пластинами приобретает скорость

.

Отсюда

.

Подставляя выражения а и v_z, получаем

.

Величина отклонения луча

.

В качестве параметра ЭЛТ используется чувствительность

.

которая может быть увеличена изменением геометрии трубки, т. е. увеличением l₁ и l₂, уменьшением d, а также понижением напря­жения анода. Однако последнее сопровождается ухудшением фокусировки и яркости светящегося пятна.

Электронно-лучевая трубка с магнитным управлением. Фокуси­рование электронного луча и его отклонение можно осуществлять также с помощью магнитного поля. Схематическое изображение конструкции ЭЛТ с магнитными фокусировкой и отклонением показано на рис. 25.9, а. В этой ЭЛТ ускорение луча электро­нов, как и в ЭЛТ с электростатической фокусировкой, выпол­няют ускоряющий электрод 3 и анод 4. Эти электроды осущест­вляют и первичную фокусировку луча. Однако основное фокуси­рующее действие оказывает фокусирующая катушка 5, через которую течет постоянный ток I_ф. Этим током создается неоднородное магнитное поле, вектор индукции которого содержит аксиаль­ную В_а и радиальную В_r составляющие (рис. 25.9,б). На элект­рон, летящий под некоторым углом к оси, действует радиальная составляющая индукции магнитного поля. Эта составляющая создает силу, заставляющую электрон совершать вращательное движение вокруг оси ЭЛТ. Появление тангенциальной составляю­щей скорости электрона порождает его взаимодействие с аксиаль­ной составляющей магнитного поля, прижимающей электрон к оси. Прижимающая сила тем больше, чем дальше электрон удален от оси. Регулировка фокусного расстояния магнитной фокусирующей линзы достигается изменением тока Iф, текущего через фокусирующую катушку.

Магнитная фокусирующая система обеспечивает лучшее каче­ство фокусировки и позволяет получить более мощный луч и, следовательно, большую яркость свече­ния экрана. Ввиду большей сложности применение магнитной фокусировки оп­равдано только в тех устройствах, в которых необходимо получить макси­мальную разрешающую способность.

Многолучевые трубки. Их применя­ют для отображения нескольких одно­временно протекающих процессов. В многолучевых трубках каждый луч фор­мируется отдельным электронным про­жектором и управляется независимыми отклоняющими системами.

Цветные ЭЛТ. Цвет свечения экра­на зависит от люминофора, которым покрыт экран. Для получения цвет­ных изображений приходится экран по­крывать тремя различными люминофо­рами соответственно с красным, синим и зеленым свечением. Расположение уча­стков различных люминофоров зависит от типа ЭЛТ.

ЭЛТ с теневой маской. В горловине трубок этого типа рас­положены три электронных прожектора, а экран выполнен из точечных триад, в каждой из которых по одной точке красного, синего и зеленого цветов. Все точки одного цвета облучают один и тот же электронный прожектор. Для исключения ложного осве­щения других точек при передвижении лучей по экрану перед экраном в ЭЛТ устанавливают теневую маску с отверстиями (рис. 25.10).

Отклонение всех трех лучей осуществляется одной отклоняю­щей системой.

Трубки этого типа широко применяют, хотя они имеют суще­ственный недостаток — примерно 85 % энергии электронных лучей рассеивается на маске, что затрудняет получение больших ярко­стей. Эти ЭЛТ чувствительны к внешним магнитным полям.

ЭЛТ с управляющей сеткой. Эти трубки называются также хроматронами. Они однолучевые, экран покрыт узкими вертикаль­ными полосками люминофоров трех цветов, располагаемых в такой последовательности: красная, зеленая, синяя, зеленая, красная. Перед экраном на близком расстоянии стоит сетка из вертикальных проволочек, прикрывающих красные и синие полоски. Зеленые полоски проволочками не прикрываются.

Когда вся сетка имеет одинаковый потенциал, то электронный луч, проходя через нее, не отклоняется и попадает на зеленую полоску, поэтому экран светится зеленым цветом. Если к прово­лочкам, прикрывающим красные полоски, будет приложен поло­жительный потенциал, то эти проволочки будут притягивать луч и он попадет на красную полоску. Если же положительными станут проволочки, прикрывающие синие полоски, то луч попадет на синие полоски и экран будет излучать синий цвет.

Основное применение хроматрона — малогабаритные телевизион­ные приемники.

В разное время разрабатывались цветные ЭЛТ и других кон­струкций. Однако они не получили распространения.

25.4. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ НА ЭЛТ

Электронно-лучевые трубки используют в различных устройствах отображения информации: осциллографах, телевизорах, буквенно-цифровых и графических дисплеях. Изображение на экране ЭЛТ формируется путем многократного перемещения электронного луча по горизонтали и вертикали с одновременным управлением по яркости.

Осциллографы предназначены для визуального отображения формы электрических сигналов, относятся к измерительным при­борам и рассматриваются в § 26.3.

Телевизионные мониторы. Эти устройства, преобразующие телевизионный видеосигнал в видимое изображение, применяют как самостоятельные приборы в промышленных телевизионных системах на телестудиях. Они как функциональный узел входят в состав телевизионных приемников. На их основе реализуются различные дисплеи.

Телевизионный монитор состоит из ЭЛТ с электромагнитной отклоняющей системой, генераторов строчной и кадровой раз­верток и усилителя видеосигнала (рис. 25.11, a). Сигнал генера­тора строчной развертки, поступая на горизонтально-отклоняющие катушки, осуществляет управление движением луча по горизон­тали, а сигнал генератора кадровой развертки совместно с вер­тикально-отклоняющими катушками перемещает луч по вертикали. Электронный луч, пробегая по экрану слева направо, «ри­сует» одну строку изображения. Кадр изображения состоит из N строк. Для уменьшения мелькания кадр делится на два по­лукадра. Во время первого полукадра на экране ЭЛТ отобра­жаются все нечетные строки, а во время второго полукадра — все четные строки (рис. 25.1,б).

Для того чтобы луч по экрану перемещался с постоянной скоростью, ток через отклоняющие катушки должен изменяться линейно. В индуктивности, как известно, ток нарастает линейно, если к ней приложено постоянное напряжение. Однако реальная отклоняющая катушка кроме индуктивности содержит и пара­зитные параметры: сопротивление обмотки, межвитковую емкость, сопротивление потерь в сердечнике. В цепи, состоящей из после­довательно соединенных индуктивности L и сопротивления R, будет течь линейно нарастающий ток i = k_i t, если к этой цепи приложено напряжение, состоящее из постоянного и линейно на­растающего напряжения: u = L k_i + R k_i t.

Генераторы строчной и кадровой разверток выполняют по схемам, аналогичным схемам импульсных преобразователей на­пряжения (см. § 24.4). Синхронизация этих генераторов осуще­ствляется строчными и кадровыми синхроимпульсами, выделяемыми из видеосигнала.

Буквенно-цифровые дисплеи. Они предназначены для визуаль­ного наблюдения вводимых в ЭВМ и выводимых из них данных. Отображение знаков на экране ЭЛТ происходит путем такого преобразования кода этого знака в сигналы управления лучом, при которых луч «рисует» требуемый знак. Соответствующие преобразователи называют генераторами знаков.

Схема дисплея показана на рис. 25.12. Коды знаков, подле­жащих отображению, в устройство управления поступают от клавиатуры или из внешней ЭВМ. Устройство управления содер­жит набор буферных регистров для оперативного хранения и преобразования кодов поступающей информации, а также данных о последовательности и месте высвечивания этих знаков. Блок управления в современных дисплеях выполняется на микропро­цессорных БИС.

Таймер вырабатывает последовательности тактовых импульсов, осуществляющих запуск генератора знаков и устройства разверток. Устройство разверток вырабатывает сигналы, управляющие перемещением луча по вертикали и горизонтали. В отличие от устройства разверток монитора устройство разверток дисплея со­держит специфические функцио­нальные узлы, предназначенные для определения фактического положения электронного луча в процессе развертки. Для обеспе­чения высокого качества отобра­жения применяют цифровую раз­вертку. В такой системе разве­ртки каждой строке присваивает­ся определенный цифровой код. Каждая строка представляется последовательностью точек. Ко­ординаты точек вдоль оси х также задаются цифровым кодом. Преобразование цифровых кодов координат электронного луча в управляющие сигналы, пригодные для подачи на отклоняющие электроды или обмотки, осуществляют цифро-аналоговые преоб­разователи с соответствующими усилителями.

В системах цифровой развертки фактическое положение луча определяется кодами управляющих сигналов развертки. В тех дисплеях, в которых используют телевизионные устройства раз­вертки, в состав устройства развертки вводят аналого-цифровые преобразователи для перевода аналоговых признаков координат воспроизводимых знаков в соответствующие цифровые коды.

К особенностям устройства разверток дисплея следует отнести наличие в его составе функционального узла, обеспечивающего выбор положения знака в строке текста.

Генератор знаков предназначен для формирования синхронной последовательности управляющих импульсов для модуляции электронного луча в соответствии с матрицей яркостных точек выбранного знака. Он отличается от генератора знаков матрич­ного устройства отображения (см. рис. 25.3) тем, что содержит устройство формирования видеосигнала знака, на вход которого с БИС памяти поступает код конфигурации знака синхронно с движением луча "по точкам или строкам экрана. Сигнал с выхода устройства формирования видеосигнала знака подается на моду­лятор ЭЛТ.

Количество и состав кодов знаков, хранимых в памяти гене­ратора знаков, зависят от назначения дисплея. Так, дисплеи, предназначенные для ввода—вывода цифровой и буквенной информации, хранят в памяти коды арабских цифр, русских и латинских букв, а также некоторые специальные знаки. Дисплеи, кроме буквенно-цифровой информации отображающие также гра­фическую информацию, должны хранить в памяти совокупность кодов специальных условных обозначений. Например, дисплей, предназначенный для системы автоматизированного проектирования радиотехнических схем, должен хранить в своей памяти коды услов­ных обозначений резистора, конденсатора, катушки, транзистора, различных диодов и ряд других знаков.

Современные дисплеи содержат МП, микроЭВМ и представ­ляют интеллектуальные терминальные устройства. Они позво­ляют программным способом редактировать текст, набранный на клавиатуре дисплея, осуществлять трансформацию размеров и конфигурации изображений, производить некоторые вычисления.

Литература: А.А. Каяцкас, “Основы радиоэлектроники”, Издательство «Высшая школа», Москва, 1988.

6