Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

цилиндр с отверстием-диафрагмой в центре – модулятор (управляющий электрод). На модулятор подается отрицательное напряжение порядка единиц или десятков вольт.

Основным назначением модулятора является изменение тока электронного луча. В пространстве между катодом и модулятором (рис. 6.3) формируется неоднородное, электрическое поле, изменяющее объемный заряд около катода и той части его

поверхности, у которой существует поле с положительным потенциалом. Зависимость между катодным током и напряжением модулятора называется моду-

ляционной характеристикой (рис. 6.4).

Изменяя напряжение на модуляторе можно управлять яркостью свечения экрана, посколькупри малых отрицательных напряжениях на модуляторе большее число электронов пролетает модулятор и участвуетвсоздании электронного луча.

Первый и второй аноды имеют форму цилиндров, с одной или несколькими диафрагмами. На первый анод подается положительное напряжение величиной несколько сотен вольт, а на второй – несколько киловольт.

112

В осциллографических трубках второй анод соединяется с аквадагом и, чтобы избежать появления паразитных электрических полей между аквадагом и оператором, влияющих наэлектронный луч, заземляютплюсисточника питания.

Принцип работы электронных прожекторов аналогичен принципу действия оптических фокусирующих систем. Первая (короткофокусная) линза образована катодом, модулятором и первым анодом с фокусом в плоскости первого анода. Вторая (длинно-фокусная) линза с фокусом в плоскости экрана образована первым и вторым анодами (рис. 6.3). Электрическое поле первой линзы с положительным градиентом доходит до поверхности катода, "вытягивает" электроны из катода и ускоряет их. Поэтому первая линза всегда должна быть электростатической. Каждую линзу можно представить как совокупность собирающей и рассеивающей элементарных линз. Собирающая линза образована неоднородным электрическим полем с эквипотенциальными поверхностями, обращенными выпуклостью к катоду, а рассеивающая образована эквипотенциальными поверхностями, обращенными к экрану.

Регулируя потенциал первого анода с помощью потенциометра R3 (рис. 6.2), можно изменять неоднородное электрическое поле длиннофокусной линзы и тем самым управлять фокусным расстоянием. Изменяя напряжение первого анода, можно добиться точного совмещения фокуса с плоскостью экрана, поэтому ручку потенциометра R3 снабжают надписью "фокусировка". Электронный луч невозможно сфокусировать в геометрическую точку. Этому препятствует взаимное отталкивание электронов, несовершенство электроннооптической системы и др. Достаточно получить светящееся пятно малых размеров, чтобы глаз воспринимал его как светящуюся точку.

Силу света или яркость пятна можно регулировать с помощью потенциометра R1, изменяющего напряжение на модуляторе. Поэтому ручку потенциометра R1 снабжают надписью "Яркость".

Рассмотренный тетродный прожектор обладает недостатком: регулировка яркости влияет на фокусировку луча и наоборот. При изменении напряжения первого анода для достижения оптимальной фокусировки луча автоматически изменяется величина и конфигурация электрического поля у плоскости катода, что приводит к изменению тока луча, а значит и яркости. При регулировке яркости луча изменяется напряжение на модуляторе, которое вызывает изменение тока луча и фокусное расстояние.

Уменьшение взаимного влияния регулировок яркости и фокусировки достигается расположением ускоряющего электрода (УЭ) (рис. 6.5,а) между модулятором и первым анодом. Ускоряющий электрод выполнен в виде длинного цилиндра с диафрагмами, ограничивающими поперечные размеры луча. Первый анод имеет большое отверстие, что исключает попадания на его электронов, т.е. ток первого анода равен нулю. При изменении напряжения на первом аноде не будет изменяться ток и напряжение на элементах делителя (рис. 6.5,а), поэтому режим работы первой линзы не изменяется.

113

Второй способ улучшения работы электронного прожектора – создание трехлинзовой электронно-оптической системы (рис. 6.5,б). Первый ускоряю-

щий электрод имеет небольшой потенциал (сотни вольт), а второй – высокий (киловольты).

6.2. Электростатическая отклоняющая система

Пространственное перемещение по экрану сфокусированного луча осуществляется с помощью отклоняющей системы.

Электростатической называют отклоняющую систему, изменяющую направление электронного луча с помощью электрических полей. Простейшая электростатическая откло-

114

няющая система состоит из двух пар пластин, расположенных между прожектором и экраном (рис. 6.1).

Рассмотрим отклонение электронов полем, создаваемым постоянным напряжением Uу между параллельными пластинами с длиной l1>d, где d – расстояние между пластинами (рис. 6.6).

к экрану по закону x=v0t. Под действием напряженности поля пластин Ey=Uy/d на электрон в направлении y действует сила Fy=–qEy, заставляющая его двигаться равноускоренно по закону y=at2/2. Величина ускорения a определяется из условия qEy=ma. В результате чего электрон смещается от оси трубки на расстояние

Пролетая между пластинами, электронный луч отклоняется на расстояние h1

В дальнейшем он летит по касательной, направленной под углом α к оси трубки. На удалении l2 от пластин электронный луч дополнительно отклоняется от оси трубки на расстояние h2

Выражение (6.4) показывает, что отклонение h зависит от конструкции отклоняющих пластин и не зависит от массы отклоняемых частиц.

Основным параметром отклоняющей системы является чувствительность, показывающая на сколько миллиметров отклоняется луч на экране при изменении отклоняющего напряжения на 1 В

Для повышения чувствительности необходимо удлинять и сближать отклоняющие пластины, удалять их от экрана и уменьшать напряжение на втором аноде. Однако уменьшение d приводит к уменьшению предельного угла откло-

нения αпред, а снижение Uа2 ухудшает фокусировку.

Для увеличения чувствительности без уменьшения αпред используются косорасставленные (рис. 6.7,а), параболические (рис. 6.7,б) и изломанные (рис. 6.7,в) пластины.

115

Достоинством электростатической системы отклонения луча является:

–малая инерционность, возможность использования напряжений большой частоты;

–малое потребление энергии;

–малые габариты и вес.

Недостатки этих систем следующие:

–малый предельный угол отклонения;

–зависимость чувствительности от Uа2 .

6.3. Трубки с магнитным управлением электронным лучом

Устройство простейшей электронно-лучевой трубки с магнитной системой фокусировки и магнитной системой отклонения луча показано на рис. 6.8.

116

В ЭЛТ с магнитной фокусировкой первая линза состоит из катода, модулятора и анода, а в качестве главной проекционной линзы используется неоднородное магнитное поле короткой катушки, по виткам которой протекает ток. Диаметр катушки соизмерим с ее длиной.

Электрон, влетающий в поле фокусирующей катушки, взаимодействует с радиальной составляющей индукции магнитного поля Br, что вызывает появление силы Лоренца. Сила Лоренца вращает электронный луч вокруг оси трубки. Взаимодействие вращательного движения электронов луча с осевой составляющей индукции магнитного поля Bx вызывает появление силы Лоренца, направленной к оси прожектора. В результате совместного действия осевой и радиальной сил Лоренца электрон начинает двигаться по спирали с непрерывно уменьшающимся радиусом, прижимаясь к оси трубки. Благодаря взаимодействию электрона с магнитным полем, электроны, влетающие в магнитное поле фокусирующей катушки расходящимся пучком, после выхода из поля катушки собираются на оси трубки. Изменяя ток, протекающий через витки фокусирующейкатушки, можно совместитьфокусноерасстояние сплоскостьюэкрана.

Отклоняющие системы называются магнитными, если они изменяют направление луча с помощью поперечных однородных магнитных полей. Магнитная отклоняющая система содержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки (рис. 6.8,б) и создающих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Катушки 1 и 2, создавая поперечное магнитное поле Hy, отклоняют электронный луч по вертикали, т.е. являются Y–катушками, а катушки 3 и 4, создавая поперечное магнитное поле Hx, отклоняют электронный луч по горизонтали, т.е. являются X–катушками.

Рассмотрим отклонение электронов магнитным полем одной пары катушек, считая, что поле ограничено диаметром катушки, и в этом пространстве поле однородно. Индукция магнитного поля пропорциональна числу ампервитков отклоняющей катушки B=knотклIоткл, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от магнитной проницаемости среды, формы катушек и

расстояния между ними, nоткл – число витков катушки, Iоткл=Iy или Iоткл=Ix ток в Y– и X–катушках соответственно.

попадают в магнитное поле катушки, где вектор магнитной индукции B перпендикулярен вектору скорости v0, что заставляет их двигаться по спирали с радиусом r

Пройдя магнитное поле катушек, электроны движутся к экрану по касательной к окружности и отклоняются от центра экрана на расстояние h

h = l tgα,

где l – расстояние от экрана до катушки.

117

При малых углах отклонения tgα≈l1/r, тогда

где l1 – длина катушки.

Из выражения (6.7) следует, что отклонение луча однородным магнитным полем зависит от массы отклоняемых частиц. Испускаемые катодом отрицательные ионы отклоняются меньше, чем электроны.

Чувствительность трубки с магнитным отклонением измеряется отношением отклонения пятна на экране в миллиметрах к магнитодвижущей силе в ампер-витках

Чувствительность hм находится в пределах единиц миллиметров на ам- пер-виток и слабо зависит от ускоряющего напряжения (пропорциональна 1/ Ua ). Это позволяет использовать трубки, работающие при высоких анод-

ных напряжениях. А для увеличения напряженности магнитного поля уменьшают расстояние между катушками, трубки имеют малый диаметр горловины.

Искажение изображения и расфокусировка пятна при магнитном отклонении меньше, а предельный угол отклонения (2α=110°) выше, чем при электростатическом.

Существенными недостатками магнитных отклоняющих системявляются:

–большая потребляемая мощность для получения требуемого тока отклонения;

–большая инерционность из-за значительных собственных емкостей и индуктивностей катушек;

–низкий частотный диапазон работы.

6.4. Экраны электронно-лучевых трубок

Экраны большинства электронно-лучевых трубок предназначены для преобразования энергии электронного луча в энергию видимого излучения. Для этих целей на внутреннюю поверхность торцевой части баллона наносится тонкий слой люминофора, который возбуждается электронным лучом.

Кинетическая энергия электронного луча расходуется на нагрев люминофора, возбуждение излучения в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра излучения и испускание люминофором вторичных электронов. В видимый свет преобразуется лишь около 10 % энергии луча. Экраны ЭЛТ характеризуются следующими параметрами:

1. Цвет свечения, который определяется спектральной характеристикой люминофора при его возбуждении. Для визуального наблюдения выгодно использовать экраны с зеленым цветом свечения, соответствующим максимуму

118

чувствительности глаза. Таким цветом свечения обладает люминофор из ортосиликата цинка (виллимит). Для фотографирования используют экраны с синим или голубым цветом свечения. В приемных телевизионных трубках с чер- но-белым изображением используют экраны с белым цветом изображения, где люминофор состоит из двух компонентов: синего и желтого.

Для улучшения качества параметров экрана часто на люминофор с внутренней стороны трубки наносится тонкая пленка алюминия, соединенная со вторым анодом. Такие экраны обладают следующими достоинствами:

– потенциал экрана постоянен и равен Ua 2 , что позволяет получить большую яркость свечения;

–повышается контрастность изображения за счет исключения паразитного засвечивания экрана с внутренней стороны трубки;

–повышается яркость и светоотдача экрана за счет отражения пленкой алюминия излучаемого люминофором света;

–повышается долговечность и стойкость экрана к воздействию отрицательных ионов.

2. Светоотдача – определяется отношением силы света Iсв, излучаемой люминофором нормально к поверхности экрана, к мощности электронного луча, падающего на экран в направлении наблюдателя

Светоотдача определяет КПД люминофора и изменяется в пределах 0,1…15 кд/Вт для различных экранов.

3. Яркость свечения определяется силой света, излучаемой единицей площади равномерно светящейся поверхности экрана в направлении наблюдателя

где A и n – коэффициенты, зависящие от свойств люминофора; Iл – плотность тока луча;

U – разность потенциалов между катодом и экраном;

U0 – минимальный потенциал экрана, при котором появляется свечение. Для повышения яркости свечения экрана необходимо увеличивать U, ибо увеличение плотности тока луча приводит к нагреванию и выгоранию люми-

нофора.

4. Длительность послесвечения – это время, в течение которого яркость свечения уменьшается до 1 % или до уровня яркости фона, при прекращении электронной бомбардировки. По времени послесвечения экранов ЭЛТ бывают:

с очень коротким (tп<10–5 c), коротким (10−5 ≤tп<10–2 c), средним (10–2≤tп<0,1 c), длительным (0,1<tп<16 с) и очень длительным (tп>16 c) послесвечением. Трубки с коротким и очень коротким послесвечением используются в осциллогра-

119

фировании, а со средним послесвечением – в телевидении. В радиолокационных устройствах используются трубки с длительным послесвечением.

5. Разрешающая способность определяет свойство ЭЛТ воспроизводить детали изображения. Этот параметр оценивается числом отдельно различимых светящихся точек или линий (строк), приходящихся на 1 см2 поверхности или на 1 см высоты экрана. Для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшить диаметр луча до десятых долей миллиметра.

6.5. Система обозначения электронно-лучевых трубок различного назначения

Первым элементом в системе обозначений осциллографических, индикаторных кинескопов и запоминающих трубок является число, обозначающее диаметр или диагональ экрана в сантиметрах.

Вторым элементом используется сочетание букв: ЛО – трубки с электростатическим отклонением луча (осциллографические и индикаторные), ЛМ – трубки с магнитным отклонением луча (осциллографические и индикаторные); ЛК – кинескопы; ЛН – запоминающие.

Третий элемент – число, указывающее на порядковый номер разработки. Четвертый элемент – буква, указывающая на цвет свечения экрана. Например: Б, В – белый; М – голубой, И – зеленый, Ц – трехцветное свечение: синий, зеленый, красный; Г – фиолетовый; Д – голубое свечение и зеленое послесвечение; Е – двухцветный (оранжевый и зеленый); К –розовое свечение и

оранжевое послесвечение.

6.6. Осциллографические трубки

Они предназначены для наблюдения и регистрации изменяющихся во времени электрических сигналов и используются в измерительных приборах – электронных осциллографах. Примером осциллографической трубки может служить трубка, конструкция которой представлена на рис. 6.9.

120

Исследуемый сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины, имеющие большую чувствительность, а на горизонтально отклоняющие пластины подводится линейно изменяющееся во времени напряжение (напряжение развертки). Под действием этих напряжений электронный луч вычерчивает на экране временную зависимость исследуемого процесса, ибо одновременно с линейным движением по горизонтали он отклоняется по вертикали под действием напряжения сигнала.

Получение высокой яркости и разрешающей способности при небольших ускоряющих напряжениях Ua 2 =1,5…3 кВ, достигается при токах луча

100…500 мкА.

С ростом частоты исследуемых сигналов увеличивается скорость перемещения электронного луча по экрану и уменьшается яркость свечения.

В современных высокоскоростных осциллографических трубках электронный луч ускоряется после выхода из отклоняющей системы, что позволяет сохранить высокую чувствительность и требуемую яркость при большой скорости развертки. Такие ЭЛТ называют трубками с послеускорением. Они имеют дополнительные ускоряющие аноды, которые образованы токопроводящими кольцами на широкой части баллона, имеющими возрастающие в направлении экрана потенциалы. Для уменьшения искажения в пространстве послеускорения на третий анод подают положительное напряжение Ua3 ≤ 2Ua2 .

Максимальное напряжение послеускорения достигает порядка

20…25 кВ.

Для исследования СВЧ колебаний используется отклоняющая система типа бегущей волны, в которой изменение потенциалов на пластинах и движение электронного луча синхронизированы.

Для одновременного исследования нескольких электрических процессов применяют многолучевые трубки, имеющие несколько независимых прожекторов и отклоняющих систем.

6.7. Индикаторные трубки

Электронно-лучевые трубки, применяемые в радиолокационных установках, позволяют определять координаты целей. В зависимости от вида и объема информации, отображаемой на экране, зависит выбор типа ЭЛТ.

Водномерных индикаторах, определяющих расстояние до цели, используются осциллографические трубки. В них применяют линейную развертку и амплитудную отметку цели, т.е. напряжение отраженного от цели сигнала подают на вертикально-отклоняющие пластины.

Вдвухмерных индикаторах кругового обзора определяется дальность и азимут цели. Это достигается за счет применения в индикаторах радиальнокруговой развертки. В этих трубках луч развертывается по радиусу экрана и одновременно осуществляется вращение линии развертки вокруг центра экрана