5 Устройства отображения информации

5.1 Устройства отображения информации на электронно-лучевых трубках

5.1.1 Общие сведения

В электронно-лучевых приборах создается тонкий пучок электронов (луч), который управляется электрическим или магнитным полем либо обоими полями. К этим приборам относятся электронно-лучевые трубки индикаторных устройств радиолокаторов, для осциллографии, приема телевизионных изображений (кинескопы), передачи телевизионных изображений, а также запоминающие трубки, электронно-лучевые переключатели, электронные микроскопы, электронные преобразователи изображений и др. Большинство электронно-лучевых приборов служит для получения видимых изображений на люминесцентном экране; их называют электронно-графическими. В этой главе рассматриваются наиболее распространенные осциллографические и приемные телевизионные трубки, к которым также близки индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций.

Трубки могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча. В зависимости от цвета изображения на люминесцентном экране бывают трубки с зеленым, оранжевым или желто-оранжевым свечением – для визуального наблюдения, синим – для фотографирования осциллограмм, белым или трехцветным – для приема телевизионных изображений. Кроме того, трубки изготавливаются с различной длительностью свечения экрана после прекращения ударов электронов (так называемым послесвечением). Трубки различаются также по размерам экрана, материалу баллона (стеклянные и металлостеклянные) и другим признакам.

5.1.2 Электростатические электронно-лучевые трубки

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

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

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

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

Следующие электроды, также ци­линдрической формы, являются анодами. В простейшем случае их два. На втором аноде А₂ напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (иногда 10 – 20 кВ), а на первом аноде А₁ напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов перегородки с отвер­стиями (диафрагмы). Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществляется с помощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благодаря диафрагмам. Более сложные фокусирующие системы содержат боль­шее число цилиндров.

Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электрон­ным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т. е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от вто­рого анода к люминесцентному экрану. На пути электронного луча постав­лены под прямым углом друг к другу две пары отклоняющих пластин П_х и П_у.

Напряжение, подведенное к ним, создает электрическое поле, отклоняющее элект­ронный луч в сторону положительно заряженной пластины. Поле пластин является для электронов поперечным. В таком поле электроны движутся по параболическим траекториям, а, выйдя из него, далее движутся по инерции прямолинейно, т. е. электронный луч получает угловое отклонение. Чем больше напряжение на пластинах, тем сильнее отклоняется луч и тем больше смещается на люминесцентном экране светящееся, так называемое электронное пятно, возникающее от ударов электронов.

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

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

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

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

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

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

Цепи питания. Цепи питания электростатической трубки показаны на рисунке 20.2. Постоянные напряжения подаются на электроды от двух выпрямителей Е₁ и Е₂. Первый должен давать высокое напряжение (сотни и тысячи вольт) при токе в единицы миллиампер, источник Е₂ – напряжение, в несколько раз меньшее. От этого же источника питаются и другие каскады, работающие совместно с трубкой. Поэтому он рассчитан на ток в десятки миллиампер.

Питание электронного прожектора осуществляется через делитель, состоящий из резисторов R_1, R₂, R₃ и R₄. Их сопротивление обычно большое (сот­ни килоом), чтобы делитель потреблял, небольшой ток. Сама трубка также потребляет малый ток: в большинстве случаев десятки или сотни микроампер.

Рисунок 20.2 – Питание электростатической трубки от двух источников

Переменный резистор R₁ является регулятором яркости. Он регулирует отрицательное напряжение модулятора, которое снимается с правого участка R_1. Увеличение этого напряжения по абсо­лютному значению уменьшает число электронов в луче и, следовательно, яркость свечения.

Для регулирования фокусировки луча служит переменный резистор R₃, с по­мощью которого изменяют напряжение первого анода. При этом изменяется разность потенциалов, а следовательно, и напряженность поля между анодами. Если, например, понижать потенциал первого анода, то разность потенциалов между анодами возрастет, поле станет сильнее и его фокусирующее действие увеличится. Поскольку напряжение первого анода U_а1 не следует уменьшать до нуля или увеличивать до напряжения второго анода U_а2, в делитель введены резисторы R₂ и R₄.

Напряжение второго анода U_a2 лишь немного меньше, чем напряжение Е₁ (разница – падение напряжения на ре­зисторе R₁). Следует помнить, что скорость электронов, вылетающих из про­жектора, зависит только от напряжения второго анода, но не от напряжения модулятора и первого анода. Некоторое число электронов попадает на аноды, особенно если аноды с диафрагмами. Поэтому в цепях анодов протекают токи в доли миллиампера и замыкаются через источник Е₁. Например, электроны тока первого анода движутся в направлении от катода к аноду, затем через правый участок резистора R₃ и через резистор R₄ к плюсу источника Е₁, далее внутри него и через резистор R₁ к катоду. Для начальной установки светяще­гося пятна на экране служат перемен­ные резисторы R₅ и R_6, подключен­ные к источнику. Е₂. Движки этих ре­зисторов через резисторы R₇ и R₈ с большим сопротивлением подключены к отклоняющим пластинам. Кроме того, с помощью резисторов R₉ и R₁₀, имею­щих одинаковое сопротивление, устанав­ливается точка нулевого потенциала, соединенная с корпусом. У резисторов R₅ и R₆ на концах получаются потен­циалы +0,5Е₂ и –0,5Е₂, а их средние точки имеют нулевой потенциал. Когда движки резисторов R_5, R_6, находятся в среднем положении, то на отклоняю­щих пластинах напряжение равно нулю. Смещая движки от среднего положения, можно подавать на пластины различ­ные напряжения, отклоняющие электрон­ный луч по вертикали или горизонтали и устанавливающие светящееся пятно в любой точке экрана.

На отклоняющие пластины через раз­делительные конденсаторы С₁ и С₂ по­дается также переменное напряжение, например исследуемое напряжение при использовании трубки для осциллогра­фии. Без конденсаторов отклоняющие пластины шунтировались бы по постоян­ному напряжению внутренним сопротивлением источника переменного напряже­ния. При малом внутреннем сопротивлении постоянное напряжение на откло­няющих пластинах резко уменьшилось бы. С другой стороны, источник пере­менного напряжения иногда дает и по­стоянное напряжение, которое нежела­тельно подавать на отклоняющие плас­тины. Во многих случаях недопустимо также, чтобы в источник переменного напряжения попадало постоянное на­пряжение, имеющееся в цепях откло­няющих пластин.

Резисторы R₇ и R₈ включают для того, чтобы увеличить входное сопротив­ление отклоняющей системы для источ­ников переменного напряжения. Без та­ких резисторов эти источники были бы нагружены на значительно меньшее со­противление, создаваемое только резис­торами R₅, R₆ и резисторами R₉, R₁₀. При этом резисторы R₇ и R₈ не пони­жают постоянное напряжение, подавае­мое на отклоняющие пластины, так как через них не протекают постоянные токи.

Полезным током является ток элект­ронного луча. Электроны этого тока движутся от катода к люминесцентному экрану и выбивают из последнего вторичные электроны, которые летят на проводящий слой и далее движутся в направлении к плюсу источника Е_1, затем через его внутренне сопротивление и резистор R₁ к катоду.

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

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

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

Рисунок 20.3 – Первая линза электронного прожектора

Рисунок 20.4 – Траектории электронов в первой линзе электронного прожектора

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 20.5 – Вторая фокусирующая линза электронного прожектора

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

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

Рисунок 20.6 – Электронный прожектор с ускоряющим (экранирующим) электродом

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

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

(20.1)

y = S_y U_y

где S_y – чувствительность трубки для пластин «игрек».

Подобно этому отклонение пятна по горизонтали

(20.2)

х = S_хU_х

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

(20.3)

S_х = х/U_х и S_у = у/U_у

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

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

(20.4)

S = l_плl /(2dU_а2)

где l_пл – длина отклоняющих пластин;

l – расстояние от середины пластин до экрана;

d – расстояние между пластинами;

U_а2 – напряжение второго анода.

Эту формулу нетрудно объяснить. С увеличением l_пл электрон дольше летит в отклоняющем поле и получает большее отклонение. При одном и том же угловом отклонении смещение светящегося пятна на экране возрастает с увеличением расстояния l. Если увеличить d, то напряженность поля межу пластинами, а следовательно, отклонение уменьшится.Повышение напряжения U_а2 приводит к уменьшению отклонения, поскольку возрастает скорость, с которой электроны пролетают поле между пластинами.

Рассмотрим возможность повыше­ния чувствительности исходя из формулы (20.4). Увеличение расстояния l нежелательно, так как чрезмерно длин­ная трубка неудобна в эксплуатации. Если увеличить l_пл или уменьшить d, то нельзя получить значительного от­клонения луча, так как он будет по­падать на пластины. Чтобы этого не произошло, пластины изгибают и распо­лагают относительно друг друга так, как показано на рисунке. 20.8. Можно уве­личить чувствительность, понижая напряжение U_а2. Но это связано с уменьше­нием яркости свечения, что во многих случаях недопустимо, особенно при большой скорости движения луча по экрану. Понижение анодного напряжения ухудшает также фокусировку. При более высоком напряжении U_а2 электроны движутся с большими скоростями, мень­ше сказывается взаимное отталкивание электронов. Их траектории в электрон­ном прожекторе располагаются под малым углом к Оси трубки. Такие тра­ектории называются параксиальными. Они обеспечивают лучшую фокусировку и меньшие искажения изображения на экране.

Рисунок 20.7 – Электростатическое отклонение луча

Уменьшение яркости свечения при понижении анодного напряжения U_а2 компенсируется в трубках с послеускорением. В этих трубках электронный прожектор сообщает электронам энер­гию не более 1,5 кэВ. С такой энергией они пролетают между отклоняющими пластинами, а затем попадают в ускоряющее поле, созданное третьим анодом. Последний представляет собой проводя­щий слой перед экраном, отделенный от остального слоя, соединенного со вторым анодом (рисунок 20.9, а). При этом U_а3 > U_а2. Поле между этими двумя слоями образует линзу, которая ускоряет электроны. Но вместе с тем происхо­дит некоторое искривление траекторий электронов. Вследствие этого чувстви­тельность снижается и возникают иска­жения в изображении. Эти недостатки в значительной степени устраняются при многократном послеускорении, когда имеется несколько проводящих колец с постепенно возрастающим напряже­нием: (U_а4> U_а3 > U_а2 > U_а1 (рисунок 20.9, б).

Чтобы уменьшить паразитные емко­сти между пластинами П_х и П_у, выводы от них иногда делают непосред­ственно через стекло баллона и между парами пластин ставят экран. Из тех же соображений не размещают обе пары пластин в одном месте трубки. За счет неодинакового расстояния пластин П_х и П_у до экрана чувствительность по осям х и у несколько различна.

Рисунок 20.8 – Отклоняющие пластины

Рисунок 20.9 – Дополнительные аноды для послеускорения

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

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

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

U_m = у/(2S_у)

(20.5)

Например, если S_y = 0,4 мм/В, а у = 20 мм, то U_m = 20/(20,4) = 25 В.

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

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

Рисунок 20.10 – Измерение переменного напряжения с помощью ЭЛТ

Описанный метод позволяет изме­рять пиковые значения несинусоидаль­ных напряжений, а также амплитуды положительной и отрицательной полу­волн переменного напряжения. Для это­го запоминают положение светящегося пятна при отсутствии измеряемого на­пряжения, затем его подают и измеряют расстояния у₁ и у₂ от начального по­ложения пятна до концов светящейся черточки (рисунок 20.10,б). Амплитуды по­луволн при этом

(20.6)

U_m1 = у₁/S_у и U_m2 = у₂/S_у

Для наблюдения переменных напря­жений к пластинам П_у подводят исследуемое напряжение, а к пластинам П_х – напряжение развертки U_разв, имею­щее пилообразную форму (рисунок 20.11) и получаемое от специального генера­тора. Это напряжение осуществляет временную развертку. В течение времени t₁ когда напряжение растет, электрон­ный луч равномерно движется по горизонтали в одном направлении, напри­мер слева направо, т. е. делает прямой, или рабочий, ход. При резком умень­шении напряжения в течение времени t₂ луч делает быстрый обратный ход. Все это повторяется с частотой напря­жения развертки.

Когда исследуемое напряжение от­сутствует, на экране видна горизонталь­ная светящаяся черточка, играющая роль оси времени.

Если подать иссле­дуемое переменное напряжение на пластины П_у, то пятно на экране одно­временно будет совершать колебание по вертикали и повторяющееся равномер­ное движение с обратным ходом по горизонтали. В результате наблюдается светящаяся кривая исследуемого напря­жения (рисунок 20.12). На рисунке показаны осциллограммы синусоидального напря­жения, но можно наблюдать напряже­ние любой формы.

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

Т_разв = nТ

(20.7)

где n – целое число.

Рисунок 20.11 – Пилообразное напряжение для линейной развертки

Рисунок 20.12 – Осциллограммы синусоидального напряжения при кратном соотношении частот

Соответственно частота развертки f_разв должна быть в целое число раз меньше частоты исследуемого напряже­ния:

(20.8)

f_разв = f/n

Тогда за время Т_разв пройдет целое число колебаний исследуемого напряже­ния и в конце обратного хода пятно на экране окажется в том месте, откуда оно начало двигаться во время прямо­го хода. На рисунке показаны наблюдаемые осциллограммы при п = 1, или Т_разв = Т, и п = 2, т. е. Т_разв = 2Т. Время обратного хода t₂ желательно иметь возможно меньшим, так как за счет него часть кривой не воспроизводится (штрихи на рисунке). Кроме того, чем (меньше f₂, тем быстрее обратный ход луча и тем слабее он виден. Следует установить п не менее 2, чтобы, было видно полностью хотя бы одно целое колебание. Подбор значения п производится изменением частоты генератора развертки. Если п не будет целым числом, то осциллограмма не остается неподвижной и вместо одной кривой наблюдается несколько, что неудобно. На рисунке 20.13 показаны осциллограммы синусоидального напряжения при п = и п =. Для упрощения здесь приня­то, что время обратного хода t₂ = 0. Стрелки с цифрами на рисунке указы­вают последовательность движения пят­на на экране.

Подобранное целое число п обычно сохраняется лишь короткое время, так как генератор развертки имеет неста­бильную частоту, да и частота исследуемого напряжения также может изменяться. Для сохранения выбранного п в течение длительного времени применяют синхронизацию генератора раз, нежели частота исследуемого.

Рисунок 20.13 – Осциллограммы синусоидального напряжения при дробном соотношении частот

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

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

Искажения изображений. В электро­статических трубках искажения осцил­лограмм наблюдаются главным обра­зом при несимметричном включении отклоняющих пластин, т. е. когда одна пластина каждой пары соединена со вторым анодом (см. рисунок 20.2). Пусть при таком включении на пластины П_у подано переменное напряжение с ампли­тудой U_m. Тогда на одной пластине потенциал равен нулю относительно корпуса, а на другой пластине он ме­няется от + U_m до -U_m (рисунок 20.14, а). Соответственно меняются и потенциалы различных точек в пространстве между пластинами. При положительной полуволне напряжения электроны пролетают через точки с потенциалами более вы­сокими, чем U_а2. За счет этого скорость их увеличивается, а чувствительность трубки уменьшается. При отрицатель­ной полуволне электроны уменьшают скорость, так как потенциалы точек между пластинами ниже U_а2. Это приведет к увеличению чувствительности трубки. В результате отклонение y₂ при положительной полуволне будет меньше, чем отклонение у₂ при отрицательной полуволне. Осциллограмма синусоидального напряжения станет несинусои­дальной, т. е. возникнут нелинейные искажения.

При симметричном включении ни одна из отклоняющих пластин не соединяется непосредственно с корпусом и вторым анодом, а точки нулевого потенциала находятся в средней плоскости между пластинами (рисунок 20.14, б). Потенциалы пластин в любой момент одинаковы по значению и противоположны по знаку. На одной пластине потенциал принимает крайние значения ±0,5U_m, а на другой соответственно 0,5U_m. Оотклонение электронного луча к любой из пластин происходит в одинаковых условиях, и поэтому y_l = у₂. На рисунке 20.15 показан вариант симметричного включения отклоняю­щих пластин. Постоянное напряжение для начальной установки пятна снимается со сдвоенного резистора R₆, R'₆. При одновременном перемещении их движков с помощью одной ручки по­тенциалы отклоняющих пластин изменяются одинаково по значению, но противоположно по знаку.

Рисунок 20.14 – Отклонение электронного луча при несимметричном (а) и симметричном (б) включении отклоняющих пластин

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

Рисунок 20.15 – Симметричное включение отклоняющих пластин

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

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

Рисунок 20.16 – Трапецеидальные искажения

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