3. Электроннолучевая трубка с магнитным управлением

Магнитное поле действует на движущийся электрон, как на элементарный проводник с током. Поскольку ток создается дви­жением электрона, то сила, действующая на электрон со сто­роны однородного магнитного поля, пропорциональна заряду

Рис. 3.7. Движение электрона в однородном магнитном поле при начальной скорости, перпенди­кулярной силовым линиям (а) и направленной под углом к ним (б)

электрона е, скорости v и напряженности магнитного поля Я, а также зависит от угла а между направлением силовых линий и направлением движения электрона:

F = evHsma.

Отсюда следует, что на электрон, движущийся вдоль силовых линий, магнитное поле не оказывает влияния, так как при а=0 и а= 180° sina=0 и F = 0. Сила магнитного поля действует на электрон только в том случае, если он пересекает магнитные силовые линии. Причем эта сила имеет максимальное значение, когда электрон движется перпендикулярно силовым линиям. Рассмотрим траекторию движения электрона в однородном маг­нитном поле в этом случае.

Направление действующей на электрон силы F можно опре­делить, пользуясь правилом левой руки (рис. 3.7, а). При этом следует учесть, что направление тока i противоположно направ­лению скорости движения электрона. Сила действует перпенди­кулярно к скорости, поэтому величина скорости остается постоян­ной, а изменяется только ее направление. Следовательно, траек­торией движения электрона является окружность, лежащая в плоскости, перпендикулярной силовым линиям. Чем больше ско­

рость электрона, тем больше радиус этой окружности, а чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус окружности, т. е. тем больше поле «закручивает» поток электронов.

Если начальная скорость электрона v направлена под углом к силовым линиям, то под действием ее составляющей v\, перпен­дикулярной силовым линиям, электрон движется по окружности, а под действием второй составляющей i>2 — вдоль силовых линий. Результирующая траектория электрона представляет собой спи­раль (рис. 3.7, б). Радиус этой спирали тем меньше, чем больше напряженность магнитного поля и меньше составляющая скоро­сти t>i, а шаг витков спирали тем больше, чем больше состав­ляющая скорости V2 и меньше напряженность поля.

Рис. 3.8. Схематическое устройство электроннолучевой трубки с магнитным управлением (о) и расположение отклоняющих ка­тушек (б)

В электроннолучевой трубке с магнитным управлением дейст­вие магнитного поля на поток электронов, испускаемых катодом и проходящих через отверстие в управляющем электроде, исполь­зуется как для фокусировки электронного луча, так и для его отклонения (рис. 3.8, а).

Первый анод не используется для фокусировки луча; на него подается постоянное положительное напряжение порядка не­скольких сотен вольт, и он служит электростатическим экра­ном от воздействия сильного ускоряющего поля второго анода на катод и управляющий электрод. Второй анод является уско­ряющим электродом. Его роль в электроннолучевых трубках с магнитным управлением обычно выполняет аквадаг, на кото­рый подается напряжение 4000—12000 В.

Фокусировка электронного луча осуществляется магнитным полем, которое создает специальная фокусирующая катушка ФК. Эту катушку цилиндрической формы надевают на горло­вину трубки. Через нее проходит постоянный ток, и внутри ка­тушки в трубке создается продольное магнитное поле, силовые линии которого идут вдоль оси трубки. Под действием этого поля траектории элекронов, вылетающих из прожектора под разными углами к оси трубки, «закручиваются» по спирали, отклоняются к оси и фокусируются на экране. Фокусировка луча регулируется изменением тока в фокусирующей катушке. Магнитное поле, формирующее электронный луч, называют магнитной линзой.

Отклонение луча на экране также осуществляется магнит­ными полями. Отклоняющая система состоит из двух пар кату­шек ОК, расположенных взаимно перпендикулярно снаружи трубки на ее горловине. Расположение отклоняющих катушек в плоскости, перпендикулярной оси трубки, и их соединение пока­зано на рис. 3.8, б. При прохождении тока по отклоняющим ка­тушкам создаются два поперечных магнитных поля, силовые линии которых проходят внутри трубки перпендикулярно друг другу в плоскости, перпендикулярной оси, а значит, и направле­нию луча. При этом сила F_x, действующая на электроны луча со стороны магнитного поля катушек XX, силовые линии кото­рого идут вертикально, отклоняет луч по горизонтали, а сила F_y магнитного поля катушек УУ — по вертикали. Управление отклонением луча осуществляется за счет изменения тока в отклоняющих пластинах. Для получения сигнала развертки во времени в катушках горизонтального отклонения должен про­ходить ток, зависимость величины которого от времени характе­ризуется пилообразной кривой.

4. Кинескопы

Кинескопы используют для преобразования телевизионных электрических сигналов в изображение на экране. Они бывают черно-белого и цветного изображения. В кинескопах черно­белого изображения участки на экране различаются только по яркости, а в кинескопах цветного изображения — по яркости и цветности.

Наибольшее распространение имеют различные типы кинеско­пов, предназначенных для непосредственного наблюдения изо­бражения на экране. Применяются также приемные телевизион­ные электроннолучевые трубки, называемые проекционными ки­нескопами. Они предназначены для получения изображения на большом внешнем экране с помощью оптической проекции на него с экрана кинескопа.

Действие кинескопа основано на принципе получения изобра­жения на экране электроннолучевой трубки. Однако для полу­чения телевизионного изображения развертка должна осуще­ствляться как по горизонтали, так и по вертикали напряжениями с пилообразной формой кривой. При этом на экране высве­чивается растр: под действием горизонтально отклоняющего напряжения луч рисует строки, а последовательное высвечива­ние строк по всему экрану, т. е. получение кадра, дает верти­кально отклоняющее пилообразное напряжение. В отечественной телевизионной системе принят растр, имеющий 625 строк в кадре с частотой 25 кадров в секунду. Таким образом, частота строч­ной развертки 15625 Гц, а кадровой развертки — 25 Гц.

Электрический телевизионный сигнал подается между управ­ляющим электродом и катодом и модулирует количество электро­нов в луче. Поэтому управляющий электрод кинескопа принято называть модулятором. Телевизионный электрический сигнал управляет яркостью свечения пятна на экране по мере прохож­дения лучом каждой строки кадра. Различные яркости точек экрана создают черно-белое изображение.

Для фокусировки и отклонения электронного луча в кине­скопах могут быть использованы как электрические, так и маг­нитные поля. В настоящее время применяют электростатическую систему фокусировки, не требующую тяжелой фокусирующей катушки и не потребляющую большую мощность. Для управле­ния световым пятном используют магнитную систему отклоне­ния луча, не создающую электрических полей, которые могут ухудшать фокусировку луча и вызывать этим искажения изобра­жения. Магнитная система управления потребляет значительную мощность от генераторов пилообразного тока развертки.

К кинескопам, в отличие от осциллографических трубок, предъявляются свои специфические требования, связанные с необходимостью получения четкого неискаженного изображения. Они определяют конструктивные особенности кинескопов.

Четкость изображения обеспечивается прежде всего малым размером светового пятна (требуемое число строк помещается на экране без наложения друг на друга). Размеры пятна не должны изменяться при его перемещении по экрану. Кроме того, требу­ется очень высокая яркость пятна. Все это осуществляется за счет усложнения электронного прожектора и фокусирующей сис­темы.

Основные причины, вызывающие расфокусировку луча и ог­раничение уменьшения размеров светового пятна, — это конеч­ные размеры эмиттирующей поверхности катода, наличие у эмиттируемых электронов начальных скоростей под разными уг­лами к оси трубки и возникновение в луче сил отталкивания электронов как одноименных зарядов друг от друга. Помимо этого на диаметр пятна влияет величина отрицательного напря­жения на управляющем электроде: чем оно больше, т. е. чем меньше плотность электронов в луче и яркость пятна, тем меньше диаметр пятна. Поэтому в кинескопах, где на управляющий электрод подается телевизионный сигнал, модулирующий яр­кость, влияние изменения яркости на размер пятна и четкость изображения особенно заметно.

Для уменьшения размеров пятна и устранения влияния регу­лировки яркости и отклонения луча на фокусировку в электрон­ный прожектор вводят дополнительные электроды. Между мо­дулятором и анодом помещают экранирующий электрод Э в виде диска с отверстием в центре и подают на него небольшое поло­жительное напряжение — порядка 250 В (рис. 3.9, а). Он устра­няет влияние анодного напряжения на управляющее яркостью действие модулятора. Такой прожектор называют тетродным.

М Э А Пучок

Рис. 3.9. Схемы конструкции электронного прожектора кинескопа с дополнитель­ными электродами (а, б) и ионной ловушкой (в)

б

?^чПучок ^ электронов

в

Еще совершеннее пентодный прожектор, в который введен до­полнительный ускоряющий электрод Л_уск. Он расположен между модулятором и первым анодом при отсутствии экранирующего электрода (рис. 3.9, 6) или между экранирующим электродом и первым анодом. Ускоряющий электрод имеет форму длинного цилиндра с двумя диафрагмами и электрически соединен со вторым анодом. Он устраняет влияние регулировки яркости на фокусировку луча.

При увеличении плотности тока и яркости пятна на экране фокусировка луча ухудшается из-за увеличения расталкивающих сил между одноименными зарядами. Рассеяние пучка электронов уменьшается при повышении напряжения на ускоряющем элект­роде и втором аноде. Поэтому в кинескопах применяют высокое напряжение на этих электродах — порядка 20 кВ — для получе­ния достаточной яркости изображения и малого размера свето­вого пятна.

Использование сложных электронных прожекторов и систем фокусировки позволяет получить на экране одинаково высокую четкость изображения разной яркости.

Одной из причин ухудшения качества изображения в кине­скопе в процессе его эксплуатации служит возникновение в центре экрана темного пятна, называемого ионным. Оно появля­ется из-за разрушения люминофора тяжелыми отрицательными ионами, падающими вместе с электронами на экран. Источником отрицательных ионов является катод, который их эмиттирует под действием нагрева и бомбардировки положительными иона­ми при ионизации остаточных газов. В кинескопах с магнитной системой отклонения отрицательный ион отклоняется значитель­но меньше, чем электрон, так как скорость иона меньше. По­этому ионами бомбардируется только центральная часть экрана, где и возникает ионное пятно.

Для устранения ионного пятна в электронный прожектор кинескопа вводятся так называемые ионные ловушки. Принцип действия ионных ловушек основан на том, что они создают маг­нитное поле, различно влияющее на траекторию движения элек­тронов и отрицательных ионов. В результате отрицательные ионы задерживаются внутри электронного прожектора. Простейшая конструкция ионной ловушки содержит постоянный магнит, рас­положенный на горловине трубки. Он создает поперечное маг- нитйое поле у входа в ускоряющий анод (рис. 3.9, в). Изгибом анода или смещением его входного и выходного отверстий пучки электронов и отрицательных ионов направляются в анод под уг­лом к оси трубки, где они попадают в магнитное поле. Тяжелые отрицательные ионы практически не отклоняются этим полем, попадают на стенку анода и оседают там. Электроны отклоня­ются магнитным полем вдоль оси трубки и выходят из отверстия анода в виде узкого луча.

Чтобы увеличить чувствительность кинескопа, горловину трубки делают возможно меньшего диаметра. Это дает возмож­ность расположить диаметрально противоположные катушки ближе друг к другу и повысить напряженность магнитного поля внутри трубки при данном значении ампер-витков.

Для получения в телевизионных приемниках достаточно боль­шого изображения экраны кинескопов должны иметь значитель­но большие размеры, чем в осциллографических трубках. Стрем­ление уменьшить габариты телевизионного приемника при одно­временном увеличении размера экрана привело к использованию баллонов с прямоугольным дном, на которое наносится, соот­ветственно, прямоугольный экран.

Нежелательно засвечивание экрана светом, излучаемым изо­бражением. Засвечивание происходит из-за отражения этих лу­чей от стенок баллона на экран. Чтобы ослабить засвечивание экрана, переход от горловины к расширенной части трубки делают не плавным конусообразным, а специальной, резко рас­ширяющейся формы.

На рис. 3.10 показаны форма баллона кинескопа и растр на его прямоугольном экране. При большом экране кинескопы рас­

считывают на большие углы отклонения луча, чтобы сократить длину трубки.

Основными характеристиками кинескопа являются модуля­ционные характеристики. Модуляционная характеристика показы­вает зависимость тока в луче /_л и яркости свечения экрана от напряжения модулятора при постоянном значении напряжения на втором аноде (рис. 3.11):

/_л = f(U*) при (У_а2 = const.

Ток в луче зависит от плотности электронов в нем.

Рис. 3.10. Баллон кинескопа и растр его на экране

Рис. 3.11. Модуляционные ха­рактеристики кинескопа

Отрицательное напряжение модулятора, при котором /_л = О и световое пятно исчезает, называют напряжением запирания и*эап- При большем значении постоянного напряжения на вто­ром аноде абсолютная величина напряжения запирания воз­растает; модуляционная характеристика сдвигается влево. В кине­скопах, имеющих экранирующий электрод, анодное напряжение U_a2 очень слабо влияет на сдвиг модуляционной характеристики. При U_a2 = const от тока в луче зависит, яркость изображения на экране, поэтому характер зависимости яркости от напряжения модулятора такой же, как для тока /_л (на рис. 3.11 это показано пунктирной кривой).

В проекционных кинескопах изображение, полученное на эк­ране трубки, проектируется на большой экран оптическим мето­дом. Поэтому к ним предъявляются более высокие требования в отношении яркости и четкости изображения. Экран проек­ционного кинескопа должен быть плоским и небольших размеров для уменьшения габаритов устройства и упрощения оптической системы проекции на большой экран, а также во избежание оптических искажений. Однако увеличение размеров большого

экрана, на который осуществляется проекция, возможно только за счет увеличения экрана кинескопа. Яркость экрана проек­ционного кинескопа должна быть в сотни и тысячи раз больше, чем у обычного кинескопа. Поэтому он работает при очень высо­ком напряжении на втором аноде, составляющем несколько десятков киловольт, и с большими токами в луче. Экран такого кинескопа покрывают высокоэффективными люминофорами и тонкими пленками алюминия. При малом размере экрана проек­ционного кинескопа диаметр светового пятна должен быть, соответственно, значительно меньше, чем в обычных кинескопах.

В современных телевизионных приемниках широкое распро­странение получили кинескопы цветного изображения.

Точни свечения: 1—красного р_ис 3.12. Принцип получе-

2. зеленого _ния цветного изображения на

3. синего экране кинескопа

Принцип получения цветного изображения основан, как и цветовое зрение, на том, что любой цвет можно получить при смешении в определенных пропорциях трех основных цветов — красного, зеленого и синего. Например, при смешении красного и зеленого цветов получается желтый. Все три цвета при смеше­нии дают белый цвет.

На экран кинескопа цветного изображения нанесено более ста тысяч групп точек; каждая из этих групп содержит три точки, люминофоры которых дают, соответственно, красное, зеленое и синее свечение (рис. 3.12). Перед экраном находится маска в виде диафрагмы с отверстиями. Число отверстий соответствует числу групп точек, причем каждое отверстие расположено перед одной группой из трех точек. В кинескопе размещены три элект­ронных прожектора, каждый из которых дает свой электронный луч, попадающий через отверстия в маске только на точки одного цвета: от первого прожектора только на точки с красным свечением, от второго — только на точки с зеленым свечением, от третьего — на точки с синим свечением. Если работает только

один из прожекторов, то в процессе развертки его луч, пробегая по строчкам растра, дает изображение только в одном из основ­ных цветов. Все три прожектора, работая одновременно, дают три луча, каждый из которых вызывает свечение своих точек. В прожекторе плотностью электронов в луче и яркостью свечения точек экрана управляет электрический телевизионный сигнал, соответствующий данному цвету. В результате на экране смеши­ваются изображения трех основных цветов (в определенных изменяющихся пропорциях) по мере перемещения лучей по груп­пам точек экрана; получается цветное изображение.