Электронно лучевая трубка используемая в телевизорах. Другие виды электронно-лучевых приборов. Собственная проводимость полупроводников

Как работает электронно-лучевая трубка?

Электронно-лучевые трубки - это электровакуумные приборы, в которых образуется электронный пучок малого поперечного сечения, причем электронный пучок может отклоняться в желаемом направлении и, попадая на люминесцентный экран, вызывать его свечение (рис. 5.24). Электронно-лучевая трубка является электронно-оптическим преобразователем, превращающим электрический сигнал в соответствующее ему изображение в виде импульсного колебания, воспроизводимого на экране трубки. Электронный пучок образуется в электронном прожекторе (или электронной пушке), состоящем из катода и фокусирующих электродов. Первый фокусирующий электрод, который называют также модулятором , выполняет функции сетки с отрицательным смещением, направляющей электроны к оси трубки. Изменение напряжения смещения сетки влияет на число электронов, а следовательно, на яркость получаемого на экране изображения. За модулятором (в направлении к экрану) расположены следующие электроды, задачей которых является фокусирование и ускорение электронов. Они действуют на принципе электронных линз. Фокусирующе-ускоряющие электроды называются анодами и на них подается положительное напряжение. В зависимости от типа трубки анодные напряжения имеют значения от нескольких сотен вольт до нескольких десятков киловольт.

Рис. 5.24. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки:

1 - катод; 2 - анод I: 3 - анод II; 4 - горизонтальные отклоняющие пластины; 5 - электронный пучок; 6 - экран; 7 - вертикальные отклоняющие пластины; 8 - модулятор

В некоторых трубках фокусировку пучка производят с помощью магнитного поля путем использования катушек, расположенных снаружи лампы, вместо электродов, находящихся внутри трубки и создающих фокусирующее электрическое поле. Отклонение пучка также осуществляется двумя методами: с помощью электрического или магнитного поля. В первом случае в трубке помещают отклоняющие пластины, во втором - снаружи трубки монтируют отклоняющие катушки. Для отклонения как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях используют пластины (или катушки) вертикального или горизонтального отклонения луча.

Экран трубки покрыт изнутри материалом - люминофором, который светится под влиянием бомбардировки электронами. Люминофоры отличаются различным цветом свечения и разным временем свечения после прекращения возбуждения, которое называется временем послесвечения . Обычно оно составляет от долей секунды до нескольких часов в зависимости от назначения трубки.

§ 137. Электронно-лучевая трубка. Осциллограф

Для наблюдения, записи, измерений и контроля различных изменяющихся процессов в устройствах автоматики, телемеханики и других областях техники применяют осциллографы (рис. 198). Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка - электровакуумный прибор, в наиболее простом виде предназначенный для преобразования электрических сигналов в световые.

Рассмотрим, как отклоняется электрон и электронный луч в электрическом поле электронно-лучевой трубки осциллографа.
Если электрон поместить между двумя параллельными пластинами (рис. 199, а), имеющими разноименные электрические заряды, то под действием электрического поля, возникающего между пластинами, электрон отклонится, так как он заряжен отрицательно. Он отталкивается от пластины А , имеющей отрицательный заряд, и притягивается к пластине Б , имеющей положительный электрический заряд. Движение электрона будет направлено вдоль линий поля.

Когда в поле между пластинами попадает движущийся со скоростью V электрон (рис. 199, б), то на него действуют не только силы поля F , но и сила F 1 , направленная по его движению. В результате действия этих сил электрон отклонится от своего прямолинейного пути и будет перемещаться по линии ОК . - по диагонали.
Если между пластинами пропустить узкий пучок движущихся электронов - электронный луч (рис. 199, в), он под действием электрического поля отклонится. Угол отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов, из которых состоит луч, и величины напряжения, создающего электрическое поле между пластинами.
Каждая электронно-лучевая трубка (рис. 200) представляет собой баллон, из которого выкачан воздух. Коническая часть внутренней поверхности баллона покрыта графитом и называется аквадагом . Внутри баллона 3 помещается электронный прожектор 8 - электронная пушка, отклоняющие пластины 4 и 6 , и экран 5 . Электронный прожектор трубки состоит из подогревного катода, который излучает электроны, и системы электродов, образующих электронный луч. Этот луч, испускаемый катодом трубки, перемещается с большой скоростью к экрану и по существу является электрическим током, направленным в сторону, обратную движению электронов.

Катод представляет собой никелевый цилиндр, торец которого покрыт слоем оксида. Цилиндр надет на тонкостенную керамиковую трубку, а внутри нее для подогрева катода помещается нить из вольфрама, выполненная в виде спирали.
Катод расположен внутри управляющего электрода 7 , имеющего форму стаканчика. В дне стаканчика сделано небольшое отверстие, через которое проходят электроны, вылетающие из катода; это отверстие называется диафрагмой . На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение (порядка нескольких десятков вольт) по отношению к катоду. Оно создает электрическое поле, действующее на электроны, вылетающие с катода так, что они собираются в узкий луч, направленный в сторону экрана трубки. Точка пересечения траекторий полета электронов называется первым фокусом трубки . Увеличивая отрицательное напряжение на управляющем электроде, можно часть электронов отклонить настолько, что они не пройдут через отверстие и таким образом количестно электронов, попадающих на экран, уменьшится. Изменяя напряжение управляющего электрода, можно регулировать количество электронов в нем. Это позволяет изменять яркость светящегося пятна на экране электроннолучевой трубки, который покрыт специальным составом, обладающим способностью светиться под воздействием электронного луча, попадающего на него.
В состав электронной пушки также входят создающие ускоряющее поле два анода: первый - фокусирующий 1 и второй - управляющий 2 . Каждый из анодов представляет собой цилиндр с диафрагмой, которая служит для ограничения поперечного сечения электронного луча.
Аноды располагаются вдоль оси трубки на некотором расстоянии один от другого. На первый анод подается положительное напряжение порядка нескольких сотен вольт, а второй анод, соединенный с аквадагом трубки, имеет положительный потенциал, в несколько раз больший потенциала первого анода.
Электроны, вылетающие из отверстия управляющего электрода, попадая в электрическое поле первого анода, приобретают большую скорость. Пролетая внутри первого анода, пучок электронов под действием сил электрического поля сжимается и образует тонкий электронный луч. Далее электроны пролетают через второй анод, приобретают еще большую скорость (несколько тысяч километров в секунду), летят через диафрагму к экрану. На последнем под действием ударов электронов образуется светящееся пятно диаметром менее одного миллиметра. В этом пятне расположен второй фокус электронно-лучевой трубки.
Для отклонения электронного луча в двух плоскостях электронно-лучевая трубка снабжена двумя парами пластин 6 и 4 , расположенных в разных плоскостях перпендикулярно одна другой.
Первая пара пластин 6 , которая находится ближе в электронной пушке, служит для отклонения луча в вертикальном направлении; эти пластины называются вертикально отклоняющими . Вторая пара пластин 4 , расположенная ближе к экрану трубки, служит для отклонения луча в горизонтальном направлении; эти пластины называются горизонтально отклоняющими .
Рассмотрим принцип действия отклоняющих пластин (рис. 201).

Отклоняющие пластины В 2 и Г 2 подключены к движкам потенциометров П в и П г. К концам потенциометров подается постоянное напряжение. Отклоняющие пластины В 1 и Г 1 как и средние точки потенциометров, заземлены, и их потенциалы равны нулю.
Когда движки потенциометров стоят в среднем положении, потенциал на всех пластинах равен нулю, и электронный луч создает светящееся пятно в центре экрана - точку О . При перемещении движка потенциометра П г влево на пластину Г 2 подается отрицательное напряжение и поэтому электронный луч, отталкиваясь от этой пластины, отклонится и светящаяся точка на экране сместится в направлении точки А .
При перемещении движка потенциометра П г вправо потенциал пластины Г 2 будет увеличиваться и электронный луч, а следовательно, и светящаяся точка на экране сместятся по горизонтали к точке Б . Таким образом, при непрерывном изменении потенциала на пластине Г 2 электронный луч прочертит на экране горизонтальную линию АБ .
Аналогично при изменении потенциометром П в напряжения на вертикально отклоняющих пластинах луч будет отклоняться по вертикали и прочертит на экране вертикальную линию ВГ . При одновременном изменении напряжения на обеих парах отклоняющих пластин можно переместить электронный луч в любом направлении.
Экран электронно-лучевой трубки покрыт специальным составом - люминофором, способным светиться под действием ударов быстро летящих электронов. Таким образом, когда сфокусированный луч попадает в ту или иную точку экрана, то она начинает светиться.
Для покрытия экранов электронно-лучевых трубок используют люминофоры в виде окиси цинка, бериллиевого цинка, смеси сернокислого цинка с сернокислым кадмием и др. Эти материалы обладают свойством продолжать некоторое время свое свечение после прекращения ударов электронов. Это значит, что они обладают послесвечением .
Известно, что глаз человека, получив зрительное впечатление, может удержать его примерно 1/16 секунды. В электронно-лучевой трубке луч по экрану может перемещаться настолько быстро, что ряд последовательных светящихся точек на экране воспринимаются глазом в виде сплошной светящейся линии.
Напряжение, подлежащее изучению (рассмотрению) с помощью осциллографа, подается на вертикально отклоняющие пластины трубки. На горизонтально отклоняющие пластины подают пилообразное напряжение, график которого приведен на рис. 202, а.

Это напряжение дает электронный генератор пилообразных импульсов, который смонтирован внутри осциллографа. Под действием пилообразного напряжения электронный луч перемещается горизонтально по экрану. За время t 1 - t 8 луч перемещается по экрану слева направо, а за время t 9 - t 10 быстро возвращается в исходное положение, затем вновь движется слева направо и т. д.
Выясним, как можно увидеть на экране электронно-лучевой трубки осциллографа форму кривой мгновенных значений напряжения, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины. Допустим, что к горизонтально отклоняющим трубкам подано пилообразное напряжение с амплитудой 60 в и с периодом изменения в 1/50 сек .
На рис. 202, б показан один период синусоидального напряжения, форму кривой которого мы хотим увидеть, а в круге (рис. 202, в) показано результирующее перемещение электронного луча на экране трубки осциллографа.
Напряжения в одни и те же мгновения имеют на верхних двух графиках одинаковые обозначения.
В момент времени t 1 пилообразное напряжение (U г), отклоняющее электронный луч по горизонтали, равно 60 в , а напряжение на вертикальных пластинах U в равно нулю и на экране светится точка O 1 . В момент времени t 2 напряжение U г = - 50 в , а напряжение U в = 45 в . За время, равное t 2 - t 1 , электронный луч переместится в положение O 2 по линии O 1 - O 2 . В момент времени t 3 напряжение U г = 35 в , а напряжение U в = 84,6 в . За время t 3 - t 2 луч переместится в точку O 3 по линии O 2 - O 3 и т. д.
Процесс воздействия электрических полей, создаваемых обеими парами отклоняющих пластин, на электронный луч будет продолжаться, и луч будет отклоняться далее по линии O 3 - O 4 - o 6 и т. д.
За время t 10 - t 9 электронный луч быстро отклонится влево (произойдет обратный ход луча), а затем процесс будет повторяться: Исследуемое напряжение изменяется периодически, поэтому электронный луч будет многократно перемещаться по одному и тому же пути, в результате чего будет видна довольно яркая линия, по форме совпадающая с формой кривой напряжения, поданного на вертикально отклоняющие пластины трубки.
Так как период (и частота) напряжений пилообразных импульсов развертки и исследуемого напряжения равны, то синусоида на экране будет неподвижна. Если частота этих напряжений разная и не кратная друг другу, то изображение будет перемещаться вдоль экрана трубки.
При подключении к обеим парам отклоняющих пластин двух синусоидальных напряжений одинаковых амплитуд и частот, но сдвинутых по фазе на 90°, на экране трубки будет видна окружность. Таким образом, с помощью осциллографа можно наблюдать и исследовать различные процессы, происходящие в электрических цепях. Кроме генератора пилообразных импульсов, осциллограф имеет усилители для усиления напряжения, подаваемого на пластины вертикального отклонения луча, и пилообразного напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения.

.
Электронно-лучевые трубки, действие которых основано на формировании и управлении по интенсивности и положению одним или более электронными пучками, классифицируют по назначению и способу управления электронным пучком. В зависимости от назначения ЭЛТ подразделяют на приемные, передающие, запоминающие и др. В качестве индикаторных приборов используют приемные трубки. По способу управления электронным пучком ЭЛТ подразделяют на трубки с электростатическим и магнитным управлением. В первых для управления пучком электронов применяют электрическое поле, а во вторых - магнитное.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением обеспечивают более высокие частотные свойства, поэтому их широко используют в качестве индикаторов электронных осциллографов. Рассмотрим работу электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением, конструкция которой схематически показана на рисунке ниже.

Она представляет собой стеклянную колбу, в узкой части которой расположены электронный прожектор (ЭП) и отклоняющая система (ОС). В торцевой части колбы находится экран (Э), покрытый специальным составом - люминофором, способным светиться при бомбардировке электронным пучком. Электронный прожектор состоит из подогреваемого нитью накала (Н), катода (К), модулятора (М) и двух анодов (А, и А2).

Электроны, покинувшие катод, образуют электронное облако, которое под действием поля анодов движется в сторону экрана, формируясь в электронный пучок. Этот пучок проходит модулятор, выполненный в виде пологого цилиндра с отверстием и донной части. К модулятору прикладывается отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Это напряжение создает тормозящее поле, предварительно фокусирующее электронный пучок и изменяющее яркость свечения экрана. Для получения требуемой энергии (скорости) электронного пучка на аноды подается положительное относительно катода напряжение: на анод A1 - порядка нескольких сотен, а на анод А2- нескольким тысяч вольт. Значение напряжения для анода А2 выбирают из условия установки фокуса второй электростатической линзы в плоскости экрана.

Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар взаимно перпендикулярных пластин, расположенных симметрично относительно оси колбы. Напряжение, прикладываемое к пластинам, искривляет траекторию электронного пучка, вызывая тем самым откло­нение светового пятна на экране. Значение этого отклонения прямо пропорционально напряжению на пластинах ОС и обратно пропорционально напряжению Uа на втором аноде.

(рисунок ниже), как и ЭЛТ с электростатическим управлением, включает в себя ЭП и ОС. Конструкции ЭП обеих трубок аналогичны.

Предварительная фокусировка электронного пучка в трубке с магнитным управлением также осуществляется двумя электростатическими линзами, образованными соответственно электрическими полями между модулятором и первым анодом и между первым и вторым анодами. В функции первого анода, называемого иногда ускоряющим электродом, дополнительно входит экранировка модулятора от второго анода, что почти полностью исключает зависимость яркости свечения экрана от напряжения второго анода.

Внутри ЭЛТ расположен еще один электрод, называемый аквадагом (АК). Аквадаг электрически соединен с вторым анодом. Основная фокусировка электронного пучка производится неоднородным магнитным полем фокусирующей катушки (ФК), конструктивно расположенной на горловине колбы ЭЛТ. Это поле, возникающее при протекании по ФК постоянного тока, придает электронам вращательное движение вокруг оси пучка, фокусируя его в плоскости экрана.

Магнитная ОС содержит две пары последовательно включенных взаимно перпендикулярных обмоток, конструктивно выполненных в виде единого блока. Результирующее поле, создаваемое этими обмотками, заставляет электроны двигаться по окружности, радиус которой обратно пропорционален напряженности магнитного поля. Покидая поле, электроны пучка двигаются по касательной к исходной траектории, отклоняясь от геометрической оси колбы.

При этом отклонение электронного пучка в ЭЛТ с магнитным управлением меньше зависит от значения ускоряющего напряжения на аноде А2, чем отклонение пучка в ЭЛТ с электростатическим управлением. Поэтому при заданном значении напряжения на втором аноде ЭЛТ с магнитным управлением обеспечивает больший угол отклонения электронного пучка, чем ЭЛТ с электростатическим управлением, что позволяет значительно уменьшить ее размеры. Типовое значение максимального угла отклонения в ЭЛТ с магнитным управлением составляет 110°, а в ЭЛТ с электростатическим управлением - не превышает 30°.

Соответственно при заданных значениях отклонения электронного пучка ЭЛТ с магнитным управлением работает с большими значениями напряжения второго анода, чем ЭЛТ с электростатическим управлением, что позволяет повысить яркость получаемого изображения. К сказанному следует добавить, что ЭЛТ с магнитным управлением обеспечивает лучшую фокусировку электронного пучка, а следовательно, и лучшее качество изображения, что и предопределило их широкое распространение в качестве индикаторных устройств дисплеев ЭВМ. Рассмотренные ЭЛТ обеспечивают монохроматический режим отображения информации. В настоящее время все большее распространение находят ЭЛТ с цветным изображением.

(рисунок ниже) реализует принцип получения цветных образов как сумму изображений красного, зеленого и синего цветов.

Изменяя относительную яркость каждого из них, можно изменять цвет воспринимаемого изображения. Поэтому конструктивно ЭЛТ содержит три самостоятельных ЭП, пучки которых сфокусированы на некотором расстоянии от экрана. В плоскости пересечения лучей расположена цветоотделительная маска - тонкая металлическая пластина с большим числом отверстий, диаметр которых не превышает 0,25 мм. Экран цветной ЭЛТ неоднороден и состоит из множества люминесцирующих ячеек, число которых равно числу отверстий маски. Ячейка составлена из трех круглых элементов люминофора, светящихся красным, зеленым или синим цветом.

Например, цветной кинескоп с размером экрана по диагонали 59 см имеет маску с более чем полумиллионом отверстий, а общее число люминесцирующих элементов экрана превышает 1,5 млн. Пройдя через отверстия маски, электронные пучки расходятся. Расстояние между маской и экраном подобрано так, чтобы после прохождения отверстия маски электроны каждого пучка попадали на элементы экрана, люминесцирующие определенным цветом. Из-за малых размеров светящихся элементов экрана глаз человека уже на небольшом удалении не способен различать их и воспринимает суммарное свечение всех ячеек, интегральные цвета которых зависят от интенсивности электронного пучка каждого ЭП.

Если на модуляторы всех трех ЭП подать равные напряжения, то световые элементы экрана будут светиться одинаково и результирующий цвет будет восприниматься как белый. При синхронном изменении напряжении на модуляторах яркость белого цвета изменяется. Следовательно, подавая на модуляторы равные напряжения, можно получить все градации свечения экрана - от ярко-белого до черного. Таким образом, цветные кинескопы могут без искажений воспроизводить и черно-белое изображение.

Ю.Ф.Опадчий, Аналоговая и цифровая электроника, 2000 г.

Применение электронно-лучевой трубки

Электронно-лучевые трубки применяются в осциллографах для измерения напряжения и фазовых углов, анализа формы кривой силы тока или напряжения и т. д. Эти трубки используются в телевизионных и радиолокационных установках.

Электронно-лучевые трубки бывают разных типов. По способу получения электронного луча они делятся на трубки с холодным и накаленным катодом. Трубки с холодным катодом используются сравнительно редко, так как для их работы требуются очень высокие напряжения (30-70 кВ). Трубки с накаленным катодом имеют широкое применение. Эти трубки по способу управления электронным лучом также разделяются на два вида: электростатические и магнитные. В электростатических трубках управление электронным лучом осуществляется с помощью электрического поля, а в магнитных - с помощью магнитного поля.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением применяются в осциллографах и бывают чрезвычайно разнообразны по конструктивному выполнению. Учащихся достаточно ознакомить с принципом устройства такой трубки, содержащей основные типовые элементы. Этим целям отвечает трубка типа 13ЛОЗ7, которая представлена на таблице с некоторыми упрощениями.

Электронно-лучевая трубка представляет собой хорошо вакуумированный стеклянный баллон, внутри которого находятся электроды. Широкий торец трубки - экран - с внутренней стороны покрывается флуоресцирующим веществом. Вещество экрана светится при ударах электронов. Источником электронов служит катод косвенного накала. Катод состоит из нити накала 7, вставленной в тонкую фарфоровую трубочку (изолятор), на которую надет цилиндр 6 с оксидным покрытием торца (катод), благодаря чему достигается излучение электронов только в одном направлении. Вылетевшие из катода электроны устремляются к анодам 4 и 3, имеющим довольно высокий потенциал относительно катода (несколько сотен вольт). Для придания пучку электронов формы луча и его фокусировки на экране пучок проходит через ряд электродов. Однако следует обратить внимание уча-щихся только на три электрода: модулятор (управляющий цилиндр) 5, первый анод 4 и второй анод 3. Модулятор представляет собой трубчатый электрод, на который подается отрицательный потенциал относительно катода. Благодаря этому проходящий через модулятор электронный пучок будет стягиваться в узкий пучок (луч) и направляться электрическим полем через отверстие в аноде в сторону экрана. Повышая или понижая потенциал управляющего электрода, можно регулировать коли-чество электронов в луче, т. е. интенсивность (яркость) свечения экрана. С помощью анодов не только создается ускоряющее поле (обеспечивается разгон электронов), но, изменяя потенциал одного из них, можно более точно фокусировать электронный луч на экране и получить большую резкость светящейся точки. Обычно фокусировку осуществляют путем изменения потенциала первого анода, который называется фокусирующим.

Электронный луч, выйдя из отверстия в аноде, проходит между двумя парами отклоняющих пластин 1,2 и попадает на экран, вызывая его свечение.

Подавая напряжение на отклоняющие пластины, можно вызвать отклонение луча и смещение светящегося пятна от центра экрана. Величина и направление смещения зависят от напряжения, поданного на пластины, и полярности пластин. На таблице показан случай, когда напряжение подано только на вертикальные пластины 2. При указанной полярности пластин смещение электронного луча под действием сил электрического поля происходит вправо. Если подать напряжение на го-ризонтальные пластины 1, то смещение луча будет происходить в вертикальном направлении.

В нижней части таблицы приведен способ управления лучом с помощью магнитного поля, созданного двумя взаимно перпендикулярными катушками (каждая катушка разделена на две секции), оси которых имеют вертикальное и горизонтальное направления. На таблице показан случай, когда в горизонтальной катушке ток отсутствует и вертикальная катушка обеспечивает смещение луча только в горизонтальном направлении.

Магнитное поле горизонтальной катушки вызывает смещение луча в вертикальном направлении. Совместное действие магнитных полей двух катушек обеспечивает движение луча по всему экрану.

Магнитные трубки применяются в телевизорах.