С 1902 года с трубкой Брауна работает Борис Львович Розинг . 25 июля 1907 года он подал заявку на изобретение «Способ электрической передачи изображений на расстояния». Развертка луча в трубке производилась магнитными полями, а модуляция сигнала (изменение яркости) с помощью конденсатора, который мог отклонять луч по вертикали, изменяя тем самым число электронов, проходящих на экран через диафрагму. 9 мая 1911 года на заседании Русского технического общества Розинг продемонстрировал передачу телевизионных изображений простых геометрических фигур и приём их с воспроизведением на экране ЭЛТ.
В начале и середине XX века значительную роль в развитии ЭЛТ сыграли Владимир Зворыкин , Аллен Дюмонт и другие.
По способу отклонения электронного луча все ЭЛТ делятся на две группы: с электромагнитным отклонением (индикаторные ЭЛТ и кинескопы) и с электростатическим отклонением (осциллографические ЭЛТ и очень небольшая часть индикаторных ЭЛТ).
По способности сохранять записанное изображение ЭЛТ делят на трубки без памяти, и трубки с памятью (индикаторные и осциллографические), в конструкции которых предусмотрены специальные элементы (узлы) памяти, с помощью которых единожды записанное изображение может многократно воспроизводиться.
По цвету свечения экрана ЭЛТ подразделяются на монохромные и многоцветные. Монохромные могут иметь разный цвет свечения: белый, зелёный, синий, красный и другие. Многоцветные подразделяются по принципу действия на двухцветные и трёхцветные. Двухцветные - индикаторные ЭЛТ, цвет свечения экрана которых меняется или за счет переключения высокого напряжения, или за счет изменения плотности тока электронного луча. Трёхцветные (по основным цветам) - цветные кинескопы, многоцветность свечения экрана которых обеспечивается специальными конструкциями электронно-оптической системы, цветоделительной маски и экрана.
Осциллографические ЭЛТ подразделяют на трубки низкочастотного и СВЧ диапазонов. В конструкциях последних применена достаточно сложная система отклонения электронного луча.
Кинескопы подразделяют на телевизионные, мониторные и проекционные (применяются в видеопроекторах). Мониторные кинескопы имеют меньший шаг маски, чем телевизионные, а проеционные кинескопы имеют повышенную яркость свечения экрана. Они являются монохромными и имеют красный, зелёный и синий цвет свечения экрана.
Устройство чёрно-белого кинескопа
В баллоне 9 создан глубокий вакуум - сначала выкачивается воздух, затем все металлические детали кинескопа нагреваются индуктором для выделения поглощённых газов, для постепенного поглощения остатков воздуха используется геттер .
Для того, чтобы создать электронный луч 2 , применяется устройство, именуемое электронной пушкой . Катод 8 , нагреваемый нитью накала 5 , испускает электроны. Чтобы увеличить испускание электронов, катод покрывают веществом, имеющим малую работу выхода (крупнейшие производители ЭЛТ для этого применяют собственные запатентованные технологии). Изменением напряжения на управляющем электроде (модуляторе ) 12 можно изменять интенсивность электронного луча и, соответственно, яркость изображения (также существуют модели с управлением по катоду). Кроме управляющего электрода, пушка современных ЭЛТ содержит фокусирующий электрод (до 1961 года в отечественных кинескопах применялась электромагнитная фокусировка при помощи фокусирующей катушки 3 с сердечником 11 ), предназначенный для фокусировки пятна на экране кинескопа в точку, ускоряющий электрод для дополнительного разгона электронов в пределах пушки и анод. Покинув пушку, электроны ускоряются анодом 14 , представляющем собой металлизированное покрытие внутренней поверхности конуса кинескопа, соединённое с одноимённым электродом пушки. В цветных кинескопах со внутренним электростатическим экраном его соединяют с анодом. В ряде кинескопов ранних моделей, таких, как 43ЛК3Б, конус был выполнен из металла и представлял анод сам собой. Напряжение на аноде находится в пределах от 7 до 30 киловольт. В ряде малогабаритных осциллографических ЭЛТ анод представляет собой только один из электродов электронной пушки и питается напряжением до нескольких сот вольт.
Далее луч проходит через отклоняющую систему 1 , которая может менять направление луча (на рисунке показана магнитная отклоняющая система). В телевизионных ЭЛТ применяется магнитная отклоняющая система как обеспечивающая большие углы отклонения. В осциллографических ЭЛТ применяется электростатическая отклоняющая система как обеспечивающая большее быстродействие.
Электронный луч попадает в экран 10 , покрытый люминофором 4 . От бомбардировки электронами люминофор светится и быстро перемещающееся пятно переменной яркости создаёт на экране изображение.
Люминофор от электронов приобретает отрицательный заряд, и начинается вторичная эмиссия - люминофор сам начинает испускать электроны. В результате вся трубка приобретает отрицательный заряд. Для того, чтобы этого не было, по всей поверхности трубки находится соединённый с анодом слой аквадага - проводящей смеси на основе графита (6 ).
Кинескоп подключается через выводы 13 и высоковольтное гнездо 7 .
В чёрно-белых телевизорах состав люминофора подбирают таким, чтобы он светился нейтрально-серым цветом. В видеотерминалах, радарах и т. д. люминофор часто делают жёлтым или зелёным для меньшего утомления глаз.
Углом отклонения луча ЭЛТ называется максимальный угол между двумя возможными положениями электронного луча внутри колбы, при которых на экране ещё видно светящееся пятно. От величины угла зависит отношение диагонали (диаметра) экрана к длине ЭЛТ. У осциллографических ЭЛТ составляет как правило до 40°, что связано с необходимостью повысить чувствительность луча к воздействию отклоняющих пластин и обеспечить линейность характеристики отклонения. У первых советских телевизионных кинескопов с круглым экраном угол отклонения составлял 50°, у чёрно-белых кинескопов более поздних выпусков был равен 70°, начиная с 1960-х годов увеличился до 110° (один из первых подобных кинескопов - 43ЛК9Б). У отечественных цветных кинескопов составляет 90°.
При увеличении угла отклонения луча уменьшаются габариты и масса кинескопа, однако:
Всё это привело к тому, что в некоторых областях до сих пор применяются 70-градусные кинескопы. Также угол в 70° продолжает применяться в малогабаритных чёрно-белых кинескопах (например, 16ЛК1Б), где длина не играет такой существенной роли.
Так как внутри ЭЛТ невозможно создать идеальный вакуум, внутри остаётся часть молекул воздуха. При столкновении с электронами из них образуются ионы , которые, имея массу, многократно превышающую массу электронов, практически не отклоняются, постепенно выжигая люминофор в центре экрана и образуя так называемое ионное пятно. Для борьбы с этим до середины 1960-х годов применялся принцип «ионной ловушки»: ось электронной пушки была расположена под некоторым углом к оси кинескопа, а расположенный снаружи регулируемый магнит обеспечивал поле, поворачивающее поток электронов к оси. Массивные же ионы, двигаясь прямолинейно, попадали в собственно ловушку.
Однако данное построение вынуждало увеличивать диаметр горловины кинескопа, что приводило к росту необходимой мощности в катушках отклонящей системы.
В начале 1960-х годов был разработан новый способ защиты люминофора: алюминирование экрана, кроме того, позволившее вдвое повысить максимальную яркость кинескопа, и необходимость в ионной ловушке отпала.
В телевизоре, строчная развёртка которого выполнена на лампах, напряжение на аноде кинескопа появляется только после прогрева выходной лампы строчной развёртки и демпферного диода. Накал кинескопа к этому моменту успевает разогреться.
Внедрение в узлы строчной развёртки полностью полупроводниковой схемотехники породило проблему ускоренного износа катодов кинескопа по причине подачи напряжения на анод кинескопа одновременно с включением. Для борьбы с этим явлением разработаны любительские узлы, обеспечивающие задержку подачи напряжения на анод либо модулятор кинескопа. Интересно, что в некоторых из них, несмотря на то, что они предназначены для установки в полностью полупроводниковые телевизоры, в качестве элемента задержки использована радиолампа. Позднее начали выпускаться телевизоры промышленного производства, в которых такая задержка предусмотрена изначально.
Чтобы создать на экране изображение, электронный луч должен постоянно проходить по экрану с высокой частотой - не менее 25 раз в секунду. Этот процесс называется развёрткой . Есть несколько способов развёртки изображения.
Электронный луч проходит весь экран по строкам. Возможны два варианта:
Электронный луч проходит вдоль линий изображения. Векторная развёртка применялась в игровой консоли Vectrex .
В случае использования экрана кругового обзора, т. н. тайпотрона, электронный луч проходит по радиусам экрана (экран при этом имеет форму круга). Служебная информация в большинстве случаев (цифры, буквы, топографические знаки) развёртывается дополнительно сквозь знаковую матрицу (находится в электронно-лучевой пушке).
Устройство цветного кинескопа. 1 -Электронные пушки. 2 - Электронные лучи. 3 - Фокусирующая катушка. 4 - Отклоняющие катушки. 5 - Анод. 6 - Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т. д. 7 - Красные, зелёные и синие зёрна люминофора. 8 - Маска и зёрна люминофора (увеличенно).
Цветной кинескоп отличается от чёрно-белого тем, что в нём три пушки - «красная», «зелёная» и «синяя» (1 ). Соответственно, на экран 7 нанесены в некотором порядке три вида люминофора - красный, зелёный и синий (8 ).
В зависимости от типа применённой маски, пушки в горловине кинескопа расположены дельтаобразно (в углах равностороннего треугольника) либо планарно (на одной линии). Некоторые одноимённые электроды разных электронных пушек соединены проводниками внутри кинескопа. Это ускоряющие электроды, фокусирующие электроды, подогреватели (соединены параллельно) и, часто, модуляторы. Такая мера необходима для экономии количества выводов кинескопа, ввиду органиченных размеров его горловины.
На красный люминофор попадает только луч от красной пушки, на зелёный - только от зелёной, и т. д. Это достигается тем, что между пушками и экраном установлена металлическая решётка, именуемая маской (6 ). В современных кинескопах маска выполнена из инвара - сорта стали с небольшим коэффициентом температурного расширения.
Существует два типа масок:
Среди этих масок нет явного лидера: теневая обеспечивает высокое качество линий, апертурная даёт более насыщенные цвета и высокий КПД. Щелевая сочетает достоинства теневой и апертурной, но склонна к муарам .
Чем меньше элементы люминофора, тем более высокое качество изображения способна дать трубка. Показателем качества изображения является шаг маски .
В современных мониторных ЭЛТ шаг маски находится на уровне 0,25 мм. Телевизионные кинескопы, просмотр изображения на которых осуществляется с большего расстояния, используют шаги порядка 0,8 мм.
Так как радиус кривизны экрана много больше расстояния от него до электронно-оптической системы вплоть до бесконечности в плоских кинескопах, а без применения специальных мер точка пересечения лучей цветного кинескопа находится на постоянном расстоянии от электронных пушек, необходимо добиться того, чтобы эта точка находилась точно на поверхности теневой маски, в противном случае образуется рассовмещение трёх цветовых составляющих изображения, увеличивающееся от центра экрана к краям. Чтобы этого не происходило, необходимо должным образом сместить электронные лучи. В кинескопах с дельтаобразным расположением пушек это делается специальной электромагнитной системой, управляемой отдельно устройством, которое в старых телевизорах была вынесена в отдельный блок - блок сведения - для периодических регулировок. В кинескопах с планарным расположением пушек регулировка производится при помощи специальных магнитов, расположенных на горловине кинескопа. Со временем, особенно у кинескопов с дельтаобразным расположением электронных пушек, сведение нарушается и нуждается в дополнительной регулировке. Большинство компаний по ремонту компьютеров предлагают услугу повторного сведения лучей монитора.
Необходимо в цветных кинескопах для снятия влияющей на качество изображения остаточной или случайной намагниченности теневой маски и электростатического экрана.
Размагничивание происходит благодаря возникновению в так называемой петле размагничивания - кольцеобразной гибкой катушке большого диаметра, расположенной на поверхности кинескопа - импульса быстропеременного затухающего магнитного поля. Для того, чтобы этот ток после включения телевизора постепенно уменьшался, используются терморезисторы . Многие мониторы дополнительно к терморезисторам содержат реле , которое по окончании процесса размагничивания кинескопа отключает питание этой цепи, чтобы терморезистор остыл. После этого можно специальной клавишей, либо, чаще, особой командой в меню монитора, вызвать срабатывание этого реле и провести повторное размагничивание в любой момент, не прибегая к отключению и включению питания монитора.
Тринескопом называется конструкция, состоящая из трёх чёрно-белых кинескопов, светофильтров и полупрозрачных зеркал (либо дихроичных зеркал, объединяющих функции полупрозрачных зеркал и фильтров), используемая для получения цветного изображения.
Кинескопы используются в системах растрового формирования изображения: различного рода телевизорах , мониторах , видеосистемах.
Осциллографические ЭЛТ наиболее часто используются в системах отображения функциональных зависимостей: осциллографах , вобулоскопах, также в качестве устройства отображения на радиолокационных станциях, в устройствах специального назначения; в советские годы использовались и в качестве наглядных пособий при изучении устройства электронно-лучевых приборов в целом.
Знакопечатающие ЭЛТ используются в различной аппаратуре специального назначения.
Обозначение отечественных ЭЛТ состоит из четырёх элементов:
В особых случаях к обозначению может добавляться пятый элемент, несущий дополнительную информацию.
Пример: 50ЛК2Б - чёрно-белый кинескоп с диагональю экрана 50 см, вторая модель, 3ЛО1И - осциллографическая трубка с диаметром экрана зелёного свечения 3 см, первая модель.
Это излучение создаётся не самим кинескопом, а отклоняющей системой. Трубки с электростатическим отклонением, в частности, осциллографические, его не излучают.
В мониторных кинескопах для подавления этого излучения отклоняющую систему часто закрывают ферритовыми чашками. Телевизионные кинескопы такой экранировки не требуют, поскольку зритель обычно сидит на значительно большем расстоянии от телевизора, чем от монитора.
В кинескопах присутствует ионизирующее излучение двух видов.
Первое из них - это сам электронный луч, представляющий собой, по сути, поток бета-частиц низкой энергии (25 кЭв). Наружу это излучение не выходит, и опасности для пользователя не представляет.
Второе - тормозное рентгеновское излучение, которое возникает при бомбардировке экрана электронами. Для ослабления выхода этого излучения наружу до полностью безопасных величин стекло легируют свинцом (см. ниже). Однако, в случае неисправности телевизора или монитора, приводящей к значительному повышению анодного напряжения, уровень этого излучения может увеличиться до заметных величин. Для предотвращения таких ситуаций блоки строчной развёртки оборудуют узлами защиты.
В отечественных и зарубежных телевизорах цветного изображения, выпущенных до середины 1970-х годов, могут встречаться дополнительные источники рентгеновского излучения - стабилизирующие триоды, подключаемые параллельно кинескопу, и служащие для стабилизации анодного напряжения, а значит, и размеров изображения. В телевизорах «Радуга-5» и «Рубин-401-1» используются триоды 6С20С, в ранних моделях УЛПЦТ - ГП-5. Поскольку стекло баллона такого триода значительно тоньше, чем у кинескопа, и не легировано свинцом, он является значительно более интенсивным источником рентгеновского излучения, чем сам кинескоп, поэтому его помещают в специальный стальной экран. В более поздних моделях телевизоров УЛПЦТ используются иные методы стабилизации высокого напряжения, и этот источник рентгеновского излучения исключён.
Монитор Mitsubishi Diamond Pro 750SB (1024x768, 100 Гц), снятый с выдержкой 1/1000 с. Яркость искусственно завышена; показана реальная яркость изображения в разных точках экрана.
Луч ЭЛТ-монитора, формируя изображение на экране, заставляет светиться частицы люминофора. До момента формирования следующего кадра эти частицы успевают погаснуть, поэтому можно наблюдать «мерцание экрана». Чем выше частота смены кадров, тем менее заметно мерцание. Низкая частота ведет к усталости глаз и наносит вред здоровью.
У большинства телевизоров на базе электронно-лучевой трубки ежесекундно сменяется 25 кадров, что с учётом чересстрочной развёртки составляет 50 полей (полукадров) в секунду (Гц). В современных моделях телевизоров эта частота искусственно завышается до 100 герц. При работе за экраном монитора мерцание чувствуется сильнее, так как при этом расстояние от глаз до кинескопа намного меньше, чем при просмотре телевизора. Минимальной рекомендуемой частотой обновления экрана монитора является частота 85 герц. Ранние модели мониторов не позволяют работать с частотой развёртки более 70-75 Гц. Мерцание ЭЛТ явно можно наблюдать боковым зрением.
Изображение на электронно-лучевой трубке является размытым по сравнению с другими видами экранов. Считается, что размытое изображение - один из факторов, способствующих усталости глаз у пользователя. С другой стороны, при использовании качественных мониторов, размытие не оказывает сильного влияния на здоровье человека, а сам эффект размытия позволяет не использовать сглаживание экранных шрифтов на мониторе, что отображается на качестве восприятия картинки, отсутствуют искажения шрифтов, присущие ЖК-мониторам.
В работе ЭЛТ применяется высокое напряжение. Остаточное напряжение в сотни вольт, если не принимать никаких мер, может задерживаться на ЭЛТ и схемах «обвязки» неделями. Поэтому в схемы добавляют разряжающие резисторы, которые делают телевизор вполне безопасным уже через несколько минут после выключения.
Вопреки распространённому мнению, напряжением анода ЭЛТ нельзя убить человека из-за небольшой мощности преобразователя напряжения - будет лишь ощутимый удар. Однако, и он может оказаться смертельным при наличии у человека пороков сердца. Он может также приводить к травмам, включая, летальные, косвенным образом, когда, отдёрнув руку, человек касается других цепей телевизора и монитора, содержащих чрезвычайно опасные для жизни напряжения - а такие цепи присутствуют во всех моделях телевизоров и мониторов, использующих ЭЛТ, а также включая чисто механические травмы, сопряженные со внезапным бесконтрольным падением, вызванным электрической судорогой.
Любая электроника (в том числе ЭЛТ) содержит вещества, вредные для здоровья и окружающей среды. В числе их: соединения бария в катодах , люминофоры .
Использованные ЭЛТ в большинстве стран считаются опасным мусором и подлежат вторичной переработке или захоронению на отдельных полигонах.
Поскольку внутри ЭЛТ вакуум, за счёт давления воздуха на один только экран 17-дюймового монитора приходится нагрузка около 800 кг - вес микролитражного легкового автомобиля . Из-за особенностей конструкции давление на экран и конус ЭЛТ является положительным, а на боковую часть экрана - отрицательным, что вызывает опасность взрыва. При работе с ранними моделями кинескопов правила техники безопасности требовали использования защитных рукавиц, маски и очков. Перед экраном кинескопа в телевизоре устанавливался стеклянный защитный экран, а по краям - металлическая защитная маска.
Начиная со второй половины 1960-х годов опасная часть кинескопа прикрывается специальным металлическим взрывозащитным бандажом , выполненным в виде цельнометаллической штампованной конструкции либо намотанной в несколько слоёв ленты. Такой бандаж исключает возможность самопроизвольного взрыва. В некоторых моделях кинескопов дополнительно использовалась защитная плёнка, покрывавшая экран.
Несмотря на применение защитных систем, не исключается поражение людей осколками при умышленном разбивании кинескопа. В связи с этим при уничтожении последнего для безопасности предварительно разбивают штенгель - технологическую стеклянную трубку в торце горловины под пластмассовым цоколем, через которую при производстве осуществляется откачка воздуха.
Малогабаритные ЭЛТ и кинескопы с диаметром или диагональю экрана до 15 см опасности не представляют и взрывозащитными приспособлениями не оснащаются.
Кроме кинескопа, к электронно-лучевым приборам относят:
| Пассивные твердотельные | Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Индуктивность · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор |
|---|---|
| Активные твердотельные | Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · |
Принцип работы электронно-лучевой трубки построен на испускании электронов отрицательно заряженным термокатодом, которые затем притягиваются положительно заряженным анодом и собираются на нем. Это принцип работы старой электронной лампы с термокатодом.
В ЭЛТ высокоскоростные электроны испускаются электронной пушкой (рис. 17.1). Они фокусируются электронной линзой и направляются к экрану, который ведет себя как положительно заряженный анод. Экран покрыт изнутри флуоресцирующим порошком, который начинает светиться под ударами быстрых электронов. Электронный пучок (луч), испускаемый электронной пушкой, создает неподвижное пятно на экране. Для того чтобы электронный пучок оставил след (линию) на экране, его нужно отклонять как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях - Х и Y.
Рис. 17.1.
Методы отклонения пучка
Существует два метода отклонения пучка электронов в ЭЛТ. В электростатическом методе используются две параллельные пластины, между которыми создается разность электрических потенциалов (рис. 17.2(а)). Электростатическое поле, возникающее между пластинами, отклоняет электроны, попадающие в область действия поля. В электромагнитном методе пучок электронов управляется магнитным полем, создаваемым электрическим током, протекающим через катушку. При этом, как показано на рис. 17.2(б), применяются два набора управляющих катушек (в телевизорах они называются отклоняющими катушками). Оба метода обеспечивают линейное отклонение.
Рис. 17.2. Электростатический (а) и электромагнитный (б)
методы отклонения электронного пучка.
Однако метод электростатического отклонения имеет более широкий частотный диапазон, именно поэтому его применяют в осциллографах. Электромагнитное отклонение лучше подходит для высоковольтных трубок (кинескопов), работающих в телевизорах, и к тому же более компактно в реализации, поскольку обе катушки располагаются в одном и том же месте вдоль горловины телевизионной трубки.
Конструкция ЭЛТ
На рис. 17.3 дано схематическое представление внутреннего устройства электронно-лучевой трубки с электростатической отклоняющей системой. Показаны различные электроды и соответствующие им потенциалы. Электроны, испускаемые катодом (или электронной пушкой), проходят через небольшое отверстие (апертуру) в сетке. Сетка, потенциал которой отрицателен по отношению к потенциалу катода, определяет интенсивность или число испускаемых электронов и, таким образом, яркость пятна на экране.
Рис. 17.3.
Рис. 17.4.
Затем электронный пучок проходит сквозь электронную линзу, фокусирующую пучок на экран. Конечный анод А 3 имеет потенциал в несколько киловольт (по отношению к катоду), что соответствует диапазону сверхвысоких напряжений (СВН). Две пары отклоняющих пластин D 1 и D 2 обеспечивают электростатическое отклонение пучка электронов в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно.
Вертикальное отклонение обеспечивают Y-пластины (пластины вертикального отклонения), а горизонтальное - Х-пластины (пластины горизонтального отклонения). Входной сигнал подается на Y-пластины, которые отклоняют электронный пучок вверх и вниз в соответствии с амплитудой сигнала.
X-пластины заставляют пучок перемещаться по горизонтали от одного края экрана к другому (развертка) с постоянной скоростью и затем очень быстро возвращаться в исходное положение (обратный ход). На Х- пластины подается сигнал пилообразной формы (рис. 17.4), вырабатываемый генератором. Этот сигнал называют сигналом временной развертки.
Подавая соответствующим образом сигналы на Х- и Y-пластины, можно получить такое смещение электронного пучка, при котором на экране ЭЛТ будет «прорисовываться» точная форма входного сигнала.
В этом видео рассказывается об основных принципах работы электронно-лучевой трубки:
На экран электронно-лучевой трубки люминофоры наносятся в виде крошечных точек, причем эти точки собираются по три; в каждой тройке, или триаде, имеются одна красная, одна синяя и одна зеленая точки. На рисунке я вам показал несколько таких триад. Всего на экране трубки имеется около 500 тысяч триад. Картина, которую вы видите в телевизоре, вся состоит из светящихся точек. Там, где детали изображения более светлые, на точки попадает больше электронов, и они светятся ярче. На темные места изображения электронов попадает, соответственно, меньше. Если в цветном изображении имеется белая деталь, то повсюду в пределах этой детали все три точки в каждой триаде светятся с одинаковой яркостью. Наоборот, если в цветном изображении имеется деталь красного цвета, то повсюду в пределах этой детали светятся только красные точки каждой триады, а зеленые и синие не светятся совсем.
Вы поняли, что значит создать цветное изображение на экране телевизора? Это, во-первых, заставить электроны попадать в нужные места, то есть на те люминофорные точки, которые должны светиться, и не попадать в другие места, то есть на те точки, которые светиться не должны. Во-вторых, электроны должны попадать в нужные места в нужное время. Ведь изображение на экране постоянно меняется, и там, где в какой-то момент, например, было ярко-оранжевое пятно, через мгновение должно появиться, скажем, темно-фиолетовое. Наконец, в-третьих, в нужное место и в нужное время должно попадать нужное количество электронов. Больше - туда, где свечение должно быть ярче, и меньше - туда, где свечение темнее.
Поскольку на экране размещается почти полтора миллиона люминофорных точек, задача на первый взгляд представляется исключительно сложной. На самом деле - ничего сложного. Прежде всего в электронно-лучевой трубке имеется не один, а три отдельных нагретых катода. Точно таких, как в обычной электронной лампе. Каждый катод испускает электроны, и вокруг него создается электронное облачко. Около каждого катода находятся сетка и анод. Количество электронов, прошедших сквозь сетку к аноду, зависит от напряжения на сетке. Пока все происходит, как в обычной трехэлектродной лампе - триоде.
Какое отличие? Анод здесь не сплошной, а с отверстием в самом центре. Поэтому большинство электронов, движущихся от катода к аноду, не задерживается на аноде - они вылетают через отверстие наружу в виде круглого пучка. Конструкция, состоящая из катода, сетки и анода, так и называется: электронная пушка. Пушка как бы выстреливает пучком электронов, а количество электронов в пучке зависит от напряжения на сетке.
Нацелены электронные пушки так, чтобы пучок, вылетающий из первой пушки, всегда попадал только в красные точки триад, пучок из второй пушки - только в зеленые точки, а пучок из третьей пушки - только в синие точки. Таким образом решается одна из трех задач по образованию цветного изображения. Подавая нужные напряжения на сетки каждой из трех пушек, устанавливают нужные интенсивности красного, зеленого и синего свечения, а значит, обеспечивают нужную окраску каждой детали изображения.
.
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.
После отклоняющей системы электроны попадают на экран ЭЛТ. Экран представляет тонкий слой люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность торцевой части баллона и способного интенсивно светиться при бомбардировке электронами.
В ряде случаев поверх слоя люминофора наносится проводящий тонкий слой алюминия. Свойства экрана определяются его
характеристиками и параметрами. К основным параметрам экранов относятся: первый и второй критические потенциалы экрана , яркость свечения , световая отдача , длительность послесвечения.
Потенциал экрана. При бомбардировке экрана потоком электронов с его поверхности возникает вторичная электронная эмиссия. Для отвода вторичных электронов стенки баллона трубки вблизи экрана покрываются проводящим графитовым слоем, который соединяется со вторым анодом. Если этого не делать, то вторичные электроны, возвращаясь на экран, вместе с первичными будут понижать его потенциал. В этом случае в пространстве между экраном и вторым анодом создается тормозящее электрическое поле, которое будет отражать электроны луча. Таким образом, для устранения тормозящего поля от поверхности непроводящего экрана необходимо отводить электрический заряд, переносимый электронным лучом. Практически единственным путем компенсации заряда является использование вторичной эмиссии. При падении электронов на экран их кинетическая энергия преобразуется в энергию свечения экрана, идет на его нагрев и вызывает вторичную эмиссию. Величина коэффициента вторичной эмиссии о определяет потенциал экрана. Коэффициент вторичной эмиссии электронов а = / в // л (/„ - ток вторичных электронов, / л - ток луча, или ток первичных электронов) с поверхности экрана в широком диапазоне изменения энергии первичных электронов превышает единицу (рис. 12.8, о < 1 на участке О А кривой при V < С/ кр1 и при 15 > С/ кр2).
При и < (У кр1 число уходящих-от экрана вторичных электронов меньше числа первичных, что приводит к накоплению отрицательного заряда на экране, формированию тормозящего поля для электронов луча в пространстве между вторым анодом и экраном и их отражению; свечение экрана отсутствует. Потенциал и л2 = Г/ крР соответствующий точке А на рис. 12.8, называется первым критическим потенциалом.
При С/ а2 = £/ кр1 потенциал экрана близок к нулю.
Если энергия пучка становится больше е£/ кр1 , то о > 1 и экран начинает заряжаться поло-
Рис. 12.8
жительно относительно последнего анода прожектора. Процесс продолжается до тех пор, пока потенциал экрана не станет приблизительно равным потенциалу второго анода. Это означает, что число уходящих с экрана электронов равно числу падающих. В диапазоне изменения энергии пучка от е£/ кр1 до С/ кр2 с > 1 и потенциал экрана достаточно близок к потенциалу анода прожектора. При и &2 > Н кр2 коэффициент вторичной эмиссии а < 1. Потенциал экрана вновь снижается, и у экрана начинает формироваться тормозящее для электронов луча поле. Потенциал и кр2 (соответствует точке В на рис. 12.8) называют вторым критическим потенциалом или предельным потенциалом.
При энергиях электронного луча выше е11 кр2 яркость свечения экрана не увеличивается. Для различных экранов Г/ кр1 = = 300...500 В, и кр2 = 5...40 кВ.
При необходимости получения больших яркостей потенциал экрана с помощью проводящего покрытия принудительно поддерживают равным потенциалу последнего электрода прожектора. Проводящее покрытие электрически соединено с этим электродом.
Светоотдача. Это параметр, который определяет отношение силы света J cв, излучаемого люминофором нормально поверхности экрана, к мощности электронного луча Р эл, падающего на экран:
Светоотдача ц определяет КПД люминофора. Не вся кинетическая энергия первичных электронов превращается в энергию видимого излучения, часть идет на нагревание экрана, вторичную эмиссию электронов и на излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Светоотдачу измеряют в канделах на ватт: для различных экранов она изменяется в пределах 0,1... 15 кд/Вт. При малых скоростях электронов свечение возникает в поверхностном слое и часть света поглощается люминофором. С увеличением энергии электронов светоотдача возрастает. Однако при очень больших скоростях многие электроны пробивают слой люминофора, не производя возбуждения, и происходит снижение светоотдачи.
Яркость свечения. Это параметр, который определяется силой света, излучаемого в направлении наблюдателя одним квадратным метром равномерно светящейся поверхности. Яркость измеряют в кд/м 2 . Она зависит от свойств люминофора (характеризуется коэффициентом А), плотности тока электронного луча у, разности потенциалов между катодом и экраном II и минимального потенциала экрана 11 0 , при котором еще наблюдается люминесценция экрана. Яркость свечения подчиняется закону
Значения показателя степени п у потенциала £/ 0 для разных люминофоров изменяются в пределах соответственно 1...2,5 и
30...300 В. На практике линейный характер зависимости яркости от плотности тока у сохраняется примерно до 100 мкА/см 2 . При больших плотностях тока люминофор начинает нагреваться и выгорать. Основной способ повышения яркости - увеличение и.
Разрешающая способность. Этот важный параметр определяется как свойство ЭЛТ воспроизводить детали изображения. Разрешающая способность оценивается числом отдельно различимых светящихся точек или линий (строк), приходящихся соответственно на 1 см 2 поверхности или на 1 см высоты экрана, либо на всю высоту рабочей поверхности экрана. Следовательно, для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать диаметр луча, т. е. требуется хорошо сфокусированный тонкий луч диаметром в десятые доли мм. Разрешающая способность тем выше, чем меньше ток луча и больше ускоряющее напряжение. В этом случае реализуется наилучшая фокусировка. Разрешающая способность также зависит от качества люминофора (крупные зерна люминофора рассеивают свет) и наличия ореолов, возникающих из-за полного внутреннего отражения в стеклянной части экрана.
Длительность послесвечения. Время, в течение которого яркость свечения уменьшается до 1% от максимального значения, называется временем послесвечения экрана. Все экраны разделяются на экраны с очень коротким (менее 10 5 с), коротким (10“ 5 ...10“ 2 с), средним (10 2 ...10 1 с), длительным (10 Ч.Лб с) и очень длительным (более 16 с) послесвечением. Трубки с коротким и очень коротким послесвечением широко применяются при осциллографировании, а со средним послесвечением - в телевидении. В радиолокационных индикаторах обычно используются трубки с длительным послесвечением.
В радиолокационных трубках часто применяют длительно светящиеся экраны, имеющие двухслойное покрытие. Первый слой люминофора - с коротким послесвечением синего цвета - возбуждается электронным лучом, а второй - с желтым цветом свечения и длительным послесвечением - возбуждается светом первого слоя. В таких экранах удается получить послесвечение до нескольких минут.
Типы экранов. Очень большое значение имеет цвет свечения люминофора. В осциллографической технике при визуальном наблюдении экрана используются ЭЛТ с зеленым свечением, наименее утомительным для глаза. Таким цветом свечения обладает ортосиликат цинка, активированный марганцем (вилле- мит). Для фотографирования предпочтительны экраны с синим цветом свечения, свойственным вольфрамату кальция. В приемных телевизионных трубках с черно-белым изображением стараются получить белый цвет, для чего применяются люминофоры из двух компонентов: синего и желтого.
Для изготовления покрытий экранов широко применяют также следующие люминофоры: сульфиды цинка и кадмия, силикаты цинка и магния, окислы и оксисульфиды редкоземельных элементов. Люминофоры на основе редкоземельных элементов обладают целым рядом достоинств: они более стойки к различным воздействиям, чем сульфидные, достаточно эффективны, имеют более узкую спектральную полосу излучения, что особенно важно в производстве цветных кинескопов, где необходима высокая чистота цвета и т. д. В качестве примера можно привести сравнительно широко используемый люминофор на основе окисла иттрия, активированного европием У 2 0 3: Ей. Этот люминофор имеет узкую полосу излучения в красной области спектра. Хорошими характеристиками обладает также люминофор, состоящий из оксисульфида иттрия с примесью европия У 2 0 3 8: Ей, который имеет максимум интенсивности излучения в красно-оранжевой области видимого участка спектра и лучшую химическую стойкость, чем У 2 0 3: Еи-люминофор.
Алюминий химически инертен при взаимодействии с люминофорами экранов, легко наносится на поверхность испарением в вакууме и хорошо отражает свет. К недостаткам алюминированных экранов можно отнести то, что алюминиевая пленка поглощает и рассеивает электроны с энергией меньше 6 кэВ, поэтому в этих случаях светоотдача резко падает. Например, светоотдача алюминированного экрана при энергии электронов в 10 кэВ примерно на 60% больше, чем при 5 кэВ. Экраны трубок имеют прямоугольную или круглую форму.
