Студент должен знать : структурную схему осциллографа; назначение основных блоков осциллографа; устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки; принцип действия генератора развертки (пилообразного напряжения), сложение взаимно перпендикулярных колебаний.
Студент должен уметь : определять опытным путем цену деления по горизонтали и по вертикали, измерять величину постоянного напряжения, период, частоту и амплитуду переменного напряжения.
Краткая теория Структура осциллографа
Электронный осциллограф является универсальным прибором, позволяющим следить за быстропротекающими электрическими процессами (длительностью до 10 -12 с). С помощью осциллографа можно измерить напряжение, силу тока, промежутки времени, определять фазу и частоту переменного тока.
Т.к. в функционирующих нервах и мышцах живых организмов возникают разности потенциалов, то электронный осциллограф, или его модификации широко применяют в биологических и медицинских исследованиях работы различных органов, сердца, нервной системы, глаз, желудка и т.д.
Прибор можно использовать для наблюдения и измерения неэлектрических величин, если применять специальные первичные преобразователи.
В осциллографе нет движущихся механических частей (см. рис. 1), а происходит отклонение электронного пучка в электрическом или магнитном полях. Узкий пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом, вызывает его свечение в этой точке. При перемещении пучка электронов можно следить за ним по движению светящейся точки на экране.
Электронный луч «следит» за изменением изучаемого электрического поля не отставая от него, т.к. электронный луч является практически безинерционным.
Рис. 1. Рис. 2.
Структура электронно-лучевой трубки Катод и модулятор
В этом большое достоинство электронного осциллографа по сравнению с другими регистрирующими приборами.
Современный электронный осциллограф имеет следующие основные узлы: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, усилители, блок питания.
Устройство и работа электронно-лучевой трубки
Рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим управлением электронным лучом.
ЭЛТ, схематически изображенная на рис. 1, представляет собой стеклянную колбу специальной формы, в которой создан высокий вакуум (порядка 10 -7 мм рт.ст.). Внутри колбы расположены электроды, выполняющие функцию электронной пушки для получения узкого пучка электронов; отклоняющие луч пластины и экран, покрытый слоем люминофора.
Электронная пушка состоит из катода 1, управляющего (модулирующего) электрода 2, дополнительного, экранирующего электрода 3 и первого и второго анодов 4, 5.
Подогревной катод 1 выполнен в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится нить накала, имеет слой оксида на передней торцевой части с малой работой выхода электронов для получения электронов (рис. 2).
Катод находится внутри управляющего электрода или модулятора, представляющего собой металлический стакан с отверстием в торце, через которое могут проходить электроны. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода и, изменяя величину этого потенциала, можно регулировать интенсивность потока электронов, проходящих через его отверстие и тем самым изменять яркость свечения экрана. Одновременно электрическое поле между катодом и модулятором фокусирует пучок электронов (рис. 2).
Экранирующий электрод 3 имеет потенциал немного выше потенциала катода и служит для облегчения выхода электронов, исключения взаимодействия электрических полей управляющего электрода 2 и первого анода 4.
Дополнительная фокусировка и ускорение электронов происходит электрическим полем между первым и вторым анодами, образующими электронную линзу. Аноды эти выполнены в виде цилиндров с диафрагмами внутри. На первый анод 4 подается положительный потенциал по отношению к катоду порядка сотен вольт, на второй 5 порядка тысячи вольт. Линии напряженности электрического поля между этими анодами представлены на рис.3.
Электронно-лучевая трубка, изобретенная еще в 1897 г., является электронно-вакуумным прибором, который имеет много общего с обычной электронной лампой. Внешне трубка представляет собой стеклянную колбу с удлиненной горловиной и плоской торцовой частью— экраном.
Внутри колбы и горловины, так же как и внутри баллона электронной лампы, располагаются электроды, выводы которых, так же как и у лампы, подпаяны к ножкам цоколя.
Основное назначение электронно-лучевой трубки — образование видимого изображения с помощью электрических сигналов. Подводя к электродам трубки соответствующие напряжения, можно рисовать на ее экране графики переменных напряжения и токов, характеристики различных радиоустройств, а также получать движущиеся изображения, подобным тем, которые мы видим на экране кино.
Рис. 1. Чудесный карандаш.
Все это делает электронно-лучевую трубку незаменимой частью телевизоров, радиолокаторов, многих измерительных и вычислительных приборов.
Какой же «быстрый карандаш» успевает зарисовывать на экране электроннолучевой трубки импульсы тока, которые длятся миллионные доли секунды? Каким образом удается подбирать тона сложного рисунка? Как можно мгновенно «стирать» с экрана одно изображение и с такой же быстротой создать другое? (рис. 1).
Люминесцирующий экран к электронный луч. В основе работы электронно-лучевой трубки лежит способность некоторых веществ (виллемит, сернистый цинк, алюминат цинка:) светиться (люминесцировать) под действием электронной бомбардировки.
Если таким люминесцирующим веществом покрыть изнутри анод обычной электронной лампы, то он будет ярко светиться за счет бомбардировки электронами, образующими анодный ток. Между прочим, такой люминесцирующий анод используется в одной из специальных электронных ламп — оптическом индикаторе настройки 6Е5С. Люминесцирующим составом покрывают изнутри утолщенный торец колбы, образуя таким образам люминесцирующий экран электронно-лучевой трубки. С помощью специального устройства —«электронной пушки»— из горловины трубки на экран направляютузкий пучок электродов —«электронный луч».
Рис. 2. Экран светится под действием пучка электронов.
В том месте, где электроны ударяются о люминесцирующий слой, на экране образуется светящаяся точка, которая отлично видна (с торца) снаружи трубки сквозь стекло. Чем большее количество электронов образует луч и чем с большей скоростью эти электроны движутся, тем ярче светящаяся точка на люминесцирующем экране.
Если электронный луч перемещать в пространстве, то и светящаяся точка также будет двигаться по экрану, причем если перемещение луча происходит достаточно быстро, то наш глаз вместо движущейся точки увидит на экране сплошные светящиеся линии (рис. 2).
Если электронным лучом быстро прочертить весь экран строка за строкой и при этом соответствующим образом менять ток луча (т. е. яркость светящейся точки), то на экране можно будет получить сложную и достаточно четкую картину.
Таким образом, изображение на люминесцирующем экране трубки получается с помощью остро направленного пучка электронов и поэтому, так же как и в электронной лампе, основные процессы в трубке связаны с получением и упорядоченным движением свободных электронов в вакууме.
Электронно-лучевая трубка и триод
Электроннолучевая трубка во многом напоминает усилительную лампу — триод. Так же как и в лампе, в трубке имеется катод, испускающий электроны, необходимые для образования электронного луча. От катода трубки электроны движутся к экрану, который, так же как и анод триода, имеет высокий положительный потенциал относительно катода.
Рис. 3. Возникновение вторичных электронов
Однако подача положительного напряжения непосредственно «а экран затруднена, так как люминесцирующее вещество является полупроводником. Поэтому положительные напряжения на экране приходится создавать косвенным путем. Колбу изнутри покрывают слоем графита, на который и подают положительное напряжение. Электроны, образующие луч, с силой ударяя в люминесцирующее вещество, «выбивают» из него так называемые «вторичные» электроны, которые упорядоченно движутся к графитовому покрытию под действием положительного напряжения на нем (рис. 3).
В первый момент число вторичных электронов, покидающих экран, намного превышает число попадающих в него электронов луча. Это приводит к тому, что в атомах люминесцирующего вещества образуется нехватка электронов, т. е. экран приобретает положительный потенциал. Равновесие между числом попадающих на экран электронов и числом выбиваемых из него вторичных электронов установится лишь тогда, когда напряжение на экране трубки окажется близким к напряжению на графитовом покрытии. Таким образом, ток в электронно-лучевой трубке замыкается по пути катод — экран — графитовое покрытие, а следовательно, именно графитовое покрытие играет роль анода, хотя электроды, вылетевшие из катода, непосредственно на него не попадают.
Вблизи катода трубки располагается управляющий электрод (модулятор), который играет ту же роль, что и управляющая сетка триода. Меняя напряжение на управляющем электроде, можно изменять величину тока луча, что в свою очередь приведет к изменению яркости светящейся на экране точки.
Однако наряду со сходством между усилительной электронной лампой и электронно-лучевой трубкой в работе последней имеются особенности, принципиально отличающие ее от триода.
Во-первых, электроны движутся от катода к экрану трубки узким пучком, в то время как к аноду лампы они движутся «широким фронтом».
Во-вторых, для того чтобы, передвигая светящуюся точку по экрану, создавать на нем изображение, необходимо изменять направление движения летящих к экрану электронов и, таким образом, перемещать электронный луч в пространстве.
Из всего этого следует, что важнейшими процессами, отличающими трубку от триода, являются образование тонкого электронного луча и отклонение этого луча в разные стороны.
Образование и фокусировка электронного луча
Образование электронного луча начинается уже около катода электронно-лучевой трубки, который состоит из маленького никелевого цилиндра с колпачком, покрытым эмиттирующим (хорошо испускающим электроны при нагревании) материалом. Внутри цилиндра помещается изолированная проволока — подогреватель. Благодаря такой конструкции катода электроны излучаются со значительно меньшей поверхности, чем в обычной электронной лампе. Это сразу создает некоторую направленность пучка летящих от катода электронов.
Катод электронно-лучевой трубки помещен в тепловой экран — металлический цилиндр, торцовая часть которого, направленная в сторону колбы, открыта. Благодаря этому электроны движутся от катода не во все стороны, как это имеет место в лампе, а только в направлении люминесцирующето экрана. Однако, несмотря на специальную конструкцию катода и тепловой экран, поток движущихся электронов остается чрезмерно широким.
Резкое сужение потока электронов осуществляется управляющим электродом, который хотя и выполняет роль управляющей сетки, конструктивно ничего общего с сеткой не имеет. Управляющий электрод выполнен в виде накрывающего катод цилиндра, в торцовой части которого сделано круглое отверстие диаметром в несколько десятых долей миллиметра.
На управляющий электрод подают значительное (несколько десятков вольт) отрицательное смещение, благодаря чему он отталкивает электроны, обладающие, как известно, отрицательным зарядом. Под действием отрицательного напряжения траектории (пути движения) электронов, проходящих сквозь узкое отверстие в управляющем электроде, «сжимаются» к центру этого отверстия и таким образом образуется довольно тонкий электронный луч.
Однако для нормальной работы трубки нужно не только создать электронный луч, но и произвести его фокусировку, т. е. добиться того, чтобы траектории всех электронов луча сходились на экране в одной точке. Если фокусировки луча не производить, то на экране вместо светящейся точки появится довольно большое светящееся пятно и вследствие этого изображение окажется расплывчатым или, как говорят фотолюбители, «нерезким».
Рис. 4. Электронная пушка и ее оптическая аналогия.
Фокусировка луча осуществляется электронной оптической системой, которая действует на движущиеся электроны так же, как и обычная оптика на световые лучи. Электронная оптическая система образуется электростатическими линзами (статическая фокусировка) либо электромагнитными линзами (магнитная фокусировка), конечный результат действия которых одинаков.
Электростатическая линза — это не что иное (рис. 4,а), как образованное с помощью специальных электродов электрическое поле, под действием которого искривляются траектории электронов луча. В трубке со статической фокусировкой (рис. 4,б) обычно имеются две линзы, для образования которых используют уже известный нам управляющий электрод, а также два специальных электрода: первый и второй аноды. Оба эти электрода представляют собой металлические цилиндры, иногда разных диаметров, на которые подают большое положительное (относительно катода) напряжение: на первый анод — обычно 200—500 в, на второй — 800—15 000 в.
Первая линза образуется между управляющим электродом и первым анодом. Ее оптическим аналогом является короткофокусная собирающая линза, состоящая из двух элементов: двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Эта линза дает внутри первого анода изображение катода, в свою очередь проектируемого на экран трубки с помощью второй линзы.
Вторая линза образуется полем между первым и вторым анодами и аналогична первой линзе, за исключением того, что ее фокусное расстояние значительно больше. Таким образом, первая линза играет роль конденсора, а вторая линза — главной проекционной линзы.
Внутри анодов располагают тонкие металлические пластины с отверстиями в центре — диафрагмы, которые улучшают фокусирующие свойства линз.
Изменяя напряжение на любом из трех образующих электростатические линзы электродов, можно менять свойства линз, добиваясь хорошей фокусировки луча. Обычно это делают путем изменения напряжения на первом аноде.
Несколько слов о названиях электродов «первый анод» и «второй анод». Раньше мы установили, что роль анода в электронно-лучевой трубке играет графитовое покрытие вблизи экрана. Однако первый « второй аноды, в основном предназначенные для фокусировки луча, благодаря наличию на них большого положительного напряжения ускоряют электроны, т. е. делают то же, что и анод усилительной лампы. Поэтому названия этих электродов можно считать оправданными, тем более что на них попадает некоторая часть вылетающих из катода электронов.
Рис. 5. Трубка с магнитной фокусировкой. 1 —управляющий электрод; 2—первый анод; 3—фокусирующая катушка; 4—графитовое покрытие; 5—-люминесцирующий экран; 6—колба.
В электронно-лучевых трубках с магнитной фокусировкой (рис. 5) второй анод отсутствует. Роль собирающей линзы в этой трубке играет магнитное поле. Это поле образуется охватывающей горловину трубки катушкой, по которой пропускают постоянный ток. Магнитное поле катушки создает вращательное движение электронов. В то же время электроны с большой скоростью движутся параллельно оси трубки к люминесцирующему экрану под действием положительного напряжения на нем. В результате этого траектории электронов представляют собой кривую, «напоминающую винтовую линию.
По мере приближения к экрану скорость поступательного движения электронов возрастает, а действие магнитного поля ослабляется. Поэтому радиус кривой постепенно уменьшается и вблизи экрана пучок электронов вытягивается в тонкий прямой луч. Хорошей фокусировки, как правило, добиваются путем изменения тока в фокусирующей катушке, т. е. путем изменения напряженности магнитного поля.
Всю систему для образования электронного луча в трубках часто называют «электронной пушкой» или «электронным прожектором».
Отклонение электронного луча
Отклонение электронного луча, так же как и его фокусировка, осуществляется с помощью электрических полей (электростатическое отклонение) либо с помощью магнитных полей (магнитное отклонение).
В трубках с электростатическим (рис. 6,а) отклонением электронный луч, прежде чем попасть на экран, проходит между четырьмя плоскими металлическими пластинами-электродами, которые получили название отклоняющих пластин.
Рис. 6. Управление лучом при помощи. а—электростатического и б—магнитного полей.
Федеральное агентство по образованию
Кузбасская государственная педагогическая академия
Кафедра автоматизации производственных процессов
Реферат
по радиотехнике
Тема: Осциллографическая электронно-лучевая трубка. Передающие телевизионные трубки
Электронно-лучевые индикаторы
1.1 Основные параметры ЭЛТ
1.2 Осциллографические электронные трубки
II. Передающие телевизионные трубки
2.1 Передающие телевизионные трубки с накоплением зарядов
2.1.1 Иконоскоп
2.1.2 Супериконоскоп
2.1.3 Ортикон
2.1.4 Суперортикон
2.1.5 Видикон
Список используемой литературы
I . Электронно-лучевые индикаторы
Электронно-лучевым называют электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей.
Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Источником электронов в ЭЛТ подогревный катод. Эмитированные катодом электроны собираются в узкий луч электрическим или магнитным полем специальных электродов или катушек с током. Электронный луч фокусируется на экране, для изготовления которого внутреннюю сторону стеклянного баллона трубки покрывают люминофором – веществом, способным светиться при бомбардировке его электронами. Положением видимого сквозь стекло баллона пятна на экране можно управлять, отклоняя поток электронов путём воздействия на него электрического или магнитного поля специальных (отклоняющих) электродов или катушек с током. Если формирование электронного луча и управление им осуществляется с помощью электростатических полей, то такой прибор называют ЭЛТ с электростатическим управлением. Если для этих целей используют не только электростатические, но и магнитные поля, то прибор называют ЭЛТ с магнитным управлением.
Схематическое изображение электронно-лучевой трубки
Рис.1
На рис.1 схематически показано устройство ЭЛТ. Элементы трубки размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух до остаточного давления 1-10 мкПа. Кроме электронной пушки, включающей в себя катод 1, сетку 2 и ускоряющий электрод 3, в электронной лучевой трубке есть магнитная отклоняющая и фокусирующая система 5 и отклоняющие электроды 4, позволяющие направить пучок электронов в различные точки внутренней поверхности экрана 9, имеющего металлическую анодную сетку 8 с проводящим слоем люминофора. Напряжение на сетку анода с люминофором подается через высоковольтный ввод 7. Пучок электронов, падающих с большой скоростью на люминофор, вызывает его свечение, и на экране можно видеть светящееся изображение пучка электронов.
Современные фокусирующие системы обеспечивают диаметр светящегося пятна на экране менее 0,1 мм. Вся система электродов, формирующих электронный луч, крепится на держателях (траверсах) и образует единое устройство, называемое электронам прожектором. Для управления положением светящегося пятна на экране применяют две пары специальных электродов - отклоняющих пластин, расположенных взаимно перпендикулярно. Изменяя разность потенциалов между пластинами каждой пары, можно изменять положение электронного луча во взаимно перпендикулярных плоскостях благодаря воздействию электростатических полей отклоняющих пластин на электроны. Специальные генераторы в осциллографах и телевизорах формируют линейно изменяющееся напряжение, которое подаётся на отклоняющие электроды и создает развертку изображения по вертикали и горизонтали. В результате на экране получают двумерную картину изображения.
ЭЛТ с магнитным управлением содержит такой же электронный прожектор, как и ЭЛТ с электростатическим управлением, за исключением второго анода. Вместо него применяют короткую катушку (фокусирующую) с током, надеваемую на горловину трубки вблизи первого анода. Неоднородное магнитное поле фокусирующей катушки, воздействуя на электроны, выполняет роль второго анода в трубке с электростатической фокусировкой.
Отклоняющая система в трубке с магнитным управлением выполняется в виде двух пар отклоняющих катушек, также размещаемых на горловине трубки между фокусирующей катушкой и экраном. Магнитные поля двух пар катушек взаимно перпендикулярны, что позволяет управлять положением электронного луча при изменении тока в катушках. Магнитные отклоняющие системы используют в трубках с высоким анодным потенциалом, необходимым для получения большой яркости свечения экрана, в частности в телевизионных приемных трубках - кинескопах. Поскольку магнитная отклоняющая система размещается вне баллона ЭЛТ, ее удобно вращать вокруг оси ЭЛТ, меняя положение осей на экране, что важно в некоторых применениях, например в радиолокационных индикаторах. С другой стороны, магнитная отклоняющая система инерционнее электростатической и не позволяет перемещать луч с частотой более 10-20 кГц. Поэтому в осциллографах - приборах, предназначенных для наблюдения на экране ЭЛТ изменений электрических сигналов во времени,- применяют трубки с электростатическим управлением. Заметим, что существуют ЭЛТ с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением.
1.1 Основные параметры ЭЛТ
Цвет свечения экрана может быть |различным в зависимости от состава люминофора. Чаще других используют экраны с белым, зеленым, синим, фиолетовым цветом свечения, однако имеются ЭЛТ с желтым, голубым, красным, оранжевым цветом.
Послесвечение - время, необходимое для спадания яркости свечения от номинальной до первоначальной после прекращения электронной бомбардировки экрана. Послесвечение делится на пять групп: от очень короткого (менее 10 -5 с) до очень длительного (более 16 с).
Разрешающая способность - ширина светящейся сфокусированной линии на экране или минимальный диаметр светящегося пятна.
Яркость свечения экрана - сила света, испускаемого 1 м 2 экрана в направлении, нормальном к его поверхности. Чувствительность к отклонению - отношение смещения пятна па экране к значению отклоняющего напряжения или напряженности магнитного поля.
Существуют разные виды ЭЛТ: осциллографические ЭЛТ, приёмные телевизионные трубки, передающие телевизионные трубки и проч. В своей работе я рассмотрю устройство и принцип действия осциллографической ЭЛТ и передающих телевизионных трубок.
1.2 Осциллографические электронно-лучевые трубки
Осциллографические трубки предназначены для получения изображения электрических сигналов на экране. Обычно это ЭЛТ с электростатическим управлением, в которых для наблюдения применяют зеленый цвет свечения экрана, а для фотографирования - голубой или синий. Для наблюдения быстропротекающих периодических процессов служат ЭЛТ с повышенной яркостью свечения и коротким послесвечением (не более 0,01 с). Медленные периодические и однократные быстро протекающие процессы лучше наблюдать на экранах ЭЛТ с длительным послесвечением (0,1-16 с). Осциллографические ЭЛТ выпускаются с круглым и прямоугольным экранами размерами от 14x14 до 254 мм в диаметре. Для одновременного наблюдения двух процессов и более выпускаются многолучевые ЭЛТ, в которых смонтированы два (или более) независимых электронных прожектора с соответствующими отклоняющими системами. Прожекторы смонтированы так, что и оси пересекаются в центре экрана.
II . Передающие телевизионные трубки
Передающие телевизионные трубки и системы преобразуют изображения объектов передачи в электрические сигналы. По способу преобразования изображений объектов передачи в электрические сигналы, передающие телевизионные трубки и системы подразделяются на трубки и системы мгновенного действия и трубки с накоплением зарядов.
В первом случае величина электрического сигнала определяется тем световым потоком, который в данный момент времени падает или на катод фотоэлемента, или на элементарный участок фотокатода передающей телевизионной трубки. Во втором случае происходит преобразование световой энергии в электрические заряды на накопительном элементе (мишени) передающей телевизионной трубки в течении периода кадровой развертки. Распределение электрических зарядов на мишени соответствует распределению света и тени по поверхности передаваемого объекта. Совокупность электрических зарядов на мишени называется потенциальным рельефом. Электронный луч периодически обегает все элементарные участки мишени и списывает потенциальный рельеф. При этом на нагрузочном сопротивлении выделяется напряжение полезного сигнала. Трубки второго типа, т.е. с накопленной световой энергией, имеют больший КПД, чем трубки первого типа, поэтому они широко применяются в телевидении. Именно поэтому подробней я рассмотрю устройство и виды трубок второго типа.
Передающие телевизионные трубки с накоплением зарядов
Иконоскоп
Важнейшей частью иконоскопа (рис.1а) является мозаика, которая состоит из тонкого листка слюда толщиной 0,025 мм. На одну сторону слюды нанесено большое число изолированных друг от друга мелких серебряных зёрен 4, окисленных и обработанных в парах цезия.
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) – электровакуумные приборы, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световое изображение с помощью тонкого электронного луча, направляемого на специальный экран, покрытый люминофором - составом, способным светиться при бомбардировке его электронами.
На рис. 15 показано устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением луча . В трубке имеется оксидный подогревный катод с эмиттирующей поверхностью, обращенной к отверстию в модуляторе. На модуляторе относительно катода устанавливается небольшой отрицательный потенциал. Далее по оси трубки (и по ходу луча) располагается фокусирующий электрод, называемый также первым анодом, его положительный потенциал способствует вытягиванию электронов из прикатодного пространства через отверстие модулятора и формированию из них узкого луча. Дальнейшую фокусировку и ускорение электронов осуществляет поле второго анода (ускоряющего электрода). Его потенциал в трубке наиболее положительный и составляет единицы – десятки киловольт. Совокупность катода, модулятора и ускоряющего электрода образует электронную пушку (электронный прожектор). Неоднородное электрическое поле в пространстве между электродами действует на электронный пучок как собирательная электростатическая линза. Электроны под действием этой линзы сходятся в точку на внутренней стороне экрана. Экран изнутри покрыт слоем люминофора – вещества, преобразующего энергию потока электронов в свет. Снаружи место падения потока электронов на экран светится.
Для управления положением светящегося пятна на экране и тем самым получения изображения электронный луч отклоняют по двум координатам с помощью двух пар плоских электродов – отклоняющих пластин X и Y. Угол отклонения луча зависит от напряжения, приложенного к пластинам. Под действием переменных отклоняющих напряжений на пластинах луч обегает разные точки на экране. Яркость свечения точки зависит от силы тока луча. Для управления яркостью подают переменное напряжение на вход модулятора Z. Для получения устойчивого изображения периодического сигнала осуществляют его периодическую развертку на экране, синхронизируя линейно изменяющееся напряжение развертки по горизонтали X исследуемым сигналом, который одновременно поступает на пластины вертикального отклонения Y. Таким путем формируют изображения на экране ЭЛТ. Электронный луч обладает малой инерционностью.
Кроме электростатической, применяется и магнитная фокусировка электронного луча. Для нее используют катушку с постоянным током, в которую вставляют ЭЛТ. Качество магнитной фокусировки выше (меньше размер пятна, меньше искажения), однако магнитная фокусировка громоздкая и непрерывно потребляет энергию.
Широко применяется (в кинескопах) магнитное отклонение луча, осуществляемое двумя парами катушек с токами. В магнитном поле электрон отклоняется по радиусу окружности, и угол отклонения может быть существенно большим, чем в ЭЛТ с электростатическим отклонением. Однако быстродействие магнитной отклоняющей системы невысокое из-за инерционности катушек с током. Поэтому в осциллографических трубках применяют исключительно электростатическое отклонение луча как менее инерционное.
Экран является важнейшей частью ЭЛТ. В качестве электролюминофоров применяют различные неорганические соединения и их смеси, например, сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка, вольфраматы кальция и кадмия и т.п. с примесями активаторов (меди, марганца, висмута и др.). Основные параметры люминофора: цвет свечения, яркость, сила света пятна, световая отдача, послесвечение. Цвет свечения определяется составом люминофора. Яркость свечения люминофора в Кд/м 2
B ~ (dn/dt)(U-U 0) m ,
где dn/dt – поток электронов в секунду, то есть, ток луча, А;
U 0 - потенциал свечения люминофора, В;
U – ускоряющее напряжение второго анода, В;
Сила света пятна пропорциональна яркости. Световая отдача – это отношение силы света пятна к мощности луча в Кд/Вт.
Послесвечение – это время, в течение которого яркость пятна после выключения луча спадает до 1% первоначального значения. Различают люминофоры с очень коротким (менее 10 мкс) послесвечением, с коротким (от 10 мкс до 10 мс), средним (от 10 до 100 мс), длительным (от 0,1 до 16 с) и очень длительным (более 16 с) послесвечением. Выбор величины послесвечения определяется областью применения ЭЛТ. Для кинескопов применяют люминофоры с малым послесвечением, так как изображение на экране кинескопа непрерывно меняется. Для осциллографических трубок используют люминофоры с послесвечением от среднего до очень длительного, в зависимости от частотного диапазона подлежащих отображению сигналов.
Важный вопрос, требующий более подробного рассмотрения, связан с потенциалом экрана ЭЛТ. Когда электрон попадает на экран, он заряжает экран отрицательным потенциалом. Каждый электрон подзаряжает экран, и его потенциал становится все более отрицательным, так что очень быстро возникает тормозящее поле, и движение электронов к экрану прекращается. В реальных ЭЛТ это не происходит, потому что каждый электрон, попавший на экран, выбивает из него вторичные электроны, то есть, имеет место вторично-электронная эмиссия. Вторичные электроны уносят с экрана отрицательный заряд, а для их удаления из пространства перед экраном внутренние стенки ЭЛТ покрыты проводящим слоем на основе углерода, электрически соединенным со вторым анодом. Для того, чтобы этот механизм работал, коэффициент вторичной эмиссии
, то есть, отношение числа вторичных электронов к числу первичных, должно превышать единицу. 
Однако у люминофоров коэффициент вторичной эмиссии К вэ зависит от напряжения на втором аноде U a . Пример такой зависимости изображен на рис. 16, откуда следует, что потенциал экрана не должен превышать величину
U a max , иначе яркость изображения будет не увеличиваться, а уменьшаться. В зависимости от материала люминофора напряжение U a max = 5…35 кВ. Для повышения предельного потенциала экран изнутри покрывают тонкой проницаемой для электронов пленкой металла (обычно алюминия – алюминированый экран), электрически соединенной со вторым анодом. В этом случае потенциал экрана определяется не коэффициентом вторичной эмиссии люминофора, а напряжением на втором аноде. Это позволяет использовать более высокое напряжение второго анода и получать более высокую яркость свечения экрана. Яркость свечения возрастает также и из-за отражения света, излучаемого вовнутрь трубки, от алюминиевой пленки. Последняя прозрачна лишь для достаточно быстрых электронов, поэтому напряжение второго анода должно превышать 7…10 кВ.
Срок службы электронно-лучевых трубок ограничивается не только потерей эмиссии катодом, как у других электровакуумных приборов, но также и разрушением люминофора на экране. Во-первых, мощность электронного луча используется крайне неэффективно. Не более двух процентов ее превращаются в свет, в то время как более 98% лишь нагревают люминофор, при этом происходит его разрушение, выражающееся в том, что постепенно световая отдача экрана снижается. Выгорание происходит быстрее при увеличении мощности потока электронов, при снижении ускоряющего напряжения, а также более интенсивно в местах, на которые луч падает большее время. Другой фактор, снижающий срок службы электронно-лучевой трубки, - это бомбардировка экрана отрицательными ионами, образующимися из атомов оксидного покрытия катода. Разгоняясь ускоряющим полем, эти ионы движутся к экрану, проходя отклоняющую систему. В трубках с электростатическим отклонением ионы отклоняются так же эффективно, как и электроны, поэтому попадают на разные участки экрана более или менее равномерно. В трубках с магнитным отклонением ионы отклоняются слабее из-за своей многократно большей массы, чем у электронов, и попадают, в основном, в центральную часть экрана, с течением времени образуя на экране постепенно темнеющее так называемое «ионное пятно». Трубки с алюминированным экраном гораздо менее чувствительны к ионной бомбардировке, так как пленка алюминия преграждает путь ионам к люминофору.
Наиболее широко применяются два типа электронно-лучевых трубок: осциллографические и кинескопы . Осциллографические трубки предназначены для отображения разнообразных процессов, представленных электрическими сигналами. Они имеют электростатическое отклонение луча, так как оно позволяет осциллографу отображать более высокочастотные сигналы. Фокусировка луча также электростатическая. Обычно осциллограф используется в режиме с периодической разверткой: на пластины горизонтального отклонения от внутреннего генератора развертки поступает пилообразное напряжение с постоянной частотой (напряжение развертки ), к пластинам вертикального отклонения прикладывается усиленное напряжение исследуемого сигнала. Если сигнал периодический и его частота в целое число раз превышает частоту развертки, на экране возникает неподвижный график сигнала во времени (осциллограмма ). Современные осциллографические трубки по конструкции сложнее, чем изображенная на рис. 15, они имеют большее количество электродов, применяются также двухлучевые осциллографические ЭЛТ, имеющие двойной комплект всех электродов при одном общем экране и позволяющие отображать синхронно два разных сигнала.
Кинескопы представляют собой ЭЛТ с яркостной отметкой , то есть, с управлением яркостью луча путем изменения потенциала модулятора; они применяются в бытовых и промышленных телевизорах, а также мониторах компъютеров для преобразования электрического сигнала в двумерное изображение на экране. От осциллографических ЭЛТ кинескопы отличаются большими размерами экрана, характером изображения (полутоновое на всей поверхности экрана), применением магнитного отклонения луча по двум координатам, относительно малым размером светящегося пятна, жесткими требованиями к стабильности размеров пятна и линейности разверток. Наиболее совершенными являются цветные кинескопы для мониторов компъютеров, они имеют высокое разрешение (до 2000 строк), минимальные геометрические искажения растра, правильную цветопередачу. В разное время выпускались кинескопы с размером экрана по диагонали от 6 до 90 см. Длина кинескопа по его оси обычно немного меньше размера диагонали, максимальный угол отклонения луча 110…116 0 . Экран цветного кинескопа изнутри покрыт множеством точек или узких полос из люминофоров разных составов, преобразующих электрический луч в один из трех основных цветов: красный, зеленый, голубой. В цветном кинескопе три электронные пушки, по одной на каждый основной цвет. При развертке по экрану лучи перемещаются параллельно и засвечивают соседние участки люминофора. Токи лучей разные и зависят от цвета получаемого элемента изображения. Кроме кинескопов для непосредственного наблюдения, существуют проекционные кинескопы, имеющие при небольших размерах высокую яркость изображения на экране. Это яркое изображение затем проецируют оптическими средствами на плоский белый экран, получая изображение большого размера.
В электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) для воспроизведения изображения на люминесцентном экране используется пучок электронов, получаемых с нагретого катода. Катод изготовляют оксидным, с косвенным накалом, в виде цилиндра с подогревателем. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной его фокусировки. На модулятор подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт. Чем это напряжение больше, тем больше электронов возвращается на катод. Другие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В ЭЛТ их минимум два. На втором аноде напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (порядка 20 кВ), а на первом аноде напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов имеются 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. 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. Электронный прожектор размещается в узкой горловине колбы ЭЛТ. Этот луч отклоняется под действием электрического или магнитного поля, а интенсивность луча можно изменять посредством управляющего электрода, меняя тем самым яркость пятна. Люминесцентный экран формируется путем нанесения тонкого слоя люминофора на внутреннюю поверхность торцевой стенки конической части ЭЛТ. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих экран, превращается в видимый свет.
ЭЛТ С электростатическим управлением.
Электрические поля обычно используются в ЭЛТ с экраном малого размера. В системах отклонения электрическим полем вектор поля ориентирован перпендикулярно начальной траектории луча. Отклонение осуществляется приложением разности потенциалов к паре отклоняющих пластин рисунок ниже. Обычно отклоняющие пластины делают отклонение в горизонтальном направлении пропорциональным времени. Это достигается приложением к отклоняющим пластинам напряжения, которое равномерно возрастает, пока луч перемещается поперек экрана. Затем это напряжение быстро падает до своего исходного уровня и снова начинает равномерно возрастать. Сигнал, который требует исследования, подают на пластины, отклоняющие в вертикальном направлении. Если продолжительность однократной горизонтальной развертки равна периоду или соответствует частоте повторения сигнала, на экране будет непрерывно воспроизводиться один период волнового процесса.
1- экран ЭЛТ, 2-катод, 3- модулятор, 4-первый анод, 5- второй анод, П - отклоняющие пластины.
ЭЛТ с электромагнитным управлением
В тех случаях, когда требуется большое отклонение, использование электрического поля для отклонения луча становится неэффективным.
Электромагнитные трубки имеют электронную пушку, такую же, как и электростатические. Разница состоит в том, что напряжение на первом аноде не изменяется, и аноды предназначены только для ускорения электронного потока. Магнитные поля требуются для отклонения луча в телевизионных ЭЛТ с большими экранами.
Фокусировка электронного луча осуществляется при помощи фокусирующей катушки. Фокусирующая катушка имеет рядовую намотку и одевается прямо на колбу трубки. Фокусирующая катушка создает магнитное поле. Если электроны движутся по оси, то угол между вектором скорости и магнитными силовыми линиями будет равен 0, следовательно, сила Лоренца равна нулю. Если электрон влетает в магнитное под углом, то за счет силы Лоренца траектория электрона будет отклоняться к центру катушки. В результате все траектории электронов будут пересекаться в одной точке. Изменяя ток через фокусирующую катушку, можно изменять местоположение этой точки. Добиваются того, чтобы эта точка находилась в плоскости экрана. Отклонение луча осуществляется при помощи магнитных полей, формируемых двумя парами отклоняющих катушек. Одна пара - катушки вертикального отклонения, и другая - катушки таким образом, что их магнитные силовые линии на осевой линии будут взаимно перпендикулярны. Катушки имеют сложную форму и располагаются на горловине трубки.
При использовании магнитных полей для отклонения луча на большие углы ЭЛТ получается короткой, а также позволяет изготавливать экраны больших размеров.
Кинескопы.
Кинескопы относятся к комбинированным ЭЛТ, то есть они имеют электростатическую фокусировку и электромагнитное отклонение луча для увеличения чувствительности. Основным отличием кинескопов от ЭЛТ является следующее: электронная пушка кинескопов имеет дополнительный электрод, который называется ускоряющим электродом. Он располагается между модулятором и первым анодом, на него подается положительное напряжение в несколько сотен вольт относительно катода, и он служит для дополнительного ускорения электронного потока.
Схематическое устройство кинескопа для черно-белого телевидения: 1- нить подогревателя катода; 2- катод; 3- управляющий электрод; 4- ускоряющий электрод; 5- первый анод; 6- второй анод; 7- проводящее покрытие (аквадаг); 8 и 9- катушки вертикального и горизонтального отклонения луча; 10- электронный луч; 11- экран; 12- вывод второго анода.
Вторым отличием является то, что экран кинескопа, в отличие от ЭЛТ, трехслойный:
1 слой - наружный слой - стекло. К стеклу экрана кинескопа предъявляются повышенные требования по параллельности стенок и по отсутствию посторонних включений.
2 слой - это люминофор.
3 слой - это тонкая алюминиевая пленка. Эта пленка выполняет две функции:
Увеличивает яркость свечения экрана, действуя как зеркало.
Основная функция состоит в защите люминофора от тяжелых ионов, которые вылетают из катода вместе с электронами.
Цветные кинескопы.
Принцип действия основан на том, что любой цвет и оттенок можно получить смешиванием трех цветов - красного, синего и зеленого. Поэтому цветные кинескопы имеют три электронных пушки и одну общую отклоняющую систему. Экран цветного кинескопа состоит из отдельных участков, каждый из которых содержит три ячейки люминофора, которые светятся красным, синим и зеленым цветами. Причем размеры этих ячеек настолько малы и они расположены настолько близко друг к другу, что их свечение воспринимается глазом как суммарное. Это общий принцип построения цветных кинескопов.
Мозаика (триады) экрана цветного кинескопа с теневой маской: R- красные, G- зеленые, B- синие люминофорные «точки».
Электропроводность полупроводников
Собственная проводимость полупроводников.
Собственным полупроводником называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решеткой на валентной орбите которого находится четыре электрона. В полупроводниковых приборах чаще всего используются кремний Si и германий Ge .
Ниже показана электронная оболочка атома кремния. В образовании химических связей и в процессе проводимости могут участвовать только четыре электрона внешней оболочки, называемые валентными электронами. Десять внутренних электронов в таких процессах не участвуют.
Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть представлена следующим образом.
Если электрон получил энергию, большую ширины запрещенной зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой . В химически чистом полупроводнике концентрация электронов n равна концентрации дырок p .
Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда.
Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счет собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.
Примесная проводимость проводников.
Так как у химически чистых полупроводников проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.
Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным. За счет этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь, за счет которой n > p , называется донорной примесью. Полупроводник, у которого n > p , называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n -типа.
В полупроводнике n -типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.
При введении трехвалентной примеси три ее валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвертая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.
Примесь, при которой p > n , называется акцепторной примесью.
Полупроводник, у которого p > n , называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником р-типа . В полупроводнике р-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.
Образование электронно-дырочного перехода.
Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела р и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счет которого электроны из n -области переходят в р-область , а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в р-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина р- n перехода - десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле р-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.
Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряженности электрического поля - на границе раздела.
Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на р- n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером . Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть р- n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.
Прямое и обратное включение р- n перехода.
Приложим внешнее напряжение плюсом к р -области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю р- n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через р- n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.
Такое включение р- n перехода называется прямым, и ток через р- n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении р- n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на р-область , а плюсом на n -область , то возникает внешнее электрическое поле, линии напряженности которого совпадают с внутренним полем р- n перехода. В результате это приведет к увеличению потенциального барьера и ширины р- n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть р- n переход, и считается, что р- n переход закрыт. Оба поля - и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через р- n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током . Такое включение р- n перехода также называется обратным.
Свойства р- n перехода. Вольтамперная характеристика р- n перехода
К основным свойствам р- n перехода относятся:
- свойство односторонней проводимости;
Температурные свойства р- n перехода;
Частотные свойства р- n перехода;
Пробой р- n перехода.
Свойство односторонней проводимости р- n перехода рассмотрим на вольтамперной характеристике.
Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через р- n переход тока от величины приложенного напряжения I = f (U ) – рис.29.
Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что р- n переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство р- n перехода показывает, как изменяется работа р- n перехода при изменении температуры. На р- n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени - охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока. Частотные свойства р- n перехода показывают, как работает р- n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства р- n перехода определяются двумя видами емкости перехода.
Первый вид емкости - это емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной емкостью. Второй тип емкости - это диффузионная емкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через р- n переход при прямом включении.
Если на р- n переход подавать переменное напряжение, то емкостное сопротивление р- n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах емкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением р- n перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту емкость потечет достаточно большой обратный ток, и р- n переход потеряет свойство односторонней проводимости.
Вывод: чем меньше величина емкости р- n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.
На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная емкость, т. к. диффузионная емкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление р- n перехода мало.
Пробой р- n перехода .
При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определенном обратном напряжении называется электрическим пробоем р- n перехода.
Электрический пробой - это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения р- n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счет теплового действия тока и р- n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем р- n перехода. Тепловой пробой необратим.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один р-n переход и имеющее два вывода. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.
Маркировка диодов состоит из 4 обозначений:
К С -156 А