Электронно-лучевые трубки

Электронно-лучевые трубки (кинескопы) являются электровакуум-ными приборами и служат для создания изображения растровым методом. Кинескоп включает в себя стеклянную колбу 1, из которой выкачан воздух (то есть создан глубокий вакуум), элект­ронную пушку 2 и высоковольтный анод 3 (рис. 2.31). Дно колбы представляет собой экран 4, покрытый с внутренней стороны специаль­ным слоем люминофора 5, способным светиться под бом­бардирующим действием электронного пучка 6. Анод кинескопа выполнен в виде графитового прово­дящего покрытия, называемого аквадагом. Оно наносится непо­средственно на внутреннюю стенку конуса колбы.

Для подключения к высоковольтному источнику напряжения анод имеет металлический вывод 7. Изменение направления электронного пучка (луча) производится электростатическим или магнитным способом. На рис. 2.31 представлена схема однолучевого кинескопа с магнитным отклонением электронного пучка.

Работает кинескоп следующим образом. Образованный и сфокусиро­ванный электронной пушкой поток электронов (луч) под действием положи­тельного поля анода устремляется к экрану. Пролетая внутри отклоняющей системы 8, он отклоняется во всех необходи­мых направлениях в зависимости от величины электрических сигналов, подаваемых на отклоняющую систему. Бомбардируя люми­нофор, луч возбуждает небольшое люминесцирующее пятно, положение которого зависит от величины сигналов на отклоняющей системе. Эти сигналы заставляют двигаться светящееся пятно по экрану по определенной траектории, охватывающей почти все точки поверхности экрана. Весь экран прочерчи­вается со скоростью, учитывающей инерцию зрительного ощущения. В результате быстрого движения светящейся точки созданное на экране изображение кажется зрителю цельным. Например, при отсутствии видеосигналов у зрителя со­здается впечатление, что экран кинескопа полностью светится. При подаче видеосигналов на катод электронной пушки осуществляется яркостная модуляция электронного луча в соответствии с передаваемым сюжетом, что создает впечатление изо­бражения. Последовательная смена сюжетов создает впечатление движущегося изображения.

На анод кинескопа подается высокое напряжение, порядка 15-40 кВ(в зависимости от типа кинескопа). Двигаясь в поле этого напряжения, электроны подлетают к экрану с большой ско­ростью. Вообще говоря, яркость свечения экрана зависит как от этой ско­рости, так и от количества электронов, долетевших до экра­на. Однако, скорость движения электронов в луче можно считать величиной постоянной для данного кинескопа, так как напряжение на его аноде поддерживается постоянным. Яркость же в этом случае будет зависеть в основном от количества электронов, долетевших до экрана (то есть опре­деляется анодным током кинескопа). Поэтому яркость отдельных точек изображения можно модулировать путем изменения его анодного тока.

Для определения параметров модулятора яркости свечения кинескопа используют модуляционную характеристику (см. рис. 2.32).

Как видно из характеристики, уровень черного определяется минимальным током луча кинескопа, а уровень белого - максимальной амплитудой сигнала изображения, то есть максимальным рабочим током луча. Промежуточные значения напряжения на модуляторе, а следовательно, и интенсивности свечения экрана позволяют воспроизведение полутонов от черного до белого. Обычно этот промежуток разбивается на несколько града­ций яркости. Чем выше число градаций яркости, тем точнее будут воспроизводиться полутоновые изображения. Контрастность изображения ограничивается спектром модулирующего сигнала и минимальными размерами люминесцирующего пятна на экране. Чем выше верхняя граничная частота спектра модулирующего сигнала, тем более контрастное изображение может быть создано на экране кинескопа.

С другой стороны, в реальных условиях контрастность изображения ограничена ореолом во­круг возбужденной точки люминофора, отражением час­ти световой энергии внутрь трубки и засветкой экрана наружными источниками света. Отражение части световой энергии внутрь трубки ликвидируется за счет покрытия люминофора с внутрен­ней стороны тонким слоем алюминия. Диаметр ореола вокруг светящейся точки может существенно уменьшаться путем выбора люминофора и способа его нанесения на внутреннюю поверхность экранной части колбы.

Колбы некоторых кинескопов выполнены из металла. В этом случае они называются, в отличие от стеклянных, металлостеклянными. Последние обладают существен­ным недостатком, который заключается в том, что ме­таллическая часть колбы находится под напряжением 10-18 кВ,что приводит к необходимости электрического изолирования кинескопа от корпуса телевизора.

Магнитная отклоняющая система современных кинескопов обычно содержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки и образующих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Изменение магнитного поля во внутреннем объеме кинескопа, пересекаемом электронным лучом, возникает под действием тока, протекающего через катушки и изменяющегося по определенному закону. При этом катушки придают лучу нужное направление. В результате световое пятно, возбуждаемое электронным лучом на экране кинескопа, проходит путь, схематично показанный на рис. 2.33. Здесь сплошными линиями обозначен активный ход луча, пунктирными – обратный ход. Частота перехода на новую горизонтальную линию называется частотой горизонтальной (или строчной) развертки. Частота переходов из нижнего правого угла в левый верхний называется частотой вертикальной (или кадровой) развертки.

Рассмотрим отклонение электрона магнитным полем одной пары катушек, считая, что поле ограничено диаметром катушки и в этом пространстве оно однородно. На рис. 2.34 силовые линии магнитного поля изображены уходящими от зрителя перпендикулярно плоскости чертежа. Электрон с начальной скоростью V₀ движется в магнитном поле, вектор индукции B которого нормален к вектору скорости V₀, по окружности с радиусом

.

По выходе из магнитного поля электрон продолжает движение по касательной к его криволинейной траектории в точке выхода из поля. Он отклонится от оси трубки на некоторую величину z = L× tg a. При малых углах a » tg a можно использовать приближенное равенство z » La.

Величина центрального угла определяется равенством a = s/r » l₁/r, где s – кривая, по которой движется электрон в поле В. Подставляя сюда значение r, получаем:

.

Таким образом, отклонение электрона равно:

.

Выражая скорость V₀ электрона через напряжение на аноде, получаем:

.

Учитывая, что индукция магнитного поля пропорциональна числу ампер-витков wI,можно записать:

.

Выше мы рассмотрели процессы, связанные с изменениями направления электронного луча на пути от электронной пушки до экрана. Теперь коротко рассмотрим устройство получения и формирования электронного луча. Это устройство называется электронной пушкой. Основные детали простейшей электронной пушки показаны на рис. 2.35.

Рассмотрим ее устройство. Электроны генерируются с торцевой поверхности цилиндрического катода 3 в процессе термоэлектронной эмиссии. До уровня рабочей температуры катод подогревается спиралью 1, по которой течет ток. Спираль электрически изолирована от катода керамическим покрытием 2. Для увеличения эффективности термоэлектронной эмиссии используется оксидный слой с полупроводниковыми свойствами. Этот оксидный слой нанесен дно цилиндрического катода, обращенного в сторону экрана кинескопа. Далее вдоль оси симметрии цилиндрического катода установлен управляющий электрод 4, называемый модулятором. Он выполнен в виде цилиндра с донышком, в котором имеется отверстие. На модулятор подается отрицательное напряжение относительно катода. В электрическом поле приложенного к модулятору напряжения электроны потока, двигаясь в направлении экрана, смещаются к оси электронной пушки. Таким образом происходит первичное фокусирование электронного потока в луч. Через отверстие в донышке модулятора проходят лишь те электроны, которые двигаются вдоль оси электронной пушки. Модулятор также выполняет функции управляющей сетки. С увеличением отрицательного напряжения на модуляторе интенсивность выходящего из его отверстия электронного потока уменьшается и при определенном отрицательном напряжении полностью прекращается. Такое напряжение называется запирающим.

За модулятором установлен первый анод 5, на который подается положительное (относительно катода) напряжение. Конфигурация электрического поля в пространстве между модулятором и первым анодом имеет форму линзы. Этим полем осуществляется фокусировка электронного пучка, благодаря которой он приобретает форму веретена с острием, направленным к экрану кинескопа. Кроме того, поле этого анода ускоряет движение электронов потока в осевом направлении. Первый анод выполнен в виде полого цилиндра. Его диаметр больше, чем диаметр цилиндра модулятора. Изменяя напряжение на первом аноде, можно улучшить фокусировку электронного пучка. Далее следует второй анод 6, который также выполняет функции фокусировки и ускорения электронов. Как и первый анод, он выполнен в виде полого цилиндра.

Основная часть электронов в пучке, разогнавшись до большой скорости, не попадает на стенки второго анода, а пролетает по его оси. На второй анод подается достаточно высокое напряжение, необходимое для придания электронам в пучке большой скорости. Именно комплект перечисленных электродов образует электронный прожектор или электронную пушку. Этот узел выполняется в виде жесткого единого узла, собранного на слюдяных пластинках, с использованием керамических цилиндрических изоляторов.

Следует отметить, что при работе электронной пушки в области катода образуются отрицательно заряженные частицы - ионы. Наряду с электронами эти ионы также присутствуют в электронном луче, выходящем из электронной пушки. Магнитные поля отклоняющих катушек мало влияют на ионы, так как они обладают значительно большей, чем электроны, массой и разгоняются в трубке до меньших скоростей. Это обстоятельство приводит к тому, что ионы бомбардиру­ют люминофор только в центре экрана, что может привести к его разрушению. Для борьбы с этим явлением внутреннюю поверхность люминофора покрывают тонким слоем алюминия. Этот слой алюминия прозрачен для электронов и непрозрачен для ионов. Одновременно с защитой экрана от ионной бомбардировки, слой алюминия отражает свет люминесцирующего экрана на зрителя, не пропуская его внутрь экрана. Таким образом увеличивается светоотдача люминофора. Современные кинескопы больших размеров имеют угол от­клонения 110°, что позволяет делать их более компактными.

Весь путь от электронной пушки до фронтальной (экранной) части трубки поток электронов движется в электрическом поле высоковольтного анода. Здесь электроны приобретают достаточно большую энергию, основная часть которой расходуется на возбуждение люминофора.

Как правило, в современном цветном кинескопе используются три электронные пушки. Каждая из трех пушек соответствует одному из основных цветов (R, G или B) и посылает пучок электронов в три соседние точки на экране, покрытые люминофором с соответствующим цветом люминесценции. Свечение бомбардируемых участков основными цветами с различной интенсивностью дает элемент отображения с требуемым цветом. Например, если активировать на одинаковом уровне красную, зеленую и синюю люминофорные частицы, то их комбинация даст белый цвет. Очевидно, что электронный луч, предназначенный для красных люминофорных элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Чтобы добиться такого действия, используется специальная маска, чья структура зависит от типа кинескопов. Кинескопы можно разбить на два класса - трехлучевые с дельтаобразным и планарным расположением электронных пушек. Последние иногда называют кинескопами с самосведением лучей, так как воздействие магнитного поля Земли на три планарно расположенных луча практически одинаково и, при изменении положения трубки относительно поля Земли, не требуется производить дополнительные регулировки.

До настоящего времени теневая маска была самым распространенным типом масок. Она применялась со времени изобретения первых цветных кинескопов. Поверхность у кинескопов с теневой маской обычно сферической формы (выпуклая). Это делалось для того, чтобы электронный луч в центре экрана и по краям имел одинаковую толщину.

Теневая маска состоит из металлической пластины с круглыми отверстиями, которые занимают примерно 25 % площади (рис. 2.36). Помещается маска параллельно поверхности люминофора на определенном расстоянии от него. Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара, представляющего собой магнитный сплав железа [64 %] с никелем [36 %]. Этот материал имеет предельно низкий коэффициент теплового расширения, поэтому с нагревом маски электронами маска деформируется лишь незначительно. Расстояния от разных точек маски до люминофора остаются практически неизменными, что гарантирует попадание электронных лучей на участки люминофора с одним и тем же цветом люминесценции. Отверстия в металлической маске работают как прицел, и точность попадания луча на требуемые люминофорные элементы может быть обеспечена только тогда, когда взаимное расположение электронной пушки, прицела и цели с высокой точностью остается неизменной.

Недостатки теневой маски хорошо известны: во-первых, это малое соотношение пропускаемых и задерживаемых маской электронов (только около 20-30 % проходит через маску), что требует применения люминофоров с большой светоотдачей, а это, в свою очередь, ухудшает монохромность свечения, уменьшая диапазон цветопередачи, а во-вторых, обеспечить точное совпадение трех не лежащих в одной плоскости лучей при отклонении их на большие углы довольно трудно.

Вместо теневой маски в современных цветных кинескопах часто используются также апертурная решетка.

Апертурная решетка представляет собой тонкую металлическую фольгу, в которой прорезаны длинные узкие параллельные горизонтальные щели. В этом случае оси электронных пушек располагаются в одной горизонтальной плоскости.