Осциллографическая электронно-лучевая трубка. Передающие телевизионные трубки

Федеральное агентство по образованию

Кузбасская государственная педагогическая академия

Кафедра автоматизации производственных процессов

Реферат

по радиотехнике

Тема: Осциллографическая электронно-лучевая трубка. Передающие телевизионные трубки

Оглавление

I. 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. [1, стр.29]

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. [2, 54-57]

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 м² 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.[2, стр. 57]

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. [3, стр.55]

2.1 Передающие телевизионные трубки с накоплением зарядов

2.1.1 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.

Рис. 1а

Диаметр каждого зерна 0,025мм. Вторая сторона листка слюды покрыта сплошным проводящим слоем, который образует сигнальную пластинку 3. Каждое зерно серебра является катодом миниатюрного фотоэлемента и обкладкой элементарного конденсатора (С₁, С₂, С₃…,С_n), т.к. оно имеет определённую ёмкость по отношению к сигнальной пластинке. Мозаичный фотокатод трансформирует световую энергию, получаемую при проектировании на него изображения, в энергиюэлектрического поля элементарных конденсаторов. В боковом отростке передающей трубки смонтирован электронный прожектор 7, излучающий узкий пучок электронов диаметром около 0,2мм. При помощи отклоняющих катушек 8, по которым протекают пилообразные токи строчной и кадровой разверток, электронный луч 9 перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях по накопительным элементам.

При передаче изображения в иконоскопе протекают сложные электрические процессы, т.к. одновременно происходят фотоэффект и динатронный эффект с поверхности мозаики (вторичная эмиссия).

При рассмотрении физических процессов, протекающих при работе иконоскопа, будет видно, что в системах с накоплением энергии используется большая часть светового потока, тогда как в системах мгновенного действия используется световой поток, падающий только на один элемент. Казалось бы, что КПД систем с накоплением должен быть больше, чем систем мгновенного действия, в число раз, равное числу элементов разложения изображения. При высококачественной передаче изображения по телевидению количество элементов, на которое разбивается изображение, примерно равно 5*10⁵, следовательно, и выигрыш в чувствительности должен быть в 5*10⁵ раз больше по сравнению с трубками мгновенного действия. Практически выигрыш чувствительности в иконоскопе значительно меньше. Это объясняется тем, что только малая часть электронов вторичной эмиссии попадает на второй анод. Фототок в иконоскопе не достигает насыщения, а составляет всего 20-30% его величины, т.к. ускоряющее электрическое поле мозаика - второй анод незначительно. Поэтому коэффициент использования принципа накопления световой энергии примерно равен 2-5%. Однако иконоскоп значительно чувствительнее по сравнению с системами мгновенного действия.

Кроме низкого КПД и требуемой большой освещенности передаваемых изображений объектов, иконоскоп имеет ещё один существенный недостаток, связанный с перераспределением вторичных электронов на мишени. Т.к. большая часть вторичных электронов возвращается на мишень, понижая потенциал мишени тех точек, на которые они попадают, то полезный сигнал снижается. Кроме того, возвращающиеся электроны на поверхности мишени распределяются неравномерно: на нижний участок мишени и на участок, соответствующий окончанию строк, возвращается меньшее число электронов; большее число попадает на средние участки мишени, что приводит к значительному снижению потенциала её средней части и к появлению на изображении черного пятна. [3, стр.68-72]

2.1.2 Супериконоскоп

Супериконоскоп (иконоскоп с переносом изображения). В этой трубке процессы эммитирования фотоэлектронов и накопления зарядов разделены, при чём накопление зарядов происходит в результате вторичной электронной эмиссии под действием фотоэлектронов, что значительно повышает КПД трубки. В супериконоскопе (рис.2) изображение 1 с помощью объектива 2 проектируется не на мозаику, а на сплошной полупрозрачный сурьмяноцезиевый или кислородноцезиевый фотокатод 7.

Рис. 2

Фотоэлектроны под действием однородного электрического поля и поля магнитной линзы 6 переносятся на мозаику сигнальной пластины 4. Электроны, вышедшие из фотокатода под действием ускоряющего поля второго анода 5, выбивают из мозаики 4 вторичные электроны. Коэффициент вторичной эмиссии у >1. За счёт разности потока, падающего на мишень с фотокатода, и потока вторичных электронов уходящих с мишени на второй анод 5 и рамку 3, на мишени образуется потенциальный рельеф. В качестве мишени применяется пластина из полупроводящего стекла, покрытая с одной стороны плёнкой металла. Дальнейший процесс работы трубки с переносом изображения в темновом режиме аналогичен работе иконоскопа.

В передающих трубках типа супериконоскоп для получения черного участка в конце строк и кадра фотокатод трубки закрывается светонепроницаемой рамкой с прямоугольным отверстием, имеющим размеры несколько меньше чем размер растра передающей трубки. При этом длительность передачи тёмного участка изображения и время обратного хода луча должны быть короче длительности гасящего импульса, который должен по времени перекрывать их. При дальнейшем прохождении видеосигнала по тракту в схеме происходит замешивание и ограничение гасящих импульсов, вершины которых должны находиться на уровне вершин импульсов, образованных при передаче тёмных полосок.

Передающая трубка с переносом изображения по сравнению с иконоскопом имеет следующие преимущества:

1) накопление зарядов происходит с дополнительным вторично-электронным усилением;

2) коэффициент вторичной эмиссии мишени в трубке данного типа
а = 7 -^ 9;

3) изображение проектируется на полупрозрачный сплошной фотокатод, чувствительность которого в 15-- 20 раз выше, мозаичного. Это преимущество позволило значительно повысить коэффициент полезного действия телевизионной системы;

4) изображение высокого качества получается при освещенности фотокатода 10--20 лк. Изображение такого же качества можно получить с помощью иконоскопа, но уже при освещенности мозаики 100--150 лк. Таким образом, чувствительность супериконоскопа больше чувствительности иконоскопа в 6--10 раз.

Как иконоскоп, так и трубка с переносом изображения имеют один общий недостаток: вторичные электроны, возвращающиеся на мозаику сигнальной пластины, распределяются на ней неравномерно, поэтому и равновесный потенциал будет неодинаков по всей мозаике. Следовательно, образуется паразитный сигнал, который вызывает потемнение отдельных участков передаваемого изображения (появление черного пятна).

Для уменьшения эффекта черного пятна применяются такие способы:

а) на стенки колбы наносятся дополнительный фотослой, а перед мишенью устанавливают ускоряющий электрод в виде сетка. Дополнительный фотослой освещается извне лампочками-подсветками, при этом создается поток медленных электронов, которые оседают на мишени и снижают ее потенциал одинаково для всех элементов. Регулируя яркость свечения лампочек, освещающих дополнительный фотокатод и напряжение на ускоряющем электроде, можно резко уменьшать паразитный сигнал;

б) устанавливаются два дополнительных электрода, которые располагаются параллельно краям мишени в местах, где заканчивается развертка изображения. На эти электроды подается дополнительное напряжение (несколько вольт). При изменении напряжения на них изменяется электрическое поле вблизи мишени. Вследствие этого перераспределяется поток, медленных электронов на тех участках мишени, на которых ощущается недостаток электронов, и заряд мишени выравнивается.

Трубки с дополнительным фотокатодом и дополнительными электродами ЛИ-101 применяются в основном для студийных передач. В трубках ЛИ-101 в качестве фотокатода применен вновь разработанный высокочувствительный (100 мка1лм) многощелочной фотокатод. Все это дало возможность повысить чувствительность трубок ЛИ-101 по сравнению с ЛИ-7 в два раза и практически ликвидировать паразитный сигнал в виде черного пятна. [3, стр.73-80]

2.1.3 Ортикон

Рассмотрим принцип действия ортикона, упрощенная схема которого показана на рис.3. Электронный луч 12 прожектора 8, 9 и 10 отклоняется катушками 5 и обегает мозаику 3 так же, как и в иконоскопе. В ортиконе специальный электрод 4 создает тормозящее поле для электронного коммутирующего луча, поэтому скорость электронов при подходе к мишени понижается настолько, что электроны луча не в состоянии выбить из мишени вторичные электроны (коэффициент вторичной эмиссии о < 1). Под действием электронов коммутирующего луча потенциал мозаики понижается и становится несколько ниже потенциала катода. После этого электроны луча отражаются от мозаики и возвращаются на коллектор, потенциал, которого выше потенциала мозаики. Если мозаика не освещена, то устанавливается равновесное состояние, при котором количество электронов, приходящих с лучом к мозаике, равно количеству электронов, возвращающихся на коллектор, и сигналы изображения на нагрузочном резисторе отсутствуют.

Рис. 3

Изображение 1 через объектив 2 проектируется па полупрозрачную фотомозаику со стороны сигнальной пластины 13, при этом элементы мозаики будут излучать электроны пропорционально их освещенности и заряжаться положительно. Вылетевшие электроны фокусируются катушкой 6, через управляющий электрод 11 попадают в ускоряющее поле коллектора и полностью оседают на коллекторе 7, что устраняет возможность возвращения фотоэлектронов на мозаику. Коммутирующий электронный луч компенсирует положительные заряды мишени и доводит потенциал всех ее точек до равновесного значения. Электроны коммутирующего луча, оставшиеся от компенсации положительных зарядов, возвращаются на коллектор. Таким образом, луч оказывается промодулированным по плотности и на нагрузочном резисторе выделяется телевизионный сигнал.

Ортикон имеет малую чувствительность, так как проекция изображения на мозаику осуществляется со стороны сигнальной пластины, размеры которой малы. Для получения качественного изображения на этой трубке требуется освещенность на мозаике 60 лк. Кроме того, ортикон неустойчив в работе при больших освещенностях и имеет пониженную четкость вследствие трудности фокусировки луча, скорость электронов которого мала при подходе к мишени. При значительной освещенности какого-то участка мишени на нём возникает положительный заряд, который не в состоянии компенсировать коммутирующий электронный луч за время пребывания на этом участке, поэтому потенциал данного участка мишени начнет постепенно повышаться, стремясь к новому устойчивому значению, равному
потенциалу, коллектора. Положительные заряды такого участка мишени,
распределяясь на всю мозаику, нарушают работу передающей трубки. [3, стр. 80-82]

2.1.4 Суперортикон

Суперортикон является наиболее чувствительной телевизионной трубой. Основная деталь этой трубки -- двусторонняя мишень, которая, во-первых, разделяет элементы накопления световой, энергии от элементов считывания потенциального рельефа и усиления сигналов изображения и, во-вторых, исключает возникновение трапецеидальных искажений растра за счет совмещения оси электронного прожектора с оптической осью трубки. Двусторонняя мишень (рис. 4) представляет собой пленку из полупроводящего стекла толщиной 3 -- 5 мк с удельной проводимостью q₁= 5-10¹⁰ и коэффициентом вторичной эмиссии у=4ч5. На расстоянии 30--60 мк от пленки крепится мелкоструктурная сетка (на 1мм сетки насчитывается 20--30 ячеек), которая пропускает 60--70% падающих на нее фотоэлектронов.

Рис. 3

Рассмотрим принцип работы трубки с двусторонней мишенью. Изображение с помощью объектива проектируется на полупрозрачный фотокатод. Под действием падающего света: с поверхности фотокатода вылетают фотоэлектроны, образуя у поверхности фотокатода «электронное изображение», которое фокусирующим магнитным в ускоряющим электрическим полями переносится на поверхность двусторонней мишени. Так как фотоэлектроны при переносе имеют большое ускорение, то они пронизывают мелкоструктурную сетку и выбивают из мишени вторичные электроны. В результате этого на мишени образуется потенциальный рельеф, соответствующий распределению яркости поверхности изображения передачи, при этом потенциальный рельеф на мишени оказывается усиленным во столько раз, во сколько число выбитых электронов больше числа пришедших. Вылетевшие вторичные электроны полностью оседают на мелкоструктурной сетке. Заряды накапливаются на элементарных конденсаторах, образованных левой и правой поверхностями мишени.

Общие и электрические данные трубок ЛИ-13, ЛИ-17 и ЛИ-201. Передающие телевизионные трубки ЛИ-13, ЛИ-17 и ЛИ-201 предназначены дли работы в передающих телевизионных студийных камерах и передающих камерах передвижных телевизионных станций. [3, стр.82-89]

2.1.5 Видикон

Видикон -- передающая трубка, в которой используется явление внутреннего фотоэффекта -- фотопроводимость. На рис. 5 показано устройство видикона. Внутри цилиндрической стеклянной трубка 4 расположен электронный прожектор, состоящий.из катода 8, управляющего электрода 7 (модулятора) и первого анода 6. Вдоль стенок трубки расположен второй анод 5 и третий анод 3, который подключен к сетке 2, установленной вблизи мишени 1.

Рис. 5

Сетка создает однородное тормозящее поле перед фотопроводящим слоем. В некоторых типах видиконов второй и третий аноды соединяются между собой перемычками или выполняются в виде сплошного анода. Дно стеклянного цилиндра, расположенное против электронного прожектора, состоит из светочувствительной мишени -- проводящего полупрозрачного металлического слоя, покрытого с внутренней стороны пленкой фоторезистора толщиной 1-- 2 мк, а с внешней стороны -- стеклянным защитным слоем. Сигнальный электрод контактирует с металлическим кольцом, спаянным со стеклянным цилиндром. С помощью контакта в металлическом кольце сигнальный электрод включается в электрическую схему. На сигнальную пластину подаётся постоянное напряжение +20в относительно катода прожектора.

При проектировании изображения на фоторезистор проводимость его элементарных объемов возрастает пропорционально освещенности и в толще мишени образуется «рельеф проводимости». Каждая элементарная емкость мишени (с развой освещенностью) заряжается до различных значений. Таким образом, на поверхности фоторезистора, обращенной в сторону коммутирующего электронного луча, образуется потенциальный рельеф, при этом происходит накопление положительных зарядов на поверхности фоторезистора за время кадровой развертки. При последующем цикле развертки электронный луч оставляет на мишени электроны, количество которых определяется степенью освещённости отдельных участков фоторезистора, и доводит потенциал каждого элементарного участка его до потенциала катода (потенциальный рельеф стирается). В результате этого в цепи фоторезистора протекает ток, пропорциональный освещённости отдельных участков его, и на нагрузочном резисторе, включённом в цепь сигнальной пластины, образуется видеосигнал. В видиконах, работающих в режиме с разверткой быстрыми электронами, чувствительность значительно ниже, чем при работе в режиме с разверткой медленными электронами, поэтому для телевизионного вещания применяются видиконы, работающие в режиме развертки пучком медленных электронов, кроме видиконов для телекинопроекции, где освещенность может быть нелимитирована.

Первостепенной задачей по улучшению качественных показателей видиконов является снижение инерционности и повышение чувствительности. Изменение технологии нанесения фотослоев вне колбы, увеличение размеров мишени до 15 X 20 мм, а следовательно, и размеров колбы позволило значительно повысить чувствительность, глубину модуляции до 50-70% и достичь хорошей равномерности видеосигнала.

Наиболее распространенные видиконы это ЛИ-23 и ЛИ-401.Видиконы предназначены для работы в передающих телевизионных, телекинопроекционных камерах и в установках промышленного телевидения. [3, стр.89-92]

Список используемой литературы

1) Берикашвили В.Ш. Электронная техника: Учеб. пособие для студ. сред. проф. образования / В.Ш. Берикашвили, А.К. Черепанов. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 368 с.

2) Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники: Учеб. для неэлектротехн. спец. вузов/ О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е. изд, перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1986. - 336 с.

3) Справочник по телевидению. Омельяненко Ю.И., Алексеев К.А. и др. Издание 2-е., исправленное и дополненное. - «Технiка», 1971. - 608 с.

4) Яблонский Ф.М. Системы отображения информации. - М.: «Знание», 1983. - 64 с.