Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением, т. е. с фокусировкой и отклонением луча электрическим полем, называемые для краткости электростатическими трубками, особенно широко применяют в осциллографах.

Рис. 20.1. Принцип устройства (а) и условное графическое обозначение (б) электростатической электронно-лучевой трубки

На рис. 20.1 показаны принцип устройства электростатической трубки простейшего типа и ее изображение на схемах. Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса или в виде цилиндра большего диаметра. На внутреннюю поверхность основания расширенной части нанесен люминесцентный экран ЛЭ - слой веществ, способных излучать свет под ударами электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы, как правило, на штырьки цоколя (для упрощения на рисунке выводы проходят непосредственно через стекло баллона).

Катод К обычно бывает оксидный косвенного накала в виде цилиндра с подогревателем. Вывод катода иногда совмещен с одним выводом подогревателя. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором (М ), цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной фокусировки его. На модулятор подается отрицательное - напряжение (обычно десятки вольт). С увеличением этого напряжения все больше электронов возвращается на катод. При некотором отрицательном напряжении модулятора трубка запирается.

Следующие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В простейшем случае их два. На втором аноде А 2 напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (иногда 10 - 20 кВ), а на первом аноде А 1 напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов 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. Более сложные фокусирующие системы содержат большее число цилиндров.

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.

На пути электронного луча поставлены под прямым углом друг к другу две пары отклоняющих пластин П х и П y . Напряжение, подведенное к ним, создает электрическое поле, отклоняющее электронный луч в сторону положительно заряженной пластины. Поле пластин является для электронов поперечным. В таком поле электроны движутся по параболическим траекториям, а, выйдя из него, далее движутся по инерции прямолинейно, т. е. электронный луч получает угловое отклонение. Чем больше напряжение на пластинах, тем сильнее отклоняется луч и тем больше смещается на люминесцентном экране светящееся, так называемое электронное пятно, возникающее от ударов электронов.

Пластины П y отклоняют луч по вертикали и называются пластинами вертикального отклонения (пластинами «игрек»), а пластины П х - пластинами горизонтального отклонения (пластинами «икс»). Одна пластина каждой пары иногда соединяется с корпусом аппаратуры (шасси), т. е. имеет нулевой потенциал. Такое включение пластин называется несимметричным. Для того чтобы между вторым анодом и корпусом не создавалось электрическое поле, влияющее на полет электронов, второй анод обычно также бывает соединен с корпусом. Тогда при отсутствии напряжения на отклоняющих пластинах между ними и вторым анодом не будет никакого поля, действующего на электронный луч.

Рис. 20.2. Питание электростатической трубки от двух источников

Поскольку второй анод соединен с корпусом, то катод, имеющий высокий отрицательный потенциал, равный напряжению второго анода, должен быть хорошо изолирован от корпуса. При включенном питании прикосновение к проводам катода, модулятора и цепи накала опасно. Так как на электронный луч могут влиять посторонние электрические и магнитные поля, то трубку часто помещают в экранирующий чехол из мягкой стали.

Свечение люминесцентного экрана объясняется возбуждением атомов вещества экрана. Электроны, ударяя в экран, передают свою энергию атомам экрана, в которых один из электронов переходит на более удаленную от ядра орбиту. При возвращении электрона обратно, на свою орбиту, выделяется квант лучистой энергии (фотон) и наблюдается свечение. Это явление называется катодолюминесценцией, а вещества, светящиеся под ударами электронов, называются катодолюминофорами или просто люминофорами.

Электроны, попадающие на экран, могут зарядить его отрицательно и создать тормозящее поле, уменьшающее их скорость. От этого уменьшится яркость свечения экрана и может вообще прекратиться попадание электронов на экран. Поэтому необходимо снимать отрицательный заряд с экрана. Для этого на внутреннюю поверхность баллона наносится проводящий слой. Он обычно бывает графитовым и называется аквадагом. Аквадаг соединяется со вторым анодом. Вторичные электроны, выбиваемые из экрана ударами первичных электронов, летят к проводящему слою. После ухода вторичных электронов потенциал экрана обычно близок к потенциалу проводящего слоя. В некоторых трубках имеется вывод от проводящего слоя (ПС на рисунке), который можно использовать в качестве дополнительного анода с более высоким напряжением. При этом электроны дополнительно ускоряются после отклонения в системе отклоняющих пластин (так называемое послеускорение ).

Проводящий слой исключает также образование на стенках баллона отрицательных зарядов от попадающих туда электронов. Эти заряды могут создавать дополнительные поля, нарушающие нормальную работу трубки. Если в трубке проводящего слоя нет, то вторичные электроны уходят с экрана на отклоняющие пластины и второй анод.

Все электроды трубки обычно монтируют с помощью металлических держателей и изоляторов на стеклянной ножке трубки.

Цепи питания. Цепи питания электростатической трубки показаны на рис. 20.2. Постоянные напряжения подаются на электроды от двух выпрямителей E 1 и Е 2 . Первый должен давать высокое напряжение (сотни и тысячи вольт) при токе в единицы миллиампер, источник Е 2 - напряжение, в несколько раз меньшее. От этого же источника питаются и другие каскады, работающие совместно с трубкой. Поэтому он рассчитан на ток в десятки миллиампер.

Питание электронного прожектора осуществляется через делитель, состоящий из резисторов R 1 R 2 , R 3 и R 4 . Их сопротивление обычно большое (сотни килоом), чтобы делитель потреблял небольшой ток. Сама трубка также потребляет малый ток: в большинстве случаев десятки или сотни микроампер.

Переменный резистор R 1 является регулятором яркости. Он регулирует отрицательное напряжение модулятора, которое снимается с правого участка R 1 Увеличение этого напряжения по абсолютному значению уменьшает число электронов в луче и, следовательно, яркость свечения.

Для регулирования фокусировки луча служит переменный резистор R 3 , с помощью которого изменяют напряжение первого анода. При этом изменяется разность потенциалов, а следовательно, и напряженность поля между анодами. Если, например, понижать потенциал первого анода, то разность потенциалов между анодами возрастет, поле станет сильнее и его фокусирующее действие увеличится. Поскольку напряжение первого анода U а 1 не следует уменьшать до нуля или увеличивать до напряжения второго анода U a 2 , в делитель введены резисторы R 2 и R 4

Напряжение второго анода U a 2 лишь немного меньше, чем напряжение Е 1 (разница - падение напряжения на резисторе R 1 ). Следует помнить, что скорость электронов, вылетающих из прожектора, зависит только от напряжения второго анода, но не от напряжения модулятора и первого анода. Некоторое число электронов попадает на аноды, особенно если аноды с диафрагмами. Поэтому в цепях анодов протекают токи в доли миллиампера и замыкаются через источник Е 1 . Например, электроны тока первого анода движутся в направлении от катода к аноду, затем через правый участок резистора R 3 и через резистор R 4 к плюсу источника Е 1 далее внутри него и через резистор R 1 к катоду.

Для начальной установки светящегося пятна на экране служат переменные резисторы R 5 и R 6 , подключенные к источнику Е 2 . Движки этих резисторов через резисторы R 7 и R 8 с большим сопротивлением подключены к отклоняющим пластинам. Кроме того, с помощью резисторов R 9 и R 10 , имеющих одинаковое сопротивление, устанавливается точка нулевого потенциала, соединенная с корпусом. У резисторов R 5 и R 6 на концах получаются потенциалы +0,5Е 2 и -0,5Е 2 , а их средние точки имеют нулевой потенциал. Когда движки резисторов R 5 , R 6 находятся в среднем положении, то на отклоняющих пластинах напряжение равно нулю. Смещая движки от среднего положения, можно подавать на пластины различные напряжения, отклоняющие электронный луч по вертикали или горизонтали и устанавливающие светящееся пятно в любой точке экрана.

На отклоняющие пластины через разделительные конденсаторы C 1 и С 2 подается также переменное напряжение, например исследуемое напряжение при использовании трубки для осциллографии. Без конденсаторов отклоняющие пластины шунтировались бы по постоянному напряжению внутренним сопротивлением источника переменного напряжения. При малом внутреннем сопротивлении постоянное напряжение на отклоняющих пластинах резко уменьшилось бы. С другой стороны, источник переменного напряжения иногда дает и постоянное напряжение, которое нежелательно подавать на отклоняющие пластины. Во многих случаях недопустимо также, чтобы в источник переменного напряжения попадало постоянное напряжение, имеющееся в цепях отклоняющих пластин.

Резисторы R 7 и R 8 включают для того, чтобы увеличить входное сопротивление отклоняющей системы для источников переменного напряжения. Без таких резисторов эти источники были бы нагружены на значительно меньшее сопротивление, создаваемое только резисторами R 5 , R 6 и резисторами R 9 , R 10 . При этом резисторы R 7 и R 8 не понижают постоянное напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины, так как через них не протекают постоянные токи.

Полезным током является ток электронного луча. Электроны этого тока движутся от катода к люминесцентному экрану и выбивают из последнего вторичные электроны, которые летят на проводящий слой и далее движутся в направлении к плюсу источника Е 1 , затем через его внутреннее сопротивление и резистор R 1 к катоду.

Рис. 20.3. Первая линза электронного прожектора

Питание электродов трубки может быть выполнено и по другим вариантам, например от одного источника высокого напряжения.

Электронные прожекторы. Электронный прожектор представляет собой электронно-оптическую систему, состоящую из нескольких электростатических электронных линз. Каждая линза образована неоднородным электрическим полем, которое вызывает искривление траекторий электронов (напоминающее преломление световых лучей в оптических линзах), а также ускоряет или тормозит электроны.

Простейший прожектор содержит две линзы. Первая линза, или линза предварительной фокусировки, образована, катодом, модулятором и первым анодом. На рис. 20.3 изображено поле в этой части прожектора. Эквипотенциальные поверхности показаны сплошными линиями, а силовые линии - штрихами. Как видно, часть силовых линий от первого анода идет к объемному заряду около катода, а остальные к модулятору, который имеет более низкий отрицательный потенциал, нежели катод. Линия ББ´ условно делит поле на две части. Левая часть поля фокусирует поток электронов и придает им скорость. Правая часть поля дополнительно ускоряет электроны и несколько рассеивает их. Но рассеивающее действие слабее фокусирующего, так как в правой части поля электроны движутся с большей скоростью.

Рис. 20.4. Траектории электронов в первой линзе электронного прожектора

Рассматриваемое поле аналогично системе двух линз - собирающей и рассеивающей. Собирающая линза сильнее рассеивающей, и в целом система является фокусирующей. Однако движение электронных потоков происходит по иным законам, нежели преломление световых лучей в линзах.

На рис. 20.4 показаны траектории электронов для крайних электронных пучков, выходящих из катода. Электроны движутся по криволинейным траекториям. Их потоки фокусируются и пересекаются в небольшой области, которая называется первым пересечением или скрещением и в большинстве случаев находится между модулятором и первым анодом.

Первая линза короткофокусная, так как скорость электронов в ней сравнительно невелика, и их траектории искривляются достаточно сильно.

С увеличением отрицательного напряжения модулятора по абсолютному значению повышается потенциальный барьер около катода и все меньшее число электронов способно его преодолеть. Уменьшается катодный ток, а следовательно, ток электронного луча и яркость свечения экрана. Потенциальный барьер повышается в меньшей степени у центральной части катода, так как здесь сильнее влияет ускоряющее поле, проникающее от первого анода через отверстие модулятора. При некотором отрицательном напряжении модулятора потенциальный барьер у краев катода повышается настолько, что электроны уже не могут его преодолеть. Рабочей остается только центральная часть катода. Дальнейшее увеличение отрицательного напряжения уменьшает площадь рабочей части катода и в конце концов сводит ее к нулю, т. е. трубка запирается. Таким образом, регулирование яркости связано с изменением площади рабочей поверхности катода.

Рис. 20.5. Вторая фокусирующая линза электронного прожектора

Рис. 20.6. Электронный прожектор с ускоряющим (экранирующим) электродом

Рассмотрим фокусировку электронного луча во второй линзе, т. е. в системе двух анодов (рис. 20.5, а). Линия ББ´ делит поле между анодами на две части. В левую часть поля поступает расходящийся электронный поток, который фокусируется, а в правой части поля происходит рассеивание потока. Рассеивающее действие слабее фокусирующего, так как скорость электронов в правой части поля выше, чем в левой. Все поле подобно оптической системе, состоящей из собирающей и рассеивающей линз (рис. 20.5, б). Поскольку скорости электронов в поле между анодами высокие, то система оказывается длиннофокусной. Это и требуется, так как необходимо сфокусировать электронный пучок на экран, находящийся довольно далеко.

При повышении разности потенциалов между анодами (уменьшении напряжения первого анода) напряженность поля увеличивается и фокусирующее действие усиливается. Принципиально можно регулировать фокусировку изменением напряжения второго анода, но это неудобно, так как будет изменяться скорость электронов, вылетающих из прожектора, что приведет к изменению яркости свечения на экране и повлияет на отклонение луча отклоняющими пластинами.

Недостаток описанного прожектора - взаимное влияние регулирования яркости и фокусировки. Изменение потенциала первого анода влияет на яркость, так как этот анод своим полем воздействует на потенциальный барьер около катода. А изменение напряжения модулятора сдвигает вдоль оси трубки область первого пересечения электронных траекторий, что нарушает фокусировку. Кроме того, регулирование яркости изменяет ток первого анода, а так как в его цепь включены резисторы с большими сопротивлениями, то меняется напряжение на нем, что приводит к расфокусировке. Изменение тока второго анода не влияет на фокусировку, так как в цепь этого анода не включены резисторы и, следовательно, напряжение на нем не может изменяться.

В настоящее время применяют прожекторы, в которых между модулятором и первым анодом поставлен дополнительный, ускоряющий (экранирующий ) электрод (рис. 20.6). Он соединен со вторым анодом, и напряжение на нем постоянно. Благодаря экранирующему действию этого электрода изменение потенциала первого анода при регулировании фокусировки практически не изменяет поле у катода.

Фокусирующая система, состоящая из ускоряющего электрода и двух анодов, работает следующим образом. Поле между первым и вторым анодом такое же, как показано на рис. 20.5, а. Оно осуществляет фокусировку так, как было объяснено ранее. Между ускоряющим электродом и первым анодом имеется неоднородное поле, подобное полю между анодами, но не ускоряющее, а тормозящее. Электроны, влетающие в это поле расходящимся потоком, в левой половине поля рассеиваются, а в правой - фокусируются. При этом фокусирующее действие сильнее рассеивающего, так как в правой половине поля скорость электронов меньше. Таким образом, на участке между ускоряющим электродом и первым анодом также происходит фокусировка. Чем ниже напряжение первого анода, тем выше напряженность поля и сильнее фокусировка.

Рис. 20.7. Электростатическое отклонение луча

Чтобы регулирование яркости меньше влияло на фокусировку, первый анод делают без диафрагм (рис. 20.6). На него электроны не попадают, т. е. ток первого анода равен нулю. Современные электронные прожекторы дают на экране светящееся пятно с диаметром, не превышающим 0,002 диаметра экрана.

Электростатическое отклонение луча. Отклонение электронного луча и светящегося пятна на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется чувствительностью трубки. Если обозначить отклонение пятна по вертикали через у, а напряжение на пластинах «игрек» через U y , то

y = S y U y , (20.1)

где S y - чувствительность трубки для пластин «игрек».

Подобно этому отклонение пятна по горизонтали

x = S x U x . (20.2)

Таким образом, чувствительность электростатической трубки есть отношение отклонения светящегося пятна на экране к соответствующему отклоняющему напряжению:

S x = x /U x и S y = y /U y . (20.3)

Другими словами, чувствительность есть отклонение светящегося пятна, приходящееся на 1 В отклоняющего напряжения. Выражают чувствительность в миллиметрах на вольт. Иногда под чувствительностью понимают величину, обратную S x или S y , и выражают ее в вольтах на миллиметр.

Формулы (20.3) не означают, что чувствительность обратно пропорциональна отклоняющему напряжению. Если увеличить в несколько раз U y , то во столько же раз возрастет у, а значение S y останется без изменения. Следовательно, S y не зависит от U y . Чувствительность бывает в пределах 0,1 - 1,0 мм/В. Она зависит от режима работы и некоторых геометрических размеров трубки (рис. 20.7):

S = l пл l /(2dU a 2), (20.4)

где l пл - длина отклоняющих пластин; l - расстояние от середины пластин до экрана; d - расстояние между пластинами; U a 2 - напряжение второго анода.

Эту формулу нетрудно объяснить. С увеличением l пл электрон дольше летит в отклоняющем поле и получает большее отклонение. При одном и том же угловом отклонении смещение светящегося пятна на экране возрастает с увеличением расстояния l . Если увеличить d , то напряженность поля между пластинами, а следовательно, отклонение уменьшится. Повышение напряжения U a 2 приводит к уменьшению отклонения, поскольку возрастает скорость, с которой электроны пролетают поле между пластинами.

Рассмотрим возможность повышения чувствительности исходя из формулы (20.4). Увеличение расстояния l нежелательно, так как чрезмерно длинная трубка неудобна в эксплуатации. Если увеличить l пл или уменьшить d , то нельзя получить значительного отклонения луча, так как он будет попадать на пластины. Чтобы этого не произошло, пластины изгибают и располагают относительно друг друга так, как показано на рис. 20.8. Можно увеличить чувствительность, понижая напряжение U a 2 . Но это связано с уменьшением яркости свечения, что во многих случаях недопустимо, особенно при большой скорости движения луча по экрану. Понижение анодного напряжения ухудшает также фокусировку. При более высоком напряжении U a 2 электроны движутся с большими скоростями, меньше сказывается взаимное отталкивание электронов. Их траектории в электронном прожекторе располагаются под малым углом к оси трубки. Такие траектории называются параксиальными. Они обеспечивают лучшую фокусировку и меньшие искажения изображения на экране.

Уменьшение яркости свечения при понижении анодного напряжения U a 2 компенсируется в трубках с послеускорением. В этих трубках электронный прожектор сообщает электронам энергию не более 1,5 кэВ. С такой энергией они пролетают между отклоняющими пластинами, а затем попадают в ускоряющее поле, созданное третьим анодом. Последний представляет собой проводящий слой перед экраном, отделенный от остального слоя, соединенного со вторым анодом (рис. 20.9, а). При этом U a 3 > U a 2 . Поле между этими двумя слоями образует линзу, которая ускоряет электроны. Но вместе с тем происходит некоторое искривление траекторий электронов. Вследствие этого чувствительность снижается и возникают искажения в изображении. Эти недостатки в значительной степени устраняются при многократном послеускорении, когда имеется несколько проводящих колец с постепенно возрастающим напряжением: U a 4 > U a 3 > U a 2 > U a1 (рис. 20.9, б).

Рис. 20.8. Отклоняющие пластины

Рис. 20.9. Дополнительные аноды для послеускорения

Если отклоняющее напряжение изменяется с очень высокой частотой, то в изображении возникают искажения, так как время пролета электронов в поле отклоняющих пластин становится соизмеримым с периодом колебаний отклоняющего напряжения. За это время напряжение на пластинах заметно изменяется (даже может изменить свой знак). Для уменьшения таких искажений отклоняющие пластины делают короткими и применяют более высокие ускоряющие напряжения. С повышением частоты, кроме того, все больше сказывается влияние собственной емкости отклоняющих пластин.

В настоящее время для осциллографии на СВЧ применяют специальные трубки с более сложными отклоняющими системами.

Измерение и наблюдение переменных напряжений. Если к отклоняющим пластинам «игрек» подведено переменное напряжение, то электронный луч совершает колебания и на экране видна вертикальная светящаяся черточка (рис. 20.10, а ) Ее длина пропорциональна двойной амплитуде подведенного напряжения 2 U m . Зная чувствительность трубки и измерив у, можно определить U m по формуле

U m = y /(2S y). (20.5)

Рис. 20.10. Измерение переменного напряжения с помощью ЭЛТ

Рис. 20.11. Пилообразное напряжение для линейной развертки

Рис. 20.12. Осциллограммы синусоидального напряжения при кратном соотношении частот

Например, если S y = 0,4 мм/В, а у = 20 мм, то U m = 20/(2 0,4) = 25 В.

Если чувствительность трубки неизвестна, ее определяют. Для этого нужно подвести к пластинам известное переменное напряжение и измерить длину светящейся черточки. Напряжение можно подвести от сети и измерить вольтметром. Следует помнить, что вольтметр покажет действующее значег ние напряжения, которое надо пересчитать в амплитуду, умножив на 1,4.

Как видно, ЭЛТ можно использовать в качестве амплитудного вольтметра. Достоинство такого измерительного устройства - большое входное сопротивление и возможность измерений на весьма высоких частотах.

Описанный метод позволяет измерять пиковые значения несинусоидальных напряжений, а также амплитуды положительной и отрицательной полуволн переменного напряжения. Для этого запоминают положение светящегося пятна при отсутствии измеряемого напряжения, затем его подают и измеряют расстояния у 1 и у 2 от начального положения пятна до концов светящейся черточки (рис. 20.10, б). Амплитуды полуволн при этом

U m1 = у 1 /S y и U m2 = у 2 /S y . (20.6)

Для наблюдения переменных напряжений к пластинам П у подводят исследуемое напряжение, а к пластинам П х - напряжение развертки U разв, имеющее пилообразную форму (рис. 20.11) и получаемое от специального генератора. Это напряжение осуществляет временную развертку. В течение времени t 1 когда напряжение растет, электронный луч равномерно движется по горизонтали в одном направлении, например слева направо, т. е. делает прямой, или рабочий, ход. При резком уменьшении напряжения в течение времени t 2 луч делает быстрый обратный ход. Все это повторяется с частотой напряжения развертки.

Когда исследуемое напряжение отсутствует, на экране видна горизонтальная светящаяся черточка, играющая роль оси времени. Если подать исследуемое переменное напряжение на пластины П у , то пятно на экране одновременно будет совершать колебание по вертикали и повторяющееся равномерное движение с обратным ходом по горизонтали. В результате наблюдается светящаяся кривая исследуемого напряжения (рис. 20.12). На рисунке показаны осциллограммы синусоидального напряжения, но можно наблюдать напряжение любой формы.

Чтобы кривая была неподвижной, период развертывающего напряжения Т разв должен быть равен периоду исследуемого напряжения Т или в целое число раз больше его:

Т разв = n Т , (20.7)

где п - целое число.

Рис. 20.13. Осциллограммы синусоидального напряжения при дробном соотношении частот

Соответственно частота развертки Ур а з В должна быть в целое число раз меньше частоты исследуемого напряжения:

f разв = f /n . (20.8)

Тогда за время Т разв пройдет целое число колебаний исследуемого напряжения и в конце обратного хода пятно на экране окажется в том месте, откуда оно начало двигаться во время прямого хода. На рисунке показаны наблюдаемые осциллограммы при п = 1, или Т разв = Т, и п = 2, т. е. Т разв = 2Т Время обратного хода t 2 желательно иметь возможно меньшим, так как за счет него часть кривой не воспроизводится (штрихи на рисунке). Кроме того, чем меньше t 2 , тем быстрее обратный ход луча и тем слабее он виден. Следует установить п не менее 2, чтобы было видно полностью хотя бы одно целое колебание. Подбор значения п производится изменением частоты генератора развертки. Если п не будет целым числом, то осциллограмма не остается неподвижной и вместо одной кривой наблюдается несколько, что неудобно. На рис. 20.13 показаны осциллограммы синусоидального напряжения при п = 1 / 2 и п = 3 / 4 . Для упрощения здесь принято, что время обратного хода t 2 = 0. Стрелки с цифрами на рисунке указывают последовательность движения пятна на экране.

Подобранное целое число п обычно сохраняется лишь короткое время, так как генератор развертки имеет нестабильную частоту, да и частота исследуемого напряжения также может изменяться. Для сохранения выбранного п в течение длительного времени применяют синхронизацию генератора развертки исследуемым напряжением. Синхронизация состоит в том, что исследуемое напряжение подводится к генератору развертки и он генерирует пилообразное напряжение с частотой, меньшей в целое число раз, нежели частота исследуемого.

Исследуемые напряжения обычно подают на отклоняющие пластины через разделительные конденсаторы (см. рис. 20.2). Поэтому на пластины не попадает постоянная составляющая и наблюдается лишь переменная. Ось времени (нулевая ось) этой составляющей представляет собой ту горизонтальную линию, которая остается на экране, если прекратить подачу исследуемого напряжения. Для получения истинной осциллограммы напряжения, содержащего постоянную составляющую, его необходимо подавать на пластины непосредственно, а не через конденсаторы.

Если нужно наблюдать осциллограмму тока, то в его цепь включают резистор R . Напряжение на нем, пропорциональное исследуемому току, подводят к пластинам П у . По известной чувствительности трубки определяют это напряжение. Разделив его на сопротивление R , находят ток. Чтобы ток заметно не изменился при включении резистора R , последний должен иметь относительно малое сопротивление. Если напряжение будет недостаточным, то его придется подавать через усилитель с известным коэффициентом усиления.

Искажения изображений. В электростатических трубках искажения осциллограмм наблюдаются главным образом при несимметричном включении отклоняющих пластин, т. е. когда одна пластина каждой пары соединена со вторым анодом (см. рис. 20.2). Пусть при таком включении на пластины П у подано переменное напряжение с амплитудой U m . Тогда на одной пластине потенциал равен нулю относительно корпуса, а на другой пластине он меняется от + U m до - U m (рис. 20.14, а). Соответственно меняются и потенциалы различных точек в пространстве между пластинами. При положительной полуволне напряжения электроны пролетают через точки с потенциалами более высокими, чем U а2 . За счет этого скорость их увеличивается, а чувствительность трубки уменьшается. При отрицательной полуволне электроны уменьшают скорость, так как потенциалы точек между пластинами ниже U а2 . Это приведет к увеличению чувствительности трубки. В результате отклонение y 1 при положительной полуволне будет меньше, чем отклонение у 2 при отрицательной полуволне. Осциллограмма синусоидального напряжения станет несинусоидальной, т. е. возникнут нелинейные искажения.

Рис. 20.14. Отклонение электронного луча при несимметричном (а) и симметричном (б) включении отклоняющих пластин

При симметричном включении ни одна из отклоняющих пластин не соединяется непосредственно с корпусом и вторым анодом, а точки нулевого потенциала находятся в средней плоскости между пластинами (рис. 20.14, б). Потенциалы пластин в любой момент одинаковы по значению и противоположны по знаку. На одной пластине потенциал принимает крайние значения ±0,5U m , а на другой соответственно − + 0,5U m . Отклонение электронного луча к любой из пластин происходит в одинаковых условиях, и поэтому у 1 = у 2 . На рис. 20.15 показан вариант симметричного включения отклоняющих пластин. Постоянное напряжение для начальной установки пятна снимается со сдвоенного резистора R 6 , R 6 ´. При одновременном перемещении их движков с помощью одной ручки потенциалы отклоняющих пластин изменяются одинаково по значению, но противоположно по знаку.

Рис. 20.15. Симметричное включение отклоняющих пластин

Симметричные включение пластин уменьшает и другие неприятные явления, например ухудшение фокусировки при смещении пятна к краю экрана.

Несимметричное включение пластин, более удаленных от прожектора, создает трапецеидальные искажения. Они возникают вследствие наличия поля на пути электронов от одной пары пластин к другой. Пусть, например, на ближайшие к прожектору пластины П у , включенные любым образом, подано переменное напряжение, а на пластинах П х , включенных несимметрично, напряжение равно нулю. Тогда на экране видна вертикальная светящаяся черточка 1 (рис. 20.16).

Рис. 20.16. Трапецеидальные искажения

Рис. 20.17. Принцип устройства и условное графическое обозначение магнитной электронно-лучевой трубки

Если подать на пластину П х , не соединенную с корпусом, положительный потенциал, то черточка сместится в сторону этой пластины (линия 2 ), но станет несколько короче. Это объясняется тем, что между положительно заряженной пластиной П х и пластинами П у образовалось дополнительное ускоряющее поле, которое несколько искривляет траектории электронов и уменьшает их отклонение, вызванное напряжением на пластинах П у . При отрицательном потенциале той же пластины П х на электроны, вылетевшие из пластин П у , действует дополнительное тормозящее поле, которое несколько увеличит их отклонение; черточка на экране сместится влево и станет длиннее (линия 3 ). Рассмотренные светящиеся черточки образуют фигуру в виде трапеции, что объясняет название данных искажений. Для уменьшения искажений устанавливают экраны между пластинами П х и П у и придают более удаленным от прожектора пластинам специальную форму.

В настоящее время применяют, как правило, симметричное включение пластин, так как оно уменьшает многие виды искажений. Несимметричное включение можно применять в том случае, когда отклонение луча будет производиться только в одну сторону.

Применение электронно-лучевой трубки

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

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

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

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

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

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

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

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

Магнитные трубки применяются в телевизорах.

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:

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.

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.