Cele pracy
- ogólna znajomość budowy i zasady działania oscyloskopów elektronicznych,
- określenie czułości oscyloskopu,
- Wykonanie niektórych pomiarów w obwodzie prądu przemiennego za pomocą oscyloskopu.
Ogólne informacje o budowie i działaniu oscyloskopu elektronicznego
Za pomocą katody kineskopu oscyloskopu powstaje strumień elektronów, który w lampie formuje się w wąską wiązkę skierowaną w stronę ekranu. Wiązka elektronów skupiona na ekranie lampy powoduje w miejscu uderzenia plamkę świetlną, której jasność zależy od energii wiązki (ekran pokryty jest specjalną kompozycją luminescencyjną, która świeci pod wpływem wiązki elektronów). Wiązka elektronów jest praktycznie bezwładna, więc plamka świetlna może niemal natychmiastowo przesunąć się w dowolnym kierunku po ekranie, jeśli do wiązki elektronów przyłożone zostanie pole elektryczne. Pole tworzone jest za pomocą dwóch par płasko-równoległych płytek zwanych płytami odchylającymi. Mała bezwładność wiązki umożliwia obserwację szybko zmieniających się procesów z częstotliwością 10 9 Hz lub większą.
Biorąc pod uwagę istniejące oscyloskopy, różne pod względem konstrukcji i przeznaczenia, widać, że ich schemat funkcjonalny jest w przybliżeniu taki sam. Głównymi i obowiązkowymi węzłami powinny być:
Lampa elektronopromieniowa do wizualnej obserwacji badanego procesu;
Zasilacze umożliwiające uzyskanie niezbędnych napięć doprowadzanych do elektrod rurowych;
Urządzenie do regulacji jasności, ogniskowania i przesunięcia wiązki;
Generator skanujący do przemieszczania wiązki elektronów (i odpowiednio plamki świetlnej) po ekranie lampy z określoną prędkością;
Wzmacniacze (i tłumiki) służą do wzmacniania lub tłumienia napięcia badanego sygnału, jeżeli nie jest ono wystarczające do zauważalnego odchylenia wiązki na ekranie lampy lub wręcz przeciwnie, jest zbyt duże.
Urządzenie kineskopowe
Przede wszystkim rozważmy urządzenie lampy elektronopromieniowej (ryc. 36.1). Zwykle jest to szklana kolba 3, w której panuje wysoka próżnia. W jej wąskiej części znajduje się podgrzewana katoda 4, z której emitowane są elektrony w wyniku emisji termojonowej.Układ cylindrycznych elektrod 5, 6, 7 skupia elektrony w wąską wiązkę 12 i reguluje jej natężenie. Następnie następują dwie pary płytek odchylających 8 i 9 (pozioma i pionowa) i wreszcie ekran 10 - spód żarówki 3, pokryty kompozycją luminescencyjną, dzięki czemu widoczny staje się ślad wiązki elektronów.
Katoda zawiera włókno wolframowe – grzejnik 2, umieszczone w wąskiej rurce, której koniec (w celu zmniejszenia funkcji pracy elektronów) pokryty jest warstwą tlenku baru lub strontu i jest w rzeczywistości źródłem przepływu elektronów.
Proces kształtowania elektronów w wąską wiązkę za pomocą pól elektrostatycznych jest pod wieloma względami podobny do działania soczewek optycznych na wiązkę światła. Dlatego układ elektrod 5,6,7 nazywany jest urządzeniem elektrooptycznym.
Elektroda 5 (modulator) w postaci zamkniętego cylindra z wąskim otworem znajduje się pod niewielkim potencjałem ujemnym w stosunku do katody i pełni funkcje podobne do siatki sterującej lampy elektronowej. Zmieniając wielkość ujemnego napięcia na elektrodzie modulującej lub sterującej, można zmienić liczbę elektronów przechodzących przez jej otwór. Dlatego za pomocą elektrody modulującej można kontrolować jasność wiązki na ekranie. Potencjometr sterujący wielkością ujemnego napięcia na modulatorze jest wyświetlany na przednim panelu oscyloskopu z napisem „jasność”.
Układ dwóch współosiowych cylindrów 6 i 7, zwanych pierwszą i drugą anodą, służy do przyspieszania i skupiania wiązki. Pole elektrostatyczne w szczelinie pomiędzy pierwszą i drugą anodą jest skierowane w taki sposób, że odchyla rozbieżne trajektorie elektronów z powrotem do osi cylindra, tak jak układ optyczny dwóch soczewek działa na rozbieżną wiązkę światła. W tym przypadku katoda 4 i modulator 5 stanowią pierwszą soczewkę elektronową, a druga soczewka elektronowa odpowiada pierwszej i drugiej anodzie.
Dzięki temu wiązka elektronów skupiana jest w punkcie, który powinien leżeć w płaszczyźnie ekranu, co jest możliwe przy odpowiednim doborze różnicy potencjałów pomiędzy pierwszą i drugą anodą. Pokrętło potencjometru regulujące to napięcie znajduje się na przednim panelu oscyloskopu z napisem „focus”.
Kiedy wiązka elektronów uderza w ekran, tworzy się na niej ostro określona plamka świetlna (odpowiadająca przekrojowi wiązki), której jasność zależy od liczby i prędkości elektronów w wiązce. Większość energii wiązki podczas bombardowania ekranu zamieniana jest na ciepło. Aby uniknąć przepalenia powłoki luminescencyjnej, przy stacjonarnej wiązce elektronów nie jest dozwolona wysoka jasność. Wiązkę odchyla się za pomocą dwóch par płasko-równoległych płytek 8 i 9, umieszczonych względem siebie pod kątem prostym.
Jeżeli na płytkach jednej pary występuje różnica potencjałów, jednorodne pole elektryczne między nimi odchyla trajektorię wiązki elektronów w zależności od wielkości i znaku tego pola. Z obliczeń wynika, że wielkość ugięcia wiązki na ekranie rurowym D(w milimetrach) w odniesieniu do napięcia płyty U D i napięcie na drugiej anodzie Ua 2(w woltach) w następujący sposób:
(36.1),
Lampa elektronopromieniowa (CRT) wykorzystuje wiązkę elektronów z nagrzanej katody do wytworzenia obrazu na ekranie fluorescencyjnym. Katoda wykonana jest z tlenku, ogrzewana pośrednio, w formie cylindra z grzałką. Warstwa tlenku osadza się na dnie katody. Wokół katody umieszczona jest elektroda sterująca, zwana modulatorem, o kształcie cylindrycznym z otworem w dnie. Elektroda ta służy do kontrolowania gęstości przepływu elektronów i wstępnego ich ogniskowania. Do modulatora przykładane jest ujemne napięcie kilkudziesięciu woltów. Im wyższe jest to napięcie, tym więcej elektronów powraca do katody. Inne elektrody, również o kształcie cylindrycznym, są anodami. W CRT są co najmniej dwa z nich. Na drugiej anodzie napięcie waha się od 500 V do kilku kilowoltów (około 20 kV), a na pierwszej anodzie napięcie jest kilkukrotnie mniejsze. Wewnątrz anod znajdują się przegrody z otworami (przeponami). Pod wpływem przyspieszającego pola anod elektrony uzyskują znaczną prędkość. Ostateczne skupienie przepływu elektronów odbywa się za pomocą nierównomiernego pola elektrycznego w przestrzeni pomiędzy anodami, a także dzięki membranom. Układ składający się z katody, modulatora i anod nazywany jest projektorem elektronów (działo elektronowe) i służy do wytworzenia wiązki elektronów, czyli cienkiego strumienia elektronów lecących z dużą prędkością od drugiej anody do ekranu luminescencyjnego. Elektroniczny reflektor umieszczony jest w wąskiej szyjce żarówki CRT. Wiązka ta jest odchylana przez pole elektryczne lub magnetyczne, a intensywność wiązki można zmieniać za pomocą elektrody sterującej, zmieniając w ten sposób jasność plamki. Ekran luminescencyjny powstaje poprzez nałożenie cienkiej warstwy luminoforu na wewnętrzną powierzchnię ściany końcowej stożkowej części kineskopu. Energia kinetyczna elektronów bombardujących ekran zamieniana jest na światło widzialne.
CRT Ze sterowaniem elektrostatycznym.
Pola elektryczne są powszechnie stosowane w małych ekranach CRT. W układach odchylania pola elektrycznego wektor pola jest zorientowany prostopadle do początkowej trajektorii wiązki. Odchylenie osiąga się poprzez przyłożenie różnicy potencjałów do pary płytek odchylających (patrz rysunek poniżej). Zazwyczaj płyty odchylające sprawiają, że odchylenie w kierunku poziomym jest proporcjonalne do czasu. Osiąga się to poprzez przyłożenie napięcia do płytek odchylających, które wzrasta równomiernie w miarę przesuwania się wiązki po ekranie. Następnie napięcie to szybko spada do pierwotnego poziomu i ponownie zaczyna równomiernie rosnąć. Sygnał wymagający badań podawany jest na płytki odchylające się w kierunku pionowym. Jeżeli czas trwania pojedynczego skanowania poziomego jest równy okresowi lub odpowiada częstotliwości powtarzania sygnału, na ekranie będzie odtwarzany w sposób ciągły jeden okres procesu falowego.
1 - ekran CRT, 2 - katoda, 3 - modulator, 4 - pierwsza anoda, 5 - druga anoda, P - płytki odchylające.
CRT sterowany elektromagnetycznie
W przypadkach, gdy wymagane jest duże ugięcie, wykorzystanie pola elektrycznego do odchylenia wiązki staje się nieskuteczne.
Lampy elektromagnetyczne mają działo elektronowe, takie same jak lampy elektrostatyczne. Różnica polega na tym, że napięcie na pierwszej anodzie się nie zmienia, a anody służą jedynie do przyspieszania przepływu elektronów. Do odchylenia wiązki światła w wielkoekranowych telewizorach CRT potrzebne są pola magnetyczne.
Wiązka elektronów jest skupiana za pomocą cewki skupiającej. Cewka skupiająca jest nawinięta szeregowo i pasuje bezpośrednio do żarówki rurowej. Cewka skupiająca wytwarza pole magnetyczne. Jeśli elektrony poruszają się wzdłuż osi, to kąt między wektorem prędkości a liniami pola magnetycznego będzie równy 0, zatem siła Lorentza będzie wynosić zero. Jeśli elektron wleci w pole magnetyczne pod kątem, wówczas pod wpływem siły Lorentza trajektoria elektronu będzie odchylać się w kierunku środka cewki. W rezultacie wszystkie trajektorie elektronów przetną się w jednym punkcie. Zmieniając prąd płynący przez cewkę skupiającą, możesz zmienić położenie tego punktu. Upewnij się, że ten punkt znajduje się w płaszczyźnie ekranu. Wiązka odchylana jest za pomocą pól magnetycznych wytwarzanych przez dwie pary cewek odchylających. Jedna para to cewki odchylające pionowo, a druga to cewki w taki sposób, że ich linie pola magnetycznego na linii środkowej będą wzajemnie prostopadłe. Cewki mają złożony kształt i są umiejscowione przy szyjce tuby.
Wykorzystując pola magnetyczne do odchylania wiązki pod dużymi kątami, CRT jest krótki, a także umożliwia stosowanie ekranów o większych rozmiarach.
Tuby obrazowe.
Teleskopy CRT są klasyfikowane jako kineskopy łączone, to znaczy posiadają ogniskowanie elektrostatyczne i odchylanie wiązki elektromagnetycznej w celu zwiększenia czułości. Główna różnica między kineskopami a kineskopami jest następująca: działo elektronowe kineskopów ma dodatkową elektrodę, zwaną elektrodą przyspieszającą. Znajduje się pomiędzy modulatorem a pierwszą anodą, przykładane jest do niego dodatnie napięcie kilkuset woltów względem katody, co służy do dalszego przyspieszenia przepływu elektronów.
Schematyczna budowa kineskopu dla telewizji czarno-białej: 1- włókno grzejnika katodowego; 2- katoda; 3- elektroda kontrolna; 4- elektroda przyspieszająca; 5- pierwsza anoda; 6- druga anoda; 7- powłoka przewodząca (aquadag); 8 i 9 - cewki do odchylania belki pionowej i poziomej; 10 - wiązka elektronów; 11- ekran; 12 - zacisk drugiej anody.
Druga różnica polega na tym, że ekran kineskopu, w przeciwieństwie do CRT, jest trójwarstwowy:
Pierwsza warstwa - warstwa zewnętrzna - szkło. Szkło ekranu kineskopu podlega zwiększonym wymaganiom dotyczącym równoległości ścian i braku obcych wtrąceń.
Warstwa 2 to luminofor.
Warstwa 3 to cienka folia aluminiowa. Film ten spełnia dwie funkcje:
Zwiększa jasność ekranu, działając jak lustro.
Główną funkcją jest ochrona luminoforu przed ciężkimi jonami wylatującymi z katody wraz z elektronami.
Kolorowe tuby obrazowe.
Zasada działania opiera się na tym, że dowolną barwę i odcień można uzyskać mieszając trzy barwy – czerwoną, niebieską i zieloną. Dlatego kolorowe kineskopy mają trzy działa elektronowe i jeden wspólny system odchylania. Ekran kineskopu kolorowego składa się z oddzielnych sekcji, z których każda zawiera trzy ogniwa luminoforowe świecące na czerwono, niebiesko i zielono. Co więcej, rozmiary tych komórek są na tyle małe i są one umieszczone tak blisko siebie, że ich blask jest postrzegany przez oko jako całość. Jest to ogólna zasada konstruowania kolorowych kineskopów.
Mozaika (triady) kolorowego ekranu kineskopu z maską cienia: R-czerwone, G-zielone, B-niebieskie fosforowe „kropki”.
Przewodność elektryczna półprzewodników
Przewodnictwo wewnętrzne półprzewodników.
Półprzewodnik samoistny to idealnie czysty chemicznie półprzewodnik z jednorodną siecią krystaliczną, której orbita walencyjna zawiera cztery elektrony. Krzem jest najczęściej stosowany w urządzeniach półprzewodnikowych. Si i german Ge.
Poniżej pokazano powłokę elektronową atomu krzemu. W tworzeniu wiązań chemicznych i procesie przewodzenia mogą brać udział tylko cztery elektrony powłoki zewnętrznej, zwane elektronami walencyjnymi. Dziesięć elektronów wewnętrznych nie uczestniczy w takich procesach.
Strukturę krystaliczną półprzewodnika na płaszczyźnie można przedstawić w następujący sposób.
Jeśli elektron otrzyma energię większą niż pasmo wzbronione, rozrywa wiązanie kowalencyjne i staje się wolny. Na jego miejscu powstaje wakat, który ma ładunek dodatni równy ładunkowi elektronu i nazywa się otwór. W chemicznie czystym półprzewodniku stężenie elektronów N równe stężeniu dziur P.
Proces tworzenia pary ładunków, elektronu i dziury, nazywa się wytwarzaniem ładunku.
Wolny elektron może zastąpić dziurę, odbudowując wiązanie kowalencyjne i emitując nadmiar energii. Proces ten nazywany jest rekombinacją ładunków. Podczas procesu rekombinacji i generowania ładunku dziura wydaje się poruszać w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu elektronów, dlatego dziurę uważa się za ruchomy nośnik ładunku dodatniego. Dziury i wolne elektrony powstające w wyniku wytwarzania nośników ładunku nazywane są wewnętrznymi nośnikami ładunku, a przewodność półprzewodnika spowodowana wewnętrznymi nośnikami ładunku nazywana jest wewnętrznym przewodnictwem przewodnika.
Przewodnictwo zanieczyszczeń w przewodnikach.
Ponieważ przewodność chemicznie czystych półprzewodników zależy w dużym stopniu od warunków zewnętrznych, w urządzeniach półprzewodnikowych stosuje się półprzewodniki zanieczyszczone.
Jeśli do półprzewodnika wprowadzi się pięciowartościowe zanieczyszczenie, wówczas 4 elektrony walencyjne przywracają wiązania kowalencyjne z atomami półprzewodnika, a piąty elektron pozostaje wolny. Z tego powodu stężenie wolnych elektronów przekroczy stężenie dziur. Zanieczyszczenie, z powodu którego N> P, zwany dawca zanieczyszczenie. Półprzewodnik z N> P, nazywany jest półprzewodnikiem o przewodności elektronicznej lub półprzewodnikiem N-typ.
W półprzewodniku N-typ elektrony nazywane są nośnikami ładunku większościowego, a dziury nośnikami ładunku mniejszościowego.
Kiedy wprowadza się domieszkę trójwartościową, trzy z jej elektronów walencyjnych przywracają wiązanie kowalencyjne z atomami półprzewodnika, a czwarte wiązanie kowalencyjne nie zostaje przywrócone, tj. pojawia się dziura. W rezultacie stężenie dziur będzie większe niż stężenie elektronów.
Nieczystość, w której P> N, zwany akceptor zanieczyszczenie.
Półprzewodnik z P> N, nazywany jest półprzewodnikiem z przewodnością typu dziurowego lub półprzewodnikiem typu p. W półprzewodniku typu p dziury nazywane są nośnikami ładunku większościowego, a elektrony nośnikami ładunku mniejszościowego.
Powstawanie przejścia elektron-dziura.
Z powodu nierównomiernego stężenia na granicy faz R I N półprzewodnik powstaje prąd dyfuzyjny, dzięki któremu elektrony N-regiony iść do region p, a na ich miejscu pozostają nieskompensowane ładunki jonów dodatnich zanieczyszczenia dawcy. Elektrony docierające do obszaru p rekombinują z dziurami i powstają nieskompensowane ładunki jonów ujemnych domieszki akceptorowej. Szerokość R-N przejście - dziesiąte części mikrona. Na granicy faz powstaje wewnętrzne pole elektryczne złącza p-n, które będzie hamować główne nośniki ładunku i odrzucać je z interfejsu.
W przypadku przewoźników korzystających z opłat mniejszościowych pole będzie przyspieszać i przeniesie ich do regionu, w którym będą przewoźnikami większościowymi. Maksymalne natężenie pola elektrycznego występuje na granicy faz.
Rozkład potencjału na całej szerokości półprzewodnika nazywany jest diagramem potencjału. Różnica potencjałów przy R-N przejście nazywa się różnica styków potencjały Lub potencjalna bariera. Aby główny nośnik ładunku pokonał R-N przejścia, jego energia musi być wystarczająca do pokonania bariery potencjału.
Podłączenie bezpośrednie i odwrotne p-Nprzemiana.
Przyłóżmy zewnętrzne napięcie plus do R-regiony Zewnętrzne pole elektryczne jest skierowane w stronę pola wewnętrznego R-N przejście, co prowadzi do zmniejszenia bariery potencjału. Większość nośników ładunku może z łatwością pokonać barierę potencjału, a tym samym przejść R-N przejścia, ze względu na większość nośników ładunku będzie płynął stosunkowo duży prąd.
Takie włączenie R-N przejście nazywa się bezpośrednim, a prąd przelotowy R-N Przejście wywołane przez większość nośników ładunku nazywane jest również prądem przewodzenia. Uważa się, że po bezpośrednim podłączeniu R-N przejście jest otwarte. Jeśli podłączysz napięcie zewnętrzne do minus region p, i jeszcze jeden plus N-region, wówczas powstaje zewnętrzne pole elektryczne, którego linie natężenia pokrywają się z polem wewnętrznym R-N przemiana. W rezultacie doprowadzi to do zwiększenia potencjalnej bariery i szerokości R-N przemiana. Główne nośniki ładunku nie będą w stanie pokonać R-N przejścia i tak się uważa R-N przejście jest zamknięte. Obydwa pola – wewnętrzny i zewnętrzny – przyspieszają dla przewoźników z ładunkiem mniejszościowym, dlatego przewoźnicy z ładunkiem mniejszościowym przejdą R-N przejście, wytwarzające bardzo mały prąd, który jest tzw prąd wsteczny. Takie włączenie R-N przejście nazywane jest również odwrotnym.
Właściwości p-Nprzemiana.Charakterystyka prądowo-napięciowa p-Nprzemiana
Do głównych właściwości R-N przejścia obejmują:
- właściwość przewodnictwa jednokierunkowego;
Właściwości temperaturowe R-N przemiana;
Właściwości częstotliwości R-N przemiana;
Załamanie R-N przemiana.
Właściwość przewodności jednokierunkowej R-N Przyjrzyjmy się przejściu za pomocą charakterystyki prądowo-napięciowej.
Charakterystyka prądowo-napięciowa (CVC) to wyrażona graficznie zależność wielkości przepływu R-N przejście prądu od wielkości przyłożonego napięcia I= F(U) – rys. 29.
Ponieważ wielkość prądu wstecznego jest wielokrotnie mniejsza niż wartość prądu przewodzenia, prąd wsteczny można pominąć i założyć, że R-N Złącze przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Właściwość temperatury R-N przejście pokazuje, jak zmienia się praca R-N przejścia, gdy zmienia się temperatura. NA R-N Na przejście w dużym stopniu wpływa ogrzewanie, a w bardzo małym stopniu chłodzenie. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta wytwarzanie ciepła przez nośniki ładunku, co prowadzi do wzrostu zarówno prądu przewodzenia, jak i prądu wstecznego. Właściwości częstotliwości R-N przejścia pokazują, jak to działa R-N przejście po przyłożeniu do niego napięcia przemiennego o wysokiej częstotliwości. Właściwości częstotliwości R-N przejścia są określane przez dwa rodzaje pojemności przejścia.
Pierwszy rodzaj pojemności to pojemność spowodowana przez nieruchome ładunki jonów domieszkujących donora i akceptora. Nazywa się to pojemnością ładowania lub barierą. Drugi rodzaj pojemności to pojemność dyfuzyjna, spowodowana dyfuzją ruchomych nośników ładunku przez R-N przejście przy bezpośrednim włączeniu.
Jeśli włączone R-N przejście do zasilania napięciem przemiennym, a następnie pojemność R-N przejście będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem częstotliwości, a przy niektórych wyższych częstotliwościach pojemność może stać się równa rezystancji wewnętrznej R-N przejście podczas przełączania bezpośredniego. W takim przypadku po ponownym włączeniu przez tę pojemność przepłynie wystarczająco duży prąd wsteczny i R-N przejście utraci właściwość przewodności jednokierunkowej.
Wniosek: im mniejsza pojemność R-N przejścia, przy wyższych częstotliwościach może pracować.
Na właściwości częstotliwościowe wpływa głównie pojemność barierowa, ponieważ pojemność dyfuzyjna występuje podczas bezpośredniego połączenia, gdy rezystancja wewnętrzna R-N małe przejście.
Podział p-Nprzemiana.
Wraz ze wzrostem napięcia wstecznego energia pola elektrycznego staje się wystarczająca do wygenerowania nośników ładunku. Prowadzi to do silnego wzrostu prądu wstecznego. Zjawisko silnego wzrostu prądu wstecznego przy pewnym napięciu wstecznym nazywa się przebiciem elektrycznym R-N przemiana.
Awaria elektryczna jest awarią odwracalną, tj. polegającą na spadku napięcia wstecznego R-N przejście przywraca właściwość przewodnictwa jednokierunkowego. Jeśli napięcie wsteczne nie zostanie zmniejszone, półprzewodnik nagrzeje się bardzo z powodu efektu termicznego prądu i R-N przejście się wypala. Zjawisko to nazywa się rozkładem termicznym R-N przemiana. Rozkład termiczny jest nieodwracalny.
Diody półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa to urządzenie składające się z kryształu półprzewodnika, zwykle zawierające jedno złącze p-n i posiadające dwa zaciski. Istnieje wiele różnych rodzajów diod - prostownicze, impulsowe, tunelowe, rewersyjne, diody mikrofalowe, a także diody Zenera, varicaps, fotodiody, diody LED itp.
Oznaczenie diody składa się z 4 oznaczeń:
K S -156 A
Po układzie odchylającym elektrony spadają na ekran CRT. Ekran składa się z cienkiej warstwy luminoforu nałożonej na wewnętrzną powierzchnię końcowej części balonu i zdolnej do intensywnego świecenia pod wpływem bombardowania elektronami.
W niektórych przypadkach na warstwę luminoforu nakładana jest przewodząca cienka warstwa aluminium. Właściwości ekranu są określane przez jego
charakterystyka i parametry. Główne parametry ekranu obejmują: Pierwszy I drugi krytyczny potencjał ekranu, jasność blasku, wydajność świetlna, czas trwania poświaty.
Potencjał ekranu. Kiedy ekran zostaje zbombardowany strumieniem elektronów z jego powierzchni, następuje wtórna emisja elektronów. Aby usunąć elektrony wtórne, ścianki rurki w pobliżu ekranu pokrywa się przewodzącą warstwą grafitu, która jest połączona z drugą anodą. Jeśli nie zostanie to zrobione, elektrony wtórne, wracając na ekran, wraz z elektronami pierwotnymi, obniżą jego potencjał. W tym przypadku w przestrzeni pomiędzy ekranem a drugą anodą powstaje hamujące pole elektryczne, które odbije elektrony wiązki. Zatem, aby wyeliminować pole hamowania, konieczne jest usunięcie ładunku elektrycznego przenoszonego przez wiązkę elektronów z powierzchni nieprzewodzącego ekranu. Prawie jedynym sposobem na zrekompensowanie ładunku jest wykorzystanie emisji wtórnej. Kiedy elektrony padają na ekran, ich energia kinetyczna zamienia się w energię jarzenia ekranu, podgrzewa go i powoduje emisję wtórną. Wartość współczynnika emisji wtórnej o określa potencjał ekranu. Współczynnik emisji elektronów wtórnych a = / in // l (/„ to prąd elektronów wtórnych, / l to prąd wiązki, czyli prąd elektronów pierwotnych) z powierzchni ekranu w szerokim zakresie zmian energii elektronów pierwotnych przekracza jedność (ryc. 12.8, O < 1 на участке O A krzywa przy V < С/ кр1 и при 15 > S/cr2).
Na I < (У кр1 число уходящих-от экрана вторичных электронов меньше числа первичных, что приводит к накоплению отрицательного заряда на экране, формированию тормозящего поля для электронов луча в пространстве между вторым анодом и экраном и их отражению; свечение экрана отсутствует. Потенциал i l2= Г/крР odpowiadający punktowi A na ryc. 12,8, tzw pierwszy potencjał krytyczny.
Przy C/a2 = £/cr1 potencjał ekranu jest bliski zeru.
Jeśli energia wiązki stanie się większa niż e£/cr1, wówczas o > 1 i ekran zaczyna się ładować
Ryż. 12.8
względem ostatniej anody reflektora. Proces trwa do momentu, gdy potencjał ekranu stanie się w przybliżeniu równy potencjałowi drugiej anody. Oznacza to, że liczba elektronów opuszczających ekran jest równa liczbie elektronów padających. W zakresie energii wiązki zmienia się od e£/cr1 do C/cr2 c > 1, a potencjał ekranu jest dość zbliżony do potencjału anody projektora. Na i &2 > N cr2 współczynnik emisji wtórnej a< 1. Потенциал экрана вновь снижается, и у экрана начинает формироваться тормозящее для электронов луча поле. Потенциал I kr2 (odpowiada pkt W na ryc. 12.8) są tzw drugi potencjał krytyczny Lub maksymalny potencjał.
Przy wyższych energiach wiązki elektronów e11 kr2 Jasność ekranu nie wzrasta. Dla różnych ekranów Г/кр1 = = 300...500 V, i kr2= 5...40 kV.
Jeśli konieczne jest uzyskanie wysokiej jasności, potencjał ekranu jest na siłę utrzymywany na poziomie równym potencjałowi ostatniej elektrody reflektora za pomocą powłoki przewodzącej. Powłoka przewodząca jest połączona elektrycznie z tą elektrodą.
Moc światła. Jest to parametr określający stosunek natężenia światła J. CV, emitowane przez luminofor prostopadły do powierzchni ekranu, do mocy wiązki elektronów R el padającej na ekran:
Strumień świetlny μ określa wydajność luminoforu. Nie cała energia kinetyczna elektronów pierwotnych jest przekształcana w energię promieniowania widzialnego; część jest przeznaczona na ogrzewanie ekranu, wtórną emisję elektronów oraz promieniowanie w zakresie widma podczerwonego i ultrafioletowego. Moc świetlna mierzona jest w kandelach na wat: dla różnych ekranów waha się w granicach 0,1...15 cd/W. Przy małych prędkościach elektronów w warstwie powierzchniowej pojawia się blask i część światła jest pochłaniana przez luminofor. Wraz ze wzrostem energii elektronów wzrasta strumień świetlny. Jednakże przy bardzo dużych prędkościach wiele elektronów przenika przez warstwę luminoforu bez powodowania wzbudzenia i następuje spadek strumienia świetlnego.
Jasność blasku. Jest to parametr, który określa się na podstawie natężenia światła emitowanego w kierunku obserwatora przez jeden metr kwadratowy równomiernie świecącej powierzchni. Jasność mierzona jest w cd/m2. Zależy to od właściwości luminoforu (charakteryzujących się współczynnikiem A), gęstości prądu wiązki elektronów y, różnicy potencjałów między katodą a ekranem II i minimalny potencjał ekranu 11 0, przy którym nadal obserwuje się luminescencję ekranu. Jasność blasku przestrzega prawa
Wartości wykładników p.t potencjalne £/0 dla różnych luminoforów wahają się w granicach 1...2,5 i
30...300 V. W praktyce liniowy charakter zależności jasności od gęstości prądu y utrzymuje się aż do około 100 μA/cm2. Przy dużych gęstościach prądu luminofor zaczyna się nagrzewać i wypalać. Głównym sposobem na zwiększenie jasności jest zwiększenie I.
Rezolucja. Ten ważny parametr definiuje się jako zdolność monitora CRT do odtwarzania szczegółów obrazu. Rozdzielczość szacowana jest na podstawie liczby indywidualnie rozróżnialnych punktów świetlnych lub linii (rzędów) odpowiednio na 1 cm2 powierzchni lub 1 cm wysokości ekranu, lub na całą wysokość powierzchni roboczej ekranu. W związku z tym, aby zwiększyć rozdzielczość, konieczne jest zmniejszenie średnicy wiązki, czyli wymagana jest dobrze skupiona cienka wiązka o średnicy dziesiątych milimetra. Im niższy prąd wiązki i wyższe napięcie przyspieszające, tym wyższa rozdzielczość. W takim przypadku osiąga się najlepsze skupienie. Rozdzielczość zależy także od jakości luminoforu (duże ziarna fosforu rozpraszają światło) oraz obecności aureoli powstałych w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia w szklanej części ekranu.
Czas trwania poświaty. Czas, w którym jasność spada do 1% wartości maksymalnej, nazywany jest czasem poświaty ekranu. Wszystkie ekrany są podzielone na ekrany bardzo krótkie (poniżej 10 5 s), krótkie (10” 5 ...10” 2 s), średnie (10 2 ...10 1 s), długie (10 Ch.Lb s) ) i bardzo długą (ponad 16 s) poświatę. Lampy o krótkiej i bardzo krótkiej trwałości są szeroko stosowane w oscylografii, a te o średniej trwałości są szeroko stosowane w telewizji. Wskaźniki radarowe zazwyczaj wykorzystują lampy o długiej trwałości.
W lampach radarowych często stosuje się trwałe ekrany z dwuwarstwową powłoką. Pierwsza warstwa luminoforu – z krótką niebieską poświatą – jest wzbudzana wiązką elektronów, natomiast druga – z żółtą poświatą i długą poświatą – jest wzbudzana światłem pierwszej warstwy. W takich ekranach możliwe jest uzyskanie poświaty nawet do kilku minut.
Rodzaje ekranów. Bardzo ważny jest kolor luminoforu. W technologii oscylograficznej do wizualnej obserwacji ekranu stosuje się kineskopy CRT z zieloną poświatą, która jest najmniej męcząca dla oka. Ortokrzemian cynku aktywowany manganem (willemit) ma ten blask. W fotografii preferowane są ekrany o niebieskiej barwie emisji charakterystycznej dla wolframianu wapnia. Odbierając lampy telewizyjne z czarno-białym obrazem, starają się uzyskać biały kolor, do którego wykorzystuje się luminofory z dwóch składników: niebieskiego i żółtego.
Do produkcji powłok ekranowych szeroko stosowane są także luminofory: siarczki cynku i kadmu, krzemiany cynku i magnezu, tlenki i tlenosiarczki pierwiastków ziem rzadkich. Fosfory na bazie pierwiastków ziem rzadkich mają szereg zalet: są bardziej odporne na różne wpływy niż siarczkowe, są dość wydajne, mają węższe pasmo widmowe emisji, co jest szczególnie ważne przy produkcji kineskopów kolorowych, gdzie wysoka barwa wymagana jest czystość itp. Przykładem jest stosunkowo szeroko stosowany luminofor na bazie tlenku itru aktywowany europem U 2 0 3: Ey. Fosfor ten ma wąskie pasmo emisji w czerwonym obszarze widma. Fosfor składający się z tlenosiarczku itru z domieszką europu Y 2 0 3 8: Eu, który charakteryzuje się maksymalną intensywnością emisji w czerwono-pomarańczowym obszarze widma widzialnego i lepszą odpornością chemiczną niż fosfor Y 2 0 3: Eu, również ma dobre właściwości.
Aluminium jest chemicznie obojętne w interakcji z luminoforami ekranowymi, łatwo nakłada się na powierzchnię poprzez odparowanie w próżni i dobrze odbija światło. Wadą ekranów aluminiowanych jest to, że folia aluminiowa pochłania i rozprasza elektrony o energii mniejszej niż 6 keV, przez co w tych przypadkach moc świetlna gwałtownie spada. Na przykład skuteczność świetlna ekranu aluminiowego przy energii elektronów 10 keV jest o około 60% większa niż przy energii 5 keV. Sita rurowe mają kształt prostokątny lub okrągły.
Lampy katodowe(CRT) – urządzenia elektropróżniowe przeznaczone do przetwarzania sygnału elektrycznego na obraz świetlny za pomocą cienkiej wiązki elektronów skierowanej na specjalny ekran pokryty fosfor- kompozycja zdolna do świecenia pod wpływem bombardowania elektronami.
Na ryc. Rysunek 15 pokazuje urządzenie kineskopowe z elektrostatyką skupienie i elektrostatyczne ugięcie belki. Lampa zawiera katodę ogrzewaną tlenkiem, której powierzchnia emitująca jest zwrócona w stronę otworu w modulatorze. Na modulatorze w stosunku do katody ustala się niewielki potencjał ujemny. Dalej wzdłuż osi lampy (i wzdłuż wiązki) znajduje się elektroda skupiająca, zwana także pierwszą anodą, której dodatni potencjał pomaga wciąganiu elektronów z przestrzeni przykatodowej przez otwór modulatora i formowaniu z nich wąskiej wiązki. Dalsze ogniskowanie i przyspieszanie elektronów odbywa się za pomocą pola drugiej anody (elektrody przyspieszającej). Jego potencjał w lampie jest najbardziej dodatni i waha się od jednostek do dziesiątek kilowoltów. Połączenie katody, modulatora i elektrody przyspieszającej tworzy działo elektronowe (reflektor elektroniczny). Niejednorodne pole elektryczne w przestrzeni pomiędzy elektrodami działa na wiązkę elektronów jak zbierająca soczewka elektrostatyczna. Elektrony pod wpływem tej soczewki skupiają się w punkcie znajdującym się po wewnętrznej stronie ekranu. Wnętrze ekranu pokryte jest warstwą luminoforu – substancji zamieniającej energię przepływu elektronów na światło. Na zewnątrz miejsce, w którym strumień elektronów spada na ekran, świeci.
Aby kontrolować położenie plamki świetlnej na ekranie i tym samym uzyskać obraz, wiązka elektronów jest odchylana wzdłuż dwóch współrzędnych za pomocą dwóch par płaskich elektrod - płyty odchylające X i Y. Kąt odchylenia wiązki zależy od napięcia przyłożonego do płytek. Pod wpływem zmiennych napięć odchylających na płytkach wiązka przebiega wokół różnych punktów ekranu. Jasność kropki zależy od aktualnej siły wiązki. W celu sterowania jasnością na wejście modulatora Z podawane jest napięcie przemienne. Aby uzyskać stabilny obraz sygnału okresowego, jest on okresowo skanowany na ekranie, synchronizując liniowo zmienne poziome napięcie skanowania X z badanym sygnałem, co jest jednocześnie dostarczany do płytek odchylania pionowego Y. W ten sposób powstają obrazy na ekranie CRT. Wiązka elektronów ma małą bezwładność.
Oprócz elektrostatyki stosuje się go również ogniskowanie magnetyczne wiązka elektronów. Wykorzystuje cewkę prądu stałego, do której wkładany jest CRT. Jakość ogniskowania magnetycznego jest wyższa (mniejszy rozmiar plamki, mniej zniekształceń), ale ogniskowanie magnetyczne zajmuje dużo miejsca i stale zużywa energię.
Szeroko stosowane (w kineskopach) jest ugięcie wiązki magnetycznej, realizowane przez dwie pary cewek z prądami. W polu magnetycznym elektron jest odchylany wzdłuż promienia koła, a kąt odchylenia może być znacznie większy niż w kineskopie z odchyleniem elektrostatycznym. Jednakże wydajność układu odchylania magnetycznego jest niska ze względu na bezwładność cewek przewodzących prąd. Dlatego w lampach oscylograficznych stosuje się wyłącznie elektrostatyczne ugięcie wiązki, ponieważ ma ono mniejszą bezwładność.
Ekran jest najważniejszą częścią CRT. Jak elektroluminofory Stosuje się różne związki nieorganiczne i ich mieszaniny, na przykład siarczki cynku i cynku i kadmu, krzemian cynku, wolframian wapnia i kadmu itp. z domieszkami aktywatorów (miedź, mangan, bizmut itp.). Główne parametry luminoforu: barwa blasku, jasność, punktowe natężenie światła, skuteczność świetlna, poświata. Kolor blasku zależy od składu luminoforu. Jasność luminescencyjna w cd/m2
B ~ (dn/dt)(U-U 0) m,
gdzie dn/dt to przepływ elektronów na sekundę, czyli prąd wiązki, A;
U 0 - potencjał jarzenia fosforu, V;
U – napięcie przyspieszające drugiej anody, V;
Natężenie światła plamki jest proporcjonalne do jasności. Skuteczność świetlna to stosunek światłości plamki do mocy wiązki w cd/W.
Poświata– jest to czas, w którym jasność plamki po wyłączeniu wiązki spada do 1% wartości pierwotnej. Wyróżnia się luminofory z bardzo krótką (poniżej 10 μs) poświatą, krótką (od 10 μs do 10 ms), średnią (od 10 do 100 ms), długą (od 0,1 do 16 s) i bardzo długą (ponad 16 s) poświata. Wybór wartości poświaty zależy od zakresu zastosowania CRT. W kineskopach stosuje się luminofory z niską poświatą, ponieważ obraz na ekranie kineskopu stale się zmienia. W lampach oscyloskopowych stosuje się luminofory o średniej lub bardzo długiej trwałości, w zależności od zakresu częstotliwości wyświetlanych sygnałów.
Ważną kwestią wymagającą bardziej szczegółowego rozważenia są możliwości ekranu CRT. Kiedy elektron uderza w ekran, ładuje ekran ujemnym potencjałem. Każdy elektron ładuje ekran, a jego potencjał staje się coraz bardziej ujemny, przez co bardzo szybko powstaje pole hamowania i ruch elektronów w kierunku ekranu zostaje zatrzymany. W prawdziwych CRT tak się nie dzieje, ponieważ każdy elektron, który uderza w ekran, wybija z niego elektrony wtórne, czyli następuje wtórna emisja elektronów. Elektrony wtórne odprowadzają ładunek ujemny z ekranu i aby usunąć go z przestrzeni przed ekranem, wewnętrzne ścianki CRT pokrywa się warstwą przewodzącą na bazie węgla, połączoną elektrycznie z drugą anodą. Aby ten mechanizm zadziałał, wtórny współczynnik emisji, to znaczy stosunek liczby elektronów wtórnych do liczby elektronów pierwotnych musi przekraczać jeden. 
Jednakże w przypadku luminoforów współczynnik emisji wtórnej Kve zależy od napięcia na drugiej anodzie U a. Przykład takiej zależności pokazano na rys. 16, z którego wynika, że potencjał ekranu nie powinien przekraczać podanej wartości
U a max , w przeciwnym razie jasność obrazu nie wzrośnie, ale zmniejszy się. W zależności od materiału luminoforowego napięcie U a max = 5...35 kV. Aby zwiększyć potencjał ograniczający, wnętrze ekranu pokrywa się cienką warstwą metalu (zwykle aluminium, przepuszczającego elektrony). aluminiowane ekran) połączony elektrycznie z drugą anodą. W tym przypadku potencjał ekranu nie jest określony przez współczynnik emisji wtórnej luminoforu, ale przez napięcie na drugiej anodzie. Pozwala to na zastosowanie wyższego napięcia drugiej anody i uzyskanie wyższej jasności ekranu. Jasność blasku wzrasta również w wyniku odbicia światła emitowanego do tuby od folii aluminiowej. Ten ostatni jest przezroczysty tylko dla wystarczająco szybkich elektronów, dlatego napięcie drugiej anody musi przekraczać 7...10 kV.
Żywotność lamp elektronopromieniowych jest ograniczona nie tylko utratą emisji z katody, jak w przypadku innych urządzeń próżniowych, ale także zniszczeniem luminoforu na ekranie. Po pierwsze, moc wiązki elektronów jest wykorzystywana wyjątkowo nieefektywnie. Nie więcej niż dwa procent z niego zamienia się w światło, podczas gdy ponad 98% jedynie podgrzewa luminofor i następuje jego zniszczenie, co wyraża się w tym, że skuteczność świetlna ekranu stopniowo maleje. Wypalenie następuje szybciej wraz ze wzrostem mocy przepływu elektronów, wraz ze spadkiem napięcia przyspieszającego, a także intensywniej w miejscach, gdzie wiązka opada przez dłuższy czas. Innym czynnikiem zmniejszającym żywotność kineskopu jest bombardowanie ekranu jonami ujemnymi wytwarzanymi przez atomy powłoki tlenku katody. Przyspieszane przez przyspieszające pole jony przemieszczają się w kierunku ekranu, przechodząc przez układ odchylający. W elektrostatycznych rurach odchylających jony są odchylane równie skutecznie jak elektrony, dzięki czemu uderzają w różne obszary ekranu mniej więcej równomiernie. W lampach odchylanych magnetycznie jony są odchylane słabiej ze względu na ich wielokrotnie większą masę niż elektrony i opadają głównie do środkowej części ekranu, z czasem tworząc na ekranie stopniowo ciemniejącą tzw. „plamkę jonową”. Rury z aluminiowanym ekranem są znacznie mniej wrażliwe na bombardowanie jonami, ponieważ folia aluminiowa blokuje drogę jonów do luminoforu.
Dwa najczęściej stosowane typy lamp elektronopromieniowych to: oscylograficzne I kineskopy. Lampy oscyloskopowe są przeznaczone do wyświetlania różnorodnych procesów reprezentowanych przez sygnały elektryczne. Mają elektrostatyczne odchylenie wiązki, ponieważ pozwala oscyloskopowi wyświetlać sygnały o wyższej częstotliwości. Ogniskowanie wiązki jest również elektrostatyczne. Zazwyczaj oscyloskop używany jest w trybie przemiatania okresowego: napięcie piłokształtne o stałej częstotliwości ( napięcie przemiatania), do płytek odchylających pionowo przykładane jest wzmocnione napięcie badanego sygnału. Jeżeli sygnał jest okresowy i jego częstotliwość jest liczbą całkowitą większą niż częstotliwość przemiatania, na ekranie pojawia się stacjonarny wykres sygnału w czasie ( oscylograf). Nowoczesne lampy oscyloskopowe mają bardziej złożoną konstrukcję niż te pokazane na ryc. 15, mają większą liczbę elektrod, są również stosowane podwójna belka oscylograficzne CRT, które posiadają podwójny zestaw wszystkich elektrod z jednym wspólnym ekranem i umożliwiają synchroniczne wyświetlanie dwóch różnych sygnałów.
CRT to CRT z znak jasności, czyli ze sterowaniem jasnością wiązki poprzez zmianę potencjału modulatora; znajdują zastosowanie w telewizorach domowych i przemysłowych, a także monitory komputery do konwersji sygnału elektrycznego na dwuwymiarowy obraz na ekranie. CRT różnią się od oscylograficznych CRT większymi rozmiarami ekranu i charakterem obrazu ( półton na całej powierzchni ekranu), zastosowanie odchylenia magnetycznego wiązki wzdłuż dwóch współrzędnych, stosunkowo mały rozmiar plamki świetlnej, rygorystyczne wymagania dotyczące stabilności wielkości plamki i liniowości skanów. Najbardziej zaawansowane są kineskopy kolorowe do monitorów komputerowych, charakteryzujące się wysoką rozdzielczością (do 2000 linii), minimalnymi geometrycznymi zniekształceniami rastrów i prawidłowym odwzorowaniem kolorów. W różnych czasach produkowano kineskop o przekątnej ekranu od 6 do 90 cm. Długość kineskopu wzdłuż jego osi jest zwykle nieco mniejsza niż wielkość przekątnej, maksymalny kąt odchylenia wiązki wynosi 110...116 0. Wnętrze ekranu kolorowego kineskopu pokryte jest wieloma punktami lub wąskimi paskami luminoforów o różnym składzie, które przekształcają wiązkę elektryczną na jeden z trzech podstawowych kolorów: czerwony, zielony, niebieski. Kolorowa kineskop ma trzy działa elektronowe, po jednym na każdy kolor podstawowy. Po zeskanowaniu przez ekran promienie poruszają się równolegle i oświetlają sąsiadujące obszary luminoforu. Prądy wiązki są różne i zależą od koloru powstałego elementu obrazu. Oprócz kineskopów do bezpośredniej obserwacji istnieją kineskopy projekcyjne, które pomimo niewielkich rozmiarów charakteryzują się dużą jasnością obrazu na ekranie. Ten jasny obraz jest następnie wyświetlany optycznie na płaskim, białym ekranie, tworząc duży obraz.
Jak działa lampa elektronopromieniowa?
Lampy elektronopromieniowe to elektryczne urządzenia próżniowe, w których powstaje wiązka elektronów o małym przekroju, która może zostać odchylona w żądanym kierunku i uderzając w ekran luminescencyjny, spowodować jego świecenie (rys. 5.24). Lampa elektronopromieniowa jest konwerterem elektronowo-optycznym, który przetwarza sygnał elektryczny na odpowiadający mu obraz w postaci pulsacyjnej oscylacji odtwarzanej na ekranie lampy. Wiązka elektronów formowana jest w reflektorze elektronowym (lub działo elektronowym), składającym się z katody i elektrod skupiających. Pierwsza elektroda skupiająca, zwana także modulator, działa jak siatka ujemnego polaryzacji, która kieruje elektrony w stronę osi lampy. Zmiana napięcia polaryzacji siatki wpływa na liczbę elektronów, a co za tym idzie na jasność obrazu uzyskiwanego na ekranie. Za modulatorem (w stronę ekranu) znajdują się kolejne elektrody, których zadaniem jest skupianie i przyspieszanie elektronów. Działają na zasadzie soczewek elektronicznych. Nazywa się elektrody skupiające i przyspieszające anody i przykładane jest do nich napięcie dodatnie. W zależności od rodzaju lampy napięcie anodowe waha się od kilkuset woltów do kilkudziesięciu kilowoltów.
Ryż. 5.24. Schematyczne przedstawienie lampy elektronopromieniowej:
1 - katoda; 2 - anoda I: 3 - anoda II; 4 - poziome płyty odchylające; 5 - wiązka elektronów; 6 - ekran; 7 - płyty odbicia pionowego; 8 - modulator
W niektórych lampach wiązka ogniskowana jest za pomocą pola magnetycznego poprzez zastosowanie cewek umieszczonych na zewnątrz lampy, zamiast elektrod umieszczonych wewnątrz lampy, które wytwarzają skupiające pole elektryczne. Odchylenie wiązki odbywa się również na dwa sposoby: za pomocą pola elektrycznego lub magnetycznego. W pierwszym przypadku płytki odchylające umieszczone są w rurze, w drugim cewki odchylające montowane są na zewnątrz rury. Do odchylania zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym, stosuje się płytki (lub cewki) odchylenia belki pionowej lub poziomej.
Ekran lampy pokryty jest od wewnątrz materiałem – luminoforem, który świeci pod wpływem bombardowania elektronami. Fosfory różnią się różnymi kolorami świecenia i różnymi czasami świecenia po ustaniu wzbudzenia, co jest tzw czas poświaty. Zwykle waha się od ułamka sekundy do kilku godzin, w zależności od przeznaczenia lampy.
