Совсем недавно электронно-лучевая трубка была распространена в самых различных устройствах, например, аналоговых осциллографах, а также в отраслях радиотехники – телевидении и радиолокации. Но прогресс не стоит на месте, и электронно-лучевые трубки начали постепенно вытесняться более современными решениями. Стоит отметить, что в некоторых устройствах их все же применяют, поэтому давайте рассмотрим, что это такое.

В качестве источника заряженных частиц в электронно-лучевых трубках используют накаленный катод, который в следствии термоэлектронной эмиссии испускает электроны. Внутрь управляющего электрода, имеющего цилиндрическую форму, помещают катод. Если изменять отрицательный потенциал управляющего электрода, можно менять яркость светового пятна на экране. Это связано с тем, что изменении отрицательного потенциала электрода влияет на величину электронного потока. За управляющим электродом располагают два цилиндрических анода, внутри которых установлены диафрагмы (перегородки с небольшими отверстиями). Ускоряющее поле, создаваемое анодами, обеспечивает направленное движение электронов в сторону экрана и одновременно «собирает» в узкий поток (луч) электронный поток. Помимо фокусировки, которая реализуется с помощью электростатического поля, в электронно-лучевой трубке применяют и магнитную фокусировку луча. Чтоб это реализовать, на горловину трубки одевают фокусирующую катушку. , которая действует на электроны в магнитном поле, создаваемом катушкой, прижимает их к оси трубки, формируя тем самым тонкий луч. Для перемещения или отклонения электронного луча на экране, точно также как и для фокусировки, применяют электрические и магнитные поля.

Из двух пар пластин состоит электростатическая система отклонения луча: горизонтальной и вертикальной. Пролетая между пластинами, электроны будут отклоняться в сторону положительно заряженной пластины (рисунок а)):

Две взаимно перпендикулярные пары пластин позволяют отклонять электронный луч как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Магнитная система отклонения состоит из двух пар катушек 1 – 1 / и 2 – 2 / , расположенных на баллоне трубки под прямым углом друг к другу (рисунок б)). В магнитном поле, создаваемом данными катушками, на пролетающие электроны будет действовать сила Лоренца.

По вертикалям перемещение потока электронов будет вызывать магнитное поле горизонтально расположенных катушек. Поле вертикально расположенных катушек – по горизонтали. Полупрозрачным слоем специального вещества, которое способно светиться при бомбардировке его электронами, покрывается экран электронно-лучевой трубки. К таким веществам можно отнести некоторые полупроводники – вольфрамовокислый кальций, виллемит и другие.

Основная группа электронно-лучевых трубок – осциллографические трубки, основным назначением которых является исследование быстрых изменений тока и напряжения. В таком случае исследуемый ток подается на отклоняющую систему, результатом чего станет отклонение луча на экране пропорционально силе этого тока (напряжения).

§ 137. Электронно-лучевая трубка. Осциллограф

Для наблюдения, записи, измерений и контроля различных изменяющихся процессов в устройствах автоматики, телемеханики и других областях техники применяют осциллографы (рис. 198). Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка - электровакуумный прибор, в наиболее простом виде предназначенный для преобразования электрических сигналов в световые.

Рассмотрим, как отклоняется электрон и электронный луч в электрическом поле электронно-лучевой трубки осциллографа.
Если электрон поместить между двумя параллельными пластинами (рис. 199, а), имеющими разноименные электрические заряды, то под действием электрического поля, возникающего между пластинами, электрон отклонится, так как он заряжен отрицательно. Он отталкивается от пластины А , имеющей отрицательный заряд, и притягивается к пластине Б , имеющей положительный электрический заряд. Движение электрона будет направлено вдоль линий поля.

Когда в поле между пластинами попадает движущийся со скоростью V электрон (рис. 199, б), то на него действуют не только силы поля F , но и сила F 1 , направленная по его движению. В результате действия этих сил электрон отклонится от своего прямолинейного пути и будет перемещаться по линии ОК . - по диагонали.
Если между пластинами пропустить узкий пучок движущихся электронов - электронный луч (рис. 199, в), он под действием электрического поля отклонится. Угол отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов, из которых состоит луч, и величины напряжения, создающего электрическое поле между пластинами.
Каждая электронно-лучевая трубка (рис. 200) представляет собой баллон, из которого выкачан воздух. Коническая часть внутренней поверхности баллона покрыта графитом и называется аквадагом . Внутри баллона 3 помещается электронный прожектор 8 - электронная пушка, отклоняющие пластины 4 и 6 , и экран 5 . Электронный прожектор трубки состоит из подогревного катода, который излучает электроны, и системы электродов, образующих электронный луч. Этот луч, испускаемый катодом трубки, перемещается с большой скоростью к экрану и по существу является электрическим током, направленным в сторону, обратную движению электронов.

Катод представляет собой никелевый цилиндр, торец которого покрыт слоем оксида. Цилиндр надет на тонкостенную керамиковую трубку, а внутри нее для подогрева катода помещается нить из вольфрама, выполненная в виде спирали.
Катод расположен внутри управляющего электрода 7 , имеющего форму стаканчика. В дне стаканчика сделано небольшое отверстие, через которое проходят электроны, вылетающие из катода; это отверстие называется диафрагмой . На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение (порядка нескольких десятков вольт) по отношению к катоду. Оно создает электрическое поле, действующее на электроны, вылетающие с катода так, что они собираются в узкий луч, направленный в сторону экрана трубки. Точка пересечения траекторий полета электронов называется первым фокусом трубки . Увеличивая отрицательное напряжение на управляющем электроде, можно часть электронов отклонить настолько, что они не пройдут через отверстие и таким образом количестно электронов, попадающих на экран, уменьшится. Изменяя напряжение управляющего электрода, можно регулировать количество электронов в нем. Это позволяет изменять яркость светящегося пятна на экране электроннолучевой трубки, который покрыт специальным составом, обладающим способностью светиться под воздействием электронного луча, попадающего на него.
В состав электронной пушки также входят создающие ускоряющее поле два анода: первый - фокусирующий 1 и второй - управляющий 2 . Каждый из анодов представляет собой цилиндр с диафрагмой, которая служит для ограничения поперечного сечения электронного луча.
Аноды располагаются вдоль оси трубки на некотором расстоянии один от другого. На первый анод подается положительное напряжение порядка нескольких сотен вольт, а второй анод, соединенный с аквадагом трубки, имеет положительный потенциал, в несколько раз больший потенциала первого анода.
Электроны, вылетающие из отверстия управляющего электрода, попадая в электрическое поле первого анода, приобретают большую скорость. Пролетая внутри первого анода, пучок электронов под действием сил электрического поля сжимается и образует тонкий электронный луч. Далее электроны пролетают через второй анод, приобретают еще большую скорость (несколько тысяч километров в секунду), летят через диафрагму к экрану. На последнем под действием ударов электронов образуется светящееся пятно диаметром менее одного миллиметра. В этом пятне расположен второй фокус электронно-лучевой трубки.
Для отклонения электронного луча в двух плоскостях электронно-лучевая трубка снабжена двумя парами пластин 6 и 4 , расположенных в разных плоскостях перпендикулярно одна другой.
Первая пара пластин 6 , которая находится ближе в электронной пушке, служит для отклонения луча в вертикальном направлении; эти пластины называются вертикально отклоняющими . Вторая пара пластин 4 , расположенная ближе к экрану трубки, служит для отклонения луча в горизонтальном направлении; эти пластины называются горизонтально отклоняющими .
Рассмотрим принцип действия отклоняющих пластин (рис. 201).

Отклоняющие пластины В 2 и Г 2 подключены к движкам потенциометров П в и П г. К концам потенциометров подается постоянное напряжение. Отклоняющие пластины В 1 и Г 1 как и средние точки потенциометров, заземлены, и их потенциалы равны нулю.
Когда движки потенциометров стоят в среднем положении, потенциал на всех пластинах равен нулю, и электронный луч создает светящееся пятно в центре экрана - точку О . При перемещении движка потенциометра П г влево на пластину Г 2 подается отрицательное напряжение и поэтому электронный луч, отталкиваясь от этой пластины, отклонится и светящаяся точка на экране сместится в направлении точки А .
При перемещении движка потенциометра П г вправо потенциал пластины Г 2 будет увеличиваться и электронный луч, а следовательно, и светящаяся точка на экране сместятся по горизонтали к точке Б . Таким образом, при непрерывном изменении потенциала на пластине Г 2 электронный луч прочертит на экране горизонтальную линию АБ .
Аналогично при изменении потенциометром П в напряжения на вертикально отклоняющих пластинах луч будет отклоняться по вертикали и прочертит на экране вертикальную линию ВГ . При одновременном изменении напряжения на обеих парах отклоняющих пластин можно переместить электронный луч в любом направлении.
Экран электронно-лучевой трубки покрыт специальным составом - люминофором, способным светиться под действием ударов быстро летящих электронов. Таким образом, когда сфокусированный луч попадает в ту или иную точку экрана, то она начинает светиться.
Для покрытия экранов электронно-лучевых трубок используют люминофоры в виде окиси цинка, бериллиевого цинка, смеси сернокислого цинка с сернокислым кадмием и др. Эти материалы обладают свойством продолжать некоторое время свое свечение после прекращения ударов электронов. Это значит, что они обладают послесвечением .
Известно, что глаз человека, получив зрительное впечатление, может удержать его примерно 1/16 секунды. В электронно-лучевой трубке луч по экрану может перемещаться настолько быстро, что ряд последовательных светящихся точек на экране воспринимаются глазом в виде сплошной светящейся линии.
Напряжение, подлежащее изучению (рассмотрению) с помощью осциллографа, подается на вертикально отклоняющие пластины трубки. На горизонтально отклоняющие пластины подают пилообразное напряжение, график которого приведен на рис. 202, а.

Это напряжение дает электронный генератор пилообразных импульсов, который смонтирован внутри осциллографа. Под действием пилообразного напряжения электронный луч перемещается горизонтально по экрану. За время t 1 - t 8 луч перемещается по экрану слева направо, а за время t 9 - t 10 быстро возвращается в исходное положение, затем вновь движется слева направо и т. д.
Выясним, как можно увидеть на экране электронно-лучевой трубки осциллографа форму кривой мгновенных значений напряжения, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины. Допустим, что к горизонтально отклоняющим трубкам подано пилообразное напряжение с амплитудой 60 в и с периодом изменения в 1/50 сек .
На рис. 202, б показан один период синусоидального напряжения, форму кривой которого мы хотим увидеть, а в круге (рис. 202, в) показано результирующее перемещение электронного луча на экране трубки осциллографа.
Напряжения в одни и те же мгновения имеют на верхних двух графиках одинаковые обозначения.
В момент времени t 1 пилообразное напряжение (U г), отклоняющее электронный луч по горизонтали, равно 60 в , а напряжение на вертикальных пластинах U в равно нулю и на экране светится точка O 1 . В момент времени t 2 напряжение U г = - 50 в , а напряжение U в = 45 в . За время, равное t 2 - t 1 , электронный луч переместится в положение O 2 по линии O 1 - O 2 . В момент времени t 3 напряжение U г = 35 в , а напряжение U в = 84,6 в . За время t 3 - t 2 луч переместится в точку O 3 по линии O 2 - O 3 и т. д.
Процесс воздействия электрических полей, создаваемых обеими парами отклоняющих пластин, на электронный луч будет продолжаться, и луч будет отклоняться далее по линии O 3 - O 4 - o 6 и т. д.
За время t 10 - t 9 электронный луч быстро отклонится влево (произойдет обратный ход луча), а затем процесс будет повторяться: Исследуемое напряжение изменяется периодически, поэтому электронный луч будет многократно перемещаться по одному и тому же пути, в результате чего будет видна довольно яркая линия, по форме совпадающая с формой кривой напряжения, поданного на вертикально отклоняющие пластины трубки.
Так как период (и частота) напряжений пилообразных импульсов развертки и исследуемого напряжения равны, то синусоида на экране будет неподвижна. Если частота этих напряжений разная и не кратная друг другу, то изображение будет перемещаться вдоль экрана трубки.
При подключении к обеим парам отклоняющих пластин двух синусоидальных напряжений одинаковых амплитуд и частот, но сдвинутых по фазе на 90°, на экране трубки будет видна окружность. Таким образом, с помощью осциллографа можно наблюдать и исследовать различные процессы, происходящие в электрических цепях. Кроме генератора пилообразных импульсов, осциллограф имеет усилители для усиления напряжения, подаваемого на пластины вертикального отклонения луча, и пилообразного напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения.

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.

Задачи работы

1. общее знакомство с устройством и принципом действия электронных осциллографов,
2. определение чувствительности осциллографа,
3. проведение некоторых измерений в цепи переменного тока при помощи осциллографа.

Общие сведения об устройстве и работе электронного осциллографа

С помощью катода электронно-лучевой трубки осциллографа создается электронный поток, который формируется в трубке в узкий пучок, направленный к экрану. Сфокусированный на экране трубки электронный пучок вызывает в месте падения светящееся пятно, яркость которого зависит от энергии пучка (экран покрыт специальным люминесцирующим составом, светящимся под воздействием пучка электронов). Электронный луч является практически безынерционным, поэтому световое пятно можно практически мгновенно перемещать в любом направлении по экрану, если воздействовать на электронный пучок электрическим полем. Поле создается с помощью двух пар плоскопараллельных пластин, называемых отклоняющими пластинами. Малая инерционность луча обуславливает возможность наблюдения быстропеременных процессов с частотой 10 9 Гц и более.

Рассматривая существующие осциллографы, разнообразные по конструкции и назначению, можно увидеть, что функциональная схема их примерно одинакова. Основными и обязательными узлами должны быть:

Электронно-лучевая трубка для визуального наблюдения исследуемого процесса;

Источники питания для получения необходимых напряжений, подаваемых на электроды трубки;

Устройство для регулировки яркости, фокусировки и смещения луча;

Генератор развертки для перемещения электронного луча (и соответственно, светящегося пятна) по экрану трубки с определенной скоростью;

Усилители (и аттенюаторы), используемые для усиления или ослабления напряжения исследуемого сигнала, если оно недостаточно для заметного отклонения луча на экране трубки или, напротив, слишком велико.

Устройство электронно-лучевой трубки

Прежде всего, рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки (рис. 36.1). Обычно это стеклянная колба 3, откачанная до высокого вакуума. В узкой ее части расположен нагреваемый катод 4, из которого вылетают электроны за счет термоэлектронной эмиссии Система цилиндрических электродов 5, 6, 7 фокусирует электроны в узкий пучок 12 и управляет его интенсивностью. Далее следуют две пары отклоняющих пластин 8 и 9 (горизонтальные и вертикальные) и, наконец, экран 10 – дно колбы 3, покрытое люминесцирующим составом, благодаря которому становится видимым след электронного луча.

В состав катода входит вольфрамовая нить – нагреватель 2, расположенная в узкой трубке, торец которой (для уменьшения работы выхода электронов) покрыт слоем окиси бария или стронция и собственно является источником потока электронов.

Процесс формирования электронов в узкий луч с помощью электростатических полей во многом напоминает действие оптических линз на световой луч. Поэтому система электродов 5,6,7 носит название электронно-оптического устройства.

Электрод 5 (модулятор) в виде закрытого цилиндра с узким отверстием находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода и выполняет функции, аналогичные управляющей сетке электронной лампы. Изменяя величину отрицательного напряжения на модулирующем или управляющем электроде, можно изменять количество электронов, проходящих через его отверстие. Следовательно, с помощью модулирующего электрода можно управлять яркостью луча на экране. Потенциометр, управляющий величиной отрицательного напряжения на модуляторе, выведен на переднюю панель осциллографа с надписью ”яркость”.

Система из двух коаксиальных цилиндров 6 и 7, называемых первым и вторым анодами, служит для ускорения и фокусировки пучка. Электростатическое поле в промежутке между первым и вторым анодами направлено таким образом, что отклоняет расходящиеся траектории электронов снова к оси цилиндра, подобно тому, как оптическая система из двух линз действует на расходящийся пучок света. При этом катод 4 и модулятор 5 составляют первую электронную линзу, а первому и второму анодам соответствует другая электронная линза.

В итоге пучок электронов фокусируется в точке, которая должна лежать в плоскости экрана, что оказывается возможным при соответствующем выборе разности потенциалов между первым и вторым анодами. Ручка потенциометра, регулирующего это напряжение, выведена на переднюю панель осциллограф с надписью ”фокус”.

При попадании электронного луча на экран на нем образуется резко очерченное светящееся пятно (соответствующее сечению пучка), яркость которого зависит от количества и скорости электронов в пучке. Большая часть энергии пучка при бомбардировке экрана превращается в тепловую. Во избежание прожога люминесцирующего покрытия не допустима большая яркость при неподвижном электронном луче. Отклонение луча осуществляется с помощью двух пар плоскопараллельных пластин 8 и 9, расположенных под прямым углом друг к другу.

При наличии разности потенциалов на пластинах одной пары однородное электрическое поле между ними отклоняет траекторию пучка электронов в зависимости от величины и знака этого поля. Расчеты показывают, что величина отклонения луча на экране трубки D (в миллиметрах) связана с напряжением на пластинах U D и напряжением на втором аноде Ua 2 (в вольтах) следующим образом:

(36.1),

Пожалуй, нет такого человека, который бы в своей жизни не сталкивался с приборами, в конструкцию которых входит электронно-лучевая трубка (или ЭЛТ). Сейчас подобные решения активно вытесняются своими более современными аналогами на основе жидкокристаллических экранов (ЖК). Однако существует ряд областей, в которых электронно-лучевая трубка по-прежнему является незаменимой. Например, в высокоточных осциллографах ЖК использовать нельзя. Тем не менее, очевидно одно - прогресс устройств отображения информации в конечном итоге приведет к полному отказу от ЭЛТ. Это вопрос времени.

История появления

Первооткрывателем можно считать Ю. Плюккера, который в 1859 году, изучая поведение металлов при различных внешних воздействиях, обнаружил явление излучения (эмиссии) элементарных частиц - электронов. Формируемые пучки частиц получили название катодных лучей. Также он обратил внимание на возникновение видимого свечения некоторых веществ (люминофор) при попадании на них электронных лучей. Современная электронно-лучевая трубка способна создавать изображение именно благодаря этим двум открытиям.

Через 20 лет опытным путем было установлено, что направлением движения излучаемых электронов можно управлять воздействием внешнего магнитного поля. Это легко объяснить, если вспомнить, что перемещающиеся носители отрицательного заряда характеризуются магнитным и электрическим полями.

В 1895 году К. Ф. Браун доработал систему управления в трубке и тем самым сумел менять вектор направленности потока частиц не только полем, но и особым зеркалом, способным вращаться, что открыло совершенно новые перспективы использования изобретения. В 1903 году Венельт разместил внутри трубки катод-электрод в виде цилиндра, что дало возможность управлять интенсивностью излучаемого потока.

В 1905 году Эйнштейн сформулировал уравнения расчета фотоэффекта и через 6 лет было продемонстрировано работающее устройство передачи изображений на расстояния. Управление лучом осуществлялось а за величину яркости отвечал конденсатор.

Во время начала производства первых моделей ЭЛТ промышленность была не готова создавать экраны с большим размером диагонали, поэтому в качестве компромисса применялись увеличительные линзы.

Устройство электронно-лучевой трубки

С тех пор устройство было доработано, однако изменения носят эволюционный характер, так как ничего принципиально нового в ход работы добавлено не было.

Стеклянный корпус начинается трубкой с конусообразным расширением, образующим экран. В устройствах цветного изображения внутренняя поверхность с определенным шагом покрыта тремя видами люминофора дающими свой цвет свечения при попадании пучка электронов. Соответственно, есть три катода (пушки). Для того чтобы отсеять расфокусировавшиеся электроны и обеспечить точное попадание нужного луча в нужную точку экрана, между катодной системой и слоем люминофора размещают стальную решетку - маску. Ее можно сравнить с трафаретом, отсекающим все лишнее.

С поверхности подогреваемых катодов начинается эмиссия электронов. Они устремляются в сторону анода (электрод, с положительным зарядом), подключенного к конусной части трубки. Далее пучки фокусируются специальной катушкой и попадают в поле отклоняющей системы. Проходя через решетку, падают на нужные точки экрана, вызывая преобразование своей в свечение.

Вычислительная техника

Мониторы с электронно-лучевой трубкой нашли широкое применение в составе компьютерных систем. Простота конструкции, высокая надежность, точная цветопередача и отсутствие задержек (тех самых миллисекунд реакции матрицы в ЖК) - вот их основные преимущества. Однако в последнее время, как уже указывалось, ЭЛТ вытесняется более экономными и эргономичными ЖК-мониторами.