Электроды, баллоны, вспомогательные детали 6 страница

В настоящее время применяют прожекторы, в которых между модулятором и первым анодом поставлен дополнительный, ускоряющий (экранирующий) электрод (рис. 2.6). 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. 2.5, 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.

Чтобы регулирование яркости меньше влияло на фокусировку, первый анод делают без диафрагм (рис. 2.6). 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 , то

, (2.1)

где – чувствительность трубки для пластин «игрек».

Подобно этому отклонение пятна по горизонтали

, (2.2)

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

и (2.3)

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 или , и выражают ее в вольтах на миллиметр. Чувствительность бывает в пределах 0,1 — 1,0 мм/В. Она зависит от режима работы и некоторых геометрических размеров трубки (рис. 2.7):

, (2.4)

где – длина отклоняющих пластин; – расстояние от середины пластин до экрана; – расстояние между пластинами; – напряжение второго анода.

Эту формулу нетрудно объяснить. С увеличением 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 . Если увеличить , то напряженность поля между пластинами, а, следовательно, отклонение уменьшится. Повышение напряжения приводит к уменьшению отклонения, поскольку возрастает скорость, с которой электроны пролетают поле между пластинами.

Рассмотрим возможность повышения чувствительности исходя из формулы (2.4). Увеличение расстояния нежелательно, так как чрезмерно длинная трубка неудобна в эксплуатации. Если увеличить или уменьшить , 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. 2.8. Можно увеличить чувствительность, понижая напряжение . 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 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 компенсируется в трубках с послеускрением. 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. 2.9, а). При этом > . 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: > > > (рис. 2.9, б).

Чтобы уменьшить паразитные емкости между пластинами и выводы от них иногда делают непосредственно через стекло баллона и между парами пластин ставят экран. Из тех же соображений не размещают обе пары пластин в одном месте трубки. За счет неодинакового расстояния пластин и до экрана чувствительность по осям и несколько различна.

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. 2.10, а). Ее длина пропорциональна двойной амплитуде подведенного напряжения 2 . Зная чувствительность трубки и измерив у, можно определить по формуле

(2.5)

Например, если = 0,4 мм/В, а = 20 мм, то = 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 значение 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 и от начального положения пятна до концов светящейся черточки (рис. 2.10, б). Амплитуды полуволн при этом

и (2.6)

Для наблюдения переменных напряжений к пластинам подводят исследуемое напряжение, а к пластинам – напряжение развертки , имеющее пилообразную форму (рис. 2.11) и получаемое от специального генератора. Это напряжение осуществляет временную развертку. В течение времени , 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 , 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 , 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. 2.12). На рисунке показаны осциллограммы синусоидального напряжения, но можно наблюдать напряжение любой формы.

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

, (2.7)

где – целое число.

Соответственно частота развертки должна быть в целое число раз меньше частоты исследуемого напряжения:

(2.8)

Тогда за время 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 = 1, или , и = 2, т. е. . Время обратного хода желательно иметь, возможно, меньшим, так как за счет него часть кривой не воспроизводится (штрихи на рисунке). Кроме того, чем меньше , тем быстрее обратный ход луча и тем слабее он виден. Следует установить не менее 2, чтобы было видно полностью хотя бы одно целое колебание. Подбор значения производится изменением частоты генератора развертки. Если не будет целым числом, то осциллограмма не остается неподвижной и вместо одной кривой наблюдается несколько, что неудобно. На рис. 2.13 показаны осциллограммы синусоидального напряжения при =1/2 и = 3/4. Для упрощения здесь принято, что время обратного хода = 0. Стрелки с цифрами на рисунке указывают последовательность движения пятна на экране.

Подобранное целое число обычно сохраняется лишь короткое время, так как генератор развертки имеет нестабильную частоту, да и частота исследуемого напряжения также может изменяться. Для сохранения выбранного 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 сигнала.

Исследуемые напряжения обычно подают на отклоняющие пластины через разделительные конденсаторы (см. рис. 2.2). 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 . Напряжение на нем, пропорциональное исследуемому току, подводят к пластинам . По известной чувствительности трубки определяют это напряжение. Разделив его на сопротивление , находят ток. Чтобы ток заметно не изменился при включении резистора , последний должен иметь относительно малое сопротивление. Если напряжение будет недостаточным, то его придется подавать через усилитель с известным коэффициентом усиления.

Искажения изображений. Вэлектростатических трубках искажения осциллограмм наблюдаются главным образом при несимметричном включении отклоняющих пластин, т. е. когда одна пластина каждой пары соединена со вторым анодом (см. рис. 2.2). Пусть при таком включении на пластины , подано переменное напряжение с амплитудой . Тогда на одной пластине потенциал равен нулю относительно корпуса, а на другой пластине он меняется от + до – (рис. 2.14, а). Соответственно меняются и потенциалы различных точек в пространстве между пластинами. При положительной полуволне напряжения электроны пролетают через точки с потенциалами более высокими, чем . За счет этого скорость их увеличивается, а чувствительность трубки уменьшается. При отрицательной полуволне электроны уменьшают скорость, так как потенциалы точек между пластинами ниже . Это приведет к увеличению чувствительности трубки. В результате отклонение при положительной полуволне будет меньше, чем отклонение при отрицательной полуволне. Осциллограмма синусоидального напряжения станет несинусоидальной, т. е. возникнут нелинейные искажения.

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. 2.14, б). Потенциалы пластин в любой момент одинаковы по значению и противоположны по знаку. На одной пластине потенциал принимает крайние значения 0,5 , а на другой соответственно 0,5 . Отклонение электронного луча к любой из пластин происходит в одинаковых условиях, и поэтому = . На рис. 2.15 показан вариант симметричного включения отклоняющих пластин. Постоянное напряжение для начальной установки пятна снимается со сдвоенного резистора , . При одновременном перемещении их движков с помощью одной ручки потенциалы отклоняющих пластин изменяются одинаково по значению, но противоположно по знаку.

Симметричное 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 и включенные любым образом, подано переменное напряжение, а на пластинах и включенных несимметрично, напряжение равно нулю. Тогда на экране видна вертикальная светящаяся черточка 1 (рис. 2.16).

Если подать на пластину и , 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 и пластинами образовалось дополнительное ускоряющее поле, которое несколько искривляет траектории электронов и уменьшает их отклонение, вызванное напряжением на пластинах . При отрицательном потенциале той же пластины на электроны, вылетевшие из пластин , 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 , 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.