Электроды, баллоны, вспомогательные детали 5 страница
, (1.30)
где – проницаемость первой сетки, характеризующая влияние напряжения экранирующей сетки на область катода; – проницаемость экранирующей сетки, оценивающая влияние напряжения защитной сетки на область управляющей сетки; – проницаемость защитной сетки, показывающая влияние анодного напряжения на область экранирующей сетки .
Каждая из этих величин существенно меньше единицы. В выражении (1.30) значение помножено на общую проницаемость , которая является величиной третьего порядка малости, и, следовательно, увеличение почти не влияет на действующее напряжение и на катодный ток . Здесь – конструктивный коэффициент пентода. Поскольку катодный ток изменяется .мало, то соответственно мало меняются токи и . Чем меньше проницаемость сеток, тем меньше изменение анодного тока. У высокочастотных пентодов с целью получения малой проходной емкости экранирующую сетку выполняют с малыми расстояниями между витками, т. е. с малой проницаемостью. Поэтому у таких пентодов участок АВ почти параллелен оси абсцисс.
Экранно-анодные характеристики пентода, выражающие зависимость , показаны на рис. 1.46.6. Они снимаются при постоянных напряжениях на всех сетках пентода. Ход этих характеристик связан с ходом анодных. В режиме возврата наблюдается значительное изменение тока экранирующей сетки, а в режиме перехвата – незначительное.
Характеристики прямой передачи и экранно-сеточные характеристики пентода приведены на рис. 1.46.в. В соответствии с выражением (1.30) напряжение сдвига по управляющей сетке зависит только от напряжения экранирующей сетки и проницаемости управляющей, так как влиянием анодного напряжения и напряжения защитной сетки можно пренебречь . Характеристики приведены для различных значений , а значение на них не указывается, так как при работе лампы в режиме перехвата электронов характеристики для различных значений анодного напряжения практически сливаются в одну. Поэтому нагрузочные характеристики прямой передачи при работе в режиме перехвата практически также сливаются со статическими. Нелинейность характеристик слабо выражена при больших токах и значительна на их начальных участках.
Входные характеристики и характеристики обратной связи пентода при работе в области положительных напряжений на управляющей сетке не имеют существенных особенностей.
В ряде случаев, например, при преобразовании частоты пентод используется как лампа с двойным управлением анодного тока.
Помимо первой сетки, анодным током управляет также и третья. В этих случаях необходимо знать зависимости анодного тока и тока экранирующей сетки от напряжения на защитной сетке (рис. 1.47). При большом отрицательном напряжении на защитной сетке анодный ток лампы отсутствует: поток электронов, прошедших экранирующую сетку, возвращается на нее. С увеличением напряжения на защитной сетке анодный ток растет, а ток экранирующей сетки падает. Сумма этих токов равна катодному току, который почти не зависит от . При небольшом положительном напряжении на защитной сетке управляющее действие ее незначительно. Обычно для управления используется область отрицательных значений напряжений защитной сетки.
Параметры пентода.Как уже отмечалось, ряд параметров пентода значительно изменился в связи с введением экранирующей сетки. Резко возросли его статический коэффициент усиления и внутреннее сопротивление из-за малой проницаемости лампы и, следовательно, малого влияния анодного напряжения на анодный ток. Величина в пентодах лежит в пределах сотен и тысяч единиц. Определение графическим путем по статическим характеристикам практически невозможно. Его можно вычислить из внутреннего уравнения лампы: = , или воспользоваться значением, взятым из справочника. Внутреннее сопротивление пентода лежит в пределах 104 106 Ом и так же, как и графическим путем его определить трудно. Значение можно взять из справочника. Параметры и в режиме прямого перехвата почти не зависят от параметров режима. Крутизна статической характеристики в пентодах имеет тот же порядок, что и в триодах, и от введения дополнительных сеток увеличивается незначительно. Значение крутизны легко определяется из статических характеристик методом двух отсчетов. При этом второй параметр, например , берется из справочника, а третий подсчитывается с помощью внутреннего уравнения лампы = . Следует заметить, что вследствие совпадения нагрузочной характеристики прямой передачи в квазистатическом режиме со статическими характеристиками нагрузочная крутизна .
Протекающий через экранирующую сетку ток нагревает ее. Поэтому для пентода вводится дополнительный тепловой параметр – допустимая мощность, рассеиваемая экранирующей сеткой. При эксплуатации пентода необходимо выполнить условие: .
У пентода сильно уменьшается проходная емкость. В зависимости от размеров лампы и густоты ее сеток значение проходной емкости лежит в пределах С = 0,003 1 пФ. Вследствие этого эквивалентная емкость пентода несущественно отличается от входной статической емкости. Таким образом, в пентоде . Входная емкость, например, для схемы с общим катодом . Соответственно выходная емкость . Значения входной и выходной емкостей в приемно-усилительных пентодах составляет около 3 15 пФ.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В электронно-лучевых приборах создается тонкий пучок электронов (луч), который управляется электрическим или магнитным полем либо обоими полями. К этим приборам относятся электронно-лучевые трубки индикаторных устройств радиолокаторов, для осциллографии, приема телевизионных изображений (кинескопы), передачи телевизионных изображений, а также запоминающие трубки, электронно-лучевые переключатели, электронные микроскопы, электронные преобразователи изображений и др. Большинство электронно-лучевых приборов служит для получения видимых изображений на люминесцентном экране; их называют электронно-графическими. В этой главе рассматриваются наиболее распространенные осциллографические и приемные телевизионные трубки, к которым также близки индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций.
Трубки могут быть с фокусировкой луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча В зависимости от цвета изображения на люминесцентном экране бывают трубки с зеленым, оранжевым или желто-оранжевым свечением – для визуального наблюдения, синим – для фотографирования осциллограмм, белым или трехцветным – для приема телевизионных изображений. Кроме того, трубки изготовляются с различной длительностью свечения экрана после прекращения ударов электронов (так называемым послесвечением). Трубки различаются также по размерам экрана, материалу баллона (стеклянные или металлостеклянные) и другим признакам.
2.2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
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.
На рис. 2.1 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 А2 напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (иногда 10 — 20 кВ), а на первом аноде А1 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 и . 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 Пу отклоняют луч по вертикали и называются пластинами вертикального отклонения (пластинами «игрек»), а пластины Пх – 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.
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. 2.2. Постоянные напряжения подаются на электроды от двух выпрямителей Е1 и Е2. Первый должен давать высокое напряжение (согни и тысячи вольт) при токе в единицы миллиампер, источник Е2 — 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 , , и . Их сопротивление обычно большое (сотни кОм), чтобы делитель потреблял небольшой ток. Сама трубка также потребляет малый ток: в большинстве случаев десятки или сотни микроампер.
Переменный резистор является регулятором яркости. Он регулирует отрицательное напряжение модулятора, которое снимается с правого участка . Увеличение этого напряжения по абсолютному значению уменьшает число электронов в луче и, следовательно, яркость свечения.
Для регулирования фокусировки луча служит переменный резистор , 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 не следует уменьшать до нуля или увеличивать до напряжения второго анода , в делитель введены резисторы и .
Напряжение второго анода , лишь немного меньше, чем напряжение (разница — падение напряжения на резисторе ). 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 . Например, электроны тока первого анода движутся в направлении от катода к аноду, затем через правый участок резистора и через резистор к плюсу источника , далее внутри него и через резистор к катоду.
Для начальной установки светящегося пятна на экране служат переменные резисторы и , подключенные к источнику . Движки этих резисторов через резисторы и с большим сопротивлением подключены к отклоняющим пластинам. Кроме того, с помощью резисторов и , имеющих одинаковое сопротивление, устанавливается точка нулевого потенциала, соединенная с корпусом. У резисторов и на концах получаются потенциалы + 0,5 и – 0,5 , а их средние точки имеют нулевой потенциал. Когда движки резисторов и 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 и 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 , и 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 , и резисторами , . При этом резисторы , и 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 , затем через его внутреннее сопротивление и резистор к катоду.
Питание электродов трубки может быть выполнено и по другим вариантам, например от одного источника высокого напряжения.
Электронные прожекторы.Электронный прожектор представляет собой электроннооптическую 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. 2.3 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.
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. 2.4 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.
Рассмотрим фокусировку электронного луча во второй линзе, т. е. в системе двух анодов (рис. 2.5, 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. 2.5, 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 луча. 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.