Электронно-лучевая трубка, изобретенная еще в 1897 г., является электронно-вакуумным прибором, который имеет много общего с обычной электронной лампой. Внешне трубка представляет собой стеклянную колбу с удлиненной горловиной и плоской торцовой частью— экраном.
Внутри колбы и горловины, так же как и внутри баллона электронной лампы, располагаются электроды, выводы которых, так же как и у лампы, подпаяны к ножкам цоколя.
Основное назначение электронно-лучевой трубки — образование видимого изображения с помощью электрических сигналов. Подводя к электродам трубки соответствующие напряжения, можно рисовать на ее экране графики переменных напряжения и токов, характеристики различных радиоустройств, а также получать движущиеся изображения, подобным тем, которые мы видим на экране кино.
Рис. 1. Чудесный карандаш.
Все это делает электронно-лучевую трубку незаменимой частью телевизоров, радиолокаторов, многих измерительных и вычислительных приборов.
Какой же «быстрый карандаш» успевает зарисовывать на экране электроннолучевой трубки импульсы тока, которые длятся миллионные доли секунды? Каким образом удается подбирать тона сложного рисунка? Как можно мгновенно «стирать» с экрана одно изображение и с такой же быстротой создать другое? (рис. 1).
Люминесцирующий экран к электронный луч. В основе работы электронно-лучевой трубки лежит способность некоторых веществ (виллемит, сернистый цинк, алюминат цинка:) светиться (люминесцировать) под действием электронной бомбардировки.
Если таким люминесцирующим веществом покрыть изнутри анод обычной электронной лампы, то он будет ярко светиться за счет бомбардировки электронами, образующими анодный ток. Между прочим, такой люминесцирующий анод используется в одной из специальных электронных ламп — оптическом индикаторе настройки 6Е5С. Люминесцирующим составом покрывают изнутри утолщенный торец колбы, образуя таким образам люминесцирующий экран электронно-лучевой трубки. С помощью специального устройства —«электронной пушки»— из горловины трубки на экран направляютузкий пучок электродов —«электронный луч».
Рис. 2. Экран светится под действием пучка электронов.
В том месте, где электроны ударяются о люминесцирующий слой, на экране образуется светящаяся точка, которая отлично видна (с торца) снаружи трубки сквозь стекло. Чем большее количество электронов образует луч и чем с большей скоростью эти электроны движутся, тем ярче светящаяся точка на люминесцирующем экране.
Если электронный луч перемещать в пространстве, то и светящаяся точка также будет двигаться по экрану, причем если перемещение луча происходит достаточно быстро, то наш глаз вместо движущейся точки увидит на экране сплошные светящиеся линии (рис. 2).
Если электронным лучом быстро прочертить весь экран строка за строкой и при этом соответствующим образом менять ток луча (т. е. яркость светящейся точки), то на экране можно будет получить сложную и достаточно четкую картину.
Таким образом, изображение на люминесцирующем экране трубки получается с помощью остро направленного пучка электронов и поэтому, так же как и в электронной лампе, основные процессы в трубке связаны с получением и упорядоченным движением свободных электронов в вакууме.
Электронно-лучевая трубка и триод
Электроннолучевая трубка во многом напоминает усилительную лампу — триод. Так же как и в лампе, в трубке имеется катод, испускающий электроны, необходимые для образования электронного луча. От катода трубки электроны движутся к экрану, который, так же как и анод триода, имеет высокий положительный потенциал относительно катода.
Рис. 3. Возникновение вторичных электронов
Однако подача положительного напряжения непосредственно «а экран затруднена, так как люминесцирующее вещество является полупроводником. Поэтому положительные напряжения на экране приходится создавать косвенным путем. Колбу изнутри покрывают слоем графита, на который и подают положительное напряжение. Электроны, образующие луч, с силой ударяя в люминесцирующее вещество, «выбивают» из него так называемые «вторичные» электроны, которые упорядоченно движутся к графитовому покрытию под действием положительного напряжения на нем (рис. 3).
В первый момент число вторичных электронов, покидающих экран, намного превышает число попадающих в него электронов луча. Это приводит к тому, что в атомах люминесцирующего вещества образуется нехватка электронов, т. е. экран приобретает положительный потенциал. Равновесие между числом попадающих на экран электронов и числом выбиваемых из него вторичных электронов установится лишь тогда, когда напряжение на экране трубки окажется близким к напряжению на графитовом покрытии. Таким образом, ток в электронно-лучевой трубке замыкается по пути катод — экран — графитовое покрытие, а следовательно, именно графитовое покрытие играет роль анода, хотя электроды, вылетевшие из катода, непосредственно на него не попадают.
Вблизи катода трубки располагается управляющий электрод (модулятор), который играет ту же роль, что и управляющая сетка триода. Меняя напряжение на управляющем электроде, можно изменять величину тока луча, что в свою очередь приведет к изменению яркости светящейся на экране точки.
Однако наряду со сходством между усилительной электронной лампой и электронно-лучевой трубкой в работе последней имеются особенности, принципиально отличающие ее от триода.
Во-первых, электроны движутся от катода к экрану трубки узким пучком, в то время как к аноду лампы они движутся «широким фронтом».
Во-вторых, для того чтобы, передвигая светящуюся точку по экрану, создавать на нем изображение, необходимо изменять направление движения летящих к экрану электронов и, таким образом, перемещать электронный луч в пространстве.
Из всего этого следует, что важнейшими процессами, отличающими трубку от триода, являются образование тонкого электронного луча и отклонение этого луча в разные стороны.
Образование и фокусировка электронного луча
Образование электронного луча начинается уже около катода электронно-лучевой трубки, который состоит из маленького никелевого цилиндра с колпачком, покрытым эмиттирующим (хорошо испускающим электроны при нагревании) материалом. Внутри цилиндра помещается изолированная проволока — подогреватель. Благодаря такой конструкции катода электроны излучаются со значительно меньшей поверхности, чем в обычной электронной лампе. Это сразу создает некоторую направленность пучка летящих от катода электронов.
Катод электронно-лучевой трубки помещен в тепловой экран — металлический цилиндр, торцовая часть которого, направленная в сторону колбы, открыта. Благодаря этому электроны движутся от катода не во все стороны, как это имеет место в лампе, а только в направлении люминесцирующето экрана. Однако, несмотря на специальную конструкцию катода и тепловой экран, поток движущихся электронов остается чрезмерно широким.
Резкое сужение потока электронов осуществляется управляющим электродом, который хотя и выполняет роль управляющей сетки, конструктивно ничего общего с сеткой не имеет. Управляющий электрод выполнен в виде накрывающего катод цилиндра, в торцовой части которого сделано круглое отверстие диаметром в несколько десятых долей миллиметра.
На управляющий электрод подают значительное (несколько десятков вольт) отрицательное смещение, благодаря чему он отталкивает электроны, обладающие, как известно, отрицательным зарядом. Под действием отрицательного напряжения траектории (пути движения) электронов, проходящих сквозь узкое отверстие в управляющем электроде, «сжимаются» к центру этого отверстия и таким образом образуется довольно тонкий электронный луч.
Однако для нормальной работы трубки нужно не только создать электронный луч, но и произвести его фокусировку, т. е. добиться того, чтобы траектории всех электронов луча сходились на экране в одной точке. Если фокусировки луча не производить, то на экране вместо светящейся точки появится довольно большое светящееся пятно и вследствие этого изображение окажется расплывчатым или, как говорят фотолюбители, «нерезким».
Рис. 4. Электронная пушка и ее оптическая аналогия.
Фокусировка луча осуществляется электронной оптической системой, которая действует на движущиеся электроны так же, как и обычная оптика на световые лучи. Электронная оптическая система образуется электростатическими линзами (статическая фокусировка) либо электромагнитными линзами (магнитная фокусировка), конечный результат действия которых одинаков.
Электростатическая линза — это не что иное (рис. 4,а), как образованное с помощью специальных электродов электрическое поле, под действием которого искривляются траектории электронов луча. В трубке со статической фокусировкой (рис. 4,б) обычно имеются две линзы, для образования которых используют уже известный нам управляющий электрод, а также два специальных электрода: первый и второй аноды. Оба эти электрода представляют собой металлические цилиндры, иногда разных диаметров, на которые подают большое положительное (относительно катода) напряжение: на первый анод — обычно 200—500 в, на второй — 800—15 000 в.
Первая линза образуется между управляющим электродом и первым анодом. Ее оптическим аналогом является короткофокусная собирающая линза, состоящая из двух элементов: двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Эта линза дает внутри первого анода изображение катода, в свою очередь проектируемого на экран трубки с помощью второй линзы.
Вторая линза образуется полем между первым и вторым анодами и аналогична первой линзе, за исключением того, что ее фокусное расстояние значительно больше. Таким образом, первая линза играет роль конденсора, а вторая линза — главной проекционной линзы.
Внутри анодов располагают тонкие металлические пластины с отверстиями в центре — диафрагмы, которые улучшают фокусирующие свойства линз.
Изменяя напряжение на любом из трех образующих электростатические линзы электродов, можно менять свойства линз, добиваясь хорошей фокусировки луча. Обычно это делают путем изменения напряжения на первом аноде.
Несколько слов о названиях электродов «первый анод» и «второй анод». Раньше мы установили, что роль анода в электронно-лучевой трубке играет графитовое покрытие вблизи экрана. Однако первый « второй аноды, в основном предназначенные для фокусировки луча, благодаря наличию на них большого положительного напряжения ускоряют электроны, т. е. делают то же, что и анод усилительной лампы. Поэтому названия этих электродов можно считать оправданными, тем более что на них попадает некоторая часть вылетающих из катода электронов.
Рис. 5. Трубка с магнитной фокусировкой. 1 —управляющий электрод; 2—первый анод; 3—фокусирующая катушка; 4—графитовое покрытие; 5—-люминесцирующий экран; 6—колба.
В электронно-лучевых трубках с магнитной фокусировкой (рис. 5) второй анод отсутствует. Роль собирающей линзы в этой трубке играет магнитное поле. Это поле образуется охватывающей горловину трубки катушкой, по которой пропускают постоянный ток. Магнитное поле катушки создает вращательное движение электронов. В то же время электроны с большой скоростью движутся параллельно оси трубки к люминесцирующему экрану под действием положительного напряжения на нем. В результате этого траектории электронов представляют собой кривую, «напоминающую винтовую линию.
По мере приближения к экрану скорость поступательного движения электронов возрастает, а действие магнитного поля ослабляется. Поэтому радиус кривой постепенно уменьшается и вблизи экрана пучок электронов вытягивается в тонкий прямой луч. Хорошей фокусировки, как правило, добиваются путем изменения тока в фокусирующей катушке, т. е. путем изменения напряженности магнитного поля.
Всю систему для образования электронного луча в трубках часто называют «электронной пушкой» или «электронным прожектором».
Отклонение электронного луча
Отклонение электронного луча, так же как и его фокусировка, осуществляется с помощью электрических полей (электростатическое отклонение) либо с помощью магнитных полей (магнитное отклонение).
В трубках с электростатическим (рис. 6,а) отклонением электронный луч, прежде чем попасть на экран, проходит между четырьмя плоскими металлическими пластинами-электродами, которые получили название отклоняющих пластин.
Рис. 6. Управление лучом при помощи. а—электростатического и б—магнитного полей.
В электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) для воспроизведения изображения на люминесцентном экране используется пучок электронов, получаемых с нагретого катода. Катод изготовляют оксидным, с косвенным накалом, в виде цилиндра с подогревателем. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной его фокусировки. На модулятор подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт. Чем это напряжение больше, тем больше электронов возвращается на катод. Другие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В ЭЛТ их минимум два. На втором аноде напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (порядка 20 кВ), а на первом аноде напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов имеются 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. 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. Электронный прожектор размещается в узкой горловине колбы ЭЛТ. Этот луч отклоняется под действием электрического или магнитного поля, а интенсивность луча можно изменять посредством управляющего электрода, меняя тем самым яркость пятна. Люминесцентный экран формируется путем нанесения тонкого слоя люминофора на внутреннюю поверхность торцевой стенки конической части ЭЛТ. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих экран, превращается в видимый свет.
ЭЛТ С электростатическим управлением.
Электрические поля обычно используются в ЭЛТ с экраном малого размера. В системах отклонения электрическим полем вектор поля ориентирован перпендикулярно начальной траектории луча. Отклонение осуществляется приложением разности потенциалов к паре отклоняющих пластин рисунок ниже. Обычно отклоняющие пластины делают отклонение в горизонтальном направлении пропорциональным времени. Это достигается приложением к отклоняющим пластинам напряжения, которое равномерно возрастает, пока луч перемещается поперек экрана. Затем это напряжение быстро падает до своего исходного уровня и снова начинает равномерно возрастать. Сигнал, который требует исследования, подают на пластины, отклоняющие в вертикальном направлении. Если продолжительность однократной горизонтальной развертки равна периоду или соответствует частоте повторения сигнала, на экране будет непрерывно воспроизводиться один период волнового процесса.
1- экран ЭЛТ, 2-катод, 3- модулятор, 4-первый анод, 5- второй анод, П - отклоняющие пластины.
ЭЛТ с электромагнитным управлением
В тех случаях, когда требуется большое отклонение, использование электрического поля для отклонения луча становится неэффективным.
Электромагнитные трубки имеют электронную пушку, такую же, как и электростатические. Разница состоит в том, что напряжение на первом аноде не изменяется, и аноды предназначены только для ускорения электронного потока. Магнитные поля требуются для отклонения луча в телевизионных ЭЛТ с большими экранами.
Фокусировка электронного луча осуществляется при помощи фокусирующей катушки. Фокусирующая катушка имеет рядовую намотку и одевается прямо на колбу трубки. Фокусирующая катушка создает магнитное поле. Если электроны движутся по оси, то угол между вектором скорости и магнитными силовыми линиями будет равен 0, следовательно, сила Лоренца равна нулю. Если электрон влетает в магнитное под углом, то за счет силы Лоренца траектория электрона будет отклоняться к центру катушки. В результате все траектории электронов будут пересекаться в одной точке. Изменяя ток через фокусирующую катушку, можно изменять местоположение этой точки. Добиваются того, чтобы эта точка находилась в плоскости экрана. Отклонение луча осуществляется при помощи магнитных полей, формируемых двумя парами отклоняющих катушек. Одна пара - катушки вертикального отклонения, и другая - катушки таким образом, что их магнитные силовые линии на осевой линии будут взаимно перпендикулярны. Катушки имеют сложную форму и располагаются на горловине трубки.
При использовании магнитных полей для отклонения луча на большие углы ЭЛТ получается короткой, а также позволяет изготавливать экраны больших размеров.
Кинескопы.
Кинескопы относятся к комбинированным ЭЛТ, то есть они имеют электростатическую фокусировку и электромагнитное отклонение луча для увеличения чувствительности. Основным отличием кинескопов от ЭЛТ является следующее: электронная пушка кинескопов имеет дополнительный электрод, который называется ускоряющим электродом. Он располагается между модулятором и первым анодом, на него подается положительное напряжение в несколько сотен вольт относительно катода, и он служит для дополнительного ускорения электронного потока.
Схематическое устройство кинескопа для черно-белого телевидения: 1- нить подогревателя катода; 2- катод; 3- управляющий электрод; 4- ускоряющий электрод; 5- первый анод; 6- второй анод; 7- проводящее покрытие (аквадаг); 8 и 9- катушки вертикального и горизонтального отклонения луча; 10- электронный луч; 11- экран; 12- вывод второго анода.
Вторым отличием является то, что экран кинескопа, в отличие от ЭЛТ, трехслойный:
1 слой - наружный слой - стекло. К стеклу экрана кинескопа предъявляются повышенные требования по параллельности стенок и по отсутствию посторонних включений.
2 слой - это люминофор.
3 слой - это тонкая алюминиевая пленка. Эта пленка выполняет две функции:
Увеличивает яркость свечения экрана, действуя как зеркало.
Основная функция состоит в защите люминофора от тяжелых ионов, которые вылетают из катода вместе с электронами.
Цветные кинескопы.
Принцип действия основан на том, что любой цвет и оттенок можно получить смешиванием трех цветов - красного, синего и зеленого. Поэтому цветные кинескопы имеют три электронных пушки и одну общую отклоняющую систему. Экран цветного кинескопа состоит из отдельных участков, каждый из которых содержит три ячейки люминофора, которые светятся красным, синим и зеленым цветами. Причем размеры этих ячеек настолько малы и они расположены настолько близко друг к другу, что их свечение воспринимается глазом как суммарное. Это общий принцип построения цветных кинескопов.
Мозаика (триады) экрана цветного кинескопа с теневой маской: R- красные, G- зеленые, B- синие люминофорные «точки».
Электропроводность полупроводников
Собственная проводимость полупроводников.
Собственным полупроводником называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решеткой на валентной орбите которого находится четыре электрона. В полупроводниковых приборах чаще всего используются кремний Si и германий Ge .
Ниже показана электронная оболочка атома кремния. В образовании химических связей и в процессе проводимости могут участвовать только четыре электрона внешней оболочки, называемые валентными электронами. Десять внутренних электронов в таких процессах не участвуют.
Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть представлена следующим образом.
Если электрон получил энергию, большую ширины запрещенной зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой . В химически чистом полупроводнике концентрация электронов n равна концентрации дырок p .
Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда.
Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счет собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.
Примесная проводимость проводников.
Так как у химически чистых полупроводников проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.
Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным. За счет этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь, за счет которой n > p , называется донорной примесью. Полупроводник, у которого n > p , называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n -типа.
В полупроводнике n -типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.
При введении трехвалентной примеси три ее валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвертая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.
Примесь, при которой p > n , называется акцепторной примесью.
Полупроводник, у которого p > n , называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником р-типа . В полупроводнике р-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.
Образование электронно-дырочного перехода.
Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела р и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счет которого электроны из n -области переходят в р-область , а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в р-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина р- n перехода - десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле р-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.
Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряженности электрического поля - на границе раздела.
Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на р- n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером . Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть р- n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.
Прямое и обратное включение р- n перехода.
Приложим внешнее напряжение плюсом к р -области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю р- n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через р- n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.
Такое включение р- n перехода называется прямым, и ток через р- n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении р- n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на р-область , а плюсом на n -область , то возникает внешнее электрическое поле, линии напряженности которого совпадают с внутренним полем р- n перехода. В результате это приведет к увеличению потенциального барьера и ширины р- n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть р- n переход, и считается, что р- n переход закрыт. Оба поля - и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через р- n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током . Такое включение р- n перехода также называется обратным.
Свойства р- n перехода. Вольтамперная характеристика р- n перехода
К основным свойствам р- n перехода относятся:
- свойство односторонней проводимости;
Температурные свойства р- n перехода;
Частотные свойства р- n перехода;
Пробой р- n перехода.
Свойство односторонней проводимости р- n перехода рассмотрим на вольтамперной характеристике.
Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через р- n переход тока от величины приложенного напряжения I = f (U ) – рис.29.
Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что р- n переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство р- n перехода показывает, как изменяется работа р- n перехода при изменении температуры. На р- n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени - охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока. Частотные свойства р- n перехода показывают, как работает р- n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства р- n перехода определяются двумя видами емкости перехода.
Первый вид емкости - это емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной емкостью. Второй тип емкости - это диффузионная емкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через р- n переход при прямом включении.
Если на р- n переход подавать переменное напряжение, то емкостное сопротивление р- n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах емкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением р- n перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту емкость потечет достаточно большой обратный ток, и р- n переход потеряет свойство односторонней проводимости.
Вывод: чем меньше величина емкости р- n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.
На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная емкость, т. к. диффузионная емкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление р- n перехода мало.
Пробой р- n перехода .
При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определенном обратном напряжении называется электрическим пробоем р- n перехода.
Электрический пробой - это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения р- n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счет теплового действия тока и р- n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем р- n перехода. Тепловой пробой необратим.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один р-n переход и имеющее два вывода. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.
Маркировка диодов состоит из 4 обозначений:
К С -156 А
На экран электронно-лучевой трубки люминофоры наносятся в виде крошечных точек, причем эти точки собираются по три; в каждой тройке, или триаде, имеются одна красная, одна синяя и одна зеленая точки. На рисунке я вам показал несколько таких триад. Всего на экране трубки имеется около 500 тысяч триад. Картина, которую вы видите в телевизоре, вся состоит из светящихся точек. Там, где детали изображения более светлые, на точки попадает больше электронов, и они светятся ярче. На темные места изображения электронов попадает, соответственно, меньше. Если в цветном изображении имеется белая деталь, то повсюду в пределах этой детали все три точки в каждой триаде светятся с одинаковой яркостью. Наоборот, если в цветном изображении имеется деталь красного цвета, то повсюду в пределах этой детали светятся только красные точки каждой триады, а зеленые и синие не светятся совсем.
Вы поняли, что значит создать цветное изображение на экране телевизора? Это, во-первых, заставить электроны попадать в нужные места, то есть на те люминофорные точки, которые должны светиться, и не попадать в другие места, то есть на те точки, которые светиться не должны. Во-вторых, электроны должны попадать в нужные места в нужное время. Ведь изображение на экране постоянно меняется, и там, где в какой-то момент, например, было ярко-оранжевое пятно, через мгновение должно появиться, скажем, темно-фиолетовое. Наконец, в-третьих, в нужное место и в нужное время должно попадать нужное количество электронов. Больше - туда, где свечение должно быть ярче, и меньше - туда, где свечение темнее.
Поскольку на экране размещается почти полтора миллиона люминофорных точек, задача на первый взгляд представляется исключительно сложной. На самом деле - ничего сложного. Прежде всего в электронно-лучевой трубке имеется не один, а три отдельных нагретых катода. Точно таких, как в обычной электронной лампе. Каждый катод испускает электроны, и вокруг него создается электронное облачко. Около каждого катода находятся сетка и анод. Количество электронов, прошедших сквозь сетку к аноду, зависит от напряжения на сетке. Пока все происходит, как в обычной трехэлектродной лампе - триоде.
Какое отличие? Анод здесь не сплошной, а с отверстием в самом центре. Поэтому большинство электронов, движущихся от катода к аноду, не задерживается на аноде - они вылетают через отверстие наружу в виде круглого пучка. Конструкция, состоящая из катода, сетки и анода, так и называется: электронная пушка. Пушка как бы выстреливает пучком электронов, а количество электронов в пучке зависит от напряжения на сетке.
Нацелены электронные пушки так, чтобы пучок, вылетающий из первой пушки, всегда попадал только в красные точки триад, пучок из второй пушки - только в зеленые точки, а пучок из третьей пушки - только в синие точки. Таким образом решается одна из трех задач по образованию цветного изображения. Подавая нужные напряжения на сетки каждой из трех пушек, устанавливают нужные интенсивности красного, зеленого и синего свечения, а значит, обеспечивают нужную окраску каждой детали изображения.
Применение электронно-лучевой трубки
Электронно-лучевые трубки применяются в осциллографах для измерения напряжения и фазовых углов, анализа формы кривой силы тока или напряжения и т. д. Эти трубки используются в телевизионных и радиолокационных установках.
Электронно-лучевые трубки бывают разных типов. По способу получения электронного луча они делятся на трубки с холодным и накаленным катодом. Трубки с холодным катодом используются сравнительно редко, так как для их работы требуются очень высокие напряжения (30-70 кВ). Трубки с накаленным катодом имеют широкое применение. Эти трубки по способу управления электронным лучом также разделяются на два вида: электростатические и магнитные. В электростатических трубках управление электронным лучом осуществляется с помощью электрического поля, а в магнитных - с помощью магнитного поля.
Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением применяются в осциллографах и бывают чрезвычайно разнообразны по конструктивному выполнению. Учащихся достаточно ознакомить с принципом устройства такой трубки, содержащей основные типовые элементы. Этим целям отвечает трубка типа 13ЛОЗ7, которая представлена на таблице с некоторыми упрощениями.
Электронно-лучевая трубка представляет собой хорошо вакуумированный стеклянный баллон, внутри которого находятся электроды. Широкий торец трубки - экран - с внутренней стороны покрывается флуоресцирующим веществом. Вещество экрана светится при ударах электронов. Источником электронов служит катод косвенного накала. Катод состоит из нити накала 7, вставленной в тонкую фарфоровую трубочку (изолятор), на которую надет цилиндр 6 с оксидным покрытием торца (катод), благодаря чему достигается излучение электронов только в одном направлении. Вылетевшие из катода электроны устремляются к анодам 4 и 3, имеющим довольно высокий потенциал относительно катода (несколько сотен вольт). Для придания пучку электронов формы луча и его фокусировки на экране пучок проходит через ряд электродов. Однако следует обратить внимание уча-щихся только на три электрода: модулятор (управляющий цилиндр) 5, первый анод 4 и второй анод 3. Модулятор представляет собой трубчатый электрод, на который подается отрицательный потенциал относительно катода. Благодаря этому проходящий через модулятор электронный пучок будет стягиваться в узкий пучок (луч) и направляться электрическим полем через отверстие в аноде в сторону экрана. Повышая или понижая потенциал управляющего электрода, можно регулировать коли-чество электронов в луче, т. е. интенсивность (яркость) свечения экрана. С помощью анодов не только создается ускоряющее поле (обеспечивается разгон электронов), но, изменяя потенциал одного из них, можно более точно фокусировать электронный луч на экране и получить большую резкость светящейся точки. Обычно фокусировку осуществляют путем изменения потенциала первого анода, который называется фокусирующим.
Электронный луч, выйдя из отверстия в аноде, проходит между двумя парами отклоняющих пластин 1,2 и попадает на экран, вызывая его свечение.
Подавая напряжение на отклоняющие пластины, можно вызвать отклонение луча и смещение светящегося пятна от центра экрана. Величина и направление смещения зависят от напряжения, поданного на пластины, и полярности пластин. На таблице показан случай, когда напряжение подано только на вертикальные пластины 2. При указанной полярности пластин смещение электронного луча под действием сил электрического поля происходит вправо. Если подать напряжение на го-ризонтальные пластины 1, то смещение луча будет происходить в вертикальном направлении.
В нижней части таблицы приведен способ управления лучом с помощью магнитного поля, созданного двумя взаимно перпендикулярными катушками (каждая катушка разделена на две секции), оси которых имеют вертикальное и горизонтальное направления. На таблице показан случай, когда в горизонтальной катушке ток отсутствует и вертикальная катушка обеспечивает смещение луча только в горизонтальном направлении.
Магнитное поле горизонтальной катушки вызывает смещение луча в вертикальном направлении. Совместное действие магнитных полей двух катушек обеспечивает движение луча по всему экрану.
Магнитные трубки применяются в телевизорах.
Используемая как для передачи, так и для приема электронно-лучевая трубка снабжена устройством, испускающим электронный луч, а также устройствами, обеспечивающими управление его интенсивностью, фокусировку и отклонение. Здесь рассказывается обо всех этих операциях. В заключение профессор Радиоль заглядывает в будущее телевидения.
Итак, мой любезный Незнайкин, я должен объяснить тебе устройство и принципы работы электронно-лучевой трубки, так как она применяется в телевизионных передатчиках и приемниках.
Электронно-лучевая трубка существовала задолго до появления телевидения. Она использовалась в осциллографах - измерительных приборах, позволяющих наглядно увидеть формы электрических напряжений.
Электронная пушка
Электронно-лучевая трубка имеет катод обычно с косвенным накалом, который испускает электроны (рис. 176). Последние притягиваются анодом, имеющим положительный относительно катода потенциал. Интенсивностью потока электронов управляет потенциал другого электрода, установленного между катодом и анодом. Этот электрод носит название модулятора, имеет форму цилиндра, частично охватывающего катод, а в его дне есть отверстие, через которое проходят электроны.
Рис. 176. Пушка электронно-лучевой трубки, испускающая пучок электронов. Я - нить накала; К - катод; М - модулятор; А - анод.
Я чувствую, что ты сейчас испытываешь определенное недовольство мною. "Почему он не сказал мне, что это просто-напросто триод?!" - возможно, думаешь ты. На самом деле, модулятор играет ту же самую роль, что и сетка в триоде. А все эти три электрода вместе образуют электршпую пушку. Почему? Стреляет она чем-нибудь? Да. В аноде проделано отверстие, через которое пролетает значительная часть притягиваемых анодом электронов.
В передатчике электронный луч «просматривает» различные элементы изображения, пробегая по светочувствительной поверхности, на которую проецируется это изображение. В приемнике луч создает изображение на флуоресцирующем экране.
Чуть позже мы более подробно рассмотрим эти функции. А сейчас я должен изложить тебе две основные проблемы: как концентрируется луч электронов и как заставляют его отклоняться, чтобы обеспечить просмотр всех элементов изображения.
Способы фокусировки
Фокусировка необходима для того, чтобы сечение луча в месте его соприкосновения с экраном не превышало размеров элемента изображения. Луч в этой точке соприкосновения обычно называют пятном.
Для того чтобы пятно было достаточно малым, луч нужно пропустить через электронную линзу. Так называют устройство, использующее электрические или магнитные поля и воздействующее на электронный луч так же, как двояковыпуклая стеклянная линза на световые лучи.
Рис. 177. Благодаря воздействию нескольких анодов электронный луч фокусируется в одну точку на экране.
Рис. 178. Фокусировка электронного луча обеспечивается магнитным полем, создаваемым катушкой, к которой приложено постоянное напряжение.
Рис. 179. Отклонение электронного луча переменным полем.
Рис. 180. Две пары пластин позволяют отклонять электронный луч в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Рис. 181. Синусоида на экране электронного осциллографа, в котором на горизонтальные отклоняющие пластины приложено переменное напряжение, а на вертикальные пластины - линейное напряжение такой же частоты.
Фокусировка осуществляется электрическими силовыми линиями, для чего за первым анодом устанавливают второй (также снабженный отверстием), на который подают более высокий потенциал. Можно также установить за вторым анодом третий и подать на него еще более высокий потенциал, чем на второй. Разность потенциалов между анодами, через которые проходит электронный луч, воздействует на электроны наподобие электрических силовых линий, идущих от одного анода к другому. И это воздействие имеет тенденцию направить к оси луча все электроны, траектория которых отклонилась (рис. 177).
Потенциалы анодов в используемых в телевидении электронно-лучевых трубках часто достигают нескольких десятков тысяч вольт. Величина же анодных токов, наоборот, очень небольшая.
Из сказанного ты должен понять, что мощность, какую нужно отдать в трубке, не представляет собой ничего сверхъестественного.
Сфокусировать луч можно также воздействием на поток электронов магнитным полем, создаваемым протекающим по катушке током (рис. 178).
Отклонение электрическими полями
Итак, нам удалось настолько сфокусировать луч, что его пятно на экране имеет крохотные размеры. Однако неподвижное пятно в центре экрана не дает никакой практической пользы. Нужно заставить пятно пробегать по чередующимся строкам обоих полукадров, как это объяснил тебе Любознайкин во время вашей последней беседы.
Как обеспечить отклонение пятна, во-первых, по горизонтали, чтобы оно быстро пробегало по строкам, и, во-вторых, по вертикали, чтобы пятно переходило с одной нечетной строки на следующую нечетную или же с одной четной на следующую четную? Кроме того, нужно обеспечить очень быстрый возврат с конца одной строки к началу той, которую пятну предстоит пробежать. Когда же пятно закончит последнюю строку одного полукадра, оно должно очень быстро подняться кверху и занять исходное положение в начале первой строки следующего полукадра.
В этом случае отклонение электронного луча может также осуществляться изменением электрических или магнитных полей. Позднее ты узнаешь, какую форму должны иметь управляющие разверткой напряжения или токи и как их получить. А сейчас посмотрим, как устроены трубки, отклонение в которых осуществляется электрическими полями.
Эти поля создают путем приложения разности потенциалов между двумя металлическими пластинами, расположенными по одну и другую сторону от луча. Можно сказать, что пластины представляют собой обкладки конденсатора. Ставшая положительной обкладка притягивает электроны, а ставшая отрицательной - их отталкивает (рис. 179).
Ты легко поймешь, что две расположенные горизонтально пластины определяют отклонение электронного луча но вертикали. Для перемещения луча по горизонтали нужно использовать две пластины, расположенные вертикально (рис. 180).
В осциллографах как раз и используют этот способ отклонения; там устанавливают как горизонтальные, так и вертикальные пластины. На первые подают периодические напряжения, форму которых мужно определить, - эти напряжения отклоняют пятно по вертикали. На вертикальные пластины подают напряжение, отклоняющее пятно по горизонтали с постоянной скоростью и почти мгновенно возвращающее его к началу строки.
При этом появляющаяся на экране кривая отображает форму изменения изучаемого напряжения. По мере перемещения пятна слева направо рассматриваемое напряжение заставляет его подниматься или опускаться в зависимости от своих мгновенных значений. Если ты будешь таким образом рассматривать напряжение сети переменного тока, то на экране электронно-лучевой трубки увидишь красивую синусоидальную кривую (рис. 181).
Флуоресценция экрана
А теперь пора тебе объяснить, что экран электронно-лучевой трубки изнутри покрыт слоем флуоресцентного вещества. Так называют вещество, которое под воздействием ударов электронов светится. Чем мощнее эти удары, тем выше вызываемая ими яркость.
Не путай флуоресценцию с фосфоресценцией. Последняя присуща веществу, которое под воздействием дневного света или света электрических ламп само становится светящимся. Именно так светятся ночью стрелки твоего будильника.
Телевизоры оснащают электронно-лучевыми трубками, экран которых сделан из полупрозрачного флуоресцентного слоя. Под воздействием электронных лучей этот слой становится светящимся. В черно-белых телевизорах производимый таким образом свет - белый. Что же касается цветных телевизоров, то в них флуоресцентный слой состоит из 1500000 элементов, одна треть которых излучает красный свет, другая треть светится синим светом, а последняя треть - зеленым.
Рис. 182. Под воздействием магнитного поля магнита (тонкие стрелки) электроны отклоняются в перпендикулярном ему направлении (толстые стрелки).
Рис. 183. Катушки, создающие магнитные поля, обеспечивают отклонение электронного луча.
Рис. 184. По мере увеличения угла отклонения трубку делают короче.
Рис. 185. Размещение проводящего слоя, необходимого для отвода с экрана во внешнюю цепь первичных и вторичных электронов.
Позднее тебе объяснят, как комбинации этих трех цветов позволяют получить всю гамму самых разнообразных цветов, в том числе и белый свет.
Магнитное отклонение
Вернемся к проблеме отклонения электронного луча. Я описал тебе способ, основанный на изменении электрических полей. В настоящее время в телевизионных электронно-лучевых трубках используется отклонение луча магнитными полями. Эти поля создают электромагниты, расположенные вне трубки.
Напомню, что магнитные силовые линии стремятся отклонить электроны в направлении, которое образует с ними прямой угол. Следовательно, если полюсы намагничивания расположены слева и справа от электронного луча, то силовые линии идут в горизонтальном направлении и отклоняют электроны сверху вниз.
А полюсы, расположенные сверху и снизу от трубки, смещают электронный луч по горизонтали (рис. 182). Пропуская по таким магнитам переменные токи соответствующей формы, заставляют луч совершать требующийся путь полной развертки изображений.
Итак, как ты видишь, электронно-лучевая трубка окружена немалым количеством катушек. Вокруг нее находится соленоид, обеспечивающий фокусировку электронного луча. А отклонением этого луча управляют две пары катушек: в одной витки расположены в горизонтальной плоскости, а в другой - в вертикальной, Первая пара катушек отклоняет электроны справа налево, вторая -г вверх и вниз (рис. 183).
Угол отклонения луча от оси трубки раньше не превышал , полное же отклонение луча составляло 90°. В наши дни изготовляют трубки с полным отклонением луча до 110°. Благодаря этому длина трубки уменьшилась, что позволило изготовить телевизоры меньшего объема, так как глубина их футляра уменьшилась (рис. 184).
Возвращение электронов
Ты, может быть, спрашиваешь себя, каков конечный путь электронов, ударившихся о флуоресцентный слой экрана. Так знай, что этот путь заканчивается ударом, вызывающим испускание вторичных электронов. Совершенно недопустимо, чтобы экран накапливал первичные и вторичные электроны, так как их масса создала бы отрицательный заряд, когорый стал бы отталкивать другие излучаемые электронной пушкой электроны.
Для предотвращения такого накопления электронов внешние стенки колбы от экрана до анода покрывают проводящим слоем. Таким образом, приходящие на флуоресцентный слой электроны притягиваются анодом, имеющим очень высокий положительный потенциал, и поглощаются (рис. 185).
Контакт анода выводят на боковую стенку трубки, тогда как все другие электроды соединяют со штырьками цоколя, расположенного на противоположном относительно экрана конце трубки.
Существует ли опасность взрыва?
Еще один вопрос, несомненно, рождается в твоем мозгу. Ты, должно быть, спрашиваешь себя, с какой силой атмосфера давит на эти большие вакуумные трубки, устанавливаемые в телевизорах. Ты знаешь, что на уровне земной поверхности атмосферное давление составляет около . Площадь же экрана, диагональ которого равна 61 см, составляет . Это означает, что воздух давит на этот экран с силой . Если учесть остальную часть поверхности колбы в ее конической и цилиндрической частях, то можно сказать, что трубка выдерживает общее давление, превышающее 39-103 Н.
Выпуклые участки трубки легче, чем плоские, выдерживают высокое давление. Поэтому раньше трубки изготовляли с весьма выпуклым экраном. В наши дни научились делать экраны достаточно прочными, чтобы даже при плоской форме они успешно выдерживали давление воздуха. Поэтому риск взрыва, направленного внутрь, исключен. Я умышленно сказал взрыва, направленного внутрь, а не просто взрыва, так как если разрывается электронно-лучевая трубка, то ее осколки устремляются внутрь.
В старых телевизорах из предосторожности перед экраном устанавливали толстое защитное стекло. В настоящее время обходятся без него.
Плоский экран будущего
Ты молод, Незнайкин. Перед тобой открывается будущее; ты увидишь эволюцию и прогресс электроники во всех областях. В телевидении, несомненно, наступит такой день, когда электронно-лучевая трубка в телевизоре будет заменена плоским экраном. Такой экран будут вешать на стену как простую картину. А все схемы электрической части телевизора благодаря микроминиатюризации будут размещены в раме этой картины.
Использование интегральных схем даст возможность до минимума сократить размер многочисленных схем, составляющих электрическую часть телевизора. Применение интегральных схем уже получило широкое распространение.
И наконец, если все ручки и кнопки управления телевизором придется размещать на окружающей экран раме, то наиболее вероятно, что для регулировки телевизора будут применяться дистанционные устройства управления. Не поднимаясь со своего кресла, телезритель сможет переключать телевизор с одной программы на другую, изменять яркость и контрастность изображения и громкость звукового сопровождения. Для этой цели у него под рукой будет маленькая коробочка, излучающая электромагнитные волны или ультразвуки, которые заставят телевизор произвести все заданные переключения и регулировки. Впрочем, такие устройства уже существуют, но пока не получили широкого распространения...
А теперь вернемся из будущего в настоящее. Я предоставляю Любознайкину возможность объяснить тебе, как электронно-лучевые трубки в настоящее время используются для передачи и приема телевизионных изображений.
