Kathodenstrahlröhren. Der Aufbau und das Funktionsprinzip einer Kathodenstrahlröhre mit

Eine Kathodenstrahlröhre (CRT) verwendet einen Elektronenstrahl von einer beheizten Kathode, um ein Bild auf einem Fluoreszenzschirm zu erzeugen. Die Kathode besteht aus indirekt beheiztem Oxid in Form eines Zylinders mit Heizung. Die Oxidschicht wird auf der Unterseite der Kathode abgeschieden. Um die Kathode herum befindet sich eine Steuerelektrode, Modulator genannt, zylindrisch mit einem Loch im Boden. Diese Elektrode dient dazu, die Elektronenflussdichte zu steuern und vorzufokussieren. An den Modulator wird eine negative Spannung von mehreren zehn Volt angelegt. Je höher diese Spannung ist, desto mehr Elektronen kehren zur Kathode zurück. Andere Elektroden, ebenfalls zylindrisch geformt, sind Anoden. Es gibt mindestens zwei davon in einem CRT. An der zweiten Anode liegt die Spannung zwischen 500 V und mehreren Kilovolt (ca. 20 kV), an der ersten Anode ist die Spannung um ein Vielfaches geringer. Im Inneren der Anoden befinden sich Trennwände mit Löchern (Membranen). Unter dem Einfluss des Beschleunigungsfeldes der Anoden erreichen Elektronen eine erhebliche Geschwindigkeit. Die endgültige Fokussierung des Elektronenflusses erfolgt durch ein ungleichmäßiges elektrisches Feld im Raum zwischen den Anoden sowie durch Membranen. Ein System aus Kathode, Modulator und Anoden wird als Elektronenprojektor (Elektronenkanone) bezeichnet und dient zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, also eines dünnen Elektronenstroms, der mit hoher Geschwindigkeit von der zweiten Anode zum Leuchtschirm fliegt. Im schmalen Hals der CRT-Glühbirne ist ein elektronischer Scheinwerfer angebracht. Dieser Strahl wird durch ein elektrisches oder magnetisches Feld abgelenkt und die Intensität des Strahls kann mittels einer Steuerelektrode verändert werden, wodurch sich die Helligkeit des Flecks ändert. Der Leuchtschirm wird durch Aufbringen einer dünnen Leuchtstoffschicht auf die Innenfläche der Endwand des konischen Teils der Kathodenstrahlröhre gebildet. Die kinetische Energie der auf den Bildschirm treffenden Elektronen wird in sichtbares Licht umgewandelt.

CRT Mit elektrostatischer Steuerung.

Elektrische Felder werden üblicherweise in CRTs mit kleinem Bildschirm verwendet. In Systemen zur Ablenkung elektrischer Felder ist der Feldvektor senkrecht zur anfänglichen Strahlbahn ausgerichtet. Die Ablenkung erfolgt durch Anlegen einer Potentialdifferenz an ein Ablenkplattenpaar (siehe Abbildung unten). Typischerweise bewirken Ablenkplatten, dass die Ablenkung in horizontaler Richtung proportional zur Zeit ist. Dies wird erreicht, indem an die Ablenkplatten eine Spannung angelegt wird, die gleichmäßig zunimmt, wenn sich der Strahl über den Bildschirm bewegt. Dann sinkt diese Spannung schnell auf ihr ursprüngliches Niveau und beginnt wieder gleichmäßig anzusteigen. Das zu erforschende Signal wird Platten zugeführt, die sich in vertikaler Richtung auslenken. Wenn die Dauer eines einzelnen horizontalen Scans gleich der Periode oder der Wiederholungsrate des Signals ist, wird eine Periode des Wellenprozesses kontinuierlich auf dem Bildschirm wiedergegeben.

1 – CRT-Bildschirm, 2 – Kathode, 3 – Modulator, 4 – erste Anode, 5 – zweite Anode, P – Ablenkplatten.

Elektromagnetisch gesteuerte CRT

In Fällen, in denen eine große Ablenkung erforderlich ist, ist die Verwendung eines elektrischen Feldes zur Ablenkung des Strahls unwirksam.

Elektromagnetische Röhren verfügen wie elektrostatische über eine Elektronenkanone. Der Unterschied besteht darin, dass sich die Spannung an der ersten Anode nicht ändert und die Anoden nur dazu dienen, den Elektronenfluss zu beschleunigen. Zur Ablenkung des Strahls in Röhrenfernsehern mit großem Bildschirm sind Magnetfelder erforderlich.

Der Elektronenstrahl wird mithilfe einer Fokussierspule fokussiert. Die Fokussierspule ist in Reihe gewickelt und passt direkt auf den Röhrenkolben. Die Fokussierungsspule erzeugt ein Magnetfeld. Wenn sich Elektronen entlang der Achse bewegen, ist der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und den Magnetfeldlinien gleich 0, daher ist die Lorentzkraft Null. Fliegt ein Elektron schräg in ein Magnetfeld, weicht die Flugbahn des Elektrons aufgrund der Lorentzkraft in Richtung Spulenmitte ab. Infolgedessen schneiden sich alle Elektronenbahnen in einem Punkt. Indem Sie den Strom durch die Fokussierungsspule ändern, können Sie die Position dieses Punktes ändern. Stellen Sie sicher, dass dieser Punkt in der Bildschirmebene liegt. Der Strahl wird mithilfe von Magnetfeldern abgelenkt, die von zwei Ablenkspulenpaaren erzeugt werden. Ein Paar besteht aus vertikalen Ablenkspulen und das andere aus Spulen, deren Magnetfeldlinien auf der Mittellinie senkrecht zueinander stehen. Die Spulen haben eine komplexe Form und befinden sich am Hals der Röhre.

Durch die Verwendung von Magnetfeldern zur Ablenkung des Strahls in großen Winkeln ist die CRT kurz und ermöglicht auch größere Bildschirmgrößen.

Bildröhren.

CRTs werden als kombinierte CRTs klassifiziert, das heißt, sie verfügen über elektrostatische Fokussierung und elektromagnetische Strahlablenkung zur Erhöhung der Empfindlichkeit. Der Hauptunterschied zwischen Bildröhren und CRTs ist folgender: Die Elektronenkanone von Bildröhren verfügt über eine zusätzliche Elektrode, die Beschleunigungselektrode genannt wird. Es befindet sich zwischen dem Modulator und der ersten Anode, wird gegenüber der Kathode mit einer positiven Spannung von mehreren hundert Volt beaufschlagt und dient der weiteren Beschleunigung des Elektronenflusses.

Schematischer Aufbau einer Bildröhre für Schwarzweißfernsehen: 1- Filament der Kathodenheizung; 2- Kathode; 3- Steuerelektrode; 4- Beschleunigungselektrode; 5- erste Anode; 6- zweite Anode; 7- leitfähige Beschichtung (Aquadag); 8 und 9 - Spulen zur vertikalen und horizontalen Strahlablenkung; 10 - Elektronenstrahl; 11- Bildschirm; 12 - Anschluss der zweiten Anode.

Der zweite Unterschied besteht darin, dass der Bildröhrenbildschirm im Gegensatz zur CRT dreischichtig ist:

1. Schicht – Außenschicht – Glas. An das Glas des Bildröhrenbildschirms werden erhöhte Anforderungen an die Parallelität der Wände und das Fehlen von Fremdeinschlüssen gestellt.

Schicht 2 ist ein Leuchtstoff.

Schicht 3 ist eine dünne Aluminiumfolie. Dieser Film erfüllt zwei Funktionen:

Erhöht die Helligkeit des Bildschirms und wirkt wie ein Spiegel.

Die Hauptfunktion besteht darin, den Leuchtstoff vor schweren Ionen zu schützen, die zusammen mit Elektronen aus der Kathode fliegen.

Farbbildröhren.

Das Funktionsprinzip basiert auf der Tatsache, dass durch Mischen von drei Farben – Rot, Blau und Grün – jede Farbe und jeder Farbton erhalten werden kann. Daher verfügen Farbbildröhren über drei Elektronenkanonen und ein gemeinsames Ablenksystem. Der Bildschirm einer Farbbildröhre besteht aus einzelnen Abschnitten, die jeweils drei Phosphorzellen enthalten, die in den Farben Rot, Blau und Grün leuchten. Darüber hinaus sind diese Zellen so klein und liegen so nahe beieinander, dass ihr Leuchten vom Auge als Ganzes wahrgenommen wird. Dies ist das allgemeine Prinzip für den Aufbau von Farbbildröhren.

Mosaik (Triaden) eines Farbbildröhrenbildschirms mit einer Schattenmaske: R-rote, G-grüne, B-blaue Phosphor-„Punkte“.

Elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern

Eigenleitfähigkeit von Halbleitern.

Ein intrinsischer Halbleiter ist ein chemisch ideal reiner Halbleiter mit einem homogenen Kristallgitter, dessen Valenzbahn vier Elektronen enthält. Silizium wird am häufigsten in Halbleiterbauelementen verwendet. Si und Germanium Ge.

Die Elektronenhülle eines Siliziumatoms ist unten dargestellt. Nur vier Elektronen der äußeren Hülle, sogenannte Valenzelektronen, können an der Bildung chemischer Bindungen und dem Leitungsprozess beteiligt sein. Zehn innere Elektronen nehmen an solchen Prozessen nicht teil.

Die Kristallstruktur eines Halbleiters auf einer Ebene kann wie folgt dargestellt werden.

Wenn ein Elektron eine Energie erhält, die größer als die Bandlücke ist, bricht es die kovalente Bindung und wird frei. An seiner Stelle entsteht eine Lücke, die eine positive Ladung hat, die der Ladung des Elektrons entspricht und aufgerufen wird Loch. In einem chemisch reinen Halbleiter ist die Elektronenkonzentration N gleich der Lochkonzentration P.

Der Prozess der Bildung eines Ladungspaares, eines Elektrons und eines Lochs, wird als Ladungserzeugung bezeichnet.

Ein freies Elektron kann an die Stelle eines Lochs treten, die kovalente Bindung wiederherstellen und überschüssige Energie abgeben. Dieser Vorgang wird Ladungsrekombination genannt. Während des Prozesses der Rekombination und Ladungserzeugung scheint sich das Loch in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegungsrichtung des Elektrons zu bewegen, weshalb das Loch als mobiler positiver Ladungsträger betrachtet wird. Löcher und freie Elektronen, die durch die Erzeugung von Ladungsträgern entstehen, werden als intrinsische Ladungsträger bezeichnet, und die Leitfähigkeit eines Halbleiters aufgrund intrinsischer Ladungsträger wird als intrinsische Leitfähigkeit des Leiters bezeichnet.

Verunreinigungsleitfähigkeit von Leitern.

Da die Leitfähigkeit chemisch reiner Halbleiter stark von äußeren Bedingungen abhängt, werden in Halbleiterbauelementen Störhalbleiter eingesetzt.

Wenn eine fünfwertige Verunreinigung in einen Halbleiter eingeführt wird, stellen 4 Valenzelektronen kovalente Bindungen mit den Halbleiteratomen wieder her und das fünfte Elektron bleibt frei. Aus diesem Grund wird die Konzentration der freien Elektronen die Konzentration der Löcher übersteigen. Die Verunreinigung, aufgrund derer N> P, angerufen Spender Verunreinigung. Ein Halbleiter mit N> P, wird als Halbleiter mit elektronischer Leitfähigkeit oder Halbleiter bezeichnet N-Typ.

In einem Halbleiter N-Typ Elektronen werden als Mehrheitsladungsträger und Löcher als Minoritätsladungsträger bezeichnet.

Wenn eine dreiwertige Verunreinigung eingeführt wird, stellen drei ihrer Valenzelektronen eine kovalente Bindung mit den Atomen des Halbleiters wieder her, und die vierte kovalente Bindung wird nicht wiederhergestellt, d. h. es entsteht ein Loch. Infolgedessen ist die Lochkonzentration größer als die Elektronenkonzentration.

Eine Verunreinigung, bei der P> N, angerufen Akzeptor Verunreinigung.

Ein Halbleiter mit P> N, wird als Halbleiter mit Lochleitfähigkeit oder Halbleiter bezeichnet p-Typ. In einem Halbleiter p-Typ Löcher werden als Mehrheitsladungsträger und Elektronen als Minoritätsladungsträger bezeichnet.

Bildung eines Elektron-Loch-Übergangs.

Aufgrund der ungleichmäßigen Konzentration an der Grenzfläche R Und N Halbleiter entsteht ein Diffusionsstrom, durch den Elektronen austreten N-Regionen gehe zu p-Region, und an ihrer Stelle verbleiben unkompensierte Ladungen positiver Ionen der Donorverunreinigung. Im p-Bereich ankommende Elektronen rekombinieren mit Löchern und es entstehen unkompensierte Ladungen negativer Ionen der Akzeptorverunreinigung. Breite R-NÜbergang - Zehntel Mikrometer. An der Grenzfläche entsteht ein internes elektrisches Feld des pn-Übergangs, das die Hauptladungsträger hemmt und von der Grenzfläche abstößt.

Für Minderheitsladungsträger wird sich das Feld beschleunigen und sie in die Region verlagern, wo sie die Mehrheit sein werden. Die maximale elektrische Feldstärke liegt an der Grenzfläche.

Die Potentialverteilung über die Breite eines Halbleiters wird als Potentialdiagramm bezeichnet. Potenzialdifferenz bei R-NÜbergang heißt Kontaktunterschied Potenziale oder potenzielle Barriere. Damit der Hauptladungsträger überwunden werden kann R-NÜbergang muss seine Energie ausreichen, um die potenzielle Barriere zu überwinden.

Direkt- und Rückwärtsanschluss p-NÜbergang.

Legen wir eine externe Spannung plus an R-Regionen Das äußere elektrische Feld ist auf das innere Feld gerichtet R-NÜbergang, der zu einer Verringerung der Potentialbarriere führt. Die Mehrheitsladungsträger können die Potentialbarriere leicht überwinden und somit hindurch R-N Beim Übergang fließt ein relativ großer Strom, verursacht durch die Mehrheitsladungsträger.

Eine solche Inklusion R-N Der Übergang heißt direkt und der Strom durch R-N Der durch Mehrheitsladungsträger verursachte Übergang wird auch Vorwärtsstrom genannt. Es wird angenommen, dass bei direkter Verbindung R-N Der Durchgang ist offen. Wenn Sie eine externe Spannung an Minus anschließen p-Region, und ein Plus auf N-Region, dann entsteht ein äußeres elektrisches Feld, dessen Intensitätslinien mit dem inneren Feld zusammenfallen R-NÜbergang. Dies führt in der Folge zu einer Vergrößerung der potenziellen Barriere und Breite R-NÜbergang. Die Hauptladungsträger werden nicht in der Lage sein, sie zu überwinden R-NÜbergang, und es wird angenommen, dass R-N Der Übergang ist geschlossen. Beide Felder – internes und externes – beschleunigen sich für Minderheitsladungsträger, daher werden Minderheitsladungsträger hindurchtreten R-NÜbergang, der einen sehr kleinen Strom erzeugt, der aufgerufen wird Rückstrom. Eine solche Inklusion R-N Der Übergang wird auch als invers bezeichnet.

Eigenschaften p-NÜbergang.Strom-Spannungs-Kennlinie p-NÜbergang

Zu den Haupteigenschaften R-N Zu den Übergängen gehören:

- Eigenschaft der Einwegleitfähigkeit;

Temperatureigenschaften R-NÜbergang;

Frequenzeigenschaften R-NÜbergang;

Abbauen R-NÜbergang.

Einweg-Leitfähigkeitseigenschaft R-N Betrachten wir den Übergang anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC) ist eine grafisch ausgedrückte Abhängigkeit der Durchflussmenge R-NÜbergang des Stroms von der Größe der angelegten Spannung ICH= F(U) – Abb. 29.

Da die Größe des Rückstroms um ein Vielfaches geringer ist als die des Vorwärtsstroms, kann der Rückstrom vernachlässigt und davon ausgegangen werden R-N Der Übergang leitet den Strom nur in eine Richtung. Temperatureigenschaft R-N Transition zeigt, wie sich Arbeit verändert R-NÜbergang bei Temperaturänderungen. An R-N Der Übergang wird größtenteils durch die Erwärmung und in sehr geringem Maße durch die Abkühlung beeinflusst. Mit steigender Temperatur nimmt die thermische Erzeugung von Ladungsträgern zu, was zu einem Anstieg sowohl des Vorwärts- als auch des Rückwärtsstroms führt. Frequenzeigenschaften R-NÜbergänge zeigen, wie es funktioniert R-NÜbergang, wenn hochfrequente Wechselspannung an ihn angelegt wird. Frequenzeigenschaften R-NÜbergänge werden durch zwei Arten von Übergangskapazitäten bestimmt.

Die erste Art von Kapazität ist die Kapazität, die durch die unbeweglichen Ladungen von Donor- und Akzeptor-Fremdionen entsteht. Man nennt sie Lade- oder Barrierekapazität. Die zweite Art von Kapazität ist die Diffusionskapazität, die durch die Diffusion beweglicher Ladungsträger entsteht R-NÜbergang beim direkten Einschalten.

Wenn eingeschaltet R-NÜbergang zur Versorgung Wechselspannung, dann Kapazität R-N Der Übergang nimmt mit zunehmender Frequenz ab, und bei einigen höheren Frequenzen kann die Kapazität gleich dem Innenwiderstand werden R-NÜbergang beim Direktschalten. In diesem Fall fließt beim Wiedereinschalten ein ausreichend großer Sperrstrom durch diese Kapazität und R-N Der Übergang verliert die Eigenschaft der Einwegleitfähigkeit.

Fazit: Je kleiner die Kapazität R-N Je höher der Übergang, desto höher die Frequenz, mit der er betrieben werden kann.

Die Frequenzeigenschaften werden hauptsächlich durch die Barrierekapazität beeinflusst, da bei direkter Verbindung Diffusionskapazitäten auftreten, wenn der Innenwiderstand ansteigt R-N kleiner Übergang.

Panne p-NÜbergang.

Mit zunehmender Sperrspannung reicht die elektrische Feldenergie aus, um Ladungsträger zu erzeugen. Dies führt zu einem starken Anstieg des Rückstroms. Das Phänomen eines starken Anstiegs des Sperrstroms bei einer bestimmten Sperrspannung wird als elektrischer Durchschlag bezeichnet R-NÜbergang.

Ein elektrischer Durchschlag ist ein reversibler Durchschlag, d. h. wenn die Sperrspannung abnimmt R-N Der Übergang stellt die Eigenschaft der Einwegleitfähigkeit wieder her. Wird die Sperrspannung nicht reduziert, wird der Halbleiter aufgrund der thermischen Wirkung des Stroms sehr heiß und R-N Der Übergang brennt aus. Dieses Phänomen wird als thermischer Zusammenbruch bezeichnet R-NÜbergang. Der thermische Abbau ist irreversibel.

Halbleiterdioden

Eine Halbleiterdiode ist ein Gerät, das aus einem Halbleiterkristall besteht, der normalerweise einen pn-Übergang und zwei Anschlüsse enthält. Es gibt viele verschiedene Arten von Dioden – Gleichrichter-, Impuls-, Tunnel-, Umkehr-, Mikrowellendioden sowie Zenerdioden, Varicaps, Fotodioden, LEDs usw.

Die Diodenmarkierung besteht aus 4 Bezeichnungen:

K S -156 A

Der Schüler sollte es wissen : Blockschaltbild eines Oszilloskops; Zweck der Hauptblöcke des Oszilloskops; Gerät und Funktionsprinzip einer Kathodenstrahlröhre; Funktionsprinzip eines Wobbelgenerators (Sägezahnspannung), Addition zueinander senkrechter Schwingungen.

Der Schüler muss dazu in der Lage sein : Bestimmen Sie experimentell den Preis der horizontalen und vertikalen Teilung, messen Sie die Größe der Gleichspannung, die Periode, die Frequenz und die Amplitude der Wechselspannung.

Kurzer theoretischer Aufbau eines Oszilloskops

Ein elektronisches Oszilloskop ist ein universelles Gerät, mit dem Sie schnelle elektrische Prozesse (Dauer bis zu 10-12 s) überwachen können. Mit einem Oszilloskop können Sie Spannung, Strom und Zeitintervalle messen sowie die Phase und Frequenz von Wechselstrom bestimmen.

Weil Da in der Funktion von Nerven und Muskeln lebender Organismen Potenzialunterschiede auftreten, werden das elektronische Oszilloskop oder seine Modifikationen häufig in biologischen und medizinischen Studien zur Funktion verschiedener Organe, des Herzens, des Nervensystems, der Augen, des Magens usw. eingesetzt.

Mit dem Gerät können nichtelektrische Größen beobachtet und gemessen werden, wenn spezielle Primärwandler verwendet werden.

Im Oszilloskop gibt es keine beweglichen mechanischen Teile (siehe Abb. 1), sondern der Elektronenstrahl wird in einem elektrischen oder magnetischen Feld abgelenkt. Ein schmaler Elektronenstrahl trifft auf einen mit einer speziellen Zusammensetzung beschichteten Bildschirm und lässt ihn an dieser Stelle leuchten. Während sich der Elektronenstrahl bewegt, können Sie ihn anhand der Bewegung des leuchtenden Punktes auf dem Bildschirm verfolgen.

Der Elektronenstrahl „überwacht“ die Änderung des untersuchten elektrischen Feldes und hält mit ihr Schritt, weil Der Elektronenstrahl ist praktisch trägheitsfrei.

Reis. 1. Abb. 2.

Struktur der Kathodenstrahlröhre, Kathode und Modulator

Dies ist der große Vorteil eines elektronischen Oszilloskops gegenüber anderen Aufzeichnungsgeräten.

Ein modernes elektronisches Oszilloskop besteht aus den folgenden Hauptkomponenten: Kathodenstrahlröhre (CRT), Scangenerator, Verstärker, Netzteil.

Aufbau und Betrieb einer Kathodenstrahlröhre

Betrachten wir das Gerät einer Kathodenstrahlröhre mit elektrostatischer Fokussierung und elektrostatischer Steuerung des Elektronenstrahls.

CRT, schematisch dargestellt in Abb. 1 ist ein speziell geformter Glaskolben, in dem ein Hochvakuum (ca. 10 -7 mm Hg) erzeugt wird. Im Inneren des Kolbens befinden sich Elektroden, die die Funktion einer Elektronenkanone erfüllen und einen schmalen Elektronenstrahl erzeugen. Strahlablenkplatten und ein mit einer Leuchtstoffschicht bedeckter Schirm.

Die Elektronenkanone besteht aus einer Kathode 1, einer Steuerelektrode (Modulationselektrode) 2, einer zusätzlichen Abschirmelektrode 3 und der ersten und zweiten Anode 4, 5.

Die Heizkathode 1 hat die Form eines kleinen Nickelzylinders, in dessen Inneren sich ein Glühfaden befindet; am vorderen Ende befindet sich eine Oxidschicht mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit zur Gewinnung von Elektronen (Abb. 2).

Die Kathode befindet sich innerhalb der Steuerelektrode oder des Modulators, einem Metallbecher mit einem Loch am Ende, durch das Elektronen passieren können. Die Steuerelektrode hat gegenüber der Kathode ein negatives Potenzial. Durch Ändern des Werts dieses Potenzials können Sie die Intensität des durch ihr Loch fließenden Elektronenflusses regulieren und dadurch die Helligkeit des Bildschirms ändern. Gleichzeitig fokussiert das elektrische Feld zwischen Kathode und Modulator den Elektronenstrahl (Abb. 2).

Die Abschirmelektrode 3 hat ein etwas höheres Potenzial als das Kathodenpotenzial und dient dazu, den Austritt von Elektronen zu erleichtern, wodurch die Wechselwirkung der elektrischen Felder der Steuerelektrode 2 und der ersten Anode 4 beseitigt wird.

Durch das elektrische Feld zwischen der ersten und zweiten Anode erfolgt eine zusätzliche Fokussierung und Beschleunigung der Elektronen, wodurch eine Elektronenlinse entsteht. Diese Anoden bestehen aus Zylindern mit innenliegenden Membranen. Die erste Anode 4 wird mit einem positiven Potential relativ zur Kathode in der Größenordnung von Hunderten von Volt versorgt, die zweite 5 in der Größenordnung von tausend Volt. Die elektrischen Feldstärkelinien zwischen diesen Anoden sind in Abb. 3 dargestellt.

Oszilloskop-Kathodenstrahlröhre Entwickelt, um elektrische Signale auf einem fluoreszierenden Bildschirm anzuzeigen. Das Bild auf dem Bildschirm dient nicht nur zur visuellen Beurteilung der Signalform, sondern auch zur Messung seiner Parameter und in manchen Fällen zur Aufzeichnung auf Fotofilm.

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  Eine oszillographische CRT ist ein evakuierter Glaskolben, der eine Elektronenkanone, ein Ablenksystem und einen Fluoreszenzschirm enthält. Eine Elektronenkanone soll einen schmalen Elektronenstrahl erzeugen und ihn auf einen Bildschirm fokussieren. Aufgrund des Phänomens der thermionischen Emission werden Elektronen von einer indirekt beheizten Kathode mit einer Heizung emittiert. Die Intensität des Elektronenstrahls und damit die Helligkeit des Flecks auf dem Bildschirm wird durch eine negative Spannung gegenüber der Kathode an der Steuerelektrode reguliert. Die erste Anode dient der Fokussierung, die zweite der Beschleunigung der Elektronen. Die Steuerelektrode und das Anodensystem bilden ein Fokussierungssystem.

  Das Ablenksystem besteht aus zwei Plattenpaaren, die horizontal und vertikal angeordnet sind. Zu den horizontalen Platten, die man nennt vertikale Ablenkplatten, die Prüfspannung wird angelegt. Zu den vertikalen Platten, die man nennt horizontale Ablenkplatten, wird vom Wobbelgenerator eine Sägezahnspannung angelegt. Unter dem Einfluss des entstehenden elektrischen Feldes weichen die fliegenden Elektronen proportional zur angelegten Spannung von ihrer ursprünglichen Flugbahn ab. Ein leuchtender Punkt auf dem CRT-Bildschirm zeichnet die Form des untersuchten Signals. Dank der Sägezahnspannung bewegt sich der Spot von links nach rechts über den Bildschirm.

  Legt man zwei unterschiedliche Signale an die vertikale und horizontale Ablenkplatte, so sind auf dem Bildschirm Lissajous-Figuren zu beobachten.

  Auf dem CRT-Bildschirm können Sie verschiedene funktionale Abhängigkeiten beobachten, beispielsweise die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Zweipolnetzwerks, wenn Sie an die horizontalen Ablenkplatten ein Signal proportional zur sich ändernden Spannung anlegen, und ein Signal proportional dem durchfließenden Strom zu den vertikalen Ablenkplatten.

  In oszillographischen CRTs wird die elektrostatische Strahlablenkung verwendet, da die untersuchten Signale eine beliebige Form und ein breites Frequenzspektrum haben können und der Einsatz elektromagnetischer Ablenkung unter diesen Bedingungen aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Impedanz der Ablenkspulen unmöglich ist.

  Röhren des „Niederfrequenz“-Bereichs (bis 100 MHz)

  Das elektrostatische Ablenksystem solcher Röhren besteht aus zwei Paar Ablenkplatten, vertikaler und horizontaler Ablenkung, die sich im Inneren der Kathodenstrahlröhre befinden.

  Bei der Beobachtung von Signalen mit einem Frequenzspektrum von weniger als 100 MHz kann die Flugzeit der Elektronen durch das Ablenksystem vernachlässigt werden. Die Elektronenflugzeit wird nach folgender Formel geschätzt:

  t ≈ l m 2 e U a (\displaystyle t\ approx l(\sqrt (\frac (m)(2eU_(a)))))

  Wo e (\displaystyle e) Und m (\displaystyle m)- die Ladung bzw. Masse des Elektrons, l (\displaystyle l)- Plattenlänge, U ein (\displaystyle U_(a))- Anodenspannung.

  Strahlablenkung Δ (\displaystyle \Delta) in der Schirmebene ist proportional zur an den Platten anliegenden Spannung U Ö T (\displaystyle U_(OT))(unter der Annahme, dass während des Fluges der Elektronen im Feld der Ablenkplatten die Spannung an den Platten konstant bleibt):

  Δ = U O T l D 2 U a d (\displaystyle \Delta =(\frac (U_(OT)lD)(2U_(a)d)))

  Wo D (\displaystyle D)- Abstand von der Mitte der Plattenauslenkung zum Bildschirm, d (\displaystyle d)- Abstand zwischen den Platten.

  CRTs, die zur Beobachtung selten wiederholter und einzelner Signale verwendet werden, verwenden Leuchtstoffe mit einer langen Nachleuchtzeit.

  Röhren im Bereich über 100 MHz

  Bei sich schnell ändernden Sinussignalen beginnt die Ablenkungsempfindlichkeit abzunehmen, und wenn sich die Periode der Sinuskurve der Laufzeit nähert, sinkt die Ablenkungsempfindlichkeit auf Null. Insbesondere bei der Beobachtung gepulster Signale mit breitem Spektrum (die Periode der oberen Harmonischen ist gleich oder größer als die Flugzeit) führt dieser Effekt zu einer Verzerrung der Signalform aufgrund der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Abweichung gegenüber verschiedenen Harmonischen. Durch Erhöhen der Anodenspannung oder Verringern der Plattenlänge ist es möglich, die Flugzeit zu verkürzen und diese Verzerrungen zu reduzieren, gleichzeitig nimmt jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Ablenkungen ab. Daher werden für die Oszillographie von Signalen, deren Frequenzspektrum 100 MHz übersteigt, Ablenksysteme in Form einer Wanderwellenlinie, meist spiralförmig, hergestellt. Das Signal wird am Anfang der Spirale angelegt und bewegt sich in Form einer elektromagnetischen Welle mit Phasengeschwindigkeit entlang der Achse des Systems v f (\displaystyle v_(f)):

  v f = c h c l c (\displaystyle v_(f)=(\frac (ch_(c))(l_(c))))

  Wo c (\displaystyle c)- Lichtgeschwindigkeit, h c (\displaystyle h_(c))- Spiralsteigung, l c (\displaystyle l_(c))- Länge der Spiralwindung. Daher ist es möglich, den Einfluss der Flugzeit auszuschließen, wenn wir die Fluggeschwindigkeit der Elektronen gleich der Phasengeschwindigkeit der Welle in Richtung der Systemachse wählen.

  Um Signalleistungsverluste zu reduzieren, sind die Anschlüsse des Ablenksystems solcher CRTs koaxial ausgeführt. Die Geometrie der Koaxialeingänge ist so gewählt, dass ihr Wellenwiderstand dem Wellenwiderstand des Spiralablenksystems entspricht.

  Nachbeschleunigungsröhren

  Um die Ablenkungsempfindlichkeit zu erhöhen, ist eine niedrige Anodenspannung erforderlich. Dies führt jedoch zu einer Verringerung der Bildhelligkeit aufgrund einer Verringerung der Elektronengeschwindigkeit. Daher verwenden oszillografische CRTs ein Nachbeschleunigungssystem. Es handelt sich um ein zwischen dem Ablenksystem und dem Bildschirm angeordnetes Elektrodensystem in Form einer leitenden Beschichtung, die auf die Innenfläche des CRT-Gehäuses aufgetragen wird.

  Röhren mit Helligkeitsverstärker

  In Breitband-CRTs, die im Bereich von mehreren GHz arbeiten, werden Helligkeitsverstärker verwendet, um die Helligkeit ohne Empfindlichkeitsverlust zu erhöhen. Der Helligkeitsverstärker ist eine Mikrokanalplatte, die sich im Inneren der Kathodenstrahlröhre vor dem Fluoreszenzschirm befindet. Die Platte besteht aus speziellem halbleitendem Glas mit einem hohen Sekundäremissionskoeffizienten. Die Elektronen des Strahls, die in die Kanäle fallen (deren Durchmesser viel kleiner ist als ihre Länge), schlagen Sekundärelektronen aus seinen Wänden heraus. Sie werden durch das Feld beschleunigt, das durch die Metallbeschichtung an den Enden der Platte erzeugt wird, und schlagen beim Auftreffen auf die Kanalwände neue Elektronen heraus. Die Gesamtverstärkung eines Mikrokanalverstärkers kann 10 5 ... 10 6 betragen. Aufgrund der Ansammlung von Ladungen an den Kanalwänden ist der Mikrokanalverstärker jedoch nur für einzelne oder nachfolgende Impulse im Nanosekundenbereich mit geringer Wiederholungsrate wirksam.

  Skala

  Um die Parameter des auf dem CRT-Bildschirm wiedergegebenen Signals zu messen, muss die Ablesung auf einer Skala mit Unterteilungen erfolgen. Beim Anbringen einer Skala auf der Außenfläche eines CRT-Bildschirms wird die Messgenauigkeit aufgrund der Parallaxe verringert, die durch die Dicke des Bildschirms verursacht wird. Daher wird bei modernen CRTs die Skala direkt auf der Innenfläche des Bildschirms angebracht, also praktisch mit dem Bild des Signals kombiniert.

  Fotoaufnahmeröhren

  Um die Qualität der Kontaktfotografie des Signals zu verbessern, ist der Bildschirm in Form einer Glasfaserscheibe ausgeführt. Mit dieser Lösung können Sie ein Bild von der Innenfläche auf die Außenfläche übertragen und dabei seine Klarheit bewahren. Die Unschärfe des Bildes wird durch den Durchmesser der Glasfaserfäden begrenzt, der in der Regel 20 Mikrometer nicht überschreitet. Für die fotografische Aufnahme vorgesehene Kathodenstrahlröhren verwenden Leuchtstoffe, deren Emissionsspektrum an die spektrale Empfindlichkeit von Fotofilmen angepasst ist.

  Literatur

  • Vukolov N. I., Gerbin A. I., Kotovshchikov G. S. Empfang von Kathodenstrahlröhren: Handbuch. - M.: Radio and Communications, 1993. - 576 S. - ISBN 5-256-00694-0.
  • Zhigarev A. A., Shamaeva G. T. Elektronenstrahl- und fotoelektronische Geräte: Lehrbuch für Universitäten. - M.: Höhere Schule, 1982. - 463 S., krank.

  In jüngerer Zeit ist die Kathodenstrahlröhre in einer Vielzahl von Geräten üblich, beispielsweise in analogen Oszilloskopen, aber auch in der Funktechnikindustrie – Fernsehen und Radar. Der Fortschritt steht jedoch nicht still und Kathodenstrahlröhren wurden nach und nach durch modernere Lösungen ersetzt. Es ist erwähnenswert, dass einige Geräte sie immer noch verwenden. Schauen wir uns also an, was sie sind.

  Als Quelle geladener Teilchen in Kathodenstrahlröhren wird eine beheizte Kathode verwendet, die durch thermionische Emission Elektronen emittiert. Im Inneren der Steuerelektrode, die eine zylindrische Form hat, ist eine Kathode angebracht. Wenn Sie das negative Potenzial der Steuerelektrode ändern, können Sie die Helligkeit des Lichtflecks auf dem Bildschirm ändern. Dies liegt daran, dass eine Änderung des negativen Potentials der Elektrode die Stärke des Elektronenflusses beeinflusst. Hinter der Steuerelektrode befinden sich zwei zylindrische Anoden, in deren Inneren Membranen (Trennwände mit kleinen Löchern) eingebaut sind. Das von den Anoden erzeugte Beschleunigungsfeld sorgt für die gerichtete Bewegung der Elektronen in Richtung des Bildschirms und „sammelt“ gleichzeitig den Elektronenfluss in einem schmalen Strom (Strahl). Neben der Fokussierung, die durch ein elektrostatisches Feld erreicht wird, kommt in einer Kathodenstrahlröhre auch eine magnetische Fokussierung des Strahls zum Einsatz. Um dies zu erreichen, wird eine Fokussierspule am Röhrenhals angebracht. , das auf Elektronen im von der Spule erzeugten Magnetfeld einwirkt, drückt sie an die Achse der Röhre und bildet so einen dünnen Strahl. Zur Bewegung oder Ablenkung des Elektronenstrahls auf dem Bildschirm sowie zur Fokussierung werden elektrische und magnetische Felder genutzt.

  Das elektrostatische Strahlablenkungssystem besteht aus zwei Plattenpaaren: horizontal und vertikal. Beim Flug zwischen den Platten weichen die Elektronen in Richtung der positiv geladenen Platte ab (Abbildung a)):

  Zwei zueinander senkrechte Plattenpaare ermöglichen die Ablenkung des Elektronenstrahls sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung. Das magnetische Ablenksystem besteht aus zwei Spulenpaaren 1 – 1 / und 2 – 2 /, die im rechten Winkel zueinander auf dem Rohrzylinder angeordnet sind (Abbildung b)). In dem von diesen Spulen erzeugten Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft auf vorbeiziehende Elektronen.

  Die vertikale Bewegung des Elektronenflusses erzeugt ein Magnetfeld horizontal angeordneter Spulen. Das Feld vertikal angeordneter Spulen ist horizontal. Eine durchscheinende Schicht aus einer speziellen Substanz, die bei Beschuss mit Elektronen leuchten kann, bedeckt den Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre. Zu diesen Substanzen gehören einige Halbleiter – Calciumwolframsäure, Willemit und andere.

  

  Die Hauptgruppe der Kathodenstrahlröhren sind Oszillographieröhren, deren Hauptzweck die Untersuchung schneller Strom- und Spannungsänderungen ist. In diesem Fall wird der zu untersuchende Strom dem Ablenksystem zugeführt, was zu einer Ablenkung des Strahls auf dem Bildschirm proportional zur Stärke dieses Stroms (Spannung) führt.

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  Kathodenstrahlröhren, deren Wirkung auf der Bildung und Steuerung der Intensität und Position eines oder mehrerer Elektronenstrahlen beruht, werden nach Zweck und Art der Steuerung des Elektronenstrahls klassifiziert. Je nach Verwendungszweck werden CRTs in Empfangen, Senden, Speichern usw. unterteilt. Empfangsröhren werden als Anzeigegeräte verwendet. Basierend auf der Methode zur Steuerung des Elektronenstrahls werden CRTs in Röhren mit elektrostatischer und magnetischer Steuerung unterteilt. Im ersten Fall wird ein elektrisches Feld zur Steuerung des Elektronenstrahls verwendet, im zweiten Fall ein magnetisches Feld.

  Elektrostatisch gesteuerte Kathodenstrahlröhren bieten höhere Frequenzeigenschaften, weshalb sie häufig als Indikatoren in elektronischen Oszilloskopen verwendet werden. Betrachten Sie den Betrieb einer elektrostatisch gesteuerten Kathodenstrahlröhre, deren Aufbau in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt ist.

  Es handelt sich um einen Glaskolben, in dessen schmalem Teil sich ein elektronischer Scheinwerfer (EP) und ein Ablenksystem (OS) befinden. Am Ende des Kolbens befindet sich ein Schirm (E), der mit einer speziellen Verbindung beschichtet ist – einem Leuchtstoff, der leuchten kann, wenn er mit einem Elektronenstrahl beschossen wird. Ein elektronischer Strahler besteht aus einem fadenbeheizten Glühfaden (H), einer Kathode (K), einem Modulator (M) und zwei Anoden (A und A2).

  Die Elektronen, die die Kathode verlassen, bilden eine Elektronenwolke, die sich unter dem Einfluss des Feldes der Anoden in Richtung des Bildschirms bewegt und einen Elektronenstrahl bildet. Dieser Strahl durchläuft einen Modulator in Form eines flachen Zylinders mit einem Loch und einem Bodenteil. An den Modulator wird eine Spannung von mehreren zehn Volt angelegt, die relativ zur Kathode negativ ist. Diese Spannung erzeugt ein Bremsfeld, das den Elektronenstrahl vorfokussiert und die Helligkeit des Bildschirms verändert. Um die erforderliche Energie (Geschwindigkeit) des Elektronenstrahls zu erhalten, wird an die Anoden eine gegenüber der Kathode positive Spannung angelegt: an die Anode A1 – in der Größenordnung von mehreren hundert und an die Anode A2 – mehrere tausend Volt. Der Spannungswert für die Anode A2 wird aus der Bedingung ausgewählt, dass der Fokus der zweiten elektrostatischen Linse in der Ebene des Bildschirms eingestellt wird.

  Das CRT-Ablenksystem besteht aus zwei Paaren zueinander senkrechter Platten, die symmetrisch zur Achse der Glühbirne angeordnet sind. Die an die Platten angelegte Spannung krümmt den Weg des Elektronenstrahls und bewirkt dadurch eine Ablenkung des Lichtflecks auf dem Bildschirm. Der Wert dieser Abweichung ist direkt proportional zur Spannung an den OS-Platten und umgekehrt proportional zur Spannung Ua an der zweiten Anode.

  (Bild unten) umfasst wie eine CRT mit elektrostatischer Steuerung einen ED und ein OS. Die EP-Designs beider Röhren sind ähnlich.

  

  Die vorläufige Fokussierung des Elektronenstrahls in einer magnetisch gesteuerten Röhre erfolgt ebenfalls durch zwei elektrostatische Linsen, die jeweils durch die elektrischen Felder zwischen dem Modulator und der ersten Anode bzw. zwischen der ersten und der zweiten Anode gebildet werden. Zu den Funktionen der ersten Anode, manchmal auch Beschleunigungselektrode genannt, gehört außerdem die Abschirmung des Modulators von der zweiten Anode, wodurch die Abhängigkeit der Helligkeit des Bildschirms von der Spannung der zweiten Anode nahezu vollständig eliminiert wird.

  Im Inneren der Kathodenstrahlröhre befindet sich eine weitere Elektrode namens Aquadag (AQ). Aquadag ist elektrisch mit der zweiten Anode verbunden. Die Hauptfokussierung des Elektronenstrahls erfolgt durch das inhomogene Magnetfeld der Fokussierspule (FC), die sich strukturell am Hals der CRT-Glühbirne befindet. Dieses Feld, das entsteht, wenn Gleichstrom durch den PC fließt, versetzt die Elektronen in eine Rotationsbewegung um die Strahlachse und fokussiert sie so in der Bildschirmebene.

  Das magnetische Betriebssystem enthält zwei Paare in Reihe geschalteter, zueinander senkrechter Wicklungen, die strukturell in Form eines einzigen Blocks ausgeführt sind. Das durch diese Wicklungen erzeugte Feld bewirkt, dass sich die Elektronen auf einem Kreis bewegen, dessen Radius umgekehrt proportional zur Stärke des Magnetfelds ist. Beim Verlassen des Feldes bewegen sich die Strahlelektronen tangential zur ursprünglichen Flugbahn und weichen dabei von der geometrischen Achse der Glühbirne ab.

  In diesem Fall hängt die Ablenkung des Elektronenstrahls bei einer Kathodenstrahlröhre mit magnetischer Steuerung weniger vom Wert der Beschleunigungsspannung an der Anode A2 ab als die Ablenkung des Strahls bei einer Kathodenstrahlröhre mit elektrostatischer Steuerung. Daher bietet eine magnetisch gesteuerte Kathodenstrahlröhre bei einem gegebenen Spannungswert an der zweiten Anode einen größeren Ablenkwinkel des Elektronenstrahls als eine elektrostatisch gesteuerte Kathodenstrahlröhre, was eine deutliche Reduzierung ihrer Größe ermöglicht. Der typische Wert des maximalen Ablenkwinkels bei einer magnetisch gesteuerten CRT beträgt 110° und bei einer elektrostatisch gesteuerten CRT überschreitet er 30° nicht.

  Dementsprechend arbeitet eine magnetisch gesteuerte CRT bei gegebenen Werten der Elektronenstrahlablenkung mit höheren Spannungswerten der zweiten Anode als eine elektrostatisch gesteuerte CRT, was es ermöglicht, die Helligkeit des resultierenden Bildes zu erhöhen. Hinzu kommt, dass magnetisch gesteuerte CRTs eine bessere Fokussierung des Elektronenstrahls und damit eine bessere Bildqualität ermöglichen, was ihre weitverbreitete Verwendung als Anzeigegeräte für Computerdisplays vorbestimmte. Die betrachteten CRTs bieten einen monochromatischen Modus zur Anzeige von Informationen. Derzeit werden CRTs mit Farbbildern immer häufiger eingesetzt.

  (Abbildung unten) implementiert das Prinzip, Farbbilder als Summe der Bilder von Rot, Grün und Blau zu erhalten.

  

  Durch Ändern der jeweiligen relativen Helligkeit können Sie die Farbe des wahrgenommenen Bildes ändern. Daher enthält eine CRT strukturell drei unabhängige Elektronenstrahlen, deren Strahlen in einem bestimmten Abstand vom Bildschirm fokussiert werden. In der Schnittebene der Strahlen befindet sich eine Farbtrennmaske – eine dünne Metallplatte mit vielen Löchern, deren Durchmesser 0,25 mm nicht überschreitet. Der Bildschirm einer Farb-CRT ist heterogen und besteht aus vielen Lumineszenzzellen, deren Anzahl der Anzahl der Löcher in der Maske entspricht. Die Zelle besteht aus drei kreisförmigen Leuchtstoffelementen, die rot, grün oder blau leuchten.

  Beispielsweise verfügt eine Farbbildröhre mit einer Bildschirmdiagonale von 59 cm über eine Maske mit mehr als einer halben Million Löchern, und die Gesamtzahl der Leuchtelemente auf dem Bildschirm übersteigt 1,5 Millionen. Nach dem Durchgang durch die Löcher der Maske gelangt das Elektron Strahlen divergieren. Der Abstand zwischen Maske und Schirm ist so gewählt, dass die Elektronen jedes Strahls nach dem Durchgang durch das Loch in der Maske auf die Schirmelemente fallen, die in einer bestimmten Farbe leuchten. Aufgrund der geringen Größe der Leuchtelemente des Bildschirms ist das menschliche Auge nicht mehr in der Lage, diese auf kurze Distanz zu unterscheiden und nimmt das Gesamtglühen aller Zellen wahr, deren Integralfarben von der Intensität des Elektronenstrahls abhängen jede EP.

  Wenn an die Modulatoren aller drei EPs gleiche Spannungen angelegt werden, leuchten die Lichtelemente des Bildschirms gleichmäßig und die resultierende Farbe wird als weiß wahrgenommen. Wenn sich die Spannung an den Modulatoren synchron ändert, ändert sich die Helligkeit der weißen Farbe. Folglich ist es durch Anlegen gleicher Spannungen an die Modulatoren möglich, alle Abstufungen des Bildschirmglühens zu erzielen – von hellem Weiß bis Schwarz. Somit können Farbbildröhren Schwarzweißbilder verzerrungsfrei wiedergeben.

  Yu.F.Opadchiy, Analoge und digitale Elektronik, 2000