Электроннолучевая трубка. Осциллограф

§  141.  ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ ТРУБКА.  ОСЦИЛЛОГРАФ

Для наблюдения, записи, измерений и контроля различных изменяющихся процессов в устройствах автоматики, телемеханики и других областях техники применяют осциллографы (рис. 192). Основной частью осциллографа является электроннолучевая труб­ка— электровакуумный прибор, в наиболее простом виде предназначенный для преобразования электрических сигналов в световые.

Рассмотрим, как отклоняется элект­рон и электронный луч в электрическом поле электроннолучевой трубки осцил­лографа.

Если электрон поместить между дву­мя параллельными пластинами (рис. 193, а), имеющими разноименные электрические заряды, то под действи­ем электрического поля, возникающего между пластинами, электрон отклонит­ся, так как он заряжен отрицательно. Он отталкивается от пластины А, имею­щей отрицательный заряд, и притягивается к пластине Б, имеющей положи­тельный электрический заряд. Движе­ние электрона будет направлено вдоль линий поля.

Когда в поле между пластинами попадает движущийся со ско­ростью V электрон (рис. 193, б), то на него действуют не только силы поля F, но и сила F1 направленная по его движению. В ре­зультате действия этих сил электрон отклонится от своего прямо­линейного пути и будет перемещаться по линии ОК. — по диагонали.

Если между пластинами пропустить узкий пучок движущихся электронов — электронный луч (рис. 193, б), он под действием электрического поля отклонится. Угол отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов, из которых состоит луч, и величины напряжения, создающего электрическое поле между пластинами.

Каждая электроннолучевая трубка (рис. 194) представляет собой баллон, из которого выкачан воздух. Коническая часть внутренней поверхности баллона покрыта графитом и называется аквадагом. Внутри баллона 3 помещается электронный прожек­тор 8— электронная пушка, отклоняющие пластины 4 и 6 и эк­ран 5. Электронный прожектор  трубки  состоит  из  подогревного катода, который излучает электроны, и системы электродов, обра­зующих электронный луч. Этот луч, испускаемый катодом трубки перемещается с большой скоростью к экрану и по существу явля­ется электрическим током, направленным В сторону, обратную движению электронов.

Катод представляет собой никелевый цилиндр, торец которого покрыт слоем оксида. Цилиндр надет на тонкостенную керамико­вую трубку, а внутри нее для подогрева катода помещается нить из вольфрама, выполненная в виде спирали.

Катод расположен внутри управляющего электрода 7, имею­щего форму стаканчика. В дне стаканчика сделано небольшое отверстие, через которое проходят электроны, вылетающие из катода;

это отверстие называется диафрагмой. На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение (порядка нескольких десятков вольт) по отношению к катоду. Оно создает электрическое поле, действующее на электроны, вылетающие с катода так, что они собираются в узкий луч, направленный в сто­рону экрана трубки. Точка пересечения траекторий полета элек­тронов называется первым фокусом трубки. Увеличивая отрица­тельное  напряжение  на  управляющем  электроде,   можно  часть > электронов отклонить настолько, что они не пройдут через отверстие и таким образом количество электронов, попадающих на экран, уменьшится. Изменяя напряжение управляющего электрода, можно регулировать количество электронов в нем. Это позволяет; изменять яркость светящегося пятна на экране электроннолучевой трубки, который покрыт специальным составом, обладающим способностью светиться под воздействием электронного луча, попадающего на него.

В состав электронной пушки также входят создающие ускоряющее поле два анода: первый — фокусирующий 1 и второй — управ­ляющий 2. Каждый из анодов представляет собой цилиндр с диафрагмой, которая служит для ограничения поперечного сечения электронного луча.

Аноды располагаются вдоль оси трубки на некотором расстоянии один от другого.   На   первый   анод  подается   положительное» напряжение порядка нескольких сотен вольт, а второй анод, соединенный с аквадагом трубки, имеет положительный потенциал,  в несколько раз больший потенциала первого анода.

Электроны, вылетающие из отверстия управляющего электрода попадая в электрическое поле первого анода, приобретают большую скорость. Пролетая внутри первого анода, пучок электронов под действием сил электрического поля сжимается и образует тонкий электронный луч. Далее электроны пролетают через второй  анод, приобретают еще большую скорость (несколько тысяч километров в секунду), летят через диафрагму к экрану. На последнем под действием ударов электронов образуется светящееся пятно  диаметром менее одного миллиметра. В этом пятне расположен второй фокус электроннолучевой трубки.

Для отклонения электронного луча в двух плоскостях электроннолучевая трубка снабжена двумя парами пластин 6 я 4, расположенных в разных плоскостях перпендикулярно одна другой.

Первая пара пластин 6, которая находится ближе в электронной пушке, служит для отклонения луча в вертикальном направлении; эти пластины называются вертикально отклоняющими. Вторая пара пластин 4, расположенная ближе к экрану трубки, служит для отклонения луча в горизонтальном направлении; эти пластины называются горизонтально отклоняющими.

Рассмотрим принцип действия отклоняющих пластин (рис. 195).

Отклоняющие пластины В2 и Г2 подключены к движкам потенциометров Пв и Пг. К концам потенциометров подается постоянное напряжение. Отклоняющие пластины В1 и Г1, как и средние точки потенциометров, заземлены, и их потенциалы равны нулю.

Когда движки потенциометров стоят в среднем положении, потенциал на всех пластинах равен нулю, и электронный луч соз­дает светящееся пятно в центре экрана — точку О. При перемеще­нии движка потенциометра Пг влево на пластину Г2 подается отрицательное напряжение и поэтому электронный луч, отталкиваясь от этой пластины, отклонится, и светящаяся точка на экране сместится в направлении точки А.

При перемещении движка потенциометра Пг вправо потенциал пластины Г2 будет увеличиваться и электронный луч, а, следова­тельно, и светящаяся точка на экране сместятся по горизонтали к точке Б. Таким образом, при непрерывном изменении потенциала да пластине Г2 электронный луч прочертит на экране горизонталь­ную линию АБ.

Аналогично при изменении потенциометром Пв напряжения на вертикально отклоняющих пластинах луч будет отклоняться по вертикали и прочертит на экране вертикальную линию ВГ. При

одновременном изменении напряжения на обеих парах отклоняю­щих пластин можно переместить электронный луч в любом направ­лении.

Экран электроннолучевой трубки покрыт специальным соста­вом — люминофором, способным светиться под действием ударов быстролетящих электронов. Таким образом, когда сфокусирован­ный луч попадает в ту или иную точку экрана, то она начинает светиться.

Для покрытия экранов электроннолучевых трубок используют люминофоры в виде окиси цинка, бериллиевого цинка, смеси серно­кислого цинка с сернокислым кадмием и др. Эти материалы обла­дают свойством продолжать некоторое время свое свечение после прекращения ударов электронов. Это значит, что они обладают послесвечением.

Известно, что глаз человека, получив зрительное впечатление, может удержать его примерно 1/16 секунды. В электроннолучевой трубке луч по экрану может перемещаться настолько быстро, что ряд последовательно светящихся точек на экране воспринимается глазом в виде сплошной светящейся линии.

Напряжение, подлежащее изучению (рассмотрению) с помощью осциллографа, подается на вертикально отклоняющие пластины трубки. На горизонтально отклоняющие пластины подают пило­образное напряжение, график которого приведен на рис.  196, а.

Это напряжение дает электронный генератор пилообразных импульсов, который смонтирован внутри осциллографа. Под дей­ствием пилообразного напряжения электронный луч перемещается

горизонтально по экрану. За время t1 —t8 луч перемещается по экрану слева направо, а за время t9 – t10 быстро возвра­щается в исходное положение, затем вновь движется слева направо и т. д.

Выясним, как можно уви­деть на экране электроннолу­чевой трубки осциллографа форму кривой мгновенных зна­чений напряжения, подаваемо­го на вертикально отклоняю­щие пластины. Допустим, что к горизонтально отклоняющим трубкам подано пилообразное напряжение с амплитудой 60 в и с периодом изменения в 1/50 сек.

На рис. 196, б показан один период синусоидального напря­жения, форму кривой которого мы хотим увидеть, а в круге (рис. 196, в) показано резуль­тирующее перемещение электронного луча на экране трубки осциллографа.

Напряжения в одни и те же мгновения имеют на верхних двух графиках одинаковые обо­значения.

В момент времени t1 пило­образное напряжение (Uг), от­клоняющее электронный луч по горизонтали, равно 60 в, а на­пряжение на вертикальных пластинах Uв равно нулю и на экране светится точка О1. В мо­мент времени t2 напряжение Uг=-50  в, а напряжение Uв=45 в. За время, равное t2— t1, электронный луч переместит­ся в  положение  О2 по   линии О1-О2. В момент времени t3 напряжение Uг=35 в, а напряжение Uв = 84,6 в. За время t3 —t2 луч переместится в точку О3 по линии

О2-О3 и т. д.

Процесс воздействия электрических полей, создаваемых обеими парами отклоняющих пластин, на электронный луч будет продол­жаться, и луч будет отклоняться далее по линии О3 — О4 — O5 и т. д.

За время t10— t9 электронный луч быстро отклонится влево (произойдет обратный ход луча), а затем процесс будет повторять­ся. Исследуемое напряжение изменяется периодически, поэтому электронный луч будет многократно перемещаться по одному и тому же пути, в результате чего будет видна довольно яркая линия, по форме совпадающая с формой кривой напряжения, поданного на вертикально отклоняющие пластины трубки.

Так как период (и частота) напряжений пилообразных импуль­сов развертки и исследуемого напряжения равны, то синусоида на экране будет неподвижна. Если частота этих напряжений разная и не кратная друг другу, то изображение будет перемещаться вдоль экрана трубки.

При подключении к обеим парам отклоняющих пластин двух синусоидальных напряжений одинаковых амплитуд и частот, но сдвинутых по фазе на 90°, на экране трубки будет видна окруж­ность. Таким образом, с помощью осциллографа можно наблюдать и исследовать различные процессы, происходящие в электрических цепях. Кроме генератора пилообразных импульсов, осциллограф имеет усилители для усиления напряжения, подаваемого на пласти­ны вертикального отклонения луча, и пилообразного напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения.

Контрольные вопросы

1.       Что называется термоэлектронной эмиссией?

2.       Для чего в электронной лампе служит катод?

3.       Какая электронная лампа называется диодом?

4.   При каких условиях в цепи диода протекает ток?

5.       Что называется крутизной характеристики диода?

6.       Чем отличается выпрямленное напряжение до фильтра при однополупериодном и двухпериодном выпрямлении?

7.       Как устроена трехэлектронная лампа?

8.       Как изображается на схеме лучевой тетрод?

9.       Для чего служит электроннолучевая трубка?

10.    Как происходит отклонение электронного луча в электроннолучевой трубке?