92



5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

В ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ


5.1. Принципы воспроизведения изображений


В современных телевизионных системах (ТВС) преобразование электрического сигнала в оптическое изображение в подавляющем большинстве случаев осуществляется с помощью приемных (воспроизводящих) электронно-лучевых трубок – кинескопов. Вместе с тем, последнее время ведутся разработки плоских кристаллических экранов (дисплеев).

Кинескоп осуществляет синтез изображения на основе явления катодолюминисценции, т.е. свечения специального вещества (люминофора) под действием электронного пучка. Кинескоп – оконечное звено ТВС, поэтому качество системы в целом определяется не в последнюю очередь качеством телевизионного воспроизводящего устройства. Общие требования по целям (назначению), качеству воспроизведения, а также достаточно высокие эксплуатационные характеристики и экономичность трансформируются в более конкретные требования, определяемые, прежде всего характеристиками зрительной системы человека.

  1. Геометрические размеры изображения h и b, которые при расстоянии рассматривания (наблюдения) А определяют горизонтальный и вертикальный углы наблюдения.

  2. Достаточная вертикальная и горизонтальная четкость изображения.

  3. Допустимые геометрические искажения.

  4. Достаточная яркость изображения, но без ослепления.

  5. Достаточно высокий контраст изображения.

  6. Удовлетворительное воспроизведение полутонов, согласующееся со всей системой.

  7. Удовлетворительное воспроизведение цветов.

  8. Достаточно малые эффекты мелькания, помех и т.п.

  9. Высокое качество развертки и синхронизации.

Кинескопы обеспечивают получение черных и цветных изображений размерами до (0,60,8) м2. Для больших аудиторий применяются проекционные ТВ устройства.

Основными элементами любого кинескопа являются термоэмиссионный катод, входящий в электронно-оптическую систему, называемую прожектором. Прожектор формирует тонкий пучок (луч) электронов с помощью электростатических полей, которые используются для ускорения и фокусировки. Электростатическая фокусировка более экономичная и стабильная, чем электромагнитная.

Отклонение электронного пучка, как и фокусировку, можно реализовать как статическим, так и магнитным полем. В кинескопах телевизионных приемников используется исключительно магнитное отклонение, которое позволяет довести углы отклонения до 110 и резко уменьшить длину кинескопа и его вес.


5.2. Развертывающие устройства кинескопов


Электростатическое отклонение.

Здесь электронный пучок отклоняется поперечным электрическим полем, через которое он пропускается. В простейшем случае поле образовано парой пластин (плоский конденсатор), как это показано на рис. 5.1. Здесь – расстояние между пластинами, U – отклоняющее напряжение (разность потенциалов между отклоняющими пластинами), UA-ускоряющий потенциал (до отклонения). Половинное отклонение пучка:

.

Видно, что отклонение пропорционально отклоняющему напряжению. Для линейной (равномерной) развертки во времени надо иметь U = k t, т.е. линейную “пилу”. Электрическое отклонение имеет такие положительные качества, как экономичность, высокое быстродействие и малую массу (вес).

Основными недостатками кинескопов с электростатическим отклонением является малая чувствительность и малые углы отклонения. Для большого экрана это означает большую длину трубки. Из-за малой чувствительности отклоняющие потенциалы должны достигать несколько сотен вольт и даже тысяч вольт (1/3 от UA), что, в частности, трудно делать на полупроводниках.

Поэтому электростатический способ отклонения, широко применяемый в осциллографах, практически не используется в телевизионных приемниках.

Электромагнитное отклонение.

В отличие от электростатического, магнитное поле действует только на движущийся электрон. Величина этого воздействия (сила Лоренца):

, т.е. ,

где е – заряд электрона, V – его скорость, Н – напряжение магнитного поля, - угол между векторами и . Если V = 0, или = 0, то F = 0. Для = 90 (поле и скорость во взаимоперпендикулярных плоскостях) сила F = Fmax = eV1H, где V1 – величина составляющей скорости электрона, перпендикулярная полю Н.

Под действием силы F электрон движется по дуге окружности с радиусом r (рис. 5.2). Точками показано магнитное поле (перпендикулярное плоскости рисунка). Центростремительная сила F уравновешена центробежной силой Fцб, которая определяется как : .

Радиус окружности, по которой движется электрон:

.

Составляющая V1 скорости электрона определяется ускоряющим полем UA:

, т.е. .

Отсюда:

.

Рассмотрим схему отклонения (рис. 5.3). От т.О до т.В электрон движется по дуге окружности радиуса r, а затем – по прямой (касательной к этой окружности). С – центр окружности.

Перемещение луча в плоскости экрана:

y = L tg.

Треугольник OEF подобен треугольнику АСВ, поэтому

.

Отклонение луча на экране кинескопа:

.

где l0 – длина отклоняющего поля (катушки). Отметим, что в отличие от электростатического отклонения, здесь отклонение обратно пропорционально .

Если необходимо, чтобы y = kt (пропорционально времени), то напряженность поля Н должна меняться по сложному закону.

Обращает на себя внимание появляющаяся характерная нелинейность – отклонение луча растет быстрее, чем ток, т.е. если ток (ампервитки) растет линейно, то отклонение растет нелинейно (см. рис. 5.4.) и края растра растягиваются.

Нелинейная зависимость отклонения электронного пятна по экрану кинескопа лишь для малых углов может считаться линейной, поскольку в этом случае . Тогда отклонение y:

.

Если необходимо, чтобы y = kt, то поле Н должно меняться во времени:

.

Нелинейная зависимость отклонения у от напряженности поля Н может значительно меняться путем изменения пространственного распределения отклоняющего магнитного поля (неодинаковая плотность намотки катушек). Это условно показано на рис. 5.5 в виде переменного сечения вертикальных кадровых катушек Wk, создающих внутри трубки горизонтальное поле Н1 (отклоняющее луч в вертикальном направлении) и горизонтальных строчных катушек Wc, создающих внутри трубки вертикальное поле Н2 (отклоняющее луч в горизонтальном направлении).

Связь между напряженностью поля Н и протекающим через катушку с числом витков w током i описывается интегралом Ампера:

,

где Н – напряженность поля в эрстедах (Э), i – ток в амперах (А), l – длина магнитного пути в см.

Сечение отклоняющей системы показано на рис. 5.6. Магнитная проницаемость ферромагнитного экрана много больше проницаемости вакуума, поэтому его магнитное сопротивление в сотни раз меньше сопротивления всего остального пути магнитного потока. Это означает, что вся намагничивающая сила тратится на проталкивание потока вне экрана и вместо интеграла по замкнутому контуру l можно взять интеграл по пути от А до В внутри трубки (рис. 5.6.):

,

где - внутренний диаметр отклоняющей катушки (диаметр горловины трубки). Для наиболее длинной силовой линии, которая проходит по диаметру горловины ( = 90):

.

Соответственно, можно записать ампер-витки как функцию угла отклонения луча :

,

.

Таким образом, полное число ампер-витков отклонения пропорционально sin угла отклонения.

Для уменьшения абсолютного значения тока отклонения имеет смысл увеличивать количество витков w. Однако с ростом количества витков растет индуктивность катушек L, которая пропорциональна w2, а увеличение L ведет к понижению быстродействия системы отклонения.

Используется понятие эффективности отклоняющей системы, которая представляет собой отношение максимальной мощности, затрачиваемой на отклонение луча в пределах экрана, к ускоряющему потенциалу на втором аноде трубки. Это означает, что для строчной развертки полная мощность пропорциональна реактивной мощности, т.е. магнитной энергии катушки:

,

где L – результирующая индуктивность, Imax сгр – амплитуда отклоняющего тока, UA – напряжение 2-го анода.

Для кадровой катушки:

,

где R – активное сопротивление кадровой катушки.

За счет того, что в цветных кинескопах UA 25 кВ, а в черно-белых 15 кВ, у них сильно разнится эффективность.

Не следует забывать также о том, что при большой индуктивности и малом времени обратного хода на катушке возникают большие напряжения, что требует высокой электрической прочности отклоняющей системы. Для примера и оценки величин дадим характеристики двух отклоняющих систем – черно-белой и цветной.


Параметр

ЧБТ ОС-110Л

для 61 ЛК2Б

ЦТ ОС-110 ПЦ

67 ЛК 110 Ц

 горловины, мм

28,6

29

Индуктивность двух строчных катушек L мГн


3 0,15


0,31 0,02

Активное сопротивление катушек Ом

7,8 0,8

1,5 0,12

Ускоряющее напряжение в зоне отклоняющей системы UA кВ


16


25

Амплитуда отклоняющего тока

строчного А

кадрового А


0,5

0,45


3,0

2,7

Ампервитки катушек строчных

кадровых

170

304

460

340

Амплитуда импульсного напряжения обратного хода на строчных катушек В


940


585




5.3. Эквивалентная схема отклоняющей системы


Разница в строчной и кадровой развертках по частоте повторения составляет 300 раз ( 15 кГц строки и 50 Гц частота полей). Для удовлетворительного воспроизведения функции развертки надо пропускать все гармоники до 20-й включительно, т.е. до 300 кГц в строчной системе и 1 кГц в кадровой.

Катушку отклонения можно представить в виде Lk, Rk, Ck (рис. 5.7), где Ск – межвитковая емкость катушки, которой можно пренебречь для кадровой системы и которой нельзя пренебрегать для строчной. Если пренебрегаем емкостью Ск (в случае кадровой системы), то

.

Если мы исходим из того, что ток i (т.е. и поле Н) меняются по пилообразному закону (линейный ток от времени), т.е. , тогда

.

Здесь могут быть два случая (рис. 5.8):

  1. RK >> LK, пренебрегаем . Тогда

  2. RK << LK, пренебрегаем . Тогда

В общем случае – есть и то, и другое: RK LK.

Видно, что при получении пилообразного тока на катушке образуется напряжение, содержащее пилообразную и импульсную составляющие.

В общем случае всякое развертывающее устройство состоит из генератора импульсов (задающий генератор), каскада формирования управляющего напряжения и выходного каскада. Каскад формирования часто объединяется с задающим генератором, который запускается внешним синхроимпульсом.


5.4. Кинескопы черно-белого изображения


Эти кинескопы (рис. 5.9) выпускаются с размерами экрана по диагонали от 4 до 67 см, угол отклонения – до 110.

Экран состоит из стеклянного диска (передний стенки), на ней – люминофор, на нем – Al пленка толщиной 0,5 мкм. Al пленка соединена электрически с анодом А, она прозрачна для электронов с энергией (12-25) кэВ. Пленка защищает люминофор от разрушения тяжелыми отрицательными ионами, а также отражает свет, повышая светоотдачу трубки.

Люминофоры состоят из основного вещества и небольшого количества примеси – активатора. В принципе под воздействием пучка электронов светятся очень многие вещества, однако, при выборе люминофора приходится учитывать многие факторы, начиная от уровня светоотдачи, срока службы, длительности послесвечения спектрального состава и заканчивая число техническими и экономическими (доступность, стоимость, выделение газов при облучении и т.п.). Наиболее часто в качестве люминофоров используются сульфиды, силикаты, оксиды, фосфаты таких металлов, как цинк, кадмий, магний, бериллий. В качестве активаторов добавляют серебро, медь, марганец др.

Цвет излучения люминофора при бомбардировке электронами зависит от состава люминофора. Обычно спектральная плотность излучения люминофора представляет собой непрерывную кривую с четко выраженными пиками (рис. 5.9, а). Состав и некоторые свойства этих же люминофоров даны ниже в таблице.


Тип экрана

Цвет свечения

Максимум спектральной характеристики (нм)

Время послесвечения

Люминофор

А

синий

450

короткое

Zn S Ag

Б

белый

460-570

короткое

0,4 SnS Ag, ZnCdS

И

зеленый

520-550

короткое

Zn2SiO4Mn

П

красный

630

среднее

Zn3(PO4)2Mn


Под коротким временем послесвечения понимается интервал (10-5-10-2) с, средним (10-2-10-1) с, длительным – до 15 с.

В люминофоре различают разгорание (710-8 с), «горение» и угасание (послесвечение) – когда яркость свечения падает до 0,01 от яркости при «горении».

Яркость свечения экрана L зависит от многих факторов, но наиболее явно от светоотдачи экрана А (зависит от материала люминофора), средней плотности электронов в пучке с током iл и площадью сечения S (кроссовер) и ускоряющего потенциала U:

.

При заданной плотности тока пучка яркость можно увеличить за счет U, это выгодно энергетически. Увеличение U ведет также к улучшению фокусировки, в то время как увеличение тока пучка ведет к росту его сечения.

Сила света от элемента излучения: Iсв = SL = SAjU2 = AiлU2.

Можно записать: Iсв = A0iлU, где A0 = AU.

Другими словами, сила света от элементарной площадки люминофора пропорциональна произведению A0Pл, где Pл – мощность электронного пучка: I = A0 Pл,

а величину называют коэффициентом светоотдачи люминофора. Для обычных люминофоров, у которых в свет превращается в среднем 5% энергии луча, коэффициент светоотдачи экрана составляет (23) кд/Вт, а для алюминированных экранов он доходит до (35) кд/Вт.

При частоте кадров fк выше критической частоты мельканий кажущаяся яркость свечения экрана определяется как средняя яркость за период ее изменения Тк = 1/fк (закон Тальбота):

.

В случае безинерционного экрана каждая точка дает постоянную яркость L в течение времени облучения с периодом повторения Тк, так что кажущаяся яркость:

,

где N – число элементов изображения. В действительности яркость каждой точки экрана нарастает и падает по экспоненте. Во время роста:

,

где а1 – постоянная времени, L – предельная установившаяся яркость. За время облучения яркость увеличивается до значения L () = L (1 - e-a1), а затем спадает также по экспоненте с постоянной времени а2: