Elektrické měření

Elaboráty

Měření na obrazovkách

Zadání

1) Změřte závislost citlivosti na napětí poslední anody u obrazovky s elektromagnetickým vychylováním.

2) Odvoďte vztah pro výpočet citlivosti a porovnejte Jej se vztahem pro citlivost obrazovky s elektrostati­ckým vychylováním. Rozeberte vztah z hlediska elektroniky a napište závěry plynoucí z daného vztahu pro praktické využití.

3) Uveďte, v čem se liší obrazovky staré a nové konstrukce.

Měření na obrazovce s elektrostatickým vychylováním

Zadání

1 ) Změřte vychylovací citlivost horizontálních a vertikálních destiček obrazovky při anodových napětích od 200 do 700V.

2) Závislost střední hodnoty citlivosti zobrazte graficky v závislosti na napětí Ua.

3) Vysvětlete, proč vychylovací citlivost klesá s rostoucím napětím Ua2 a proč citlivost vertikálních a hori­zontálních destiček je odlišná.

Teoretický úvod

Obrazovky

Bez ohledu na konkrétní provedení nebo použití se skládají všechny typy obrazovek z několika funkčně stejných částí viz obr.

Systém elektrod obrazovky je uložen ve vyčerpané baňce, jejíž sklenění přední stěna je z vnitřní strany pokryta luminiscenční vrstvou - luminoforem, který tvoří stínítko. Na luminofor je zaostřován elektronový svazek, jehož zdrojem je elektronová tryska, složená z několika elektrod a umístěné v hrdle obrazovky.

Obr : Principiální uspořádání obrazovky 1 elektronový svazek, 2 vnitřní grafitový povlak, 3 luminofor, 4 čelní stěna, 5 kontakt pro připojení anodového napětí, 6 místo, kde působí vychylovací soustava, 7 elektronová tryska, 8 hrdlo, 9 patice

Elektrony svazku jsou urychlovány vysokým kladným anodovým napětím tím, dopadají na luminofor a odevzdávají jeho atomům svoji kinetickou energii. Atomy přijatou energii opět vyzařují ve formě viditelného světla; jehož barva závisí na složení luminoforu. V místě dopadu svazku na luminofor vzniká zářící bod. Působením síly elektrostatického nebo magnetického pole (vychylováním svazku) je možné zářicí bod po ploše stínítka posunovat, a vytvářet tak světelnou stopu.

K vytvoření dojmu plynulé čáry při pohybu světelného bodu po stínítku přispívá kromě setrvačnosti lidského zraku též světelná setrvačnost (dosvit) luminoforu. Doba dosvitu se udává v závislosti na úrovni okolního osvětlení. Je to doba, za kterou poklesne jas světelné stopy po zániku buzení luminoforu dopadem elektronů na 10 % nebo 1 % původního jasu. V jasně osvětlené místnosti platí údaj určený při úrovni 10 %, v temné místnosti údaj odpovídající 1 %.

Podle druhu pole, které používáme k vytvořeni výchylky svazku, můžeme obrazovky rozdělit na dvě základní skupiny :

l. Obrazovky s elektrostatickým vychylováním

Výchylka je vytvářena silou elektrostatického pole dvou navzájem kol­mých dvojic vychylovacích destiček. Je úměrná napětí mezi destičkami příslušné dvojice.

2. Obrazovky s elektromagnetickým vychylováním

Výchylku svazku způsobuje sila magnetického pole dvou dvojic vychylo­vacích cívek v závislosti na procházejícím proudu. Soustava cívek je nasu­nuta na hrdlo obrazovky.

Elektrostatický vychylovací systém je velmi málo závislý na frekvenci, a proto dovoluje vychylovat svazek velkými rychlostmi (až 10⁷ m/s), avšak úhel, o který se svazek vychýlí (vychylovací úhel) je pouze kolem 30° (±15° od osy). Obrazovky s elektrostatickým vychylováním se používají v osciloskopech a dalších měřících přístrojích.

Elektromagnetický systém dosahuje sice běžně vychylovacích úhlů 110°, avšak nedá se použít pro vysoké frekvence vychylovacích proudů. Obra­zovky vybavené tímto systémem se používají hlavně v televizních při­jímačích.

Elektronová tryska

Elektronové trysky obou základních druhů obrazovek jsou zalo­ženy na stejném principu. Slouží k vytvářeni elektronového svazku, k jeho urychlení a zaostření na luminofor.

Skládají se z katody, první (též modulační nebo řídicí) mřížky (G₁) a z několika dalších elektrod. Tyto elektrody (G₂, G₃, ...) nazýváme zpra­vidla mřížky (druhá, třetí, ...) ( Elektroda G₂ se taky někdy nazývá první anoda. ). Poslední elektroda, která má proti kato­dě nejvyšší napětí a která je vodivě spojena s grafitovým povlakem na vnitřní stěně baňky, se nazývá anoda. Na obr. za a) je uspořádání elektronové trysky, které se v malých obměnách používá ve většině oscilogra­fických obrazovek i v obrazovkách pro černobílou televizi. Nepřímo žha­vená katoda je uložena bud osově (obr. za b)), nebo příčně (obr. za c)).

Obr : Elektronová tryska a) tryska a unipotenciální čočkou, b) osové uložení katody, c) příčné uložení katody 1 žhavicí vlákno, 2 katoda, 3 emisní vrstva, 4 první mřížka D₁, 5 druhá mřížka G₂, 6 třetí mřížka G₃, 7 anoda G₄, 8 vymezovací clona, 9 pružný kontakt dovolující vodivé spojení anody s vnitřním vodivým povlakem baňky, 10 vnitřní vodivý povlak

V těsné blízkosti svého emitujícího povrchu je katoda překryta mřížkou G_1,­ tvořenou trubicí, která je uzavřena clonkou s otvorem o průměru asi 1 mm. Velikostí záporného napětí této elektrody proti katodě řídíme proud svazku, a tím jas stopy.

Ve směru pohybu elektronů následuje ve vzdálenosti asi 1 mm od první mřížky druhá mřížka (G₂) s konstantním kladným napětím proti katodě. Dráhy elektronů vystupujících z otvoru první mřížky se v prostoru mezi první a druhou mřížkou protínají téměř v jednom bodě. Tento bod, kterém má elektronový svazek nejmenší průřez, se nazývá křižiště. Zobrazit křižiště na luminofor, tj. zaostřit stopu elektronového svazku, je úkol ostřícího systému obrazovky.

Oscilografické obrazovky a obrazovky pro černobílou televizi používají k zaostřování nejčastěji tzv. unipotenciální čočku, tvořenou třemi elektro­dami. Dvě vnější elektrody (na obr. ­ a) G₂ a G₄) mají stejná napěti; zpravidla rovná anodovému napětí (několik kilovoltů proti katodě). Svazek se zaostřuje změnou napětí na vnitřní elektrodě unipotenciální čočky.  Rozložení ekvipotenciálních ploch uvnitř unipotenciální čočky ukazuje další obr ¯. Obrazovky pro barevnou televizi používají složitější zaostřovací systém (bipotenciální čočku nebo kvadrupólový systém), neboť přísné požadavky kladené na ostrost stopy v barevné televizní obrazovce nedokáže unipotenciální čočka splnit.

Obr : Rozložení ekvipotenciálních ploch v unipotenciální čočce

Grafitový povlak (nověji kysličník železa), se kterým je pružným kon­taktem spojena anoda obrazovky (elektroda G₄) a který je nanesen na vnitřní stěně baňky od míst, kde končí soustava elektrod elektronové trysky až ke stínítku, působí jako kolektor pro elektrony sekundárně emitované při dopadu svazku na luminofor. Kdyby nebyly tyto elektrony odsávány, dopadly by pozvolna zpět na stínítko, nabily by ho záporně a znemožnily dopad elektronového svazku na luminofor a vznik stopy. Působením kolektoru (odsáváním sekundárně emitovaných elektro­nů) se po krátké době nabije povrch stínítka na plné anodové napětí, na kterém se sekundární emisí automaticky stabilizuje.

Televizní obrazovky mají větší část svého povrchu pokrytu rovněž z vnější strany vodivým povlakem, který je spojen se zemí. Baňka obrazovky tak tvoří kondenzátor přispívající k vyhlazení vysokého anodového napětí obrazovky.

Vychylováni svazku elektrostatickým polem

Obrazovky s elektrostatickým vychylováním jsou vybaveny dvě­ma páry vychylovacích desek. Jeden slouží pro vychylování ve svislém směru (desky D_l a D₂ na obr ¯), druhý pro vychylování ve vodorovném směru (D₃ a D₄ na obr ¯).

Obr : Souměrné vychylování elektronového svazku v obrazovce

Vychylovací desky se zapojují způsobem znázorněným na obr ­, nazývaným souměrné vychylování. Vychylovací napětí se přivádí na obě desky příslušného páru současně s navzájem obrácenou fází. Silová působení obou desek na elektrony se sčítají a snadno se dosáhne velké výchylky svazku. Kromě toho nezpůsobuje vychylovací napětí v tomto uspořádání rozostřování stopy ani geometrické zkreslování obrazu. Příklad zapojení obrazovky B 10 S6 (NDR) v osciloskopu je na obr ¯.

Aby bylo možné přivádět vychylovací napětí na vychylovací desky a aby nedocházelo ke geometrickému zkreslování obrazu, mělo by být klidové stejnosměrné napětí vychylovacích desek přibližně stejné jako anodové napětí obrazovky. Proto se často anoda uzemňuje a na katodu se přikládá záporné napětí rovné U_AK.

Desky, stejně jako všechny ostatní elektrody, musí být vodivě spojeny se zemí, neboť je nutné trvale odvádět náboj, který se na nich zachycuje. K tomu slouží svodové rezistory R_G uváděné v katalogu obrazovek (s odporem asi 3 MW, obr.­­).

Obr : Zjednodušené zapojení obrazovky v osciloskopu. DA je dorychlovací anoda, která dodatečně urychluje svazek. V důstedku toho se zvětší jas stopy.

Výchylka elektronového svazku v obrazovce s elektrostatickým vychylováním

Při průletu elektronového svazku prostorem mezi vychylovacími deskami uděluje elektrostatické pole jednotlivým elektronům zrychlení ve směru kolmém k ose obrazovky. Následkem toho se dráha elektronů změní z přímočaré na parabolickou obr.¯.

Obr :  Výchylka svazku při vychylování elektrostatickým polem

Jakmile elektrony opustí prostor mezi deskami, není směr jejich pohybu dále ovlivňován a elektrony pokračují v přímočarém pohybu ke stínítku. Elektronový svazek tvoří tečnu k parabolické dráze, sestrojenou v místě, ve kterém elektrony opouštějí elektrostatické pole vychylovacích desek (obr.  ­).

Pro výchylku svazku na stínítku je možné odvodit přibližný vztah, platný pro malé vychylovací úhly :

Význam symbolů plyne z obr. ­.

Všimněme si, že výchylka svazku závisí na rozměrech obrazovky, je přímo úměrná vychylovacímu napětí a nepřímo úměrná anodovému napětí. Pro jednotlivé typy obrazovek udává výrobce v katalogu citlivost vychy­lovacích desek jako výchylku způsobenou vychylovacím napětím velikosti 1 V, platnou pro určité anodové napětí. Desky bližší ke katodě mají větší citlivost a používají se k vychylování ve svislém směru.

Vychylování svazku elektromagnetickým polem

Magnetické pole vytvářející výchylku je buzeno dvěma páry vy­chylovacích cívek. Cívky pro vychylování ve směru svislém jsou navinuty na feritovém prstenci způsobem naznačeným na obr. ¯, který zároveň ukazuje směr indukčních čar magnetického pole.

Prstenec se nasazuje na hrdlo obrazovky v místech, kde se baňka rozšiřuje. Popsaný pár vychylovacích cívek je překryt párem cívek pro vy­chylováni ve směru vodorovném. Tyto cívky nejsou vinuty na feritu. Jsou vhodně tvarovány (tzv. sedlový tvar), aby těsně přilehly k baňce a vytvá­řely magnetické pole potřebného prostorového rozložení. Směr indukčních čar magnetického pole tohoto péru cívek je svislý.

Obr ¬ : Magnetické pole cívek pro vychylování svazku ve svislém směru

Obr ® : Vychylování svazku magnetickým polem

Situaci při vychylovánu pouze jedním z párů vychylovacích cívek zjed­nodušeně zachycuje obr. ®­. Elektron letící rychlostí v vstoupl ve směru osy obrazovky do magnetického pole s indukcí B v místě označeném 0. Síla, kterou magnetické pole působí na elektron, je kolmá ke směru pohy­bu elektronu i ke směru indukčních čar pole a změní jeho přímočarý pohyb na pohyb kruhový (obr. ®­).

Po opuštění magnetického pole pokračuje elektron v pohybu ke stínítku ve směru tečny ke své kruhové dráze sestrojené v místě, kde přestalo mag­netické pole působit.

Výchylku můžeme vypočítat podle přibližného vztahu platného pro malé vychylovací úhly

Vidíme, že výchylka je přímo úměrná magnetické indukci B, a tedy i proudu procházejícímu vychylovacími cívkami. Nepřímo úměrná je druhé odmocnině z anodového napětí. Z toho plyne, že při vysokém napětí U_AK a určité vzdálenosti d vychylovacích jednotek od stínítka získáváme při magnetickém vychylování větší výchylku svazku snadněji než v obrazovce s vychylováním elektrostatickým, kde je výchylka nepřímo úměrná první mocnině napětí U_AK. To je jedním z důvodů, proč se toto vychylování používá v televizních obrazovkách (U_AK = 14 až 16kV pro černobílou a asi 25 kV pro barevnou).

Porovnáme-li dále vztah pro výchylku při elektrostatickém vychylování se vztahem pro výchylku při magnetickém vychylování, zjistíme další vel­mi důležitý rozdíl : při magnetickém vychylování je výchylka částic se stejným nábojem nepřímo úměrná druhé odmocnině z jejich hmotnosti, kdežto při elektrostatickém vychylování je výchylka na hmotnosti částice nezávislá. Proto jsou při elektrostatickém vychylování všechny částice se stejným nábojem (i těžké záporné ionty) vychylovány stejně a stínítko se opotřebovává rovnoměrně. Při magnetickém vychylování jsou těžké ionty vychylovány málo a dopadají do středu stínítka. Kdyby se stínítko ne­chránilo před dopadem iontů, došlo by velmi brzy ve středu stínítka k roz­prášení luminoforu a ztrátě jasu (vznikla by iontová skvrna).

Před vznikem iontové skvrny se stínítko obrazovek s magnetickým vy­chylováním chrání tzv. metalizací. Metalizované stínítko má na vrstvu luminoforu zevnitř obrazovky nanesenu velmi tenkou (desetiny mikrome­tru) vrstvu hliníku, která propustí elektrony, avšak těžké a rozměrné ionty uvíznou v její krystalické mřížce a na luminofor nedopadají. Zároveň vrstva hliníku působí jako zrcadlo, odrážející směrem k divákovi světlo lumino­foru, které by jinak bezúčelně vnikalo do prostoru baňky obrazovky.

V některých typech obrazovek s elektrostatickým vychylováním se rov­něž používají metalizovaná stínítka. Důvodem je zvětšení jasu stopy.

Elektromagnetické vychylování paprsku

Elektromagnetické vychylování paprsku se používá proto, že dovoluje bez potíží podstatné zvětšení vychylovacích úhlů oproti vychylování elektrostatickému. Paprsek se vychyluje o ±55° tj. celkem.o 110 °. To umožňuje zkrácení obrazovek. Další výhodou je, že se příliš neporušuje zaostření bodu na okrajích obrazu. Tím je dosaženo jasnějšího a ostřejšího bodu - tím i lepší rozlišovací schopností oproti obrazovce s elektrostatickým vychylováním.

Z obrázku je patrné, jak souvisí větší vychylovací úhel s délkou obrazovky. U elektrostatického vychylování je vychylo­vací úhel ±15 ° a u elektromagnetického ±45 ° až ±55 °.

Z dalšího obrázku je vidět, že pro stejný vychylovací úhel je nutné zmenšit průměr elektronové trysky a zkrátit vychylovací cívky. Protože je cívka kratší, působí po kratší dobu na elektronový papr­sek, je třeba zvětšit počet ampérzávitů.

Zkrácení kužele obrazovky způsobí, že plocha, kterou opisu­je ohnisko, se neshoduje s tvarem stínítka. Výsledkem je neostrý ob­raz. Neostrému obrazu se dá zabránit (předejít) zúžením elektrono­vého paprsku, úpravami zaostřovacího systému nebo zmenšením průměru elektronového svazku průchodem přes anody obrazovky. Poslední úpravy by vedly ke snížení jasu obrazovky, proto je nutné zvýšit anodové napětí.

Z naznačeného je patrné, že zvětšování vychylovacích úhlů není jednoduchou záležitostí.

Pro názornost jeden konkrétní údaj (platí pro obrazovku s úhlopříčkou kolem 55 cm) : zvětšením vychylovacího úhlu z 90° na 110° vzrostl potřebný příkon na vychylování na 220 % (pro obrazovku s hrd­lem o průměru 36,5 mm). Zmenšením hrdla na 29 mm klesl příkon na 180 %. Zhoršila se však stabilita a rozlišovací schopnost.

Vychylovací citlivost

U elektrostatického vychylování je citlivost dána poměrem výchylky na stínítku Y a napětí na destičkách.

- u obrazovek bývá 0,2 až 0,5 mm/V

U elektromagnetického vychylování (kde za výraz pro H je dosazeno H pro válcovou cívku ) je citlivost :

V elektrostatickém poli se elektron pohybuje po parabole, mimo pole po přímce. V elektromagne­tickém poli se elektron pohybuje po kružnici, mimo pole po přímce.

Citlivost magnetického vychylování je malá, stejně je menší vliv napětí Ua oproti elektrostatickému. U elektrostatického je při dvojnásobném Ua třeba dvojnásobného napětí na destičkách. U elektromagneti­ckého vychylování je při dvojnásobném napětí třeba jen 1,4 x většího proudu ve vychylovacích cívkách.

Vychylovací cívky jsou obdélníkového tvaru s co největší činnou délkou x. Pro zvětšení účinku Ua k dosažení rovnoměrné hustoty magnetického toku ve vychylovací oblasti se obdélníkové cívky zakřivují tak, aby se dokonale přizpůsobily tvaru hrdla obrazovky.

Pro magnetické ovládání elektronů se používá dvou dvojic vychylovacích cívek pootočených o 90°. Protože jsou upevněny ve stejném místě hrdla obrazovky, středy vychylovacích soustav splývají do jedno­ho bodu. Vychylovací cívky nejsou vinuty vcelku, ale skládají se z určitého počtu dílčích cívek zapojených v sérii. Cívky jsou na železných nebo feritových jádrech prstencového tvaru. Nevýhodou je značná kmito­čtová závislost. Výhodou je jednoduchost systému obrazovek, které mají větší proudovou hustotu vodičů cívek, vyšší jas, ostřejší bod, větší rozlišovací schopnost a lepší kontrast. Je však u nich třeba značných anodových napětí. K buzení vychylovacích cívek je třeba značné energie (u obrazovky s úhlopříčkou 63 cm je vrcholová hodnota proudu 3,15 A). V katalogu někdy najdeme vychylovací činitel, což je převráce­ná hodnota vychylovací citlivosti.

Schéma zapojení

Měření na obrazovce s elektromagnetickým vychylováním

Postup měření

Ze vztahu pro citlivost plyne, že citlivost nemůžeme přímo určit, protože vždy některý údaj není možné určit (počet závitů, délky apod.). Musíme proto vše nějak obejít.

Po zapnutí necháme přípravek několik minut nažhavit. Nastavíme minimální hodnotu vysokého napětí (Uvn), jas a ostrost nastavíme na optimální hodnotu (aby byla nejlépe patrná stopa na stínítku). Je třeba si uvědomit, že při malé hodnotě Uvn obrazovka nejméně svítí, ale má nejlepší citlivost. Proto začí­náme od minimální hodnoty Uvn. Proud ve vychylovacích cívkách nastavíme na nějakou (celistvou) hod­notu, aby úsečka byla pokud možno přes celé stínítko. Hodnotu proudu udržujeme po celé měření stejnou a zapisujeme délky úsečky pň různých hodnotách Uvn. Potom zapojíme druhé vychylovací cívky a celý postup opakujeme. Ideální by bylo, kdyby proud horizontálních a vertikálních cívek mohl být shodný. Hodnoty Uvn a délky úseček zapisujeme do tabulky. Naměřené hodnoty znázorníme graficky.

Schéma zapojení

Měření na obrazovce s elektrostatickým vychylováním

Postup měření

Při tomto měření věnujte zvýšenou pozornost bezpečnosti práce, neboť budete používat vyšších hodnot napětí !!!

Obrazovku nažhavte a nastavujte na stínítku stopu dlouhou 10, 20, 30, 40 a 50 mm pro zadané velikosti napětí. Naměřené hodnoty střídavého napětí zapisujte do tabulky. Uvědomte si, že při malých hodnotách napětí Ua má obrazovka malý jas, bylo by proto vhodnější začít od velkých hodnot napětí Ua. Při měření nastavte malý jas obrazovky, aby nedošlo k vypálení stínítka, dejte pozor také na svítící bod!!!

Takovýmto způsobem proveďte měření na obou druzích destiček a z naměřených hodnot stanovte, kdy se jedná o destičky horizontální a kdy vertikální. Při výpočtu nezapomeňte na skutečnost, že na stínítku se zobrazuje 2x maximální hodnota měřeného napětí.

Naměřené a vypočítané hodnoty

Obrazovka s elektromagnetickým vychylováním 180 QQ 86.

Obrazovka s elektromagnetickým vychylováním AS 17-21.

Obrazovka s elektrostatickým vychylováním.

Použité přístroje

Zdroj :                            31-14-373

Multimetr :                      D1-4-AL-1485, D2-1-AL-1469

Autotransformátor :        B1303

Obrazovky, kabely.
Grafy

Závěr

Pro obrazovky s elektromagnetickým vychylováním :

Měřili jsem dvě obrazovky s elektromagnetickým vychylováním 180 QQ 86 a AS17-21. Z naměřených hodnot jasně vyplívá, že obě mají různou vychylovací citlivost.  První obrazovka (180 QQ 68) má vychylovací citlivost horizontální ( X ) přibližně stejnou jako vertikální ( Y ), z toho plyne že je určena pro měřící účely. Druhá obrazovka (AS17-21) má vychylovací citlivost horizontální ( X ) větší než-li vertikální ( Y ). Tato obrazovka je pravděpodobně určena pro sledování obrazu o formátu 4 ku 3.

Pro obrazovky s elektrostatickým vychylováním :

Citlivost se snižuje se zvyšujícím se Ua2, ale zvyšuje se jas. Proto si musíme určit kompromis mezi citlivostí a jasem. Pokud bychom měřily obrazovku s větší obrazovkou bude nutné použít většího anodového napětí, ale můžeme měřit větší úsečku h.