FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO IN GEODEZIJO LJUBLJANA

Študentka: Maja Staniša
1. letnik, geodezija - UNI
Študijsko leto: 2002/2003
Predmet: Fizika 2
Mentor: asist. dr. Zvonko Jagličič, univ. dipl. inž. fiz.

Osnovni sestavni del večine sprejemnikov TV signala in prikazovalnikov je še vedno katodna cev, kineskop ali Braunova elektronika. Njen iznajditelj Karl Ferdinand Braun (1850 - 1918) je že pred več kot sto leti (1897) prikazal njeno uporabnost. Elektronka je sestavljena iz vratu, ki se širi v zaslon. V cevi je visok vakuum. Na koncu vratu je ogrevana katoda, iz katere izhajajo elektroni in tvorijo prostorski oblak pred katodo. Katodo in cilinder imenujemo včasih tudi elektronski top (ki strelja elektrone).

Najpomembnejši sestavni deli katodne braunove elektronke so:

Katodna cev oz. elektronka je steklena vakuumska cev, ki se spredaj končuje z zaslonom, zadaj pa se podaljšuje v ozek vrat, v katerem je elektronski top z ogrevano katodo (negativno naelektreno kovinsko ploščo), ki je izvor prostih elektronov, ki tvorijo prostorski oblak pred katodo. Osnova za delovanje Braunove katodne elektronke so elektroni, ki jih oddaja katoda. Elektrone pospešimo in fokusiramo z elektrodo, imenovano anoda. Nastali elektronski pramen usmerimo z odklonskim sistemom na poljubno točko luminiscenčnega zaslona, ki na mestu, kamor priletijo elektroni, zasveti. Na takšen način deluje elektronskooptični sistem, ki je postal temelj v razvoju televizije.

Katodna cev:

Elektronski top je iz elektrod sestavljen sistem, ki se uporablja za pospeševanje elektronov proti anodi. Zelo pomemben del topa je katoda. Če jo segrevamo, oddaja, oziroma izhlapeva elektrone. Število izhlapelih elektronov je tem višje, čim večja je temperatura kovine (katode). Ti elektroni nato prosto plavajo okoli kovine, saj se pri izhlapevanju kovina naelektri pozitivno. Nekateri elektroni se zato vrnejo v kovino in po nekem času se vzpostavi ravnovesno stanje, tako da je okoli kovine vedno skoraj enako število elektronov. Iz elektronov, ki izhajajo iz katode, je mogoče narediti usmerjen curek z triodo. Pri triodi je napetost (prve) anode stalna, med njo in katodo pa je vgrajena mrežica z nekoliko negativno napetostjo, ki omogoča preprosto krmiljenje prepuščenega toka, pri čemer pa tok vanjo ne teče. To mrežico imenujemo tudi Wehneltov valj ali cilinder (tudi modulator). Premer izvrtine modulatorja je med 0,3 in 0,8 mm. Bolj ko je napetost na Wehneltovem cilindru negativna, manj elektronov prepušča skozi luknjico v cilindru. Elektrone, ki jim uspe priti skozi cilinder, močno pospeši anoda.

Elektronski top vsebuje tudi elektronske leče, ki preslikajo izvir elektronov na poljubno točko zaslona. Elektronske leče so sistem oziroma polje fokusirnih elektrod in odklonskih tuljav (magnetno odklanjanje) ali odklonskih elektrod (elektrostatično odklanjanje). Deluje na ta način; čim bolj je elektronska leča debela, krajša je fokusna razdalja in obratno. V TV sprejemnikih se uporablja magnetni odklon, elektrostatični odklon pa se uporablja pri osciloskopih.

Elektronski top:

Odklonski sistemi odklanjajo snop v poljubno točko zaslona, pri čemer pa je še pomembna:

Največ odklonskih sistemov je izvedenih tako, da sta odklonska sistema za dve smeri postavljena pravokotno med seboj in glede na snop elektronov. Frekvenca linijskega (vodoravnega) odklanjanja je mnogokratnik navpične, osvežitev cele slike pa mora biti nad trideset na sekundo. Ta princip se imenuje raster in se uporablja v TV-sprejemnikih in računalniških monitorjih.

Elektrostatični odklonski sistem sestavljata po dve med seboj pravokotni odklonski plošči kondenzatorja, druga za drugo postavljeni tik za glavno lečo. Plošči, ki sta bliže katodi, se imenujeta v osciloskopih odklonski plošči Y; zaradi večje razdalje do zaslona imata večjo občutljivost in zato nanju pripeljemo merjeni signal. Plošči, ki sta bližje ekranu, sta uporabljeni za časovno bazo (X-plošči). Pri drugih ceveh je lahko poimenovanje X in Y povsem različno.

V zoženem delu cevi sta vgrajeni vodoravni plošči kondenzatorja in sta priključeni na napetost Uy. Elektronski curek potuje med ploščama med katerima je električno polje. Curek se pri tem odkloni v navpični smeri (navzgor ali navzdol; odvisno od polaritete napetosti). Ko curek izstopi iz električnega polja, se giblje naprej premočrtno in zadene v zaslon v točki, ki je za Y nad ali pod osrednjo točko. Iz tega vidimo, da je navpični odmik odvisen od velikosti in polaritete priključene napetosti na Y plošči. V realnih razmerah pot žarka proti zaslonu na kuncu ni več linearna, ampak se malo ukloni. Da se izognemo temu pojavu vstavimo v razširjenem delu cevi linearizacijske elektrode, ki preprečijo uklonitev žarka.

Podobno delujeta tudi navpični plošči, ki žarek odklanjata v vodoravni smeri. Odklon curka v X smeri je odvisen od priključene napetosti Ux.

Obstaja še elektromagnetni odklon, ki deluje na osnovi odklonskih tuljav, vendar se ne uporablja tako pogosto kot elektrostatični. Ima pa to prednost, da ima spremenljivo majhno defokusacijo celo pri kotih, ki dosegajo 60 ločnih stopinj ali skupni kot odklona 1200.

Zaslon pretvarja elektronsko sliko presečišča v vidno svetlobo. Najpomembnejši del zaslona katodne cevi je plast luminiscenčne snovi, ki pri trku z elektroni zasveti. Od vrste luminiforja je odvisno, kateri del vidnega spektra (barvo) bo oddajal zaslon. Zasloni so lahko monokromatski ali barvni. Pri barvnih so naneseni trije osnovni luminiforji (rdeč, moder in zelen) v obliki majhnih krogov ali ozkih vzporednih črt. Luminiscenčna plast je nanesena direktno na steklo cevi. Na luminiscenčno plast se nanese še organska mrežica, ki skrbi, da je naslednja nanesena plast (aluminij), zvezna. Plast aluminija je debela približno 1mm in je prevodna. Da je prevodna je zelo koristno, saj je s tem sklenjen anodni tok. Za elektrone z energijo nad 10 keV je plast skoraj prozorna. Dodatna prednost je še povečanje svetlosti slike, saj aluminij svetlobo, ki bi sicer svetila proti katodi, odbije proti opazovalcu.

Kvaliteto zaslona za sintezo slike določa v veliki meri maksimalna svetilnost in obseg kontrasta, ki ga lahko doseže. Za črno-bele televizorje je maksimalna svetilnost do 400 apostilbov (1aps=1/PI cd/m2), določajo pa jo same lastnosti fosforja, velikost pospeševalne napetosti in dovoljena velikost toka elektronov v cevi. Zgornja meja toka je okoli 500 mA. Specifična upornost fosforja je zelo velika, zato elektrone z zaslona odvaja anoda, ki je kot grafitna obloga nanesena na notranji steni steklenega balona in je podaljšana do fosfornega sloja, ki je nanesen znotraj cevi na zaslonu. Ta anoda ima visoko napetost od 8 do 15 kV, pri barvnih kineskopih pa je še višja. Odnos maksimalne in minimalne svetilnosti imenujemo kontrast. Ta doseže v naravi vrednost 100 in več, medtem ko pri dobrem TV sprejemniku doseže vrednost okoli 100. Pri sprejemniku je obseg kontrasta večji, kadar imamo na temnem ozadju svetlo točko, kot takrat, ko imamo na svetlem ozadju temno točko. Prvo se imenuje totalni kontrast, drugo pa kontrast detajlov. Za izboljšanje kontrasta se z notranje strani zaslona nanese tanka plast aluminija (nekaj mikronov), ki deluje kot reflektor svetlobnega toka, ki bi se sicer emitiral v notranjosti cevi in ne bi bil koristen. Elektronski snop brez večjih izgub prodre do fosforja. Ta aluminijasta plast ima nalogo odvajanja sekundarnih elektronov fosforja. Poseben problem katodne cevi so ioni (negativni), ki jih napetosti pospešujejo podobno kot elektrone, čeprav je njihova masa nekaj 1000 krat večja od mase elektronov. Ioni se nahajajo v cevi, ker v cevi ni popolnega vakuuma. Ker imajo veliko maso, jih odklonski sistem zelo malo odklanja, zato se sredi zaslona lahko naredi luknja v plasti fosforja, ki je nanesen z notranje strani. To kvarno delovanje ionov preprečuje prava debelina aluminijeve plasti, ki prepušča elektrone, ne pa ionov. Dejstvo, da imajo ioni veliko maso izkoristimo tudi tako, da se elektronski top postavi pod majhnim kotom glede na os zaslona in ioni udarijo v vrat cevi ali v anodo, medtem ko elektrone preusmeri v os cevi in proti zaslonu majhen trajni magnet, ki je nameščen na vratu katodne cevi. Te vrste elektronskih topov imenujemo top z ionsko plastjo.

Uporaba Braunove cevi v praksi:

Barvne cevi

V barvnih ceveh so elektronski topovi trije in se nahajajo v vratu cevi. Običajno so razmeščeni v vogalih enakostraničnega trikotnika. Tudi na zaslonu so z notranje strani nanesene tri vrste fosforja (kot točke), od katerih ena zasveti rdeče, druga modro in tretje zeleno. To so majhne skupine fosfornih krogcev, otočkov, razmeščeni so po celem zaslonu. Te tri vrste fosforja so razvrščene v vogalih enakostraničnega trikotnika in se dotikajo med seboj. To so primarni izvori svetlobe, njihovo število pa je veliko, okoli 440 000 jih je. Ker je površina vsake od njih zelo majhna, oko zaznava skupen svetlobni tok kot aditivno vsoto. Znotraj je 1 cm pred zaslonom kovinska maska, ki ima luknjice, za vsako skupino treh elementarnih fosfornih točk. Debelina te maske je okoli 0,15 mm.

Ta maska omogoča, da elektronski snop vsakega posameznega topa (od treh) udari na zaslon točno na otoček fosforja, ki tvori R (rdečo), G (zeleno) ali B (modro) točko, zato lahko tudi pripadajoče elektronske tope označimo z R rdeči top, G zeleni top, B modri top (slika). Na ta način vsak od elektronskih topov vzbuja samo svojo vrsto fosforja, kar vidimo na detajlu na desni strani slike. Kovinska maska se uporablja pri proizvodnji barvnih katodnih cevi, ker skozi njo osvetlimo zaslon (vsakič z mesta, kjer bo nameščen ustrezen top), in s foto postopkom dosežemo, da so na zaslonu točke treh vrst fosforja, ki so med seboj premaknjene za 1200.

Na vratu katodne cevi so nataknjeni stalni magneti (navadno sta dva), ki jih je možno medsebojno premikati in skrbijo zato, da s svojim poljem natančno nastavimo pokrivanje fosforjev z ustreznim elektronskim snopom. Ta nastavitev se imenuje nastavitev čistosti barve, gre za neželeno mešanje ene barve z drugima dvema. Nastavitve na cevi, ki jih je treba občasno narediti, so tudi nastavitve konvergence, statične in dinamične. Same nastavitve zahtevajo precej časa in izkušenj, treba pa je nastaviti prekrivanje vsakega od treh fosforjev z ustreznim elektronskim snopom v vsaki točki zaslona. Problem konvergence ne nastopa pri elektronskih ceveh, ki imajo vse tri topove v isti vrsti IN LINE (horizontalno). Pri tej postavitvi ima maska pred zaslonom drugačno obliko in nima več okroglih luknjic, ampak ima vertikalne reže od vrha zaslona do spodnje strani zaslona, tudi fosfor vseh treh barv na zaslonu ni več v obliki okroglih otočkov ampak v obliki vertikalnih, neprekinjenih linij. Taka maska omogoča večjo svetilnost zaslona (ker je med krogci več »mrtve« površine, ki nikdar ne zasveti, med linijami je ni).

Novejši zasloni lahko delujejo na osnovi plazme ali tekočih kristalov, vendar zaradi visoke cene zaenkrat še niso zelo razširjeni.

Viri in literatura: