ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

Например, для приемных ТВ трубок желательно иметь длительность послесвечения, равную времени передачи одного кадра изображения. Требование это становится очевидным, если вспомнить, что визуальная яркость ТВ экрана определяется по закону Таль-бота (см. гл. 22) как

где L(t) — функция изменения яркости элемента изображения во времени, которой в данном случае соответствует кривая, характеризующая возгорание и затухание люминофора; Г — период повторения световых импульсов, равный времени передачи кадра.

Если L(t} аппроксимировать треугольной функцией (см. рис. 7.4, штриховая линия), что в первом приближении допустимо, то

т.е. визуальная яркость экрана складывается из двух слагаемых — яркостей элемента при возгорании люминофора и при его затухании.

Учитывая, что Тэ/Гк = I/TV, где N — число элементов в кадре (для вещательного телевизионного стандарта N = 0,5 • 10⁶), а Гпс/Гк = 1, можем записать Т^виз = 0,25 • lO'^-Lmax + 0,5Lmax-

Таким образом, основная доля визуальной яркости определяется послесвечением люминофора, в связи с чем длительность послесвечения для приемных телевизионных трубок Тпс желательно иметь равной длительности кадра 7к. Увеличение длительности послесвечения приводит также к уменьшению заметности мельканий при смене кадров. Дальнейшее увеличение длительности послесвечения нежелательно, так как приводит к смазыванию (размытости) изображения движущихся объектов из-за сигнала, остающегося от предыдуще-

ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет 141

го кадра. Установлено, что размытие практически незаметно, если остаточный сигнал не превышает 5 %. Более жесткие требования предъявляются к инерционным свойствам кинескопов, работающих в системе бегущего луча. Люминофоры их экрана должны иметь малую длительность послесвечения, не превышающую время коммутации одного элемента изображения (около 7,7 • 10~⁸ с). Такое жесткое требование связано с тем, что в системе бегущего луча коммутация элементов изображения осуществляется не электронным, а световым лучом. Телевизионный сигнал на выходе фотоэлектронного усилителя (ФЭУ) определяется яркостью луча в коммутируемой точке, промодулированного по амплитуде в соответствии с коэффициентом отражения или пропускания передаваемого элемента изображения. При Гпс > Тэ сигнал на выходе ФЭУ будет определяться не только яркостью пятна передаваемого элемента изображения, но и яркостями соседних, уже скоммутированных элементов, что приведет к потере четкости и контрастности мелких деталей изображения. Так как получить необходимую длительность послесвечения для экранов, излучающих в видимом диапазоне, не удается, в трактах передачи систем с бегущим лучом предусматривается схема коррекции послесвечения.

Эффективность преобразования энергии электронов луча в световое излучение характеризуется светоотдачей экрана fc, определяемой отношением силы света I, кд, излучаемой экраном, к мощности Р, Вт, электронного луча. Светоотдача зависит от энергии электронов луча, типа люминофора, способов его нанесения и может изменяться от десятых долей канделлы на ватт до 15 кд/Вт.

Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эмпирической зависимостью

где Pa — мощность электронного луча.

При принятых условиях светоотдача k оказывается постоянно

142 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей величиной. Поэтому сила света /, а следовательно, и яркость экрана

(5эк — площадь экрана кинескопа, м") могут быть увеличены повышением мощности электронного луча Рц- Поскольку увеличение тока луча свыше 100...150 мкА приводит к заметной расфокусировке, яркость экрана увеличивают повышением ускоряющего напряжения и-^. Потенциал экрана необходимо принудительно поддерживать равным потенциалу второго анода кинескопа (для черно-белых кинескопов 12...18 кВ, для цветных 25 кВ).

Для выполнения этого условия на слой люминофора наносится проводящее покрытие, электрически соединенное со вторым анодом прожектора. Это позволяет эффективно отводить вторичные электроны с экрана кинескопа, обеспечивая необходимую яркость экрана. Таким образом, экран современного кинескопа представляет собой слой люминофора, нанесенный на дно колбы кинескопа. Люминофор, в свою очередь, покрывают пленкой алюминия толщиной 0,05...0,5 мкм, обеспечивающей электрический контакт между люминофором и вторым анодом прожектора. Пленка практически прозрачна для электронов луча, которые при ускоряющих напряжениях свыше 8...10 кВ беспрепятственно проникают на люминофор и возбуждают его, вызывая световое излучение. Для световых лучей алюминиевая пленка не прозрачна. Она, как зеркало, отражает световое излучение люминофора, повышая светоотдачу экрана более чем в 1,5 раза.

Кроме увеличения эффективности металлизированный экран позволяет увеличить контраст крупных деталей изображения при устранении подсветки экрана от внутренних стекол колбы, деталей электронного прожектора и соседних участков, расположенных на сферической поверхности. Он также предохраняет люминофор от бомбардировок тяжелыми отрицательными ионами, устраняя необходимость введения в электронный прожектор ионных ловушек.

Существенно снижает контраст мелких и средних деталей изображения явление ореола. Ореол образуется вследствие того, что часть расходящихся световых лучей, пройдя из точки возбуждения люминофора (рис. 7.5, точка А) сквозь толщу стекла экрана трубки, на границе стекло-воздух отражается обратно, освещая соседние с точкой участки (рис. 7.5 точка Г). В результате ярко светящаяся точка экрана оказывается окруженной менее ярким кольцом — ореолом, что и является причиной снижения контраста. Для увеличения контраста изображения экран колбы современного кинескопа изготовляют из специального стекла, являющегося нейтральным фильтром. Такое стекло называют дымчатым, контрастным, про-тивоореольным.

Ослабление ореола происходит за счет поглощения части света в толще экрана колбы. Прямой световой луч Ji от светящейся

ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет________ 143

точки люминофора проходит путь АЬ (рис. 1.э), а световой луч вредной подсветки /а, вызванной явлением ореола, проходит более длинный путь АБВГД и поглощается значительно больше. Использование противоореольного стекла увеличивает контраст мелких деталей примерно в 15 раз.

Промышленностью выпускается большая номенклатура кинескопов с диагональю экрана 6... 71 см. Гостированное условное обозначение электронно-лучевых трубок состоит из четырех элементов, например 61ЛК2Б. Цифра 61 указывает в сантиметрах диагональ экрана; буквы ЛК обозначают лучевой кинескоп; цифра 2 характеризует тип электронного прожектора; буква Б указывает цвет свечения экрана — белый. В обозначении трубки 61ЛКЗЦ буква Ц указывает на то, что кинескоп цветной.

7.4. Кинескопы цветного телевидения

Общие сведения. Для получения цветного изображения в большинстве современных цветных ТВ приемников и видеоконтрольных устройств используется один электровакуумный прибор — цветной кинескоп, в котором цветные изображения формируются из трех цве-тоделенным методом пространственного смешения цветов. В большинстве разработанных кинескопов используется трехрастровая система, при которой на экране кинескопа формируются три одноцветных растра — красный, зеленый и синий, совмещенные с достаточной степенью точности друг с другом. Трехрастровая система предполагает наличие в кинескопе трех электронных прожекторов и трех люминофорных групп, спектральное излучение которых соответствует красному, зеленому и синему цветам. Разделение цветов, т.е. обеспечение правильного попадания каждого из лучей на люминофорные элементы экрана «своего» цвета, обеспечивается с помощью теневой маски. Такие кинескопы часто называют масоч-ньм.и. По способу расположения прожекторов кинескопы делятся на дельта-кинескопы, прожекторы которых, а также люминофорные группы расположены в вершинах равностороннего треугольника, и

144 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

на компланарные с расположением прожекторов в одной плоскости и линейчатыми люминофорными группами.

Кинескоп с дельтовидным расположением электронных прожекторов и мозаичным люминофорным экраном имеет существенные недостатки, основным из которых является сложная система совмещения трех растров и малая прозрачность теневой маски, лимитирующей увеличение яркости экрана кинескопа. По этой причине современные телевизионные приемники и мониторы комплектуют кинескопами с компланарным расположением электронных прожекторов и линейчатой структурой люминофорного экрана.

Масочный кинескоп с компланарным расположением прожекторов. Схематическое изображение масочного кинескопа с компланарным расположением электронных прожекторов представлено на рис. 7.6,а. Особенностью его устройства является расположение осей всех трех электронных прожекторов 1 в одной плоскости, причем ось одного прожектора (зеленого) совпадает с осью кинескопа, а оси двух других зеленых прожекторов повернуты к оси кинескопа на угол 1,5°. Экран кинескопа представляет собой сферу из стекла с большим радиусом кривизны, на внутреннюю поверхность которой нанесены чередующиеся по цвету люминофорные полоски трех цветов: красного, зеленого и синего (рис. 7.6,6); Так же как в монохромном кинескопе, люминофоры покрыты тонкой алюминиевой пленкой, соединенной со вторым анодом. Для направления электронных лучей на «свои» люминофорные полоски используется теневая маска (рис. 7.6,в), изготовленная из листовой стали, форма которой практически повторяет форму экрана. В маске вырезаны вертикальные прорези — щели, которые имеют горизонтальные перемычки, увеличивающие ее механическую прочность.

Принцип попадания электронных лучей на «свои» люминофорные полоски заключается в том, что три электронных луча, направленные из трех прожекторов, пересекаются в одной точке, геометрическое место которой соответствует отверстию маски, и, проходя сквозь нее, попадают на соответствующие люминофорные полоски. Для осуществления этого принципа взаимное расположение прожек-

ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет 145

торов, их наклон к оси кинескопа, расстояние от центра отклонения электронных лучей до теневой маски и от теневой маски до экрана должны быть связаны определенными геометрическими отношениями [24]. Точность попадания электронных лучей на свои люминофорные зерна зависит от точности реализации этого соотношения, т.е. от механической точности изготовления кинескопа. Недостаточная точность реализации приводит к нарушению правильности попадания лучей, что вызывает следующие для цветного кинескопа искажения изображений:

1. Нарушение чистоты цвета, обусловленное попаданием электронного луча частично или полностью на «чужие» люминофорные зерна, которое возникает при боковом смещении или наклоне блока электронных прожекторов относительно оси кинескопа, неправильным положением отклоняющей системы относительно экрана кинескопа, а также под влиянием внешних магнитных полей, в частности магнитного поля Земли. Коррекция нарушений частоты света производится с помощью кольцевых магнитов, расположенных в горловине кинескопа.

2. Несовмещение изображений от растров, обусловленное попаданием неотклоненных лучей не в одно отверстие теневой маски, а в соседние и в отстоящие друг от друга на некотором расстоянии, которое возникает при неточном изготовлении или сборке электронных прожекторов. Коррекция этого вида искажений, т.е. обеспечение попадания трех неотклоненных электронных лучей в одну группу лю-минофорных полосок (триад), называется статическим сведением лучей. Она производится с помощью изображения сетчатого поля поворотом вокруг оси кинескопа кольцевых четырехполюсных и шестиполюсных магнитов, помещенных на горловине кинескопа.

3. Рассовмещение электронных лучей при их отклонении от центра к краю экрана, обусловленное следующими причинами:

• смещение двух электронных прожекторов (красного и синего) относительно оси кинескопа и их наклон на угол 1,5° приводят к появлению на экране кинескопа смещенных друг относительно друга трапецеидальных растров (рис. 7.6,г);

• геометрическое место пересечения трех лучей при их отклонении находится на поверхности сферы, радиус кривизны которой определен углом наклона прожекторов и значительно меньше радиуса кривизны экрана; поэтому при отклонении от центра к пе-рифирии экрана электронные лучи будут достигать плоскости маски в виде расходящихся пучков и попадать на люминофорные зерна разных триад [24].

Указанные причины действуют совместно и ведут к нарушению динамического сведения лучей, коррекция которого осуществляется методом самосведения лучей. Принцип самосведения заключается в следующем: в компланарном кинескопе отклонение трех лучей

146 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

в равномерном магнитном поле приводит к расслоению вертикальных линий слева и справа (рис. 7.6,г). Такое расслоение может быть скорректировано с помощью неравномерного магнитного поля, обладающего астигматизмом при отклонении пучка электронов. Астигматизм, как известно, проявляется в том, что сечение пучка электронов при его отклонении от центра экрана становится не круглым, а эллиптическим. Большая ось эллипса может быть ориентирована в направлении отклонения (положительный астигматизм) или перпендикулярно к нему (отрицательный астигматизм). Такое изменение формы сечения электронного луча при отклонении можно рассматривать как сближение крайних нитей пучка, образующих вытянутую часть его сечения (эллипса). Аналогичное явление происходит с электронными лучами синего и красного прожекторов, которые при отклонении в поле, обладающем отрицательным астигматизмом, сближаются подобно крайним нитям одного пучка. Подобрав заданную степень астигматизма, можно полностью скомпенсировать рас-совмещение лучей в любой точке экрана. Таким образом, в компланарных кинескопах динамическое самосведение трех совмещенных в центре экрана лучей обеспечивается автоматическим отклонением их в неравномерном поле, обладающем заданным астигматизмом. Требуемое поле создается подбором формы и плотности распределения витков катушек отклоняющих систем.

В системе с самосведением изображения с требуемой точностью могут быть совмещены лишь при условии прецизионного выполнения электронно-оптического узла трубки и точной повторяемости конфигурации магнитного поля отклоняющих систем. Для выполнения этого требования блок прожектора должен быть выполнен в виде единого конструктивного узла, а сам кинескоп выпускается в комплекте с закрепленной к горловине отклоняющей системой, положение которой предварительно тщательно юстируется для получения оптимальных чистоты цвета и сведения лучей. Регулирующим элементом, используемым при настройке комплекса кинескоп — отклоняющая система, является магнитостатическое устройство, включающее в себя магниты чистоты цвета и статического сведения, установленные на горловине кинескопа позади отклоняющей системы. Оптимальное положение регулирующих элементов подбирается и фиксируется на заводе-изготовителе комплекса кинескоп — отклоняющая система и в дальнейшем процессе эксплуатации не регулируется.

Основные преимущества кинескопа с комланарным расположением прожекторов по сравнению с дельта-кинескопом заключается в следующем:

1. Расположение электронных прожекторов в одной плоскости делает аберрации при отклонении симметричными, что упрощает механизм динамического сведения лучей, так как средний луч (обычно зеленый) направлен вдоль оси кинескопа и дает симметричный относительно осей экрана растр, не требующий сведения. Растры, полу-

ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет 147

ченные от крайних лучей (красного и синего), необходимо совмещать с центральным (зеленым) только в горизонтальном направлении.

2. Повышается яркость свечения экрана кинескопа, так как щелевая маска обладает более высокой прозрачностью для возбуждающих люминофорный экран электронов, чем маска, имеющая круглые отверстия.

3. Улучшается чистота цвета, так как электронный луч на «чужую» люминофорную полосу может попадать только в одном (горизонтальном) направлении. По этой же причине на чистоту цвета в компланарных кинескопах значительно меньшее влияние оказывает магнитное поле Земли, конкретно - только ее вертикальная составляющая, сдвигающая луч в горизонтальном направлении.

4. Появляется возможность построить кинескопы по принципу самосведения лучей и тем самым исключить сложные устройства и схемы статического и динамического сведения.

7.5. Жидкокристаллические и плазменные экраны

Общие сведения. С момента появления электронного телевидения основным элементом, осуществляющим развертку, был электронный луч, а само изображение воспроизводилось на экране кинескопа. Максимально угол отклонения электронного луча в кинескопе 110°, в связи с чем увеличение размеров изображения приводило к значительному увеличению габаритов воспроизводящего устройства — телевизора или монитора. Поэтому в течение многих лет и в настоящее время идут упорные поиски идей и конструкций, позволяющих наблюдать изображение на плоском экране воспроизводящего устройства, что позволяло найти практическую реализацию воспроизводящим устройствам на жидких кристаллах и плоским плазменным экранам.

Жидкокристаллические воспроизводящие устройства.

Жидкокристаллические экраны относятся к разряду так называемых светоклапанных устройств, в которых функции излучения и модуляции светового потока разделены. В этих устройствах ТВ сигнал воздействует на пространственный модулятор света (ПМС), модулирующий световой поток от внешнего источника одновременно по поверхности всего ТВ изображения. В ПМС под действием модулирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирующей среды, в результате чего ПМС становится носителем промежуточного изображения (аналогичного по своим оптическим свойствам изображению диапозитива). При этом световой поток, проходящий через ПМС, изменяется по интенсивности в соответствии с распределением плотностей отдельных участков (пикселей ПМС).

148 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

Работа жидкокристаллических экранов основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что поляроиды осуществляют деления изображения путем поляризации световых пучков во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поляроид пропускает только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляризатора. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Данный эффект называется поляризацией света. Два скрещенных (ортогональных) поляризатора, помещенные на пути светового потока, полностью непрозрачны для света. Открытие свойств жидких кристаллов изменять угол поляризации под действием электростатического или электромагнитного поля позволили создать электронно-оптический модулятор света, прозрачность которого меняется под действием приложенного напряжения.

Основными элементами модулятора света являются два скрещенных поляризатора и помещенная между ними жидкокристаллическая ячейка, угол поворота плоскости поляризации которой может регулироваться. Прозрачность электронно-оптического модулятора изменяется при изменении угла поворота плоскости поляризации (рис. 7.7). Принцип работы жидкокристаллического экрана поясняет рис. 7.8. Экран состоит из нескольких слоев, основными из которых являются две стеклянные пластины 5, на которых нанесены полосковые электроды 2. Две пластины соединяются, оставляя зазор, который заполняется жидким кристаллом 4- Полосковые решетки пластин скрещены. В точках пересечения полосковых электродов образуются элементарные конденсаторы, напряжение на которых определяет угол поворота поляризации, а следовательно, и прозрачность элементарной ячейки. С внешней стороны стеклянных пластин располагаются поляризационные фильтры 1, 5, векторы поляризации которых ортогональны. При подаче потенциала на некоторую пару полосковых электродов активизируется ячейка, на которой вертикальные и горизонтальные электроды пересекаются. Коммутация потенциалов осуществляется по закону развертки, используемой в телевидении и компьютерах. Схема строчной развертки переключает с тактовой частотой импульсы — отсчеты видеосигнала с одного вертикального электрода на другой. Схема кадровой развертки осуществляет перекоммутацию горизонтальных электродов.

Для воспроизведения цветного изображения ЖК панель покрывают цветными RGB-светофильтрами, размеры и форма которых соответствуют размерам модулирующей ячейки. ЖК экраны плоских телевизоров и мониторов работают на просвет. Поэтому обязательным компонентом ЖК экрана является лампа задней подсветки. Для сокращения габаритов лампа помещается на боковой части экрана, а напротив нее — отражающее зеркало. Необходимым требованием к световому потоку, входящему в ЖК ячейку, является его малая расходимость, так как расходящийся световой поток скрещенными

ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет 149

поляризаторами задерживается не полностью. Появляется эффект просачивания, т.е. фоновая засветка, снижающая контрастность воспроизводимого изображения. Необходимость направленного светового излучения ведет к тому, что изображение на ЖК экране воспринимается с номинальной яркостью в узком угловом интервале (10...15° относительно нормали к экрану). Отклонение от заданных углов наблюдения ведет к существенному уменьшению яркости экрана.

Модуляционная характеристика ЖК ячейки (см. рис. 7.7) существенно нелинейна, что заметно снижает число воспроизводимых градаций яркости. Поэтому видеосигнал перед подачей на ЖК ячейку необходимо подвергнуть нелинейной обработке, корректирующей форму модуляционной характеристики ячейки.

ЖК экраны обладают рядом преимуществ перед кинескопны-ми, среди которых малая толщина экрана, пониженное потребление энергии, малый вес, высокое разрешение — 1024х768 точек, высокая яркость (200...250 кд/м²) и контрастность 300:1, отсутствие геометрических искажений, отсутствие искажения растров и их мелькания. Эти экраны широко используются в компьютерных мониторах, карманных и автомобильных цветных телевизорах, в видоискателях бытовых и профессиональных видеокамер.

Плоские плазменные экраны. Сравнительно небольшие размеры жидкокристаллических экранов и ограниченный угол наблюде-

150 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

ния стимулировали разработку плазменных плоских экранов (панелей). Работа плазменной панели основана на свечении люминофоров экрана панели под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих при электрическом разряде в плазме (разреженном газе). Конструктивный элемент, формирующий отдельную точку изображения — пиксель, включает в себя три субпикселя, излучающих три основных цвета RGB. Каждый субпиксель представляет собой отдельную микрокамеру, заполненную разреженным газом, на стенках которой нанесены люминофоры одного из трех основных цветов. Пиксели расположены в точках пересечения прозрачных разрядных электродов, образующих прямоугольную сетку (матрицу). Кроме разрядных электродов каждый пиксель снабжен третьим — адресным электродом. На разрядные электроды постоянно подается напряжение, достаточное для поддержания разряда, но меньшее, чем напряжение зажигания. На адресный электрод подается импульс, размах которого достаточно велик, чтобы зажечь разряд. Во время разряда возникает мощное ультрафиолетовое излучение, возбуждающее находящийся на стенках ячейки люминофор. При этом электроны атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие энергетические уровни внешних орбит. При возвращении с внешних орбит на прежние уровни электроны излучают кванты света в соответствующем данному люминофору красном, зеленом или синем участке видимого спектра излучения. Так происходит преобразование ультрафиолетового излучения в видимую часть спектра.

Коммутационная система плазменной панели с поэлементной тактовой частотой переключает потенциалы на адресные электроды и со строчной частотой — на разрядные электроды. Интенсивность излучения трех люминофоров пикселя определяется длительностью подаваемых на адресные электроды импульсов, поэтому амплитуда сигналов трех основных цветов (7д, ug, Ug предварительно модулируются методами широтно-импульсной модуляции.

Прогресс в развитии плазменных панелей идет необычайно быстро. Свидетельство тому выпускаемые плазменные телевизоры с размером экрана по диагонали 127 см. Разрешающая способность экрана 1366х768 пиксель. Яркость 400...500 кд/м². Контраст 3000:1. Число воспроизводимых цветов 16 • 10⁶. Существенным недостатком плазменных телевизоров является высокая потребляемая мощность и масса.

7.6. Проекционные системы

Одним из направлений улучшения качества ТВ изображения является увеличение размеров воспроизводящего экрана. Большой экран позволяет осуществлять коллективный просмотр ТВ передач в домах отдыха, клубах, санаториях или специально созданных театрах. Он широко используется при проведении конференций и пре-

ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет 151

зентаций, в прикладных ТВ системах, например, для имитации окружающей обстановки в телевизионных тренажерах, а также при слежении за работой и управлении космическими летательными аппаратами. Телевизионное изображение увеличенного размера оказывает существенно большее эмоциональное воздействие на зрителя, усиливает эффект присутствия при наблюдении демонстрируемых событий. Потребность в увеличении экрана, безусловно, возрастет в случае внедрения нового ТВ стандарта с большим числом строк разложения.

В настоящее время для получения ТВ изображения на большом экране широко используется проекционные светоклапанные системы, в которых свет от внешнего источника модулируется пространственным модулятором света (ПМС). В ПМС под действием модулирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирующей среды. Интенсивность излучения, а следовательно, и яркость экрана таких систем определяются лишь мощностью внешнего источника. В большинстве проекционных свето-клапанных систем в качестве ПМС используется жидкокристаллическая ячейка (см. § 7.5).

Оптическая схема проекционной системы с жидкокристаллическими модуляторами света представлена на рис. 7.9. Световой поток, создаваемый высокоэффективной лампой 1, проходит конденсорную систему 2, компенсирующую спад светового потока от центра к периферии. Далее с помощью нормальных 3 и дихроических 4 зеркал световой поток разделяется на три спектральных составляющих R, G и В первичных цветов. Разделенные световые потоки посредством конденсорной системы 5 направляются на соответствующую панель АК, каждая из которых представляет собой пакет из двух скрещенных поляризаторов (входного и выходного поляризатора-анализатора 8) и помещенных между ними ЖК ячеек 7. ЖК панели расположены на минимальном расстоянии от дихроической призмы 9, суммирую-

152 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

щей модулированные по интенсивности световые потоки первичных цветов и направляющей их в проекционный объектив 10.

Ячейки ЖК панелей образуют матрицу, степень прозрачности каждого пикселя которой определяется дополнительной поляризацией ЖК ячейки. Величина дополнительной поляризации является функцией приложенного к данному пикселю напряжения.

Использование поляроидной сепарации в оптической ЖК панели приводит к 50 % потери света на входных поляризаторах, пропускающих только полезную Р составляющую линейного поляризованного светового потока и поглощающих (превращающих в тепло) ортогональную S-составляющую. Поэтому в современных высокоэффективных проекторах применяются конверторы поляризации, преобразующие составляющую 5 светового потока в Р [25].

Появление новых термостойких ЖК панелей, модулирующих при пропускании или отражении световой поток от мощного источника света, обусловило создание компактных видеопроекционных систем. Изображение, получаемое с помощью таких систем, обладает высокой разрешающей способностью — 1280 х 1024 и более и контрастом 300:1. Яркость изображения зависит от размеров экрана и значения светового потока, излучаемого проектором, который в лучших образцах достигает 2000 лм.

Глава 8 РАЗВЕРТЬЮАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

8.1. Отклонение электронного луча

Отклоняющая система. Развертка изображений в ТВ устройствах осуществляется отклонением электронного луча по определенному закону. Электронный луч может быть отклонен с помощью как изменяющихся электрического (используются отклоняющие пластины), так и электромагнитного (используются отклоняющие катушки индуктивности) полей. При линейно-строчном законе развертки на отклоняющие пластины подается отклоняющее пилообразное напряжение, а в отклоняющих катушках создается отклоняющий пилообразный ток.

На заре развития электронного телевидения применялись оба способа отклонения электронного луча. Однако по мере увеличения размеров экрана кинескопа и увеличения угла отклонения стала видна непригодность отклонения электронного луча в кинескопе электрическим полем. В этом случае предельный угол отклонения, при

ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 153

котором еще можно считать дефокусировку луча допустимой, составляет не более 30°. Для больших экранов современных телевизоров угол отклонения электронного луча в кинескопах достигает 110° и более. Электромагнитное отклонение электронного луча в кинескопе позволяет получать указанные углы отклонения без существенной дефокусировки электронного луча. При отклонении электрическим полем для размера экрана 67 см длина колбы кинескопа составляет 123 см, а при отклонении электромагнитным полем — 24 см, т.е. выигрыш почти 5 раз.

При отклонении электронного луча электрическим полем необходимо на отклоняющие пластины подавать напряжение, составляющее примерно одну треть от напряжения на главном аноде, которое в современных кинескопах равно 16... 25 кВ. При этом отклоняющее напряжение должно быть 5... 8 кВ, что достигнуть трудно и нецелесообразно экономически. В связи с чем в кинескопах современных телевизоров используется исключительно электромагнитное отклонение электронного луча. Для электромагнитного отклонения луча на ЭЛТ устанавливается отклоняющая система (рис. 8.2, слева изображено равномерное магнитное поле в сечении отклоняющей системы), создающая магнитное поле, которое отклоняет электронный луч так, чтобы он перемещался по поверхности экрана (мишени) в соответствии с требуемым законом развертки. Закон развертки определяет изменение во времени напряженности отклоняющего поля и тем самым изменение тока, протекающего по катушкам отклоняющей системы и создающего указанное поле. Объясним воздействие магнитного поля на электронный луч.

При отклонении электронного луча равномерным электромагнитным полем траектория движения электронов имеет вид окруж-

154 ______ ЧАСТЬ П. Принципы построения преобразователей

ности с радиусом

где Ua. — напряжение на втором аноде; т и е — масса и заряд электрона; Н — напряженность магнитного поля.

Перемещение луча в плоскости экрана у = Ltga (рис. 8.2). Из подобия треугольников ОАВ и CEF следует, что

Анализ выражения (8.2) показывает, что при линейном перемещении луча напряженность поля должна изменяться во времени по сложному закону. Это особенно важно учитывать при построении развертывающих устройств для кинескопов с углом отклонения больше или равным 90° и плоским экраном.

Рассмотрим характерные геометрические искажения, возникающие на плоском экране при таких углах отклонения. Как видно из рис. 8.2, отклонение луча растет быстрее (см. рис. 8.1, сплошная кривая), чем отклоняющий ток; появляются симметричные геометрические искажения растра, т.е. края растра получаются растянутыми. Чтобы уменьшить эти искажения, необходимо добиваться неравномерности воздействия на луч отклоняющего поля внутри горловины кинескопа, что достигается либо соответствующей динамической коррекцией формы тока отклонения (S-коррекция), либо рациональным размещением витков кадровых катушек (КК) и строчных катушек (СК) (рис. 8.3,а) по сечению.

Связь между напряженностью магнитного поля Н и числом ампер-витков iui, создающих это поле, определяется интегралом Ампера:

Интегрирование ведется по замкнутому контуру I. Для данного случая I — замкнутая силовая линия (рис. 8.3,а), причем число ампер-витков определяется произведением тока, протекающего в катушках, на число витков, расположенных внутри контура I. Магнитный сердечник (на рис. 8.3,а не показан) имеет магнитную проницаемость, в сотни раз большую, чем магнитная проницаемость вакуума, поэтому и напряженность магнитного поля в сердечнике оказывается в сотни

ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 155

раз меньшей, ото позволяет при вычислении интеграла (8.3) пренебречь той его частью, которая относится к участку силовой линии, находящейся внутри сердечника. Кроме того, при линейном законе развертки на участке силовой линии внутри горловины трубки поле должно быть равномерным, т.е. напряженность поля Н = const в любой точке горловины. Поэтому

Таким образом, полное число ампер-витков отклоняющей системы пропорционально синусу угла отклонения электронного луча.

С достаточной для практических расчетов точностью индуктивность пары отклоняющих катушек, Гн,

156 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

Для увеличения чувствительности к отклонению, т.е. получения заданного угла отклонения возможно меньшим числом ампер-витков, колбы кинескопов с большим углом отклонения (110°) должны иметь плавный переход от горловины к раструбу. Для этого часть отклоняющих катушек необходимо располагать в месте этого перехода. Таким образом, увеличивается электрическая длина катушки, и согласно (8.5) необходимое число отклоняющих ампер-витков может быть уменьшено. При этом уменьшаются искажения изображения на пе-ри4:>ерии экрана за счет краевых эффектов и затенения.

Выведенные соотношения (8.2) и (8.5) основываются на предположении, что магнитное поле отклоняющей системы однородно и отклоняющий ток линейно изменяется в течение прямого хода развертки. Однако, изменив распределение магнитного поля, сделав его неоднородным, можно получить другие результаты.

При неоднородности магнитного поля возникают подушкообразные либо бочкообразные искажения. Следовательно, можно, подбирая характер неоднородности поля в горловине кинескопа, компенсировать искажения, вносимые плоским экраном кинескопа. Требуемая для компенсации искажений кинескопа неоднородность поля создается изменением распределения витков в сечении отклоняющей катушки. Как видно из рис. 8.3,а, для получения равномерного поля распределение плотности витков по сечению отклоняющей катушки должно быть неодинаково. Если для получения равномерного поля распределение плотности витков по сечению должно соответствовать косинусоидальному закону (зависимость от угла i/э), то для компенсации искажений необходимо, чтобы распределение витков происходило по закону cos²!^ или cos³^. Однако введение неоднородных полей для компенсации геометрических искажений приводит к некоторому ухудшению фокусировки луча на краях вследствие астигматизма поля. Поэтому часто для черно-белых кинескопов принимают такое распределение витков, чтобы добиться хорошей фокусировки, а корректировку поля осуществляют одной или двумя парами вспомогательных постоянных магнитов, смонтированных в передней части отклоняющей системы, прилегающей к колбе кинескопа.

Эф4:>ективным способом борьбы с искажениями от плоского экрана кинескопа является подбор специальной формы отклоняющего тока, обеспечивающей требуемое отклонение луча по всему растру. В черно-белых кинескопах для этой цели применяется S-коррекция тока отклонения в выходных каскадах генераторов, а в цветных телевизорах кроме S-коррекции тока отклонения используется взаимная перекрестная модуляция отклоняющих токов, о чем будет сказано в следующих разделах.

При конструировании отклоняющей системы необходимо обеспечить минимальное значение отклоняющего тока для получения заданных размеров изображения, создать хорошую фокусировку луча в пределах всего поля изображения, избежать подушкообразных и

ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 157

других геометрических искажений. При этом конструкция должна быть простой, габариты, масса и стоимость — малыми.

Современная конструкция отклоняющей системы широкоугольного кинескопа выполнена на тороидальном панцире из феррита, имеющем раскрыв по форме перехода от горловины к раструбу кинескопа. Внутрь тора вложена пара катушек СК седловидной формы (см. рис. 8.3,6), плотно прилегающих к стеклу колбы. В окнах этой пары катушек (ортогонально) размещаются две встречно включенные КК, намотанные непосредственно на торе ферритового панциря. При таком исполнении отклоняющая система получается очень компактной и с минимальными потерями в меди КК, однако с относительно большой реактивностью, что необходимо учитывать при конструировании генераторов кадровой развертки.

К конструкции отклоняющих систем для цветных масочных кинескопов предъявляется ряд дополнительных требований по сравнению с отклоняющими системами для черно-белых кинескопов. В них следует обеспечить такое сведение лучей при отклонении, которое позволило бы осуществить необходимое динамическое сведение лучей по полю экрана, чистоту цвета изображения на экране при соблюдении жестких допусков на электрические и конструктивные параметры.

Для сравнения отклоняющих систем вводится понятие эффективности и электрической прочности. Эффективность отклоняющих систем характеризуется максимальной энергией магнитного поля, необходимой для полного отклонения лучей:

1) по горизонтали СК

Отклоняющие системы цветного телевидения обычно работают при напряжении на втором аноде кинескопа 25 кВ, а отклоняющие системы черно-белого телевидения — при напряжении 16 кВ. В результате этого при одинаковых углах отклонения и диаметрах горловины кинескопа эффективность отклоняющих систем цветных телевизоров в 1,5-2 раза меньше, чем эффективности отклоняющих систем черно-белых телевизоров.

Электрическая прочность отклоняющих систем, измеряемая в вольтах, должна быть больше максимального напряжения t/max на СК во время обратного хода Гох.

158 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

8.2. Эквивалентная схема отклоняющей системы

В связи с большой разницей рабочих частот генераторов развертки строчного и кадрового отклонений (частота строчной развертки — 15625 Гц, а частота полей — 50 Гц, т.е. примерно в 300 раз) принципы действия и схемы их также различны.

Для получения неискаженной формы импульсов с точностью, удовлетворяющей практические инженерные расчеты, достаточно воспроизвести 20-ю гармонику сигнала. При этом для строчного генератора верхняя граничная частота спектра сигнала 15625 х 20 = = 300 кГц, а для кадрового — всего 50 х 20 = 1 кГц.

На рис. 8.4,а изображена эквивалентная схема отклоняющей системы. Здесь lk, г к и Ск — соответственно индуктивность, активное сопротивление и межвитковая емкость катушек отклонения. Емкостью Сц в схеме кадровой развертки можно пренебречь, но на строчной частоте паразитная межвитковая емкость может значительно влиять на форму и размах отклоняющего тока и напряжения. Пренебрегая емкостью Ск, легко определить, какие управляющие напряжения следует подавать на отклоняющую систему:

ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 159

Когда г к» шЬк, приложенное напряжение практически соответствует 4⁾opмe протекающего тока и является пилообразным (рис. 8.4,б). При Гк < ^lk напряжение имеет импульсную форму, так как ф>орма его определяется производной тока (рис. 8.4,г). Если о>1/к и г к соизмеримы, то для получения пилообразного тока в катушках отклонения необходимо подавать напряжение пилообразно-импульсной формы (рис. 8.4,t?). Соотношение импульсной и пилообразной составляющих напряжения определяется соотношением значений Ly. и Гк.

Таким образом, всякая система развертки должна включать в себя специальное формирующее устройство для получения управляющего напряжения требуемой формы. Такое напряжение легко можно было бы получить преобразованием синхронизирующих импульсов. Однако практически в схему развертывающего устройства всегда входит специальный генератор напряжений импульсной формы (генератор импульсов), который синхронизируется приходящими импульсами. Такая система более помехоустойчива, и ее работа не зависит от формы и уровня синхронизирующих импульсов.

В общем случае всякое развертывающее устройство состоит из генератора импульсов (задающий генератор), каскада формирования управляющего напряжения и выходного каскада.

8.3. Выходной каскад строчной развертки на двустороннем ключе

Рассмотрим работу выходного каскада строчной развертки, в которой активным прибором служит ключ К, прерывающий протекание тока через отклоняющую катушку (рис. 8.5,а). Для простоты рассуждений можно принять сопротивление потерь Гц от реального ключа и реальной катушки в цепи выходного каскада равным бесконечно малой величине, т.е. т-к = 0. В таком случае при замыкании ключа через катушку Ьк потечет ток

На диаграмме токов и напряжений отмечены моменты времени ti, (3 и ty, фиксирующие максимальную энергию в катушке маг-

160 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

соответственно.

При следующем замыкании ключа в момент времени ty перемагниченная катушка с запасенной энергией магнитного поля будет разряжаться на источник питания, у которого внутреннее сопротивление Л; = 0. Следовательно, с момента (з до момента t^ катушка освобождается от запасенной энергии по тому же закону изменения тока, что и до момента (i, но в другой полярности. Момент времени (4 характеризует перемену в направлении тока, так как катушка снова начинает запасать энергию до очередного выключения ключа в момент ti. Как видно из диаграммы тока, идеализированная схема с ключом способна генерировать пилообразный ток, в среднем не потребляя энергию от источника, так как отрицательная полуволна тока симметрична ее положительной части. Однако необходимо соблюдать определенную синхронизацию в работе ключа (моменты <i, (3), обязательную двустороннюю проводимость его и правильность выбора реактивных параметров схемы Ьк и С. Правильность выбора этих параметров состоит в том, чтобы в контуре полупериод сво-

ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 161

мя оценочными параметрами: максимальным током /кл max замкнутого ключа (см. рис. 8.5,6) и максимальным напряжением [/кл max разомкнутого ключа.

Для этого обратимся к диаграмме рис. 8.5,^и обозначим пределы интегрирования для тока в катушке во время прямого хода Ti:

162 __________ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей

емкости обратного хода С при прямом ходе можно пренебречь. Таким образом, эквивалентная схема выходного каскада строчной развертки упрощается (рис. 8.6). Конечное значение сопротивления т-к является причиной потерь мощности, а также приводит к геометрическим искажениям изображения, проявляющимся обычно в растяжении его левого края и сжатии правого. Ток в катушке будет изменяться по экспоненциальному закону (рис. 8.7):

8.4. Практическая схема генератора строчной развертки на транзисторе

Из существующих активных электронных приборов — ламп, транзисторов и тиристоров — в настоящее время в наибольшей степени соответствуют свойствам двустороннего ключа специально разработанные биполярные транзисторы большой мощности с малой инерционностью. Это позволяет реализовать описанный принцип получения пилообразного тока наиболее экономично, чего невозможно было добиться на лампах и тиристорах вследствие их специфических особенностей. Так, лампа не способна быть хорошим ключом с двусторонней проводимостью, а тиристор требует усложнения схемы из-за трудностей управления его проводимостью. Поэтому современные генераторы строчной развертки для черно-белых и цветных кинескопов выполнены в основном на транзисторах.

Выходной каскад. Отметим особенности работы выходного каскада строчной развертки на транзисторе. Как отмечалось, из-за потерь в цепях выходного каскада от источника тока потребляется мощность ро = Е1о. Следовательно, во избежание протекания постоянного тока /о через катушку необходимо трансформаторное или дроссельное включение отклоняющей системы в цепь генератора. Как правило, используется дроссельное включение. При этом

обеспечивается более высокий КПД, так как практически вся колебательная мощность выделяется в отклоняющей системе.

Рассмотрим работу выходного каскада на транзисторе типа тар-га, собранного по схеме с дроссельным включением катушки отклонения. Как видно из рис. 8.8, на базу транзистора VT подводят управляющие импульсы, периодически открывающие и закрывающие транзистор. Эти импульсы должны быть достаточного размаха, чтобы транзистор был либо в состоянии насыщения, либо отсечки. Для иллюстрации процессов в схеме на рис. 8.9 представлены диаграммы токов и напряжений в характерных ее точках, т.е. процесс развертки на транзисторе вполне укладывается в теоретические посылки, которые были сделаны в § 8.3. Отметим лишь ряд практических особенностей схемы выходного каскада.

Ввиду малого числа витков современных отклоняющих катушек (что позволяет уменьшить потери в меди), допускающих наибольшие значения постоянной времени т = Z/к/Гк и, следовательно, наименьшую нелинейность, в схему приходится включать отдельный конден-

раллельно транзистору включают в обратной полярности диод VL>, который по традиции ламповой схемотехники называют демпферным, что можно принять весьма условно. У этого диода два основных назначения. Во-первых, своей прямой проводимостью он уравнивает обратную и прямую проводимости транзистора, находящегося в насыщении и под воздействием ЭДС переполюсованной катушки во время первой половины прямого хода. Выбор диода осуществляется из условия согласования выходных ВАХ транзистора для положительной и отрицательной полуволн тока. На рис. 8.10 приведен пример такого сопряжения, из которого видно, что у биполярного транзистора выходные характеристики г к = /(^к) в первом и третьем квадрантах существенно неодинаковы. Проводимости, определяемые для насыщенного состояния транзистора линиями критического режима с разными углами наклона, уравниваются при подсоединении соответствующего диода и обеспечивают, таким образом, одинаковость формы тока в первой и второй половине прямого хода развертки.

Во-вторых, не менее важная функция у диода — избавиться от необходимости очень точного выбора момента замыкания ключа-транзистора в начале прямого хода, как это было определено для схемы с идеальным ключом. Очевидно, что использование дополнительного диода избавляет от этой трудно реализуемой инженерной задачи, так как ЭДС переполюсованной катушки в начале прямого хода автоматически включает диод в прямом направлении (см. рис. 8.9,1д) и начинается формирование пилообразного тока в его отрицательной полуволне. При этом момент включения транзистора (см. рис. 8.9,?тр) может быть произвольно отодвинут вплоть до середины прямого хода. Обычно соблюдают условие Ту, < Тзап < 0,5Ti + Гд или Топт > 0,5Ti. В этом случае инженерное обеспечение момента включения транзистора не требует прецезионной схемотехники. Кроме того, форма тока в отклоняющей катушке при одновременной работе диода и транзистора в первой половине прямого хода практически всегда лучше, чем при поочередном включении диода и транзистора на полуволнах тока, так как в этом случае исключается определяющее влияние нелинейности ВАХ диода в момент перехода тока отклонения через нуль (см. рис. 8.9,?д).

Разделительный конденсатор Cs кроме основной функции блокирования постоянной составляющей тока, как правило, решает задачу коррекции геометрических искажений изображения при больших углах отклонения на плоском экране. Как упоминалось (см. рис. 8.2), эти искажения можно скомпенсировать, если придать отклоняющему току S-образную форму (рис. 8.11,б) с тем, чтобы с ростом угла отклонения скорость нарастания тока замедлялась. В последовательной цепи ЬцС.5, как в контуре, возникает синусоидальный ток собственных колебаний (рис. 8.11, б), который складывает-

Эта зависимость и график позволяют определить необходимую S-образную форму суммарного тока в контуре lk.cs, которая включает фрагменты двух синусоид, сопряженных на границах прямого и обратного ходов.

Следует отметить, что емкость конденсатора Cs во много раз больше конденсатора С обратного хода и не оказывает существенного влияния на процессы формирования тока во время обратного хода. С учетом большой реактивной мощности, пропускаемой конденсатором Cs, необходимо употреблять лишь конденсаторы с малым тангенсом угла потерь в диэлектрике, тем более что верхняя граничная частота спектра колебаний в генераторе строчной развертки составляет не менее 300 кГц. Это же замечание относится и к выбору типа конденсатора С для формирования обратного хода развертки.

Сердечник дросселя выбирается также из соображений уменьшения потерь от вихревых токов на высокой частоте и уменьшения габаритных размеров и массы конструкции при общем требовании 1/др > lk- В наибольшей степени этому способствуют ферритовые материалы среднечастотного диапазона, позволяющие за счет высо

кой магнитной проницаемости уменьшить число витков обмотки и ' тем самым уменьшить потери в меди по постоянному току.

Рассмотрим особенности работы транзистора как ключа в схеме рис. 8.8. Ясно, что тип транзистора определяется разрывной мощностью, характерной для этой схемы, и частотными свойствами транзистора, определяющими допустимую инерционность переключения с прямого на обратный ход развертки в токе отклонения. Поскольку транзистор реализует функцию ключа по схеме управления с общим эмиттером, то собственная частота fa транзистора должна быть по крайней мере на порядок больше максимальной частоты в схеме /max = 300 кГц с учетом малого коэффициента усиления транзистора в режиме переключения больших токов. Таким образом, класс используемых транзисторов относится к среднечастотному с диапазоном 3...5 МГц. В зависимости от назначения развертки для малых или больших кинескопов ток отклонения /к max может колебаться от долей ампера до десятков ампер, и соответственно напряжение обратного хода на отклоняющей катушке [/к max — от сотни вольт до единиц киловольт. В табл. 8.1 приведены данные по отечественным транзисторам, применяемым с разными кинескопами.

Известно, что допустимое пробивное напряжение 1/кдоп на коллекторе транзистора существенно зависит от сопротивления по постоянному току между базой и эмиттером. Исходя из этих соображений, выходной транзистор управляется по базе только через трансформаторную связь с буферным каскадом. При таком решении достигается ряд положительных эффектов: увеличивается Укдоп, так как -йбэ ^й 0; обеспечивается хорошее согласование буферного каскада с низкоомным входом ключевого транзистора выходного каскада, так как на входе его следует создать большой импульс тока относительно малой величины по напряжению. Более того, для ускорения рассасывания зарядов в базе в конце прямого хода, когда ток в коллекторе максимален, необходимо применить форсирование управляющих импульсов при запирании транзистора, т.е. создать дополнительный всплеск напряжения на импульсе запирания (см. рис. 8.9, U^)- Обязательным требованием к такому трансформаторному каскаду является противофазное включение обмоток, т.е. обмотки должны быть всегда нагружены либо на открытый вход выходного каскада, либо на открытый транзистор буферного каскада. В этом случае исклю-

Дата добавления: 2015-11-26