В сердце катодного пятна
Этот пост посвящен удивительному физическому явлению, за открытие которого группе советских ученых могла бы быть присуждена Нобелевская премия по физике. Премии по разным причинам не случилось, но случился прорыв в развитии технологий по формированию мощных потоков энергии, электронных и ионных пучков, технологий по модификации различных материалов. Об этих технологиях я расскажу в дальнейших статьях, а сегодня я познакомлю читателей с явлением взрывной электронной эмиссии — открытия советских ученых, зарегистрированного 25 июня 1976 года и внесенного в список фундаментальных открытий в физике наравне с открытием электрона, рентгеновских лучей, лазерного излучения и сверхпроводимости.
Исторический экскурс
Любому открытию предшествует цепь различных событий, наблюдений и экспериментов. Так и в этом случае, в основе развития множества технологий, которые окружают нас, лежат простейшие (для нас сейчас), но уникальные вещи. Это опыты Фарадея, Гальвани, Вольта, Петрова, Штарка.
Спустя почти сто лет, в 1896 году, на поверхности ртутного катода были замечены яркие точки, которые позже детально исследовал Штарк. Он доказал, что данные точки присущи всем формам дугового разряда независимо от материала катода, а в 1904 году им впервые было введено понятие «катодного пятна». Однако, причины и механизм возникновения катодных пятен остался не выясненным.
Я не случайно пишу эту статью. В 1998 году, после окончания Томского госуниверситета, я совсем молодым человеком пришел работать в Институт сильноточной электроники. В лабораторию вакуумной электроники. После курса «молодого бойца» по сборке-разборке форвакуумного оборудования и сдачи различных допусков, я решил получить и исследовать катодные пятна на установке по генерации сильноточных (вообще по норме русского языка логичней сказать «сильнотоковых», но термин «сильноточный» устоялся, поэтому будет использоваться далее. Прим. автора) пучков. Пригодились навыки любительской фотографии, так как в лаборатории ещё не было скоростных видеокамер и матриц, съемки велись фотоаппаратом «Зенит» на специальную фотопленку «Микрат». Чудесные времена! Сквозь запах гидрохинона проявлялись катодные пятна.
Фото исследовательской установки
Схема эксперимента достаточно простая. В вакуумной камере между катодами 1 и 3 и плазменным анодом 2 зажигается отражательный разряд. Через прозрачное окно 4 можно наблюдать катодные пятна. Именно через это окно велась фотосъёмка явления. Для того, чтобы зафиксировать пятна, катод отражательного разряда 3 был выполнен из металлической сетки. Примерно такие фотографии были получены в этом эксперименте. Вот три кадра из нескольких сотен, полученных тогда.
Разряд существует всего несколько десятков милисекунд, но этого хватает для регистрации катодных пятен в режиме «открытого затвора» на чувствительную фотопленку «Микрат». Яркие точки и есть катодные пятна. При этом они возникают равновероятно как на катоде 1, так и на сетке 3. Очевидно, что размытые пятна принадлежат катоду 1 (не в фокусе), а четкие — сетке. Конечно, это интегральный снимок. По нему нельзя понять динамику катодных пятен, момент и время образования первого пятна и многое другое. Но этот эксперимент был для меня очень полезен, так как я увидел воочию само явление в целом.
Механизм развития взрывной электронной эмиссии
С времен экспериментов Штарка прошло более шестидесяти лет до момента понимания детальных механизмов взрывной электронной эмиссии. Но всё по порядку.
Шаг 1
Представим себе вакуумную камеру. Внутри камеры находится катод и анод. Подано напряжение. На катоде — отрицательный потенциал, на аноде, соответственно — положительный.
На поверхности катода возникает эмиссионный центр (ЭЦ). Эта стадия характеризуется мизерными токами — от наноампер до единиц миллиампер. Данную стадию называют предпробойной.
Шаг 2
Инициирование пробоя. Происходит микровзрыв эмиссионного центра. Теперь это взрывной эмиссионный центр (ВЭЦ). Создается «шарик» катодной плазмы, с поверхности которого эмитируются электроны в сторону анода. Это старт процесса взрывной электронной эмиссии.
При этом скорость разлета катодной плазмы много больше соответствующей тепловой скорости частиц, поэтому принято говорить о взрывном характере явления, в точном подобии со взрывом, к примеру, динамита, когда ударная волна приходит раньше поражающих при взрыве осколков. Поэтому явление названо «взрывная» электронная эмиссия.
Шаг 3
Стадия развития вакуумного пробоя. Всё бОльшее количество электронов эмитируются из катодной плазмы. Начинается разогрев анода, но анодной плазмы ещё нет.
Шаг 4
Начало появления анодной плазмы и её распространения в разрядный промежуток.
Шаг 5
Полное закорачивание разрядного промежутка. Плазма заполняет весь объем межэлектродного пространства, явление взрывной электронной эмиссии прекращается. Разряд переходит в дугу и вот вам чудо — на катоде появилось катодное пятно (КП), о котором я рассказывал выше. Теперь роль катодного пятна в дуговом разряде — поддерживать плотность носиелей заряда за счёт термоэмиссии электронов. Этот процесс приводит к ещё бОльшему дополнительному разогреву катодного пятна.
Время развития взрывной электронной эмиссии не велико — от единиц до сотен наносекунд. Катодные же пятна могут гореть значительно дольше — до тех пор, пока существует дуга.
При этом взрывная электронная эмиссия единственный вид эмиссии, позволяющий получать плотность тока величиной 10 9 А/см 2 , и потоки электронов мощностью — 10 13 Вт.
Таким образом, причиной появления катодного пятна является взрывная электронная эмиссия, а что же такое тот самый пресловутый эмиссионный центр, с которого она начинается? Оказывается всё просто. Это неоднородности и шероховатости поверхности катода и, подчас, элементарная грязь!
На поверхности катода имеются неоднородности. Это, так называемые, микроострия или микроэмиттеры. На рисунке показано, как протекает явление взрывной электронной эмиссии непосредственно в эмиссионном центре. Таким образом, некачественная обработка катодов, наличие неоднородности и шероховатости поверхности повышает вероятность появления эмиссионных центров и, как следствие, катодных пятен в дальнейшем. А так выглядит поверхность катода после взрывной эмиссии. Просматривается наличие кратеров и следов разлета вещества катода.
Если сгладить поверхность или оплавить её мощным электронным пучком, то количество эмиссионных центров резко падает, что значительно усложняет процесс образования катодных пятен. Это очень важно в технологических применениях, когда требуется высокая прочность вакуумной изоляции, к примеру, в разрядниках, где главная задача держать высокое напряжение между катодом и анодом до момента отдачи запасенной энергии (как правило, от высоковольтного конденсатора) в полезную нагрузку. И наоборот. Если требуется высокая эмиссионная способность катодов, то их изготавливают с «развитой» поверхностью. К примеру, из лезвий для бритья, оплетки медного кабеля или вспененных проводящих материалов. Голь на выдумки хитра, как говорится…
На этом будем считать теоретическую часть достаточной. Не смотря на кажущуюся простоту всего того, что я рассказал в этой статье, на самом деле за этим лежат годы увлекательных научных исследований различных групп ученых со всего мира и, в первую очередь, советских и российских ученых под руководством Геннадия Месяца, его последователей и учеников — создателей целого направления в исследовании физики мощных потоков энергии. Главное в открытии взрывной электронной эмиссии — прикладные применения, связанные с созданием оборудования для генерации мощных электронных пучков, рентгеновских источников, технологий модификации металлов и сплавов. Всего более сотни уникальных технологий.
Вскоре для примера я опишу технологию и оборудование по генерации сильноточных электронных пучков для модификации металлов и сплавов. Такое оборудование поставляется в Японию, США, Китай и в Европу. В науке нет санкций. Ну или значительно меньше, чем в политике)))
На фото пример обработки детали высоковольтного разрядника. Из исходной детали (слева) после обработки получается деталь с беспрецедентной электрической прочностью. Подробнее об этой технологии и интересных сферах её применения (к примеру, в стоматологии), я напишу в самые ближайшие дни! Как говорится, не пропустите!)))
Статья вышла. Ссылка
Я также хочу поблагодарить моих коллег за помощь в подготовке этого материала. Благодарю Александра Батракова, Алексея Маркова и Евгения Нефёдцева за полезные консультации. Все эти люди — научные сотрудники ИСЭ СО РАН в Томске. Об этом уникальном Институте и о технологиях, в основе которых, в частности, лежит взрывная электронная эмиссия, можно посмотреть в научно-популярном ролике ниже (13 минут)
Секреты качественных ячеек аккумулятора
Большинство аккумуляторов современных электровелосипедов собраны на основе литий-ионных ячеек типоразмера 18650. Это самый распространённый формат ячеек, что подтверждается также фактом их использования при сборке аккумуляторов некоторых электромобилей американской компании Tesla, в частности, для спортивного автомобиля Tesla Roadster.
Очевидно, что в составе аккумулятора для автомобиля стоимостью несколько миллионов используются самые качественные ячейки. Но как отличить оригинальные ячейки от подделок? Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, давайте разберёмся, откуда взялось название “18650” и что находится внутри ячейки.
Типоразмер 18650 и устройство ячейки
Формат 18650 получил столь широкое распространение благодаря тому, что из таких ячеек можно собрать аккумулятор практически любой конфигурации, и каждая из ячеек имеет собственный жёсткий корпус.
Название типоразмера «18650» содержит в себе размеры ячейки в миллиметрах — она имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм. Ячейка собрана в цилиндрическом металлическом корпусе, который представляет из себя минусовой контакт, и содержит набор гибких пластин — анод и катод, разделённые сеператорами и свёрнутые в рулон.
Со стороны плюсового контакта предусмотрен предохранительный клапан избыточного давления, который срабатывает в случае неполадки, например, при коротком замыкании. Это обеспечивает необходимый уровень безопасности при использовании таких ячеек.
Чем дорогие ячейки отличаются от дешёвых?
Чтобы собрать качественную надёжную батарею, которая прослужит долго и не потеряет значительную часть ёмкости в первый год эксплуатации, нужно быть уверенным, что она собрана из качественных ячеек.
Основными показателями качества ячеек можно считать следующие:
● внутреннее сопротивление ячейки
● максимальный ток заряда и разряда
● отсутствие тока утечки
Внутреннее сопротивление ячейки определяет не только её способность отдавать высокие токи (то есть нагрузочную способность), но и то, насколько сильно она будет нагреваться при работе.
Чем ниже внутреннее сопротивление, тем лучше — тем легче она отдаёт ток и меньше греется. Ячейки с высоким внутренним сопротивлением даже при средних нагрузках достаточно сильно нагреваются, что приводит к их быстрой деградации и, как следствие, потере ёмкости.
Внутреннее сопротивление выражается в миллиомах (мОм). У качественных ячеек 18650 этот параметр находится в пределах 30 мОм. Например, в спецификации на ячейки LG HG2 указано значение “не более 20 мОм”.
Ячейки известных производителей, как правило, стоят дороже, так как обладают низким внутренним сопротивлением, отличаются высокой нагрузочной способностью и отсутствием тока утечки, а их реальная ёмкость равна или чуть больше заявленной.
Отсутствие тока утечки обеспечивает постоянство напряжения на её контактах с течением времени, а значит, ячейка при длительном хранении не разрядится ниже 2,5 В и не выйдет из строя.
В спецификациях на ячейки также указывается максимальный ток заряда и разряда, который не приведёт к ускоренной деградации ячеек.. К примеру, для ячеек LG HG2 максимальный ток разряда равен 20 А, а максимальный ток заряда — 4 А. При этом стандартным током зарядка считается ток, равный половине ёмкости ячейки (0,5 С), то есть для нашего случая это 0,5 * 3000 = 1500 мА.
Чем выше максимальный ток разряда, тем более высокую мощность может отдавать ячейка. Такие высокотоковые ячейки рассчитаны на применение в аккумуляторах шуруповёртов, электронных сигарет и электровелосипедов. Ячейки, рассчитанные на низкие токи, используются в менее мощных устройствах, например, в велосипедных фонарях.
Ёмкость современных литий-ионных ячеек типоразмера 18650 варьируется в диапазоне от 2000 до 3600 мАч. Если вам встретилось предложение более высокой ёмкости в таком корпусе, скорее всего это не соответствует действительности, и на практике она окажется значительно ниже заявленной.
Для определения ёмкости в процессе заряда производители ячеек используют схему зарядки CC-CV (Constant Current — Constant Voltage), при которой ячейка сначала заряжается постоянным током, пока напряжение не дойдёт до верхнего порога (4,2 В), а затем это напряжение поддерживается, снижая зарядный ток. Зарядка прекращается в момент снижения тока до значения тока отсечки.
Аналогичная схема зарядки применяется в зарядных устройствах для литий-ионных аккумуляторов, в этом состоит их отличие от блока питания, который не рекомендуется использовать для этих целей.
При определении ёмкости на разряде, как правило, используется ток 0,2С (20% от ёмкости). Например, при тестировании ячеек LG HG2 ёмкостью 3000 мАч разряд производится током 600 мА до достижения нижнего порога напряжения на ячейке (2,5 В), при этом поддерживается температура 23 градуса по Цельсию.
Производители ячеек
Крупнейшими производителями ячеек 18650 на сегодняшний день являются компании LG, Panasonic (Sanyo), Samsung и Sony.
Самые распространённые ячейки от компании LG носят название LG HG2. Они имеют номинальную ёмкость 3000 мАч и внутреннее сопротивление менее 20 мОм (на фото слева). Из наиболее ёмких ячеек этого производителя хорошо известны LG MJ1 ёмкостью 3500 мАч (справа).
Хорошо известная каждому японская компания Panasonic входит в десятку крупнейших в мире производителей литий-ионных аккумуляторов, и изготавливает их, в том числе, для компании Tesla.
Panasonic в 2009 году объявила о слиянии с компанией Sanyo Electric Co, однако в продаже встречаются как ячейки с маркировкой Panasonic (на фото слева), так и с маркировкой Sanyo (справа). Они маркируются как NCR18650GA и имеют ёмкость 3450 мАч.
Компания Sony была первой, выпустившей литий-ионный аккумулятор в 1991 году по патенту японского учёного-химика Акира Ёсино.
В настоящее время в продаже имеются аккумуляторы VTC4, VTC5, VTC6 этого производителя. Оригинальные ячейки VTC4 маркируются как US18650VTC4, имеют ёмкость 2100 мАч и внутреннее сопротивление по даташиту 12 мОм, они изображены на следующем фото.
Среди литий-ионных ячеек от компании Samsung в настоящее время наиболее распространены модели 25R (полное название INR18650-25R, изображена на фото слева) и 30Q (справа). Первая имеет ёмкость 2500 мАч, вторая — 3000 мАч.
Кроме перечисленных известных производителей существует множество других, преимущественно расположенных в Китае, среди которых встречаются не только те, кто производит ячейки под собственным брендом, но и те, кто подделывает ячейки известных производителей.
Качественные подделки во многих случаях довольно сложно отличить от оригинала по внешним признакам, но об этом мы более подробно поговорим чуть ниже.
Температура эксплуатации и хранения
При использовании батареи, собранной из некачественных ячеек, имеющих высокое внутреннее сопротивление, существует опасность её быстрой потери ёмкости. Этому могут способствовать две причины: деградация, вызванная высокой температурой, и разбалансировка батареи, то есть увеличение разброса напряжений между ячейками.
В спецификациях крупных производителей ячеек указываются диапазоны температур, в которых ячейки должны эксплуатироваться. К примеру ячейки LG HG2 должны заряжаться в диапазоне от 0 до +50 градусов, а разряжаться — в диапазоне от -20 до +75. При приближении к граничным значениям температур, скорость деградации ячеек будет увеличиваться.
При хранении ячеек, в том числе в процессе транспортировки от производителя к потребителю, также необходимо соблюдение температурного режима, причём чем больше срок хранения, тем уже допустимый температурный диапазон.
Например, в спецификациях на ячейки LG HG2 указано, что хранение в течение одного месяца допускается при температуре от -20 до +60 градусов, в течение 3 месяцев — от -20 до +45, а в течение года — от -20 до +20 градусов.
Что такое BMS
Литий-ионные ячейки работают в диапазоне от 2,5 В (иногда от 3 В) до 4,2 В. Если их разрядить ниже 2,5 В и оставить на длительное время, начнётся процесс ускоренной деградации, и соответственно, потеря ёмкости. Аналогичный результат получается и при заряде ячеек выше верхнего значения (4,2 В).
Для исключения таких ситуаций используется BMS (Battery Management System), или система управления батареей. Это плата, которая устанавливается в батарею и следит за тем, чтобы напряжения на ячейках были в нужном диапазоне.
Кроме того, BMS прекращает процесс заряда батареи как только на одной из ячеек напряжение достигло верхнего значения (4,2 В), а также отключает нагрузку при достижении нижнего порога (2,5 В или 3 В) на любой из ячеек.
Большинство современных BMS имеют функцию балансировки — выравнивания напряжения на ячейках путём шунтирования ячеек с максимальным напряжением в процессе зарядки. Это позволяет избежать значительной потери ёмкости при использовании ячеек среднего и низкого качества.
Для реализации функции включения/выключения батареи, на многих BMS предусмотрен отдельный вывод — два провода, которые подключаются к замку или кнопке на корпусе батареи.
Сборка батареи из ячеек 18650
Перед сборкой батареи необходимо определиться со схемой сборки, которая зависит от того, на какое рабочее напряжение должна быть батарея, и какую иметь ёмкость.
Схема сборки в общем смысле обозначается формулой aSbP, где a — количество блоков ячеек, соединённых последовательно (S — serial), b — количество параллельно соединённых ячеек внутри одного блока (P — parallel).
Номинальное напряжение батареи определяется как номинальное напряжение одной ячейки, умноженное на значение “а”. Ёмкость батареи определяется как ёмкость одной ячейки, умноженная на значение “b”. Например, батарея, собранная по схеме 10S5P из литий-ионных ячеек типоразмера 18650 ёмкостью 2500 мАч, будет иметь номинальное напряжение 36 В (3,6 В * 10) и ёмкость 12,5 Ач (2,5 Ач * 5).
В зависимости от схемы сборки и необходимой нагрузочной способности (мощности) батареи, подбирается соответствующая BMS. Существуют BMS с общим портом, когда заряд и разряд батареи выполняется через один и тот же разъём, и BMS с раздельным портом, когда используются разные разъёмы. Для наглядности, схемы подключения указанных видов BMS представлены на схеме.
С борка батареи выполняется в соответствии с разработанной схемой. Сначала ячейки набираются в холдеры (пластиковые разделители), а затем контакты соединяются с использованием точечной сварки, которая обеспечивает необходимое качество соединения и, в отличие от пайки, позволяет не перегреть ячейки.
К полученным блокам припаиваются балансировочные провода и силовые выводы, которые подключаются к BMS. После сборки батарея тестируется на ёмкость и упаковывается
Как отличить качественные ячейки от подделки
Если заглянуть в спецификации к ячейкам 18650 крупных производителей, можно заметить, что большинство из них весит 45-50 грамм. Как ни странно, вес является одним из тех параметров, по которому можно определить подлинность ячеек.
Другим критерием может служить внешний вид — в сети довольно большое количество визуальных сравнений оригинальных ячеек с подделками и перечень выявленных отличий.
Кроме того, оригинальные ячейки в большинстве случаев стоят дороже неоригинальных, поэтому подозрительно низкая цена должна вас насторожить.
При заказе в онлайн-магазине вряд ли у Вас будет возможность проверить подлинность ячеек по внешнему виду на фотографиях, впрочем, как и по весу. В таких случаях может помочь наличие положительных отзывов людей, которые постоянно приобретают ячейки в конкретном магазине, и успели удостовериться в их качестве.
В магазине 5КИЛОВАТТ продаются аккумуляторные батареи построенные исключительно на качественных элементах питания производителей Panasonic и LG.
Используя эти аккумуляторы вы можете быть уверены в их надежности, долговечности и практичности.
Автор статьи: Евгений Бегин
Совместимость металлов или как избежать гальванической коррозии?
Контактная коррозия происходит при непосредственном контакте двух разнородных металлов. Нельзя, к примеру, соединять алюминиевые листы медной заклепкой, так как при определенных условиях они образуют сильную гальваническую пару. Разные металлы имеют разные электродные потенциалы. В присутствии электролита один из них играет роль катода, а другой анода. В результате химической реакции, протекающей между ними, начнется коррозионный процесс, в котором медь (катод) будет беспощадно разрушать алюминий (анод). Почти все пары разнородных металлов, находящиеся в контакте между собой, подвержены коррозии, так как даже влага из воздуха может выступить в роли электролита и активировать их электродный потенциал. Но одни пары уязвимы в большей степени, а другие – в меньшей. Например, алюминий отлично контактирует с оцинкованной сталью, хромом и цинком, а латунь совершенно не «дружит» со сталью, алюминием и цинком. Чтобы узнать, какие металлы совместимы, а какие нет, обратимся к основам химии. В ряду электрохимической активности металлы стоят в следующей последовательности:
Электрохимический ряд напряжения металлов
Для примера рассмотрим пару алюминий – медь. Алюминий стоит в ряду слева от водорода и имеет электроотрицательный потенциал равный -1.7В, а медь находится справа и имеет положительный потенциал +0.4В. Большая разница потенциалов приводит к разрушению более активного алюминия. Медь сильнее всех, впереди стоящих элементов, поэтому в паре с любым из них она выйдет победителем. Чем дальше друг от друга в ряду стоят элементы, тем выше их несовместимость и вероятность протекания гальванической коррозии.
Допустимые контакты металлов по ГОСТ 9.005-72
- допустимый…+
- ограниченно допустимый…0
- недопустимый…–
Ограниченно допустимые контакты могут применяться при условии периодического возобновления защитных смазок и лакокрасочных покрытий, а также при условии допустимости процессов коррозии контактирующих металлов для установленного срока службы изделия.
Допустимость контактов металлов в атмосферных условиях 2 — 4, согласно ГОСТ 9.005-72 (сокращенная версия)
Полная версия стандарта с таблицей по ссылке.
| Группа металлов | Металлы | Контактируемые металлы | |||||||||||||||||||
| Алюминий и сплавы | Цинк, цинковые сплавы и покрытия | Чугун | Сталь низколегиров., углеродистая | Олово, оловянные покрытия, припой ПОС | Медь и бронза | Латунь | Никель, сплавы и покрытия | Хром и покрытия | Нержавеющие хромистые стали | Нержавеющие хромо-никелевые стали | Титан и сплавы | Серебро и покрытия | Платина, золото, родий, палладий и покрытия | ||||||||
| не содержащие медь, анодиров. | содержащие медь, анодир. и неанодир. | необработанные | хроматированные | фосфатированные | без покрытия | азотиров., оксидиров. | фосфатированная | ||||||||||||||
| I | Алюминий и сплавы | не содержащие медь, анодиров. |
+ | + | + | + | + | — | — | 0 | 0 | + | — | — | — | + | 0 | 0 | 0 | — | — |
| содержащие медь, анодиров. и неанодиров. | + | + | + | + | + | — | — | — | 0 | + | — | — | — | + | 0 | 0 | 0 | — | — | ||
| II | Цинк, цинковые сплавы и покрытия | необработ. | + | + | + | + | + | — | — | — | — | + | — | — | — | — | — | — | 0 | — | — |
| хроматиров. | + | + | + | + | + | — | — | ||||||||||||||
| — | — | + | — | 0 | — | — | — | — | 0 | — | — | ||||||||||
| фосфатиров. | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | 0 | — | — | + | — | — | ||
| III | Чугун | — | — | — | — | + | + | + | + | + | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | |
| Сталь низколегиров., углеродистая | без покрытия | — | — | — | — | + | + | + | + | + | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | |
| азотиров., оксидиров. | 0 | — | — | — | + | + | + | + | + | — | — | — | — | 0 | 0 | — | — | — | — | ||
| фосфатиров. | 0 | 0 | — | — | + | + | + | + | + | — | — | — | — | 0 | 0 | — | — | — | — | ||
| IV | Олово, оловянные покрытия, припой ПОС | + | + | + | + | + | — | — | — | — | + | + | + | + | + | 0 | + | + | + | + | |
| V | Медь и бронза | — | — | — | — | + | — | — | — | — | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
| Латунь | — | — | — | 0 | + | — | — | — | — | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||
| VI | Никель, сплавы и покрытия | — | — | — | — | + | — | — | — | — | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
| VII | Хром и покрытия | + | + | — | — | 0 | — | — | 0 | 0 | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
| Нержавеющие хромистые стали | 0 | 0 | — | — | — | — | — | 0 | 0 | 0 | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||
| VIII | Нержавеющие хромо-никелевые стали | 0 | 0 | — | — | — | — | — | — | — | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
| IX | Титан и сплавы | 0 | 0 | 0 | 0 | + | — | — | — | — | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
| X | Серебро и покрытия | — | — | — | — | — | — | — | — | — | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
| XI | Платина, золото, родий, палладий и покрытия | — | — | — | — | — | — | — | — | — | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
Пояснение. Металлы в таблице разбиты на группы. Те из них, которые имеют больший порядковый номер, катодны к тем, которые имеют меньший порядковый номер. В пределах одной группы впереди стоящий металл является анодом по отношению к металлу, стоящему за ним.
Пример недопустимых гальванических пар:
Гальваническое действие может возникнуть, если строительную конструкцию из нержавеющей стали скреплять оцинкованными болтами. В этой нежелательной паре пострадает высоко анодный крепеж, поскольку его электроны будут перемещаться в направлении катодной нержавеющей стали. Поэтому, крепежные детали должны быть изготовлены из менее гальванически активного металла, чем материал металлоконструкции. На скорость течения гальванокоррозии оказывает влияние ряд факторов
Основные факторы, влияющие на скорость гальванической коррозии
Соотношение площади поверхности анодного и катодного металла. Пока площадь катодной поверхности (более благородный металл гальванической пары) очень мала по сравнению с площадью анодной поверхности (менее благородный металл), никаких изменений в коррозионном поведении не наблюдается. То есть, если большой по размеру анод соединить с маленьким катодом, то анод будет ржаветь медленно, а если сделать наоборот, то быстро. Типичные примеры можно найти, когда крепеж из нержавеющей стали используется на компонентах из алюминия или оцинкованной углеродистой стали. Даже в агрессивных условиях эти контакты практически не вызывает гальванической коррозии.
В атмосферных условиях иногда трудно количественно определить оптимальные пропорции анодных и катодных поверхностей. Однако для практической оценки это может и не потребоваться. Обычно достаточно рассмотреть систему в целом. В комбинациях материалов крепеж всегда должен быть изготовлен из более благородного материала, чтобы катодная поверхность была небольшой. Однако обратная ситуация может вызвать проблемы. Если небольшой анод окружен большим катодом, может возникнуть гальваническая коррозия.
Агрессивность электролита или окружающей среды. Степень интенсивности протекания контактной коррозии зависит и от воздействия электролита на соединение. Электролит — это проводящая среда, позволяющая переносить электроны от анода к катоду. Типичным примером является обычная влага, такая как вода, дождь, роса, снег, высокая влажность. Но эти электролиты не содержат большого количества солей и ионов, которые делают их высокопроводящими. А вот промышленная и морская среда могут привести к присутствию сильных электролитов, содержащих большое количество солей и ионов.
Таким образом, в обычных атмосферных условиях процесс гальванической коррозии будет протекать менее быстро и ускоряется в агрессивной электропроводной среде. Присутствие в воде других веществ увеличивает проводимость электролита и скорость коррозии. Поэтому при проектировании конструкций важна оценка окружающей среды.
Как защитить конструкцию или узел от контактной коррозии?
Если по конструктивным соображениям невозможно избежать нежелательного контакта разнородных металлов, то можно попытаться уменьшить гальваническую коррозию с помощью следующих методов:
- окраска поверхностей в районе их стыка;
- нанесение совместимых металлических покрытий;
- изоляция соединения от внешней среды;
- электрическая изоляция;
- установка неметаллических прокладок, вставок, шайб в болтовых соединениях.
Практика показывает, что в тех случаях, когда пренебрегают требованиями к допустимости контактов разных металлов, приходится дорого за это расплачиваться. Неправильная компоновка контактных пар выводит из строя узлы крепления, металлоконструкции и может стоять человеческой жизни.
Что находится слева на фото катод анод
ГЛАВА 6. ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
К классу электронно-вакуумных относят приборы, действие которых основано на формировании, управлении и преобразовании энергии электронных потоков в вакуумированном рабочем объёме. Их можно разделить на три группы:
1. Электровакуумные приборы, в которых управление электронным потоком осуществляется посредством потенциалов электродов.
2. Электронно-лучевые приборы, в которых электронный пучок используется для преобразования оптического сигнала в электрический и обратного преобразования электрического сигнала в оптический.
3. Плоские панели и дисплеи, преобразующие электрический сигнал в оптический без формирования электронного пучка.
6.1. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫ ПРИБОРЫ
К этой группе приборов отнесём электронные лампы и фотоэлектронные приборы.
6.1.1.ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
Электронные лампы образуют одну из старейших подгрупп электронных приборов. Они ведут свою родословную от электровакуумного диода, изобретённого профессором Лондонского университета Джоном Флемингом в 1904 году. В течение 50 лет они исправно выполняли функции преобразователей электрических сигналов и достигли в этом пределов совершенства. Но с наступлением транзисторной эры их применение начало быстро сокращаться, и к началу 1970–х годов они практически вышли из употребления в слаботочной электронике. Полупроводниковые приборы оставили им только небольшую нишу мощных генераторов ВЧ и СВЧ колебаний. При всей её важности количественно выпуск генераторных ламп исчислялся десятками, в лучшем случае сотнями тысяч, в год. Но оказалось, что и маломощные приемно-усилительные лампы рано хоронить окончательно. Транзисторы не смогли превзойти их по уровню собственных шумов, поэтому в середине 1980-х годов наметился рост выпуска и продаж ламп для высококачественных звуковоспроизводящих систем. К началу ХХ I века мировой объём этого сектора рынка электронных компонентов достиг 150 млн. долларов и имеет тенденцию к медленному росту.
Рассмотрим кратко физические процессы в электронных лампах, их характеристики и параметры.
6.1.1.1. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ДИОД
Электровакуумный диод – простейший их электронных приборов. Он состоит из стеклянного или металлического баллона, в котором расположены два электрода – эмиттер электронов — катод и коллектор электронов – анод (рис.6.1). Подогревный оксидный катод и анод выполнены, как правило, в виде соосны х цилиндров.
Рис. 6.1 Электровакуумный диод
Основное свойство диода – односторонняя проводимость. При нагреве катода до температуры и подаче на анод положительного относительно катода напряжения в цепи протекает значительный анодный ток . При отрицательном относительно катода анодном напряжении анодный ток отсутствует. Зависимость анодного тока от анодного напряжения называется анодной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ диода при сильно нелинейна. Нелинейность обусловлена влиянием на анодный ток двух факторов – анодного напряжения и поля пространственного заряда (ПЗ). Пространственный заряд образован всеми электронами, эмитированными катодом в рабочий объём. В точке расположения одного из них остальные создают суммарное поле с потенциалом , повышающее потенциальную энергию электрона на . Анодное напряжение создаёт в рабочем объёме поле и потенциал . Суммарный потенциал может быть найден из уравнения Пуассона. Рассмотрим одномерную плоскостную модель диода. Будем считать катод и анод бесконечными параллельными плоскостями, расположенными на расстоянии d . Уравнение Пуассона имеет в этом случае вид
Потенциал должен также удовлетворять граничным условиям
Пространственный заряд будем считать распределённым однородно, так что , где – число электронов в единице рабочего объёма. Из (6.1) и (6.2) находим потенциал
или, в зависимости от безразмерной переменной ,
Потенциальная энергия электрона равна
где . Графики её при различных анодных напряжениях показаны на рис.6.2. При в рабочем пространстве образуется симметричный потенциальный барьер. Высота его в максимуме, при , равная, с одной стороны,
с другой стороны, должна составлять , чтобы отсутствовал суммарный поток электронов из катода в рабочий объём. Отсюда находим, что плотность электронов в единице рабочего объёма
Рис.6.2. Графики функции при
При , как следует из (6.4), потенциальный барьер снижается,
вследствие чего наиболее энергичные эмитированные электроны преодолевают его и создают анодный ток. Число таких электронов нелинейно растёт с уменьшением , поэтому и ток нелинейно зависит от анодного напряжения. Точно описать эту зависимость простым выражением нельзя. Ещё в начале XX века американский физик Ирвинг Лэнгмюр вывел при сильных упрощающих предположениях уравнение ВАХ диода
За ним закрепилось название “закон трёх вторых Лэнгмюра”. Коэффициент пропорциональности есть не что иное, как первеанс, уже встречавшийся при описании электронных пучков. Уравнение (6.7) приближённо описывает ток, ограниченный пространственным зарядом (ТОПЗ). При остаточно большом анодном напряжении ПЗ, как говорят, рассасывается и потенциальный барьер исчезает. Как следует из (6.6) и рис. 6.2, это происходит, если . При ещё больших анодных напряжениях все эмитированные электроны достигают анода, поэтому ток насыщается, то есть перестаёт зависеть от напряжения. График ВАХ диода показан на рис.6.3.
Рис.6.3 ВАХ электровакуумного диода
6.1.1.2. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ТРИОД
Возможности электровакуумного диода оказались не слишком велики. Обладая одной степенью свободы, он мог выполнять одну функцию – преобразовывать переменный ток в пульсирующий.
Бурное развитие радиотехники началось после изобретения нью-йоркским инженером Ли де Форестом в 1907 году электронной лампы с двумя степенями свободы – электровакуумного триода. Дополнительная степень свободы обеспечивалась введением третьего электрода – управляющей сетки – между катодом и анодом. Обычно сетка выполнятся в виде спирали, навитой на траверзах (держателях) вокруг катода. Условное обозначение триода и схема его включения показаны на рис.6.4. Потенциалы сетки и анода относительно катода можно менять независимо. Это и позволяет использовать триод для усиления электрических сигналов.
Электрон движется в рабочем объёме триода под влиянием трёх полей – анодного поля , сеточного поля и поля пространственного заряда .
Рис. 6.4 Схема включения электровакуумного триода
Анодное и сеточное поля вблизи катода можно оценить соотношениями
где — расстояние между сеткой и катодом, d – расстояние между анодом и катодом. В триоде , например, , а . Поэтому небольшое, сеточное напряжение создаёт поле , сравнимое с полем , созданным анодным напряжением . Другими словами, небольшим изменением сеточного напряжения можно вызывать большие изменения анодного тока. Для сравнения влияния анодного и сеточного напряжений на анодный ток используют параметр μ, называемый статическим коэффициентом усиления, и определяемый соотношением
Из сказанного ясно, что . Таким образом, анодный ток зависит от двух переменных и . Бонч-Бруевич и Баркгаузен, вслед за Лэнгмюром, показали, что с достаточной для практических потребностей точностью эту зависимость можно представить в виде
где D – параметр, называемый проницаемостью триода. Он характеризует экранирование анодного напряжения сеткой и равен отношению межэлектродных ёмкостей анод — катод и сетка — катод ,
Так как , то . Приравняв дифференциал (6.9) к нулю,
Соотношение (6.9), называемое “законом трёх вторых триода”, определяет два семейства ВАХ:
— семейство анодных характеристик при ;
-семейство анодно-сеточных характеристик при .
Графики их показаны на рис.6.5.
Рассмотрим на примере электровакуумного триода принцип усиления электрических сигналов с помощью прибора с двумя степенями свободы. Из общего функционального соотношения образуем дифференциальное соотношение
Рис.6.5 Анодные и анодно-сеточные характеристики триода
Оно задаёт связь приращения анодного тока с вызвавшими его приращениями напряжений и определяет параметры триода:
С учётом этих определений получаем уравнение динамической характеристики триода
При из (6.11) следует уравнение Баркгаузена
Обратимся к рис.6.4. Из закона сохранения заряда следует соотношение
В рабочем режиме триода , поэтому и (электроны отталкиваются от сетки). Следовательно, , и можно записать соотношение по постоянному току
Обычно , поэтому из (5.13) получаем дифференциальное соотношение
Подставив в (6.14) из (6.11), найдём связь между изменением сеточного напряжения и вызванного им изменения анодного напряжения ,
Таким образом, по абсолютной величине выходной сигнал (изменение анодного напряжения ) в раз больше входного сигнала (изменения сеточного напряжения ). Величина
есть, по определению, коэффициент усиления по напряжению . Он не превосходит и стремится к нему при . Таким образом, — это максимально возможный для данного триода коэффициент усиления по напряжению.
6.1.1..3. ЭКРАНИРОВАННЫЕ ЛАМПЫ
Триодные усилители быстро обнаружили склонность к самовозбуждению, то есть к самопроизвольной генерации электромагнитных колебаний. Причина оказалась в большой проходной ёмкости анод- сетка . Через неё часть выходного сигнала с анода поступала снова на вход (на сетку), взывая ещё большее усиление входного сигнала. Другими словами, между выходом и входом возникала положительная обратная связь, и усилитель превращался в генератор.
Для предотвращения самовозбуждения В. Шоттки первым предложил уменьшить ёмкость . На основе этой идеи американец А. Халл в 1924 году создал четырёх электродную лампу – тетрод. Он ввёл между управляющей сеткой и анодом вторую, экранирующую, сетку . На неё подаётся напряжение, составляющее . Тогда получается последовательное соединение двух ёмкостей и . При последовательном соединении, как известно, складываются обратные ёмкости,
Поскольку экранирующая сетка находится под высоким положительным потенциалом, то она конкурирует с анодом и перехватывает часть электронов. Имеет место, как говорят, токораспределение,
Количественно его характеризуют коэффициентом токораспределения
величина которого зависит от соотношения напряжений и .
При сетка перехватывает большую часть тока и . С увеличением анодного напряжения растёт, при становится порядка единицы, а при . График зависимости выглядит примерно так, как показано на рис.2.8.6. Из (6.17) и (6.18) можно получить выражения для анодного тока
Катодный ток из-за экранирования поля анода сеткой почти не зависит от анодного напряжения. Роль анодного напряжения играет напряжение на экранирующей сетке. Поэтому по аналогии с (6.4) можно записать
Таким образом, зависимость анодного тока от анодного напряжения определяется коэффициентом токораспределения и должна иметь вид, подобный рис.6.6.
Рис.6.6 Коэффициент токораспределения тетрода
На самом же деле ВАХ тетрода оказалась немонотонной (рис.6.7).
Рис.6.7 Реальная ВАХ тетрода
На участке АВ дифференциальное сопротивление и дифференциальная проводимость отрицательны. Если параметры режима, то есть и , любого прибора попадают на участок отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) или отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), то его работа становится неустойчивой. В приборе самопроизвольно развиваются периодические колебания тока. Это – общее утверждение, справедливое для всех приборов с немонотонной ВАХ, независимо от физической причины появления ОДП.
В тетроде такой причиной оказалась вторичная электронная эмиссия с анода. При энергии электрона он способен выбить из анода более одного электрона. Это не представляло проблемы в триоде, так как выбитые электроны снова возвращались на анод. Но в тетроде при вторичные электроны перехватываются экранирующей сеткой, вследствие чего уменьшается анодный ток. Падение тока на участке АВ обусловлено ростом коэффициента вторичной эмиссии . При анод начинает возвращать часть вторичных электронов, и анодный ток снова растёт. При анодный ток выходит на ожидаемое значение. Падение анодного тока тетрода при малых анодных напряжениях вследствие вторичной электронной эмиссии получило название динатронный эффект.
Для усилителей динатронный эффект безусловно вреден. Избавиться от него можно, если предотвратить захват вторичных электронов экранирующей сеткой. Для этого следует создать вблизи анода потенциальный барьер, задерживающий их. Энергия вторичных электронов порядка , поэтому такой же должна быть и высота барьера. Предложено два способа создания барьера.
Первый реализован в пентоде – пятиэлектродной лампе, в которой между экранирующей сеткой и анодом расположена антидинатронная сетка. Её потенциал должен быть , но чаще антидинатронную сетку соединяют с катодом ( ) и делают достаточно редкой.
Второй способ применен в лучевом тетроде. С помощью электродов специальной конструкции из однородного электронного потока с катода формируются вероподобные потоки повышенной плотности (рис.6.8). Витки управляющей и экранирующей сеток навиваются с одинаковым шагом. Направляющий электрод НЭ накоротко соединяется с катодом, поэтому он отталкивает электроны к плоскости симметрии. В результате вблизи анода А образуется пространственный заряд, потенциальный барьер которого задерживает вторичные электроны. Плотность пространственного заряда достаточна для нейтрализации динатронного эффекта при достаточно большом анодном токе, то есть при близком к номинальному анодном напряжении и не слишком большом отрицательном потенциале управляющей сетки.. При малых анодных напряжениях плотность пространственного заряда недостаточно велика, и динатронный эффект проявляется в виде небольшого провала на ВАХ лучевого тетрода.
Рис.6.8 Формирование электронного потока в лучевом тетроде
6.1.2. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фотоэлектронные приборы преобразуют оптический сигнал в электрический посредством внешнего фотоэффекта (фотоэлектронной эмиссии). Неотъемлемые конструктивные элементы фотоэлектронного прибора – вакуумированный (чаще всего стеклянный) баллон, фотокатод и анод (рис.6.9). Такой прибор фактически является электровакуумным фотодиодом. Поток оптического излучения в интервале частот (входной оптический сигнал) попадает на фотокатод ФК через прозрачное в данном спектральном интервале окно и выбивает из него фотоэлектроны. При положительном анодном напряжении они образуют фототок (выходной сигнал).
Рис.6.9 Принцип действия фотоэлектронного прибора.
Как и в электровакуумном диоде, при малых анодных напряжениях фототок ограничивается пространственным зарядом. С ростом анодного напряжения ПЗ рассасывается, при он исчезает вовсе, и фототок выходит на насыщение (рис.6.10).
Рис.6.10 ВАХ электровакуумного фотодиода
Ток насыщения в соответствии с законом Столетова равен
На рис.6.10 показаны несколько ВАХ при различных суммарных потоках .
Фотоэлектронные приборы применяются для спектрального и временного анализа оптических сигналов. В последнем случае важна быстрота реакции прибора на изменение входного потока излучения. Она определяется скоростью перезарядки межэлектродных ёмкостей и характеризуется постоянной времени τ. Реакция прибора запаздывает относительно изменения сигнала – фототок устанавливается спустя время после включения потока. Если длительность входного сигнала много больше , то информация о его форме потеряна не будет (рис.6.11а). Если входной сигнал состоит из редких коротких импульсов, , то выходной сигнал будет таким, как показано на рис.2.8.11б. Его можно приближённо представить в виде
где — постоянная составляющая, — амплитуда переменной составляющей, — частота модуляции входного сигнала. Информация о форме сигнала потеряна, но сохраняется возможность определить . Если ещё и период повторения импульсов меньше , то выходной сигнал будет практически постоянным (рис.6.11в)
Рис.6.11. Выходной сигнал ФЭП при различной частоте
модуляции входного сигнала
Инерционность фотоэлектронного прибора описывают частотной характеристикой — зависимостью отношения амплитуд переменной и постоянной составляющих от частоты модуляции,
Её график показан на рис.6.12.
Рис.6.12. Частотная характеристика ФЭП
Прибор позволяет определить временные параметры входного сигнала, частота модуляции которого .
Электровакуумный фотодиод не очень подходит для этого, так как фототок может быть столь слабым, что даже при низких частотах модуляции выделить его на фоне шумов оказывается затруднительным. Поэтому были разработаны и нашли широкое применение ФЭП с внутренним усилением – фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Приоритет в разработке ФЭУ принадлежит советскому инженеру Л.А. Кубецкому. Первый экземпляр прибора он изготовил в 1930 году, затем многие годы возглавлял исследования и разработки в этой области. ФЭУ обладают наивысшим среди существующих приборов коэффициентом внутреннего усиления по току – до 10 6 и более. Они нашли широкое применение в спектроскопии, оптике, астрономии, системах космической навигации и наведения. Структурная схема ФЭУ показана на рис.6.13. Он представляет собой цилиндрический стеклянный баллон, на одном торце которого расположен полупрозрачный фотокатод, на втором – анод. Между фотокатодом и анодом расположены несколько (до 10 – 12) динодов – электродов с высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Потенциалы динодов возрастают от катода к аноду.
Рис.6.13. Принцип действия ФЭУ
6.2 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
Электронно-лучевые приборы (ЭЛП) предназначены для преобразования оптического изображения в электрический сигнал (сигнал яркости) и обратного преобразования – восстановления по электрическому сигналу (сигналу яркости) видимого оптического изображения на экране . Он применяются в телевидении, осциллографах, радиолокационных системах и системах отображения информации. Из-за внешнего вида преобразователи оптического изображения в сигнал яркости называются передающими электронно-лучевыми трубками, а преобразователи электрического сигнала в оптическое изображение на экране – приёмными электронно-лучевыми трубками. Отдельный класс электронно-лучевых приборов составляют электронно-оптические преобразователи (ЭОП), совмещающие в одном приборе преобразования невидимое оптическое изображение (УФ — или ИК — диапазона)→электронный поток→видимое оптическое изображение.
Рассмотрим физические принципы, лежащие в основе действия ЭЛП этих трёх классов.
6. 2.1. ПЕРЕДАЮЩИЕ ЭЛТ
Передающие ЭЛТ – основа телевидения – передачи и воспроизведения на расстоянии изображений объектов с помощью электромагнитных волн.
6.2.1.1. ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Принципы передачи изображения и характеристики телевизионных систем существенным образом согласованы со свойствами человеческого зрения. Можно даже сказать, что они есть следствие этих свойств.
Одно из свойств зрения состоит в том, что глаз чётко воспринимает объект или изображение с угловыми размерами ~ . При этом угловое разрешение составляет ~1′. Таким образом, воспринимаемое изображение состоит примерно из 1 млн. отдельных различимых элементов. Для передачи изображения в реальном масштабе времени потребовался бы отдельный канал для каждого элемента изображения, что совершенно нереально. Но в этом и нет нужды, так как давно известно, что глаз инерционен. Он замечает прерывность изображения, если частота прерывания . При прерывистое изображение будет казаться слитным. На этом основании ещё в 1879 году португалец де Пайва выдвинул принцип последовательной поэлементной передачи изображения. Время передачи всех ~10 6 элементов изображения должно быть меньше . Последовательность передачи элементов изображения называется его развёрткой. В современном телевидении принята растровая развёртка – передача элементов построчно слева направо и сверху вниз (рис.6.24). Изображение разбивается на строк, в каждой из которых элементов. Развертка одного кадра происходит за секунд, одной строки за секунд, тогда . В современном телевидении принято .
Рис. 6.24. Прогрессивная растровая развёртка
Для слитности изображения достаточно . Но при такой частоте передачи кадра проявляется другое свойство глаза – способность замечать различие в яркости в 1 – 2 %. За первый элемент в левом верхнем углу кадра изменит свою яркость более чем на 2%, вследствие чего при передаче следующего кадра будет заметно его мерцание. Это касается и остальных элементов изображения. Чтобы избежать мерцания, в Европе принята чересстрочная развёртка с . Это означает, что каждый кадр передаётся за , но в два приёма – сначала за передаются последовательно все нечётные строки 1,3,5,… , а затем за — все чётные строки 2,4,6,…, (рис.6.25). За яркость не успевает заметно измениться.
Рис. 6.25. Чересстрочная растровая развёртка
В основу работы передающих ЭЛТ, формирующих сигнал яркости положен принцип накопления заряда. Он предложен и запатентован американцем Дженкинсом в 1927 году. Сущность принципа пояснят рис.6.26.
Рис. 6.26. Принцип формирования сигнала яркости
Изображение проецируется объективом на матрицу (двумерный массив) из N электровакуумных фотодиодов. На каждый фотодиод падает поток излучения от отдельного элемента изображения. Таким образом, матрица должна содержать ~10 6 фотодиодов.
При разомкнутом ключе К фототок l – го фотодиода заряжает конденсатор . Накопленный на нём за время t заряд пропорционален потоку , а, следовательно, яркости l – го элемента изображения (6.25)
Направления фототоков показаны на рисунке. При замкнутом ключе К l – й конденсатор разряжается через сопротивление R н , создавая сигнальный ток . Через это же сопротивление протекает фототок . Выходной ток равен их сумме, . Если накопление заряда происходит в течение времени , а разряд – за время , то , . При . В современном телевидении , при
Таким образом, на выходе передающей ЭЛТ ток в сотни тысяч раз превышает первичный фототок .Последовательно переводя ключ в положения 1,2,3,…, N , получим на выходе сигнал яркости (рис.6.27).
Рис. 6.27. Сигнал яркости и яркость элементов изображения
Передача сигнала яркости на расстояние осуществляется на несущей электромагнитной волне, амплитуда или частота которой модулируется сигналом яркости. Модуляция означает, что амплитуде или частоте навязывается такая же временная зависимость или , как и у сигнала яркости . Для этого необходимо, чтобы была намного больше обратного времени развёртки отдельного элемента изображения . Поэтому в современном телевидении используют электромагнитные волны в диапазоне частот .
Для реализации идеи Дженкинса необходимо было найти подходящие технические реализации ключа К и матрицы МФ. С первых работ Б.Л. Розинга 1907 года было известно, что развёртку элементов изображения с частотой можно осуществить с помощью электронного луча. Попытки создать фотопреобразующую матрицу из дискретных элементов не были успешными. Работоспособные распределённые матричные преобразователи (мишени) предложили в 1931 году советский инженер С.И. Катаев и ученик и ассистент Б.Л. Розинга, эмигрировавший в США, В.К. Зворыкин. Мишень Зворыкина оказалась более технологичной, поэтому передающие трубки его конструкции определили дальнейшее развитие телевидения. В дальнейшем были предложены ещё несколько вариантов мишеней. В мишенях всех типов происходят два процесса:
— образование на поверхности непрерывного потенциального рельефа – электрического заряда, пропорционального локальной освещённости мишени;
— считывание потенциального рельефа электронным лучом, в результате которого формируется сигнал яркости; при считывании потенциальный рельеф либо углубляется, либо нейтрализуется.
Трубки разного типа различаются способом образования потенциального рельефа и способом его считывания.
6.2.1.2. ИКОНОСКОП ЗВОРЫКИНА
В передающей ЭЛТ Зворыкина, получившей название иконоскоп, мишень представляет собой плоский слюдяной конденсатор, тыльная (сигнальная) обкладка которого – сплошная металлическая, а фронтальная – мозаическая, состоящая из напылённых капелек серебра (рис.6.28). Каждая капелька образует элементарный конденсатор. Потенциальный рельеф создаётся вследствие фотоэлектронной эмиссии при проецировании на мишень изображения. Для снижения работы выхода на макушки серебряных капелек напыляется тонкий слой цезия. Выбитые фотоэлектроны улавливаются коллектором КЛ. Электронный луч углубляет потенциальный рельеф за счёт вторичной электронной эмиссии. Число истинно вторичных электронов зависит от уже имеющегося заряда на l – м элементе – чем больше , тем меньше истинно вторичных электронов. Поэтому при развёртке изображения в иконоскопе формируется негативный сигнал яркости.
Рис. 6.28. Принцип действия иконоскопа Зворыкина
6.2.1.3. СУПЕРИКОНОСКОП
Передающая трубка супериконоскоп разработана в СССР в 1933 году П.В. Шмаковым и П.В. Тимофеевым. Они ввели в иконоскоп два усовершенствования. Во-первых, оптическое изображение преобразовывалось в электронный поток с помощью полупрозрачного фотокатода, после чего поток транспортировался к мишени в однородном магнитном поле. Во-вторых, потенциальный рельеф создавался за счёт вторичной электронной эмиссии, а не фотоэлектронной эмиссии. Для этого фронтальная поверхность мишени покрывалась слоем криолита Na 3 AlF 6 , обладающего высоким коэффициентом вторичной эмиссии. Эти усовершенствования настолько повысили качество сигнала яркости, что именно супериконоскопы многие годы составляли основу студийного телевещания. Новые трубки этого типа разрабатывались до конца 1950-х годов.
6.2.1.4. СУПЕРОРТИКОН
В иконоскопе и супериконоскопе считывание потенциального рельефа осуществляется с фронтальной стороны мишени энергичным электронным пучком (быстрыми электронами). Это увеличивает габариты трубки за счёт бокового отростка, в котором размещается электронный прожектор. В 1945 году американцами … и …изобретена передающая трубка суперортикон. Потенциальный рельеф в ней создаётся потоком фотоэлектронов на стеклянной пластинке толщиной всего 0,1 мм . Коллектор выполнен в виде густой сетки, расположенной на расстоянии ~50 мкм от мишени. Благодаря этому потенциальный рельеф получается очень глубоким и контрастным. Считывание его производится с тыльной стороны мишени медленным электронным лучом (рис.6.29). Вблизи тыльной поверхности мишени располагается замедляющий электрод ЗЭ, потенциал которого почти равен потенциалу катода электронного прожектора. Медленные электроны притягиваются положительным зарядом элемента мишени и нейтрализуют его. Из N электронов, доставленных пучком, идёт на нейтрализацию, а остальные ускоряются вторым анодом прожектора, возвращаются назад и собираются фотоэлектронным умножителем. Ток на выходе ФЭУ достигает ~100 мкА, что примерно в 500 раз больше, чем в иконоскопе. При этом сигнал яркости – негативный.
Суперортиконы – самые чувствительные из передающих ЭЛТ. Они способны передавать чёткое изображение при освещённости всего в 0,1 лк, что вдвое меньше, чем при полной Луне в ясную ночь. Поэтому внестудийные передачи ведутся камерами на суперортиконах.
Рис. 6.29. Формирование сигнала яркости в суперортиконе
6.2.1.5. ВИДИКОН
Видикон – это передающая ЭЛТ с полупроводниковой мишенью , потенциальный рельеф на которой формируется за счёт внутреннего фотоэффекта (рис.6.30).
Рис. 6.30. Формирование сигнала яркости в видиконе
Разработана она в 1950 году в США. Изображение проецируется на фронтальную сигнальную сторону мишени, покрытую очень тонкой металлической плёнкой. Фотоны практически беспрепятственно проходят через металл и поглощаются в полупроводнике. Запрещённая зона и сродство полупроводника таковы, что фотон способен перевести валентный электрон в состояние зоны проводимости, но не способен сообщить ему энергию, достаточную для совершения работы выхода. В результате в полупроводнике образуются свободные электроны и дырки, повышающие его электропроводность. Это и есть внутренний фотоэффект. Под действием э.д.с. электроны перемещаются к металлизированной сигнальной стороне мишени, дырки – к противоположной. Вследствие этого в полупроводнике возникает внутреннее электрическое поле , препятствующее разделению зарядов. В конце концов, образуются стационарные поверхностные заряды – отрицательный на сигнальной поверхности, положительный – на противоположной поверхности полупроводника.
Толщина полупроводника – не более 2 – 3 мкм, поэтому его продольное сопротивление намного больше поперечного, и существенного перетока носителей в плоскости плёнки не происходит. Поэтому на тыльной поверхности мишени формируется положительный потенциальный рельеф, пропорциональный локальной освещённости.
Считывание потенциального рельефа производится медленным электронным лучом, как и в суперортиконе. Но сигнал яркости — позитивный, так как выходной ток образуется теми электронами, которые нейтрализуют потенциальный рельеф.
Главное достоинство видиконов – простота конструкции и миниатюрность при высокой чувствительности. Разработаны видиконы размером ~ . Это позволяет использовать их для микроскопических наблюдений за протеканием процессов, для дистанционного контроля в сложных условиях. Главный недостаток – инерционность, обусловленная низкой подвижностью носителей в полупроводнике.
6.2.1.6. ДРУГИЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ЭЛТ
6.2.1.7. ПРИНЦИПЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Все рассмотренные передающие ЭЛТ выдают сигнал яркости, пропорциональный интегральному потоку излучения. Следовательно, он не содержит информации об относительном вкладе разных участков спектра, то есть о цвете элемента изображения. Такой сигнал яркости позволяет воспроизвести на экране монохромное (чёрно-белое) изображение объекта.
Цветное телевидение базируется на следующем свойстве зрения: любой реальный цвет можно приближённо представить в виде суммы некоторых количеств трёх основных цветов – красного ( R ), зеленого ( G ) и синего ( B ) . Отсюда следует, что информацию о цвете элемента изображения можно получить, если отфильтровать из его спектра вклады красного , зеленого и синего участков и преобразовать их в три независимых сигнала яркости r , g , b (рис.6.31). Эти три сигнала яркости должны быть переданы в эфир и приняты телеприёмником. Реально передаются не r , g и b , а их комбинации , r — Y и b- Y . Это сделано для совместимости монохромного цветного телевидения.
Для передачи трёх сигналов яркости надо было бы три несущих волны. Но оказалось возможным обойтись двумя. Сигнал Y передаётся на основной несущей частоте , модулированной по амплитуде с частотой . В результате возникают две добавочные электромагнитные волны с частотами и . Первую подавляют, а вторую используют для передачи сигналов и . При этом на одной поднесущей частоте передаются оба сигнала. В способе их передачи коренится различие между двумя принятыми в мире системами цветного телевидения NTSC и SECAM .
Рис. 6.31. Формирование сигналов яркости основных цветов
В NTSC поднесущая волна модулируется сигналами и по амплитуде, причём второй из них сдвинут относительно первого на ¼ периода.
В SECAM поднесущая волна модулируется по частоте, а сигналы яркости передаются поочерёдно — во время передачи одной строки, — во время передачи следующей. В приёмнике эти сигналы восстанавливаются для всех строк.
Из сказанного ясно, что системы NTSC и SECAM построены на совершенно разных принципах и не совместимы.
6.2.2 ПРИЁМНЫ ЭЛТ
Приёмные ЭЛТ преобразуют входной электрический сигнал в видимое изображение на экране. Неотъемлемыми конструктивными элементами любой трубки являются электронный прожектор ЭП, отклоняющая система ОС и люминесцентный экран Э, расположенные в вакуумированном стеклянном баллоне (рис.6.32).
Рис.6.32. Приёмная ЭЛТ
Слой люминофора наносится на внутреннюю фронтальную поверхность широкой части баллона. На боковую поверхность широкой части наносится аквадаг А – слой графита, служащий коллектором вторичных электронов, выбитых с экрана. Это предотвращает образование на нём отрицательного заряда, тормозящего электронный луч. Изображение образуется на экране вследствие его катодолюминесценции при бомбардировке электронным лучом.
В зависимости от назначения трубки используются различные способы преобразования электрического сигнала в изображение.
6.2.2.1 ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ЭЛТ
Осциллографические ЭЛТ предназначены для визуализации временной зависимости входного сигнала или амлитудно –фазовых соотношений двух сигналов , с помощью фигур Лиссажу .
Электронный луч в них формируется прожектором триодного типа. Потенциал второго анода, как правило, не превышает 5 кВ. Отклоняющая система – электростатическая. На горизонтально отклоняющие пластины подаётся пилообразное напряжение , под воздействием которого луч перемещается по экрану прямолинейно с постоянной скоростью . При подаче на вертикально отклоняющие пластины сигнала луч воспроизводит график этой зависимости на экране.
В осциллографических ЭЛТ используются только люминофоры с очень коротким временем послесвечения, чаще всего виллемит и вольфрамат кальция . Виллемит люминесцирует зелёным светом, вольфрамат кальция – голубым. Первое предпочтительно при визуальном наблюдении, второе – при фотографировании осциллограмм.
Для осциллографических ЭЛТ характерен ряд особенностей, позволяющих получать качественные осциллограммы.
1. Высокая разрешающая способность. Она обеспечивается фокусировкой луча до диаметра .
2. Высокая скорость записи , под которой понимают максимальную скорость перемещения луча по экрану, при которой испускаемое число фотонов достаточно для их визуальной или фотографической регистрации. Это условие устанавливает соотношение между током луча и частотой развёртки f . Если осциллограмма наблюдается с расстояния , то размер элемента изображения будет
При скорости записи , l – размер экрана, за 1 с облучается площадь . Преобразование электрической мощности луча в поток катодолюминесцентного излучения характеризуется к.п.д. или энергетическим выходом ,
Этот поток испускается с площади S , следовательно, с сечения луча будет испущен поток . Поток изотропен, поэтому сила излучения элемента изображения равна . Для уверенного наблюдения его яркость должна превышать некоторое характерное значение , , откуда (6.25)
Если положить , что в десять раз меньше яркости телеэкрана, , то получим разумную оценку
Из (5.25) следует, что повысить скорость записи (частоту развёртки f ) , без увеличения тока можно, если одновременно повысить ускоряющее напряжение . В осциллографических рубках применяется так называемое послеускорение. Для этого в широкой части располагается третий анод , потенциал которого в несколько раз превышает потенциал второго анода. Для предотвращения искажения поля и ухудшения чувствительности третий анод выполняют в виде высокоомной спирали на внутренней поверхности трубки. Соседние витки спирали образуют иммерсионную линзу. Такие трубки обеспечивают скорость записи .
6.2.2.2. КИНЕСКОПЫ
Кинескоп – это ЭЛТ, преобразующая сигнал яркости в изображение на люминесцентном экране. Яркость изображения должна быть порядка , поэтому электроны луча ускоряются до энергии в десятки кэВ с помощью ЭП тетродного типа. Диаметр луча не превышает 1 мм . Отклоняющая система – магнитная, угол отклонения достигает 60°. Сигнал яркости подаётся на второй анод и, таким образом, модулирует электронный пучок по скорости. В качестве люминофоров используют сульфиды цинка-кадмия, активированные различными элементами. В частности, экран монохромных (чёрно-белых) кинескопов покрыт смесью .
Кинескопы цветного изображения – это, в первом приближении, три монохромных кинескопа в одном баллоне. В горловине располагаются три независимых электронных прожектора. На их вторые аноды подаются выделенные из полного телевизионного сигнала сигналы яркости r , g и b . Луч каждого прожектора должен возбуждать свечение элемента изображения в соответствующем основном цвете. Сложение основных цветов окрасит элемент изображения в его исходный цвет. Обеспечение точности сложения оказалось серьезной проблемой, решение которой далось ценой значительного усложнения кинескопа.
Во-первых, каждый элемент люминесцентного экрана должен состоять из трёх частей, покрытых люминофором красного, зеленого и синего свечения. В первых моделях цветных кинескопов это были так называемые триады – три окружности, вписанные в равносторонний треугольник (рис.6.33).
Рис. 6.33. Экран цветного кинескопа а) и принцип сведения лучей б)
Чтобы правильно окрасить нужный элемент изображения, лучи соответствующих прожекторов должны попасть точно в свою окружность, и ни в коем случае не в соседнюю. Для этого перед экраном располагается металлическая маска – стальная пластина с отверстиями, расположенными над соответствующей триадой. Прожекторы устанавливаются таким образом, чтобы их лучи пересекались точно в отверстии. Маска предотвращает “незаконное” возбуждение элементов триады при сканировании луча, но при этом она перехватывает до 70% электронов, вследствие чего сильно нагревается и деформируется. Поэтому разработка системы сведения лучей, устойчивой к сдвигу отверстий, является весьма сложной задачей. Кроме того, для сохранения требуемой яркости при меньшем токе приходится повышать энергию электронов до 50 – 100 кэВ.
Впоследствии треугольные триады заменили тремя параллельными полосками люминофоров, а маска стала щелевой. Это упростило систему сведения и повысило яркость за счёт уменьшения потерь электронов.
В 1967 году фирмой Sony разработана система Trinitron , в которой вместо щелевой маски применена струнная маска. Она состоит из натянутых перед экраном тонких стальных лент, в промежутках между которым нанесены чередующиеся полоски люминофоров и графита (рис.6.34)
Рис 6.34. Экран кине c копа Trinitron
Вновь разработанные люминофоры позволили получить требуемую яркость при ширине полоски , графитовый разделитель улучшил контрастность изображения. Потери электронов в Trinitron ’ах значительно уменьшены, так как стальные ленты практически их не перехватывают. Кроме того, поверхность экрана у них не сферическая, как в старых моделях, а цилиндрическая, то есть экран более плоский. Радиус кривизны достигает 3,8 м . Цилиндрическая поверхность хуже противостоит изгибным деформациям, однако новые сорта стёкол позволили обеспечить требуемую прочность даже при значительно меньшей толщине стенки колбы ( 17 мм ), чем у монохромного кинескопа (до 45 мм ).
6.3. ПЛОСКИЕ ДИСПЛЕИ