Princpy elektrniek

kap 24

24 PRINCPY ELEKTRNIEK Elektrnky s vkuov elektronick siastky zaloen na veden a riaden elektrickho prdu vo vkuu. Nosimi prdu s elektrny. V evakuovanej sklenenej, keramickej alebo kovovej banke je tlak cca 10-4 Pa.

Elektrnky prevaj v takch aplikcich, pre ktor nie s vhodn polovodiov prvky. S to hlavne - vkonov stupne vysielaov - mikrovln aplikcie (klystrny, magnetrny, permaktrny) - optick vstupy a vstupy (snmacie elektrnky, obrazovky) - plynov lasery. 24.1 Fyziklne princpy elektrniek Pri T= 0 K me energia elektrnu dosiahnu maximlnej rovne Fermiho hladiny WF.

Aby elektrn opustil povrch materilu (napr. kovu) mus nadobudn celkov energiu W= WF + WVP (24.1) kde WVP je energia vstupnej prce Elektrnov emisia existuje ako - tepeln emisia (termoemisia) - fotoemisia - sekundrna emisia - elektrostatick (studen) emisia pri vysokch intenzitch elektrickho poa E. Pre innos elektrniek m najv vznam termoemisia. Pri ohreve katdy K vznik emisn prd Im , ktor poda Richardson-Dushmannovho vzahu je

kTW

2m

VP

e.T.S.AI= (24.2)

priom A emisn kontanta materilu S aktvna plocha katdy k Boltzmannova kontanta Poetnos a rozdelenie elektrnov v blzkosti eravej katdy v zvislosti na teplote ilustruje obr. 24.1.

2100 K 2300 K 2500 K

Obr. 24.1. Hustota emitovanch elektrnov pri rznych teplotch katdy [1]

a) b)

Ukzalo sa, e optimlne emisn vlastnosti vykazuj katdy z kovovho jadra, pokrytho kyslinkmi barya a stroncia. Emitujce katdy pre jednosmern eraviaci prd bvaj priamo eraven, katdy eraven striedavm prdom s nepriamo eraven. Schma priamo a nepriamo eravenej katdy je na obr. 24.2. S to schmy didy.

Obr. 24.2. a) Priamo eraven katda a b) nepriamo eraven katda

ELEKTRONIKA strana 24 - 1

Princpy elektrniek

24.2 Typy elektrniek 24.2.1 Dida Kladn anda priahuje elektrny. Schma nepriamo eravenej didy a priebeh andovho prdu IA v zvislosti na andovom napt voi katde s na obr. 24.3 a 24.4.

Nbehov prd

IA Prd priestorovho nboja

Saturcia

0 +UA -UA

P

UA

IA

+

Katda

eravenie

Anda UA

-

Obr. 24.3. Schma didy Obr. 24.4. Priebeh IA v zvislosti na UA

Zvislos IA na UA mono vyjadri vzahom

23

AA U.kI = (24.3)

V pracovnom bode P ns zaujma strmos charakteristiky didy, ktor je (pri malch UA a IA ) S(P) = IA / UA ( P = kont.) (24.4) R = U / I (P = kont.) (24.5) i A A

Dida sa pouvala ako usmerovacia a detekn elektrnka. 24.2.2 Trida Malmi zmenami naptia riadiacej mrieky UG mono inne riadi vekos IA. Zkladn zapojenie jednostupovho zosilovaa s tridou je na obr. 24.5.

uvst

Anda

Katda RZ

+

UAUG

+

IA

C2

Mrieka C1

Rg

IA[mA]

UA UA [V]

P

5

4

3

2

1

0

RZ=82k

IA400 300 200 100

+

uvst

Obr. 24.6. Andov charakteristiky tridy so zaaovacou charakteristikou

Obr. 24.5. Schma tridovho zosilovaa Strmos tridy S = IA/ UG (UA = kont.) (24.6)

strana 24 - 2 ELEKTRONIKA

Princpy elektrniek

kap 24

Dynamick odpor Ri = UA / IA (UA = kont.) (24.7) Prienik D = UG / UA (IA = kont.) (24.8) Zosilovac inite naprzdno = 1/ D = UA/ UG (IA = kont.) (24.9) Je zrejm, e S R D =1 o je znmy Barkhausenov vzah. (24.10) T r i d o v z o s i l o v a :

Ri

RZ

+ A M u1

K u1

u2

Obr. 24.7. Nhradn schma tridovho zosilovaa Vpoet zosilnenia A tridovho zosilovaa

A = u2 /u1 = ( iA RZ ) / u1 = R Z / (Ri+ RZ) (24.11) mono uvaova za kontantu, Ri sa men poda pracovnho bodu.

Zporn predptie mrieky: v obr. 24.5 sa pre urenie vhodnho pracovnho bodu zabezpeovalo zdrojom naptia UG.

Vhodnejie je automatick predptie poda obr.24.8.

RZ

+

UACKRKuK

IA

C1

u1 Rg

Zporn predptie uK sa vytvra prietokom katdovho prdu IK (priom IK = IA) cez rezistor RK uK = RK IK (24.12)

uvst Cez rezistor Rg polarizuje sa mrieka G na uK voi katde. Kondenztor C zabrauje vzniku zpornej sptnej vzby pre prenan frekvencie. Obr. 24.8. Automatick predptie

Zkladn zapojenia tridy S mon 3 zkladn zapojenia tridy: 1. Najastejie je zapojenie so spolonou katdou (obr.24.5 a obr. 24.8). 2. asto sa vyuva zapojenie so spolonou andou (katdov sledova) ktor realizuje pri A < 1 impedann prispsobenie vysokoohmovho vstupu k nzkoimpedannmu vstupu . 3. Zapojenie so spolonou mriekou, ktor je pouvan len ojedinele.

Pre zabrnenie vplyvu medzielektrdovch kapact a najm CAG, ktor pri zosilovan vf signlov mu

spsobi nestabilitu zosilovaov, bola vyvinut tetrda (medzi riadiacu mrieku G1 a andu bola vloen

ELEKTRONIKA strana 24 - 3

Princpy elektrniek

tieniaca mrieka, pripojen na kladn naptie) a neskr pentda, u ktorej okrem tieniacej mrieky bola zabudovan aj brzdiaca mrieka (supresor) pre zamedzenie sekundrnej emisie z andy. Schma pentdy a jej andovch charakteristk s na obr. 24.9.

u1 RZ

+Rg

u2

C1

IA

RKCK

uK UA

RZ

CK

RG2

IA [mA]

Pmax

0

Ug =1V

Ug =2V

Ug =3V

Ug =4V

Ug =5V

UA [V]

Supresor

Tieniaca mrieka

Obr.24.9. Zosilova osaden pentdou a andov charakteristiky pentdy 24.3 Mikrovln elektrnky Pre zosilovanie a generovanie signlov v psme 3.102 MHz a 103 GHz sa stva kritickou doba preletu elektrnov medzi K a G a medzi G a A, uplatuj sa medzielektrdov kapacity a induknosti prvodov a tepeln um obmedzuje citlivos vvf irokopsmovch zosilovaov. Pre uveden frekvenn psma boli vyvinut: A) Mriekov elektrnky a to - majkov tridy (Pmax cca 1W, fmax do 3GHz) - keramick elektrnky (Pmax a desiatky W, fmax do 5GHz) - aluov tridy s radilnymi vvodmi (fmax do 0,5 GHz)

- tridy s plochmi elektrdami, ktor bvaj sasami vlnovodov (do 4GHz) a rezontorov. B) Elektrnky s rchlostnou modulciou Miesto hustotnej modulcie toku elektrnov sa u tchto elektrniek vyuva rchlostn modulcia.

Pre zosilovanie vvf signlov s vhodn - Permaktrny (Traveling Wave Valve, LBV) vyuvaj vmenu energie medzi zvzkom rchlych elektrnov a vvf poom medzi vstupom a vstupom.

Poda [24.1] na 4 GHz dosahuje permaktrn f a 800 MHz. - Klystrny prieletov a reflexn

najastejie s genertormi cm a mm vn malch a strednch vkonov. Podrobn popis v rmci tejto kapitoly nie je mon, zujemca ho njde v [1].

B) Magnetrnov osciltor V podstate je magnetrn didou. Katda je umiestnen vo valcovom telese andy. Drhy elektrnov, emitovanch z katdy s ovplyvovan mohutnm statickm magnetickm poom tak, e pohyb elektrnov je cyklotrnny. Najastejm je dutinov magnetrn, u ktorho vznikaj mikrovln kmity psoben elektrnmi rotujcimi v priestore medzi K a A. Dutinov magnetrny s osciltormi pre dm, cm a mm vlny. Typick je impulzn reim magnetrnu (napr. v RADARE). V dm psmach poskytuj magnetrny vkony a desiatok MW, v cm psmach jednotky MW a v mm psmach stovky kW. Zujemca s a me oboznmi podrobnejie s magnetrnmi napr. v [1]. 24.4 Princpy obrazoviek

strana 24 - 4 ELEKTRONIKA

Princpy elektrniek

kap 24

Vkuov obrazovky vyuvaj princpy elektrnovej optiky a elektrnovej balistiky. Princp obrazovky s elektrostatickm vychyovanm je na obr. 24.10. Vo valcovej asti sklenenej evakuovanej banky (v tzv. hrdle obrazovky) je systm elektrd zabezpeujcich emisiu elektrnov a ich sstredenie do zkeho zvzku. Asi v polovici dky obrazovky prechdza valcov as banky v as kueov. Dno kuea tvor priehadn tienidlo, na ktorom je z vntornej strany nanesen vrstvika luminofru. Dopad elektrnov, ktor maj dostaton rchlos, vytvor na tienidle sveteln stopu. Riadenm m n o s t v a dopadajcich elektrnov v elektrnovom zvzku, /modulciou tohto zvzku/ mono ovplyvni jas svetelnej stopy; spolu s elnm usmernenm zvzku elektrnov a jeho modulciou mono vytvra tmav a svetl asti obrazu. Princp vkuovej obrazovky je teda zaloen na monosti

- vytvori zky zvzok elektrnov so znanou rchlosou, - riadi ich smer, - zviditeni stopu elektrnovho zvzku na tienidle. Pre realizciu tchto konov mus ma obrazovka vkonn zdroj elektrnov [v obr. 24.10 je to

elektrnov tryska (angl. electron gun), ktor je tvoren nepriamo eravenou katdou K]. Katda je obklopen lesklm valekom, zabraujcim reniu tepla do okolia. Cel tto as obklopuje riadiaca mrieka RM, ktor m slabo zporn alebo mierne kladn potencil voi katde. Zo stredovho otvoru riadiacej mrieky vyletuj elektrny do systmu elektrnovej optiky. Tento systm je tvoren kladnou andou Al, zaostrovacou elektrdou ZE a druhou andou A2. A2 je pripojen na vysok kladn naptie. Vhodn nastavenie kladnch napt na tchto elektrdach umouje vytvorenie zkeho elektrnovho zvzku. Zvzok elektrnov prelieta najskr medzi vychyovacmi dotikami D1 a D2. Naptie medzi D1 a D2 vychyuje elektrny v zvislej rovine. V [1] je odvoden vzah pre vychlenie na tienidle obrazovky: vekos vychlenia je mern vzdialenosti dotiiek od tienidla, dke dotiky a vekosti vychyovacieho naptia. Nepriamo mern je vzdialenosti medzi dotikami a vekosti naptia na ande. Elektrnov zvzok potom prechdza medzi dotikami D3 a D4, ktor s kolm na prv pr a teda vychyuj elektrny vo vodorovnej rovine. Elektrnov zvzok, ktor bol ovplyvnen obidvoma vychyovacmi systmami vykresl na tienidle v ase bod alebo krivku, odpovedajci vychyovacm naptiam. Na kueovej asti obrazovky je krok PK, na ktor sa pripoj najvyie kladn naptie , ktor urchuje elektrny. Na obr. 24.10 je najvyie kladn naptie pripojen na zem, aby nehrozilo nebezpeie razu pre obsluhu zato katda obrazovky je voi zemi na plnom zpornom napt. Vntro kueovej sklenenej banky bva pokryt vodivm povlakom spojenm s andou, aby sa na skle nemohli vytvra nboje, ktor by rozptyovali elektrnov zvzok.

T

PK

D3

D2 D4KT

+

A

D1A2 ZERM A1

Obr.24.10. Rez obrazovkou s elektrostatickm vychyovanm Na obr. 24.11 je znzornen princp obrazovky s magnetickm vychyovanm. Vychyovanie

elektrnovho zvzku je zabezpeen prienym magnetickm poom , vytvorenm dvoma prmi cievok, ktorch osi s na seba kolm /na obr. 24.11 je zakreslen len jeden pr cievok/. Zatia o katdov systm tejto obrazovky je celkom obdobn systmu s elektrostatickm vychyovanm, vlastn systm elektrnovej optiky je jednoduch. Obsahuje: - urchovaciu elektrdu s cca +220 V /UE/ - zaostrovaciu elektrdu ZE s cca +800 V.

ELEKTRONIKA strana 24 - 5

Princpy elektrniek

Vntro kueovej banky m rovnak potencil vaka vodivmu povlaku, priom tto plocha je spojen so zemou a najvym kladnm potencilom. Jas svetielkujcej stopy je ovldan modulanm naptm z obrazovho zosilovaa, ktor je zapojen na katdu obrazovky.

Obr.24.10. Rez obrazovkou s elektromagnetickm vychyovanm

A

T

R UE ZE

KT

24.4.1 iernobiela televzna obrazovka

Jedn sa o obrazovku s magnetickm vychyovanm elektrnovho zvzku. V hrdle obrazovky je elektrnov tryska, pomocou dvoch elektrnovch ooviek s elektrny

sstreovan do zvzku a zaostrovan na tienidlo pokryt zvntra luminofrovou vrstvou /tzv. fosforom, o vak nem s prvkom fosfor svislos/. Poloha stopy elektrnovho zvzku na tienidle je ovldan dvojitou sstavou vychyovacch cievok a jas stopy je riaden modulanm naptm, privedenm z obrazovho zosilovaa na katdu obrazovky.

Prv oovku vytvra riadiaca mrieka G1 a druh mrieka G2. Na katde je cca +100 V, na riadiacej mrieke G1 sa naptie men poda nastaven jasu od 20 V do +50 V. Druh mrieka G2 m naptie 300 a 400 V a ovplyvuje vekos andovho prdu. Andov naptie je 10 a 18 kV. Andov naptie sa privdza andovm prvodom umiestnenm na knuse obrazovky tento je spojen s vodivm povlakom vntornej asti knusu. Prklad zapojenia iernobielej televznej obrazovky je na obr. 24.12.

ostrenie

T1

snmkov impulzy

P1

+400V

G1

G2

+18kV

C1

+150V

+100V

D1

signl

VIDEO

V

riadkov transformtor

H

D2

R1 jas P2

95V

+160V

Obr.24.12. Napjanie obrazovky jednosmernmi a striedavmi

naptiami [2]

24.4.2 Princp obrazovky pre farebn televziu

Ako je znme z fyziky, biele svetlo je vytvoren stom energi vetkch farebnch zloiek svetelnho

spektra. Biele svetlo vak me by vytvoren aj vhodnou kombinciou menieho potu farieb spektra.

strana 24 - 6 ELEKTRONIKA

Princpy elektrniek

kap 24

Pre reprodukciu farebnho obrazu obrazovkou s to farby: erven /R/, zelen /G/ a modr /B/. Pri stovom miesen tchto farieb a pri ich uritch energich vznik vsledn biele svetlo. U obrazoviek pre reprodukciu farebnho obrazu musia preto by na tienidle mnoiny drobnch kruhovch

alebo psikovch pliek tvorench luminofrmi pre R, G a B farby, ktor sa na tienidle pravidelne striedaj. Ak oiarime sasne vetky tri luminofry /R,G,B/, dostaneme biele svetlo. Pri oiaren len R a G luminofrov je vsledn farba lt a pod.

Z uvedenho vyplva, e obrazovka pre reprodukciu farebnho obrazu mus zabezpei stov zmieanie zkladnch farieb, aby mohol by vytvoren farebn obraz.

Tto obrazovka m: tri elektrnov trysky /R,G,B/ tri rznofarebn iariace mnoiny luminofrov na tienidle.

Poda priestorovho usporiadania elektrnovch trysiek a poda toho, ako je rozdelen tienidlo na drobn

R,G,B plky, rozliujeme niekoko druhov farebnch obrazoviek. Najvznamnejou skupinou s obrazovky s t i e n i a c o u m a s k o u .

K nim patr star typ d e l t a a novie typy i n l i n e a t r i n i t r n . Zasiahnutie luminofru len uritej farby umouje tieniaca kovov maska s otvormi, ktor je asi 17 mm pred tienidlom. Otvory v tejto maske prepustia len urit as elektrnovho zvzku z uritej trysky, na erveno svietiaci lumifr dopadaj elektrny len z trysky, ktor je ovldan signlom ervenej farby R at. Smery elektrnovch zvzkov z jednotlivch trysiek je nutn pri nastavovan farebnej obrazovky nastavi vonkajmi zariadeniami na hrdle obrazovky. Podrobnosti o usporiadan trysiek, otvorov v maske a rozmiestnen luminofrov pre typy delty, in line a trinitrn ako aj jednotliv postupy pri nastavovan tchto obrazoviek s popsan napr. v [2]. Pre potrebn jas farebnho obrazu vyaduje tto obrazovka andov naptie cca 25 kV. Naptie konvergennej elektrdy u trinitrna sa bli vekosti andovho naptia. Zaostrovacia elektrda m 5 a 7 kV. Obrazovky in line a trinitrn maj na druhej mrieke 500 a 800 V. Literatra ku kapitole 24.6 [1] STRNSKY, J.: Zklady radiotechniky I,

Technicko - vdeck vydavatelstv Praha 1952 [2] VT, V.: Zklady televzn techniky,

SNTL Praha, 1987

ELEKTRONIKA strana 24 - 7