Elektronkiiretoru

Allikas: Vikipeedia
Elektronkiiretoru ehitus:
1 Elektronrelvad
2 Elektronkiir
3 Fokuseerimisvärten
4 Hälvevärten
5 Anood
6 Värvieraldusfilter
7 Luminofoorivad
8 Värvide filter suures plaanis

Elektronkiiretoru (inglise keeles Cathode Ray Tube, lühendatult CRT) on üks elektronseadmete liike, mis on ette nähtud elektriliste signaalide muundamiseks optiliseks kujutiseks.

Tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Optiline kujutis saadakse peene elektronkiire põrkumisel vastu ekraani, mille luminofooriga kaetud kiht jätab elektronkiire liikumise teest nähtava jälje. Elektronikahuris moodustunud peen suunatud elektronkiir liigub ekraanil vastavalt hälvitussüsteemi toimele.

Koostisosad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektronkiiretoru koosneb elektronikahurist, hälvitussüsteemist, ekraanist ja kestast (kolvist).

Elektronikahur koosneb katoodist, tüürelektroodist, mille pingega reguleeritakse elektronkiire voolu, ja teravustus- ehk fokuseerimissüsteemist, mille toimel elektronid koondatakse kiireks.

Hälvitussüsteem, mis paneb elektronkiire ekraanil liikuma, koosneb horisontaal- ja vertikaalhälvitussüsteemist, mille abil on võimalik kiirt juhtida igasse ekraani punkti.

Ekraan moodustatakse kesta sisekülje katmisega fluorestseeriva ainega.

Elektronkiire fokuseerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektronkiirt on võimalik fokuseerida kas elektri- või magnetvälja toimega. Tänapäevastes elektronkiiretorudes kasutatakse ainult esimest. Fokuseerimissüsteemis toimub katoodi emiteeritud elektronide kiirendamine ja koondamine ekraanile fokuseeritud peeneks kiireks. See toimub ebaühtlase elektrivälja abil, mis tekitatakse negatiivselt pingestatud tüürelektroodi ja positiivselt pingestatud anoodide vahel. Tekkiva ebaühtlase elektrivälja abil kujundatakse kahe läätsesüsteemi abil optiline kujutis.

Niisiis koosneb fokuseerimissüsteem nagu kahest läätsesüsteemist. Kumbki süsteem omakordakoosneb koondavast ja hajutavast läätsest. Tervikuna on aga mõlemad läätsesüsteemid koondava toimega.

Esimene läätsesüsteem, mis kujuneb tüürelektroodi ja esimese anoodi vahel, on lühikese fookuskaugusega. Teine läätsesüsteem, mis tekib kahe anoodi vahel, on pika fookuskaugusega (fokuseerib kiire ekraanile). Fookuse reguleerimine toimub esimese anoodi pinge reguleerimisega, mille pinge on 0,125–0,25 V teise anoodi pingest. Teise anoodi pinge poolt tekitatav elektriväli on põhiline elektronide kiirendaja. Tema väärtus sõltub elektronkiiretoru mõõtmetest ja liigist ja on vahemikus 1,5–25 kV.

Elektronid kui samanimelised laengud tõukuvad omavahel. See ilmneb elektronide suurte tiheduse puhul kiires, mil tekib kiire hajumine. Sellest tulenevalt on elektronide poolt "joonistatud" joon ekraanil kiire suure helenduse korral halvemini fokuseeritud. Kuna kiire voolu (heleduse) reguleerimine toimub tüürelektroodi pingega, siis heleduse reguleerimisel kipub muutuma ka fookus. Selle nähtuse vastu aitab täiendava nn. kiirendusanoodi A1 kasutamine, mis paigutatakse tüürelektroodi ja esimese anoodi vahele ja millele antakse püsivalt positiivne pinge.

Hälvitussüsteemid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Füüsika kursusest on teada, et elektronide liikumise trajektoori saab mõjutada nii elektri- kui magnetväljaga. Sellest tulenevalt on olemas nii elektrostaatilised kui ka magnetilised hälvitussüsteemid.

Elektrostaatilises hälvitussüsteemis toimub elektronkiire hälvitamine e. kallutamine (deflection) elektrivälja mõjul. Selleks paigutatakse elektronkiire teele kaks paralleelset plaati, mille pingestamisega tekitatakse elektronkiirt kallutav elektriväli.

Elektronkiire hälvitamiseks nii x- kui y-telje sihis kasutatakse kaht plaatide paari, mis on paigutatud teineteise suhtes risti. Saamaks ekraanil kujutist, mis täpselt järgiks uuritava pinge muutusi, peab kiire nihkumine ekraanil olema võrdeline plaatidel mõjuva pingega. Elektronkiire ekraanil toimuva nihke ja seda põhjustanud pinge suhet nimetatakse hälvitussüsteemi tundlikkuseks

\delta = \frac{\Delta}{U} mm/V

Elektronkiiretorude tundlikkus on tavaliselt 0,2–0,6 mm/V. Tundlikkuse suurendamiseks võib pikendada hälvitusplaate, suurendada hälvitussüsteemi ja ekraani vahekaugust, vähendada plaatide vahekaugust või vähendada anoodpinget (vähendada elektronide liikumise kiirust).

Tegelikult on need võimalused aga piiratud, sest plaatide mõõtmete muutmisega kaasneb fokuseerimise halvenemine; plaatide ja ekraani vahekauguse suurendamine ning anoodpinge vähendamine soodustab aga elektronide hajumist, millega kaasneb kujutise teravuse vähenemine; plaatide vahekauguse vähendamine piirab võimalikku hälvitusnurka.

Ainsaks kasutatavaks tundlikkuse suurendamise võimaluseks on murtud kujuga hälvitusplaatide kasutamine, millega hälvituse tundlikkus suureneb 1,5–2 korda. Elektronkiire magnetiliseks hälvitamiseks paigutatakse toru kaelale kaks paari mähiseid nii, et nad oleksid teineteise ja toru telje suhtes risti.

Ühistelgsed mähised ühendatakse järjetikku ja nende poolt tekitatud magnetväli hakkab mõjutama kiire hälbenurka. Sealjuures hälvitab horisontaalne magnetväli Hx kiirt verikaalsuunas ja vertikaalne magnetväli Hy horisontaalsuunas. Võrreldes elektrostaatilise hälvitussüsteemiga on magnetilise süsteemi energiatarve suurem ja kasutatavad laotussagedused madalamad. Seevastu on aga kergem saavutada suuri hälvitusnurki.

Ekraanid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ekraani tähtsaimaks osaks on fluorestseeriva aine kiht. Selleks kasutatakse mitmesuguseid metalliühendeid: tsinksulfiidi, tsinksilikaati (villemiiti), kaltsiumvolframaati jne. Sealjuures lisatakse põhimaterjalile aktivaatoritena 0,001–1% mitmesuguseid metalle (vaske, hõbedat, vismutit jne). Kasutatavad ekraanimaterjalid erinevad teineteisest põhiliselt kolme parameetri poolest. Nendeks on valgusandlikkus, järelhelenduse kestus ja helenduse värvus.

Valgusandlikkus on ekraani valgustugevus kiire võimsusel 1 W. See parameeter ei ole konstantne, vaid sõltub elektronide kiirusest (anoodpingest) ja kiire voolutugevusest. Kasutatavate materjalide valgusandlikkus on 0,17–17 cd/W.

Järelhelenduse kestus on ajavahemik, mille vältel ekraani heledus pärast elektronkiire kustumist langeb 1%-ni esialgsest. Kasutusotstarbest sõltuvalt võib järelhelenduse kestus olla mõnest mikrosekundist kümnete sekunditeni.

Helenduse värvus sõltub otseselt fluorestseerivast ainest ja tema kiirgusspekter on üsna kitsas. Seepärast kasutatakse sageli sobiva helendusega värvuse saamiseks mitmete ainete segusid. Nii näiteks annavad tsinksulfiid ja villemiit rohelise helenduse, kuid esimesel on järelhelendus pikk, teisel aga lühike. Valge helenduse saamiseks kasutatakse tsinksulfiidi ja tsinkkaaliumi segu, mis on aktiveeritud kaadmiumi ja hõbedaga. Arusaadavalt on kasutatavad luminofoorimaterjalid sageli firmasaladusteks.

Kuna ekraanile langeb töötades pidevalt elektrone, siis peaks ekraan laaduma negatiivselt. Tegelikult aga esineb sekundaaremissioon ja selle tulemusena laadub ekraan hoopis positiivselt. Ekraanilt sekundaaremiteerunud elektronid liiguvad positiivselt pingestatud anoodile. Sekundaaremiteerunud elektronide kiirus on aga ekraani läheduses väike ja tekib ruumilaeng, mis hajutab elektronkiirt. Ruumilaengu kõrvaldamiseks kaetakse toru sisekülg voolujuhtiva grafiitemulsiooni kihiga (akvadaagiga), mis ühendatakse teise anoodiga. Kasutatakse ka alumineeritud ekraani. Alumineeritud ekraani puhul kaetakse ekraani sisekülg õhukese, elektronidele "läbipaistva" alumiiniumi kihiga. Et elektronid suudaksid alumiiniumikihti edukalt läbida, kasutatakse kõrgemat anoodpinget.

Ekraanile langevate elektronide energiast muutub valguseks 2–3%, ülejäänu aga kuumutab ekraani. Kuumenemise tulemusena luminofoor vananeb ja ekraan tuhmub. Samuti võib tugeva vooluga paigalseisev kiir ekraani langemispunktis "läbi põletada". Seepärast on ekraani säilitamise eesmärgil soovitav kasutada võimalikult väikest heledust.

Ostsilloskoobid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ostsilloskoobitorud on elektronkiiretorud, mida kasutatakse ostsilloskoopides kiiresti muutvate pingete ja voolud jälgimiseks. Suurema sagedusega tööpiirkonna tagamiseks kasutatakse neis elektrostaatilist hälvitussüsteemi.

Muutuvate pingete uurimisel rakendatakse uuritav pinge y-teljelistele plaatidele, x-teljelistele plaatidele aga antakse ajaliselt lineaarse laotuse saamiseks hammaspinge. Hammaspinge tõusu kestel kaldub elektronkiir perioodiliselt vasakult paremale ja langu kestel kiiresti tagasi. Kui hammaspinge periood on võrdne või kordne uuritava pinge perioodiga, saame olukorra, kus üksikute perioodide jäljed satuvad pealekuti ja ekraanil tekib jälgimiseks sobiv seisev kujutis.

Kasutatavamaks ekraanimaterjaliks on villemiit, mis võimaldab jälgida protsesse alates sagedusest 10–20 Hz. Väiksema sagedusega protsesside jälgimiseks kasutatakse pikema järelhelendusega ekraane. Eriti pika järelhelendusega ekraanidega ostsilloskoobitorusid saab kasutada kiirete, kuid väikese kordussagedusega või korrapäratute järgnevustega nähtuste jälgimiseks. Mäluga ostsilloskoopide kasutuseletulek on aga nende vajadust järsult vähendanud.

Ostsilloskoobitoru ülemine sageduspiir on küllalt kõrge. Ta on määratud elektronide lennuajaga hälvitussüsteemis ja samuti parasiitmahtuvuste ja juhtmete induktiivsuste toimega. Suurtel sagedustel jõuab hälvituspinge juba muutuda selle aja vältel, mille kestel elektronid on hälvitussüsteemis. Praktiliselt avaldub kirjeldatud nähtus elektronkiiretoru tundlikkuse vähenemises kõrgematel sagedustel. Ülemine sageduspiir on tavalistel ostsilloskoobitorudel kuni 150 MHz ja eriti kõrgetele sagedustele konstrueeritud torudel kuni 1 GHz.

Valmistatakse ka mitme kiirega ostsilloskoobitorusid, mida saab kasutada mitme üheaegse protsessi jälgimiseks. Mitme kiirega ostsilloskoobitorus on ühisesse kesta paigutatud mitu elektronikahurit ja hälvitussüsteemi, kiired aga juhitakse ühisele ekraanile, kus näemegi üheaegselt jälgitavaid protsesse.

Mustvalged kineskoobid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kineskoopideks (Picture Tube) nimetatakse televiisorites kasutatavaid elektronkiiretorusid. Kujutise saamiseks liigub kineskoobis elektronkiir rida realt läbi kõik ekraani punktid. Vastavalt ülekantavale kujutisele tüüritakse samaaegselt ka kiire heledust tüürelektroodile (modulaatorile) antava videosignaali pingega. Ekraanil tekivad erineva heledusega täpid, mille kogum loobki kujutise.

Kiirelt liikuvate kujutiste ülekandmiseks on elektronkiire liikumise kiirus väga suur. Samal põhjusel peab ekraani järelhelenduse kestus olema piisavalt lühike (<0,l s). Sealjuures on nõudeks,et helenduv täpp oleks väike ja säilitaks oma teravuse igas ekraani punktis. Kineskoobi ekraan peab olema küllalt suur ja ristkülikulise kujuga. Et kineskoop ei kujuneks suure ekraani korral liiga pikaks, kasutatakse suuri hälvitusnurki ja seepärast kasutataksegi kineskoopides seni eranditult magnetilist hälvitussüsteemi.

Lineaarse laotuse saamiseks peab hälvitussüsteemi poole läbima hammasvool. Laotuseks vajaliku homogeense magnetvälja saamiseks on mähised küllaltki keeruka kujuga ja nende toimet korrigeeritakse veel püsimagnetitega, mis paiknevad kineskoobi kaelal. Fokuseerimissüsteemis kasutatakse kineskoopidel kiirendusanoodiga süsteemi, kusjuures esimest anoodi nimetatakse teravduselektroodiks. Ekraanidena kasutatakse alumineeritud ekraane, mille iga on pikem. Suurema mehaanilise tugevuse tagamiseks on mõnikord kineskoopide kestad osaliselt metallist.

Värvilised kineskoobid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Värvikineskoobi ekraanil moodustub värviline kujutis kolme põhivärvi kooskiirgusest: punane (tähis R – "red"), roheline (tähis G – "green") ja sinine (tähis B – "blue"). Igale värvusele on oma elektronkiir ja luminofoorielemendid. Eri kahurite katoodide kütteniidid on ühendatud paralleelselt, kuid iga värvi katood on eraldi välja toodud, ühine on heleduse modulaator ning ühised on ka fokuseerimiselektroodid.

On olemas kaks põhitüüpi värvikineskoope: aukmaskiga ja pilumaskiga. Aukmaskiga kineskoobis paiknevad eri värvi kiirte elektronikahurid võrdkülgse kolmnurga tippudes. Ekraanil on eri värvi luminofooride mosaiik ja selle ees aukmask, mis tagab, et õiget värvi kiir satuks õiget värvi mosaiiktäpile. Mosaiiktäppide arv võrdub aukude arvuga ja mida suurem on see arv, seda teravam on tekkiv kujutis.

Pilumaskkineskoobis paiknevad kolm eri värvi elektronikahurit ühes horisontaalreas, nii et ka nendest väljuvad elektronkiired on ühes tasapinnas. Ekraan koosneb eri värvi luminofooritriipudest. Need on paigutatud nii, et moodustavad kolmest triibust koosnevad triaadid RGB. Kiirte langemiseks täpselt triaadile ja selliselt, et iga kiir tabaks õiget luminofoori, on ekraani sisepinnast umbes 1–5 mm kaugusel pilumask. See on metall-leht, milles iga triaadi kohal on pilu. Pilud ja neile vastavad triaadid paiknevad astmeliselt. Luminofoor võib ekraanil paikneda ka ribadena. Normaalsel vaatamiskaugusel triaadide värvused liituvad ja silm tajub neid sõltuvalt eri värvi triipude heleduse vahekorrast mingi kindla värvusena.

Hälvitusmähised paigaldatakse ja reguleeritakse kineskoopide valmistaja poolt ja ainult korrigeerimismagnetid kineskoobi kaelal reguleeritakse televiisori valmistaja poolt.

Kuvaritorud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuvaritorud (Display Tube) on kineskoopide eriliigiks, mille eripära tuleneb nende kasutamise iseärasustest. Põhiline erinevus on selles, et arvuti kasutaja vaatab kuvari ekraani palju ligemalt kui televaataja. Sellest tulenevad kiirguse ja ka kujutise teravuse erinõuded. Ka on kuvaritorud reeglina väiksema ekraanidiagonaaliga, kusjuures kasutatakse nii aukmaski kui ka ribamaskiga torusid.

Kujutise teravuse ehk lahutusvõime määrab ekraanile kantud pildipunktide ehk pikslite üldarv. Selleks on reas olevate pildipunktide arv korrutatud ridade arvuga. Iga pildipunkt moodustub kolmest ekraani sisepinnal olevast erivärvilisest luminofooritäpist või kolmest kõrvutisest luminofooririba lõigust. Lahutusvõime ja kujutise teravus on seda suurem, mida väiksemad on pildipunktid. Nende suurus on tavaliselt 0,25–0,41 mm. Pikslite koguarv sõltub sellest, mis otstarbeks on antud kuvar tehtud.

Kuvari tähtsaks parameetriks on ka vertikaalhälvitus ehk kaadrisagedus. See näitab, mitu korda sekundis joonistab elektronkiir ekraanile kujutise. Kaadrisagedus on tavaliselt 60 Hz või rohkem. Mida suurem on sagedus, seda vähem väreleb kujutis. Ekraanilt valguse peegeldumise vähendamiseks on kallimate kuvaritorude pind kaetud spetsiaalse helkimisvastase aine kihiga.

Kuvari ekraan kiirgab infrapunast, raadio- ja röntgenkiirgust ja tekitab ka elektrostaatilist välja. Kiirgustasemed on kuvaritel normeeritud ja kiirguse vähendamiseks kasutatakse ekraanifiltreid, mis võivad olla ka kuvarisse sisse ehitatud. Uuemad nn LR-kuvarid (LR – Low Radiation) täiendavaid filtreid ei vaja.

Elektronkiiretorude tähistamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Nii nagu teistel seadistel, võib ka elektronkiiretorudel kohata valmistajafirmast ja -maast sõltuvalt erinevaid tähistussüsteeme.

Philipsi süsteem[muuda | redigeeri lähteteksti]

Firma Philips tähis on neljaelemendiline, kus esimeseks elemendiks olev täht määrab toru liigi, teiseks elemendiks olev number ekraani diameetri sentimeetrites, kolmas element sidekriipsu järel on registreerimisnumber ja neljandaks elemendiks olev täht määrab luminofoori liigi, näiteks A51-590X.

Ameerika süsteem[muuda | redigeeri lähteteksti]

Küllalt levinud on ameerika süsteem. Sel puhul koosneb tähis kuuest elemendist: esimene on täht, mis määrab toru liigi (A – kineskoop, M – monitor); teine on arv, mis väljendab ekraani diagonaali; kolmas on kolmetäheline tähis, mis määrab toru iseärasused ja ka tarnija; neljas element on kahekohaline arv, mis määrab modifikatsiooni; viies element on täht, mis määrab luminofoori (X – värviline, M – monokromaatne); viies element on kahekohaline number, mis määrab toru komplekteerituse. Näiteks: A51KAS40X02.

Vene süsteem[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vene tüübitähis koosneb neljast elemendist: esimene on arv, mis väljendab ekraani diagonaali või diameetrit sentimeetrites; teine element on kahetäheline ja ta määrab toru kasutusala ( K – kineskoobid, O – ostsilloskoobitorud); kolmas element on tüübi number; neljas element on täht, mis iseloomustab ekraani omadusi (I valge, U – kolmevärviline mosaiik). Näiteks: 43 K2 .