Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа шестнадцатая ГЕНЕРАТОРЫ РАЗВЕРТОК

Незнайкин. — Теперь благодаря объяснениям твоего дядюшки я знаю, как устроены применяемые в телевизорах электронно-лучевые трубки. Я спрашиваю себя, какие же токи, протекая по отклоняющим катушкам, заставляют пятно пробегать по всем строкам кадра. Я даже занялся небольшими расчетами. В телевизоре моих родителей ширина экрана равна 50 см. Следовательно, каждый раз, проходя по одной строке туда и обратно, пятно совершает путь длиной 1 м. При 625 строках, обегаемых 25 раз в секунду, общий путь, проходимый за 1 с, составит 15625 м. При такой скорости наше пятно обежало бы весь земной экватор минут за сорок.

Любознайкин. — Ты учитывал среднюю скорость пятна. На самом же деле она немного ниже во время прохождения строки, а по завершении ее воспроизведения пятно возвращается к началу следующей строки со скоростью, в десяток раз большей.

Н. — Но тогда скорость достигает 150 км/с; фантастическая стремительность!.. При такой скорости наше пятно могло бы за 40 мин достичь Луны. Но вернемся на Землю. Какую форму должны иметь токи, чтобы, протекая по отклоняющим катушкам, они смогли обеспечивать постоянную скорость луча при просмотре строки, а затем такое быстрое возвращение назад? Или же, если отклонение осуществляется электрическими полями, какой формы должны быть напряжения, прикладываемые на отклоняющие пластины?

Л. — В обоих случаях для прохождения пятна по строке нужно иметь токи или напряжения, возрастающие линейно, т. е. пропорционально времени. Затем они очень быстро должны упасть до своего первоначального значения. Вот на этом рисунке воспроизведение строки происходит за отрезок времени t₁, а возвращение пятна занимает время t₂ (рис. 186).

Рис. 186. Форма напряжений, прилагаемых на отклоняющие пластины. Время t₁ движения луча по строке значительно больше времени t₂ затрачиваемого на его возвращение.

Н. — Эта форма напряжения похожа на зубья пилы.

Л. — Именно по этой причине говорят о пилообразных токах или напряжениях.

Н. — А как создают, располагая лишь источником постоянного напряжения, токи или напряжения такой причудливой формы?

Л. — Существует множество разнообразных схем. Все они имеют один и тот же основной принцип: постепенный заряд конденсатора через резистор, а затем его быстрый разряд замыканием накоротко (рис. 187).

Рис. 187. Для получения напряжений пилообразной формы конденсатор С заряжают через резистор R, а затем разряжают, замыкая переключатель.

Н. — Действительно, на твоей схеме я вижу, что э.д.с. Е, заставляя ток проходить через резистор R, заряжает конденсатор С. При этом заряд конденсатора происходит, несомненно, замедленно.

Л. — Скорость заряда тем меньше, чем больше сопротивление резистора R и емкость конденсатора С. Чем выше сопротивление, тем большее противодействие прохождению тока оно оказывает, и чем больше емкость конденсатора, тем большее количество электронов нужно ввести в отрицательную обкладку и снять их с положительной. Вот почему при расчетах учитывают произведение RC, которое называют постоянной времени.

Н. — Я предполагаю, что в конце каждой строки замыкают изображенный на твоей схеме переключатель, что позволяет быстро разрядить конденсатор. И этот же процесс, но только с частотой 50 периодов в секунду, несомненно, применяется в схеме развертки полукадров.

Л. — Безусловно. Но ты, конечно, не сомневаешься, что в генераторах пилообразных сигналов используют не механический переключатель. Существует немало различных электронных способов, использующих для этой цели вакуумные или газонаполненные лампы или полупроводниковые приборы. Но прежде чем заняться изучением этих устройств, рассмотрим, какую форму имеют напряжения, которые наша схема развертки позволяет получить на выводах конденсатора.

Н. — А разве ты не сказал мне о необходимости иметь линейную зависимость напряжения?

Л. — В самом деле, это стремятся получить. Однако, к сожалению, заряд конденсатора через резистор не имеет желаемой формы. В начале заряда ток нарастает слишком быстро. Затем, по мере того как конденсатор заряжается и напряжение на его обкладках повышается, разность между э.д.с. Е и упомянутым напряжением сокращается. Это означает, что разность потенциалов между выводами резистора R убывает. Соответственно снижается и величина протекающего по нему тока.

Н. — Но при таком положении процесс никогда не закончится. Чем больше конденсатор зарядился, тем медленнее происходит дальнейшее накопление заряда.

Л. — Действительно, теоретически это должно продолжаться вечно. Зарядная кривая называется экспоненциальной (рис. 188), а формула, определяющая значение напряжения U в любой момент времени t, имеет вид:

Буквой е обозначают основание натуральных логарифмов. Запомни, что е приблизительно равно 2,718.

Рис. 188. Экспоненциальная кривая показывает нарастание напряжения U на выводах конденсатора, заряжаемого через резистор источником напряжения Е. Используется лишь небольшая часть кривой (t₁), которая по своей форме приближается к отрезку прямой.

Н. — Я не очень силен в математике. Однако я заметил, что по истечении времени t = RC_, т. е. постоянной времени, напряжение U достигает примерно 2/3Е.

Л. — Браво, Незнайкин! И если ты продолжишь свои вычисления, то увидишь, что каждый раз по истечении отрезка времени, равного постоянной времени, это напряжение возрастает на две трети разности между э.д.с. и ранее достигнутым напряжением.

Н. — Да, это все замедляющийся рост, который никогда не заканчивается, так как напряжение конденсатора никогда не достигнет полной величины Е. А если изменить форму этой кривой, чтобы получить прямую линию?

Л. — Ее можно было бы сделать менее изогнутой, подключив последовательно резистору R катушку индуктивности. Но так не делают. Решение проблемы заключается в том, что используют лишь начальный участок кривой, где она почти прямая.

Н. — А что управляет возвращением пятна к началу строк или полукадров?

Л. — Сигнал синхронизации, который при передаче выдается в конце каждой строки и каждого полукадра. Этот сигнал вызывает очень быстрое падение сопротивления электронной лампы или полупроводникового прибора, которое шунтирует конденсатор.

Схема устроена так, что это снижение напряжения может происходить автоматически и повторяться периодически с частотой, чуть меньшей частоты смены строк или полукадров (рис. 189). Это означает, что сигналы синхронизации лишь ускоряют процесс, который все равно бы завершился.

Н. — Не можешь ли ты теперь сказать, как лампа может быстро снизить напряжение.

Рис. 189. Процесс синхронизации схемы развертки. Приходящие на сетку лампы положительные синхронизирующие импульсы вызывают преждевременный разряд конденсатора.

Л. — Посмотри на схему, где изображен газонаполненный триод (рис. 190). Лампа эта наполнена нейтральным газом, таким как аргон, неон или гелий. Ее называют тиратроном. Как видишь, ее промежуток катод — анод включен параллельно конденсатору С, который заряжается через резистор R.

Рис. 190. Генератор пилообразных сигналов на тиратроне.

Н. — Однако я вижу два резистора, включенных последовательно с этим промежутком. Переменный резистор R₃, возможно, служит для подачи на сетку отрицательного относительно катода смещения, этому ты научил меня во время бесед о ламповых схемах. Но какую роль играет резистор R₂?

Л. — Сопротивление этого резистора не превышает несколько сотен ом. Резистор служит для ограничения тока разряда, протекающего через тиратрон, чтобы последний не подвергался разрушению.

Н. — Но я не вижу, что может вызвать разряд.

Л. — Это производит ионизация содержащегося в лампе газа. Когда заряд конденсатора С повышает напряжение на аноде до определенной величины, скорость электронов, притягиваемых анодом с катода, возрастает настолько, что они разбивают молекулы газа. Каждая молекула разделяется на некоторое количество электронов и положительных ионов. Это вызывает мощный ток: электроны идут к аноду, а положительные ионы окружают сетку, притягиваемые ее отрицательным потенциалом.

Н. — Я понимаю, в этот момент сопротивление лампы становится почти равным нулю, что вызывает разряд конденсатора С. Когда в результате этого разряда напряжение анода становится низким, ионизация прекращается, и все начинается сначала.

Л. — Совершенно верно. Но нужно также видеть, какую роль во всем этом играет сетка. Ведь ее потенциал определяет напряжение ионизации промежутка катод — анод. Чем менее отрицательна сетка, тем легче пропускает она электроны с катода к аноду, тем выше их скорость при одном и том же анодном напряжении. Следовательно, ионизация, определяемая скоростью электронов, начинается при менее высоком анодном напряжении.

Н. — Из сказанного я делаю вывод, что, изменяя сопротивление резистора R₃, можно регулировать величину анодного напряжения, вызывающего ионизацию. Иначе говоря, таким образом определяют продолжительность заряда конденсатора С.

Л. — Возникает вопрос, Незнайкин, не съел ли ты в эти дни несколько килограммов рыбы, которая насытила тебя фосфором и сделала столь сообразительным, логичным и умным…

Действительно, изменением сопротивления резистора R₃ регулируют длительность заряда конденсатора С. Но теперь обрати внимание на то, что через конденсатор С₁ на сетку подаются сигналы синхронизации. Это короткие импульсы, делающие сетку положительной.

Н. — Принимая во внимание твои объяснения, я думаю, что эти сигналы поступают на сетку на мгновение раньше того момента, когда тиратрон стал бы ионизированным вследствие достижения напряжения на аноде соответствующей величины. Делая сетку менее отрицательной, эти сигналы снижают величину анодного напряжения, способного вызвать ионизацию. И ионизация немедленно вызывается синхронизирующим сигналом. Не сказал ли я какую-нибудь глупость?

Л. — Ничего подобного. Твой фосфор продолжает действовать эффективно… Поэтому ты легко поймешь, что форму отклоняющих токов можно сделать практически линейной, если нагрузочный резистор R заменить устройством, которое пропускает ток лишь постоянной величины.

Н. — Я совершенно не представляю себе, каким должно быть это устройство.

Л. — Им может быть любой диод, работающий в условиях насыщения. В случае использования лампы предпочтение следует отдать лампе с прямым накалом. Путем регулировки напряжения накала ограничивают количество испускаемых электронов, иначе говоря, определяют максимальную величину тока.

Н. — Нельзя ли использовать пентод, подав на его экранирующую сетку достаточно высокий потенциал, чтобы все электроны доходили до анода, что также сделает ток постоянным.

Л. — Не пытайся получить патент, так как эта идея уже известна и используется в некоторых телевизорах.

Н. — А часто ли газонаполненные лампы используют для быстрого разряда конденсатора?

Л. — Уже много лет эти лампы перестали применять в телевизорах. Они не долго служат, и поэтому их заменили электровакуумными лампами. В настоящее же время в схеме разверток используют преимущественно полупроводниковые приборы.

Н. — Что ты называешь схемой развертки?

Л. — Этим термином обозначают любую схему, создающую напряжения или токи пилообразной формы, служащие для отклонения луча в электронно-лучевых трубках. Вот схема развертки на вакуумном триоде (рис. 191). Ты увидишь здесь знакомый конденсатор С, который заряжается через резистор R и затем очень быстро разряжается через триод.

Рис. 191. Схема развертки, в которой разряд конденсатора С вызывается триодом с приходом на его сетку синхронизирующего сигнала.

Н. — Но этот триод включен как автогенератор, ибо анодный ток через трансформатор наводит напряжение в цепи сетки. Я предполагаю, что между обеими обмотками создается положительная, а не отрицательная обратная связь.

Л. — И ты не ошибся. Но этот генератор выдает совсем не синусоидальные колебания. Это получается потому, что связь между обмотками цепей анода и сетки очень глубокая. По мере того как конденсатор С заряжается через резистор R, напряжение на аноде возрастает, что вызывает увеличите анодного тока, благодаря индуктивной связи он делает сетку все менее и менее отрицательной, а лучше сказать, более положительной. В этот момент внутреннее сопротивление триода становится очень низким, и конденсатор С разряжается через промежуток катод — анод, ставший превосходным проводником.

Н. — Но как этот конденсатор сможет потом вновь зарядиться, будучи накоротко замкнутым триодом?

Л. — Подумай о том, что происходит в триоде, когда сетка становится положительной. Тогда она притягивает часть эмиттированных катодом электронов. А эти электроны заряжают конденсатор С₁, в результате чего сетка очень быстро изменяет полярность и становится отрицательной. Она достигает такого состояния, что анодный ток прекращается и наш триод оказывается запертым или, как иногда говорят, блокированным. Вот почему эта схема называется блокинг-генератором.

Н. — Но он должен немедленно деблокироваться, потому что конденсатор С₁ разряжается через резистор R₁, включенный параллельно с ним.

Л. — Этот разряд происходит медленнее, чем ты предполагаешь, так как резистор R₁ имеет высокое сопротивление. Во время этого разряда конденсатор С вновь постепенно заряжается.

Н. — В итоге мы получаем на этом конденсаторе напряжение, имеющее пилообразную форму. Сначала оно постепенно нарастает, затем вызывает падение внутреннего сопротивления лампы, в результате чего это напряжение быстро падает, потом все повторяется сначала.

Л. — Я вижу, ты хорошо понял, как работает блокинг-генератор. Обрати внимание на то, что синхронизирующие импульсы, поступая на сетку через конденсатор С₂, создают на резисторе R₂ напряжения, делающие сетку более положительной, что вызывает падение внутреннего сопротивления триода на какое-то мгновение раньше, чем это явление произошло бы самостоятельно без сигналов синхронизации.

Н. — Я констатирую, что и здесь применяют тот метод, согласно которому собственный период пилообразных сигналов немного продолжительнее периода вызывающих их импульсов…

А нельзя ли сделать такой блокинг-генератор, заменив вакуумную лампу транзистором?

Л. — Разумеется, можно. Посмотри на соответствующую схему (рис. 192). Ты увидишь, что здесь конденсатор С заряжается через транзистор. В отличие от всех схем, которые ты до сих пор видел, наклонная и относительно длинная сторона зуба пилы создается здесь разрядом конденсатора; заряд же конденсатора, который, как ты увидишь, происходит почти мгновенно, вызывает быстрый возврат луча с конца строки или с конца полукадра.

Рис. 192. Схема блокинг-генератора на транзисторе.

Н. — Я предполагаю, что относительно продолжительный разряд происходит тогда, когда транзистор блокирован; в это время конденсатор С элементарно просто разряжается через резистор R. Что же касается быстрого заряда, то, как я догадываюсь, он вызывается тем, что база транзистора становится достаточно отрицательной, чтобы пропустить от эмиттера к коллектору ток насыщения. Но как происходит здесь блокирование, а затем насыщение транзистора?

Л. — Рассмотрим это, начиная с момента, когда конденсатор С полностью заряжен. Тогда его обкладка, соединенная с эмиттером, имеет дополнительный отрицательный потенциал, блокирующий транзистор.

Обрати внимание на то, что потенциал базы регулируется потенциометром R таким образом, чтобы обеспечить хорошее запирание транзистора. Этот потенциал оказывается устойчивым, ибо в качестве развязки используется электролитический конденсатор С₁ большой емкости.

По мере разряда конденсатора С потенциал эмиттера становится более положительным, благодаря чему через транзистор начинает протекать ток. Проходя по подключенной к коллектору обмотке, этот ток наводит в обмотке, соединенной с базой, напряжение, делающее эту базу более отрицательной.

Н. — Я понял, что происходит! Чем более отрицательной становится база, тем сильнее возрастает ток коллектора, тем больше наводимое им через трансформатор напряжение, делающее базу более отрицательной, тем больше… Но все это, несомненно, происходит очень быстро. Таким путем ток транзистора стремительно достигает насыщения. А конденсатор С почти мгновенно оказывается заряженным. Затем все возобновляется.

Л. — Чтобы рассуждать так хорошо, ты, должно быть, проглотил не форель, а по крайней мере целого осетра, который наполнил твой мозг фосфором… Ты догадываешься, что, регулируя потенциометром R потенциал базы, устанавливают продолжительность периода каждого заряда и разряда конденсатора С. А этот период должен быть чуть больше интервала между синхронизирующими импульсами, которые через конденсатор С₂ подаются на базу. Эти импульсы отрицательные и вызывают насыщение транзистора…

Существует множество других схем разверток. Но у меня не хватает времени объяснить тебе их все. Необходимо знать лишь то, что пилообразные сигналы всегда создаются зарядом и разрядом конденсатора. Я не хочу чрезмерно перегружать твою память. Отдыхай спокойно…