Беседа шестая ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГЕНЕРАТОРОВ РАЗВЕРТКИ

Беседа шестая

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГЕНЕРАТОРОВ РАЗВЕРТКИ

Существует большое разнообразие генераторов развертки. Их схемы часто довольно просты, но принципы работы могут, наоборот, оказаться достаточно сложными. Тем не менее Незнайкину удается понять терпеливые объяснения Любознайкина, касающиеся генераторов развертки с газоразрядными лампами. Попутно наши друзья затрагивают проблемы синхронизации и линеаризации колебаний, генерируемых развертками. Таким образом, в беседе будут затронуты следующие вопросы: три основных элемента развертки; газоразрядный триод; генераторы развертки на тиратроне; коэффициент сеточного управления; регулировка амплитуды колебаний; синхронизирующие импульсы; начало разряда; линеаризация насыщенным диодом; линеаризация пентодом; использование ламп с противоположной кривизной характеристики.

НЕЗНАЙКИН ПИШЕТ ЛЮБОЗНАЙКИНУ

Дорогой Любознайкин!

Всякое терпение имеет границы. В конце нашей последней беседы мое терпение окончательно истощилось. Ты занял по отношению ко мне оскорбительно насмешливую позицию. Сколько раз, уже после того как ты подробно объяснял какое-нибудь устройство, ты вдруг заявлял, что в телевидении оно не применяется. Так именно ты поступил в отношении механических систем передачи изображений и в отношении электронно-лучевых трубок с электростатическим отклонением.

И в довершение всего ты мне весьма мило объяснил действие генератора развертки с неоновой лампой, который, как ты мне заявил в конце беседы, никогда не используется в телевидении.

К чему же тогда продолжать? Не удивляйся же, если ты меня не увидишь в обычное время.

Твой опечаленный Н.

ЛЮБОЗНАЙКИН ОТВЕЧАЕТ НЕЗНАЙКИНУ

Дорогой Незнайкин!

Твое письмо показывает, что ты обижен. Я этим очень огорчен. Но ты ошибаешься, полагая, что я издеваюсь над тобой.

Это верно, что мне случалось рассказывать тебе об устройствах, которые больше не применяются, а иногда и вообще не применялись в телевидении. Но, поступая так, я вовсе не заставлял тебя понапрасну терять время, ибо их анализ в значительной степени облегчал тебе понимание более сложных устройств.

В частности, это относится к генератору с неоновой лампой. Его не применяют потому, что амплитуда его колебаний не может регулироваться по желанию, форма колебаний слишком искажена и он с трудом поддается синхронизации.

Однако я был прав, рассмотрев это очень простое устройство. Оно дало нам возможность легко разобрать принцип действия всех генераторов развертки, в которых используется заряд конденсатора через резистор.

Можно сказать, что во все эти устройства входят три основные части:

1) цепь заряда (в нашем случае — источник высокого напряжения, резистор, через который проходит зарядный ток, и конденсатор, накапливающий заряд);

2) переключатель, включающий процесс заряда и прекращающий его в нужный момент (неоновая лампа, которая выполняет эти функции благодаря явлению ионизации);

3) наконец, цепь разряда, представленная в рассмотренном устройстве той же неоновой лампой, незначительное сопротивление которой в ионизированном состоянии создает возможность быстрого разряда.

Теперь, когда ты разобрался в принципе действия простейшего генератора развертки, для тебя не составит никакого труда изучить более сложные устройства. Что бы ты сказал, например, о введении сетка между катодом и анодом неоновой лампы?

Надеюсь, до скорого свиданья. Не злись на своего друга Любознайкина.

ТИРАТРОН — ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ТРИОД

Л. — Как я рад опять с тобой встретиться, дорогой Незнайкин.

Н. — Разве мог я устоять перед искушением и не клюнуть на приманку в виде неонового триода?! Ведь так, кажется, его нужно называть.

Л. — Если тебе это нравится. Но обычное название триода, наполненного инертным газом под слабым давлением (неоном, аргоном или гелием), тиратрон.

Н. — Ты меня не заставишь опять пройти тот путь, который я когда-то уже прошел с вакуумными лампами и который нас привел от диода к катоду?

Л. — Такой опасности не предвидится. Трех электродов тиратрона вполне достаточно, чтобы получить прекрасный переключатель и разрядную цепь, необходимые в каждой уважающей себя развертке. Существуют еще тиратроны-тетроды, но мы о них здесь говорить не будем.

Н. — Очень хорошо… А как ты будешь включать тиратрон? Как неоновую лампу?

Л. — Вот полная схема (рис. 35). Как видишь, она незначительно отличается от схемы с неоновой лампой. Прежде всего мы видим зарядную цепь, где к зажимам высокого напряжения подключен конденсатор С через резистор R.

Рис. 35. Схема генератора развертки на тиратроне. Слева — цепь заряда, справа — цепь разряда.

Н. — Почему резистор включен между конденсатором и отрицательным, а не положительным полюсом?

Л. — Строго говоря, это ничего не изменяет. Конденсатор и резистор включены последовательно. Разницы никакой, будет ли один раньше другого или наоборот. И, если ты хочешь, можешь включить R в точке Z.

Н. — Да, я понимаю, что неважно, в каком порядке электроны встретят на своем пути тот или другой из элементов зарядной цепи.

Л. — Обратимся теперь к разрядной цепи. Как и в случае с неоновой лампой, она состоит из промежутка катод — анод газоразрядной лампы.

Н. — Не только. Я вижу еще два последовательно включенных резистора R₂ и R₃. И все это подключено к выводам конденсатора, который нужно периодически разряжать.

Л. — Резистор R₂ в несколько сотен ом служит для ограничения разрядного тока. Потому что в момент его возникновения сопротивление промежутка катод — анод тиратрона настолько падает, что лампа может оказаться поврежденной слишком сильным током.

Н. — Что же касается резистора R₃, помещенного между катодом и отрицательным полюсом, я догадываюсь, что он служит для получения отрицательного напряжения смещения на сетке тиратрона, как это делается и в усилительных устройствах

Л. — И ты не ошибаешься. Цепь R₃С₂ является, действительно, классическим устройством для получения напряжения смещения. Наконец, я тебя попрошу не обращать пока ни малейшего внимания на конденсатор С₁, соединяющий сетку с некой таинственной «синхронизацией».

СЛОВО ПРЕДОСТАВЛЯЕТСЯ СЕТКЕ

Н. — Значит, практически все это почти не отличается от неонового генератора. Я думаю, что и здесь во время заряда напряжение на конденсаторе С достигает некоторой величины, после чего содержащийся в лампе газ ионизируется и его сопротивление резко падает. С этого момента конденсатор начинает разряжаться через лампу, пока его напряжение в достаточной степени не понизится и ионизация не прекратится. Нормальное сопротивление лампы восстанавливается, после чего цикл возобновляется.

Л. — Все это правильно.

Н. — Но в таком случае, как поется во французской песенке, «не было смысла менять министра». Другими словами, к чему вводить сетку, которая не меняет принципа работы газоразрядной лампы?!

Л. — Это не так, дружище. Ведь именно напряжение сетки определяет величину анодного напряжения ионизации. Пока в действие не вступила ионизация, лампа ведет себя, как обычный вакуумный триод. Интенсивность электронного потока зависит гораздо в большей степени от напряжения сетки, чем от напряжения анода…

Н. — Я это знаю. При этом коэффициент усиления показывает, во сколько раз влияние сетки на анодный ток больше влияния анода.

Л. — Совершенно верно… Наконец, наступает момент, когда анодное напряжение достаточно велико и сообщает электронам такую скорость, при которой они смогут ионизировать молекулы встречающегося на их пути газа…

Н. — От удара при столкновении один или несколько электронов выбиваются из молекулы и увеличивают поток электронов, направляющихся к аноду.

Л. — А что, по-твоему, происходит с такой искалеченной молекулой?

Н. — Благодаря ампутации молекулы заряжаются положительно и поступают в полное распоряжение отрицательно заряженных электродов.

Л. — А какой из них самый отрицательный в нашей лампе?

Н. — Это, очевидно, сетка.

Л. — Следовательно, она окажется окруженной настоящим облаком положительных ионов. Вернемся, однако, назад. Анодное напряжение, при котором возникает ионизация, не является постоянным для тиратрона (как в неоновых лампах). Оно в значительной степени зависит от напряжения сетки.

Н. — Понятно. Чем отрицательнее заряд сетки, тем больше для устранения ее тормозящего действия нужно увеличить анодное напряжение, чтобы возникла ионизация (рис. 36).

Рис. 36. Зависимость между анодным напряжением зажигания тиратрона и напряжением смещения на его сетке. Коэффициент сеточного управления равен 15.

Л. — Да, это именно так. Для каждого типа тиратронов существует постоянное соотношение между анодным напряжением U_а ионизации и соответствующим напряжением сетки U_c. Это соотношение называется коэффициентом сеточного управления. Обычно его значение колеблется между 10 и 40. Но для газоразрядных тетродов оно может достигать и нескольких сотен.

Н. — Если я тебя правильно понял, в тиратроне с коэффициентом сеточного управления, равным, например, 20, ионизация начнется при напряжении на сетке, равном 15 в, тогда, когда анодное напряжение достигнет 15·20 = 300 в.

Л. — Ты меня прекрасно понял, Незнайкин. Регулируя напряжение смещения на сетке, мы можем устанавливать по желанию анодное напряжение ионизации тиратрона. Вот почему резистор R₃ сделан переменным, как это следует из пересекающей его стрелки.

СЕТКЕ БОЛЬШЕ НЕЧЕГО СКАЗАТЬ

Н. — Я полагаю, что именно напряжение сетки определяет также величину напряжения деионизации (погасания).

Л. — И ты жестоко ошибаешься. Ведь сетка, окруженная облаком положительных ионов, не оказывает ни малейшего влияния на электронный поток.

H. — Даже если сильно увеличить отрицательное напряжение?

Л. — Даже в этом случае. Чем более она будет отрицательно заряжена, тем больше она притянет положительных ионов. Деионизация начнется только тогда, когда анодное напряжение упадет до значения, достаточно малого, чтобы ионизация могла поддерживаться.

Н. — Все это мне до чрезвычайности напоминает войну и мир…

Л. — Не вижу связи между произведением Толстого и тиратронными развертками.

Н. — Конечно, никакой связи здесь нет. Но сетка играет ту же роль, что и буржуазная пресса. Когда международное напряжение возрастает, эта пресса дает возможность общественному мнению достигнуть той опасной степени возбуждения, при которой разряд возникает внезапно в виде кровавого конфликта. С этого момента пресса становится бессильной положить этому конец, связанная цензурой. А война останавливается только из-за нехватки сражающихся, когда разряд уже почти закончен.

Л. — И самое ужасное, что цикл может возобновиться…

Н. — В заключение скажу, если я правильно понял, что сетка дает возможность регулировать по желанию анодное напряжение, при котором начинается разряд, но не напряжение конца разряда, постоянное для данной лампы. Следовательно, мы можем регулировать по желанию амплитуду пилообразных колебаний путем изменения напряжения смещения.

Л. — Это правильно. Пользуясь тиратроном, можно добиться, чтобы амплитуда колебаний была значительно большей, чем в генераторе с неоновой лампой.

Н. — Значит, я могу считать, что переменный резистор R₃ (рис. 35) является устройством для регулировки величины зубьев пилы. Что касается конденсатора С₂, я думаю, что он служит для пропуска переменной составляющей анодного тока.

Л. — Роль его действительно такова. Он должен сглаживать значительные колебания анодного тока, чтобы напряжение между сеткой и катодом было в достаточной степени постоянным. В момент ионизации, когда возникает значительный ток, число электронов на верхней обкладке конденсатора резко уменьшается п пластина оказывается заряженной положительно, в то время как избыток электронов направляется к нижней пластине. Когда разряд прекращается, анодный ток резко падает. Но в это время конденсатор С₂ начинает разряжаться через резистор R₃, сохраняя постоянным падение напряжения, благодаря чему на катоде поддерживается положительный по отношению к сетке потенциал. Таким образом, при условии достаточной емкости конденсатора С₂ напряжение сетки относительно катода не меняется во время всего цикла колебаний.

СИНХРОИМПУЛЬСЫ И ШЛЕПКИ

Н. — Мог бы ты теперь открыть мне тайну синхронизации?

Л. — Охотно, дружище. Ты знаешь, что развертка изображений при приеме должна быть синхронизирована с разверткой при передаче. Иначе говоря, моменты, когда начинаются развертки каждой строки (или каждого кадра), должны строго совпадать во времени.

Н. — Я понимаю, что при малейшем рассогласовании (сдвиге по фазе) изображение станет настолько неузнаваемым, насколько это случилось бы с музыкальным отрывком, выполняемым оркестром, где каждый инструмент отставал бы от своего соседа на несколько секунд.

Л. — Чтобы избежать подобной… зрительной какофонии, в передаваемый сигнал включают короткие импульсы, указывающие конец каждой строки, так же как и более продолжительные импульсы (чтобы их можно было отличить от первых), указывающие конец каждого кадра (рис. 37).

Рис. 37. Схематическое изображение формы полного телевизионного сигнала, содержащего видеосигнал и синхронизирующие строчные и кадровые импульсы.

1 — видеосигнал; 2 — синхроимпульсы; 3 — строчные синхроимпульсы; 4 — кадровые синхроимпульсы.

Н. — Это те импульсы, которые ты подаешь через конденсатор С₁ (рис. 35) на сетку тиратрона?

Л. — Безусловно. И делают так, чтобы они поступали в положительной полярности, т. е. чтобы при каждом импульсе сетка становилась на какое-то мгновение менее отрицательной.

Н. — Я как-то не очень хорошо улавливаю, что должно произойти. Лампа должна усиливать эти импульсы, так что ли?

Л. — Нет, Незнайкин. Ты уже забыл о связи между напряжением сетки и напряжением ионизации.

Н. — Прости. Очевидно, когда сетка становится менее отрицательной в момент появления импульса, анодное напряжение ионизации уменьшается.

Л. — Необходимо, чтобы период собственных колебаний генератора развертки был чуть больше длительности одной строки (или одного кадра — для соответствующей развертки), иначе говоря, больше промежутка между двумя последовательными импульсами (рис. 38). До того как анодное напряжение на заряжающемся конденсаторе С (рис. 35) достигнет напряжения ионизации, возникает импульс, уменьшающий отрицательный заряд сетки и, следовательно, напряжение ионизации. Благодаря этому разряд начинается одновременно с импульсом синхронизации.

Рис. 38. Процесс синхронизации развертки. Положительный синхронизирующий импульс на сетке лампы уменьшает анодное напряжение зажигания и вызывает, таким образом, преждевременный разряд конденсатора в момент появления импульса.

_{1 — напряжение зажигания без синхроимпульсов; 2 — напряжение зажигания, уменьшенное под воздействием синхроимпульсов; 3 — моменты подачи синхроимпульсов; 4 — собственный период развертки; 5 — период синхронизированной развертки.}

Н. — Думаю, что я тебя правильно понял. Возьмем, например, тиратрон, у которого коэффициент сеточного управления равен 20 и смещение на сетке равно — 15 в. Его напряжение ионизации, следовательно, составляет 300 в. Если же импульс синхронизации будет +1 в, он доведет смещение до —14 в. В этот момент напряжение ионизации будет составляв только 280 в. Разряд, следовательно, начнется раньше, чем в случав отсутствия импульсов.

Л. — Я вижу, что ты правильно понял.

Н. — Это было нетрудно. У нас, в плавательном бассейне, инструктор по плаванию синхронизирует прыгунов в воду.

Л. — ?..

Н. — Ну, да. Когда они готовятся к прыжку и немного задерживаются на краю трамплина, инструктор посылает их в воду легким, но твердым шлепком по спине… И они отправляются туда, описывая в воздухе великолепную параболу.

ОТ НАСЫЩЕННОГО ДИОДА К ПЕНТОДУ

Л. — В рассмотренных генераторах мы имели дело с экспоненциальной кривой, кривизна которой должна быть, однако, возможно малой.

Н. — Нельзя ли для этого каким-либо способом поддерживать зарядный ток совершенно постоянным так, чтобы напряжение на выводах конденсатора возрастало пропорционально времени?

Л. — Это, действительно, возможно. А ты, Незнайкин, можешь найти такой способ ограничения?

Н. — Нужно было бы заменить зарядное сопротивление R (рис. 35) чем-нибудь, что не пропускает ток выше заданной величины. Лампа, понимая под лампой промежуток катод — анод, не могла бы для этого пригодиться?

Л. — Конечно. Возьми диод (предпочтительно прямого накала), который работает в режиме насыщения, т. е. так, что все излученные нитью электроны достигают анода (рис. 39).

Рис. 39. Анодный ток диода в зависимости от анодного напряжения для трех различных значений напряжения накала U_н. Начиная с некоторой величины анодного напряжения, увеличение тока прекращается (явление насыщения).

Тогда анодный ток не сможет превысить величину тока насыщения, образованного полной электронной эмиссией нити накала. Впрочем, ты можешь регулировать его величину, изменяя в известных границах напряжение накала.

Н. — А зачем нужна лампа прямого накала?

Л. — Потому что явление насыщения в ней гораздо более ярко выражено, чем в лампах косвенного накала, и, кроме того, в этой лампе легко можно регулировать величину тока насыщения, изменяя напряжение накала. Но если тебе не нравятся устаревшие лампы, ничто не мешает тебе использовать обычный пентод с косвенным накалом.

Н. — А он работает тоже в режиме насыщения?

Л. — Термин не очень подходящий, но результат такой же. Если рассматривать кривые изменения анодного тока в зависимости от напряжения на аноде (рис. 40), можно заметить, что для каждой кривой (соответствующей данному напряжению первой сетки), начиная с некоторого анодного напряжения, ток изменяется лишь в незначительной степени. В этой области характеристики пентод начнет заряжать конденсатор током постоянной величины.

Рис. 40. Кривые анодного тока пентода в зависимости от анодного напряжения (для различных значений напряжения U_с1 на управляющей сетке). Начиная с некоторой величины, возрастание анодного напряжения U_а практически не влечет за собой заметного увеличения анодного тока I_а.

Вот схема развертки (рис. 41), где пентод заменяет зарядное сопротивление R. Можно заметить, что напряжение экранирующей сетки пентода регулируется при помощи потенциометра R₅, включенного последовательно с резистором R₄ между полюсами высокого напряжения (конденсатор С₃ является развязывающим).

Рис. 41. Развертка, линеаризированная с помощью пентода в качестве зарядного сопротивления.

Н. — Я догадываюсь, что путем изменения напряжения на экранирующей сетке ты устанавливаешь нужную рабочую точку пентода. Все насыщенные диоды и другие пентоды с током постоянного значения напоминают мне историю Прокрустова ложа… Однако досадно, что нужно применять дополнительную лампу только для линеаризации формы напряжения.

ИСКУССТВО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИВЫХ

Л. — Поэтому-то и предпочитают возложить эту задачу на усилительную лампу, которая при любых условиях нужна для увеличения до требуемой величины амплитуды зубьев пилы.

Н. — А как же она выпрямит кривизну напряжения?

Л. — Попросту изменяя его форму в обратном направлении. В самом деле, имей в виду, Незнайкин, что необходимо уметь использовать не только людские добродетели и достоинства вещей, но также их пороки и недостатки. Что может быть досаднее лампы, характеристика которой недостаточно линейна и которая поэтому деформирует усиливаемые напряжения? А в рассматриваемом случае этот недостаток становится истинным благом.

Н. — Я понимаю, что происходит. Возьмем лампу, у которой характеристика анодного тока в функции напряжения сетки представляет собой кривую. Это одна из наших старых добрых знакомых: лампа с переменной крутизной, крутизна которой увеличивается, когда уменьшается смещение. Таким образом, чем сильнее поступающий сигнал, тем более он усиливается. Это как раз то, что нужно для спрямления экспоненциальной кривой, которая по мере подъема все более и более наклоняется.

Л. — Вот посмотри на небольшой рисунок (рис. 42), ясно показывающий, каким образом линеаризируются зубья пилы.

Рис. 42. Линеаризация экспоненциального зуба пилы с помощью усилительной лампы с нелинейной характеристикой.

_{а — характеристика лампы: б — напряжение, подлежащее усилению; в — анодный ток лампы.}

Если форма характеристики лампы и зубьев симметрична, то взаимная компенсация кривизны оказывается практически вполне удовлетворительной. Изменяя смещение, можно всегда выбрать такую часть характеристики, которая имела бы кривизну, требуемую для компенсации нелинейности зубьев пилы.

Большое распространение получили также схемы линеаризации, использующие более или менее сложные цепи отрицательной обратной связи. Вообще это задача, вполне удовлетворительного решения которой пока не найдено.

Н. — Я думаю, что пришла пора возвестить мне, что в телевидении никогда не применяются ни тиратронные генераторы развертки, ни линеаризирующие усилительные лампы.

Л. — Успокойся, и те и другие там широко используются.