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彩色显像管

彩色显像管是在真空的状态下,电子束激发涂在玻璃屏上的荧光粉而发光。通过器件把电能转化为光的形式,其过程是用电信号控制阴极发射出的电子,并把电子聚焦成电子束经偏转后射到荧光粉上,把视频信号转变成光信号。彩色显像管的电子束是受选色机构制约的,用电子束来激发它们所对应的荧光粉条,使荧光粉受激发发光而再现彩色图像。

彩色显像管是传统的彩色显示器件,其工作原理与黑白显像管基本相同,为静电聚焦和磁偏转方式的阴极射线管。近年来出现了一些新型的彩色电视显示器件,如液晶显示器件、等离子体显示器件等,由于体积小、重量轻,比传统的阴极射线管有很大的优越性,在许多图像显示领域及彩色电视显示领域获得迅猛的发展。尽管如此,传统的彩色显像管由于其技术成熟,显示电路简单,目前仍为电视显示器件的主流。根据三基色原理在彩色显像管的荧光屏上需涂敷三种荧光粉,需设置三支电子枪等,所以彩色显像管与黑白显像管在结构及工作过程等方面又有许多不同。从结构上,彩色显像管大体有三种类型:荫罩式三枪三束臂、榍条式单枪三束管、自会聚彩色显像管,目前广泛使用的是自会聚彩色显像管。传统显像管的荧光屏多为球面屏,近年来出现的超平和纯平彩色显像管其工作原理与自会聚管相同。

三枪三束荫罩管的特点是:三个独立的电子枪,每个电子枪都有单独的灯丝,阴极控制栅极和加速极,而聚集极和阳极高压则是公共用的。

单枪三束栅网显像管的特点是:电子束直径大,电子透射率高,动绘聚校正简单。

自绘聚显像管的特点是:自绘聚,条状荧光粉和短管颈。

彩色显像管的电子枪中产生三条可独立控制其束电流的电子束,用三基色电信号R(t)、G(t)、B(t)分别控制三条电子束的束电流。电子束在电子枪聚焦电场作用下在荧光屏上聚焦,并在管内高压电场的作用下高速轰击荧光屏内侧所涂敷的数量众多的红、绿、蓝荧光粉。管子锥体处的偏转线圈所产生的偏转磁场使三条电子束同时满屏扫描。但是彩色显像管中必须保证三条电子束各自轰击各自对应的荧光粉。例如某条电子束在满屏扫描时只允许轰击红荧光粉,不允许打到别的荧光粉上,否则会造成色彩不纯。为此在荧光屏内侧设置有一个金属栅网,它是一块上面开有许多小孔的金属板,小孔数目对应着荧光粉组的数目。彩色显像管的结构如图2所示。

电子枪安装在管颈部份。电子枪是由一些金属圆筒构成的。它有三个独立的阴极,每个阴极的内部都有一个灯丝。阴极的端面上涂敷有特殊的氧化物。灯丝将热量传递给阴极,氧化物中的电子获得足够的能量便会逸出金属表面成为空间的自由电子云团。在阴极和高压极之间施加高电压,电子便会向屏幕方向移加速运动。阴极后面依次分别是控制极(也称为栅极)、加速极、聚焦极和高压极。除了高压极以外,其余电极均从管尾引出。故在管尾的电极中计有:RGB三个阴极、灯丝、栅极、加速极、聚焦极。

三个阴极呈一字排列,且除了三个阴极独立以外,其余电极均为公共电极。这种管子称为单枪三束管。栅极相对阴极电位要低。它们之间所形成的电场对阴极电子起排斥作用。故栅阴之间的负电压越负,则电子束电流就越小。使用中栅极一般接地,而阴极则施加正电位,从而形成栅阴之间的负电压。将R、G、B三基色电信号施加到三个阴极上,就可控制三条电子束束电流的大小。这称为阴极激励。阴极激励要求三基色电信号为负极性信号。信号幅度一般为几十伏特。

加速极施加正电位,且比阴极电位高得多(一般在400V~800V)。它与阴极之间形成的电场是一种弯曲的、以管轴为对称的电场。这种电场对阴极的电子有两个作用:一是加速,二是聚焦。加速的作用是使得阴极表面的电子朝向屏幕方向运动,并使电子获得初速度。而聚焦则使电子云团中的各电子有一个指向管轴的受力。故在加速极的作用下,电子将会汇合成一点,形成第一个聚焦点。过了这个聚焦点电子束重新又会发散开。所以,加速极只是起到预聚焦的作用。但是加速极后的聚焦极与加速极之间以及聚焦极和高压极之间所形成的弯曲电场会对发散开的电子形成第二次聚焦,由于此时电子的运动速度加快,故第二次聚焦的焦点将在靠近屏幕的地方形成。为了使聚焦点准确落在屏幕上,一般要求聚焦极电压可调。聚焦极电压一般在4000V~8000V。由于加速极和聚焦极的电场对电子有一种聚焦作用力,故电子不会落到加速极和聚焦极上,即加速极和聚焦极只需提供电压,无需提供电流。聚焦极电压一般是将高压极的高压通过电阻分压器分压而得到的。

高压极一方面与聚焦极之间形成弯曲电场以对电子聚焦,另一方面其高电压对电子进行强有力的加速,使电子以高速度轰击荧光粉。高压极的电压一般高达25kV~30kV。高压极通过金属弹片与管颈和锥体相交处的管内壁相连。而管子锥体部分的内外壁均涂敷有石墨导电层,而内壁石墨导电层又与屏幕部分的栅网相连,故管子的内壁石墨导电层和栅网均为高压极的一部分。

由于高压极的电压太高,故不能从管尾引出(否则会造成高压极对其它电极之间的击穿放电),而是在锥体处熔入一个金属端子,称为高压嘴。高压嘴与内壁石墨导电层相通(故与高压极想通),但与外层石墨导电层不通。外层石墨导电层使用时要求接地。这样,由内外层石墨导电层所形成的电容就被用作高压极的滤波电容。

从阴极发出的电子高速轰击荧光粉,会将荧光粉中的电子轰出来,这称为二次电子。二次电子会被栅网吸收,即被高压极吸收,形成如图3所示的电流回路。

故电子束电流实际上是高压的负载电流,也是显像管的主要能耗。例如,高压为30kV,束电流平均值(三束)为1mA,则管耗=30kV×1mA=30W。这个管耗要求高压电源能够提供,而且要求高压电源的内阻越小越好。如果高压电源内阻大,则当电视图像由暗场突变到亮场时,由于束电流的明显改变,将导致高压电源输出电压的明显改变。但是,当高压较低时,电子束运动速度减慢,扫描幅度会增大,相反高压较高时,扫描幅度会减小,从而导致在亮场与暗场之间转换时,图像会发生“胀缩”现象。这种“胀缩”现象,也称为“呼吸”效应。故电视接收机的技术标准中要求高压和加速极电压在束电流从100A到显像管额定最大电流之间变化时,其波动不超过5%。

在大屏幕彩色显像管中又可分为超平显像管、纯平显像管、超薄显像管、超净显像管。比较主要的是三枪三束彩色显像管和单枪三束显像管。

三枪三束彩色显像管也称荫罩管,是较早开发的显像管,它由荧光屏、荫罩、电子枪及玻璃外壳四部分组成。它有三只独立的电子枪,排成品字形,分别发射出红、绿、蓝三只电子束。

荫罩板置于距荧光屏内表面lOmm左右的地方,上面有规律地排列着数十万个小圆孔,每个小孔与荧光屏上的一个三色点组相对应。红、绿、蓝三只电子束从不同角度同时在荫罩孔处相交并通过,

三枪三束彩色显像管现在采用的很少了,主要是因为它会聚电路较复杂,调整比较麻烦。

单枪三束彩色显像管单枪三束彩色显像管由一只电子枪发射电子束,它具有三个独立的、按直线排列的阴极,其他各极都是共用的。

单枪三束荧光屏上红、绿、蓝荧光粉是以纵向条状涂复在屏上的,在荧光屏的内侧有一金属板,称为分色板,它的作用是使三条电子束只能轰击各自的荧光粉条。

单枪三束彩色显像管的优点是会聚调整比三枪三束管简单,而且透过率比三枪三束管高,使其屏幕亮度较高。该管的不足是会聚调整仍然较麻烦,而且生产较困难,不易大规模生产。

R、G、B三路基色信号作用到彩色显像管的三个阴极上,控制三条电子束的束电流。栅极与阴极之间的控制电压与电子束电流的关系称为显像管的调制特性。

人们希望束电流与栅阴之间电压的关系为线性关系。但是实际上束电流与栅阴之间电压成γ次方的关系,γ≈2.2~2.8。这就会导致图像的亮度失真。为此,在摄像端需要对三基色电信号进行反失真处理,称为γ校正。

实际上,显像管的三条调制特性曲线并不重合,截止电压(电子束的束电流刚刚为零时的栅阴电压)也不相同。这会导致如下的问题:当R=G=B时应当对应着图像彩色为标准白光,但是从显像管的调制特性可知,当三个阴极电位相等时,三条电子束的电流大小并不相等,故红、绿、蓝荧光粉发出的红、绿、蓝光并不能混出标准白光。况且,即使三条电子束的调制特性重合,束电流大小相等,也会因为三种荧光粉的发光效率不同而不能再现标准白光。这称为白不平衡。为此,在激励彩色显像管的R、G、B三路基色信号的放大器中,专门设置有调节电路。当R=G=B=黑色电平时,调节三路放大器的输出电压,使之等于显像管三个阴极的截止电压,这称为白平衡中的暗平衡调整。当R=G=B=白色电平时,调节其中两路放大器的增益,使得所显示画面的彩色为标准白光,这称为白平衡中的亮平衡调整。故白平衡调整一般有五个调节电位器,其中三个用于暗平衡调整,两个用于亮平衡调整。


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