Informations- und Kommunikationstechnik

Kathodenstrahlröhre

Lange Zeit wurde zur Bildwiedergabe im Fernsehgerät die Elektronenstahlröhre, im englischen CRT: cathode-ray-tube, verwendet. Eine Technik, die von unterschiedlichen Systemen der Flachbildschirme weitgehend ersetzt wurde. Noch nutzen viele Labors zur Signaldarstellung Oszilloskope, die ebenfalls mit Kathodenstrahlröhren arbeiten. Es handelt sich um Vakuumröhren mit speziellen Elektrodensystemen. Das Bild wird durch einen Elektronenstrahl erzeugt, der bei entsprechender Ablenkung auf eine innen aufgetragene Leuchtschicht trifft und diese zur Aussendung sichtbaren Lichts anregt.

Die Elektronen werden von einer Heizwendel aus Wolframdraht ausgesendet, die durch Anlegen einer Heizspannung zum Glühen gebracht wird. In Fernsehröhren beträgt die Heizspannung 6,3 V effektiv. Bei den Röhren mit indirekter Heizung ist der Heizdraht elektrisch isoliert von einem außen beschichteten Kathodenröhrchen umgeben. Die eigentliche Kathode ist die Beschichtung, die aus einem anorganischen Material, meistens Bariumoxid besteht und bei Erwärmung sehr leicht thermische Elektronen abgibt. Bei Röhren mit direkter Heizung sind Heizwendel und Kathode elektrisch gleichwertig und es muss mit Gleichstrom beheizt werden. Die direkte Heizung wird insbesondere bei Röntgenröhren eingesetzt.

Die folgende Grafik zeigt schematisiert das Elektrodensystem einer schwarz-weiß Fernsehbildröhre. Der Heizdraht mit den Anschlüssen H erhitzt indirekt den Belag der Kathode K. Im Betriebsfall erhält sie negatives Potenzial und sendet ungerichtet thermische Elektronen aus. Vorne rechts ist die Anode A mit sehr hohem positiven Potenzial. Monochromatische Elektronenstrahlröhren arbeiteten mit Anodenspannungen um 16 kV. Für Farbbildröhren und Monitore sind maximal 27 kV erlaubt. Oszilloskope werden mit 2 ... 10 kV Anodenspannung betrieben.

Durch eine angelegte Hochspannung werden die Elektronen von der Kathode weg in Richtung Anode beschleunigt. Auf die Kathode folgt das Steuergitter G1. In der Kathodenstrahlröhre wird G1 als Wehneltzylinder bezeichnet. Es ist ein zylinderförmiges Röhrchen und hat in Richtung der Anode ein kleines Loch, durch das die Elektronen austreten. Ist das Potenzial des Steuergitters bezogen auf das Kathodenpotenzial stark negativ, dann werden die ebenfalls negativen Elektronen am Verlassen des Wehneltzylinders gehindert. Der Elektronenstrom zur Anode kann so in seiner Intensität gesteuert werden. Bei konstantem Kathodenpotenzial bestimmt das Potenzial am Wehneltzylinder die Bildhelligkeit. Eine entsprechende Steuerung findet man in Verstärkern, die mit Elektronenröhren anstelle von Transistoren arbeiten. Änderungen der Potenziale zwischen der ersten Gitterelektrode und der Kathode wirken sich auf die Verstärkung der Röhre aus.

Elektrodensystem mit Focussierung

Verlassen die Elektronen den Wehneltzylinder, so fliegen sie gestreut in Richtung der Anode auseinander. Auf dem Weg zum Bildschirm muss eine Bündelung des Elektronenstrahls erfolgen. Sie ist Voraussetzung für ein scharfes Abbild des Strahls und eine detailgetreue Signaldarstellung auf dem Bildschirm. Die auf den Wehneltzylinder folgenden Gitteranordnungen bilden ein elektronenoptisches System zur Strahlfokussierung. Die Gitter G2 ... G5 sind Metallzylinder, die unterschiedliche Potenziale erhalten. Das Gitter G2 oder Schirmgitter ist positiver als G1 aber sehr viel negativer als G3. Das Gitter G3 ist der erste Teil der Anode und leitend mit der eigentlichen Ringanode G5 verbunden. Sie steht über Kontaktfedern leitend mit dem Anodeninnenbelag und dem äußeren Anodenanschluss der Bildröhre in Verbindung. Zwischen G3 und G5 ist das Fokussiergitter G4 angeordnet. Sowohl die Schirmgitter- als auch die Fokusspannung ist einstellbar.

Elektrodensystem

Das Potenzial am Gitter G4 bestimmt die statische Strahlfokussierung. Große Veränderungen der Bildhelligkeit wirken sich auf die eingestellte Fokussierung aus. Mit zunehmender Helligkeit wird G1 positiver und die Elektronen fliegen stärker beschleunigt in das elektronenoptische System hinein. Die elektrostatischen Feldkräfte reichen dann nicht mehr aus, den Strahl auf den optimalen Fokuspunkt vor der Leuchtschicht abzulenken. Der Leuchtpunkt wird zu einer mehr oder weniger unscharfen Kreisfläche. Den Ausgleich kann ein von der Bildhelligkeit abhängiger Regelkreis schaffen, der dynamisch das G2-Potenzial des Schirmgitters nachführt. Nach der Fokussierung folgt die ringförmig ausgeführte Anode, das Gitter G5. Sie hat bezogen auf die Kathode ein hohes positives Potenzial. Die Elektronen fliegen beschleunigt hindurch und treffen fokussiert auf den Leuchtschirm auf.

Zur Bild- oder Signaldarstellung muss der Elektronenstrahl auf seinem Weg von G5 bis zur Leuchtschicht abgelenkt werden. Solange die Elektronen langsam sind, reichen kleinere Ablenkspannungen oder Ablenkströme aus. In den Kathodenstrahlröhren hat man für den langen Weg bis zur Leuchtschicht noch eine Nachbeschleunigung durch die Anodenhochspannung vorgesehen. Dieses Nachbeschleunigungssystem, bei Bildröhren die eigentliche Anode, besteht im Inneren des Röhrenkolbens oft aus einer wendelförmigen Grafitbeschichtung. Sie ist gleichzeitig die Auffangelektrode für die Elektronen des Kathodenstrahls nach ihrem Auftreffen auf dem Leuchtschirm. Die elektrisch leitend verbundenen Gitter G3 und G5 sind über Federkontakte mit diesem Grafitbelag verbunden. Sein elektrischer Widerstand teilt die bis zu 27 kV hohe Anodenspannung auf das geringere positive G5-Potenzial herunter.

Strahlablenksysteme

Nach der Fokussierung trifft der Elektronenstrahl ohne Ablenkung auf die Leuchtschicht in der Schirmmitte. Zur Bild- oder Signaldarstellung muss der Strahl schnell genug sowohl horizontal als auch vertikal über den sichtbaren Bildschirm geführt werden. Vom auftreffenden Elektronenstrahl angeregt leuchtet der Bildschirmpunkt auf. Mit seiner kurzzeitigen Nachleuchtdauer bleibt er für unser relativ träges Auge solange sichtbar, bis der Strahl erneut über die Leuchtschicht geführt wird.

Die Strahlablenkung kann durch elektrische als auch magnetische Felder erfolgen. Fernseh- und Monitorröhren haben einen großen Bildschirm mit kurzem Röhrenhals. Hier muss der Elektronenstrahl durch starke magnetische Felder abgelenkt werden. Die viel kleineren Bildröhren der Oszilloskope haben einen langen Hals und die Ablenkung wird durch die schwächeren elektrischen Feldkräfte gesteuert.

Magnetisches Ablenksystem

Ablenkeinheit

Das Bild zeigt eine Ablenkeinheit für eine kleinere SW-Bildröhre. Es sind zwei verschiedene Spulensysteme auf einem gemeinsamen Ferritkörper zu erkennen. Das Ablenksystem wird außen auf den Röhrenhals geschoben und vor dem Konus zum Bildschirm befestigt.

Die Horizontalablenkung erfolgt durch die innenliegenden Sattelspulen. Sie werden gleichsinnig vom Ablenkstrom durchflossen. Ihr Magnetfeld steht senkrecht zur Ablenkrichtung.

Die Toroid- oder Ringspulen erzeugen das Magnetfeld der Vertikalablenkung. Sie liegen unterhalb der Sattelspulen und sind um den Ferritkern gewickelt. Das Spulenpaar wird vom Ablenkstrom gegensinnig durchflossen. Die gleichnamigen Magnetpole der Spulen liegen dadurch zusammen und bilden das horizontal verlaufende Magnetfeld. Es steht senkrecht zur vertikalen Ablenkrichtung.

Die Ablenkung durch Magnetfelder benötigt hohe Ablenkströme. Die Spulensysteme verbrauchen Leistung und arbeiten nur innerhalb eines schmalen Frequenzbereichs effektiv. Nachteilig ist, dass die nutzbare Ablenkenergie nur innerhalb einer geringen Bandbreite gewährleistet werden kann. Mit höherer Ablenkfrequenz nimmt der induktive Widerstand der Ablenkspulen zu und verringert die nutzbare Ablenkenergie für den Elektronenstrahl. Von Vorteil ist, dass auch bei einem großen Bildschirm die Bildrohrlänge relativ kurz bleibt.

 

Die elektrostatische Ablenkung

Im Oszilloskop mit CRT wird der Elektronenstrahl durch elektrische Felder abgelenkt. Das Ablenksystem befindet sich im Inneren der Elektronenstrahlröhre und bestehen aus Kondensatorplatten, durch die der Elektronenstrahl geführt wird. Die Ablenkleistung ist vernachlässigbar klein, da bei Feldänderungen fast kein Strom fließt. Die Ablenkung durch elektrische Felder erlaubt große Bandbreiten. Die Ablenkempfindlichkeit ist definiert als Quotient aus der Ablenkung gemessen in mm zur Ablenkspannung in Volt.

In den Oszilloskopröhren sind die Y-Platten zur Amplitudendarstellung nahe zur Kathode angeordnet. Das Potenzial des Elektrodensystems beträgt dort nahezu null, somit lassen sich hohe Ablenkempfindlichkeiten erreichen. Die Kondensatorplatten der X-Ablenkung für die Zeitachse liegen näher zum Bildschirm. Die erreichbare Ablenkempfindlichkeit ist geringer, da die Elektronen durch das folgende Nachbeschleunigungssystem mit zunehmender kinetischer Energie die Ablenkung durchfliegen.

Oszilloskop_CRT

Der zur Fernseh-CRT auffallend andere Potenzialverlauf einer Oszilloskop-CRT hält das Ablenksystem frei von Aufladungen durch statische Felder. Die Y-Ablenkplatten befinden sich auf Nullpotenzial. Die Elektronenbeschleunigung von der Kathode mit stark negativem Potenzial, in diesem Beispiel um −1,9 kV, zur Ringanode mit 0 V bleibt erhalten. Der Wehneltzylinder ist am Schleifer des ersten Potis angeschlossen und mit maximal −2 kV negativer als die Kathode. Das erste Poti steuert die Strahlhelligkeit. Das zweite Poti ist mit dem elektronenoptischen System aus G2 am Schleifer und G3 verbunden. Die einstellbaren Potenziale zwischen negativerem G2 und positiverem G3 verschieben den Fokuspunkt des Elektronenstrahls in Richtung Bildschirm. Die Ringanode und das Abschirmblech sind elektrisch leitend verbunden und gegenüber der Kathode um knapp 2 kV positiver. Nach den X-Ablenkplatten folgt ein Nachbeschleunigungssystem mit positiver Hochspannung. Der Bildrohrkonus hat dazu eine innenliegende Grafitwendel-Anode. Sie leitet die auf den Schirm auftreffenden Elektronen ab.

Das elektronenoptische System

elektronenoptisches System

Die Skizze zeigt das Prinzip der Bündelung eines Elektronenstrahls durch elektrische Felder, die eine elektronenoptische Linse bilden. Zwei ineinandergeschobene Röhrchen erhalten ein unterschiedliches Gleichspannungspotenzial. Die äußere Elektrode, das Gitter G3 der Oszilloskop-CRT ist positiver als die innere Elektrode, die das Fokussiergitter G2 darstellt. Der Feldlinienverlauf verläuft von Plus nach Minus.

Wenn man das elektrostatische Feld mit einer Messsonde untersucht und alle Punkte gleicher Potenziale miteinander verbindet, erhält man den Verlauf der Äquipotenziallinien. Sie stehen senkrecht auf den Feldlinien. Wo der Elektronenstrahl hindurchgeht, ähnelt ihr Verlaufsbild dem einer optischen bikonvexen Sammellinse. So wie Lichtstrahlen von einer Sammellinse im Brennpunkt vereint werden, führt das elektrische Feld die eintretenden Elektronenstrahlen im Brennpunkt zusammen. Das Verändern eines Potenzials verschiebt den Brennpunkt in horizontaler Richtung.

Strahlablenkung – mathematische Betrachtung

Die thermischen Elektronen werden von der Anodenspannung in x-Richtung zum Bildschirm beschleunigt. Die kinetische Energie erhalten sie vom elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode. Mit der Geschwindigkeit vx gelangen sie in das elektrische Feld des Ablenkkondensators. In x-Richtung bleibt die gleichförmige Bewegung erhalten, da in dieser vereinfachten Betrachtung keine Nachbeschleunigung vorgesehen ist.

Das homogene E-Feld berechnet sich aus der Ablenkspannung und dem Plattenabstand des Kondensators. Die eintreffenden Elektronen werden von der Feldkraft im Kondensator in y-Richtung beschleunigt. Die Flugzeit im E-Feld ist von der konstanten Horizontalgeschwindigkeit und der Plattenlänge des Kondensators abhängig.

Strahlablenkung im E-Feld

Nach dem Verlassen des Kondensators sind die Geschwindigkeitskomponenten in x- und y-Richtung gleichförmig bis zum Auftreffen auf den Schirm. Die Austrittsgeschwindigkeit ergibt sich aus der 1. Ableitung für y(t) nach der Zeit. Die Flugzeit kann aus der Horizontalgeschwindigkeit und dem Abstand zum Schirm berechnet werden. Mit dieser Zeit kann die zweite Strecke in y-Richtung ermittelt werden. Die Summe beider y-Werte ist die Gesamtauslenkung aus der Horizontalen.

Strahlablenkung in y-Richtung