1. ТРАНСФОРМАТОРЫ СТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКИ 1.1. Формирование строчной развертки
Отображение информации современными телевизорами осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), в которой изображение формируется в результате попадания и засвечивания сфокусированным пучком электронов зерен люминофора, нанесенных на внутреннюю поверхность экрана кинескопа.
Пучок электронов формируется электронной пушкой ЭЛТ и ускоряется электрическим полем высокого напряжения анода кинескопа в направлении экрана. Управление перемещением электронного луча осуществляется таким образом, что он последовательно сканирует весь экран кинескопа от верхнего левого до нижнего правого угла. В процессе развертки отклонение электронного пучка в ЭЛТ осуществляется магнитным полем. Это поле создается отклоняющими катушками (ОК), через которые протекает изменяющийся во времени ток. Для отклонения пучка используются две пары катушек, создающих два направленных перпендикулярно друг к другу магнитных поля: одна пара для отклонения электронного луча в горизонтальном направлении (строчная развертка), и другая — в вертикальном направлении (кадровая развертка).
Функции формирования фокусирующего, ускоряющего и высокого напряжения анода кинескопа, необходимые для поддержания поля высокого напряжения в ЭЛТ, формирования управляющего напряжения определенной формы для обеспечения горизонтального отклонения электронного пучка по заданному закону, а также формирование вторичных напряжений питания выполняются строчным трансформатором (СТ).
Основные функции, выполняемые строчным трансформатором, следующие:
• Формирование отклоняющего тока S-образной формы в строчных отклоняющих катушках, необходимого для осуществления горизонтальной развертки.
• Формирование высокого напряжения анода кинескопа и напряжений питания фокусирующего и ускоряющего электродов ЭЛТ.
• Формирование вторичных напряжений питания схем телевизора.
На рис.1 приведена типовая схема включения строчного трансформатора и выходного каскада строчной развертки. Если исходить из того, что элементы схемы имеют идеальные характеристики, можно получить качественное описание всех этих трех функций СТ.
рис.1. Типовая схема выходного каскада строчной развертки.
На один из выводов первичной обмотки СТ поступает напряжение питания (Uпит) выходного каскада, другой вывод этой обмотки соединен с высоковольтным коммутатором, выполненным на транзисторе Т и демпферном диоде D. Ly представляют собой строчные отклоняющие катушки.
Рассмотрим, как будут изменяться токи и напряжения в строчных катушках и обмотках СТ в установившемся режиме за период формирования одной строки изображения на экране ЭЛТ. На рисунках 2-5 приведены эпюры сигналов и эквивалентные схемы, соответствующие различным моментам времени формирования горизонтальной развертки.
рис.2. Эпюры сигналов выходного каскада строчной развертки.
В первую половину прямого хода магнитная энергия, накопленная в строчных отклоняющих катушках во время предыдущего процесса отклонения, создает линейно уменьшающийся ток отклонения, перемещающий электронный луч от левого края экрана до его середины. Этот ток протекает по цепи (на рис.1 он направлен в направлении противоположном направлению течения тока iy): строчные катушки Ly, конденсатор Cs, смещенный в прямом направлении диод D, строчные катушки. Конденсатор Сs подзаряжается током отклонения. К моменту времени t1, когда ток в отклоняющих катушках уменьшается до нуля (iy=0), т.е. отсутствует отклоняющее магнитное поле и электронный пучок направлен в центр экрана (находится в центре развертываемой строки) (рис.2а), на базу транзистора Т поступает положительный импульс (рис.2г), который открывает его. Для данного периода времени эквивалентная схема, формирующая линейно изменяющийся ток в обмотке СТ L1 и в строчной катушке Ly, приведена на рис.3.
рис.3. Эквивалентная схема выходного каскада строчной розвертки в момент времени t1-t2
рис.4. Эквивалентная схема выходного каскада строчной розвертки в момент времени t2-t4
В этот момент времени вся энергия строчного контура сосредоточена в конденсаторе Сs. Этот конденсатор, разряжаясь через открытый транзистор Т и строчные катушки Ly, создает нарастающий ток отклонения второй половины прямого хода луча, перемещающий его от середины экрана до его правого края.
Спустя приблизительно 26мкс, в момент t2, когда электронный пучок достигнет правого края экрана, на базу транзистора Т поступает отрицательный импульс и транзистор закрывается (рис. 2г). На коллекторе транзистора Т при этом возникает положительный синусоидальный импульс напряжения в результате колебательного процесса, возникающего в контуре: параллельно соединенные катушки отклоняющей системы, первичная обмотка СТ и конденсатор Сa (рис.4). Импульс напряжения обратного хода в этом контуре вызывает быстрое изменение полярности отклоняющего тока, что обуславливает быстрое перемещение электронного луча от правого края экрана к левому, т.е. обратный ход луча. Емкость конденсатора Сs, включенного последовательно с отклоняющими катушками, во много раз больше емкости конденсатора Сa, поэтому не оказывает существенного влияния на длительность обратного хода. В связи с этим эквивалентную схему для данного промежутка времени можно преобразовать в схему, изображенную справа на рис. 4.
Длительность обратного хода определяется емкостью конденсатора Сa, параметрами обмотки строчного трансформатора и в идеальном случае составляет 12 мкс.
Итак, в момент запирания транзистора Т t2 конденсатор Сa начинает заряжаться, достигая своего максимального значения в момент t3. Далее, в течение интервала времени t3 – t4 конденсатор Сa, быстро разряжается через малое сопротивление первичной обмотки строчного трансформатора. В процессе разряда разрядный ток конденсатора Сa, достигая нулевого значения, стремится стать отрицательным. Однако этого не происходит по причине существования демпферного диода D, который при изменении полярности разрядного тока смещается в прямом направлении и отсекает отрицательную полуволну разрядного тока (рис. 5). Этим отрицательным разрядным током заряжается конденсатор Сs и начинает формироваться линейно уменьшающийся ток отклонения прямого хода луча. К моменту времени ty электронный луч достигнет середины экрана и весь процесс повторится снова.
рис.5. Эквивалентная схема выходного каскада строчной розвертки в момент времени t4-t6
рис.6. Развертка одной строки изображения ЭЛТ
Период с момента t1 до момента t7 составляет примерно 64мкс и является периодом строчной развертки телевизоров (частота строчной развертки для систем PAL и SEСАМ составляет 15625 Гц).
В мониторах и последних моделях телевизоров частота как строчной, так и кадровой разверток может меняться в зависимости от требований, предъявляемых к качеству изображения на экране. Способ формирования изображения у мониторов принципиально ничем не отличается от телевизионного.
Необходимо отметить, что транзистор Т к моменту t1 и t7 уже должен быть в режиме насыщения, однако из-за конечного времени рассасывания зарядов в транзисторе мгновенно это произойти не может. Поэтому положительные импульсы на базу транзистора подают с некоторым упреждением, величина которого зависит от параметров конкретного типа транзистора, применяемого в данном каскаде.
Рассмотрим суммарный ток i1, протекающий через первичную обмотку строчного трансформатора (рис2б). Этот ток имеет пилообразную форму, аналогичную форме отклоняющего тока iy, но с одним главным отличием: i1 имеет постоянную составляющую, которую мы обозначили на рис.2б как i1.
Произведение Uпит х i1 даст нам в итоге потребляемую мощность источника питания, отдаваемую во вторичную нагрузку через строчный трансформатор, о чем будет сказано ниже.
1.2. Высокое напряжение
Здесь мы остановимся на том, как используется мощность, накапливаемая в первичной обмотке СТ при возникновении высоковольтного импульса обратного хода, для выработки напряжений питания фокусирующего, ускоряющего электродов и высокого напряжения анода кинескопа, а также как формируются напряжения вторичных источников питания.
Рассмотренный выше способ формирования отклоняющего тока и напряжений питания электродов ЭЛТ имеет одно важное свойство: если по каким-либо причинам отклоняющий ток в строчных катушках уменьшается, то, соответственно, уменьшаются и ускоряющие напряжения на электродах кинескопа, предотвращая бомбардирование электронами центральной части экрана и последующее разрушение люминофорного покрытия экрана.
Рассмотрим форму импульса U12 на коллекторе закрытого транзистора Т (рис.1), прикладываемого к первичной обмотке трансформатора (рис.7). Поскольку первичная обмотка СТ является индуктивной нагрузкой транзистора, то очевидно, что постоянная составляющая этого импульсного сигнала равна нулю. То есть площади заштрихованных областей на рисунке, расположенные выше и ниже временной оси, равны. Исходя из этого для каждой длительности импульса обратного хода tr и напряжения питания выходного каскада строчной развертки Uпит достаточно легко можно расчитать максимальное значение амплитуды сигнала U в первичной обмотке строчного трансформатора.
рис.7. Импульс обратного хода в первичной обмотке СТ.
В таблице 1 для ряда значений tr приведены соответствующие значения коэффициента F, с помощью которого при умножении его на Uпит можно получить значение максимальной амплитуды U импульсного напряжения в первичной обмотке трансформатора (при форме импульса, аналогично приведенной на рис.7 и частоте строчной развертки 15625 Гц).
Табл.1. Значения коэффициента F в зависимости от длительности импульсов обратного хода ( tr )
Например, при Uпит =145в и tr = 11.7 мкс получим следующее значение:
U = 7.95 х 145 = 1153 В
Импульс напряжения, приложенный к первичной обмотке, трансформируется во вторичные обмотки, не изменяя своей формы, и используется для создания напряжений питания высоковольтных электродов кинескопа и вторичных питающих напряжений.
Зная соотношение витков первичной и вторичной обмоток, можно определить амплитуду импульсного сигнала, наведенного во вторичных обмотках (см.рис.8). Так значение импульсного на выходе высоковольтной обмотки, формирующей высокое напряжение для питания анода кинескопа, можно определить, исходя из следующего соотношения:
Ua = U12 nн / n1
где n1 и nн соответственно, количество витков первичной и вторичной (повышающей) обмоток.
Для получения постоянного положительного анодного напряжения отрицательная часть Ua отсекается диодом Do, и полученная последовательность импульсов высокого напряжения сглаживается на собственной емкости кинескопа Ct (см.рис.1). Размер изображения по горизонтали зависит от уровня высокого напряжения Uз.
рис.8. Принцип трансформации импульсного напряжения во вторичные обмотки СТ (на примере получения анодного напряжения)
Основное назначение электрического поля, созданного потенциалом Uз - всегда направлять пучок электронов в центр экрана. При этом развертывающие магнитные поля ОС заставляют пучок отклоняться от этого пути. При этом должно соблюдаться определенное соотношение между напряженностями ускоряющего электрического и отклоняющего магнитного полей. Если анодное напряжение слишком высоко, развертывающее магнитное поле окажется достаточно слабым для полного отклонения луча. В результате этого изображение на экране ЭЛТ будет "узким": по краям экрана будут темные вертикальные полосы. С другой стороны, если электрическое поле слабое (анодное напряжение занижено), пучок отклонится слишком сильно и изображение будет шире размеров экрана, приведя к потере информации за краями экрана ЭЛТ.
В современных трансформаторах вторичная повышающая высоковольтная обмотка состоит из трех идентичных секций, между которыми последовательно включены диоды высокого напряжения. Строчные трансформаторы с высоковольтной обмоткой такой конструкции получили название сплит-трансформатор (split — разбиение) (рис.9). По сути все три секции повышающей обмотки и три выпрямительных диода вместе образуют умножитель напряжения. Здесь для получения высокого напряжения питания анода кинескопа импульсные напряжения, наводимые в каждой из секций, выпрямляются диодами и складываются в фазе друг с другом.
рис.9. Электрическая схема формирователя высокого напряжения сплит-трансформатора.
Такое конструктивное решение сплит-трансформатора способствует уменьшению паразитной емкости цепи питания анода ЭЛТ и, следовательно, приводит к тому, что во время переключения к каждому диоду прикладывается только часть (1/3) общего напряжения.
Сплит-трансформатор обычно включает в себя два высоковольтных переменных резистора, которые вместе с дополнительным нагрузочным резистором образуют делитель напряжения, с плеч которого (с движков переменных резисторов) снимаются напряжения питания фокусирующего и ускоряющего электродов кинескопа. Фокусирующий и ускоряющий электроды являются выводами соответствующих электронных линз, предназначенных для формирования узкого электронного пучка и предотвращения его рассеяния. Добавочное нагрузочное сопротивление - это резистор, который для ЭЛТ с диагональю 21 дюйм и выше обычно встраивается внутрь сплит-трансформатора и дает возможность внутренней емкости кинескопа разряжаться при выключении телевизора. Это также способствует уменьшению внутреннего импеданса источника высокого напряжения, улучшая его стабильность.
Внутренний импеданс источников высокого напряжения фокусировки и ускоряющего напряжения составляет примерно 1 - 5 мОм. He пытайтесь .измерять любое из трех высоких напряжений обычным вольтметром, чей внутренний импеданс обычно не превышает 10 мОм. Это опасно и может привести к пагубным последствиям для здоровья.
Для того, чтобы провести эти измерения, необходимо использовать специальные измерители высокого напряжения с внутренним импедансом, по крайней мере, не менее 500мОм.
1.3. Источник вторичных напряжений питания
Если мы добавим в сплит-трансформатор несколько вторичных обмоток с различным числом витков, то после выпрямления импульсного напряжения, наводимого в них, получим ряд (по количеству обмоток) дополнительных вторичных напряжений, которые можно использовать для питания других схем и блоков телевизора и монитора. Таким образом, наличие вторичных (кроме анодной) обмоток у СТ позволяет использовать его в качестве источника вторичных напряжений питания.
На рис.10 приведен пример включения сплит-трансформатора в выходном каскаде строчной развертки. Форма импульсного сигнала на любой вторичной обмотке, например между выводами 6-7 трансформатора, аналогична сигналу, приложенному к первичной обмотке (см.рис.7), а амплитуда его зависит от соотношения витков этих двух обмоток. В зависимости от того, какой из выводов заземлен и от направления включения выпрямительного диода, можно получить различные значения вторичных напряжений питания.
рис.10. Пример включения сплит-трансформатора в выходном каскаде строчной развертки.
Здесь необходимо сказать о фазировке обмоток, т.е. о том, что направление намотки и подключение одного из выводов вторичных обмоток на корпус (особенно это касается обмоток с отводом) должно быть согласовано с направлением намотки первичной обмотки трансформатора. При несоблюдении этого условия может случиться так, что вместо положительного напряжения вторичного источника питания будет присутствовать отрицательное либо отсутствовать вообще. Такие случаи наблюдаются при замене вышедшего из строя строчного трансформатора другим, не являющимся его аналогом, но с похожими параметрами и цоколевкой выводов обмоток. Такая замена, как правило, сопровождается небольшими изменениями в схеме строчной развертки ремонтируемого телевизора . Для того, чтобы не происходило подобных ошибок, на схемах (рис. 10) выводы, соответствующие началу каждой обмотки, помечают точкой. Таким образом, в нашем случае, если мы отмаркируем вывод 1 первичной обмотки СТ, к которому прикладываются импульсы обратного хода с коллектора ключевого транзистора (см.рис.2е), как на обмотки (точкой) (рис.10,11а), то маркировка остальных выводов СТ осуществится с учетом направления намотки соответствующих вторичных обмоток, как это показано на рис.10.
На рис.11 приведены параметры импульсного напряжения (полярность и амплитуда), наводимого во вторичной обмотке, в различных вариантах ее включения. Эпюры сигналов на выводах первичной и вторичной обмоток в случае включения последней по схеме, изображенной на рис.11б, приведены на рис.12.
рис.11. Способы получения различных сигналов на вторичных обмотках сплит-трансформатора
Таким образом, на каждой вторичной обмотке сплит-трансформатора формируются два типа импульсного напряжения:
• напряжение U3 (рис.12), снимаемое с вывода 3 помеченного точкой (синфазный выход).
При этом конец обмотки заземлен;
• напряжение U5 (рис. 12), снимаемое с конца обмотки (парафазный выход). При этом вывод, соответствующий началу обмотки заземлен.
Оба сигнала (U3 и U5) состоят из собственно импульса обратного хода и постоянной его части, соответствующей прямому ходу, когда энергия, накопленная в сердечнике трансформатора во время формирования импульса обратного хода, преобразуется в ток горизонтального отклонения.
Поскольку постоянная составляющая в импульсном напряжении, снимаемом со вторичных обмоток, отсутствует, сигнал расположится относительно горизонтальной оси так, как показано на рис.12.
рис.12. Эпюры сигналов на выводах вторичной обмотки сплит-трансформатора
Таким образом, путем выпрямления и сглаживания части этого сигнала, соответствующей либо прямому, либо обратному ходу лучей, в зависимости от схемы включения вторичной обмотки и полярности включения выпрямительного диода, можно получить 12 различных вторичных напряжений питания.
На рис.10 в качестве примера показаны типовые варианты использования сплит-трансформатора в качестве источника вторичных напряжений питания.
В случае высокого сопротивления нагрузки при потребляемом токе не более 50мА для формирования вторичного напряжения питания вполне достаточно выпрямления импульсов обратного хода. В случаях, когда потребляемый нагрузкой ток превышает значение 50мА или при необходимости получения более высоких вторичных' напряжений питания используют добавочное напряжение от блока питания телевизора,. Пример такого схемного решения приведен на рис.10 (формирование напряжения в точке 3а схемы). Здесь напряжение питания выходного каскада строчной развертки +140 В поступает через сглаживающий фильтр на вывод 2 трансформатора и складывается с импульсным напряжением +65 В, наведенным в обмотке (рис.13). Напряжение +140 В создает так называемую подпору, приподнимающую импульсный сигнал +65 В над уровнем 0 В на величину +140 В. После выпрямления и фильтрации получается вторичное напряжение питания +195 В.
рис.13. Форма импульсного напряжения на вторичной обмотке СТ при формировании высокого напряжения вторичного источника питания
Особое внимание следует обратить на обмотку 4-5 (см.рис.10), предназначенную для формирования напряжения питания нити накала кинескопа. Резистор R предназначен для ограничения бросков тока накала, а следовательно, для снижения электродинамической нагрузки во время включения телевизора на "холодной" нити накала. Это в свою очередь, позволяет получить более высокую стабильность мощности накала. Изменяя в небольших пределах сопротивление резистора R можно проводить корректировку значения напряжения накала кинескопа, необходимоть в которой обусловлена разбросом параметров самого сплит-трансформатора и сопротивления нити накала кинескопа. Значение напряжения накала должно быть установлено, по возможности, как можно точнее (6.3 ± 0.1 В), поскольку является одним из основных факторов, влияющих на продолжительность жизни и устойчивость эмиссионной способности электронных пушек кинескопа.
Обычными средствами с достаточной степенью точности это напряжение не измерить, поскольку оно носит импульсный характер. Для этого необходимы специальные прецизионные измерители эффективного (действующего) напряжения. Приближенно, измерив осциллографом амплитуду и длительность импульса обратного хода на выводе 4 (см.рис.10), напряжение накала можно вычислить по формуле:
Uэф = Uох[0.29 + 0.01(Тох - 12)]
где
Тох - длительность импульса обратного хода, мкс;
Uох - амплитуда импульса обратного хода в цепи накала, В;
Uэф - действующее значение напряжения накала.
Теперь остановимся на нескольких принципиальных моментах, которые обязательно необходимо учитывать при ремонте телевизионной техники вообще и замене строчного трансформатора в частности. А именно: как изменяются выходные напряжения сплит-трансформатора при изменении напряжения питания выходного каскада строчной развертки +Uпит, изменении индуктивностей первичной обмотки L1 (рис.1) трансформатора и строчных отклоняющих катушек, а также при изменении емкости конденсатора Са (см.рис.10).
1. Напряжение питания выходного каскада строчной развертки. При изменении +Uпит происходит пропорциональное изменение всех выходных, включая и анодное, напряжений.
2. Индуктивность первичной обмотки. При изменении L1 (в случае замены строчного трансформатора подобным, но не являющимся полным аналогом) изменяются все вторичные напряжения, полученные путем выпрямления импульсов обратного хода. При этом напряжения, полученные путем выпрямления сигнала, соответствующего прямому ходу строчной развертки, практически не изменятся.
3. Индуктивность строчных отклоняющих катушек. Поскольку строчные катушки совместно с первичной обмоткой трансформатора образуют параллельный колебательный контур, изменение их индуктивности Ly, приведет к тем же изменениям, которые описаны в п.п. 2).
4. Емкость конденсатора Ca. От емкости конденсатора Ca (его еще называют конденсатором обратного хода) зависит длительность импульса обратного хода. Поэтому изменение ее вызывает тот же характер изменений выходных напряжений трансформатора, как и при изменениях L1 и Ly.Т.е. имеет место обратнопропорциональная зависимость.
Так, например, если мы примем номиналы выше перечисленных элементов схемы, приведенной на рис.10, равными:
L1 = 5 мГн
Ly = 1.8 мГн
Сa= 6.8 нФ + 560 пФ = 7.36 нФ
то напряжения на обмотках строчного трансформатора и выходных контактах схемы будут такими, как приведенные в средней колонке таблицы 2. Если мы исключим из схемы конденсатор емкостью 560 пФ, т.е. уменьшим емкость конденсатора Сa на 560 пФ, то значения выходных напряжений изменятся (третья колонка таблицы 2).
таблица 2
Из таблицы ясно видно, что наибольшим изменениям подвержены напряжения, полученные из импульсов обратного хода.
Отсюда следует важный вывод: всегда существует возможность замены СТ другим, являющимся лишь приближенным аналогом, с последующим подбором емкости конденсатора Са для установки номинальных значений параметров выходного каскада строчной развертки.
В заключение отметим, что все вышеупомянутые сведения касаются в основном идеального случая, без учета потерь и разброса параметров всех компонентов выходного каскада строчной развертки. Неидеальность их порой приводит к неожиданным и трудноподдающихся анализу помехам и нелинейным искажениям сигналов. В первую очередь это касается каскадов развертки. Поэтому даже в совершенные и отработанные схемы строчной развертки включают элементы, позволяющие проводить ручную коррекцию геометрических и нелинейных искажений в зависимости от реальных параметров конкретных электронных и намоточных компонентов выходного каскада строчной развертки.
Литература:
Колесниченко О.В., Шишигин И.В., Золотарев С.А.
"Строчные трансформаторы для зарубежных телевизоров и мониторов."
"Лань" СПб 1996.
