Для ШКОЛЬНИКОВ (по материалам учебной литературы).
В переводе с греческого языка слово "телевидение" означает "далеко вижу".
ТЕЛЕВИДЕНИЕ - это область электроники, занимающаяся передачей и приёмом движущегося изображения, сопровождаемого звуком, на расстояние.
Нам предстоит разобраться, как такое действие оказывается возможным.
Надо сначала вспомнить как передаётся речь на расстояние с использованием электромагнитных волн (радиоволн), то есть вспомнить содержание статьи "Изобретение радио. Принципы радиотелефонной связи", так как принципы передачи движущегося изображения похожи на принципы передачи звука с помощью радиоволн, только имеют свои особенности.
ПЕРЕДАЧА ЗВУКА ПОСРЕДСТВОМ РАДИОВОЛН
Поместим нужные нам три рисунки из упомянутой статьи, на которых показаны схема радиосвязи, блок-схема радиосвязи и получение модулированных колебаний.
Схема радиосвязи (рис.1):
Блок-схема радиосвязи (рис. 2):
Получение модулированных колебаний (рис.3):
На первых двух рисунках (рис.1 и рис.2) даны схема и блок-схема радиосвязи. Схема радиосвязи включает в себя передатчик и приёмник радиоволн.
Основной частью передатчика является генератор, вырабатывающий незатухающие высокочастотные электромагнитные колебания, называемые колебаниями НЕСУЩЕЙ частоты (на схеме рис.1 генератор обведён штриховым контуром).
График колебаний НЕСУЩЕЙ частоты (гармонических колебаний высокой частоты) показан на рис.3а.
Если колебания несущей частоты передать в передающую антенну А1, то антенна будет излучать бесконечную во времени монохроматическую электромагнитную волну такой же частоты.
Эта монохроматическая (синусоидальная) волна будет непригодна для передачи каких-либо сигналов (в том числе звуковых сигналов).
Передавать сигналы на расстояние можно только используя модулированные волны. Для этого в передатчике надо получить модулированные колебания.
Как осуществляется модуляция электромагнитных (электрических) колебаний?
При разговоре мембрана микрофона совершает механические колебания, которые превращаются в микрофоне в электрические колебания такой же низкой звуковой частоты (рис. 3 б).
Модулирующее устройство радиопередатчика накладывает эти электрические колебания низкой частоты на высокочастотные колебания генератора (рис. 3а), создавая этим модулированные колебания, изображённые на рис. 3в (нижний график рис.3):
Именно колебания такого вида (модулированные колебания) возникают в передающей антенне А1 (см. рис.2) и излучаются ею в пространство в виде модулированных волн.
Дойдя до приёмной антенны А2 радиоприёмника, эта волна возбуждает в антенне А2 такие же модулированные колебания, которые были в антенне А1.
Мы говорили о том, что происходит в цепи передатчика, теперь посмотрим, что происходит в цепи радиоприёмника.
В цепи радиоприёмника происходит обратный процесс - процесс демодуляции, то есть выделение модулирующих колебаний звуковой частоты (звукового сигнала) из модулированных колебаний.
Описание процесса демодуляции или детектирования поясняется приведённым ниже рисунком и подробно рассмотрено в статье "Изобретение радио. Принципы радиотелефонной связи".
Выделенные модулирующие колебания в радиоприёмнике после их усиления и выпрямления подаются на воспроизводящее устройство - телефон или громкоговоритель (см. рис.1).
Таким образом, чтобы осуществить передачу звука (речи, музыки) от микрофона до телефона, надо в радиопередатчике ЗВУКОВЫЕ сигналы перевести в ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ сигналы звуковой частоты. Затем последними промодулировать высокочастотные колебания генератора и излучить их антенной А1 в пространство.
В радиоприёмнике, уловившем эти волны, идёт обратный процесс превращения электрических колебаний в звуковые.
В радиоприёмнике переменный ток (низкочастотные электрические колебания) попадает в телефон, проходит по обмотке его электромагнита, заставляя колебаться мембрану, которая и создаёт звуковые волны, то есть переводит электрический сигнал в звуковой.
Подобные действия происходят и в телевидении, только в телевидении происходят преобразования ОПТИЧЕСКИХ сигналов, соответствующих оптическому изображению объекта, в ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ сигналы и обратно.
Телевизионная система
Телевизионная система, служащая для передачи движущегося изображения на расстояние, состоит из телевизионного передатчика, линии связи (в рассматриваемом случае это радиоволны) и телевизионного приёмника.
Ниже приведена упрощённая схема телевизионной системы, показывающая как ДВИЖУЩЕЕСЯ изображение в виде "циркача" доходит до экрана телевизора.
(Здесь же для сравнения показан фотограф с фотоаппаратом. Фотоаппарат позволяет получить НЕПОДВИЖНОЕ изображение объекта на фотоплёнке).
Для чёткости покажем отдельно схемы телевизионного передатчика и телевизионного приёмника:
СХЕМА ТЕЛЕВИЗИОННОГО ПЕРЕДАТЧИКА
СХЕМА ТЕЛЕВИЗИОННОГО ПРИЁМНИКА
Видим, что схема телевизионной системы сложная. Она включает в себя два канала - канал изображения и канал звука. Эти каналы должны быть согласованы (синхронизированы) и в передатчике, и в приёмнике.
На схеме канал изображения (ход видеосигнала) показан красной линией, а ход сигнала звукового сопровождения показан чёрной линией.
К антенне передатчика (см. общую схему) подходит общий сигнал передатчиков изображения и звука, его называют телевизионным сигналом.
(Телевизионный сигнал - это совокупность электрических сигналов, содержащая информацию о телевизионном изображении и звуке).
Радиоволны переносят телевизионный сигнал от антенны передатчика к антенне приёмника (см. в центре общей схемы).
В телевизионном ПРИЁМНИКЕ каналы звука и изображения разделяются и детектируются.
После детектора в телевизионном приёмнике сигнал изображения попадает на усилитель изображения, а с него - на кинескоп. Сигнал звука после детектора звука и усилителя звука попадает в громкоговоритель.
Для осуществления телевизионной передачи необходимо произвести три процесса:
преобразование света, отражённого объектом передачи, в электрические сигналы;
передачу этих сигналов от передатчика к приёмнику по каналу связи;
обратное преобразование электрических сигналов в телевизионном приёмнике в световые импульсы для воссоздания оптического изображения объекта.
Итак, в телевизионном ПЕРЕДАТЧИКЕ надо ОПТИЧЕСКИЕ сигналы преобразовать в ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, затем ими промодулировать несущую радиоволну.
В телевизионном ПРИЁМНИКЕ надо произвести обратный процесс демодуляции (детектирования) радиоволны и преобразования электрических сигнала в оптические, то есть получить на экране телевизора изображение объекта).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА РАССТОЯНИЕ ОКАЗАЛОСЬ ВОЗМОЖНЫМ БЛАГОДАРЯ ДВУМ ОСОБЕННОСТЯМ: инерционности человеческого глаза и отсутствия инерционности у движущегося потока электронов.
ИНЕРЦИОННОСТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ГЛАЗА заключается в том, что ещё в течение 0,1 секунды человек продолжает видеть предмет после его удаления.
ОТСУТСТВИЕ ИНЕРЦИОННОСТИ У ДВИЖУЩИХСЯ ЭЛЕКТРОНОВ связано с их очень малой массой, благодаря чему электроны, обладая зарядом, мгновенно реагируют на изменения электрического и магнитного полей, поэтому пучком электронов очень легко управлять- можно менять их направление, можно сообщать электронам огромные скорости.
Прежде, чем рассматривать ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, происходящие в ПЕРЕДАЮЩЕЙ ТРУБКЕ телевизионного передатчика и в КИНЕСКОПЕ телевизионного приёмника, ответим на следующий вопрос:
Как добиваются качественного изображения объекта на экране телевизора?
Посмотрим, как это можно сделать по аналогии с КАЧЕСТВЕННЫМ переносом на бумагу понравившейся нам КАРТИНЫ.
С картиной можно поступить следующим образом.
Можно эту картину разлиновать горизонтальными и вертикальными линиями, разложив её этим на элементы (квадратики). На листе бумаги нарисовать такие же квадратики и заполнять их карандашом, глядя на оригинал. В результате получим изображение картины.
Чем на большее число элементов (квадратиков) разложили картину, тем больше изображение на бумаге будет похоже на оригинал, тем лучше будут переданы элементы картины на бумагу.
Точно так же можно разбить ОПТИЧЕСКОЕ изображение объекта в ПЕРЕДАЮЩЕЙ ТРУБКЕ телевизионного передатчика на элементы.
Чем больше будет этих элементов, тем чётче получится изображение объекта на экране телевизора (САМЫЙ МАЛЫЙ размер элементов соответствует ТОЧКЕ).
Физическую сущность происходящих в телевидении процессов будем рассматривать на конкретном примере.
В нашем примере ОБЪЕКТОМ изображения будет являться "парочка" (женщина и мужчина), а не "циркач", как показано на схеме телевизионной системы.
Процесс телепередачи начинается с ПЕРЕДАЮЩЕЙ ТРУБКИ телевизионного передатчика.
Устройство и принцип работы ПЕРЕДАЮЩЕЙ ТРУБКИ телевизионного передатчика. Преобразование в ней оптических сигналов в электрические
Передающая телевизионная трубка - это электровакуумный прибор, преобразующий движущееся изображение в электрические сигналы.
Мы будем говорить о первой передающей телевизионной трубке, названной ИКОНОСКОПОМ (в переводе с греческого "рассматриваю изображение").
Иконоскоп был предложен в 1931 году независимо друг от друга русским учёным Катаевым и американским учёным Зворыкиным, построившим его в 1932 году.
Ниже показана СХЕМА ИКОНОСКОПА.
Иконоскоп представляет собой вакуумную стеклянную колбу 10, в которой закреплён фотокатод. В наклонной горловине колбы находится электронная пушка.
Название "электронная пушка" связано с формированием в ней узкого быстрого пучка электронов (электронного луча). (Как формируется электронный луч в электронной пушке будет сказано позднее, при рассмотрении работы кинескопа).
Фотокатод представляет собой очень тонкую диэлектрическую слюдяную пластину 2, на лицевую поверхность 1 которой нанесено несколько миллионов изолированных друг от друга мельчайших капелек серебра, покрытых цезием.
Такая поверхность фотокатода, состоящая из изолированных между собой капелек серебра, похожа на мозаику.
(Для простоты фотокатод будем называть МОЗАИКОЙ, а капельки серебра будем называть просто КАПЕЛЬКАМИ или ЭЛЕМЕНТАМИ мозаики).
На тыльную сторону слюдяной пластины 2 нанесён сплошной слой 3 из серебра или другого металла, слой 3 назвали СИГНАЛЬНОЙ пластиной.
Перед фотокатодом установлено металлическое кольцо 4, выполняющее роль коллектора (собирателя) электронов.
Объект изображения ("парочка") находится перед иконоскопом. На рисунке объект показан в виде вертикальной стрелки.
ОТРАЖЁННЫЕ от объекта световые лучи, благодаря оптической системе 11, проходят через стекло трубки, давая ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ОБЪЕКТА ("парочки") на фотокатоде.
(Происходит всё так же как в фотоаппарате, только в фотоаппарате оптическое изображение объекта получается на фотоплёнке, а в иконоскопе - на мозаичном фотокатоде).
При попадании света, отражённого от объекта, на мозаичный фотокатод наблюдается явление ФОТОЭФФЕКТА, когда фотоны света вырывают электроны с поверхности металла, с поверхности КАПЕЛЕК серебра.
С тех КАПЕЛЕК, на которые света падает много, электронов вырывается много, с затемнённых - меньше, а с КАПЕЛЕК, куда свет не падает, электроны не вылетают.
При этом каждая КАПЕЛЬКА, на которую падает свет, приобретает положительный заряд, величина которого в точности соответствует количеству упавшего на неё света (количеству фотонов). Чем ярче свет, падающий на капельку, тем больший положительный заряд она на себе накапливает..
САМЫЙ БОЛЬШОЙ положительный заряд приобретают КАПЕЛЬКИ, приходящиеся на БЕЛЫЕ участки оптического изображения объекта на фотокатоде.
Меньший заряд приобретают КАПЕЛЬКИ серебра, приходящиеся на серые участки изображения объекта на фотокатоде.
И совсем не появятся заряды в капельках, приходящихся на чёрные участки изображения.
Таким образом, на фотокатоде под действием света появляется НЕВИДИМАЯ СВОЕОБРАЗНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ "КАРТИНКА" - копия объекта ("парочки").
Эта невидимая электрическая "картинка" и показана ниже в виде множества элементов, на которые она разбита - это белые, серые и чёрные элементы, имеющие вид квадратиков (каждый элемент "картинки" соответствует определённой капельке серебра).
Одновременно каждая заряженная капелька серебра составляет с сигнальной пластиной 3 конденсатор. Одна обкладка этого конденсатора (КАПЕЛЬКА) заряжена положительно, тогда на другой обкладке (сигнальной пластине 3) появится такой же по модулю отрицательный заряд (следствие индукции). Между этими обкладками находится диэлектрик (слюдяная пластина).
РОЛЬ ИКОНОСКОПА заключается в том, чтобы ЭЛЕМЕНТЫ электрической "картинки" ПРЕОБРАЗОВАТЬ в электрические сигналы (импульсы тока), а систему элементов преобразовать в пульсирующий ток. Как это происходит рассматривается ниже.
(Эти ИМПУЛЬСЫ ТОКА и ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ТОК показаны под "картинкой" в виде фигур, изображённых красным цветом для элементов одной ВЫДЕЛЕННОЙ на рисунке строки "картинки").
Обратите внимание, что высота этих фигур разная для разных элементов выделенной строки - наибольшая высота фигур относится к белым ЭЛЕМЕНТАМ (уровень белого), для серых ЭЛЕМЕНТОВ строки высота фигур меньше. Для чёрных ЭЛЕМЕНТОВ строки эта высота (уровень чёрного) равна нулю.
Этот пульсирующий ток и передаётся по линии связи в кинескоп телевизора, где преобразуется в оптические сигналы. В результате на экране телевизора получается оптическое изображение объекта.
Как преобразуются оптические сигналы в электрические в иконоскопе?
Задача преобразования "картинки" в систему электрических сигналов решается с помощью ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА.
БЫСТРЫЙ электронный луч постоянной интенсивности, сформированный в электронной пушке, управляемый катушками 9 с током, пробегает "картинку" по ЭЛЕМЕНТАМ в такой же последовательности, как мы читаем страницу книги, то есть электронный луч начинает свой путь по "картинке" с первой строки слева-направо.
Дойдя до конца строки, он перескакивает на начало второй строки, проходит её до конца, затем перескакивает на начало третьей строки и т. д., доходя так до конца "картинки".
Горизонтальные линии, которые пробегает луч, называются СТРОКАМИ, а вся "картинка" называется КАДРОМ.
Каждый телевизионный кадр содержит 625 строк и почти полмиллиона элементов изображения.
В каждый момент времени электронный луч находится на одном ЭЛЕМЕНТЕ "картинки". Все элементы кадра, элемент за элементом, электронный луч проходит за 1/25 секунды, что говорит об его огромной скорости.
Посмотрим, как возникает электрический сигнал (импульс тока), соответствующий ЭЛЕМЕНТУ "картинки".
Электронный луч - это поток электронов. Падая на ЭЛЕМЕНТ "картинки" (на положительно заряженную под действием света капельку серебра) электронный луч мгновенно нейтрализует эту капельку (убирает её заряд) путём отдачи ей нужного количества электронов. Электронный луч как бы "стирает" заряд с КАПЕЛЬКИ серебра.
В этот миг электроны, существовавшие в сигнальной пластине 3 вследствие индукции, уходят из пластины 3, через сопротивление нагрузки Rн, подсоединённой к усилителю, по цепи проходит импульс тока.
Так, пробегая по всем ЭЛЕМЕНТАМ кадра, электронный луч нейтрализует положительные заряды всех элементов картинки, а по цепи протекают цепочки мгновенных импульсов электрического тока. Эта цепочка для одной строки кадра и показана под "картинкой" красным цветом.
Размеры импульсов определяются положительными зарядами ЭЛЕМЕНТОВ (капелек серебра). Эти цепочки импульсов отводятся к усилителю, который обращает их в более мощные электрические сигналы.
Несущая электромагнитная волна переносит эти сигналы на кинескоп телевизионного приёмника.
Наиболее сильные электрические сигналы вырабатываются электронным лучом при его попадании на белые элементы изображения.
При попадании луча на серые элементы изображения, вырабатываются электрические сигналы более слабые, а при попадании луча на чёрные элементы (чёрно-белого изображения) электронный луч электрические сигналы не вырабатывает, что и показано на графике пульсирующего тока под "картинкой".
Объектив иконоскопа во время работы не закрывается. Капельки серебра непрерывно находятся под воздействием световых лучей и непрерывно накапливают положительные заряды. Электронный луч посещает каждую капельку серебра через 1/25 долю секунды, а нейтрализует луч каждую капельку за одну тринадцати миллионную долю секунды, то есть иконоскоп освобождает заряды капелек серебра гораздо быстрее, чем они накапливаются на капельках.
Итак, электронный луч в иконоскопе осуществил электрическую развёртку изображения, записав его для системы элементов изображения в виде пульсирующего тока сложной формы.
Этот "пульсирующий ток" через линию связи поступает в кинескоп телевизионного приёмника.
Как работает кинескоп? Как в нём электрические сигналы преобразуются в оптические?
Кинескоп (от греч. двигаю, смотрю) - это приёмная электронно-лучевая трубка с магнитной отклоняющей системой и строчной развёрткой изображения, предназначенная для наблюдения движущегося изображения.
Кинескоп представляет собой стеклянный баллон, из которого тщательно откачан воздух.
КИНЕСКОП состоит из электронно-оптической системы, называемой электронной пушкой, образующей быстрый электронный луч, и люминесцентного тонкого слоя, покрывающего поверхность экрана, способного светиться при бомбардировке его электронами.
Электронная пушка состоит из подогревателя 1 катода, катода 2, управляющего электрода (модулятора) 3, ускоряющего электрода 4 и анодов 5 и 6.
УПРАВЛЯЮЩИЙ ЭЛЕКТРОД (модулятор) имеет вид охватывающего катод цилиндра, перегороженного на конце диафрагмой с отверстием. Он предназначен для управления потоком электронов, излучаемых катодом, играя важную роль в формировании электронного луча.
Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода. Изменением напряжения между управляющим электродом и катодом можно изменить интенсивность электронного луча и, соответственно, яркость изображения.
УСКОРЯЮЩИЙ ЭЛЕКТРОД 4 представлен в виде цилиндра с диафрагмой, с диафрагмы и начинается формирование электронного луча.
Ускоряющий электрод имеет положительный потенциал относительно катода и предназначен для дополнительного разгона электронов в пределах пушки.
АНОДЫ 5 и 6 обеспечивают фокусировку электронов и определяют конечную скорость, с которой электроны бомбардируют экран.
Для достижения чёткости изображения на экране необходимо, чтобы диаметр электронного луча на поверхности экрана, значит и диаметр светящейся точки на экране, были не больше толщины одной строки развёртки.
Процесс сжатия электронного луча до необходимого диаметра и называется фокусировкой луча.
Сформированный электронный луч 10 проходит через отклоняющую систему - катушку 8 вертикального отклонения луча и катушку 9 горизонтального отклонения луча.
После этого электронный луч попадает на экран 11, покрытый люминофором. Управляющие катушки заставляют луч бегать по экрану в точности повторяя движение электронного луча в иконоскопе. Он начинает свой путь с верхнего левого угла экрана и пробегает все 525 строк за 1/25 долю секунды.
Сигналы, несущие изображение, показанные под "картинкой", и имеющие вид красных фигур, попадают на управляющий электрод 3 пушки и изменяют его потенциал, что в свою очередь сказывается на числе электронов в луче.
Сильные импульсы, соответствующие светлым местам изображения, увеличивают число электронов в луче и светлые точки на экране вспыхивают ярче.
Слабые импульсы, соответствующие тёмным местам изображения, уменьшают число электронов в луче и светлая точка на экране тускнеет.
Совсем слабые сигналы, соответствующие чёрным местам изображения, гасят луч и на экране получаются чёрные тени.
Электронный луч рисует на экране телевизора изображение в точности подобное изображению на фотокатоде иконоскопа.
Радиоприёмник передаёт соответствующее изображению звучание.
Как на экране телевизора получается движущееся изображение?
В каждый момент в телевизор приходит электрический сигнал только от одного ЭЛЕМЕНТА мозаики и длится этот сигнал всего одну пятнадцати миллионную долю секунды, а глаз человека имеет инерцию 0,1 доли секунды.
Если время просмотра всех элементов изображения составляет время меньшее 0,1 с, то глаза будут продолжать видеть изображение первого элемента первой строки и всех последующих элементов всё время до прихода сигнала от последнего элемента последней строки кадра. Поэтому нам кажется, что весь экран телевизора светится одновременно.
Итак, для осуществления передачи движущегося изображения на расстояние создана телевизионная система, состоящая из передатчика, линии связи и телевизионного приёмника. В телевизионном передатчике оптическое изображение движущегося объекта последовательно по элементам преобразуется в электрические сигналы (пульсирующий ток). Эти сигналы через линию связи поступают в телевизионный приёмник, где пульсирующий ток преобразуется в оптическое изображение объекта.
Как обстоят дела с телевидением в настоящее время?
Передача движущегося изображения на расстояние рассматривалась нами (из-за ХОРОШЕЙ НАГЛЯДНОСТИ) на примере первых чёрно-белых телевизоров, в которых использовались электронно-лучевые трубки (кинескопы).
Трубки были длинными, поэтому телевизоры были толстыми и громоздкими.
С открытием полупроводников и полупроводниковых приборов всё изменилось. В настоящее время в квартирах в основном устанавливаются жидкокристаллические телевизоры, к которым телевизионные сигналы приходят не через радиоволны, а через провода (кабели).
В этих телевизорах вместо кинескопа используется светочувствительная полупроводниковая матрица, что позволило создавать плоские телевизоры с большим экраном.
Разбираться с устройством матрицы, с тем, как она работает даже не будем пытаться, так как это очень сложно. Надо знать свойства жидких кристаллов, разбираться с поляризацией света и т. д. Посмотрим только короткий фильм на эту тему.
Несмотря на такие изменения физические основы телевидения остались прежними, то есть на телевизионной станции оптические сигналы изображения с помощью светочувствительной полупроводниковой матрицы превращаются в электрические сигналы, которые передаются по линии связи к телевизионному приёмнику, преобразуются в нём в оптические сигналы, и на экране телевизора мы видим движущееся изображение.
Встретился удачный фильм к этой статье, помещаю его здесь
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Электротехника. Электроника. Сведения о науке "Электроника" и принципе работы некоторых электронных приборов.
Следующая запись:
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70