УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЦВЕТНОГО КИНЕСКОПА ОТ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Российский патент 1995 года по МПК H05K9/00 G12B17/02 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для устранения влияния магнитных полей (помех) на качество изображения на экране электронно-лучевой трубки цветного изображения, используемой, в частности, в судовых видеомониторах.

Магнитные поля различной величины и направления возникают и изменяются в судовых помещениях и объемах в процессе плавания судна вследствие изменения составляющих магнитного поля Земли, включения и регулирования электрических токов в обмотках штатных специальных электротехнических устройств и других контурах систем судового электрооборудования. Сильные магнитные поля, практически доводящие ферромагнитный корпус судна до технического насыщения, возникают при проведении электромагнитной обработки корпуса для его размагничивания. Магнитные поля и остаточная намагниченность могут значительно изменяться при перегрузке ферромагнитного груза, а также при использовании электромагнитных кранов.

Магнитные поля оказывают сильное влияние на работу судовых видеомониторов цветного изображения. Как установлено, влияние осуществляется из-за того, что внешние магнитные поля изменяют магнитное состояние теневой маски, которую устанавливают внутри электронно-лучевой трубки перед экраном. Маска представляет собой тонкий стальной лист сферической формы толщиной около 0,15 мм. Ее устанавливают на расстоянии, примерно, 15 мм от экрана. От качества изготовления маски и ее состояния зависят четкость изображения и чистота цветов. Внешние магнитные поля намагничивают маску, делая ее магнитное состояние отличным от того, при котором осуществлялась заводская настройка и регулировка электронно-лучевой трубки.

При исчезновении (выключении) магнитного поля помехи маска остается намагниченной. Магнитные поля рассеяния, создаваемые остаточной намагниченностью в отверстиях, исказят траектории электронных лучей, что приведет к ухудшению качества изображения.

Известно устройство (кн. Бродского М.А. "Телевизоры цветного изображения". Справочное пособие. Минск, Высшая школа, 1988, с.36, 89), в котором для уменьшения влияния внешних магнитных полей на цветные кинескопы используют магнитные экраны. Защитные экраны изготавливают из специального листового железа и устанавливают на конусообразную часть электронно-лучевой трубки. Кроме того, на экране располагают петлю (катушку) размагничивания, через которую пропускают переменный плавно затухающий электрический ток. Ток получают от блока автоматического размагничивания кинескопа. Размагничивание с помощью переменного поля выполняют для уменьшения намагниченности маски, экрана и элементов крепления. К недостаткам устройства следует отнести то, что наличие ферромагнитного экрана увеличивает вес и габариты кинескопа. Кроме того, при изменении магнитного поля помехи магнитный экран уменьшает влияние этого изменения всего на 20-30% Для усиления экранирования несколько раз повторяют размагничивание. Часто и это не приводит к достижению требуемого уровня отстройки от влияния магнитного поля.

Известны другие устройства (кн. Ельяшкевича С.А. Цветные стационарные телевизоры и их ремонт. М. "Радио и связь", 1991 г. с.17, рис. 1.5), в которых для уменьшения веса и габаритов применяют внешний магнитный экран в виде замкнутой ленты шириной около 7 см. Это устройство выбрано в качестве прототипа. В нем петлю размагничивания располагают на баллоне кинескопа по его периметру на некотором расстоянии от экрана кинескопа. Переменный затухающий ток подают в петлю от источника питания (блока размагничивания). При пропускании через петлю электрического тока размагничивания маска подвергается воздействию переменного затухающего магнитного поля, вектор которого направлен под прямым углом к плоскости маски, параллельной экрану кинескопа. Серьезным недостатком известного устройства является неполное размагничивание маски кинескопа, что приводит к низкому качеству изображения. Как указывалось, значительные по величине магнитные поля, как постоянное, так и переменные, создаваемые силовым судовым электрооборудованием: электрическими машинами, преобразователями, трансформаторами и др. могут вызывать остаточную намагниченность ферромагнитных элементов кинескопа. Приобретенная высококоэрцитивная остаточная намагниченность теневой маски оказывает сильное влияние на качество изображения. Как показали исследования, неполное размагничивание маски вызвано следующими обстоятельствами. Во-первых, вектор напряженности переменного магнитного поля, создаваемого электрическим током, пропускаемым через петлю размагничивания, направлен по отношению к плоскости маски под прямым углом или углами, близкими к 90^о. В этом направлении маска имеет минимальный размер и наибольший эквивалентный размагничивающий фактор. Поэтому результирующее магнитное поле внутри материала маски будет много меньше внешнего поля и не разрушит высококоэрцитивную остаточную намагниченность. Во-вторых, наиболее эффективное разрушение остаточной намагниченности происходит тогда, когда вектор переменного поля направлен по одной прямой с вектором остаточной намагниченности. В известных устройствах вектор переменного поля имеет фиксированное направление. А вектор остаточной намагниченности в плоскости маски может иметь любое направление, определяемое приложенным внешним полем, носящим в известном смысле случайный характер.

Таким образом, в известных устройствах не устранено влияние высококоэрцитивной намагниченности и постоянных магнитных полей, направленных, например, под прямым (или близким к прямому) углом к магнитной оси размагничивающей петли.

Желательно иметь такое устройство для автоматического размагничивания кинескопа, которое позволило бы полностью устранить влияние остаточной намагниченности и постоянных магнитных полей произвольного направления на качество изображения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности снижения влияния остаточной намагниченности и постоянного магнитного поля любого направления на качество изображения на экране цветного кинескопа, то есть повышение помехозащищенности цветной электронно-лучевой трубки. Это позволит повысить достоверность информации и идентификации с помощью цветного изображения на экране.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для автоматической защиты цветного кинескопа, которое содержит схему перемагничивания и блок питания, схема перемагничивания состоит из двух пар катушек, установленных под прямым углом друг к другу. Катушки одной пары установлены симметрично у горизонтальных торцов маски кинескопа, перпендикулярно вертикальной оси. Катушки другой пары установлены симметрично у вертикальных торцов маски перпендикулярно горизонтальной оси. Концы всех катушек загнуты под прямым углом к их плоскостям. Катушки в каждой паре соединены последовательно и согласно. Устройство дополнительно содержит блок настройки, вход которого подключен к выходу блока питания, а выходы подключены к соответствующим парам катушек.

Предлагаемое устройство позволяет создавать в материале маски вращающееся магнитное поле, амплитуда которого соответствует участку насыщения. Этим достигается полное разрушение остаточной высококоэрцитивной намагниченности и, как следствие, повышение помехозащищенности.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 размещение пар катушек перемагничивания на кинескопе; на фиг. 3 пример принципиальной схемы предлагаемого устройства; на фиг. 4 картина магнитного поля, создаваемого схемой перемагничивания (петлей) в устройстве-прототипе; на фиг. 5 картина магнитного поля, создаваемого катушками перемагничивания в предлагаемом устройстве (для вертикального направления).

Устройство для автоматической защиты содержит блок питания 1, выход которого соединен с входом блока настройки 2. Выходы блока настройки соединены соответственно с вертикальной парой катушек перемагничивания 3 и с горизонтальной парой катушек перемагничивания 4 схемы перемагничивания 5. Вертикальная пара катушек перемагничивания установлена перпендикулярно горизонтальной оси y симметрично относительно оси Z на баллоне 6 кинескопа у вертикальных торцов маски 7. Горизонтальная пара катушек перемагничивания установлена перпендикулярно оси Z симметрично относительно оси y на баллоне кинескопа у горизонтальных торцов маски. Концы (поперечные части) 8 всех катушек перемагничивания загнуты под прямым углом к их плоскостям.

Блок настройки содержит трансформатор 9, вход которого подключен к источнику питания и два фазовращателя 10 и 11, входы которых подключены к вторичным обмоткам трансформатора, а выходы соединены соответственно с вертикальной и горизонтальной парой катушек перемагничивания.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

От источника питания 1 на вход блока настройки 2 подают переменное электрическое напряжение, амплитуда которого плавно затухает до минимальной допустимой величины (фиг. 1 и 3). Блок настройки преобразует это напряжение в два переменных затухающих напряжения, которые подают на соответствующие пары катушек перемагничивания. В парах катушек 3 и 4 возникают электрические токи i_y и i_Z, плавно затухающие от начальных амплитуд I_my1 и I_MZ1 до минимальной величины (практически нуля). При настройке с помощью фазовращателей 10 и 11 обеспечивают сдвиг по фазе между токами на 90^о. Протекающие в парах катушек 3 и 4 электрические токи i_y и i_Z создают в маске сдвинутые по фазе на 90^о переменные магнитные поля, векторы напряженности и направлены под прямым углом друг к другу (фиг.2). При настройке выбором числа витков катушки и регулировкой токов по величине с помощью делителей R3-R4 и R8-R9 обеспечивают равенство величин напряженностей Н_у и Н_Z.

Создаваемые катушками магнитные поля с достаточной для анализа точностью можно описать с помощью выражений
Н_у Н_m1 e ^βt sinω t и H_Z H_m1 e ^βt cos ωt, где Н_m1 первая амплитуда;
ω угловая частота;
β показатель затухания (β< 0);
t время.

Тогда величина амплитуды Н_m вектора результирующего поля равна
H_m H_m1 e ^βt а его положение определится углом α=arctg H_y/H_Zωt
За период изменения магнитного поля его вектор совершит полный оборот в плоскости маски. Таким образом в процессе затухания электрических токов в катушках вектор создаваемого ими результирующего поля будет вращаться в плоскости маски, а его амплитуда затухать по заданному закону. Затухающее магнитное поле, вектор которого совершает вращательное движение, перемагничивает маску во всех возможных направлениях. Кроме того, катушки перемагничивания создают магнитные поля, векторы которых лежат в направлениях, благоприятных для перемагничивания маски. Эти направления (вдоль осей y и Z) имеют минимальные эквивалентные размагничивающие факторы N_y и N_Z. Для них легко достижима напряженность внутреннего магнитного поля, соответствующего участку насыщения материала маски, при которой разрушится (перемагнитится) высококоэрцитивная остаточная намагниченность. Этим обеспечивают эффективное разрушение остаточной намагниченности, которая может быть наведена в любом направлении.

Использование в предлагаемом устройстве магнитного поля, вектор напряженности которого вращается в плоскости маски, имеет следующее обоснование.

1. Из теории технического намагничивания известно, что наиболее устойчивым состоянием элементарных областей (доменов) в ферромагнетике, помещенном во внешнее магнитное поле, является такое, которое соответствует минимуму энергии ферромагнетика относительно поля.

Плотность магнитной энергии ферромагнетика относительно внешнего поля Н равна (-) (кн. Вонсовского С.В. Щура Я.С. Ферромагнетизм, ОГИЗ, Гостехиздат, 1948, с.291).

Отсюда следует, что наибольшей энергией относительно внешнего поля обладает намагниченность, вектор которой направлен антипараллельно (встречно) внешнему полю. В поле не будут перемагничиваться домены, параллельные ему, и будут плохо перемагничиваться направленные под другими углами, например, 90^о. Поэтому наиболее эффективное перемагничивание достигается, если линия приложения вектора переменного магнитного поля и остаточной намагниченности совпадают. Направление остаточной намагниченности, наводимой при действии случайных внешних помехонесущих магнитных полей на маску, является произвольным и заранее не может быть указано. Приложением в маске вращающегося магнитного поля обеспечивают в определенные моменты времени встречное направление переменного поля по отношению к случайно направленной остаточной намагниченности. Чем достигается ее эффективное разрушение.

2. Энергетически наиболее выгодно создание перемагничивающего вращающегося магнитного поля в плоскости маски.

Катушки перемагничивания в предлагаемом устройстве создают магнитные поля и в направлениях легкого намагничивания маски (фиг. 2 и 5), определяемых осями y и Z.

Катушки перемагничивания в известном устройстве (фиг.4) создают магнитное поле, вектор которого направлен преимущественно вдоль оси Х, перпендикулярно плоскости маски. Ось Х является направлением трудного намагничивания. Для сравнения выполнены расчеты эквивалентных размагничивающих факторов маски с размерами 360 х 280 х 0,15. Для расчетов использована формула для эквивалентного размагничивающего фактора трехосного эллипсоида (кн. Латышева А. П. Теория размагничивания. Часть 1. Вопросы намагничивания ферромагнетиков. Л. 1960, с. 39-40, рис. 16).

Получено N_y ≈ 2˙10^-2; N_Z ≈4,5˙ 10^-2; N_X≈ 10,8, что подтверждает сделанный выше вывод. Этим можно объяснить тот практический факт, что, несмотря на то, что в центре петли размагничивания напряженность магнитного слоя составляет значительную величину (1600-2400 А/м), эффективного устранения влияния остаточной намагниченности в известном устройстве достичь не удается.

3. Для изготовления маски кинескопа используют сорта холодно-катанной мягкой стали с большой магнитной проницаемостью. Стали обладают магнитной анизотропией, которая влияет на направления осей легкого и трудного намагничивания (кн. Дружинина В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. Энергия. М. 1974, с. 52-57). Если оказывается, что ось переменного магнитного поля совпадает или близка к оси трудного намагничивания, то эффективность размагничивания маски низка.

В предлагаемом устройстве это не имеет места, переменное поле периодически прикладывают вдоль оси легкого намагничивания, обеспечивая высокую эффективность устранения остаточной намагниченности.

Электромагнитную обработку маски кинескопа с помощью знакопеременного плавно затухающего магнитного поля следует называть не размагничиванием, как это принято в литературе по телевизионным устройствам, а намагничиванием по безгистерезисной (промежуточной) кривой. Действительно, маска все время находится в некотором постоянном магнитном поле (Земли и других источников).

Искажения на экране появляются при изменении этого поля, когда оно отличается по величине и направлению от внешнего поля, действовавшего в месте заводской регулировки и настройки кинескопа. После воздействия на маску дополнительно к постоянному полю переменным затухающих полем ее магнитное состояние соответствует точке на безгистерезисной или промежуточной кривой (в зависимости от начальной амплитуды переменного поля). То есть принцип устранения влияния внешнего магнитного поля на маску основан на явлении безгистерезисного (промежуточного) намагничивания. В работе (статья Кондорского Е. И. К теории устойчивости магнитных состояний ферромагнитных веществ в процессе намагничивания. ЖЭТФ, 1959, т.37, в. 4(10), с. 1110-1115) показано, что при безгистерезисном намагничивании ферромагнитных тел с размагничивающим фактором N в постоянном магнитном поле Н₁ и знакопеременном затухающем магнитном поле с начальной амплитудой h_m, намагниченность I тела растет до значения I₁, при котором выполняется равенство Н₁ NI₁ 0 (*), то есть внутреннее поле в теле устанавливается равным нулю.

Отсюда следует, что маска так намагничивается, что магнитное поле внутри нее (в отверстиях) становится равным нулю (при безгистерезисном намагничивании) или близким к нулю (при намагничивании по промежуточной кривой). Если внешнее поле изменится, то снова потребуется электромагнитная обработка, чтобы уменьшить поле в отверстиях маски до нуля.

Внешний магнитный экран, который устанавливают на кинескоп,не защищает маску от изменений поля, хотя и снижает несколько их величину ( ≈ 20-30%). При изменении внешнего поля поле внутри экрана изменится почти пропорционально и вызовет искажения, так как нарушится условие (*). Для устранения искажений потребуется снова включение переменного поля. Отсюда следует, что применение магнитного экрана не играет сколько-нибудь значительную роль в защите маски. Основную роль играет намагничивание маски по безгистерезисной (или близкой к ней промежуточной) кривой. Поэтому в предлагаемом устройстве магнитный экран отсутствует.

Для повышения однородности переменного магнитного поля в объеме маски и уменьшения взаимного влияния катушек вертикальной и горизонтальной пар поперечные части (концы) катушек загнуты под прямым углом (фиг. 2,5). Высота загиба γ зависит в основном от расстояния d между катушками данной пары: γ ∈ (0,05-0,12) d и может корректироваться в каждом конкретном случае. Длину горизонтальных катушек целесообразно выбрать равной ширине маски, а длину вертикальных катушек равной высоте маски. Ширину катушек определяют соответствующим расчетом по заданной в центре маски напряженности переменного поля.

Введенный в предлагаемое устройство блок настройки 2 (фиг.3) содержит входной трансформатор Т1, предназначенный для исключения гальванических связей при регулировании величин и фаз токов в катушках, и два фазовращателя, в которых величины токов регулируют с помощью делителей с переменным резистором R3-R4, R8-R9, а фазы переменными резисторами. Катушки в каждой паре включены последовательно, чтобы исключить влияние их неидентичности, которые могут вызвать внешние факторы, на однородность переменного поля в объеме маски.

Согласное включение катушек обеспечивает создание однородного эффективного переменного поля в объеме маски.

Экспериментальные исследования, проведенные на макете предлагаемого устройства и маски видеомонитора судовой системы измерения, управления и контроля Damatic, подтвердили его преимущества по сравнению, например, с устройством-прототипом. При перемагничивании маски с помощью предлагаемого устройства снижение влияния постоянного магнитного поля (судя, например, по площадям нарушения чистоты цвета) в 8-10 раз лучше, чем для устройства-прототипа. Достигнутое с помощью предлагаемого устройства снижение влияния помехи было не меньше, чем то, которое наблюдалось при ручной электромагнитной обработке макета маски с помощью специальной внешней катушки (кольца) размагничивания, содержащей 850 витков и включаемой непосредственно в сеть.

При этом ампер-витки катушек в предлагаемом устройстве были меньше по сравнению с ручной катушкой в 3,5 раза.

Использование: в установках и приборах, содержащих цветные электронно-лучевые трубки (кинескопы), восприимчивые к магнитным полям. Сущность: устройство решает задачу повышения помехозащищенности цветных кинескопов относительно внешних магнитных полей. Устройство содержит схему перемагничивания 5, состоящую из двух ортогональных пар катушек перемагничивания 3 и 4, установленных у торцов маски кинескопа, и блок настройки 2. Катушки перемагничивания 3 и 4 в каждой паре включены последовательно и согласно. Блок настройки 2 обеспечивает питание пар катушек перемагничивания 3 и 4 переменными плавно затухающими электрическими токами, сдвинутыми по фазе на 90°. В предлагаемом устройстве значительно снижено влияние внешнего магнитного поля на качество изображения на экране кинескопа. 5 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЦВЕТНОГО КИНЕСКОПА ОТ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, содержащее схему перемагничивания и блок питания, отличающееся тем, что схема перемагничивания состоит из двух пар катушек, установленных под прямым углом одна к другой, из которых катушки одной пары установлены симметрично у горизонтальных торцов маски кинескопа перпендикулярно к вертикальной оси, катушки другой пары установлены симметрично у вертикальных торцов маски перпендикулярно к горизонтальной оси, концы всех катушек загнуты под прямым углом к их плоскостям, катушки в каждой паре соединены последовательно и согласно, дополнительно содержат блок настройки, вход которого подключен к выходу блока питания, а выходы подключены к соответствующим парам катушек.