Osciloskop s kathodovou paprskovou trubicí | CRO
Co je katodový osciloskop?
Katodový osciloskop (CRO) je přístroj obecně používaný v laboratoři k zobrazení, měření a analýze různých tvarových čar elektrických obvodů. Katodový osciloskop je velmi rychlý X-Y plotter, který může zobrazit vstupní signál v závislosti na čase nebo jiném signálu.
Katodové osciloskopy používají svítivé skvrny, které jsou vyvolány paprskem elektronů, a tato svítivá skvrna se pohybuje v reakci na změnu vstupního množství. V této chvíli by nás měla napadnout otázka, proč používáme pouze elektronový paprsek. Důvodem je nízký efekt paprsku elektronů, který lze použít k sledování změn okamžitých hodnot rychle se měnícího vstupního množství. Obecné formy katodových osciloskopů fungují na napětí.
Takže vstupní množství, o kterém jsme mluvili výše, je napětí. Dnes, díky transduktorům, je možné převést různé fyzikální množství, jako je proud, tlak, zrychlení atd., na napětí, což nám umožňuje mít vizuální reprezentace těchto různých množství na katodovém osciloskopu. Podívejme se nyní na konstrukční detaily katodového osciloskopu.
Konstrukce katodového osciloskopu
Hlavní částí katodového osciloskopu je katodová trubice, která je také známa jako srdce katodového osciloskopu.
Poďme si projednat konstrukci katodové trubice, abychom pochopili konstrukci katodového osciloskopu. Základně katodová trubice se skládá ze pěti hlavních částí:
Elektronová puška
Soustava odchylujících desek
Svítivá obrazovka
Skleněná obálka
Základna
Potřebujete všechny tyto 5 komponent pro sestavení vlastního DIY osciloskopu. Nyní podrobně projednáme tyto 5 komponent:
Elektronová puška:
Jde o zdroj urychleného, energizovaného a zaměřeného paprsku elektronů. Skládá se ze šesti částí, a to ohřívače, katody, mřížky, před-urychlovací anody, zaměřovací anody a urychlovací anody. Aby bylo dosaženo vysoké emise elektronů, vrstva oxidu hořčíku (která je uložena na konci katody) je nepřímo ohřívána na střední teplotu. Elektronový paprsek poté prochází malou dírkou zvanou kontrolní mřížka, která je vyrobena z niklu. Jako název napovídá, kontrolní mřížka s jejím negativním polaritou ovládá počet elektronů, nebo implicitně intenzitu emitovaných elektronů z katody. Po procházení kontrolní mřížkou jsou tyto elektronové urychleny pomocí před-urychlovací a urychlovací anody. Před-urychlovací a urychlovací anoda jsou spojeny s běžným pozitivním napětím 1500 volt.
Nyní po tomto úkolem zaměřovací anody je zaměřit paprsek elektronů, který byl vyprodukován. Zaměřovací anoda je spojena s nastavitelným napětím 500 volt. Nyní existují dvě metody zaměření elektronového paprsku a jsou uvedeny níže:
Elektrostatické zaměření.
Elektromagnetické zaměření.
Zde budeme detailně projednávat elektrostatickou metodu zaměření.
Elektrostatické zaměření
Víme, že síla působící na elektron je dána - qE, kde q je náboj elektronu (q = 1.6 × 10-19 C), E je intenzita elektrického pole a záporné znaménko ukazuje, že směr síly je opačný k směru elektrického pole. Nyní použijeme tuto sílu k deflektování paprsku elektronů vycházejícího z elektronové pušky. Uvažme dva případy:
Případ první
V tomto případě máme dvě desky A a B, jak je vidět na obrázku.
Deska A je v napětí +E, zatímco deska B je v napětí –E. Směr elektrického pole je od desky A k desce B kolmo k povrchům desek. Na obrázku jsou také uvedeny ekvipotenciální plochy, které jsou kolmé k směru elektrického pole. Jak paprsek elektronů prochází touto soustavou desek, odchyluje se v opačném směru k elektrickému poli. Úhel odchylky lze snadno měnit změnou napětí desek.
Případ druhý
Zde máme dva koncentrické válcové obaly s potenciálním rozdílem aplikovaným mezi nimi, jak je vidět na obrázku.
Výsledný směr elektrického pole a ekvipotenciální plochy jsou také uvedeny na obrázku. Ekvipotenciální plochy jsou označeny tečkovanými linkami, které mají zakřivený tvar. Zde nás zajímá výpočet úhlu odchylky elektronového paprsku, když prochází tímto zakřiveným ekvipotenciálním povrchem. Uvažme zakřivený ekvipotenciální povrch S, jak je uvedeno níže. Napětí na pravé straně povrchu je +E, zatímco napětí na levé straně povrchu je –E. Když paprsek elektronů dopadá pod úhlem A k normále, pak po procházení povrchem S odchyluje pod úhlem B, jak je vidět na následujícím obrázku. Normální složka rychlosti paprsku se zvýší, protože síla působí ve směru kolmém k povrchu. To znamená, že tangenciální rychlosti zůstanou stejné, takže rovnáním tangenciálních složek dostáváme V1sin (A) = V2sin(B), kde V1 je počáteční rychlost elektronů, V2 je rychlost po procházení povrchem. Nyní máme vztah sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Z výše uvedené rovnice můžeme vidět, že dochází k ohnutí elektronového paprsku po procházení ekvipotenciálního povrchu. Proto tento systém je také nazýván zaměřovacím systémem.
Elektrostatická deflexe
Abychom zjistili výraz pro deflexi, uvažme systém, jak je uvedeno níže:
V tomto systému máme dvě desky A a B, které jsou v napětí +E a 0, respektive. Tyto desky jsou také nazývány odchylujícími deskami. Pole vyprodukované těmito deskami je ve směru kladné y osy a žádná síla není vedená podél x osy. Za odchylujícími deskami máme obrazovku, přes kterou můžeme měřit celkovou deflexi elektronového paprsku. Nyní uvažme paprsek elektronů přicházející podél x osy, jak je vidět na obrázku. Paprsek odchyluje pod úhlem A, kvůli přítomnosti elektrického pole, a deflexe je ve směru kladné y osy, jak je vidět na obrázku. Nyní odvoďme výraz pro deflexi tohoto paprsku. Podle zákona zachování energie máme ztrátu potenciální energie, když elektron přechází od katody k urychlovací anodě, která by měla být rovna zisku kinetické energie elektronu. Matematicky můžeme napsat,
Kde e je náboj elektronu,
E je potenciální rozdíl mezi dvěma deskami,
m je hmotnost elektronu,
a v je rychlost elektronu.
Takže, eE je ztráta potenciální energie a 1/2mv1/2 je zisk kinetické energie.
Z rovnice (1) máme rychlost v = (2eE/m)1/2.
Nyní máme intenzitu elektrického pole podél y osy E/d, proto síla působící podél y osy je dána F = eE/d, kde d je vzdálenost mezi dvěma odchylujícími deskami.
Díky této síle se elektron odchylí podél y osy a nechť odchylka podél y osy je rovna D, která je označena na obrazovce, jak je vidět na obrázku. Díky síle F je zde celkové zrychlení elektronu podél kladné y osy, které je dáno Ee/(d × m). Protože počáteční rychlost podél kladné y osy je nulová, můžeme podle rovnic pohybu napsat výraz pro posun podél y osy jako,
Protože rychlost podél x osy je konstantní, můžeme napsat posun jako,
Kde u je rychlost elektronu podél x osy.
Z rovnic 2 a 3 máme,
Která je rovnice trajektorie elektronu. Nyní diferenciací rovnice 4 máme sklon, tj.
Kde l je délka desky.
Deflexi na obrazovce můžeme vypočítat jako,
Vzdálenost L je uvedena na následujícím obrázku. Finální výraz pro D můžeme napsat jako,
Ze vztahu pro deflexi můžeme vypočítat citlivost deflexe jako,
