Kathodenstrichoszilloskop | KSO

Was ist ein Kathodenstrichoszilloskop?

Ein Kathodenstrichoszilloskop (CRO) ist ein in Laboratorien üblicherweise eingesetztes Instrument zur Anzeige, Messung und Analyse verschiedener Wellenformen von elektrischen Schaltungen. Ein Kathodenstrichoszilloskop ist ein sehr schneller X-Y-Plotter, der ein Eingangssignal im Verhältnis zur Zeit oder zu einem anderen Signal anzeigen kann.

Kathodenstrichoszilloskope verwenden leuchtende Punkte, die durch das Auffallen eines Elektronenstrahls erzeugt werden, und dieser leuchtende Punkt bewegt sich in Abhängigkeit von der Variation des Eingangsgrößen. In diesem Moment stellt sich wahrscheinlich die Frage, warum wir nur einen Elektronenstrahl verwenden. Der Grund dafür ist, dass der Strahl von Elektronen geringere Auswirkungen hat, die für die Verfolgung der Änderungen in den momentanen Werten einer schnell wechselnden Eingangsgröße verwendet werden können. Die allgemeinen Formen von Kathodenstrichoszilloskopen arbeiten mit Spannungen.

Die oben erwähnte Eingangsgröße, über die wir gesprochen haben, ist also die Spannung. Heutzutage ist es mit Hilfe von Wandlern möglich, verschiedene physikalische Größen wie Strom, Druck, Beschleunigung usw. in Spannung umzuwandeln, was es uns ermöglicht, visuelle Darstellungen dieser verschiedenen Größen auf einem Kathodenstrichoszilloskop zu haben. Lassen Sie uns nun die Bauweisen des Kathodenstrichoszilloskops betrachten.

Bauweise des Kathodenstrichoszilloskops

Der Hauptteil eines Kathodenstrichoszilloskops ist der Kathodenstrahlrohr, der auch als Herzstück des Kathodenstrichoszilloskops bezeichnet wird.

Lassen Sie uns die Bauweise des Kathodenstrahlrohrs diskutieren, um das Bauwerk des Kathodenstrichoszilloskops zu verstehen. Im Grunde besteht das Kathodenstrahlrohr aus fünf Hauptteilen:

1. Elektronengun

2. Ablenksystem

3. Leuchtender Bildschirm

4. Glasgehäuse

5. Basis

Sie benötigen alle 5 dieser Komponenten, um Ihr eigenes DIY-Oszilloskop zu bauen. Wir werden diese 5 Komponenten jetzt im Detail besprechen:

Elektronengun:
Es ist die Quelle des beschleunigten, energiegeladenen und fokussierten Elektronenstrahls. Es besteht aus sechs Teilen, nämlich Heizer, Kathode, Gitter, Vorbeschleunigungsanode, Fokusierungsanode und Beschleunigungsanode. Um eine hohe Emission von Elektronen zu erzielen, wird die Schicht von Bariumoxid (die am Ende der Kathode abgelagert ist) indirekt bei mäßiger Temperatur erhitzt. Die Elektronen passieren danach ein kleines Loch, das Kontrollgitter, das aus Nickel besteht. Wie der Name schon sagt, kontrolliert das Kontrollgitter mit seiner negativen Vorspannung die Anzahl der Elektronen oder indirekt die Intensität der emittierten Elektronen von der Kathode. Nach dem Durchgang durch das Kontrollgitter werden diese Elektronen mit Hilfe der Vorbeschleunigungs- und Beschleunigungsanoden beschleunigt. Die Vorbeschleunigungs- und Beschleunigungsanoden sind an eine gemeinsame positive Spannung von 1500 Volt angeschlossen.

Nun ist die Funktion der Fokusierungsanode, den so erzeugten Elektronenstrahl zu fokussieren. Die Fokusierungsanode ist an eine einstellbare Spannung von 500 Volt angeschlossen. Es gibt zwei Methoden, um den Elektronenstrahl zu fokussieren, und sie lauten wie folgt:

1. Elektrostatische Fokussierung.

2. Elektromagnetische Fokussierung.

Hier werden wir die elektrostatische Fokussierungsmethode im Detail besprechen.

Elektrostatische Fokussierung
Wir wissen, dass die Kraft auf ein Elektron durch – qE gegeben ist, wobei q die Ladung des Elektrons (q = 1,6 × 10-19 C), E die elektrische Feldstärke und das negative Vorzeichen zeigt, dass die Richtung der Kraft entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes ist. Jetzt werden wir diese Kraft verwenden, um den Elektronenstrahl, der aus der Elektronengun kommt, abzulenken. Lassen Sie uns zwei Fälle betrachten:

Fall Eins
In diesem Fall haben wir zwei Platten A und B, wie in der Abbildung gezeigt.

Die Platte A ist bei Potential +E, während die Platte B bei Potential –E liegt. Die Richtung des elektrischen Feldes geht von der Platte A zur Platte B senkrecht zu den Oberflächen der Platten. Die gleichpotentiellen Flächen sind ebenfalls in der Abbildung dargestellt, die senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes verlaufen. Wenn der Elektronenstrahl durch dieses Plattensystem hindurchgeht, wird er in entgegengesetzter Richtung zum elektrischen Feld abgelenkt. Der Ablenkungswinkel kann leicht durch Ändern des Potentials der Platten variiert werden.

Fall Zwei
Hier haben wir zwei konzentrische Zylinder mit einem Potentialunterschied, der zwischen ihnen angewendet wird, wie in der Abbildung gezeigt.

Die resultierende Richtung des elektrischen Feldes und die gleichpotentiellen Flächen sind ebenfalls in der Abbildung dargestellt. Die gleichpotentiellen Flächen sind durch gestrichelte Linien gekennzeichnet, die eine gebogene Form haben. Hier interessieren wir uns für die Berechnung des Ablenkungswinkels des Elektronenstrahls, wenn er durch diese gebogene gleichpotentielle Fläche hindurchgeht. Lassen Sie uns die gebogene gleichpotentielle Fläche S, wie unten dargestellt, betrachten. Das Potential auf der rechten Seite der Fläche ist +E, während das Potential auf der linken Seite der Fläche –E ist. Wenn ein Elektronenstrahl unter einem Winkel A zur Normalen eintrifft, wird er nach dem Durchgang durch die Fläche S unter einem Winkel B abgelenkt, wie in der unten dargestellten Abbildung gezeigt. Die normale Komponente der Geschwindigkeit des Strahls wird zunehmen, da die Kraft in s-Richtung normal zur Oberfläche wirkt. Das bedeutet, dass die tangentiale Geschwindigkeit gleich bleibt, sodass wir durch Gleichsetzen der tangentiale Komponenten V1sin (A) = V2sin(B) erhalten, wobei V1 die Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen, V2 die Geschwindigkeit nach dem Durchgang durch die Fläche ist. Nun haben wir die Beziehung sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Aus der obigen Gleichung sehen wir, dass es eine Biegung des Elektronenstrahls nach dem Durchgang durch die gleichpotentielle Fläche gibt. Daher wird dieses System auch als Fokussierungssystem bezeichnet.

Elektrostatische Ablenkung
Um den Ausdruck für die Ablenkung zu finden, betrachten wir ein System, wie unten dargestellt:


In dem oben genannten System haben wir zwei Platten A und B, die bei Potential +E und 0 liegen. Diese Platten werden auch als Ablenkplatten bezeichnet. Das Feld, das von diesen Platten erzeugt wird, ist in Richtung der positiven y-Achse, und es gibt keine Kraft entlang der x-Achse. Nach den Ablenkplatten haben wir einen Bildschirm, durch den wir die Nettoablenkung des Elektronenstrahls messen können. Lassen Sie uns nun einen Elektronenstrahl betrachten, der entlang der x-Achse kommt, wie in der Abbildung gezeigt. Der Strahl wird durch den Winkel A abgelenkt, aufgrund der Anwesenheit des elektrischen Feldes, und die Ablenkung erfolgt in der positiven Richtung der y-Achse, wie in der Abbildung gezeigt. Lassen Sie uns nun einen Ausdruck für die Ablenkung dieses Strahls ableiten. Aufgrund der Erhaltung der Energie gilt, dass der Verlust an potentieller Energie, wenn das Elektron von der Kathode zur Beschleunigungsanode bewegt wird, gleich dem Gewinn an kinetischer Energie des Elektrons sein sollte. Mathematisch können wir schreiben,

Wobei, e die Ladung des Elektrons ist,
E der Potentialunterschied zwischen den beiden Platten,
m die Masse des Elektrons,
und v die Geschwindigkeit des Elektrons.
Damit ist eE der Verlust an potentieller Energie und 1/2mv1/2 der Gewinn an kinetischer Energie.
Aus Gleichung (1) ergibt sich die Geschwindigkeit v = (2eE/m)1/2.
Nun haben wir die elektrische Feldstärke entlang der y-Achse E/d, daher ist die Kraft, die entlang der y-Achse wirkt, gegeben durch F = eE/d, wobei d der Abstand zwischen den beiden Ablenkplatten ist.
Aufgrund dieser Kraft wird das Elektron entlang der positiven y-Achse nach oben abgelenkt, und diese Beschleunigung wird durch Ee/(d × m) gegeben. Da die Anfangsgeschwindigkeit in positiver y-Richtung Null ist, können wir durch die Bewegungsgleichung den Ausdruck für die Verschiebung entlang der y-Achse schreiben, wie folgt:

Da die Geschwindigkeit entlang der x-Achse konstant ist, können wir die Verschiebung schreiben als,

Wobei, u die Geschwindigkeit des Elektrons entlang der x-Achse ist.
Aus Gleichungen 2 und 3 ergibt sich,

Welches die Trajektoriegleichung des Elektrons ist. Nun durch Differenzieren der Gleichung 4 erhalten wir die Steigung, d.h.

Wobei, l die Länge der Platte ist.
Die Ablenkung auf dem Bildschirm kann berechnet werden als,

Die Entfernung L ist in der obigen Abbildung dargestellt. Der endgültige Ausdruck für D kann geschrieben werden als,

Aus dem Ablenkungsausdruck können wir die Ablenkempfindlichkeit berechnen als,