Osciloscopio de Rayos Catódicos | CRO
¿Qué es un Osciloscopio de Rayos Catódicos?
Un Osciloscopio de Rayos Catódicos (ORC) es un instrumento generalmente utilizado en laboratorio para mostrar, medir y analizar diversas formas de onda de circuitos eléctricos. Un osciloscopio de rayos catódicos es un trazador X-Y muy rápido que puede mostrar una señal de entrada en función del tiempo o de otra señal.
Los osciloscopios de rayos catódicos utilizan puntos luminosos que se producen al golpear el haz de electrones, y este punto luminoso se mueve en respuesta a la variación de la cantidad de entrada. En este momento, debe surgir una pregunta en nuestra mente: ¿por qué solo usamos un haz de electrones? La razón detrás de esto es el bajo efecto del haz de electrones que se puede utilizar para seguir los cambios en los valores instantáneos de una cantidad de entrada que cambia rápidamente. Las formas generales de osciloscopios de rayos catódicos operan con voltajes.
Así, la cantidad de entrada de la que hemos hablado anteriormente es el voltaje. Hoy en día, con la ayuda de transductores, es posible convertir diversas cantidades físicas como corriente, presión, aceleración, etc., a voltaje, lo que nos permite tener representaciones visuales de estas diversas cantidades en un osciloscopio de rayos catódicos. Ahora veamos los detalles de construcción del osciloscopio de rayos catódicos.
Construcción del Osciloscopio de Rayos Catódicos
La parte principal del osciloscopio de rayos catódicos es el tubo de rayos catódicos, también conocido como el corazón del osciloscopio de rayos catódicos.
Vamos a discutir la construcción del tubo de rayos catódicos para entender la construcción del osciloscopio de rayos catódicos. Básicamente, el tubo de rayos catódicos consta de cinco partes principales:
Pistola electrónica
Sistema de placas de desviación
Pantalla fluorescente
Envoltura de vidrio
Base
Necesitarás todos estos 5 componentes para construir tu propio osciloscopio DIY. Ahora discutiremos estos 5 componentes en detalle:
Pistola Electrónica:
Es la fuente de un haz de electrones acelerado, energizado y enfocado. Consiste en seis partes: calentador, cátodo, rejilla, ánodo pre-acelerador, ánodo de enfoque y ánodo acelerador. Para obtener una alta emisión de electrones, la capa de óxido de bario (que se deposita en el extremo del cátodo) se calienta indirectamente a una temperatura moderada. Los electrones, después de esto, pasan a través de un pequeño orificio llamado rejilla de control, que está hecho de níquel. Como su nombre indica, la rejilla de control, con su sesgo negativo, controla el número de electrones o, indirectamente, la intensidad de los electrones emitidos por el cátodo. Después de pasar a través de la rejilla de control, estos electrones son acelerados con la ayuda de los ánodos pre-acelerador y acelerador. Los ánodos pre-acelerador y acelerador están conectados a un potencial positivo común de 1500 voltios.
Ahora, después de esto, la función del ánodo de enfoque es enfocar el haz de electrones producido. El ánodo de enfoque está conectado a un voltaje ajustable de 500 voltios. Hay dos métodos de enfocar el haz de electrones, y se escriben a continuación:
Enfoque electrostático.
Enfoque electromagnético.
Aquí discutiremos el método de enfoque electrostático en detalle.
Enfoque Electrostático
Sabemos que la fuerza sobre un electrón está dada por – qE, donde q es la carga del electrón (q = 1.6 × 10-19 C), E es la intensidad del campo eléctrico y el signo negativo muestra que la dirección de la fuerza es en dirección opuesta al campo eléctrico. Ahora usaremos esta fuerza para desviar el haz de electrones que sale de la pistola electrónica. Consideremos dos casos:
Caso Uno
En este caso, tenemos dos placas A y B, como se muestra en la figura.
La placa A está a un potencial +E mientras que la placa B está a un potencial –E. La dirección del campo eléctrico va desde la placa A hacia la placa B, perpendicular a las superficies de las placas. Las superficies equipotenciales también se muestran en el diagrama, perpendiculares a la dirección del campo eléctrico. Cuando el haz de electrones pasa a través de este sistema de placas, se desvía en la dirección opuesta al campo eléctrico. El ángulo de desviación se puede variar fácilmente cambiando el potencial de las placas.
Caso Dos
Aquí tenemos dos cilindros concéntricos con una diferencia de potencial aplicada entre ellos, como se muestra en la figura.
La dirección resultante del campo eléctrico y las superficies equipotenciales también se muestran en la figura. Las superficies equipotenciales están marcadas por líneas punteadas, que tienen forma curva. Aquí estamos interesados en calcular el ángulo de desviación del haz de electrones cuando pasa a través de esta superficie equipotencial curva. Consideremos la superficie equipotencial S, como se muestra a continuación. El potencial a la derecha de la superficie es +E, mientras que el potencial a la izquierda de la superficie es –E. Cuando un haz de electrones incide con un ángulo A a la normal, se desvía por un ángulo B después de pasar a través de la superficie S, como se muestra en la figura. La componente normal de la velocidad del haz aumentará ya que la fuerza actúa en la dirección normal a la superficie. Esto significa que las velocidades tangenciales permanecerán iguales, por lo que, igualando las componentes tangenciales, tenemos V1sin (A) = V2sin(B), donde V1 es la velocidad inicial de los electrones, V2 es la velocidad después de pasar a través de la superficie. Ahora tenemos la relación sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Podemos ver de la ecuación anterior que hay una flexión del haz de electrones después de pasar a través de la superficie equipotencial. Por lo tanto, este sistema también se llama sistema de enfoque.
Desviación Electrostática
Para encontrar la expresión de la desviación, consideremos un sistema como se muestra a continuación:
En el sistema anterior, tenemos dos placas A y B, que están a potencial +E y 0 respectivamente. Estas placas también se llaman placas de desviación. El campo producido por estas placas está en la dirección del eje y positivo y no hay fuerza a lo largo del eje x. Después de las placas de desviación, tenemos una pantalla a través de la cual podemos medir la desviación neta del haz de electrones. Ahora, consideremos un haz de electrones que viene a lo largo del eje x, como se muestra en la figura. El haz se desvía por un ángulo A, debido a la presencia del campo eléctrico, y la desviación es en la dirección positiva del eje y, como se muestra en la figura. Ahora, derivemos una expresión para la desviación de este haz. Por la conservación de la energía, tenemos que la pérdida de energía potencial cuando el electrón se mueve desde el cátodo hasta el ánodo acelerador debe ser igual a la ganancia de energía cinética del electrón. Matemáticamente, podemos escribir,
Donde, e es la carga del electrón,
E es la diferencia de potencial entre las dos placas,
m es la masa del electrón,
y v es la velocidad del electrón.
Así, eE es la pérdida de energía potencial y 1/2mv1/2 es la ganancia de energía cinética.
De la ecuación (1) tenemos la velocidad v = (2eE/m)1/2.
Ahora tenemos la intensidad del campo eléctrico a lo largo del eje y es E/d, por lo tanto, la fuerza que actúa a lo largo del eje y está dada por F = eE/d, donde d es la separación entre las dos placas de desviación.
Debido a esta fuerza, el electrón se desviará a lo largo del eje y, y dejemos que la desviación a lo largo del eje y sea igual a D, que está marcada en la pantalla, como se muestra en la figura. Debido a la fuerza F, hay una aceleración neta hacia arriba del electrón a lo largo del eje y positivo, y esta aceleración está dada por Ee/(d × m). Dado que la velocidad inicial a lo largo del eje y positivo es cero, por la ecuación del movimiento, podemos escribir la expresión del desplazamiento a lo largo del eje y como,
Como la velocidad a lo largo del eje x es constante, podemos escribir el desplazamiento como,
Donde, u es la velocidad del electrón a lo largo del eje x.
De las ecuaciones 2 y 3, tenemos,
Que es la ecuación de la trayectoria del electrón. Ahora, al diferenciar la ecuación 4, tenemos la pendiente, es decir,
Donde, l es la longitud de la placa.
La desviación en la pantalla se puede calcular como,
La distancia L se muestra en la figura. La expresión final de D se puede escribir como,
A partir de la expresión de la desviación, calculamos la sensibilidad de la desviación como,
Graticule: Estas son una cuadrícula de líneas cuya función es servir como escala cuando el
