Oscilloscope ng Cathode Ray | CRO
Ano ang Cathode Ray Oscilloscope?
Ang Cathode Ray Oscilloscope (CRO) ay isang instrumento na karaniwang ginagamit sa laboratory para ipakita, sukatin, at analisin ang iba't ibang waveform ng electrical circuits. Ang cathode ray oscilloscope ay isang napakabilis na X-Y plotter na maaaring ipakita ang input signal laban sa oras o isa pang signal.
Ginagamit ng cathode ray oscilloscopes ang luminescent spots na nabubuo sa pamamagitan ng pag-sapit ng beam ng mga electron at ang luminous spot na ito ay kumikilos bilang tugon sa pagbabago ng input quantity. Sa kasalukuyang punto, dapat magkaroon tayo ng tanong kung bakit ginagamit natin ang beam ng electrons lamang? Ang dahilan dito ay ang mababang epekto ng beam ng electrons na maaaring gamitin para sundin ang mga pagbabago sa instantaneous values ng mabilis na nagbabago na input quantity. Ang general forms ng cathode ray oscilloscope ay gumagana sa voltages.
Kaya ang input quantity na sinabi namin sa itaas ay voltage. Ngayon, sa tulong ng transducers, maaari nating i-convert ang iba't ibang physical quantities tulad ng current, presyon, acceleration, atbp. sa voltage upang mabigyan tayo ng visual representations ng mga iba't ibang quantities sa cathode ray oscilloscope. Ngayon, tingnan natin ang mga detalye ng konstruksyon ng cathode ray oscilloscope.
Konstruksyon ng Cathode Ray Oscilloscope
Ang pangunahing bahagi ng cathode ray oscilloscope ay ang cathode ray tube na kilala rin bilang puso ng cathode ray oscilloscope.
Tingnan natin ang konstruksyon ng cathode ray tube upang maintindihan ang konstruksyon ng cathode ray oscilloscope. Basically, ang cathode ray tube ay binubuo ng limang pangunahing bahagi:
Electron gun
Deflection plate system
Fluorescent screen
Glass envelope
Base
Kailangan mo ng lahat ng 5 na komponento na ito upang gawin ang sarili mong DIY oscilloscope. Tayo ngayon ay sasaliksikin ang 5 na komponento na ito sa detalye:
Electron Gun:
Ito ang pinagmulan ng pinaglabanan, pinagkakayan, at pinaghahandog na beam ng mga electron. Ito ay binubuo ng anim na bahagi na sina heater, cathode, grid, pre-accelerating anode, focusing anode, at accelerating anode. Upang makamit ang mataas na emission ng mga electron, ang layer ng barium oxide (na inilapat sa dulo ng cathode) ay hindi direktang pinainit sa moderate temperature. Pagkatapos, ang mga electron ay dadaan sa isang malaking butas na tinatawag na control grid na gawa sa nickel. Bilang ang pangalan ay nagpapahiwatig, ang control grid na may negative bias, kontrol ang bilang ng mga electron o hindi direktang maaari nating sabihin ang intensity ng emitted electrons mula sa cathode. Pagkatapos dumaan sa control grid, ang mga electron na ito ay pinaglaban sa tulong ng pre-accelerating at accelerating anodes. Ang pre-accelerating at accelerating anodes ay konektado sa common positive potential ng 1500 volts.
Ngayon, pagkatapos nito, ang tungkulin ng focusing anode ay upang focusin ang beam ng mga electron na nabuo. Ang focusing anode ay konektado sa adjustable voltage 500 volts. Ngayon, may dalawang paraan ng pag-focus ng electron beam at nakasulat sa ibaba:
Electrostatic focusing.
Electromagnetic focusing.
Dito, susundin natin ang electrostatic focusing method sa detalye.
Electrostatic Focusing
Alam natin na ang puwersa sa isang electron ay ibinibigay ng – qE, kung saan q ang charge sa electron (q = 1.6 × 10-19 C), E ang electric field intensity at ang negative sign ay nagpapahiwatig na ang direksyon ng puwersa ay sa kabaligtaran ng electric field. Ngayon, gagamitin natin ang puwersang ito upang ideflect ang beam ng mga electron na lumalabas mula sa electron gun. Tignan natin ang dalawang kaso:
Kaso Uno
Sa kaso na ito, mayroon tayong dalawang plaka na A at B tulad ng ipinapakita sa larawan.
Ang plaka A ay nasa potential +E habang ang plaka B ay nasa potential –E. Ang direksyon ng electric field ay mula sa plaka A patungo sa plaka B sa tuwid na anggulo sa mga surface ng plaka. Ang mga equipotential surfaces ay ipinapakita din sa diagram na perpendicular sa direksyon ng electric field. Habang ang beam ng electron ay dadaan sa plate system na ito, ito ay ideflect sa kabaligtarang direksyon ng electric field. Ang deflection angle ay maaaring madaling mabago sa pamamagitan ng pagbabago ng potential ng mga plaka.
Kaso Pangalawa
Dito, mayroon tayong dalawang concentric cylinders na may potential difference na inilapat sa pagitan ng kanila tulad ng ipinapakita sa larawan.
Ang resulta ng direksyon ng electric field at ang mga equipotential surfaces ay ipinapakita din sa larawan. Ang mga equipotential surfaces ay marked ng mga dotted lines na curved sa hugis. Ngayon, interesado tayo sa pag-compute ng deflection angle ng electron beam kapag ito ay dadaan sa curved equipotential surface. Tignan natin ang curved equipotential surface S tulad ng ipinapakita sa ibaba. Ang potential sa right side ng surface ay +E habang ang potential sa left side ng surface –E. Kapag ang beam ng electron ay incident sa anggulo A sa normal, ito ay ideflect sa anggulo B pagkatapos dumaan sa surface S tulad ng ipinapakita sa larawan sa ibaba. Ang normal component ng velocity ng beam ay lalaki dahil ang puwersa ay nag-acting sa direksyon na normal sa surface. Ito ay nangangahulugan na ang tangential velocities ay mananatiling pareho, kaya sa pamamagitan ng pag-equate ng tangential components, mayroon tayong V1sin (A) = V2sin(B), kung saan V1 ang initial velocity ng mga electrons, V2 ang velocity pagkatapos dumaan sa surface. Ngayon, mayroon tayong relation na sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Makikita natin mula sa equation na may bending ng electron beam pagkatapos dumaan sa equipotential surface. Kaya ang sistema na ito ay tinatawag ding focusing system.
Electrostatic Deflection
Upang makuha ang expression para sa deflection, tignan natin ang sistema tulad ng ipinapakita sa ibaba:
Sa sistema na ito, mayroon tayong dalawang plaka na A at B na nasa potential +E at 0, respectively. Tinatawag din ang mga plaka na ito bilang deflection plates. Ang field na nabuo ng mga plaka ay nasa direksyon ng positive y axis at walang puwersa sa x-axis. Pagkatapos ng deflection plates, mayroon tayong screen kung saan maaaring sukatin ang net deflection ng electron beam. Ngayon, tignan natin ang beam ng electron na dadaan sa x-axis tulad ng ipinapakita sa larawan. Ang beam ay ideflect sa anggulo A, dahil sa presence ng electric field at ang deflection ay nasa positive direction ng y axis tulad ng ipinapakita sa larawan. Ngayon, tuklasin natin ang expression para sa deflection ng beam na ito. Sa pamamagitan ng conservation of energy, mayroon tayong loss sa potential energy kapag ang electron ay lumilipat mula sa cathode patungo sa accelerating anode na dapat equal sa gain sa kinetic energy ng electron. Mathematically, maaari nating isulat,
Kung saan, e ang charge sa electron,
E ang potential difference sa pagitan ng dalawang plaka,
m ang mass ng electron,
at v ang velocity ng electron.
Kaya, eE ang loss sa potential energy at 1/2mv1/2 ang gain sa kinetic energy.
Mula sa equation (1) mayroon tayong velocity v = (2eE/m)1/2.
Ngayon, mayroon tayong electric field intensity sa y axis na E/d, kaya ang puwersa na nag-act sa y axis ay ibinibigay ng F = eE/d kung saan d ang separation sa pagitan ng dalawang deflection plates.
Dahil sa puwersang ito, ang electron ay ideflect sa y axis at tignan ang deflection sa y axis na D na marked sa screen tulad ng ipinapakita sa larawan. Dahil sa puwersa na F, mayroon tayong net upward acceleration ng electron sa positive y axis at ang acceleration na ito ay ibinibigay ng Ee/(d × m). Dahil ang initial velocity sa positive y direction ay zero, maaari nating isulat ang expression ng displacement sa y axis na,
Dahil ang velocity sa x direction ay constant, maaari nating isulat ang displacement na,
Kung saan, u ang velocity ng electron sa x axis.
Mula sa equations 2 at 3, mayroon tayong,
Na ang equation ng trajectory ng electron. Ngayon, sa pag-differentiate ng equation 4, mayroon tayong slope i.e.
Kung saan, l ang length ng plaka.
Ang deflection sa screen ay maaaring makalkula bilang,
Ang distance L ay ipinapakita sa larawan. Ang final expression ng D ay maaaring isulat bilang,
Mula sa expression ng deflection, maaari nating kalkulahin ang deflection sensitivity na,
