Katodvillamos oszcilloszkóp | CRO

Mik az a katód-sugár osciloszkóp?

A katód-sugár osciloszkóp (KSO) általában egy laboratóriumi eszköz, amelyet különböző hullámformák megjelenítésére, mérésére és elemzésére használnak elektrikus áramkörökben. A katód-sugár osciloszkóp egy nagyon gyors X-Y rajzoló, ami képes megjeleníteni a bemeneti jel idő függvényében vagy egy másik jelhez képest.

A katód-sugár osciloszkópok fényes pontokat használnak, amelyeket elektron sugarak ütése alapján hoznak létre, és ez a fényes pont változik a bemeneti mennyiség változásaival. Ekkor felmerülhet egy kérdés, hogy miért használunk csak elektron sugarakat? Az oka, hogy az elektron sugarak kevés hatásúak, így követni tudják a gyorsan változó bemeneti mennyiségek pillanatnyi értékeit. A katód-sugár osciloszkóp általános formái feszültségen működnek.

Tehát a fent említett bemeneti mennyiség feszültség. Ma már a átalakítók segítségével lehetséges különböző fizikai mennyiségeket, mint például áramot, nyomást, gyorsulást stb. feszültségbe alakítani, így lehetővé teszi számunkra, hogy ezen mennyiségek vizuális ábrázolását megjelenítsük a katód-sugár osciloszkópon. Most nézzük meg a katód-sugár osciloszkóp szerkezeti részleteit.

Katód-sugár osciloszkóp szerkezete

A katód-sugár osciloszkóp fő része a katód-sugár csempéje, amelyet a katód-sugár osciloszkóp szívnek is neveznek.

Vizsgáljuk meg a katód-sugár csempének szerkezetét, hogy megértsük a katód-sugár osciloszkóp szerkezetét. Alapvetően a katód-sugár csempének öt fő része van:

1. Elektronpuska

2. Lefelé irányító rendszer

3. Fényes képernyő

4. Üveg burkolat

5. Alap

Összes 5 részre lesz szükséged, hogy megszerkeszd a saját DIY osciloszkópodat. Most részletesen tárgyaljuk ezeket az 5 komponenst:

Elektronpuska:
Ez a gyorsított, energiával feltöltött és fókuszált elektron sugarak forrása. Hat részből áll: fűtő, katód, rács, elő-gyorsító anód, fókusz anód és gyorsító anód. A magas emisszió érdekében a katód végén található barium-oxid réteget közvetlenül nem sütik, hanem közepes hőmérsékleten fűtik. Az elektronok utána áthaladnak egy kis lyukon, amit kontrollrácsnak nevezünk, amit nikkelből készítettek. A kontrollrács negatív torzítással, az elektronok számát, vagy más szóval a katód által kibocsátott elektronok intenzitását szabályoz. Miután áthaladtak a kontrollrácsn, ezek az elektronok a pre-gyorsító és gyorsító anódok segítségével gyorsítódnak. A pre-gyorsító és gyorsító anódok közös pozitív 1500 voltos potenciálhoz vannak csatlakoztatva.

Most, miután ez történt, a fókusz anód feladata, hogy fókuszálja a létrejött elektron sugarakat. A fókusz anód 500 voltos beállítható feszültségre van csatlakoztatva. Két módszer létezik az elektron sugarak fókuszálására, amelyek a következők:

1. Elektrosztatikus fókuszálás.

2. Elektromágneses fókuszálás.

Itt részletesen tárgyaljuk az elektrosztatikus fókuszálási módszert.

Elektrosztatikus fókuszálás
Tudjuk, hogy az erő, amit egy elektronra hat, -qE, ahol q az elektron töltése (q = 1.6 × 10-19 C), E pedig az elektromos mező intenzitása, és a negatív jel azt mutatja, hogy az erő iránya ellentétes az elektromos mező irányával. Most ezt az erőt használjuk az elektron sugarak eltolására, amelyek az elektronpuskából jönnek. Vizsgáljuk meg két esetet:

Első eset
Ebben az esetben két lapunk van, A és B, ahogy a rajzon látható.

Az A lappal +E, a B lappal pedig -E potenciál van. Az elektromos mező iránya az A laptól a B lapig merőleges a lapok felületeire. A rajzon látható egyenpotenciális felületek merőlegesek az elektromos mező irányára. Ahogy az elektron sugarak áthaladnak ezen laprendszeren, ellentétes irányba tolódnak az elektromos mező irányával. A tolni szög könnyen változtatható a lapok potenciáljának megváltoztatásával.

Második eset
Itt két koncentrikus hengerrel dolgozunk, amelyek között potenciális különbség van, ahogy a rajzon látható.

Az elektromos mező és az egyenpotenciális felületek eredményül kapott irányát is bemutatja a rajz. Az egyenpotenciális felületeket a rajzon vonalazott vonalak jelölik, amelyek görbült formában vannak. Itt most érdekel minket az elektron sugarak tolni szögének kiszámítása, amikor áthaladnak ennek a görbült egyenpotenciális felületen. Vizsgáljuk meg a rajzon látható S görbült egyenpotenciális felületet. A felület jobb oldali potenciálja +E, a bal oldali potenciálja pedig -E. Amikor egy elektron sugar beesik A szögben a normálishez képest, akkor a felület S áthaladása után B szögben tolódik, ahogy a rajzon látható. A sugar normálkomponense növekedni fog, mivel a force a felület normális irányában hat. Ez azt jelenti, hogy a tangenciális sebességek ugyanazok maradnak, tehát a tangenciális komponensek egyenlősége alapján V1sin(A) = V2sin(B), ahol V1 az elektronok kezdeti sebessége, V2 pedig a sebesség a felület áthaladása után. Most van egy reláció: sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Látható, hogy az elektron sugarak görbületben tolódnak a felület áthaladása után. Ezért ezt a rendszert fókuszáló rendszernek is nevezik.

Elektrosztatikus eltolás
Az eltolás kifejezésének megtalálása érdekében vegyünk egy rendszert, ahogy a következőkben látható:


A fenti rendszerben két lapunk van, A és B, amelyek +E és 0 potenciálúak. Ezeket a lapokat eltoló lapoknak is nevezik. A lapok által létrehozott mező a pozitív y tengely irányában van, és nincs erő az x tengely mentén. Az eltoló lapok után képernyőnk van, amellyel mérni tudjuk az elektron sugarak teljes eltolását. Most vegyünk egy elektron sugarat, amely az x tengely mentén halad, ahogy a rajzon látható. A sugar A szögben tolódik, mivel az elektromos mező hatására, és a tolni irány pozitív y irányú, ahogy a rajzon látható. Most adjunk meg egy kifejezést a sugar eltolására. Az energia megmaradásának törvénye szerint, az elektron veszteségét a katód és a gyorsító anód közötti potenciális különbségnek kell egyeznie az elektron kinetikai energiájának növekedésével. Matematikailag írhatjuk:

Ahol, e az elektron töltése,
E a két lap közötti potenciális különbség,
m az elektron tömege,
v pedig az elektron sebessége.
Tehát, eE a potenciális energia vesztesége, 1/2mv1/2 pedig a kinetikai energia növekedése.
Az (1) egyenletből kapjuk a sebességet v = (2eE/m)1/2.
Majd van az y tengely mentén elektromos mező intenzitása E/d, tehát a y tengely mentén ható erő F = eE/d, ahol d a két eltoló lap közötti távolság.
Ez az erő az elektronot a pozitív y tengely mentén felfelé tolja, és legyen az y tengely mentén a D eltolódás, amelyet a képernyőn látható, ahogy a rajzon látható. Az F erő miatt az elektron gyorsul a pozitív y tengely mentén, és ez a gyorsulás Ee/(d × m). Mivel a kezdeti sebesség a pozitív y irányban nulla, ezért a mozgási egyenlet szerint a y tengely mentén a helyzeti kifejezés:

Mivel az x tengely mentén a sebesség állandó, ezért a helyzeti kifejezés:

Ahol, u az elektron sebessége az x tengely mentén.
A 2. és 3. egyenletekből:

Amely az elektron trajektóriájának egyenlete. Most, ha differenciáljuk a 4. egyenletet, akkor a meredekség, azaz:

Ahol, l a lap hossza.
A képernyőn a tolni szöget a következőképpen számíthatjuk: