Oskilograf Sinar Katod | CRO
Apakah Cathode Ray Oscilloscope?
Cathode Ray Oscilloscope (CRO) adalah instrumen yang biasanya digunakan di laboratorium untuk menampilkan, mengukur, dan menganalisis berbagai bentuk gelombang dari rangkaian elektrik. Cathode ray oscilloscope adalah plotter X-Y yang sangat cepat yang dapat menampilkan sinyal input terhadap waktu atau sinyal lainnya.
Cathode ray oscilloscopes menggunakan titik cahaya yang dihasilkan oleh sinar elektron, dan titik cahaya ini bergerak sebagai respons terhadap variasi kuantitas input. Pada saat ini, satu pertanyaan pasti muncul dalam pikiran kita, mengapa kita hanya menggunakan sinar elektron? Alasannya adalah efek rendah dari sinar elektron yang dapat digunakan untuk mengikuti perubahan nilai instan dari kuantitas input yang berubah dengan cepat. Bentuk umum cathode ray oscilloscope bekerja pada voltan.
Jadi, kuantitas input yang telah kita bicarakan di atas adalah voltan. Saat ini, dengan bantuan transduser, mungkin untuk mengubah berbagai kuantitas fisik seperti arus, tekanan, percepatan, dll menjadi voltan, sehingga memungkinkan kita untuk memiliki representasi visual dari berbagai kuantitas ini pada cathode ray oscilloscope. Sekarang mari kita lihat detail konstruksi cathode ray oscilloscope.
Konstruksi Cathode Ray Oscilloscope
Bagian utama cathode ray oscilloscope adalah tabung sinar katoda yang juga dikenal sebagai jantung cathode ray oscilloscope.
Mari kita bahas konstruksi tabung sinar katoda untuk memahami konstruksi cathode ray oscilloscope. Secara umum, tabung sinar katoda terdiri dari lima bagian utama:
Pistol elektron
Sistem pelat defleksi
Layar fluoresen
Selubung kaca
Dasar
Anda akan memerlukan semua 5 komponen ini untuk membangun DIY oscilloscope Anda sendiri. Kita sekarang akan membahas 5 komponen ini secara detail:
Pistol Elektron:
Ini adalah sumber sinar elektron yang dipercepat, diberi energi, dan difokuskan. Ini terdiri dari enam bagian, yaitu pemanas, katoda, grid, anoda pre-accelerating, anoda fokus, dan anoda pemberi kecepatan. Untuk mendapatkan emisi elektron yang tinggi, lapisan oksida barium (yang didepositkan di ujung katoda) dipanaskan tidak langsung pada suhu sedang. Setelah itu, elektron melewati lubang kecil yang disebut grid kontrol yang terbuat dari nikel. Seperti namanya, grid kontrol dengan bias negatifnya, mengontrol jumlah elektron atau secara tidak langsung kita bisa mengatakan intensitas elektron yang dikeluarkan dari katoda. Setelah melewati grid kontrol, elektron-elektron ini dipercepat dengan bantuan anoda pre-accelerating dan anoda pemberi kecepatan. Anoda pre-accelerating dan anoda pemberi kecepatan terhubung ke potensial positif bersama 1500 volt.
Setelah itu, fungsi anoda fokus adalah untuk fokuskan sinar elektron yang dihasilkan. Anoda fokus terhubung ke tegangan yang dapat disesuaikan 500 volt. Ada dua metode untuk fokuskan sinar elektron, dan ditulis di bawah ini:
Fokus elektrostatik.
Fokus elektromagnetik.
Di sini kita akan membahas metode fokus elektrostatik secara detail.
Fokus Elektrostatik
Kita tahu bahwa gaya pada elektron diberikan oleh – qE, di mana q adalah muatan pada elektron (q = 1.6 × 10-19 C), E adalah intensitas medan listrik, dan tanda negatif menunjukkan bahwa arah gaya berlawanan dengan arah medan listrik. Sekarang kita akan gunakan gaya ini untuk melengkungkan sinar elektron yang keluar dari pistol elektron. Mari kita pertimbangkan dua kasus:
Kasus Satu
Dalam kasus ini, kita memiliki dua pelat A dan B seperti yang ditunjukkan dalam gambar.
Pelat A berada pada potensial +E sementara pelat B berada pada potensial –E. Arah medan listrik adalah dari pelat A ke pelat B tegak lurus terhadap permukaan pelat. Permukaan equipotential juga ditunjukkan dalam diagram yang tegak lurus terhadap arah medan listrik. Sebagai sinar elektron melewati sistem pelat ini, ia melengkung dalam arah berlawanan dengan medan listrik. Sudut lengkungan dapat dengan mudah diubah dengan mengubah potensial pelat.
Kasus Kedua
Di sini kita memiliki dua silinder koaksial dengan perbedaan potensial yang diterapkan antara mereka seperti yang ditunjukkan dalam gambar.
Arah hasil medan listrik dan permukaan equipotential juga ditunjukkan dalam gambar. Permukaan equipotential ditandai dengan garis putus-putus yang berbentuk melengkung. Di sini kita tertarik untuk menghitung sudut lengkungan sinar elektron ketika melewati permukaan equipotential yang melengkung. Mari kita pertimbangkan permukaan equipotential S seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Potensial di sisi kanan permukaan adalah +E sementara potensial di sisi kiri permukaan –E. Ketika sinar elektron masuk dengan sudut A terhadap normal, maka ia melengkung dengan sudut B setelah melewati permukaan S seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah ini. Komponen normal kecepatan sinar akan meningkat karena gaya bekerja dalam arah normal terhadap permukaan. Ini berarti bahwa kecepatan tangensial tetap sama, jadi dengan menyamakan komponen tangensial, kita memiliki V1sin (A) = V2sin(B), di mana V1 adalah kecepatan awal elektron, V2 adalah kecepatan setelah melewati permukaan. Sekarang kita memiliki hubungan sebagai sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Kita dapat melihat dari persamaan di atas bahwa ada pembengkokan sinar elektron setelah melewati permukaan equipotential. Oleh karena itu, sistem ini juga disebut sistem fokus.
Defleksi Elektrostatik
Untuk mengetahui ekspresi untuk defleksi, mari kita pertimbangkan sistem seperti yang ditunjukkan di bawah ini:
Dalam sistem di atas, kita memiliki dua pelat A dan B yang berada pada potensial +E dan 0 masing-masing. Pelat-pelat ini juga disebut pelat defleksi. Medan yang dihasilkan oleh pelat-pelat ini berada dalam arah sumbu y positif dan tidak ada gaya sepanjang sumbu x. Setelah pelat defleksi, kita memiliki layar melalui mana kita dapat mengukur defleksi netto sinar elektron. Sekarang mari kita pertimbangkan sinar elektron yang datang sepanjang sumbu x seperti yang ditunjukkan dalam gambar. Sinar tersebut melengkung dengan sudut A, karena adanya medan listrik, dan defleksi berada dalam arah positif sumbu y seperti yang ditunjukkan dalam gambar. Sekarang mari kita turunkan ekspresi untuk defleksi sinar ini. Dengan hukum pelestarian energi, kita memiliki kerugian energi potensial ketika elektron bergerak dari katoda ke anoda pemberi kecepatan harus sama dengan peningkatan energi kinetik elektron. Secara matematis, kita dapat menulis,
Di mana, e adalah muatan pada elektron,
E adalah perbedaan potensial antara kedua pelat,
m adalah massa elektron,
dan v adalah kecepatan elektron.
Jadi, eE adalah kerugian energi potensial dan 1/2mv1/2 adalah peningkatan energi kinetik.
Dari persamaan (1) kita memiliki kecepatan v = (2eE/m)1/2.
Sekarang kita memiliki intensitas medan listrik sepanjang sumbu y adalah E/d, oleh karena itu gaya yang bekerja sepanjang sumbu y diberikan oleh F = eE/d di mana d adalah jarak antara kedua pelat defleksi.
Karena gaya F, elektron akan melengkung sepanjang sumbu y dan biarkan defleksi sepanjang sumbu y sama dengan D yang ditandai pada layar seperti yang ditunjukkan dalam gambar. Karena gaya F, ada percepatan total ke atas elektron sepanjang sumbu y positif, dan percepatan ini diberikan oleh Ee/(d × m). Karena kecepatan awal sepanjang sumbu y positif adalah nol, oleh karena itu dengan persamaan gerakan, kita dapat menulis ekspresi perpindahan sepanjang sumbu y sebagai,
Sebagai kecepatan sepanjang sumbu x adalah konstan, oleh karena itu kita dapat menulis perpindahan sebagai,
Di mana, u adalah kecepatan elektron sepanjang sumbu x.
Dari persamaan 2 dan 3, kita memiliki,
Yang merupakan persamaan trayektori elektron. Sekarang dengan mendiferensialkan persamaan 4, kita memiliki kemiringan yaitu,
Di mana, l adalah panjang pelat.
Defleksi pada layar dapat dihitung sebagai,
Jarak L ditunjukkan dalam gambar di atas. Ekspresi akhir D dapat ditulis sebagai,
Dari ekspresi defleksi, kita menghitung sensitivitas defleksi sebagai,
Graticule: Ini adalah grid garis yang fungsinya adalah untuk berfungsi sebagai skala ketika cathode ray oscilloscope digunakan untuk pengukuran amplitudo. Ada tiga jenis graticule dan mereka ditulis di bawah ini:
Graticule Internal:
Graticule internal seperti namanya ditempatkan pada permukaan internal plat wajah tabung sinar katoda. Tidak ada masalah kesalahan paralaks, tetapi kita tidak dapat mengubah graticule internal karena mereka tetap.Graticule Eksternal:
Berikut ini adalah diagram rangkaian cathode ray oscilloscope:
