Oscilloscope ng mga Sining na Cathode | CRO
Ano ang Cathode Ray Oscilloscope?
Ang Cathode Ray Oscilloscope (CRO) ay isang instrumentong karaniwang ginagamit sa laboratoryo upang ipakita, sukatin at analisahin ang iba't ibang waveform ng circuits na elektriko. 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 mga luminous spots na nabubuo sa pamamagitan ng pagtama ng beam ng mga electron at ang luminous spot na ito ay kumikilos bilang tugon sa pagbabago ng input quantity. Sa kasalukuyan, ang isang tanong ay dapat lumitaw sa ating isip kung bakit tayo gumagamit lamang ng beam ng electron? Ang dahilan dito ay ang mababang epekto ng beam ng mga electron na maaaring gamitin para sundin ang pagbabago ng instantaneous values ng mabilis na nagbabagong input quantity. Ang general forms ng cathode ray oscilloscope ay gumagana sa voltages.
Kaya ang input quantity na pinag-uusapan natin ay voltage. Ngayon, sa tulong ng transducers, posible na i-convert ang iba't ibang physical quantities tulad ng current, presyon, acceleration, atbp. sa voltage, kaya ito ay nagbibigay-daan sa atin na magkaroon ng visual representations ng mga iba't ibang quantities sa cathode ray oscilloscope. Ngayon, tingnan natin ang constructional details ng cathode ray oscilloscope.
Construction 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.
Ipaglaban natin ang construction ng cathode ray tube upang maintindihan ang construction ng cathode ray oscilloscope. Sa pangkalahatan, 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 mga component na ito upang gawin ang iyong sariling DIY oscilloscope. Ipaglaban natin ang mga 5 components na ito sa detalye:
Electron Gun:
Ito ang pinagmulan ng napatunog, pinag-energize, at naka-focus na beam ng mga electron. Ito ay binubuo ng anim na bahagi na kinabibilangan ng 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 indirect na iniinit sa moderate temperature. Pagkatapos, ang mga electron ay dumadaan sa isang maliliit na butas na tinatawag na control grid na gawa sa nickel. Bilang ipinapahiwatig ng pangalan, ang control grid na may negative bias, ay kontrolin ang bilang ng mga electron o indirect na maaari nating sabihin ang intensity ng emitted electrons mula sa cathode. Pagkatapos dumadaan sa control grid, ang mga electrons na ito ay napatunog sa tulong ng pre-accelerating at accelerating anodes. Ang pre-accelerating at accelerating anodes ay konektado sa common positive potential na 1500 volts.
Ngayon, pagkatapos nito, ang tungkulin ng focusing anode ay naka-focus sa beam ng mga electron na nabuo. Ang focusing anode ay konektado sa adjustable voltage na 500 volts. Ngayon, mayroong dalawang paraan ng pag-focus sa electron beam at nakalista sa ibaba:
Electrostatic focusing.
Electromagnetic focusing.
Dito, ipaglaban 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 nagpapakita na ang direksyon ng puwersa ay sa kabaligtaran ng electric field. Ngayon, gagamitin natin ang puwersang ito upang defektuhan ang beam ng mga electron na lumalabas mula sa electron gun. Isaalang-alang natin ang dalawang kaso:
Kaso Uno
Sa kaso na ito, mayroon tayong dalawang plato A at B tulad ng ipinapakita sa larawan.
Ang plato A ay nasa potential +E habang ang plato B naman ay nasa potential –E. Ang direksyon ng electric field ay mula sa plato A patungo sa plato B sa right angle sa surfaces ng plato. Ang mga equipotential surfaces ay ipinapakita din sa diagram na perpendicular sa direksyon ng electric field. Habang ang beam ng electron ay lumalabas sa pamamaraang ito, ito ay deflected sa kabaligtarang direksyon ng electric field. Ang deflection angle ay maaaring madaling ma-vary sa pamamagitan ng pagbabago ng potential ng mga plato.
Kaso Dos
Dito, mayroon tayong dalawang concentric cylinders na may potential difference na na-apply 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 figure. Ang mga equipotential surfaces ay marked ng dotted lines na curved sa shape. Ngayon, interesado tayo sa pag-compute ng deflection angle ng electron beam kapag ito ay lumalabas sa curved equipotential surface. Isaalang-alang 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 angle A sa normal, ito ay deflected sa angle B pagkatapos lumabas sa surface S tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba. Ang normal component ng velocity ng beam ay tataas dahil ang force ay nagsasagawa sa direction normal sa surface. Ito ay nangangahulugan na ang tangential velocities ay mananatili 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 lumabas 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 lumabas sa equipotential surface. Kaya ang sistema na ito ay tinatawag ding focusing system.
Electrostatic Deflection
Upang makuha ang expression para sa deflection, isaalang-alang natin ang sistema tulad ng ipinapakita sa ibaba:
Sa sistema na ito, mayroon tayong dalawang plato A at B na nasa potential +E at 0, respectively. Tinatawag rin ang mga plato na ito bilang deflection plates. Ang field na nabuo ng mga plato ay nasa direksyon ng positive y axis at walang puwersa sa x-axis. Pagkatapos ng deflection plates, mayroon tayong screen kung saan maaari nating sukatin ang net deflection ng electron beam. Isaalang-alang natin ang beam ng electron na dumadaan sa x-axis tulad ng ipinapakita sa figure. Ang beam ay deflected sa angle A, dahil sa presence ng electric field at ang deflection ay nasa positive direction ng y axis tulad ng ipinapakita sa figure. Ngayon, isaalang-alang natin ang expression para sa deflection ng beam na ito. Sa conservation ng energy, may loss sa potential energy kapag ang electron ay lumilipat mula 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 plato,
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 nagsasagawa 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 deflected sa y axis at hinihiling ang deflection sa y axis na D na marked sa screen tulad ng ipinapakita sa figure. 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, kaya sa pamamagitan ng equation of motion, maaari nating isulat ang expression ng displacement sa y axis na,
Dahil ang velocity sa x direction ay constant, kaya 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 na i.e.
Kung saan, l ang length ng plato.
Ang deflection sa screen ay maaaring makalkula bilang,
Ang distance L ay ipinapakita sa figure sa itaas. Ang final expression ng D ay maaaring isulat bilang,
Mula sa expression ng deflection, maaari nating kalkulahin ang deflection sensitivity bilang,
