¿Qué es un osciloscopio de rayos catódicos?
A Osciloscopio de rayos catódicos (CRO) es un instrumento utilizado generalmente en un laboratorio para mostrar, medir y analizar varias formas de onda de circuitos eléctricos. Un osciloscopio de rayos catódicos es un plotter X-Y muy rápido que puede mostrar una señal de entrada frente al tiempo u otra señal.
Los osciloscopios de rayos catódicos utilizan puntos luminosos que se producen al golpear el rayo 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 de por qué estamos usando sólo un rayo de electrones. La razón de esto es el bajo efecto del haz de electrones que puede utilizarse para seguir los cambios en los valores instantáneos de la cantidad de entrada que cambia rápidamente. Las formas generales de los osciloscopios de rayos catódicos operan en voltajes.
Así que la cantidad de entrada que hemos hablado anteriormente es el voltaje. Hoy en día, con la ayuda de transductores es posible convertir varias cantidades físicas como actualpresión, aceleración, etc. a la tensión, por lo que nos permite tener una representación visual de estas diversas cantidades en osciloscopio de rayos catódicos. Ahora veamos los detalles constructivos del osciloscopio de rayos catódicos.
Construcción de un osciloscopio de rayos catódicos
La parte principal del osciloscopio de rayos catódicos es el tubo de rayos catódicos, que también se conoce como el corazón del osciloscopio de rayos catódicos.
Discutamos la construcción del tubo de rayos catódicos para entender la construcción de un osciloscopio de rayos catódicos. Básicamente, el tubo de rayos catódicos consta de cinco partes principales:
- Pistola de electrones
- Sistema de placas de desviación
- Pantalla fluorescente
- Sobre de vidrio
- Base
Necesitarás los 5 componentes para construir tu propio El osciloscopio DIY. Bien, ahora discuta estos 5 componentes en detalle:
Pistola de electrones:
Es la fuente de un rayo de electrones acelerado, energizado y enfocado. Consiste en seis partes, a saber, un calentador, un cátodo, una rejilla, un ánodo de preaceleración, un ánodo de enfoque y un ánodo de aceleración. Para obtener la alta emisión de electrones, la capa de óxido de bario (que se deposita en el extremo del cátodo) se calienta indirectamente a temperatura moderada. Los electrones después de esto pasan a través de un pequeño agujero llamado red de control que está hecho de níquel. Como el nombre sugiere, la red de control con su sesgo negativo, controla el número de electrones o indirectamente podemos decir la intensidad de los electrones emitidos desde el cátodo. Después de pasar a través de la red de control estos electrones se aceleran con la ayuda de ánodos de preaceleración y aceleración. Los ánodos de preaceleración y aceleración están conectados a un potencial positivo común de 1500 voltios.
Ahora, después de esto, la función del ánodo de enfoque es enfocar el rayo de los electrones así producidos. El ánodo de enfoque está conectado a un voltaje ajustable de 500 voltios. Ahora hay dos métodos para enfocar el haz de electrones y están escritos abajo:
- Enfoque electrostático.
- Enfoque electromagnético.
Aquí discutiremos en detalle el método de enfoque electrostático.
Enfoque electrostático
Sabemos que la fuerza sobre un electrón viene dada por qE, donde q es la carga sobre el electrón (q = 1,6 10-19 C), E es la campo eléctrico intensidad y signo negativo muestra que la dirección de la fuerza está en dirección opuesta a la del campo eléctrico. Ahora vamos a esta fuerza para desertar el rayo de electrones que sale del cañón de electrones. Consideremos dos casos:
Caso uno
En este caso tenemos dos placas A y B como se muestra en la figura.
La placa A está en potencial +E mientras que la placa B está en potencial E. La dirección del campo eléctrico es de la placa A a la placa B en ángulo recto con las superficies de la placa. Las superficies equipotenciales también se muestran en el diagrama que es perpendicular a la dirección de campo eléctrico. A medida que el haz de electrones pasa a través de este sistema de placas, se desvía en la dirección opuesta del campo eléctrico. El ángulo de desviación puede ser fácilmente variado cambiando el potencial de las placas.
Caso segundo
Aquí tenemos dos cilindros concéntricos con un diferencia de potencial aplicado 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 las líneas punteadas que tienen forma curva. Ahora aquí estamos interesados en calcular el ángulo de desviación del haz de electrones cuando pasa a través de esta superficie equipotencial curvada. Consideremos la superficie equipotencial curvada S como se muestra a continuación. El potencial en el lado derecho de la superficie es +E mientras que el potencial en el lado izquierdo de la superficie E. Cuando un haz de electrones incide en el ángulo A con respecto a la normalidad, entonces se desvía por el ángulo B después de pasar a través de la superficie S como se muestra en la figura siguiente. La componente normal de la velocidad del haz aumentará a medida que la fuerza actúe en la dirección s normal a la superficie. Esto significa que las velocidades tangenciales permanecerán iguales, por lo que al igualar las componentes tangenciales tenemos V1pecado (A) = V2sin(B), donde V1 es la velocidad inicial de los electrones, V2 es la velocidad después de pasar por la superficie. Ahora tenemos una relación como sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Podemos ver en la ecuación anterior que hay una flexión del haz de electrones después de pasar por la superficie equipotencial. Por lo tanto, este sistema también se llama sistema de enfoque.
Desviación electrostática
Para averiguar la expresión de la desviación, consideremos un sistema como el que 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 deflectoras 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 el ángulo A, debido a la presencia de campo eléctrico y la desviación es en la dirección positiva del eje y como se muestra en la figura. Ahora vamos a derivar una expresión para la desviación de este rayo. Por la conservación de la energía, tenemos pérdida de energía potencial cuando el electrón se mueve del cátodo al ánodo de aceleración debería ser igual a la ganancia en energía cinética del electrón. Matemáticamente podemos escribir,
Donde, e es la carga en el electrón,
E es la diferencia de potencial entre las dos placas,
m es la masa del electrón,
y v es la velocidad del electrón.
Por lo tanto, 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 campo eléctrico La intensidad a lo largo del eje y es E/d, por lo tanto la fuerza que actúa a lo largo del eje y viene 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 dejará 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 positivo y y esta aceleración viene dada por Ee/(d m). Dado que la velocidad inicial a lo largo de la dirección positiva y es cero, por lo tanto, mediante la ecuación de movimiento podemos escribir la expresión de desplazamiento a lo largo del eje y como,
Como la velocidad a lo largo de la dirección x es constante, podemos escribir 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, yo es la longitud de la placa.
La desviación en la pantalla se puede calcular como,
La distancia L se muestra en la figura anterior. La expresión final de D puede escribirse como,
A partir de la expresión de la desviación, calculamos la sensibilidad de la desviación como,
Grácil: Esta es la cuadrícula de líneas cuya función es servir de escala cuando el osciloscopio de rayos catódicos se utiliza para las mediciones de amplitud. Hay tres tipos de gránulos y están escritos abajo:
- Gráfico interno:
Grátil interna, como su nombre indica, depositada en la superficie interna de la placa frontal del tubo de rayos catódicos. No hay problema de errores de paralaje pero no podemos cambiar las rátulas internas ya que están fijas. - Grátil externo:
A continuación se muestra el diagrama de circuito del osciloscopio de rayos catódicos:
Diagrama de circuito básico del osciloscopio de rayos catódicos
Ahora estudiaremos el diagrama de circuito básico de osciloscopio de rayos catódicos bajo las siguientes partes principales.
- Sistema de desviación vertical:
La señal de entrada para el examen se alimenta a las placas del sistema de desviación vertical con la ayuda de un atenuador de entrada y una serie de etapas de amplificación. La función principal de estos amplificadores es amplificar las señales débiles para que la señal amplificada pueda producir las señales deseadas. - Sistema de desviación horizontal:
Al igual que el sistema vertical, el sistema horizontal también consiste en amplificadores horizontales para amplificar las débiles señales de voltaje de entrada pero, a diferencia del sistema de deflexión vertical, las placas de deflexión horizontal se alimentan de un voltaje de barrido que proporciona una base de tiempo como se muestra arriba. Como se muestra en el diagrama de circuito, el generador de barrido de dientes de sierra es activado por el amplificador de sincronización cuando el interruptor selector de barrido está en la posición interna y, por lo tanto, el generador de dientes de sierra activado da entrada al amplificador horizontal siguiendo este mecanismo. Ahora hay cuatro tipos de barrido:- Corrida libre o barrido recurrente
Como su nombre indica, la forma de onda del diente de sierra es repetitiva, es decir, se inicia un nuevo barrido inmediatamente después del anterior. - El barrido desencadenado…
Es posible que en algún momento la forma de onda que se observe no sea periódica, por lo que se desea que el circuito de barrido permanezca inoperante y que el barrido sea iniciado por la forma de onda que se examina. En tales casos utilizamos el barrido activado. - Barrido impulsado
Generalmente se utiliza un barrido impulsado cuando el barrido es de marcha libre pero se activa por la señal que se está probando. - Barrido de dientes sin sierra
Esto se utiliza para encontrar la diferencia de fase entre los dos voltajes. Otra aplicación importante es que podemos comparar la frecuencia de los voltajes de entrada usando un barrido de dientes sin sierra.
- Corrida libre o barrido recurrente
- Sincronización:
Debe haber una sincronización entre el barrido y la señal que se está midiendo. La sincronización se hace para producir un patrón estacionario. Hay tres fuentes de sincronización que pueden seleccionarse mediante un selector de sincronización y que se escriben a continuación:- Interno
En este disparador se obtiene de la señal que se mide a través de un amplificador vertical. - Externos
En este disparador se requiere una fuente de disparo externa. - Línea
En este método se obtiene el gatillo de la fuente de alimentación. - Modulación de la intensidad
La modulación de la intensidad puede hacerse insertando la señal entre el suelo y el cátodo. La modulación de la intensidad causa el brillo de la pantalla. - Controles de posicionamiento
La posición puede ser controlada aplicando pequeñas medidas internas independientes y directas fuentes de tensión a las placas deflectoras y con la ayuda de potenciómetro (usándolo como divisor de voltaje) podemos controlar la posición de la señal. - Control de enfoque
El enfoque puede ser controlado cambiando la longitud focal del electrodo de enfoque que actúa como una lente y la longitud focal puede ser cambiada por el potencial cambiante del ánodo de enfoque. - Control de la intensidad
La intensidad puede variarse cambiando el potencial de la red con respecto al cátodo. - Circuito de calibración
El voltaje de calibración tiene una forma cuadrada que suele generarse internamente de amplitud conocida. - Astigmatismo
Ajustando el foco, el punto puede hacerse más nítido para evitar el problema del astigmatismo.
- Interno
