Вивчення електронного осцилографа і кенотронного випрямляча

Електричний практикум

Лабораторна робота №8

ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛОГРАФА І КЕНОТРОННОГО ВИПРЯМЛЯЧА

Мета роботи: 1. ознайомитись з будовою і роботою осцилографа;

2. дослідити випрямляючу дію діоду за допомогою осцилографа.

Обладнання: 1. електронний осцилограф; 2. випрямляч; 3. ЛАТР.

Теоретичні відомості

У практиці вимірювань трапляються випадки, коли необхідно візуально простежити за характером зміни якої-небудь величини з бігом часу, зокрема при вивченні швидкозмінних електричних процесів. Такі дослідження проводять за допомогою електронного осцилографа.

Головним елементом осцилографа є електронно-променева трубка. За принципом відхилення і фокусування електронного променю трубки бувають двох типів: трубки з електростатичним і трубки з магнітним управлінням. В першому випадку для відхилення і фокусування електронного променю використовують електростатичне поле, в другому - магнітне. Ми розглянемо трубки з електростатичним відхиленням і фокусуванням променю.

Рис. 1.

Електронно-променева трубка являє собою скляну вакуумну колбу (тиск близько 10^-7 10^-8 мм рт.ст.), в середині якої розміщуються: 1 - підігрівач катода, 2 - катод (джерело електронів), 3 - керуючий електрод (модулятор) у вигляді циліндра з невеликим отвором (він одягається безпосередньо на катод так, щоб катод опинився проти отвору на невеликій віддалі від нього), 4 - фокусуючий анод (перший анод), 5 - прискорюючий анод (другий анод), 6 - горизонтально відхиляючі пластини, 7 - вертикально відхиляючі пластини, 8 - аквадаг, 9 - флюоресцуючий екран. Схематично трубка зображена на рис.1. Підігрівач, катод, керуючий електрод і два аноди утворюють так звану електронну гармату. Перший анод являє собою циліндр, в середині якого розташовані діафрагми з малими отворами, які пропускають тільки центральну, найщільнішу частину електронного пучка. Другий анод зроблено у вигляді циліндра з діафрагмою. Керуючий електрод і система анодів утворюють фокусуючу систему. На керуючий електрод подається від'ємний щодо катоду потенціал. Змінюючи цей потенціал, регулюють величину струму в електронному пучку, а, отже, і яскравість світної плями на екрані.

На перший і другий аноди подається додатній щодо катоду потенціал (на перший - близько кількох сотень, на другий - кілька тисяч вольт). В електричному полі, що утворилось між катодом і анодами (в основному, другим анодом) рух електронів прискорюється. Фокусування електронного пучка відбувається в просторі між катодом, модулятором і першим анодом, а також полем в просторі між анодами. Фокусуючу дію однорідних електричних полів пояснюють рис. 2 і рис. 3. На рис. 2 пунктирними лініями показано траєкторії електронів, а суцільними - еквіпотенціальні поверхні електричних полів.

Рис. 2.

На рис. 3 показано "заломлення" електронного променю в електричному полі. Електрон, що рухається в однорідному електричному полі, підлітає з швидкістю V₁ до еквіпотенціальної поверхні з потенціалом U₁. Його швидкість утворює кут a₁ з напрямком електричного поля (з нормаллю до еквіпотенціальної поверхні).

Рис.3

Розкладемо швидкість V₁ на компоненти V_1x і V_1y, де V_1x = V₁ cosa₁, V_1y = V₁ sina₁. Рис. 3. При переході до наступної еквіпотенціальної поверхні з потенціалом U₂ складова швидкості V_1x не змінюється, так як в цьому напрямку електричне поле не діє, а V_1x змінюється. Нехай U₂ >U₁, тоді V_2x > V_1x і траєкторія електрона наближується до силової лінії електричного поля. Із співвідношення V_1y = V_2y випливає, що

, (1)

Нехай швидкість електрона при нульовому потенціалі близька до нуля. Тоді кінетична енергія на першій еквіпотенціальній поверхні пропорційна потенціалу U₁, а його енергія на другій еквіпотенціальній поверхні пропорційна потенціалу U₂. Замінюючи квадрати швидкостей потенціалами, знайдемо

. (2)

Формула (2) визначає "заломлення" траєкторії електрона в електричному полі і аналогічна закону заломлення світла.

Повернемося тепер до оптичних властивостей електронної гармати. На електрони, які імітуються катодом, діє електричне поле в просторі між катодом, керуючим електродом і першим анодом. Оскільки напрям сили, що діє на електрони, перпендикулярний до еквіпотенціальних поверхонь, то на електрони, які вилетіли з різних точок катода, діятимуть сили з боку поля в його лівій частині, направлені під деяким кутом до вісі гармати. Внаслідок цього вони стягуються до вісі. В правій частині поля, навпаки, на електрони діятимуть сили, які відхилятимуть їх від вісі гармати. Але в цьому місці швидкість електронів значно більша, ніж в області поблизу катода, тому розсіювальна дія поля в його правій частині проявляється в меншій мірі, ніж фокусуюча дія в лівій частині. Тому електронний пучок буде сфокусовано у деякій точці поблизу першого аноду. Таким чином, електричне поле в області катод-модулятор-перший анод діє як дві лінзи: в лівій частині як збирна лінза, а в правій - як розсіювальна, і в сукупності вони діють як збирна лінза.

Дія поля між першим і другим анодами на електронний пучок подібна до дії поля, утвореного катодом, модулятором і першим анодом. Таким чином, вся система еквівалентна двом опукло-угнутим лінзам, як це показано на рис. 4.

Рис.4

Змінюючи величину напруги на першому аноді, можна змінювати електричне поле між анодами і як наслідок цього змінити місце фокусування пучка.

За електронною гарматою розміщено дві взаємно перпендикулярні пари відхиляючих пластин, між якими проходить електронний промінь. Якщо до кожної пари пластин прикласти певну різницю потенціалів, то електричні поля між пластинами відхилятимуть електронний промінь перпендикулярно до вісі трубки відповідно в горизонтальному та вертикальному напрямках. Зміною напруги на відхиляючих пластинах можна перемістити електронний промінь в будь-яку точку екрана.

Розглянемо дію відхиляючих пластин (рис. 5).

Рис. 5.

Нехай електрон з швидкістю V₀ влітає в однорідне електричне поле пари пластин і рухається вздовж вісі x, тобто перпендикулярно до ліній напруженості електричного поля. Електричне поле другої пари пластин будемо поки вважати рівним нулю. Рух електрона вздовж вісі x являється рівномірним, а вздовж вісі y - рівноприскореним:

(3)

Прискорення " a " можна знайти за допомогою другого закону Ньютона:

(4)

Із (3), (4) знайдемо

(5)

Як витікає з (5), траєкторія електрона між відхиляючими пластинами являє собою параболу. На виході із пластин траєкторія відхиляється від початкового напрямку на відстань h₁ і на кут a₁:

, (6)

де l₁ - довжина пластини конденсатора (друга із рівностей (6) знайдена шляхом диференціювання (5) по x).

Після виходу із пластин електрон рухається по прямій. Відхилення h електронної плями на екрані осцилографа отримаємо із рис.5:

. (7)

Позначимо відстань від середини пластин до екрана через L. Тоді

. (8)

Швидкість V₀, яку має електрон, що проходить між пластинами, визначається напругою між катодом і другим анодом:

(9)

Напруженість поля між відхиляючими пластинами

, (10)

де U_y - різниця потенціалів між пластинами, а d - відстань між ними.

Остаточно із (8 - 10) отримаємо:

. (11)

Таким чином, зміщенням променю пропорційне відхиляючій напрузі. Коефіцієнт пропорційності в (11) називається чутливістю c трубки до напруги:

. (12)

Аналогічно обчислюється чутливість трубки до напруги для другої пари пластин. В сучасних електростатичних трубках величина чутливості знаходиться в межах (0,2 - 1) мм/В. Чутливість трубки в горизонтальному і вертикальному напрямках неоднакова, так як пари пластин розташовані на різних віддалях від екрану.

Окрім чутливості, важливим параметром електронно-променевої трубки є тривалість післясвітіння - це час, необхідний для спадання яскравості світіння від початкової величини до мінімального значення після припинення електронного бомбардування екрану. Умовно, в залежності від складу люмінофору, тривалість післясвітіння ділять на декілька груп: дуже коротке (менше 10^-5 с), коротке (від 10^-5 до 10^-2 с), середнє (від 10^-2 до 0,1 с), тривале (від 0,1 до 16 с).

Екран електронно-променевої трубки являє собою тонкий шар речовини (люмінофора), здатного світитися при бомбардуванні електронами. До таких речовин відносяться сульфід цинку, вольфрам-кислий кальцій і інші. В залежності від складу люмінофора може бути отримане світіння різного кольору.

Вибиті з екрану вторинні електрони осідають на ньому, створюючи негативний заряд, який може зрости до значної величини і порушити нормальну роботу трубки. Для запобігання цьому, внутрішню поверхню колби покривають електропровідним графітовим шаром (аквадагом) і з'єднують з другим анодом. До цього шару притягаються вторинні електрони, чим і досягається відвід зарядів від екрану.

Рис.6

Якщо синусоїдальну напругу підвести до вертикально відхиляючих пластин, то електронний промінь коливатиметься біля середнього положення і "накреслить" на екрані вертикальну пряму лінію, довжина якої пропорційна подвоєній амплітуді прикладеної напруги. Для отримання на екрані зображення цієї синусоїди, необхідно одночасно підвести до горизонтально відхиляючих пластин напругу, що відхиляє промінь в горизонтальному напрямку. Цю напругу називають напругою розгортки U_р. Вона змінюється пропорційно часові і має пилкоподібну форму (рис.6). Під дією цієї напруги, коли вона зростає від нуля до максимального значення, електронний промінь рівномірно переміщується по екрану зліва направо (прямий хід), а коли напруга різко падає до нуля, електронний промінь швидко рухається справа наліво у вихідне положення (зворотній хід). В цей час на модулятор подається від'ємна напруга, яка гасить промінь. Ця напруга виробляється в генераторі розгортки. Далі цикл зміни світного променю повторюється. Світну лінію на екрані, що створюється напругою розгортки, приймають за вісь часу.

Пилкоподібну напругу отримують за допомогою генератора розгортки. Принцип дії генератора розгортки розглянемо на прикладі такого електричного кола (рис. 7).

При замиканні ключа К конденсатор почне заряджатись через опір R і напруга на ньому (клеми 1-2) з часом збільшуватиметься. Якби газорозрядної неонової лампи Л не було, то напруга на конденсаторі змінювалась би за законом

Рис.7

, (13)

асимптотично наближаючись до значення е.р.с. джерела струму E (рис.8). Через деякий проміжок часу після вмикання джерела E, коли напруга на конденсаторі досягне значення, рівного напрузі запалювання U_з газорозрядної лампи, в останній спалахне газовий розряд і конденсатор почне швидко розряджатись через лампу. Напруга на конденсаторі в цей час змінюється за законом

, (14)

де r - опір газорозрядної лампи в стані провідності.

Рис.8

Як тільки напруга на конденсаторі зменшиться до величини U_Г (напруга гасіння), розряд припиниться і конденсатор знову почне заряджатись. Цей процес періодично буде повторюватись (рис.8). Оскільки r дуже малий (r << R), то згідно з рівняннями (13) і (14) час розряджання конденсатора від U_з до U_Г буде значно менший часу заряджання від U_Г до U_з.

Як видно з рівняння (13), зростання напруги з часом у такому генераторі нелінійне. Це зростання можна вважати приблизно лінійним, якщо різниця між U_з і U_Г невелика. Для того, щоб зростання напруги було пропорційним часові в більшому інтервалі зміни напруги, потрібно якимось чином підтримувати постійним зарядний струм конденсатора. Дійсно, для миттєвого значення напруги на конденсаторі можна записати:

, (15)

звідки видно, що при J = const

. (16)

Для підтримання постійним зарядного струму в коло зарядки замість опору R ставлять діод в режимі насичення або любий струмостабілізуючий елемент, анодний струм якого в нормальному режимі мало залежить від анодної напруги.

На практиці в ролі елемента, через який розряджається конденсатор в осцилографах старих типів (наприклад ЭО-5, ЭО-7, СІ-1 і інші) застосовується тиратрон. Це - газорозрядна лампа з розжарюваним катодом і керуючим електродом (сіткою). Тиратрон наповнюється аргоном. У тиратроні можна легко керувати величиною амплітуди напруги розгортки і часом заряду конденсатора, змінюючи потенціал запалювання зміною потенціалу його керуючого електрода.

Рис.9

Схема генератора розгортки на тиратроні наведена на рис.9. Сітка тиратрона знаходиться при потенціалі землі. Її від'ємне зміщення створюється шляхом збільшення потенціалу катода. Для цього служить дільник, зібраний на резисторах R₂ і R₃. Щоб зменшити опір катодного кола змінному струмові, в коло катода вмикається конденсатор С₂. Опір R₄ обмежує сіткові струми. Коли струм через тиратрон не протікає, конденсатор С₁ заряджається струмом, що протікає по колу E, , C₁, R₃ "земля" і зарядився б до напруги E, якби при напрузі запалювання U_з через тиратрон не почав протікати струм. Після цього конденсатор C₁ швидко розряджається через тиратрон. При цьому напруга на аноді падає до U_Г, тиратрон гасне, струм розряду припиняється, і знову починається заряд конденсатора (див. рис.8).

Змінюючи величину ємності C₁ можна змінювати частоту генератора розгортки. Замість однієї ємності в осцилографах ставлять цілий блок ємностей. З допомогою перемикача "Діапазон розгортки" до тиратрона підключають потрібну ємність. Для такої підстройки служить ручка "Частота плавно", за допомогою якої змінюється опір R"₁.

В сучасних осцилографах генератори пилкоподібної напруги реалізуються на основі напівпровідникових пристроїв. Схеми конкретних генераторів досить різноманітні. Наведемо одну з найпростіших з них, основою якої є мультивібратор, в якому використовуються напівпровідникові транзистори (рис.10).

Розглянемо роботу такого генератора. Припустимо, що в початковий момент часу транзистор T₁ відкритий, транзистор T₂ - закритий. Цьому стану відповідає низький потенціал в точці " 1 ", тобто низьке значення вихідного сигналу (пилкоподібної напруги).

Транзистор T₁ підтримується у відкритому стані за рахунок струму, що протікає через R₆, C₂ і паралельно з'єднані n-p перехід транзистора T₁ і резистор R₃, який є струмом заряду конденсатора C₂.

Рис.10

В міру зростання заряду на конденсаторі C₂ струм у ланцюгу R₆ - C₂ - (n₁ - p₁, R₃) зменшується; отже, зменшується напруга на базі транзистора T₁. При деякому критичному значенні U_БІ транзистор T₁ запирається. При цьому стрибком зростає напруга на колекторі T₁ і базі T₂; транзистор T₂ відпирається. Конденсатор С₁ починає заряджатись струмом, що протікає по ланцюгу R₁ - C₁ - (n₂ - p₂, R₅). В міру заряджання конденсатора С₁ напруга на базі T₂ (точка " 1 ") спадає за законом, що близький до лінійного. Коли потенціал точки " 1 " досягає потенціалу запирання, транзистор T₂ запирається, T₁ - відпирається, і весь процес періодично повторюється в часі.

Транзистор T₃ виконує функції підсилення і інвертування вихідного сигналу (пилкоподібної напруги).

Оскільки має місце співвідношення R₆ >> (n₁ - p₁, R₃) і R₁ >> (n₂ - p₂, R₅), швидкість заряду конденсаторів С₁ і С₂ визначається постійними часу t₁= R₁C₁ і t₂= R₆C₂. Величина t₁ обумовлює тривалість зростання пилкоподібної напруги (прямий хід горизонтальної розгортки), величина t₂ визначає час спадання вихідної напруги (зворотній хід горизонтальної розгортки). Здебільшого параметри мультивібратора вибираються такими, щоб t_1>>t₂.

При спостереженні періодичних і, особливо, швидкозмінних процесів важливо отримати на екрані осцилографа нерухоме зображення сигналу. Для цього потрібно, щоб період розгортки був кратний періоду досліджуваного сигналу

T_p = nT_C. (17)

Рис.11а

Але в наслідок нестабільності генератора і самого досліджуваного сигналу дотриматись точного співвідношення періодів важко. Тому використовують примусове узгодження періодів - синхронізацію, при якій напруга, що вивчається, нав'язує свій період генератору розгортки. При цьому при кожному переміщенні променю вздовж лінії розгортки на нього діють кожного разу в одних і тих же точках розгортки однакові напруги досліджуваного сигналу.

Синхронізацію можна виконати або сигналами від зовнішнього генератора, який має високу стабільність частоти коливань, або сигналами від мережі, або безпосередньо досліджуваними сигналами.

Для синхронізації досліджувану напругу подають не тільки на клеми " У " осцилографа, але і на сітку тиратрона. Якщо при цьому період власних коливань генератора розгортки майже рівний (або майже кратний) періодові коливань досліджуваної напруги, то момент запалювання тиратрона трохи зсувається і запалювання відбувається в такт з досліджуваною напругою (рис.11а, де U_C - напруга на сітці тиратрона, U_p - напруга на виході генератора розгортки).

В разі використання генератора розгортки, зображеного на рис. 10, інвертовану досліджувану напругу (U_сінх на рис. 11б, де U_д - досліджуваний сигнал, t₀ - момент початку прямого ходу розгортки, U_з - потенціал запирання транзистора T₁) подають на базу транзистора T₁. Це призводить до зміни моменту запирання T₁ (на рис. 11б - в бік зменшення) і, як наслідок, до синхронізації початку прямого ходу розгортки досліджуваним сигналом.

Рис.11б

Важливим елементом осцилографа являється підсилювач каналу вертикального відхилення (підсилювач У). Працювати без підсилювача звичайно не вдається, оскільки чутливість трубки до напруги не висока. Якістю підсилювача - його лінійністю і діапазоном частот, які він пропускає - в більшості визначається і якість всього осцилографа. На вході підсилювача встановлюють атенюатор (дільник), що дозволяє ослабляти вхідний сигнал в 10 або 100 разів, що дає змогу подавати на підсилювач напругу до 250 В.

Дата добавления: 2015-11-14