Tubo de rayos catódicos de osciloscopio

Un tubo de rayos catódicos de osciloscopio es un tubo de rayos catódicos (CRT) diseñado para mostrar señales eléctricas en una pantalla fluorescente. La imagen en la pantalla sirve no solo para la evaluación visual de la forma de la señal, sino también para medir sus parámetros y, en algunos casos, para fijarla en la película.

Principios físicos de funcionamiento y características de diseño

Un osciloscopio CRT es una bombilla de vidrio al vacío que contiene un cañón de electrones , un sistema deflector y una pantalla fluorescente . El cañón de electrones está diseñado para formar un estrecho haz de electrones y enfocarlo en la pantalla. Los electrones son emitidos por un cátodo calentado indirectamente con un calentador debido al fenómeno de emisión termoiónica . La intensidad del haz de electrones y, en consecuencia, el brillo del punto en la pantalla están regulados por un voltaje negativo en relación con el cátodo en el electrodo de control, un modulador hecho en forma de cilindro de Wehnelt . El primer ánodo se usa para acelerar previamente el haz de electrones, el segundo y el tercer ánodo se usan para la posterior aceleración y enfoque de electrones. El electrodo de control y el sistema de ánodo forman un sistema de enfoque , este sistema de formación acelerada de haz de electrones generalmente se denomina cañón de electrones . El último de los ánodos está conectado eléctricamente a una capa conductora depositada en la parte cónica interna del cilindro de vidrio del TRC - aquadag . Aquadag está diseñado para recolectar electrones secundarios eliminados de la pantalla y el apantallamiento electrostático del haz de electrones de los campos electrostáticos externos.

El sistema deflector consta de dos pares de placas orientadas perpendicularmente entre sí, ubicadas horizontal y verticalmente con respecto al haz de electrones. El voltaje bajo prueba se aplica a las placas orientadas horizontalmente, que se denominan placas de deflexión vertical , y para aumentar la sensibilidad de la deflexión, este par de placas se coloca más cerca del cañón de electrones. A las placas verticales, llamadas placas de deflexión horizontal , en una aplicación común, se les aplica un voltaje de diente de sierra de un generador de barrido para mostrar los procesos en función del tiempo . Bajo la influencia del campo eléctrico entre las placas de desviación, el haz de electrones se desvía de su trayectoria original en proporción al voltaje aplicado. El punto luminoso en la pantalla CRT se desplaza a lo largo de dos coordenadas mutuamente perpendiculares y muestra la forma de la señal en estudio. Dado que el voltaje de diente de sierra en el movimiento de avance varía linealmente con el tiempo, el punto luminoso en la pantalla también se mueve a una velocidad constante a lo largo de la pantalla, generalmente de izquierda a derecha para facilitar la observación. Este modo de desviación se llama barrido de tiempo .

Si se aplican dos señales sinusoidales diferentes a las placas de deflexión vertical y horizontal, se observan en la pantalla figuras de Lissajous , que se utilizan para comparar frecuencias.

Al cambiar la naturaleza de los voltajes de deflexión, se pueden observar varias dependencias funcionales en la pantalla CRT, por ejemplo, la característica corriente-voltaje de una red de dos terminales , si se aplica a uno una señal proporcional al cambio de voltaje que se le aplica. de los pares de placas deflectoras, y una señal proporcional al voltaje que fluye a través del otro par de placas deflectoras se aplica al otro par de placas deflectoras. Este método se utiliza en dispositivos especiales: caracterógrafos .

Los CRT de osciloscopio utilizan la desviación del haz electrostático, porque las señales que se investigan pueden tener una forma arbitraria y un espectro de frecuencia amplio , y el uso de la desviación electromagnética en los CRT de osciloscopio no es posible debido a la dependencia de la frecuencia de la impedancia de la bobina de desviación , que limita la desviación. velocidad.

Los CRT de osciloscopio generalmente usan el enfoque electrostático del haz de electrones, pero los CRT de osciloscopio especializados a veces usan el enfoque magnético del haz de electrones para lograr un mejor enfoque del haz de electrones en la pantalla. (Para más detalles, ver el artículo Cañón de electrones ) .

Rango de "baja frecuencia" CRT (hasta 100 MHz)

Cuando se observan señales con un ancho de espectro de frecuencia de menos de 100 MHz, se puede despreciar el tiempo de vuelo de los electrones a través del sistema deflector. El tiempo de vuelo de los electrones se estima mediante la fórmula:

t\aproximadamente l{\sqrt {\frac {m}{2eU_{a))))),

donde y son la carga y la masa del electrón, respectivamente;

mi

metro

yo

es la longitud de las placas a lo largo del haz de electrones;

U_{a}

es el voltaje del ánodo.

La desviación del haz en el plano de la pantalla es proporcional al voltaje aplicado a las placas (asumiendo que el voltaje en las placas permanece constante durante el vuelo de los electrones en el campo de las placas deflectoras): $\Delta$ $U_{OT}$

\Delta ={\frac {U_{OT}lD}{2U_{a}d)),

donde está la distancia desde el centro de desviación de las placas a la pantalla;

D

d

es la distancia entre las placas.

Para reducir la inductancia parásita de los conductores de las placas deflectoras, sus conductores eléctricos a menudo no se colocan en la base del tubo, sino en las inmediaciones de las placas.

En los CRT que se utilizan para observar señales únicas y raramente repetidas, se utilizan fósforos con un tiempo de resplandor prolongado.

CRT sobre 100 MHz

Para formas de onda sinusoidales que cambian rápidamente, la sensibilidad de deflexión comienza a disminuir y, a medida que el período de la sinusoide se acerca al tiempo de vuelo, la sensibilidad de deflexión cae a cero. En particular, cuando se observan señales pulsadas con un amplio espectro (la frecuencia de los componentes espectrales de alta frecuencia es igual o superior al recíproco del tiempo de vuelo), este efecto conduce a una distorsión de la forma de la señal observada debido a la diferente sensibilidad de la desviación a diferentes componentes espectrales. Aumentar el voltaje del ánodo o reducir la longitud de las placas puede reducir el tiempo de vuelo y reducir estas distorsiones, pero esto reduce la sensibilidad a la deflexión. Por lo tanto, para la oscilografía de señales cuyo espectro de frecuencia supera los 100 MHz, los sistemas deflectores se realizan en forma de línea de onda viajera, generalmente de tipo espiral. La señal se aplica al principio a lo largo del curso del haz de electrones de la espiral y en forma de onda electromagnética se mueve a lo largo del sistema deflector con una velocidad de fase : $v_{f}$

v_{f}={\frac{ch_{c}}{l_{c}}},

donde es la velocidad de la luz, es el paso de la hélice, es la longitud del giro de la hélice. Como resultado, la influencia del tiempo de vuelo puede eliminarse si se elige que la velocidad del electrón sea igual a la velocidad de fase de la onda en la dirección del eje del sistema.

C

h_{c}

l_{c}

Para reducir las pérdidas de potencia de la señal, las conclusiones del sistema deflector de tales CRT se hacen coaxiales . La geometría de los casquillos coaxiales se selecciona de modo que su resistencia al oleaje corresponda a la resistencia al oleaje del sistema deflector en espiral.

Tubos con post-aceleración

Para aumentar la sensibilidad a la deflexión, es necesario tener una velocidad de electrones baja en el haz, es decir, un voltaje de ánodo bajo; sin embargo, esto conduce a una disminución en el brillo de la imagen debido a una disminución en la energía de los electrones y un mal enfoque.

Por lo tanto, en los CRT oscilográficos se utiliza un sistema de post-aceleración. Es un sistema de electrodos ubicados entre el sistema deflector y la pantalla, en forma de recubrimiento conductor depositado en la superficie interna del contenedor de vidrio del TRC. El sistema de electrodos (ánodos) puede constar de uno (opción a en la figura) o de varios ánodos (opción b en la figura), tensiones crecientes sobre las que se alimentan desde un divisor de tensión resistivo externo . A menudo se utilizan electrodos después de la aceleración, hechos en forma de una tira conductora helicoidal de alta resistencia depositada en la superficie interna del cilindro cerca de la pantalla. Cuando se usa un ánodo en espiral después de la aceleración, no se necesita un divisor resistivo externo (opción c en la figura).

Tubos amplificadores

En los CRT de banda ancha que funcionan en el rango de varios gigahercios, se utilizan amplificadores de brillo para aumentar el brillo sin pérdida de sensibilidad. El amplificador de brillo es una placa de microcanal ubicada dentro del CRT frente a la pantalla fluorescente. La placa está hecha de vidrio semiconductor especial con un alto factor de emisión secundario. Los electrones del haz, que caen en los canales (cuyo diámetro es mucho menor que su longitud), eliminan los electrones de sus paredes, acelerados por el campo eléctrico creado por el revestimiento de metal en los extremos de la placa, entre los cuales hay un alto voltaje. aplicado, y, al caer sobre las paredes del microcanal, elimina electrones secundarios , que son acelerados, a su vez, eliminan nuevos electrones secundarios, y se produce una multiplicación de avalancha del flujo de electrones. La ganancia total de la corriente electrónica del amplificador de microcanal puede llegar a 10 5 ... 10 6 . Sin embargo, debido a la acumulación de cargas en las paredes de los microcanales, el amplificador de microcanales es efectivo solo para pulsos de nanosegundos, únicos o sucesivos con una tasa de repetición baja.

Escala

Para medir los parámetros de la señal reproducida en la pantalla CRT, la lectura debe hacerse en una escala con divisiones. Cuando se aplica la escala a la superficie exterior de la pantalla CRT, la precisión de la medición se reduce debido al paralaje visual causado por el hecho de que la cuadrícula de la escala y la imagen en el fósforo están en diferentes planos. Por lo tanto, en los CRT modernos, la escala se aplica directamente a la superficie interna de la pantalla, es decir, prácticamente se alinea con la imagen de la señal en el fósforo.

CRT especializados para grabación fotográfica de contacto

Para mejorar la calidad de la fotografía de contacto de la señal, la pantalla está hecha en forma de disco de fibra de vidrio. Esta solución le permite transferir la imagen desde la superficie interior a la exterior manteniendo su claridad. La borrosidad de la imagen está limitada por el diámetro de los filamentos de fibra de vidrio, que normalmente no supera los 20 µm. En los CRT destinados a la grabación fotográfica, se utilizan fósforos , cuyo espectro de emisión es consistente con la sensibilidad espectral del material fotográfico.

Notas

↑ Dispositivos para mostrar información en tubos de rayos catódicos

Literatura

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Zhigarev A. A., Shamaeva G. T. Haz de electrones y dispositivos fotoelectrónicos: libro de texto para universidades. - M. : Escuela superior, 1982. - 463 p.
Tubo de rayos catódicos oscilográficos / G. I. Semenik, M. V. Tsekhonovich // Nikko — Otolitos. - M. : Enciclopedia Soviética, 1974. - ( Gran Enciclopedia Soviética : [en 30 volúmenes] / editor en jefe A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 18).

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