ІV. Теоретичні відомості та опис установки.

1. Електронний осцилограф – один із найбільш універсальних електровимірювальних приладів. Його застосовують для реєстрації найрізноманітніших електромагнітних процесів:

-вимірювання напруги, сили струму, повного опору;

-дослідження напруги або струму швидкозмінних процесів у залежності від часу;

-порівняння амплітуд двох струмів або напруг;

-вимірювання фази і частоти, порівняння фаз двох струмів чи напруг;

-дослідження електронних ламп;

-дослідження електронних імпульсів;

-вимірювання параметрів котушок індуктивності та ін.

Електронним осцилографомназивають прилад, що дозволяє спостерігати на екрані електронно-променевої трубки миттьові значення досліджуваних електричних величин. Його принцип дії заснований на таких явищах:

-термоелектронної емісії;

-дії електричного і магнітного полів на рухомі електричні заряди (електрони);

-катодолюмінесценція;

-протікання струму у вакуумі;

Сучасний осцилограф складається з:

-електронно-променевої трубки;

-блока живлення;

-блока часової розгортки;

-підсилювачів вертикального і горизонтального каналів;

-подільників вертикального і горизонтального каналів та ін.

Утворення і фокусування електронного пучка здійснюється в електронно-променевій трубці (рис. 6.1).

 

 

Рис. 6.1.

За принципом фокусування і відхилення електронного променя трубки бувають двох типів: електростатичні та магнітні. У перших для керування променем використовується електростатичне поле, а в других – магнітне; перші застосовуються головним чином для вимірювальних цілей, другі–у телебаченні.

Електронний пучок створюється так званою електронною гарматою, що складається з підігрівача 1, катода 2, фокусуючого циліндра 3, першого (фокусуючого) 4 і другого (прискорюючого) 5 анодів. На рис. 6.1 електронна гармата обведена пунктиром

Катод 2 – невеликий циліндр, основа якого звернена до екрана трубки: служить джерелом електронів (емітером).

Екран трубки вкритий зсередини шаром флюоресціюючої речовини, як от: вольфраматом кальцію, вольфраматом кадмію, силікатом цинку тощо. Випромінювання світла екраном після удару електрона триває протягом часток секунди. Свічення екрану під дією електронного пучка називають катодолюмінесценцією.

Для осцилографічного дослідження будь-якого процесу необхідно одночасно переміщувати електронний промінь вздовж горизонтальної осі Х (звичайно, пропорційно часові) і вертикальної осі Y (у відповідності до вимірюваної величини). Таке відхилення здійснюється відхиляючими пластинами X і Y (рис. 6.1).

На вертикально розміщені пластини (Х) звичайно подається напруга від генератора розгортки, яка змушує пучок рухатися в горизонтальній площині.

На горизонтально розміщені платини (Y) подають досліджувану величину, як правило, теж напругу. Одночасна дія електричного поля обидвох пар пластин дозволяє спостерігати на екрані зміну досліджуваної величини у часі. Якщо період напруги розгортки рівний періоду досліджуваної величини, то картина за період розгортки повністю повторюється, на екрані можна спостерігати нерухому (застиглу) криву.

Для характеристики відхиляючих систем трубки необхідно знати чутливість по відхиленню,яка рівна зміщенню плями на екрані (в міліметрах), зумовленої одним вольтом відхиляючої напруги.

. Нехай відхиляючі пластини паралельні, а відхиляюче електростатичне поле однорідне і перпендикулярне до площини пластин (рис.6.2). Позначимо довжину пластини через , відстань між ними через , відстань від кінця пластин до екрана — через L, напругу на другому аноді по відношенню катода—через , а напругу між відхиляючими пластинами—через . У полі між пластинами на кожний електрон діє сила в напрямку проти силових ліній (на рис.6.2 – в напрямку осі Y). Тому в цьому напрямку електрон буде рухатися рівноприскорено і його зміщення y, при виході за межі пластин буде:

(6.1)

Прискорення (6.2)

де - заряд електрона, - його маса, - напружність електричного поля між пластинами, - час руху електрона між пластинами.

Оскільки рух електрона вздовж осі X рівномірний, то (6.3)

де - горизонтальна складова швидкості електрона. Її можна визначити з умови

(6.4)

звідки (6.5)

Нарешті, підставляючи у формулу (6.1) прискорення (6.2) та час (6.3), одержимо:

. (6.6)

Відхилення променя поза пластинами

(6.7)

де -вертикальна складова швидкості електрона, якої він набуває при вильоті з простору між пластинами:

.

Час руху електрона по шляху L

. (6.8)

Підставляючи значення одержимо:

Повне відхилення

звідки чутливість

. (6.9)

Як видно з формули (6.9), чутливість трубки залежить від L (див. рис. 6.2) – відстані пластин від екрану і напруги на другому аноді.

Для розгортки, тобто переміщення променя по осі часу (осі Х) зі сталою швидкістю, напруга на відхиляючих пластинах повинна змінюватися лінійно у часі (прямий хід ) і в самому кінці періоду швидко повернутися у вихідне положення (зворотний хід) (рис. 6.3).

Таку пилкоподібну напругу отримують за допомогою так званого генератора пилкоподібної напруги. Принцип його дії заснований на заряджанні і розряджанні конден-сатора.

Вимірювані напруги часто бувають недостатні для помітного відхилення променя. Тому як канал Х, так і канал Y, має підсилювач напруги.

У протилежному випадку – коли досліджувані напруги великі — замість підсилювачів використовують подільники напруги. Крім перелічених вище блоків сучасні осцилографи обладнані низкою додаткових пристроїв, що збільшують зручність експлуатації приладу та підвищують точність вимірювань.

Всі ручки керування електронним променем і генератором розгортки виведені на передню панель осцилографа. Тут же знаходяться виводи від Х і Y пластин.

Як джерело зовнішньої змінної синусоїдної напруги у даній роботі використовують звуковий генератор, наприклад, 3Г-10 зі шкалою частот 20-20000 Гц.