POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

Laboratorium Miernictwa

Wysokich Napięć

Elementy oscylografu

wysokonapięciowego.

1 . Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem podstawowych elementów

składowych oscylografu wysokonapięciowego, jak również ze specyfiką współpracy

oscylografu z obwodami wysokonapięciowymi .

2. Wprowadzenie.

Rozwój techniki wysokich napięć wymagający informacji o przepięciach i

stanach przejściowych nie byłby możliwy bez prowadzenia pomiarów wartości

chwilowych napięć i prądów. Takie pomiary stały się możliwe dzięki lampie

oscylograficznej, której początki sięgają końca ubiegłego wieku Crura Brauna, ( P97).

Lampy oscyloskopowe, zwane również katodowymi, zbliżone konstrukcją do dzisiejszych,

powstały w latach dwudziestych i umożliwiły rozwój całej grupy metod pomiarowych. W

oparciu o lampę oscyloskopową były budowane coraz to doskonalsze oscyloskopy,

które znalazły zastosowanie również w technice wysokich napięć. Oscyloskop

wyposażony w urządzenie rejestrujące zwykle nazywany jest oscylografem.

Oscyloskop przeznaczony do pomiarów wysokonapięciowych różni się od uniwersalnego

oscyloskopu laboratoryjnego kilkoma cechami . Są to m.in.: duża szybkość zapisu, praca w

stanie "wyczekiwania", stosunkowo duże napięcie wejściowe i wymagana duża szerokość

pasma przenoszonych częstotliwości. Prowadzi to do zasadniczych różnic w budowie,

ponieważ przy wymaganiu dużej szerokości pasma rezygnuje się- ze wzmacniacza odchylania

pionowego, co nie jest przeszkodą, gdyż z układu pomiarowego dostępne są wystarczająco

duże napięcia. Rozwiązanie takie ma dodatkową zaletę, polegającą na braku zniekształceń

amplitudowych (przesterowania wzmacniacz) a niekorzystnych szczególnie przy obserwacji

przepięć.

3. Ogólna budowa oscyloskopu.

Oscyloskop jest przyrządem służącym do wizualnej obserwacji i rejestracji

odwzorowań (obrazów) przedstawiających zależności funkcyjne miedzy dwoma (lub więcej)

wielkościami fizycznymi, przetworzonymi na przebiegi napięciowe. Najczęściej przedstawia

się zależności w funkcji czasu.

Podstawowym elementem oscyloskopu Jest lampa oscyloskopowa pracująca jako

przetwornik wielkości elektrycznych na dwuwymiarowy obraz.

Lampa składa się z wyrzutni elektronów, ekranu i układu elektrod służących do odchylania

strumienia elektronów (plamki na ekranie) w dwu wzajemnie prostopadłych kierunkach

(oś x i y).Elektrody te są nazywane płytkami odchylającymi poziomymi i pionowymi lub

płytkami X i Y.

Do płytek odchylających poziomych doprowadza się w przypadku obserwacji w funkcji czasu

napięcie liniowo narastające, czyli piłokształtne (trójkątne). Napięcie to powoduje jednostajne

przemieszczanie się plamki na ekranie, od lewej ku prawej, i kreślenie linii poziomej. Jeśli w

trakcie trwania impulsu napięcia piłokształtnego zostanie przyłożone napięcie do płytek

odchylania pionowego, to plamka prócz ruchu poziomego zostanie przesunięta w pionie i

nakreśli na ekranie trajektorię odpowiadającą zmianom napięcia przyłożonego do płytek Y.

Zatem wielkość odchylenia plamki od linii poziomej jest miarą odpowiednich wartości

chwilowych mierzonego tym sposobem przebiegu zmiennego.

W zależności od szybkości narastania napięcia piłokształtnego, plamka na ekranie może

poruszać się w kierunku poziomym wolniej lub szybciej, zatem jednostka długości w osi

poziomej odpowiada czasowi, potrzebnemu na przebycie przez plamkę tej drogi. Impulsy

napięcia piłokształtnego dostarczane są przez tzw. generator podstawy czasu, który w

odpowiedzi na impuls wyzwalający wytwarza napięcie o zadanej szybkości narastania,

dobranej odpowiednio do szybkości zmian obserwowanego przebiegu. Impuls napięcia

piłokształtnego po odpowiednim wzmocnieniu we wzmacniaczu odchylania poziomego jest

doprowadzany do płyt odchylających lampy oscyloskopowej. Impulsów wyzwalających

podstawę czasu dostarcza obwód synchronizacji, reagujący na pojawienie się napięcia

mierzonego lub innego impulsu synchronizującego. Synchronizacja, czyli jednoczesne

pojawienie się napięcia piłokształtnego na płytkach X i napięcia mierzonego na płytkach Y,

pozwala na obserwację wartości chwilowych i na odniesienie poszczególnych momentów

trwania przebiegu mierzonego do momentu początkowego, określonego momentem

wyzwolenia podstawy czasu. W efekcie synchronizacji, możliwa jest obserwacja przebiegu

powtarzającego się (okresowego) w postaci nieruchomego obrazu, z punktem początkowym

leżącym po lewej stronie ekranu. Impuls wyzwalający podstawę czasu można doprowadzić z

zewnątrz, np. z układu pomiarowego. Możliwa jest wówczas obserwacja tylko wybranych

fragmentów przebiegu, lub obserwacja przebiegów tzw. jednorazowych. Ta ostatnia-

możliwość jest szczególnie przydatna w technice impulsowej np. przy pomiarach napięciem

udarowym, gdzie źródło napięcia pracuje w sposób impulsowy, dostarczając pojedynczych

udarów w odstępach kilkudziesięciu sekund.

Istotnym zjawiskiem jest bezwładność układu wyzwalającego, powodująca zwłokę od

momentu przyjścia impulsu wyzwalającego do momentu rozpoczęcia kreślenia krzywej na

ekranie. Przy pomiarach powolnych przebiegów opóźnienie to jest pomijalne, lecz przy

pomiarach o czasie rzędu pojedynczych /Js można zauważyć pomijanie początkowej części

impulsu. Spowodowane to jest rozpoczęciem kreślenia podstawy czasu w momencie, kiedy

przebieg mierzony już trwa. Aby temu przeciwdziałać, stosuje się przesyłanie sygnału

mierzonego do oscyloskopu za pomocą linii opóźniającej, zaś impuls wyzwalający

doprowadzany jest do układu wyzwalającego bezpośrednio, za pomocą możliwie

najkrótszego kabla. Jako linię opóźniającą najczęściej wykorzystuje się długi odcinek

kabla koncentrycznego. Długość kabla dobiera się tak, aby impuls wyzwalający przychodził

na wejście układu synchronizacji o kilka dziesiątych s wcześniej.

4. Zjawiska zachodzące w czasie przyspieszania i odchylania strumienia elektronów w

lampie.

Zasada pracy wysokonapięciowej lampy oscyloskopowej jest taka sama jak lampy

konwencjonalnej [1]. Różnica sprowadza się do wysokości napięcia przyspieszającego (do 24

kV) i budowy układu odchylającego. Z punktu widzenia techniki pomiarów

wysokonapięciowych interesująca jest szczególnie czułość odchylania w funkcji

napięcia przyspieszającego.

Prędkość v uzyskana przez elektrony w polu wytworzonym przez różnicę potencjałów U, jest

określona wzorem:

U

m

e

v

2

( 1 )

gdzie: m – masa elektronu

e – ładunek elektronu (1,6 10-19 C)

U - napięcie

Dla napięć przyspieszających do 10 kV masa elektronu może być przyjęta jako równana

masie spoczynkowej ( m0=9,108 10-28 g ). Wobec tego:

]

/

[

10

93

.

5

7

s

cm

U

v

( 2 )

Przy wyższych napięciach należy uwzględnić relatywistyczny przyrost masy elektronu wg

wzoru Einsteina:

2

0

1

c

v

m

m

( 3 )

gdzie: c – prędkość światła w próżni.

Pod działaniem różnicy potencjałów pomiędzy katodą a anodą A3 elektrony osiągają

prędkość v2 , którą można wyznaczyć z równania:

dt

dm

v

dt

dv

m

mv

dt

d

K

e

2

2

2

)

(

( 4 )

gdzie: K – natężenie pola przyspieszającego elektrony.

Po przebyciu drogi x prędkość elektronów wynosi:

x

v

v

dm

v

dv

v

m

U

e

K

e

0

2

2

0

)

(

( 5 )

Zakładając, że v0=0 oraz obliczając ze wzoru ( 3 )

3

2

2

2

0

1

c

v

c

dv

v

m

dm

( 6 )

Otrzymuje się:

0

2

0

2

2

1

1

m

U

e

c

m

U

e

v

( 7 )

Lub w przybliżeniu, uwzględniając że

1

2

0

c

m

U

e

0

2

2

m

U

e

v

( 8 )

Rys. 1.

Strumień elektronów, przechodząc pomiędzy płytkami układu odchylającego zostaje

dodatkowo poddany działaniu istniejącego tam pola poprzecznego. W rezultacie, po

opuszczeniu obszaru płytek odchylających, elektrony z prędkością

y

v

v

v

2

poruszają się

po linii prostej aż do zderzenia z luminoforem ekranu. Należy zaznaczyć, że pominięte tu

zostały zjawiska zachodzące pod wpływem niejednorodności pola na krawędziach płytek

odchylających.

Prędkość poprzeczną vy u wylotu płyt odchylających można wyznaczyć z zależności:

dt

dv

m

a

U

e

y

P

( 9 )

Zakładając, że pole odchylające działające na elektrony tylko w czasie przelotu między

płytkami i czas przelotu t1

2

1

1

v

l

t

( 10 )

otrzymuje się prędkość poprzeczną vy

2

1

v

l

a

U

m

e

v

P

y

( 11 )

Odchylenie strumienia elektronów u wylotu płytek wynosi:

2

1

y

v

t

y

( 12 )

a odchylenie na ekranie

U

U

a

l

l

h

P

2

1

2

1

( 13 )

Czułość lampy wynosi zatem

U

a

l

l

U

h

k

P

2

2

1

( 14 )

Ze wzoru ( 14 ) wynika, że czułość lampy jest odwrotnie proporcjonalna do napięcia

przyspieszającego, natomiast wprost zależy od długości płyt odchylających i od długości

całej lampy. Zwiększenie długości płyt odchylających prowadzi do zwiększenia szkodliwej

pojemności między nimi i nie jest stosowane tylko do granicy możliwości utrzymania

skupionego strumienia elektronów. Zachodzi bowiem zjawisko wzajemnego odpychania się

elektronów wewnątrz wiązki w trakcie długiego przelotu od katody do ekranu. W rezultacie

czułość wysokonapięciowych lamp oscyloskopowych nie przekracza zwykle 0,1 mm/V.

5. Zniekształcenie obrazu przez lampę oscyloskopową.

Istotną rolę w prawidłowym odtwarzaniu bardzo szybkich zmian napięcia mierzonego

odkrywają:

- impedancja systemu odchylającego

- czas przelotu elektronów między płytkami

W przypadku uwzględnienia pojemności płytek C, indukcyjności L i rezystancji źródła R,

schemat zastępczy obwodu odchylania będzie miał postać jak na rys. 2.

Rys. 2.

Jeżeli dopuści się przerost odpowiedzi tego układu w wysokości 4%, to w obwód płytek

pomiarowych należy włączyć rezystancję

C

L

R

2

( 15 )

Czas odpowiedzi w takim przypadku będzie wynosił:

3

10

15

,

1

C

R

T

ao

[ ns ] ( 16 )

dla R [ ] i C [ pF ]

Ze wzorów ( 14 ) i ( 16 ) wynika, że próba zwiększania czułości lampy poprzez zmniejszanie

odległości płytek lub ich wydłużenie ( co powoduje zwiększenie ich pojemności C ) prowadzi

do pogorszenia wierności odtwarzania przebiegów.

Jak wynika ze wzoru ( 10 ), prędkość przelotu elektronów w strefie działania pola

odchylającego posiada skończoną wartość. Jest więc możliwa taka sytuacja, że sygnał

doprowadzony do płytek odchylających trwa krócej, niż czas przelotu między nimi.

Np. przy czasie przelotu tP=2ns i napięciu o częstotliwości 500MHz, w czasie pokonywania

połowy drogi między płytkami elektrony strumienia będą odchylane w jedną stronę, a w

pozostałym czasie w drugą. W rezultacie strumień elektronów opuści obszar płytek bez

zmiany kierunku. Widać więc, ze czułość lampy zależy wyraźnie od stosunku czasu przelotu

tP do okresu napięcia mierzonego ( rys. 3.).

tP/T [%] T=1/f

Rys. 3.

Czas przelotu wpływa nie tylko na czułość lampy, ale i na prawidłowość odtwarzania czoła

impulsu ( rys. 4 ).

Rys. 4.

Niech w czasie t=t

0

do płytek zostanie przyłożony impuls prostokątny. Jeżeli wziąć pod

uwagę dwa elektrony: e

1

opuszczający obszar płytek i e

2

wchodzący między płytki, to okaże

się, że elektron e

1

nie zostanie odchylony i po czasie tpe ( czas przelotu płytki –

ekran ) osiągnie ekran na określonej osi odciętych ( osi czasu). Natomiast elektron e

2

zostanie

odchylony normalnie. Wszystkie elektrony "pośrednie" zawierające się w czasie t

P

będą miały

różne odchylenia, zależne od miejsca przebywania w momencie odpowiadającym czasowi t

0

.

W ten sposób sygnał badany zmniejszy swoją stromość. Na to zjawisko nakłada się jeszcze

rozpatrywany wpływ pojemności płytek i indukcyjności doprowadzeń. Tym samym

sumaryczna odpowiedź lampy na impuls prostokątny będzie mieć stromość zmniejszoną o

czas odpowiedzi, który jest wielkością charakterystyczną dla lampy pracującej w danych

warunkach ( napięcie zasilania, układy współpracujące) .

Przy badaniu udarów o dużych stromościach wpływ czasu przelotu może mieć istotne

znaczenie. Z tego też powodu wprowadzono w konstrukcji lamp przeznaczonych do

rejestracji szybkich przebiegów szereg rozwiązań konstrukcyjnych mających na celu

właściwe odtwarzanie stromych impulsów.

Najważniejsze z nich to:

- zwiększenie napięcia anodowego ( przyspieszającego )

- wprowadzenie systemu odchylania z falą bieżącą ( rys. 5. ).

wejściowy zacisk

współosiowy balon lampy

Rys. 5.

Rozwiązanie pierwsze jest najprostsze, ale silnie zmniejsza czułość lampy i utrudnia

ogniskowanie ( pole przyspieszające wpływa na kształt soczewek elektrostatycznych).

Dodatkowo, przy napięciach większych od 24 kV prędkość elektronów

jest wystarczająco duża, aby w momencie zderzenia z ekranem powstało

promieniowanie

rentgenowskie. Zwiększanie napięcia przyspieszającego nie jest wiec

stosowane w nowoczesnych lampach.

Rozwiązanie drugie polega na zastosowaniu zamiast jednolitych płytek

odchylających - linii opóźniającej, wykonanej w postaci łańcucha ogniw L i C,

gdzie C to pojemności szeregu małych płytek odchylających, lub też linii

opóźniającej o stałych rozłożonych.

W przypadku pierwszym poszczególne płytki połączone są

indukcyjnościami L tworząc w ten sposób linie opóźniającą, której parametry są tak

dobrane, aby prędkość rozchodzenia się impulsu wzdłuż linii była równa

prędkości elektronów poruszających się pomiędzy płytkami w kierunku ekranu.

Na odchylany elektron działa przez cały czas przelotu w obszarze odchylania siła poprzeczna

odpowiadająca tej samej wartości chwilowej mierzonego sygnału ( nie występuje zjawisko

zilustrowane na rys.4 ). Przy dostatecznie dużej ilości odcinków linii opóźniającej, nie ma

praktycznie żadnych ograniczeń w szybkości narastania mierzonego udaru. Czułość tego

rodzaju lamp wynosi ok. l mm/V przy przenoszonych częstotliwościach do 1000 MHz i

impedancji falowej ok. 100 - 125 . Dalsze rozszerzenie pasma pomiarowego uzyskuje się

przez zastosowanie systemu odchylającego o stałych rozłożonych. W tym przypadku osiąga

się pasmo do 3 GHz, co odpowiada czasowi narastania T = 0,l ns.

6. Elementy oscylografów wysokonapięciowych.

Badany sygnał z dzielnika napięcia przesyłany jest do oscylografu kablem pomiarowym

o impedancji falowej Z. Kabel dla uniknięcia odbić na końcu jest zamknięty rezystorem

R = Z. Izolacja stosowanych kabli pozwala na przesyłanie nimi impulsów do 2 kV. Tak duże

impulsy są bardziej odporne na zniekształcający wpływ zakłóceń, wystarczają również do

bezpośredniego wysterowania lampy oscylograficznej. Niezbędne dopasowanie do czułości

lampy można uzyskać podając napięcie na płytki odchylające z odczepów rezystora R,

zamykającego kabel doprowadzający.

Oscylograf przygotowany do zapisu przebiegu, znajduje się w stanie "wyczekiwania", tzn.

promienie są wygaszone i podstawy czasu unieruchomione. Zapis powinien rozpocząć się na

moment przed dotarciem sygnału mierzonego do płyt odchylających.

Dokonuje się tego doprowadzając do wejścia wyzwalającego impuls z anteny lub układu

komenderującego iskiernikami generatora udarowego.

W pierwszym przypadku umieszcza się antenę w pobliżu źródła napięć udarowych. W czasie

formowania udaru w antenie indukuje się impuls napięciowy, który zostaje krótkim kablem

przesłany do oscylografu. Stosując układ komenderujący, należy połączyć go bezpośrednio z

oscylografem za pomocą kabla.

Po wyzwoleniu, układ generatora podstawy czasu wytwarza impuls napięciowy o liniowo

narastającej wartości i stałych czasowych dobieranych skokowo przełącznikiem. Impuls ten

służy do jednorazowego przesunięcia promienia po ekranie w osi poziomej, od lewej strony

do prawej. Jednocześnie, generator podstawy czasu wysyła impuls rozjaśniający, trwający

przez cały czas odchylania plamki w osi x. Ze względu na występującą niekiedy konieczność

zastosowania

logarytmicznej

skali

czasu,

generator

może

wytwarzać

również

impulsy

o

napięciu

narastającym

logarytmicznie.

W celu umożliwienia pomiaru odcinków czasu, oscylograf jest wyposażony w generator

znaczników czasu ( są to krótkie impulsy szpilkowe lub trójkątne, powtarzające się ze znaną

częstotliwością ). Również w osi y ( wejście pomiarowe ) zastosowano

skalowanie,

wyposażając

oscylograf

w

układ

kalibratora

amplitudy

(

źródło

napięcia

o

znanej,

skokowo

zmienianej

wartości

).

Możliwy

jest także pomiar napięcia przesuwającego oś czasu w górę lub w dół.

Do rejestrowania przebiegów kreślonych na ekranie, stosuje się rejestrowanie za pomocą

fotograficznych materiałów światło czułych. Jest to szczególnie ważne przy badaniu zjawisk

jednorazowych,

kiedy

rejestracja

i

analiza

wizualna

gołym

okiem

jest zbyt powolna dla szybko znikającego obrazu.

Wygodniejsze w użyciu są oscylografy z pamięcią analogową, zbudowane w oparciu o lampy

oscylograficzne z emisją wtórną. Najnowszym urządzeniem w dziedzinie obserwacji

przebiegów Jednorazowych jest oscylograf cyfrowy, w którym sygnał wejściowy za pomocą

szybkich przetworników analogowo-cyfrowych jest zamieniany na postać cyfrową i w tej

formie jest przechowywany w pamięci, lub jest przetwarzany wg zadanego programu. Sygnał

wejściowy oraz wyniki jego obróbki mogą być na bieżąco wyświetlane na ekranie monitora

lub zapisane na dysku w celu przechowania. Zespół przetworników A-C wraz z układami

towarzyszącymi może być wykonany jako samodzielne urządzenie z monitorem lub jako t z

w. karta pomiarowa, służąca do wbudowania do komputera, a mierzone przebiegi mogą, być

obserwowane na ekranie monitora lub wydrukowane na drukarce. Ten sposób wykonywania

pomiarów Jest szczególnie wygodny i efektywny, pomimo że dostępne przetworniki A-C pod

względem szybkości jeszcze nie dorównują w pełni najszybszym oscylografom analogowym

z lampa.

7. Przebieg ćwiczenia.

1. Zapoznać się z modelowym układem oscylografu.

2. Zaobserwować wpływ wielkości napięcia przyspieszającego na czułość lampy, jasność

obrazu i ostrość kreślonej linii.

3. Zapoznać się z oscylografem OW-6

4. Zmierzyć napięcie przyspieszające U oraz czułość lampy w obu systemach ( lampa

dwustrumieniowa ) za pomocą. wbudowanego kalibratora.

5. Na podstawie pomiarów dokonać następujących obliczeń:

a) obliczyć długość 1. płytek odchylających, zakładając że

odległość a miedzy nimi wynosi 7 mm, długość całej lampy wynosi

400 mm, odległość płytek od ekranu l = 250 mm.

b) obliczyć prędkość z jaką elektrony uderzają w ekran, zakładając

że napięcie przyspieszające działa równomiernie na całej

długości lampy.

c) obliczyć czas przelotu elektronu w obszarze działania płytek

odchylających i max. częstotliwość przenoszenia (- 3 dB).