POLITECHNIKA CZ
STOCHOWSKA
Elementy oscylografu
Laboratorium Miernictwa wysokonapięciowego.
Wysokich Napięć
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 z
ródło 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 opóz
nienie 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 opóz
niającej, zaś impuls wyzwalający
doprowadzany jest do układu wyzwalającego bezpośrednio, za pomocą możliwie
najkrótszego kabla. Jako linię opóz
niającą 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:
e
v 2 U
m
( 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:
v 5.93 107 U [cm/ s]
( 2 )
Przy wyższych napięciach należy uwzględnić relatywistyczny przyrost masy elektronu wg
wzoru Einsteina:
m0
m
2
v
1
c
( 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:
d dv2 dm
Ke (mv2 ) m v2
dt dt dt
( 4 )
gdzie: K  natężenie pola przyspieszającego elektrony.
Po przebyciu drogi x prędkość elektronów wynosi:
v2
x
e K eU (m v dv v2 dm)
0 v0
( 5 )
Zakładając, że v0=0 oraz obliczając ze wzoru ( 3 )
m0 v dv
dm
3
v2
c2 1
c2
( 6 )
Otrzymuje się:
1 2eU
v2
e U
m0
1
m0 c2
( 7 )
eU
1
m0 c2
Lub w przybliżeniu, uwzględniając że
2eU
v2
m0
( 8 )
Rys. 1.
Strumień elektronów, przechodząc pomiędzy płytkami układu odchylającego zostaje
dodatkowo poddany działaniu istniejącego tam pola poprzecznego. W rezultacie, po
v v2 vy
opuszczeniu obszaru płytek odchylających, elektrony z prędkością
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:
dvy
U
P
e m
a dt
( 9 )
Zakładając, że pole odchylające działające na elektrony tylko w czasie przelotu między
płytkami i czas przelotu t1
l1
t1
v2
( 10 )
otrzymuje się prędkość poprzeczną vy
e U l1
P
vy
m a v2
( 11 )
Odchylenie strumienia elektronów u wylotu płytek wynosi:
vy
y t1
2
( 12 )
a odchylenie na ekranie
1 l1 l2 UP
h
2 a U
( 13 )
Czułość lampy wynosi zatem
h l1 l2
k
U 2aU
P
( 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 z
ródła 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
2L
R
C
( 15 )
Czas odpowiedzi w takim przypadku będzie wynosił:
3
Tao 1,15 R C 10
[ 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 wyraz
nie 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=t0 do płytek zostanie przyłożony impuls prostokątny. Jeżeli wziąć pod
uwagę dwa elektrony: e1 opuszczający obszar płytek i e2 wchodzący między płytki, to okaże
się, że elektron e1 nie zostanie odchylony i po czasie tpe ( czas przelotu płytki 
ekran ) osiągnie ekran na określonej osi odciętych ( osi czasu). Natomiast elektron e2 zostanie
odchylony normalnie. Wszystkie elektrony "pośrednie" zawierające się w czasie tP będą miały
różne odchylenia, zależne od miejsca przebywania w momencie odpowiadającym czasowi t0 .
W ten sposób sygnał badany zmniejszy swoją stromość. Na to zjawisko nakłada się jeszcze
rozpatrywany wpływ pojemności płytek i indukcyjności doprowadzeń. Tym samym
sumaryczna odpowiedz
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 opóz
niającej, wykonanej w postaci łańcucha ogniw L i C,
gdzie C to pojemności szeregu małych płytek odchylających, lub też linii
opóz
niającej o stałych rozłożonych.
W przypadku pierwszym poszczególne płytki połączone są
indukcyjnościami L tworząc w ten sposób linie opóz
niającą, 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 opóz
niającej, 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 z
ródła 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
( z
ródło 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).