Осцилограф
Зміст
Загальний опис (принцип дії)
Прилад використовують для демонстрування на екрані за допомогою запису світловим зайчиком кривих змінного і пульсуючого струму, демонстрування зсуву фаз, демонстрування струмів, модульованих мікрофоном. Осцилограф складається з підковоподібного постійного магніту, між полюсами якого розміщено котушку. Через круглий отвір кришки у котушки введено вібратор в ебонітовій запобіжній трубці. Пересуваючи котушку вздовж її горизонтальної осі, можна змінювати чутливість осцилографа. Пружина, встановлена між магнітом і каркасом катушки, забезпечує плавність руху котушки. Виводи котушки припаяні до двох клем. Вібратор складається з осі - тонкого сталевого дроту, на якій закріплена дзеркальце і невелика залізна пластина. Вісь затиснуто у гумових прикладках за допомогою гайки. Гумові прикладки повертають коливальну систему у вихідне положення і усувають власні коливання рухомої системи. Коливання зайчика помітні на екрані при мінімальному струмі 50-100 мА. Найбільший допустимий струм 300 мА. Для роботи неохідні точкове джерело світла, обертове дзеркало, лінзи та діафрагми. Світло за допомогою короткофокусної лінзи спрямовують на дзеркальце осцилографа. Відбившись від дзеркальця, пучок світла падає на обертове дзеркало і відбивається від нього на екран. Належної амплітуди зайчика добиваються, переміщуючи котушки і змінюючи струм у ній. Треба оберігати прилад від сильних поштовхів, не перевантажувати його значним струмом, зберігати його в упаковці.
Осцилограф шлейфовий' Прилад використовують для демонстрування зміни електричних величин з часом шляхом спостереження руху легких механічних систем. Прилад має електромагніт, між полюсами якого натягнуто довгу вузеньку петлю, виготовлену з тонкого дроту. Петлю змонтовано на вузенькій ебонітовій панелі, яка прикріплена гвинтами до штатива приладу. Кінці петлі притиснуті гвинтами, сполученими х кленами для вмикання струму в петлю приладу. Праворуч петля утримується на ролику, який можна за допомогою гвинта з гайкою плавно пересувати, змінюючи ти самим натяг обох дротин петлі. До серелини петлі прикріплено невелике дзеркальце. Петлю разом з дзеркальцем називають шлейфом. Якщо пропускати змінний струм уздовж шлейфа приладу,то внаслідок протилежних напрямів струму у витках шлейфа, дзеркальце коливатиметься навколо середньої лінії з частотою струму. Величина струму, що пропускається через шлейф, і напруженість магнітного поля між полюсами електромагнітів визначатимуть величину кута максимального відхилення дзеркальця.Для демонстрування коливань змінного струму слід використати проекційний ліхтар,обертове дзеркало і фокусуючу лінзу. Випускають також осцилограф, що мають не один, а два або декілька шлейфів, що дає можливість досліджувати одночасно два кола змінного струму, зсув фаз між струмом і напругою в колі зємністю і самоіндукцією тощо. Аналогові осцилографи Цей тип приладів є найбільш поширеним та дешевим. Складовими елементами такого осцилографу є: електронно-променева трубка, вхідний подільник, підсилювач вертикального відхилення, схема синхронізації та горизонтального відхилення, джерело живлення. У осцилографах застосовують трубки з електростатичним відхиленням, на відміну від телевізорів та моніторів, де використовується магнітне відхилення. Такі трубки складніші у виробництві але мають більш широкий діапазон частот.В кожний конкретний момент відхилення електронного променя та світлової плями на екрані, яку він утворює, пропорційне напрузі, яка прикладена до пластин вертикального відхилення. Напруга на пластинах горизонтального відхилення вимірюється лінійно, що забезпечує горизонтальну розгортку.
Історична довідка
Вперше прилад був створений французьким вченим Андре Блонделем в 1893 році. Це був власноруч збудований магнітоелектричний осцилограф з біфілярним підвісом. Цей прилад дозволяв реєструвати значення електричних величин, таких як інтенсивність змінних струмів, на рухомій стрічці записи за допомогою чорнильного маятника, приєднаного до котушки. По причині того, що при роботі використовувалися відразу декількох механічних пристроїв, перші осцилографи були не надто точними і мали дуже малу смугу пропускання, в діапазоні 10-19 кГц. По справжньому осцилографи еволюціонували з появою електронно-променевої трубки (CRT), яку винайшов в 1897 році німецький фізик Карл Браун. A.C. Cossor - британська компанія, яка першою в світі адаптувала цю технологію представила в 1932 році перший осцилограф на ЕПТ.
По закінченню Другої світової війни вимірювальні прилади, а з ними, відповідно, і осцилографи, розвивались у всіх частинах світу, але в першу чергу це було помітно в Європі та Америці. У 1946 році Говард Воллюм і Мелвін Джек Мердок заснували компанію Tektronix, яка з часом стала світовим лідером в осцилографії. У тому ж році Воллюм і Мердок винайшли свій перший осцилограф із так званою «чекаючою розгорткою» - вони використали цю технологію в Tektronix Model 511, яка мав смугу пропускання 10 мГц. Принцип дії цього приладу був заснований на використанні катодної електронно-променевої трубки. Чекаюча розгортка в осцилографі - це розгортка, яка спрацьовує тільки під час протікання спостережуваного електричного імпульсу.
У 1950-х роках практично у всіх технічно розвинених країнах стали виробляти ці прилади, завдяки чому осцилографи перетворилися в універсальний інструмент для вимірювань. Смуга пропускання і точність осцилографів стрімко збільшувалися, спочатку з появою перших промислових аналогових моделей.
У 80-х роках XX століття американська фірма LeCroy Corporation почала виробництво перших цифрових осцилографів. 1985 рік можна з упевненістю назвати однією з ключових точок в історії розвитку осцилографії. Саме цього року для дослідницького центру CERN був розроблений перший у світі цифровий запам'ятовуючий осцилограф. Створенням цього приладу керував Уолтер ЛеКрой (Walter LeCroy), засновник компанії LeCroy. Електронний осцилограф типу ЭО-6М. Осцилограф є вимірювальним приладом для дослідження періодичних процесів. Прилад дає можливість спостерігати: криві періоличних струмів, е.р.с., напруг, фігури Ліссажу, імпульси тривалість 0,5- 3000 мікросекунди і з частотою 200 гц-10кГц. Прилад має дві системи розгортанб: 1) очікувальну з чотирма діапазонами і 2) безперервну з 6 діапазонами. До складу приладу входять: 1) вхідний аенюатор;2) підсилювач верикального відхилення; 3) підсилювач синхронізації і горизонтального відхилення; 4) калібратор амплітуди;5)калібратор тривалості;6) електронно-променева трубка;7) блок живлення. Прилад живиться від сітки з напругою 220В.Працювати з апаратом без зовнішнього кожуха не можна, щоб уникнути ураження висовою напругою, яка підводиться до анодів трубки. Комплектування приладу перевіряють зовнішнім оглядом наявних деталей:комплекту електронних ламп(9шт.), сигнальних об'єктів (2шт.), шлагів для вмикання приладу до досліджуваних об'єктів(2шт.), шнура живлення, масштабних сіток(2шт.), знімної передньої кришки з градуйовочним графіком, додаткового запобіжника, пакувального ящика, паспорта і опису та інструкції користування.
Технічні характеристики
Характеристик у відповідності зі стандартами осцилограф характеризується наступними параметрами: робочою частиною екрану; мінімальної частотою проходження розгортки; товщиною ліній променя електронно-променевої трубки; допускаються сумарним значенням постійного і змінного напруг на входах; максимально допустимим значенням амплітуди досліджуваного сигналу; мінімальним значенням і мінімальної тривалістю досліджуваного сигналу, при якому забезпечується клас точності осцилографа; дрейфом нуля підсилювачів; запізненням початку розгортки щодо сигналу синхронізації (для осцилографів без лінії затримки); можливістю синхронізації (зовнішньої, внутрішньої); різницею фаз між каналами; наведеннями з каналу на канал; конструктивними характеристиками (маса, габарити, харчування, кліматичні умови і т. д.).
Аналогові осцилографи - найменша частота, за якої картинка ще читається, складає в середньому 10 Гц, хоча у разі застосування спеціальних електронно-променевих трубок вона може бути значно нижче. Верхня робоча частота визначається здебільшого характеристиками підсилювача вертикального відхилення та ємністю між відхиляючими пластинами.
В останній час з розвитком елементної бази аналогові осцилографи набули ряд важливих додаткових функцій та можливостей, наприклад курсори з цифровим відліком значень напруги та часу, мультиплексори для декількох каналів, завдяки яким є можливість створити розгортку з відображенням кількох каналів на однопроменевій трубці.
Сфера застосування
Поряд з мультиметром, осцилографи можна вважати найбільш поширеними контрольно-вимірювальними приладами в багатьох технічних галузях виробництва і наукових досліджень, або ж при вирішенні різних завдань поставлених перед користувачем. За своїм призначенням електроннопроменеві осцилографи можна розділити на універсальні, імпульсні,багатоканальні, запам'ятовувальні,стробоскопічні і т.д. осцилограф вібраторний ́ (рос. осциллограф вибраторный; англ. light-beam oscillograph, optical oscillograph, directwriting oscillograph) – те саме, що осцилограф ́ світлопроменевий. Осцилограф електроннопроменевий ́(рос.осциллограф электроннолучевой; англ.cathode-ray oscillograph) – прилад для спостереження і реєстрації функціонального зв'язку двох величин, виражених у формі електричних напруг або струмів. Найширше застосовується для дослідження процесів у часі. Осцилограф магнітоелектричний ́(рос. осциллограф магнитоэлектрический; англ. loop oscillograph) – те саме, що осцилограф світлопроменевий. Осцилограф світлопроменевий ́[осцилограф ́магнітоелектричний, осцилограф ́шлейфовий, осцилограф ́вібраторний ́ ] (рос. осциллограф светолучевой, осциллограф магнитоэлектрический, осциллограф шлейфовый, осциллограф вибраторный; англ. light-beam oscillograph, optical oscillograph, directwriting oscillograph, loop oscillograph,light-beam instrument) – осцилограф, у якому для спостереження (запису) вимірювань електричного струму (напруги) застосовується магнітоелектричний гальванометр у поєднанні з оптичною системою.Осцилограф шлейфовий (рос. осциллограф шлейфовый; англ. loop oscillograph) – те саме, що осцилограф світлопроменевий.
Фото, відео-матеріали
Список використаних джерел
1. Мамчур Дмитро. Осцилограф: історія і класифікація.
2. Каталог наочних приладів з фізики. За загольною редакцією Л.В. Черкашина
3. Фізичний тлумачний словник М.О. Вакуленко, О.В. Вакуленко ; с.393-394
4. Осцилограф
