Versuch 13: Elektronenstrahloszilloskop

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1 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop Der Versuch vermiel eine Einführung in die Funkionsweise des Elekronensrahloszilloskops anhand der wichigsen Anwendungsmöglichkeien dieses in der Messechnik sehr vielseiig eingesezen Geräes. Als Beispiele werden zeilich periodische Spannungsverläufe regisrier, das Differenzier- und Inegrierverhalen von RC-Gliedern unersuch, die Kennlinie einer Diode aufgenommen und die Zeidauer kurzer Impulse besimm. Vorkennnisse Braunsche Röhre - Wirkung von elekrischen und magneischen Feldern auf bewege Ladungen (Lorenzkraf) - Sägezahnspannung - Synchronisierung - Triggerung - Schwingungen (Überlagerung) - Lissajous-Figuren - Parallel- und Serienschalung von Kondensaor und Widersand (Zeikonsane) - Halbleierdiode Physikalische Grundlagen Aufbau und Funkionsweise des Oszilloskops Im folgenden wird der Aufbau und die Funkion des Elekronensrahloszilloskops im Zusammenhang mi der Bedienung des im Versuch benuzen Geräes besprochen. Es handel sich um ein Zweikanalgerä von HAMEG (siehe Abbildung und Kurzanleiung, je nach Modell kann die Anordnung der Bedienelemene leich variieren, die Funkionen sind für alle Oszilloskope fas idenisch.). Zur weieren Informaion is es nowendig, die am Versuchsplaz ausliegende Beriebsanleiung zu lesen. 1

2 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop 2

3 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop 3 Das Srahlerzeugungssysem Das Herzsück des Oszilloskops is die Kahodensrahlröhre (Braunsche Röhre - hier in der Aufsich zu sehen). Das nebensehende Bild zeig das Schema des Srahlenerzeugungssysems. Die Elekronenquelle is die Kahode K. Durch eine Glühwendel wird ein mi Barium- und Sroniumoxiden beschicheer Zylinder auf ca K erhiz, so dass Elekronen emiier werden können (Glühemission). Koaxial zur Kahode sind vier zylindrische Elekroden angebrach, die Schuzschirme mi runden Öffnungen enhalen. Die Elekrode G 1 (Wehnel-Zylinder) lieg auf einem Poenial, das 5 bis 20 V niedriger is als die Kahodenspannung. Dadurch enseh ein elekrisches Feld, das die Elekronen zur Kahode zurück- und in die Mie zusammendräng. Durch Verändern dieser Spannung kann die Anzahl der Elekronen, die durch die Öffnung in G 1 hindurch reen, beschränk und die Inensiä des Srahles geregel werden. Die Elekrode G 2 is mi A 2 verbunden und beide liegen auf einer Spannung U 2 von einigen hunder bis ausend Vol gegen K. Das sich ergebende elekrische Feld beschleunig die Elekronen längs der Röhrenachse. Die Spannung U 1 zwischen der Elekrode A 1 und K is geringer als U 2. Die sich zwischen G 2 und A 1 und zwischen A 1 und A 2 ergebenden elekrischen Felder dienen der Srahlfokussierung. Die durch G 1 in verschiedene Richungen ausreenden Elekronen werden somi zu einem schmalen parallelen Srahl zusammengeführ, dessen Durchmesser haupsächlich durch den Durchmesser der Öffnung von G 1 besimm wird. Die richige Fokussierung beruh im wesenlichen auf einer geeigneen Wahl von U 1 und U 2, wobei das Verhälnis U 1 /U 2 einen besimmen Wer ha. Das Ablenksysem Nach dem Verlassen des Erzeugungssysems geh der Elekronensrahl zwischen zwei Paaren von Ablenkplaen hindurch. Das Anlegen einer Spannung an irgendeines dieser beiden Plaenpaare erzeug ein ransversales elekrisches Feld, das den Srahl in Richung der Plaen ablenk. Schließlich fäll der Elekronensrahl mi großer Geschwindigkei auf einen mi einer fluoreszierenden Schich bedecken Leuchschirm. Zur Vermeidung elekrosaischer Aufladung des Schirms is hiner der Leuchschich noch eine Meallschich aufgedampf, die auf posiivem Poenial lieg und zur Ableiung der Elekronen nach ihrer Abbremsung dien. In der Mehrzahl der Anwendungen wird das Elekronensrahloszilloskop zur Darsellung zeilicher Spannungsverläufe U() verwende. Die folgende Abbildung zeig ein Blockschalbild des Oszilloskops.

4 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop 4 U() wird an die y-plaen (Ver. Inpu I oder II) geleg. Die Versärkung kann in Sufen (großer Knopf Ampl. I oder II) und fein (kleiner Knopf) geregel werden. Die beschrifee Kalibrierung gil nur bei eingeraseem Feinregler. Zur Darsellung der Funkion U() auf dem Leuchschirm wird der Elekronensrahl außerdem gleichzeizeiig in x-richung von einer mi der Zei linear anseigenden Spannung (Sägezahnspannung) abgelenk, die von einem eingebauen Zeiablenkgeneraor geliefer wird. DC Y-Versärker Y-Eingang C GD AC INT Triggereingang X-Eingang EXT DC C AC GD Sägezahngeneraor X-Versärker X-Y - Berieb Nach Durchlaufen einer Bildbreie wird diese Spannung sehr rasch auf U max gesenk, so dass der Leuchpunk in die Ausgangslage zurückkehr; anschließend folg wieder der linear anseigende Teil, d. h., an den x-plaen lieg eine sog. Sägezahnspannung, deren Kippfrequenz grob (kalibrier, Timebase) und fein (nich kalibrier, Variable) geregel werden kann. Die Kalibrierung gil nur, wenn der Knopf Variable auf Cal gesell is. Hierbei kann mi dem Schaler Trig. I/II gewähl werden, welcher der Eingänge Ver. Inpu I oder II den Zeiablenkgeneraor auslösen soll. Um den Signalverlauf genau berachen zu können, muss das Bild sehen, d. h. der Sar der x-ablenkung muss immer an ein und demselben Signalpunk erfolgen ( Triggern ). Dies geschieh enweder, indem man von außen eine geeignee Fremdspannung an die Buchse Trig Ex leg, ewa einen mi dem Beginn des zu regisrierenden Vorgangs zusammenfallenden Spannungsimpuls, der den Sägezahngeneraor ansöß, oder man verwende das y-signal selbs dazu (der HAMEG 203 biee dazu mehrere Varianen, siehe Kurzbeschreibung). Dabei kann die Triggerung durch zeilich anseigende oder abfallende Spannungen bewirk werden (Tase +/ ). Dami der Ablenkvorgang sare, muss ein besimmer Spannungswer U s überschrien werden, der mi dem Regler Level einsellbar is. Im gebräuchlichsen Berieb benuz man die auomaische Triggerung (Schaler AT/Norm). Im x-y-berieb müssen die Signale über die beiden y-eingänge zugeführ werden. Die am rechen Eingang (Hor. Inp.) liegende Spannung bewirk dann die Horizonalablenkung, sofern die Tase X-Y gedrück is. Wechsel- und Gleichspannungsberiebsar Das Oszilloskop eigne sich auch zur Darsellung von Wechselspannungen, die einer Gleichspannung überlager sind. Seh der Schaler AC/DC auf Sellung AC (alernaing curren: Wechselsrom), so wird die zu regisrierende Spannung über einen in Reihe geschaleen Kondensaor C 0 an den y-versärker gegeben. Die Gleichspannung wird dadurch unerdrück und nur die überlagere Wechselspannung wird auf dem Bildschirm sichbar. Im Berieb DC (direc curren: Gleichsrom) is der Kondensaor überbrück, die gesame Spannung wird versärk und das

5 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop 5 Bild auf dem Schirm is daher um die der Gleichspannung ensprechende konsane Ablenkung nach oben (+) oder unen ( ) verschoben. Bei allen Messungen muss beache werden, dass die Abschirmung der BNC-Eingangsbuchsen des Oszilloskops mi der Geräemasse und dami mi dem Schuzleier verbunden sind. Experimen Vorbereiende Aufgaben Wie sieh das U()-Diagramm an den x-plaen aus und wie läß sich dieser Spannungsverlauf mi einfachen Mieln (z. B. RC-Glied mi Glimmlampe) echnisch realisieren? Wie berechne sich hierbei die Ablenkzei? Ein scharf gebündeler Elekronensrahl durchläuf ein beschleunigendes elekrisches Feld E 1 (Abbildung nächse Seie). Die Elekronen verlassen den Raum zwischen den Plaen A und B mi der Geschwindigkei v 0, wenn die Geschwindigkei der von der Wendel W emiieren Elekronen vernachlässigbar klein angenommen wird. Wie groß is v 0, wenn der Absand zwischen A und B gleich l is? (Hinweis: Man benuze den Energiesaz.) Danach reen die Elekronen in das Feld des Plaenkondensaors C ein (Spannung an den Plaen U, Absand der Plaen r, Breie des elekrischen Feldes d). Nach freiem Flug durch die Srecke e reffen sie auf einen Leuchschirm. Die Ablenkung des Leuchflecks Y soll in Abhängigkei von der Spannung U berechne werden. Das unen sehende Zahlenbeispiel is einzusezen. Wovon häng die maximale Frequenz (d.h. die minimale Ablenkzei an den x-plaen) ab? Zahlenbeispiel: E 1 = U/2 V/cm l = 1cm W E 1 r r = 1cm d = 10 cm A B e = 30 cm -U/2 Y = 5cm l e d Y Versuchsaufgaben Es is darauf zu achen, dass die Masse des Oszilloskops (schwarze Anschlüsse) immer mi der Masse des Generaors (ebenfalls schwarz) verbunden wird! 1. Auswirkungen der Tasen +/ und Level Mi Hilfe des Sinusgeneraors unersuche man bei geriggerem Berieb die Wirkung der Tase +/ und des Reglers Level. Die Beobachungen sind im Prookoll zu skizzieren und kurz zu diskuieren!

6 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop 6 2. Wechsel- und Gleichspannungberiebsar An einen der y-eingänge des Oszilloskops wird eine mi einer Gleichspannung überlagere Recheckspannung (ν 1 khz) geleg. Die x-ablenkung soll der inerne Zeiablenkgeneraor besorgen. Dazu das Signal an einen Eingang geben und ensprechende Triggerung wählen. Die Tase A/Norm auf A sellen. Generaor U w Gleichsromnezgerä Ug U Eing. Osko Dann am Drehknopf Timebase eine geeignee Kippfrequenz einsellen, bis man ein sehendes Bild erhäl. Man skizziere und erkläre die Oszilloskopbilder bei den Sellungen AC und DC. Beim Berieb Dc zeig der Schirm die Spannung beim Berieb AC dagegen U = U gleich +U Recheck, U = U Recheck. Anschließend sind die Oszilloskopbilder für eine hohe ( 20 khz) und eine sehr niedrige ( 10 Hz) Wiederholungsfrequenz der Recheckspannung zu skizzieren, und zwar jeweils für DC- und AC- Berieb. Man erkläre die aufreenden Unerschiede! 3. Exerne Triggerung Bei diesem Versuchseil soll die exerne Triggerung anhand gedämpfer Schwingungen eines Parallelschwingkreises verdeulich werden. Eine Parallelschalung aus Kondensaor und Spule ergib ein schwingungsfähiges Sysem (Warum?). Nach dem Ansoß, z. B. durch kurzzeiiges Aufladen des Kondensaors, reen sinusförmige Schwingungen des Sromes und der Spannung auf. Generaor R B L R Ex. Triggerung C Bei Anwesenhei eines ohmschen Widersandes wird in diesem elekrische Energie in Joulesche Wärme umgewandel, so dass die Schwingungen gedämpf sind. Im Versuch wird der Parallelschwingkreis mi recheckigen Spannungsimpulsen angereg. Der dämpfende Widersand kann variier werden. Der Widersand R B is eingefüg, um die Belasung und dami die Dämpfung des schwingenden Kreises durch den niederohmigen Innenwidersand des Recheckgeneraors herabzusezen, d. h. abgesehen vom Ein- und Ausschalvorgang selbs kann der Schwingkreis als vom Generaor enkoppel angesehen werden. Man riggere die Spannungsverläufe am Kondensaor im Falle sarker Dämpfung zum Vergleich auch inern. Welche Schwierigkeien ergeben sich? Man beache: Ers durch die exerne Triggerung kann der Spannungsverlauf bequem gemessen werden und daraus die Frequenz der Schwingung ermiel werden. Man skizziere die Fälle kleine/große Dämpfung und ermile die Schwingungsfrequenzen. 4. RC-Differenzier- und Inegrierglieder Die Messung 2 ha bereis gezeig, dass Recheckimpulse beim Durchgang durch RC-Glieder verform werden können. Dies soll hier sysemaisch unersuch werden. An ein Serien-RC-Glied wird eine Recheckspannung U E geleg. Gefrag is nach dem zeilichen Verlauf von U R und U C. Es gil

7 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop 7 du E d = R di d + I C Für den einfachen Verlauf von U E is U E U du E d = 0 I = e /RC cons Mi der Anfangsbedingung I( = 0) = I 0 = U E /R ergib sich I = I 0 e /RC. Dieser Srom erzeug an R die Spannung U R und am Kondensaor C die Spannung U C U R = U E e /RC, U C = U E e /RC +cons Lezeres liefer wegen der Anfangsbedingung U C ( = 0) = 0: U C = U E (1 e /RC ) Die Größe RC nenn man Zeikonsane ; sie is gleich der Zei, in der die Spannung U R auf den 1/e-en Teil abgesunken is. Wird zur Zei 1 die Spannung U E kurzgeschlossen, so finde eine Enladung von C über R sa. Die Rechnung ergib: U R = U E e ( 1)/RC, U C = U E e ( 1)/RC RC ~ 1 RC<<1 RC >>1 U E 1 U E 1 U E 1 U R U R U R U C U C U C Die Spannungsverläufe sind in der Figur eingezeichne, wobei die Zeikonsane im ersen Fall in derselben Größenordnung wie die Impulsdauer 1 lieg. Von Ineresse sind noch die beiden Exremfälle RC 1 und RC 1, bei denen das RC-Glied als Differenzier- bzw. Inegrierglied wirk. Im Fall RC 1 erfolg die Aufladung des Kondensaors so schnell, dass an R nur kurze Spannungsspizen aufreen, die Differeniaion des Recheckimpulses. Formal folg aus RC U R U C und 1 U E = 1 C Id+IR 1 C Id wegen R 1 C

8 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop 8 I = C du E U R = R C du E d d Umgekehr sez im Fall RC 1 schon kurz nach Beginn der Aufladung wieder die Enladung des Kondensaors ein. Jez is die Spannung U C die Inegraion der Eingangsspannung. Formal folg aus RC 1 U C U R. Dami gil: U E I R und U C = 1 Id = 1 U E d C RC Für die Messung wird das RC-Glied des Käschens Phasenschieber verwende. Nach dem Anlegen der Recheckspannung des Generaors beobache man abwechselnd U R und U C am Oszilloskop (mi inernen Triggerung). Man schäze den maximalen Widersand des Poeniomeers ab, indem man aus dem Oszilloskopbild die Zeikonsane RC besimm. Man skizziere für die Fälle RC 1 RC 1 RC 1 das Oszillogramm an R und C und diskuiere den Verlauf. 5. Aufnahme der Kennlinie einer Halbleierdiode Diese Messung is ein Beispiel für den x-y-berieb. Als Kennlinie eines Bauelemenes bezeichne man die Funkion I(U). Sie läß sich mi dem Oszilloskop mi nebensehender Schalung sofor vollsändig aufzeichen. An die x-ablenkplaen wird bei exernem Berieb die Spannung U D gegeben, die mi der Frequenz 50Hz alle Were von 0 bis ±U 0 durchläuf. 230 V Y-Plaen U=RID R X-Plaen U D Der zugehörige Srom wird aufgezeichne, indem man mi Hilfe eines ohmschen Widersandes R eine dem Srom proporionale Spannung an die y-plaen leg. Nun läuf der Elekronensrahl 50-mal in der Sekunde die gesame Kennlinie durch, die als sehendes Bild auf dem Schirm erschein. Man überrage das Oszilloskopbild punkweise ins Prookoll. Um die Koordinaenachsen mi dem richigen Maßsab zu versehen, leg man die Spannungen U D bzw. U = R I D an den geeichen y-eingang und besimm die wahren Were (R is angegeben). Warum is die Kennlinie gespiegel? 6. Besimmung der Umlaufgeschwindigkei einer Raserscheibe Die Versuchseile 6. und 7. können nich gleichzeiig durchgeführ werden da die nowendigen Baugruppen nur einfach zur Verfügung sehen. Eine Gruppe beginn daher zweckmäßgerweise mi Versuchseil 6, die Andere mi Teil 7. Eine moorgeriebene Raserscheibe mi unregelmäßig angeordneen Schlizen wird von einer Lichschranke beleuche. Die Lichimpulse fallen dahiner auf ein Fooelemen und werden von einer kleinen Schalung in eine gu zu deekierende Spannung umgewandel. Das vom Fooelemen geliefere Signal wird an den y-versärker gegeben und die Zeiablenkung auf geeignee Zeidehnung eingesell. Für diese Messung wird die inerne Triggerung verwende.

9 Versuch 13: Elekronensrahloszilloskop 9 Man besimme die Impulslänge τ, die Moorfrequenz ν und berechne die Umlaufgeschwindigkei sowohl aus dem Bild eines Spales als auch aus dem Bild eines Umlaufes. Wie große sind die Fehler beider Mehoden und warum unerscheiden sie sich? 7. Darsellung von Lissajous-Figuren Durch die Verwendung beider Funkionsgeneraoren im x-y-berieb des Oszilloskops sollen Lissajous-Figuren dargesell werden. Dazu is eine sehr feine Einsellung der Frequenzen und Phasen der beiden Signale nowendig. Die Frequenzen können direk am Funkionsgeneraor eingesell werden. Die Einsellung der Phasen kann nur indirek erfolgen, indem für einen kurzen Momen die Frequenz eines der beiden Funkionsgeneraoren leich versimm wird. Dazu kann es bereis ausreichen den Frequenzregler leich zu berühren und einen kurzen Momen zu waren. Is die Einsellung einer fas ruhenden Lissajous-Figur bei kleinen oder großen Frequenzen einfacher? Wie groß muss die Frequenz in ewa sein, um ein eches Bild zu erhalen und nich nur einen leich zu verfolgenden Leuchpunk? Sellen Sie die unen abgebildeen Lissajous-Figuren (Frequenzverhälnisse 1:1, 1:2, 1:3; Phasendifferenzen 0 und π 2 ) auf dem Oszilloskop ein. Wie sehen die ensprechenden Figuren aus, wenn eine Dreiecks- oder Recheckspannung anselle des sinusförmigen Signals verwende wird? Skizzieren und diskuieren Sie die ensehenden Figuren im Prookoll. Diskuieren Sie auch welche Frequenzen verwende wurden und worin die Schwierigkeien beim Einsellen eines sehenden Bildes besehen.