2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE PROF. SMJEROVI Vjeˇzba 6. VREMENSKE BAZE. TIRATRON. ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE Z.1 ZADACI 1. Vremenska baza s tiratronom a) Snimite shemu sklopa, uoˇcite bitne dijelove i posebno ih oznaˇcite. Spojite otpornu i kondenzatorsku dekadu na odgovaraju´ce izvode sklopa. Prikljuˇcite napon grijanja i anodni napon od 300 V iz stabiliziranog izvora. b) Mjerenjem istosmjernih napona odredite ulogu preklopnika u krugu katode tiratrona, te njegove poloˇzaje u sluˇcaju samostalne odnosno nesamostalne (okidne) vremenske baze. c) Ostvarite samostalnu vremensku bazu. Snimite pomo´cu osciloskopa oblike napona na pojedinim dijelovima sklopa, te uoˇcite promjene koje nastaju promjenom vremenske konstante RC, kao i promjenom anodnog napona (220 − 320 V). Kakvi se impulsi dobivaju na pojedinim izlaznim izvodima i u koju bi se svrhu mogli upotrijebiti? d) Ostvarite nesamostalnu (okidnu) vremensku bazu. Objasnite njen rad. Kakva je uloga dijela sklopa s diodom? Kojim se sve elementima sklopa moˇze utjecati na oblik izlaznog napona? VREMENSKE BAZE Ako se katodnim osciloskopom ˇzeli snimiti ili vidjeti oblik nekog vala (periodiˇckog ili neperiodiˇckog karaktera), na horizontalni otklonski sistem katodne cijevi treba biti prikljuˇcen napon koji se mijenja linearno s vremenom. Poznavanje brzine kojom snop prelazi preko zastora cijevi pod utjecajem napona na horizontalnom otklonskom sistemu, omogu´cuje kalibraciju horizontalne koordinatne osi na zastoru u jedinicama vremena. Zbog toga se napon za pomicanje snopa preko zastora naziva vremenskom bazom. Osnovni oblik napona vremenske baze je linearni porast izmedu dvije vrijednosti napona (sl.1), koje odgovaraju poˇcetnom i Slika 1. krajnjem poloˇzaju svjetle mrlje na zastoru, te nagli povrat na poˇcetnu vrijednost. Zbog svog oblika taj se napon ˇcesto naziva i pilasti napon. Oblik ovog napona pri povratku na poˇcetnu vrijednost je od manjeg znaˇcaja, jer se obiˇcno u tom intervalu snop u katodnoj cijevi ’gasi’ pomo´cu negativnog impulsa na Wehneltovom cilindru. Linearni porast napona nije medutim jedini oblik napona vremenske baze. U katodnoj cijevi s magnetskim otklonom se za otklon snopa jednolikom brzinom koristi linearni porast struje kroz zavojnicu, kod radara je vremeska baza kruˇzna, spiralna ili rotiraju´ca radijalna. Kad se katodnim osciloskopom promatra neka pojava, koja se ponavlja u jednakim ili nejednakim razmacima, potrebno je da poˇcetak vremenske baze odgovara uvijek jednoj te istoj toˇcki promatrane pojave. Ako je to ispunjeno, onda ´ce se krivulje – koje opisuje snop po zastoru katodne cijevi i koje odgovaraju pojedinim pojavama – nalaziti uvijek u istom poloˇzaju, tako da ´ce se na zastoru vidjeti mirna slika. Ako se promatra neka periodiˇcka pojava, vremenska baza moˇze biti samostalna, samo joj frekvencija mora biti sinhronizirana s frekvencijom ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 2 promatranog signala, tj. mora biti ispunjen uvjet: fsignal = nfbaze (1) gdje je n cijeli broj. Pod samostalnom vremenskom bazom podrazumijeva se periodiˇcki oblik vala, kojemu se frekvencija moˇze mijenjati u relativno uskim granicama pod utjecajem signala, dok u odsustvu signala ima svoju vlastitu repeticionu frekvenciju. Ako se medutim osciloskopom promatraju neperiodiˇcke pojave, onda se samostalnom vremenskom bazom ne moˇze posti´ci mirna slika na zastoru, jer nailaˇzenje signala na vertikalni otklonski sistem nije uskladeno s horizontalnom vremenskom bazom. Zbog toga ´ce signal biti svaki put na drugom mjestu zastora katodne cijevi. Mirna slika moˇze se dobiti tako, da se umjesto samostalne vremenske baze upotrijebi nesamostalna, tj. ona koja ne oscilira slobodno, nego svaki put kad naide signal za promatranje uˇcini samo jedan impuls trokutnog oblika i nakon toga ˇceka nailazak sljede´ceg signala (sl.2). Okidanje sklopa za vremensku Slika 2. bazu moˇze se vrˇsiti ili samim signalom (nakon eventualnog pojaˇcavanja) ili nekim drugim impulsom, koji je povezan (sinhroniziran) vremenski sa signalom. Ako se okidanje vrˇsi samim signalom, moglo bi se dogoditi da vremenska baza poˇcne neˇsto kasnije od signala i da se zbog toga izgubi poˇcetni dio signala. Taj se nedostatak izbjegava provodenjem promatranog signala preko dobro izvedene linije za kaˇsnjenje, tako da se signal dovede na vertikalni otklonski sistem s odredenim kaˇsnjenjem prema vremenskoj bazi. ˇ VJEZBA 6. 1.1 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 3 Samostalne vremenske baze U mnogim se vremenskim bazama, za dobivanje napona koji linearno raste koristi nabijanje kondenzatora iz izvora konstantnog napona preko serijski spojenog otpora. Kad je napon na kondenzatoru dosegao odredenu vrijednost, zatvara se prekidaˇc, koji je spojen paralelno kondenzatoru i kondenzator se izbije do poˇcetne vrijednosti napona (sl.3). Slika 3. Porast napona na kondenzatoru ´ce i´ci prema zakonu: ¡ ¢ VC = V0 1 − e−t/RC (2) ako u ˇcasu t = 0 kondenzator nije bio nabijen. Ako se na krivulji porasta napona Slika 4. Nabijanje kondenzatora C kroz otpor R. odaberu dvije vrijednosti, V1 i V2 kao poˇcetna i zavrˇsna vrijednost, onda ´ce period vremenske baze biti jednako: t2 − t1 = T = RC ln V0 − V1 , V0 − V2 (3) a amplituda V = V2 − V1 . (4) ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 4 Iz izraza za T moˇze se vidjeti, ˇsto ´ce sve utjecati na trajanje vremenske baze T (odnosno na frekvenciju, ako se radi o samostalnoj vremenskoj bazi): to ´ce u prvom redu biti vremenska konstanta RC, zatim napon baterije V0 , te konaˇcno poˇcetna i konaˇcna vrijednost napona V1 i V2 . Za razliku od ostalih faktora, promjena vrijednosti V1 i V2 imat ´ce kao posljedicu i promjenu amplitude. No porast napona na kondenzatoru nije linearan, jer se kondenzator ne nabija konstantnom strujom; konstantan napon izvora V0 i linearnost serijski spojenog otpora su uzrok te pojave. Kao mjera za odstupanje vremenske baze od idealnog oblika moˇze se uzeti relativna razlika u nagibu krivulje na poˇcetku i na kraju: µ ¶ µ ¶ dV dV − dt t=t1 dt t=t2 ¶ µ . (5) ε1 = dV dt t=t1 Za napon, koji raste po eksponencljalnom zakonu bit ´ce: ε1 = 1 − e−(t2 −t1 )/RC (6) ˇsto znaˇci da ´ce odstupanje od odealnog oblika po ovoj definiciji biti to manje ˇsto je (t2 − t1 )/RC manji. Drugu mogu´cnost za ocjenu linearnosti vremenske baze predstavlja maksimalna razlika izmedu stvarnog i idealnog napona, reducirana na maksimalnu vrijednost (sl.5): [V1 (t) − V2 (t)]max ε2 = . (7) V1 (t)max Slika 5. ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 5 Najjednostavniji sklop vremeske baze dobiva se koriˇstenjem tinjalice. Napon na kondenzatoru moˇze rasti samo do vrijednosti napona proboja tinjalice, jer tada dolazi do naglog izbijanja kondenzatora i naglog sniˇzavanja napona na njemu (sl.6). Izboj u plinu prestaje kad struja tinjalice padne ispod minimalne vrijed- Slika 6. nosti potrebne za podrˇzavanje izboja. Tome odgovara otvoreni prekidaˇc i nabijanje kondenzatora ponovno poˇcinje. Amplituda oscilacija je odredena naponom proboja Vpr i naponom gaˇsenja Vgˇs tinjalice, a trajanje vremenske baze odgovara izvedenom izrazu za T . Otpor R spojen u seriju mora biti dovoljno velike vrijednosti da se ne moˇze podrˇzavati stalni izboj u tinjalici. Vremenska baza s tinjalicom moˇze imati frekvencije do nekoliko tisu´ca Hz, a danas se praktiˇcki viˇse ne upotrebljava u vremenskim bazama osciloskopa. 1.2 Samostalna vremenska baza s tiratronom Bolje karakteristike i ˇsire mogu´cnosti rada ima vremenska baza s tiratronom kao elementom koji sluˇzi za izbijanje kondenzatora u odredenim vremenskim intervalima. I u ovom sluˇcaju napon na kondenzatoru moˇze rasti dok ne dosegne vrijednost napona proboja (sl.7), koja odgovara odabranom prednaponu reˇsetke (startna karakteristika tiratrona). Nakon proboja dolazi do naglog izbijanja kondenzatora kroz tiratron, koje traje sve dok napon na kondenzatoru ne padne ispod minimalne vrijednosti napona luka, odnosno struja izbijanja ispod minimalne vrijednosti potrebne za podrˇzavanje izboja. Otpor spojen u seriju s tiratronom sluˇzi za ograniˇcavanje maksimalne i srednje vrijednosti struje tiratrona. Sliˇcna ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 6 Slika 7. je i uloga otpora spojenog u seriju s reˇsetkom. Nakon ˇsto je doˇslo do prekida struje kroz tiratron, poˇcinje ponovno nabijanje kondenzatora. Promjena frekvencije oscilacija vrˇsi se promjenom vrijednosti elemenata koji odreduju vremensku konstantu porasta napona (R i C). U principu je mogu´ce mijenjati frekvenciju i promjenom napona Vab , te promjenom napona proboja (preko prednapona reˇsetke), ali se time mijenja i amplituda oscilacija. Minimalna vrijednost otpora R mora biti barem tolika da se sprijeˇci podrˇzavanje stalnog izboja u cijevi. Za primjenu sluˇze tiratroni posebne izvedbe s kratkim vremenom deionizacije, pa maksimalna frekvencija moˇze i´ci i preko 100 kHz. 1.3 Nesamostalna vremenska baza s tiratronom Samostalna vremenska baza s tiratronom moˇze se dodavanjem diode pretvoriti u nesamostalnu. Dioda se prikljuˇcuje anodom na zajedniˇcku toˇcku otpora R i kondenzatora C, a katoda diode se spaja na neki pozitivni napon V1 ˇcija vrijednost se moˇze mijenjati (sl.8). Ako je napon V1 viˇsi od napona proboja tiratrona, anoda diode ne´ce mo´ci postati pozitivnija od katode, pa se sklop ponaˇsa kao samostalna vremenska baza. No ako napon V1 postane niˇzi od napona proboja tiratrona, dioda ´ce poˇceti voditi struju ˇcim napon na kondenzatoru C tokom svog eksponencijalnog porasta dosegne vrijednost V1 . Kondenzatoru C je sada gornja ploˇca spojena preko relativno malenog unutraˇsnjeg otpora diode na toˇcku stalnog potencijala V1 . Budu´ci da zbog toga ni anodni napon tiratrona viˇse ne raste, ne´ce do´ci ni do proboja, te napon na kondenzatoru stoji na vrijednosti V1 , sve dok ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 7 Slika 8. neki vanjski uzrok ne poremeti stabilnost sklopa (po tom svojstvu nesamostalna vremenska baza sliˇci monostabilnom multivibratoru). Kao vanjski poticaj moˇze posluˇziti pozitivni impuls koje se dovodi na reˇsetku tiratrona. Njegova minimalna vrijednost bit ´ce ona koja ´ce smanjiti potrebni napon proboja tiratrona (prema startnoj karakteristici tiratrona) ispod vrijednosti V1 . U tom ˇcasu dolazi do proboja tiratrona i kondenzator C se izbije vrlo brzo sve do napona kod kojeg dolazi do prekida struje i gaˇsenja tiratrona. Nakon toga slijedi ponovno nabijanje kondenzatora (po eksponencijalnom zakonu) do napona V1 , a kad je ta vrijednost postignuta dioda ponovo poˇcinje voditi struju i sklop je ponovno u stabilnom stanju u kojem ˇceka slijede´ci poticaj. 1.4 Trioda s uˇ zarenom katodom - tiratron Prisustvo malih koliˇcina plina u triodi ne mijenja bitno karakteristike cijevi, jer reˇsetka i dalje upravlja strujom prostornog naboja, a malen broj pozitivnih iona u meduelektrodnom prostoru ne mijenja znatno raspodjelu potencijala. Utjecaj plina se javlja uglavnom u struji reˇsetke, jer pozitivni ioni dijelom dolaze na reˇsetku i osim direktnog doprinosa struji, mogu prouzrokovati i sekundarnu emisiju elektrona. Struja pozitivnih iona, medutim, nije jedina komponenta struje reˇsetke, nego njih ima viˇse. U prvom redu treba spomenuti elektronsku struju, jer neki elektroni, koji su sa katode izaˇsli s dovoljno velikim poˇcetnim brzinama, mogu savladati usporavaju´ce polje negativne reˇsetke i dospjeti do nje. Smjer te struje smatra se, u analogiji s anodnom strujom, pozitivnim, pa ´ce ionska struja prema tome biti negativna. Elektroni mogu i odlazi ti sa reˇsetke i to ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 8 zbog sekundarne, termiˇcke i fotoemisije; smjer te struje je negativan. Osim ovih komponenata, koje saˇcinjavaju nabijene ˇcestice ili dolaze´ci ili odlaze´ci s reˇsetke, postoji i komponenta reˇsetkine struje kroz izolaciju izmedu reˇsetke i ostalih elektroda. Ako je potencijal reˇsetke niˇzi od potencijala ostalih elektroda u cijevi, ta ´ce komponenta reˇsetkine struje biti negativna. Vrlo male koliˇcine plina u triodi obiˇcno ne ometaju rad cijevi osim u posebnim sluˇcajevima, kada sklop oko cijevi zahtijeva da u reˇsetkinom krugu bude spojen otpor vrlo visoke vrijednosti (npr. 1012 Ω i viˇse). U takvim se sluˇcajevima upotrebljavaju i posebno konstruirane elektrometarske cijevi, u kojima je briˇzljivom konstrukcijom i dobro odabranim radnim uvjetima mogu´ce smanjiti struju reˇsetke na vrijednosti ˇcak ispod 10−14 A. Poviˇsenje tlaka plina u inaˇce visokovakuumskoj triodi ima kao posljedicu najprije neutralizaciju negativnog prostornog naboja, a zatim bitnu promjenu karakteristika cijevi, jer u cijevi dolazi do proboja i nastajanja jednog od mogu´cih oblika izboja u plinu. Reˇsetka nakon toga viˇse ne upravlja strujom cijevi, i ona se ponaˇsa kao dioda, a struju odreduje u prvom redu vanjski krug. Zbog potpuno drugih uvjeta i naˇcina rada trioda punjena plinom - tiratron - po konstrukciji se znatno razlikuje od visokovakuumske triode. Katoda je oksidna i za nju vrijede ista razmatranja kao i za katode u diodi punjenoj plinom. Tako dugo dok u tiratronu nije joˇs doˇslo do proboja, struja i reˇsetke i anode je vrlo malena. Ionizacija u plinu postoji, samo taj proces nije dovoljno intenzivan da bi moglo do´ci do proboja. Pove´cavanjem anodnog napona ili smanjivanjem negativnog prednapona reˇsetke postiˇze se porast reˇsetkine i anodno struje; to ide sve do neke kritiˇcne kombinacije vrijednosti napona reˇsetke i anodnog napona, kod koje dolazi do proboja u cijevi i nastajanja luˇcnog izboja. Kad bi reˇsetka bila motana na sliˇcan naˇcin kao i u visokovakuumskoj triodi, do proboja bi najprije doˇslo na onom dijelu reˇsetke gdje je struja najve´ca, jer ´ce tamo i ioniziacija biti intenzivnija; ostali dijelovi reˇsetke za sam proboj nisu vaˇzni. Zbog toga reˇsetka tiratrona moˇze biti naˇcinjena mnogo jednostavnije; najvaˇznije je, da njep oblik bude, takav, da do proboja moˇze do´ci samo jednim jedinim odredenim putem izmedu katode i anode. Na sl.9 prikazan je presjek tipiˇcnog tiratrona. Vidi se da reˇsetka potpuno okruˇzuje i katodu i anodu, tako da do proboja dolazi jedino putem kroz centralni otvor u dijafragmi. Trenutak proboja odreduju i napon reˇsetke i anodni napon, i parovi vrijednosti tih dviju veliˇcina, koji odgovaraju proboju u tiratronu, ˇcine startnu karakteristiku tiratrona. Startna karakteristika moˇze biti negativna ili ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 9 Slika 9. pozitivna, ve´c prema tome da li do proboja dolazi kod negativnih ili pozitivnih vrijednosti napona reˇsetke (sl.10). U tiratronu s pozitivnom startnom karakter- Slika 10. istikom reˇsetka ima ve´ci utjecaj na proboj, ˇsto znaˇci da bolje odjeljuje katodu od anode; konstruktivno je izvedena kao na sl.9, samo ˇsto je jedna dijafragma s ve´cim otovorm nadomjeˇstena s nekoliko dijafragmi, od kojih svaka ima viˇse otvora malog promjera. Nakon ˇsto je u tiratronu doˇslo do proboja i naokn ˇsto je nastao luˇcni izboj, ˇ reˇsetka gubi mogu´cnost kontrole anodne struje. Citav meduelektrodni prostor osim uskog sloja tik uz katodu ispunjava plazma i reˇsetka se ponaˇsa kao sonda u pozitivnom stupu tinjavog izboja. Ako je njen potencijal niˇzi od potencijala plazme, a to praktiˇcki znaˇci niˇzi od potencijala anode, reˇsetka ´ce biti okruˇzena slojem pozitivnog prostornog naboja, koji je potpuno odjeljuje od plazme i tako ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 10 spreˇcava njen utjecaj na procese u izboju. Veliˇcinu anodne struje odreduje krug, u kojem se tiratron nalazi: ako je napon izvora mnogo viˇsi od napona luka na tiratronu, moˇze se tiratron smatrati kratkim spojem, a struja izraˇcunati pomo´cu, ostalih elemenata kruga. Tako dugo dok je potencijal reˇsetke dosta niˇzi od potencijala plazme, na reˇsetku ´ce dolaziti samo pozitivni ioni i ta struja zbog malene pokretljivosti iona ne´ce biti velika. Sniˇzenje potencijala reˇsetke imat ´ce kao posljedicu pove´canje debljine sloja pozitivnih iona, popra´ceno manjim pove´canjem struje zbog eventualnog pove´canja povrˇsine graniˇcne plohe izmedu plazme i sloja prostornog naboja. Ako se potencijal reˇsetke povisi toliko da se pribliˇzi vrijednosti potencijala plazme, ili postane ˇcak pozitivniji od nje, struju reˇsetke ´ce saˇcinjavati elektroni, no zbog mnogo ve´ce pokkretljivosti elektrona bit ´ce ta struja mnogo ve´ca. Tako velika struja nije poˇzeljna, pa se zato u seriju s reˇsetkom ukljuˇcuje dovoljno velik otpor, koji predstavlja element za ograniˇcenje jakosti reˇsetkine struje. Iz ovog se razmatranja vidi da nakon nastajanja luˇcnog izboja reˇsetka gubi sposobnost upravljanja anodnom strujom. Jedino u sluˇcaju kada su otvori u reˇsetci maleni, mogu´ce je velikim negativnim naponima posti´ci prekid anodne struje. No taj proces ne odgovara prekidanju anodne struje u visokovakuumskoj triodi, gdje se je to postizavalo uspostavljanjem negativnog gradijenta potencijala uz katodu, nego proˇsirivanjem sloja pozitivnog prostornog naboja oko reˇsetke. Ako je negativni napon dovoljno velik, moˇze do´ci do prekrivanja ˇcitavog otvora u reˇsetci podruˇcjem u kojem postoje samo pozitivni ioni, ˇsto ima za posljedicu prekidanje anodne struje i gaˇsenje izboja. Inaˇce je za prekidanje anodne struje potrebno sniziti anodni napon ispod vrijednosti napona luka. Brzinu reagiranja tiratrona odredjuju vrijeme ionizacije i vrijeme deionizacije. Vrijeme ionizacije je onaj vremenski interval koji je potreban da nakon prijelaza startne karakteristike slijeva u desno dode do formiranja plazme, a anodna struja dosegne stacionarnu vrijednost odredenu vanjskim krugom. Vrijeme ionizacije se kre´ce obiˇcno u intervalu vrijednosti od nekoliko desetinki mikrosekunde do nekoliko mikrosekundi, a ovisi o konstrukciji tiratrona i vanjskom krugu. Vrijeme deionizacije je ˇcesto vaˇzniji podatak, a definira se kao vremenski interval potreban da nakon uklanjanja anodnog napona reˇsetka ponovno stekne sposobnost odredivanja trenutka proboja. Vrijeme deionizacije se kre´ce od nekoliko mikrosekundi sve do nekoliko stotina mikrosekundi, a ovisi o brzini kojom pozitivni ioni difundiraju iz meduelektrodnog prostora. Vrijeme deionizacije ´ce biti ˇ VJEZBA 6. 2429. PRAKTIKUM IZ OSNOVA ELEKTRONIKE 11 kra´ce u tiratronima s pozitivnom startnom karakteristikom; vrlo kratka vremena deionizacije postiˇzu se tiratronima punjenim vodikom zbog ve´ce pokretljivosti vodikovih iona (protona) u usporedbi s teˇzim ionima ˇzive ili plemenitih plinova. Kao i za diode punjene plinom i za tiratron su vaˇzni podaci: maksimalna srednja vrijednost anodne struje, maksimalna vrˇsna vrijednost anodne struje i maksimalni dozvoljeni inverzni napon. Osim ovih podataka navodi se ˇcesto i maksimalni anodni napon u provodnom smjeru prije nego dode do proboja titratrona. Taj je napon ograniˇcen mogu´cnoˇs´cu nastajanja tinjavog izboja izmedu reˇsetke s velikim negativnim prednaponom i anode sa visokim pozitivnim naponom.
© Copyright 2024 Paperzz
