O tubo catódico (figura E.10)

Figura E.10: esquema interno do tubo catódico.

O canhão de electrões

Chama-se canhão de electrões ao conjunto de elementos que permite obter um feixe de electrões a grande velocidade. Este comporta:

a)

um filamento F aquecido por uma tensão alterna ou contínua geralmente de 2.5 ou 6.3 volts.

b)

um cátodo C, de forma cilíndrica, colocado em torno do filamento e emitindo electrões por efeito termo iónico.

c)

o cilindro de Wehnelt W, chamado correntemente Wehnelt, que é a grelha de comando do tubo e que regula a intensidade do feixe de electrões. A sua tensão em relação ao càtodo é de cerca de -50 a -120 volts.

d)

um eléctrodo de concentração ${\rm A}_1$. Este tem o papel de uma lente electrostática e produz a focalização do feixe de electrões no ecrã fluorescente E. A sua tensão em relação ao càtodo é de cerca de +30 a +1000 volts.

e)

um eléctrodo de acelaração ${\rm A}_2$ que dá aos electrões uma grande velocidade. A sua tensão em relação ao càtodo é de +600 a +3000 volts.

As placas de desvio

a)

um par de placas horizontais ${\rm Y}_1$ e ${\rm Y}_2$ produzindo o desvio vertical do spot luminoso quando é estabelecido um campo eléctrico entre elas.

b)

um par de placas verticais ${\rm X}_1$ e ${\rm X}_2$, produzindo o desvio horizontal do spot luminoso quando um campo eléctrico existe entre elas.

Um eléctrodo de pós-acelaração ${\rm A}_3$

A presença deste eléctrodo é dispensável. Tem a forma de um anel mais ou menos largo constituido geralmente por uma camada condutora na face interna do tubo catódico. Aplicada uma diferença de potencial de alguns milhares de volts (5000 a 30000) ele aumenta o brilho do spot através do aumento da energia cinética dos electrões.

O ecrã de observação

A face anterior do tubo de vidro está coberta de uma matéria que se torna luminosa quando recebe o choque de electrões a alta velocidade. O impacto no ecrã do feixe de electrões traduz-se assim por um ponto luminoso (spot).

Montagem prática. Proteção

O tubo catódico é revestido de uma camisa de protecção magnética em $\mu$ metal destinada a reduzir ao máximo a influência dos campos magnéticos exteriores e inclusivé do campo terrestre. Em aparelhos antigos o tubo catódico encontra-se protegido por uma camada de vidro espesso e transparente de modo a proteger o utilizador dos riscos de implosão do tubo.

O circuito de varrimento

O varrimento normal

O varrimento normal destina-se a produzir uma tensão que aplicada entre as placas ${\rm X}_1$ e ${\rm X}_2$ provoca o desvio horizontal do spot luminoso proporcional ao tempo sob todo o ecrã E. Esta tensão deverá portanto variar linearmente em função do tempo e cair a zero num tempo muito curto: é o que se chama uma tensão em ``dentes de serra''. O circuito que produz esta tensão chama-se base de tempo.

O varrimento desencadeado

Em muitas aplicações, e em especial no estudo dos fenómenos transitórios não periódicos, é necessário dispôr de um dispositivo tal que o varrimento seja desencadeado pelo fenómeno a observar. Em geral o sinal a observar é injectado no circuito de base de tempo de modo a desencadear o varrimento do ecrã. O tempo entre a chegada do impulso e o varrimento pode ser regulável assim como o nível de sensibilidade a partir do qual o varrimento será efectuado.

Varrimento 50 Hz

A maioria dos osciloscópios possui um dispositivo de varrimento sinusoidal com a frequência da tensão de alimentação 50 Hz que é uma frequência de referência que serve para observar figuras de Lissajoux.

Varrimento exterior

Neste caso pode-se eliminar todo e qualquer circuito de varrimento interno e controlar o varrimento atraves de uma tensão externa.

Os amplificadores

A presença de amplificadores nos circuitos de varrimento horizontal e vertical é indispensável na maior parte dos casos de modo a tornar a tensão de controle do tubo o mais independente possível do circuito a observar. As característica em frequência destes amplificadores dão ao osciloscópio a sua banda passante que pode ir entre 20 MHz e o GHz. As diferenças de fase introduzidas por estes amplificadores devem ser muito pequenas de modo a que as medidas sejam o mais fiéis possiveis.

Os circuitos de sincronização

Sincronização interna

A sincronização interna permite obter uma ``relação temporal constante'' entre o sinal a observar e o circuito de varrimento de modo a poder obter uma figura estável no ecrã e permitir a observação e medida de amplitudes, tempos, diferenças de fase, etc...

Sincronização 50 Hz

Este dispositivo permite controlar o varrimento independentemente da tensão a observar, a partir da frequência do sector de alimentação 220V.

Sincronização externa

A frequência de um sinal exterior pode ser também usada para sincronizar o sinal a observar.

Circuito de alimentação

O circuito de alimentação do osciloscópio permite obter um número de tensões variadas, entre alguns volts para os circuitos electrónicos de base de tempo e sincronização, e até alguns milhares de volt para a alimentação do tubo catódico e das placas de acelaração.

Os comandos dum osciloscópio

Interruptor ON/OFF

Permite ligar o aparelho que demorará alguns segundos a aquecer o filamento do tubo catódico.

Potênciometro de luminosidade

Este potênciometro permite controlar a intensidade luminosa do spot.

Potênciometro X

Permite agir sobre as placas ``X'' e regular o spot no sentido horizontal.

Potênciometro Y

Permite agir sobre as placas ``Y'' e regular o spot no sentido vertical.

Potênciometro ``Focus''

Este potênciometro permite realizar a focalização do feixe de electrões no ecrã de observação.

Varrimento e sincronização

Esta parte do osciloscópio comporta em geral:

a)

um comutador que permite escolher o modo de varrimento: interno, desencadeado, 50 Hz, externo e o modo de sincronização: interno, 50 Hz, externo

b)

para a base de tempo interna um comutador de gama de frequências, um potênciometro permitindo uma variação contínua da frequência no interior de cada gama e um potênciometro para o controle da amplitude horizontal do varrimento.

c)

para o varrimento externo: um potênciometro de comando do ganho do amplificador horizontal (se ele existe).

d)

para a sincronização (interna ou externa): um potênciometro de controle da taxa de sincronização.

Amplificador vertical

a)

um comutador de modificação do ganho

b)

um potênciometro de variação precisa do ganho no interior de uma gama de ganho.

c)

um comutador AC/DC/GROUND permitindo calibrar o amplificador em posição GROUND, visualizar todo o sinal em posição DC e sómente a sua componente alterna em posição AC.

Dispositivos complementares

Outros osciloscópios mais sofisticados poderão comportar dispositivos mais específicos segundo a função a que se destinam. Entre outros podemos ter:

1. calibração em tensão possível através de uma fonte de tensão interna muito estável.

2. varrimento monotraço que permite desencadear um varrimento à escolha do utilizador cada vez que este carrega num botão.

3. dois canais de visualização simultânea. Hoje em dia quase todos os osciloscópios são bicanal nos quais é usado um comutador electrónico que permite aplicar ao amplificador vertical uma ou outra das tensões a visualizar. A comutação faz-se a alta velocidade de forma que o utilizador não se aperceba. Os osciloscópios com dois canhões de electrões no mesmo tubo catódico são muito raros hoje em dia devido ao seu custo elevado.

4. hoje em dia existem osciloscópios completamente digitais que permitem uma manipulação do sinal observado seja na memória para obter zooms, sobreposições, impressões em papel, espectros, etc...

5. é tambem possível em alguns osciloscópios modular a intensidade do spot aplicando no Wehnelt uma tensão entre 10 e 50 volts.