El oscilógrafo de rayo catóclico

Por E. RODRÍGUEZ MATA

La gran extensión que han adquirido en los últimos años las redes a altas y altísimas tensiones, de una parte, y el dominio de frecuencias, cada vez mayores, en la técnica de teletransmisión, de otra, han impuesto desde hace tiempo la necesidad de conocer con la mayor exactitud posible la forma de multitud de ondas, y, por consiguiente, de sus causas, que, a veces involuntarias—ondas errantes producidas por tormentas u otras causas de sobretensión—, a veces voluntarias—ondas moduladas en radiotelefonía—, existen en los dos sistemas al principio mencionados y que no podían registrar los oscilógrafos de tipo electromagnético conocidos.

Es cierto que en lo que se refiere a las ondas de sobretensión existen ya aparatos, 'por ejemplo, el kUdonógrafo, que registran su amplitud máxima, y que el conocimiento de este dato es suficiente para el industrial que desea proteger sus redes y apara-

Beríin.'^"^®'^^^".diplomado de la Escuela Superior Técnica, de tos a ellas conectados de la mejor manera posible; pero el investigador, el constructor no debe ni puede contentarse con la adquisición de ese conocimiento, sino que ha de estudiar con el máximo rigor las distintas formas de ondas de sobretensión, pues sabido es que su frente puede tener una longitud de pocos centímetros, en cuyo caso el aislamiento de los apa- í ratos estará sometido con enorme rapidez a cam- i bios bruscos de tensión, o de centenares de metros, 3 y entonces el esfuerzo que sufre el aislamiento es de menor consideración

Ya en 1911, K W Wagner pudo estudiar la forma de algunas ondas de sobretensión, utiUzando el oscilógrafo electromagnético; pero sus estudios se limitaron a líneas artificiales, en las que se pueden variar las características a voluntad Lo que realmente interesa es conocer la forma de las ondas errantes en las líneas en explotación y el estudio de éste y otros muchos problemas se puede efectuar a conciencia solamente con el oscilógrafo de rayo catódico

En el oscilógrafo de rayo catódico se aprovecha la propiedad que tiene lo mismo el campo eléctrico que el magnético de desviar los rayos de su trayectoria, propiedad que se conoce desde el descubrimiento de éstos. La forma más sencilla del oscilógrafo será, tensión del cátodo incandescente y la del ánodo varían según la construcción Así, la Western construye sus tubos para una tensión de ánodo de 300 V., mientras que la casa Leybold's Nachf. emplea los 1.000 V según lo anterior, la del tubo de descarga (fig 1.")

Un tubo de vidrio en el que ha hecho el vacío, con dos electrodos: ánodo y cátodo; la corriente catódica se podría desviar por medio de una bobina recorrida por la corriente a medir, o por medio de un par de placas unidas a la tensión que se trata de ensayar, colocadas en las proximidades del tubo Desde luego, cualquiera de estas disposiciones producirían una desviación del rayo electrónico; pero no nos servirían más que para darnos una idea cualitativa del fenómeno, y no cuantitativa, que es lo que interesa, ya que cualquier variación de la distancia de la bobina o de las placas al tubo influiría en la intensidad del campo producido por ellas en el eje en que se mueve el dardo electrónico, y, en consecuencia, a desviaciones de distinta amplitud del rayo Voy a exponer en lo que sigue algunos tipos de oscilógrafo de rayo catódico

Tubo Braun

Es el empleado más generalmente para estudios de alta frecuencia entelefonía. En elinterior del tubo (fig. 2."^) se encuentra el cátodo incandescente y el ánodo de forma tubular, conel fin de diafragmar el haz de rayos formado por la corriente electrónica emitida por el cátodo y conseguir así una imagen puntual en la pantalla; existen además dos pares de placas ortogonales. El fondo de la parte ancha del tubo está embadurnado con una sustancia fluorescente bajo la acción del rayo catódico. El tubo se puede considerar dividido en dos partes: región o ÁNODO. CÁTODO.

PLACAS.

tubo de descarga, donde se produce la emisión electrónica (anodo-catodo) y región o tubo de desviación, o sea la parte comprendida entre el lugar que ocupan lasplacas de desviación hasta la pantalla. La

Encendido el filamento y puesto el ánodo a la tensión debida, se observa en la pantalla un punto móvil de luminosidad verde o azulada, según la sustancia fluorescente Si entonces se aplican a los dos pares de placas dos tensiones alternas, el punto describe las llamadas figuras de Lissajou, quepueden ser muy complicadas si las frecuencias de las dos tensiones difieren m.ucho entre sí El caso mássencillo se da cuando lasdos tensiones tienen la misma frecuencia Entonces la ecuación general de la figura de Lissajou es unaelipse Cuando el decalaje entre las dos tensiones es O ó 180°, la elipse se reduce a una recta Y si el decalaje es de 90 ó 270° los ejes de ia elipse coinciden con los de ordenadas La elipse se convierte en una circunferencia cuando las dos tensiones tienen la misma amplitud.

La observación de lasfiguras de Lissajou permite ver el grado de resonancia que hay entre dos circuitos, pero no da indicación ninguna sobre la forma de la curva. Para lograr que el punto luminoso describa la curva en la pantalla, es preciso hacer que un par de placas vaya desplazando aquél en la dirección de uno de los ejes, el de abcisas, por ejemplo. Así, el otro par de placas hará desviar el punto según las ordenadas, y si las desviaciones producidas por el segundo par son proporcionales al tiempo, se obtendrá exactamente la forma de la curva. Los dispositivos empleados para este fin han recibido el nombre de relés basculantes (Kipprelais).

Kammerloher describe un relé basculante muy sencillo, que permite la observación de fenómenos con repetición periódica, o los que pueden producirse a voluntad Hollmann amplía el campo de utilización de losrelés basculantes al registro de fenómenos no periódicos Empleando estos relés se puede fotografiar desde fuera la imagen proyectada en la pantalla, ya queincluso los fenómenos quetienen lugar solamente una vez, como son los de inserción o desconexión, se pueden repetir sincrónicamente de modo que siempre ocupen la misma posición en la pantalla

La frecuencia máxima que puede registrarse con el tubo de Braun es de unos 5.000 períodos por segundo Evidentemente, con este aparato no pueden registrarse las ondas errantes, de duración mucho menor de la que corresponde a uno de aquellos períodos Los primeros que se esforzaron en conseguir el registro de estas ondas fueron Dufour, en Francia, y Rogowski, Flegler y Tamm, por una parte, y Gabor, por otra, en Alemania, quienes iniciaron así con sus trabajos la segunda etapa del oscilógrafo de rayo catódico En 1925, Rogowski y sus colaboradores publicaron la primera fotografía de una onda errante, y tres meses después Gabor daba a la luz el resultado de sus estudios en el mismo sentido La única parte metálica de los oscilógrafos empleados por estos autores era la cámara fotográfica; el resto era de vidrio

Todos estos investigadores incluyen la cámara fotográfica en el oscilógrafo, teniendo en vencer grandes dificultades para lograr el gran vacío necesario, del orden de 1 a 2.10-^ mm de mercurio La cámara empleada por Rogowski es de fundición roja, procurando la hermeticidad por medio de dos cierres es- nómeno a registrar Las placas de desviación de tiempo (eje x) y del proceso a estudiar (eje y), se ajustan al tubo por tapones cónicos de cristal esmerilado, y llevan por su parte posterior unos listm- merilados. El accionamiento de las partes móviles de la cámara, como es, por ejemplo, el transporte de la película sensible, se hace electromagnéticamente desde fuera. Con este tipo de oscilógrafo, que no describiremos, lograron velocidades del rayo catódico de 1 a 10 km./seg., esto es, se pudieron registrar fenómenos de 1/100.000 a 1/1.000.000 de segundo de duración, entendiendo por velocidad de inscripción del rayo la velocidad con que éste marcha al impresionar la placa o película fotográfica.

Más tarde, Dufour obtuvo velocidades de inscripción de 10 a 100 km./seg., y Rogowski, Flegler y Tamm de hasta 10.000 km./seg., pero ésta solamente de un modo casual Estudiaron los medios de convertir lo casual en regular, y así se entró en el tercer estadio del oscilógrafo

En este tercer tipo de instrumento se conserva el tubo de descarga como en el segundo, es decir, de vidrio, constituyendo un pequeño tubo Braun, pero no con cátodo incandescente, sino frío En cambio, el tubo de desviación es de metal (véase fig 3.^) Está separado del tubo de descarga por un obturador de cortina, cuyo fin es evitar el ennegrecimiento de la placa fotográfica antes de que comience el fe-

Oscilograma de una onda errante de descarara de una línea de 30 m. a 150 y 100 kV., tomada con el oscilógrafo de la figura anterior í el cilios para que no se alabeen y conservar así campo entre ellas lo más homogéneo posible Sobre el tubo de descarga se coloca una bobina para concentrar los rayos y cuatro más pequeñas para centrar el rayo electrónico Pero como al pasar el obturador tiene lugar una nueva difusión de los rayos, Rogowski coloca sobre el tubo de desviación una segunda bobina de concentración

Así han podido Rogowski y sus colaboradores llevar directamente a las placas de desviación tensiones hasta de 70.000 V Sin embargo, el estudio de ciertos fenómenos, como, por ejemplo, la descarga de chispa en muy alta tensión, no lleva a resultados satisfactorios si no se puede observar el proceso a la tensión directa a que tiene lugar, ya que los divisores de tensión falsearían los resultados Para obviar este inconveniente, Binder ha construido recientemente un oscilógrafo completamente metálico, con un sistema de desviación que puede ponerse directamente a 200 kV En la figura 4." puede verse el aspecto exterior del instrumento, y en la 5." unas fotografías de una onda errante de descarga de una línea de 30 m de longitud a 150 y 100 kV., tomadas con él

Creo que será interesante dar a conocer el meca-

Esquema dela instalación necesaria para la inserción sistemática de los distintos circuitos del oscilógrafo nismo empleado por Rogowski para insertar en el orden debido los distintos circuitos del oscilógrafo

La figura 6.'' reproduce el esquema Al cerrar el pulsador E la corriente / suministrada por la batería B pasa por la bobina a que atrae a su núcleo unido al obturador, abriéndolo La corriente // pasa entonces por el contacto c-& que se estableció en la fase anterior por la bobina e y el contacto / a la batería Así se excitó el electroimán que rompe el circuito /, cerrando nuevamente el obturador Si el pulsador /c se dejara abierto, no se establecería el circuito // y se podría entonces observar la posición del rayo sobre la pantalla Para hacer que todo vuelva a la posición de reposo no hay más que cerrar el pulsador A, con lo cual se excita la bobina d, que contrarresta el efecto de la e. El contacto l (punzón contra mercurio, igual que el /) sirve para accionar un circuito auxiliar

Cualquiera que sea la clase de fenómeno a estudiar, periódico, provocado a voluntad o fortuitamente, el orden que ha de seguirse en las operaciones sobre el oscilógrafo será siempre el mismo: 1), excitación del tubo; 2), inserción de la desviación de tiempo; 3), inserción del proceso a estudiar; 4), desconexión del rayo. El esquema descrito anteriormen- te sirve únicamente para el estudio de procesos voluntarios Cuando se trata de fenómenos involuntarios ha empleado Norinder el relé que lleva su nombre, en el cual se aprovecha una parte de la onda que se trata de registrar para insertar los distintos circuitos de oscilógrafo; pero entonces ya no se puede emplear el obturador de cortina, que tiene una inercia demasiado gr-ande, sino que hay que procurar una desviación de los rayos en una cámara situada antes de la desviación propiamente dicha, lo cual se logra por procedimientos eléctricos, es decir, por un paiadicional de placas colocado entre la cámara de descarga y la de desviación

Los estudios reahzados hasta el día utiUzando el oscilógrafo de rayo catódico son tan numerosos y variados, que su sola enumeración llenaría varias páginas de esta Revista. El lector interesado en estos problemas encontrará una abundante bibUografía en el número 5 (noviembre de 1931) de la Revista de reciente pubUcación, titulada "Archiv für Technisches Messen" (ATM).