АКТИВНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Индикатором называют электронный прибор, предназначенный для преобразования электрических сигналов в световые с пространственным распределением яркости или контраста.

В пассивных индикаторах под воздействием электрических сигналов изменяются локальные оптические характеристики среды, что позволяет изменять в пространстве и времени амплитуду, фазу, длину световой волны, плоскость поляризации и направление распространения волн.

Все типы индикаторов могут быть разбиты на две группы: активные и пассивные. В активных индикаторах происходит преобразование электрической энергии в световую в результате использования следующих физических явлений: свечения накаленных тел в вакууме, низковольтной катодолюминесценции (возбуждение твердого тела потоком быстрых частиц), свечения газового разряда, электролюминесценции. На основе этих явлений разработаны следующие типы активных индикаторов: электронно-лучевые, вакуумные накаливаемые, вакуумные люминесцентные, газоразрядные, полупроводниковые.

Различные типы индикаторов могут быть разбиты на следующие группы: знакомодулирующие, в которых сечение светового или электронного пучка повторяет форму знака; знакогенерирующие, в которых знаки синтезируются по принципу фигур Лиссажу; знакосинтезирующие, в которых изображение формируется с помощью мозаики независимо управляемых элементов-преобразователей сигнал-код. По характеру отображений информации индикаторы всех типов делятся на единичные (точечные), школьные, циф­ровые и буквенно-цифровые (одно- и многоразрядные), матричные и мнемонические (мнемосхемой называют условное изображение объектов, их состояния, процессов, явлений).

Индикаторы тлеющего разряда

Индикаторы тлеющего разряда потребляют малые мощности, имеют малую инерционность, просты по конструкции.

Простейший индикатор - неоновая лампа. Она состоит из баллона, наполненного неоном, с двумя впаянными в него электродами. Свечение прибора оранжево-красное. Если между электродами лампы приложено напряжение, равное напряжению возникновения разряда Uв.разр, то происходит разряд и в цепи скачком возникает ток.

Работу неоновой лампы определяют параметры: Uв.разр – напряжение возникновения разряда (не более 200В); Iраб – рабочий ток (не более 1мА).

Выпускаются индикаторные приборы, в которых представление светового сигнала осуществляется в знаковой форме в виде цифровых, буквенных или каких-либо других символов.

Газоразрядные (плазменные) панели (ГРП). Это многоэлектродные приборы, использующие оптическое излу­чение тлеющего разряда.

Общим конструктивным признаком для большинства ГРП является наличие двух ортогональных систем электродов (катодных и анодных), нанесенных или уложенных на стеклянных плоских или гофрированных пластинах, разделенных друг от друга диэлектрической пластиной с матричной системой отверстий, оси которых проходят через точку пересечения осей электродов (Рис.1). Полосковые электроды, как правило, прозрачны, чтобы не преп

Рис.1

ятствовать выходу ви­димого излучения разряда. Пространство между электро­дами заполняется либо чистыми инертными газами, либо смесью газов при давлении несколько сотен паскалей. Свечение отдельных частей тлеющего разряда, в основном обусловлено переходами возбуж­денных атомов в нижние энергетические состояния. Состав смеси газов подбирается таким образом, чтобы увеличить интенсивность процессов ионизации, возбуждения и реком­бинации. Спектр излучения тлеющего разряда в инертных газах лежит в инфракрасной, красной и ультрафиолетовой областях. Невидимое излучение используется для возбуждения люминофора. В настоящее время наилучшими характеристиками обладают следующие матричные газоразрядные индикатор­ные панели: постоянного тока, постоянного тока с самосканированием, переменного тока (высокочастотные).

---

Принцип работы ГРП заключается в следующем. При подаче достаточного для зажигания разряда напряжения между каким-либо катодом и анодом (100-200 В) в ячейке, т.е. в месте, где эти электроды “пересекаются”, возни­кает тлеющий разряд. При подаче по определенному зако­ну напряжения на несколько катодов и анодов можно с помощью точечного растра воспроизвести любую фигуру. Надежное и безошибочное включение многочисленных разрядных ячеек в соответствии с входными сигналами ин­дикации является сложной задачей в ГРП матричного типа. Для увеличения быстродействия и стабильности ис­пользуют вспомогательный разряд в каждой ячейке ГРП. Газоразрядные панели постоянного тока могут давать и многоцветное изображение. В этом случае на боковые или торцевые стенки ячеек наносят покрытия из люмино­форов, дающие свечение определенного цвета. Располагая рядом ячейки с покрытиями из люминофоров, дающих ос­новные цвета (синий, зеленый, красный), можно получать цветные изображения. Зажигание разряда в ячейках ГРП осуществляется по принципу развертки. В ГРП переменного тока для замены части изображения вводятся дополни­тельные электроды. В наиболее совершенных ГРП пере­менного и постоянного тока с автоматическим сдвигом благодаря возможности многострочной индикации можно резко сократить число элементов схемы управления.

Основные тенденции в развитии ГРП связаны с умень­шением числа схем возбуждения, возможностью интегрального исполнения части логики и изготовления высо­ковольтного блока возбуждения в одном керамическом корпусе с индикатором. Разрешающая способность ГРП переменного тока составляет 25-30 элементов/см и соот­ветствует расстоянию между точками 0,4-0,3 мм, а ГРП постоянного тока около 12 элементов/см.

Электровакуумные и электролюминесцентные индикаторы

К электровакуумным относятся электронно-лучевые приборы (ЭЛП), вакуумные накаливаемые и вакуумные люминесцентные индикаторы.

Электронно-лучевые индикаторы (ЭЛП). Основными достоинствами ЭЛП как индикаторов являются следующие: высокая светоотдача, хорошая передача цвета и полутонов, простота управления (адресации), широкая полоса пропускания, высокое быстродействие, хорошие разрешающая способность и контраст, стабиль­ность изображения и т.д. Помимо черно-белых разработаны и ис­пользуются ЭЛП с полицветной индикацией. Возможность реализации полицветных устройств является несомненным достоинством ЭЛП.

В качестве полицветных индикаторов могут использоваться обыч­ные цветные кинескопы. Однако цветные кинескопы с тремя прожек­торами сложны в изготовлении и настройке. Этих недостатков в зна­чительной мере лишен ЭЛП типа тринитрона, в котором реализован способ получения трех лучей с помощью одного прожектора. Три электронных потока, испускаемых тремя катодами, фокусируются пер­вой общей линзой таким образом, что они пересекаются в одной точке (первое скрещение). Боковые лучи после точки пересечения смещаются отклоняющей системой так, что все три луча без дальнейшей фокуси­ровки сходятся на люминофорном экране. Таким образом, первая большая линза осуществляет фокусировку лучей, а отклоняющее уст­ройство-сведение лучей. В тринитроне можно получить цветное изо­бражение примерно в 1,5 раза ярче, чем в обычном цветном кинескопе. Анодное напряжение при этом составляет 25-27 кВ, фокусирующее напряжение 5-6 кВ, ток луча 0,5 мА.

---

В настоящее время продолжаются работы по созданию плоских и совершенствованию проекционных ЭЛП. Основные параметры некоторых индикаторов будут приведены в конце лекции.

Вакуумные накаливаемые индикаторы. В вакуумных накаливаемых индикаторах (ВНИ) происходит нагрев те­ла до температуры (2-3) 10³ К электрическим током, что вызывает яркое свечение. Нагреваемое твердое тело раз­личной формы выполняется либо из вольфрама, рения, гафния (в виде нитей накала), либо на полупроводнико­вой основе (SiC).

Для обеспечения большей долговечности ВНИ эксплуатируются при пониженном напряжении накала, обес­печивая яркость до 5000-6000 кд/м². Такая яркость позволяет использовать ВНИ при высоком уровне окружающей освещенности. Параметрами ВНИ являются: номинальные напряжения составляют 2-5 В, время реакции 10 ^-4-10 ^–2 с, потребляемый ток 12-15 мА/сегмент (для сегментных ВНИ), потребляе­мая мощность не превышает 50-60 мВт/сегмент, угол об­зора более 90°, средний срок службы около 10⁵ ч. Промышленностью выпускаются в основном два типа ВНИ: собственно лампы накаливания и сегментные вакуумные накаливаемые индикаторы. Сегментные ВНИ имеют от че­тырех до десяти сегментов, что позволяет отображать цифры от 0 до 9, буквы русского и некоторые буквы латинского алфавитов.

Вакуумные люминесцентные индикаторы. В отличие от ЭЛП в вакуумных люминесцентных индикаторах (ВЛИ) используют низковольтную катодолюминесценцию, вызы­ваемую электронным потоком. Низковольтная катодолюминесценция возникает в люминофорах на проводящей основе, смешанных люминофорах и некоторых других. Для излучения различного цвета используют определенные составы люминофоров.

К

Рис.2

онструктивно ВЛИ выполняются в виде цилиндрических и плоских баллонов. Цилиндрические ВЛИ бывают одно- и многоразрядными, а плоские - только многоразрядными. Выпускаются также матричные, сегментные, аналоговые и другие типы вакуумных люминесцентных индикаторов. Большинство индикато­ров выполняется вместе со схемой управления и питания. На основе матричных вакуумных люминесцентных индикаторах разработаны ин­дикаторные модули. Основой вакуумных люминесцентных индикаторов является стеклянная либо керамическая плата 1 (Рис.2), в сегментных углуб­лениях которой выполняются проводящие слои 3 с выво­дами 2 от каждого сегмента. Поверх проводящих слоев наносится люминофор 4. Плата с проводящими покрытия­ми выполняет роль анода. Над платой устанавливается металлический экранирующий электрод с отверстиями 5, расположенными против соответствующих сегментов. На некотором расстоянии от экранирующего электрода мон­тируется сетка 6, а потом прямонакальный оксидный катод 7. Стеклянный баллон внутри покрыт проводящим слоем; отрицательным по отношению к катоду напряжением на сетке можно полностью запирать электронный поток и прекращать свечение люминофора. С помощью матрич­ных вакуумных люминесцентных индикаторов можно получать телевизионное изображение удовлетворительного качества.

---

Кроме основных параметров (U_накала, U_сетки, I_сетки, яркость свечения) для различных типов ВЛИ существует определенные наборы параметров.

Электролюминесцентные индикаторы. В этих приборах используется предпробойная электролюминесценция, которая возникает на границах зерен микроучастков по­рошковых и пленочных электролюминофоров при напря­женностях электрических полей, близких или равных пробивным. В общем случае механизм свече­ния пленочных и порошковых электролюминесцентных слоев обусловлен рекомбинацией носителей заряда, инжек­тированных кристаллом люминофора и электродами или образованных в результате туннельного эффекта и удар­ной ионизации.

В

Рис.3

настоящее время получили практическое распростра­нение следующие виды электролюминесцентных активных индикаторов: порошковые (Рис.3.а) и пленочные (Рис.3.б). Последние имеют диэлектрические слои между электродами и люминофором .

Порошковые и пленочные индикаторы получают напы­лением прозрачного электрода 2 на стеклянную подложку (пластину) 1 с последующим нанесением изоляционных слоев 3 и 5, люминофора 4 и непрозрачного электрода 6. В качестве излучающего слоя в порошковых индикато­рах используются смеси диэлектрической связки либо с порошковым люминофором ZnS при наличии примеси свинца, марганца, свинца с медью, либо с ZnSe, ZnSiO₄. Поскольку пробивная на­пряженность диэлектрика превышает пробивную напряженность люминофора, то при увеличении приложенного напряжения ZnS пробивается раньше и "горячие" электроны возбуждают ионы примеси. В пленочных индикаторах люминофором служит пленка ZnS:ТbР₃ толщиной около 0,2 мкм. Этот люминофор дает зеленый свет свечения. Свечение красного цвета можно получить посредством введения фторида самария (SmF₃), синего цвета фторида тербия (ТbF₃). В порошковых и пле­ночных индикаторах происходят во многом аналогичные физические процессы. При приложении постоянного напря­жения к порошковому или пленочному люминофору уро­вень Ферми и границы зон перехода металл - изолятор смещаются таким образом, что начинается туннелирование дырок и электронов в пленку или зерна люминофора. В ре­зультате инжекции происходит возбуждение ионов приме­си Мn, Рb или ТbF₃, SmF₃ и возникает излучательная рекомбинация. Рассмотренный механизм реализуется в при­борах, где металлический электрод находится в непосред­ственном контакте с люминофором и при питании индика­тора постоянным током.

Я

Рис.4

ркость индикаторов, работающих на переменном токе, зависит от частоты питающего напряжения (Рис.4.а). С увеличением частоты растет напряженность электрического поля в люминофоре, поскольку уменьшается емкост­ное сопротивление между металлическими электродами и люминофором. Однако во многих материалах увеличение частоты питания больше 10 кГц приводит к значительным диэлектрическим потерям при незначительном увеличении яркости.

---

Основное преимущество индикаторов переменного тока по сравнению с индикаторами постоянного тока - сущест­венно большая светоотдача. На Рис.4, б приведены ре­зультаты сравнения яркости В (сплошные линии) и свето­вой отдачи  (штриховые линии) для различных типов ин­дикаторов.

Кривые 1 дают зависимость В и  от напряжения пита­ния для порошковых индикаторов переменного тока (f=5 кГц); кривые 2-для порошковых индикаторов посто­янного тока; кривые 3-для пленочных индикаторов пе­ременного тока (f=5 кГц).

4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

В полупроводниковых индикаторах (ППИ) при протекании через них прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда в базовую область диодной структуры. Процесс рекомбинации этих носителей в базовой области и в p-n переходе сопровождается переходом их на более низкий энергетический уровень с излучением кванта света. Ширина запрещенной зоны определяет длину волны излучения.

П

Рис.5

ростейшими ППИ являются дискретные светодиоды (СД). Они в данном разделе не рассматриваются. Помимо светодиодов выпускаются цифровые и буквенно-цифровые одно- и многоразрядные, шкальные и матричные ППИ. Эти индикаторы характеризуются высокой яркостью, значительным сроком службы, низким рабочим напряжением. Они стойки к механическим воздействиям и имеют малую инерционность.

Основные группы конструкций - гибридные индикаторы, бескорпусные многоэлементные индикаторы и матричные индикаторы.

Гибридный индикатор - набор одноэлементных кристаллов, размещенных на основании корпуса заданным образом. Каждый элемент расположен в полости, сформированной внутри общего для всего индикатора световода.

Полость заполнена светорассеивающей пластмассой, обеспечивающей многократное рассеяние света, излучаемого элементом, и соответствующее увеличение светящейся поверхности.

Индикаторы с успехом используются в устройствах индикация включения готовности к работе, наличия напряжения в блоке, нормальной работоспособности узла, аварийной ситуации, достижения температурного порога, выполнения функционального задания и в других устройствах, хорошо согласуясь по электрическим параметрам с полупроводниковыми приборами и микросхемами.

Бескорпусный многоэлементный индикатор - монолитная конструкция, основой которой является эпитаксиальная структура с излучающими свет p-n переходами заданной конфигурации (Рис.5). Эпитаксиальная структура выращена на подложке из арсенида галлия. Выводы от р- области выполнены в виде пленок алюминия; n- область - общая для всех элементов; Si₃N₄ (нитрид кремния) - пленка диэлектрического просветляющего покрытия. Устройство матричных полупроводниковых индикаторов иллюстрируется на Рис.6, где показана конструктивная схема индикатора отражающего типа. На алюминиевой подложке 5 расположены катодные электроды в виде линей

---

Смотрите также файлы

• LEX14.doc

• LEX15.doc

• Obr_pic.doc

• ISTOR FILOSOF-1.doc

• Анализ философии Нового религиозного сознания-1.doc