Газоразрядные индикаторы

Глава. Индикаторные приборы.

3.1

Полупроводниковые индикаторы, как, впрочем, и индикаторы, основанные на любых других принципах работы, могут быть классифицированы по виду отображаемой информации, по виду информационного поля и по способу управления.

Классификация современных полупроводниковых индикато­ров по указанным классификационным признакам приведена на рис. 1.1.

Единичные индикаторы (распространен также термин «свето-излучающие диоды» -- СИД) состоят из одного элемента отображения и предназначены в основном для представления информации в виде точки или другой геометрической фигуры.

Рис. 1.1. Классификация полупроводниковых знакооинтезирующих индикаторов

Шкальные индикаторы имеют элементы отображения в виде правильных прямоугольников и предназначены для отображения информации в виде уровней или значений величин. Отдельную группу шкальных индикаторов составляют так называемые ли­нейные формирователи изображения в высоконадежных опто-электронных регистраторах оперативной аэрокосмической ин­формации на фотопленку.

Цифровые индикаторы состоят, как правило, из элементов отображения в виде сегментов и предназначены для отображения цифровой информации и отдельных букв алфавита.

Буквенно-цифровые индикаторы предназначены для отобра­жения информации в виде букв, цифр, различных знаков. Еди­ничные элементы отображения таких индикаторов сгруппированы по строкам и столбцам.

Графические (матричные) индикаторы позволяют собирать модули из элементов экрана различного размера без потери шага. Графические индикаторы предназначены для отображения любой информации. Цифровые и буквенно-цифровые индикаторы бывают одно- и многоразрядные.

Под одноразрядным понимается индикатор, имеющий одно знакоместо, т. е. информационное поле индикатора или его часть, необходимая и достаточная для отображения одного знака. Многоразрядный индикатор имеет несколько фиксированных знакомест.

Цифровые, буквенно-цифровые, матричные и шкальные инди­каторы могут быть без управления и со встроенными схемами управления.

Для современных полупроводниковых индикаторов существу­ют две системы обозначения. Старая система в настоящее время не применяется для вновь разрабатываемых приборов, но, поскольку большое количество разработанных ранее прибо­ров имеют старую систему обозначения, необходимо ее пояснить.

Система состоит из букв и цифр.

Первый элемент обозначения указывает на вид материала излучателя: К — кремний у приборов широкого применения, 2 — кремний у приборов промышленного применения; А — соедине­ния галлия у приборов широкого применения, 3 — у приборов промышленного применения. Второй элемент обозначения (буква Л) — означает тип излучателя. Третий, четвертый и пятый элементы (цифры от 101 до 299) означают прибор видимого спектра излучения. Шестой элемент (буквы от А до Я) означает деление технологического типа на группы по параметрам.

Для всех приборов, кроме единичных, после буквы Л ставится буква С (сборка).

Пример обозначения: ЗЛ102А — фосфид-галлиевый единич­ный индикатор видимого спектра излучения, промышленного применения, технологическая группа А.

Старая система обозначения давала мало информации об индикаторе (характере отображаемой информации, цвете свечения, числе разрядов и т. д.), поэтому была разработана новая система обозначения для всех видов знакосинтезирующих инди­каторов.

Система состоит из восьми элементов (букв и цифр), обоз­начающих: первый элемент (буква И) — индикатор; второй (буква П) — полупроводниковый; третий — вид индикатора: единичный — Д, цифровой — Ц, буквенно-цифровой — В, шкаль­ный — Т, мнемонический — М, графический (матричный) — Г; четвертый элемент — номер разработки и наличие встроенной схемы управления или ее отсутствие (от 1 до 69 — без встроен­ного управления, от 70 до 99 — со встроенным управлением). Пятый элемент обозначения указывает классификационный параметр внутри данного типа (буквы от А до Я, кроме О, 3, Ы, Ь, Ч, Ш). Шестым элементом обозначения является дробь, в числителе которой указано количество разрядов, в знаменателе для цифровых (сегментных) — количество сегментов, для буквенно-цифровых и матричных — произведение числа элемен­тов в строке на число элементов в столбце. Для мнемонических и шкальных индикаторов в знаменателе указывается число элементов. Седьмой элемент обозначает цвет свечения индика­тора: К — красный, Л — зеленый, С — синий, Ж — желтый. Р — оранжевый, Г — голубой, КЛ — двухцветный красно-зеленый. Последний, восьмой, элемент обозначения указывает на моди­фикацию бескорпусных индикаторов. (Для бескорпусных ППИ наиболее распространена модификация 5 — с контактными пло­щадками без кристаллодержателя и выводов). Для индикаторов широкого применения перед первым элементом обозначения ставится буква К.

Примеры обозначения:

ИПД04А-К — индикатор полупроводниковый, единичный промышленного применения, номер разработки 4, классифика­ционный параметр А, цвет свечения — красный;

ИПЦ01А-1/7К — индикатор полупроводниковый цифровой промышленного применения, номер разработки 1, без встроен­ного управления, классификационный параметр А, одноразряд­ный, семисегментный, красного свечения;

КИПГОЗА-8Х8Л — индикатор широкого применения полу­проводниковый, графический, номер разработки 3, технологиче­ская группа А, число элементов 8 в строке и 8 в столбце (64 эле­мента), зеленого свечения;

ИПТ06Е-8Ж - — индикатор промышленного применения полу­проводниковый, шкальный, номер разработки 6, число элемен­тов 8, желтого свечения;

ИПВ70А-4/5Х7К — индикатор промышленного применения полупроводниковый, буквенно-цифровой со встроенным управ­лением, номер разработки 70, технологическая группа А, четы-

рехразрядный с числом элементов 5 в строке и 7 в столбце (35 элементов), красного свечения.

Вопросам конструкции и технологии производства ППИ посвящен ряд фундаментальных работ [1 — 4], поэтому в сле­дующих параграфах будут рассмотрены только те вопросы, которые необходимы для лучшего понимания последующего материала.

3.2. Электронно-лучевые индикаторы, или, как их чаще называют, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), являются наиболее распространенным и важным устройством в технике отображения информации. Работа ЭЛТ основана на создании управляемого сфокусированного пучка электронов, воздействующего на покрытый люминофорным веществом экран и вызывающего свечение отдельных его участков.

Монохромные ЭЛТ. На рис. 1 приведено схематическое изображение монохромной электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электромагнитным отклонением луча. Сама трубка представляет собой узкий стеклянный цилиндр. Внутри цилиндра встроен набор электродов, составляющих электронно-оптическую систему, на поверхности цилиндра расположена пара отклоняющих катушек ОК. Вакуумное пространство внутри трубки, по которому распространяется пучок электронов, может быть разделено на три участка. Первый участок включает в себя катод К, покрытый оксидной пленкой и излучающий электроны при повышении его температуры с помощью отдельного нагревателя. Электроны эмиттируют с катода, когда их энергия превышает работу выхода с верхних энергетических уровней атома: эта энергия зависит как от материала катода, так и от его температуры. Освобождаясь, электроны имеют некоторую начальную скорость (см/с), определяемую по известной формуле кинетической теории газов:

,

где — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К; т — масса электрона.

Расположенный вблизи катода управляющий электрод-модулятор М имеет потенциал отрицательный относительно катода, поэтому через него пролетают лишь электроны, попадающие в отверстие. Этим создается как бы точечный источник электронов. Управляя потенциалом на модуляторе, можно регулировать интенсивность пучка.

Электроны, попадающие в конце своего пути на внутреннюю поверхность экрана Э с люминофорным покрытием, должны обладать достаточной энергией для возбуждения люминофора. Кроме того, светящееся пятно должно быть возможно меньшего размера, чтобы обеспечить хорошую разрешающую способность изображения. Это требует соответствующей фокусировки луча и его ускорения, что обеспечивается несколькими электродами, имеющими определенные потенциалы относительно катода. В основе действия этих электродов заложены принципы электронной оптики.

Электронный луч, проходящий в среде с некоторым потенциалом под углом , попадая на границу среды с потенциалом , меняет свое направление, распространяясь далее под углом . Таким образом происходит преломление электронного луча, которое подчиняется уравнению, аналогичному уравнению световой оптики:

,

где — электронный аналог показателя преломления среды.

С помощью определенной конфигурации электродов и подбора их потенциалов можно осуществлять различные электронно-оптические эффекты: фокусировку луча, рассеяние, отражение и т. д. Всю систему электродов на первом участке ЭЛТ, обеспечивающую формирование и усиление луча, иногда называют электронной пушкой.

На втором участке кинескопа расположена отклоняющая система. Действие отклоняющей системы заключается в направленном изменении прямолинейного пути электронов. Для отклонения пучка электронов может использоваться как электростатическое поле, так и магнитное. Для создания электростатического поля внутри трубки устанавливаются две пары электродов, отклоняющих луч во взаимно перпендикулярных направлениях. Напряжения на отклоняющих электродах должны быть очень высокими, причем тем выше, чем больше скорость движения электронов, т. е. яркость пятна.

При методе электромагнитного отклонения на небольшом участке электронного пучка прикладывается магнитное поле, возбуждаемое двумя парами катушек, устанавливаемых снаружи трубки. Одна пара катушек ОК сверху и снизу трубки отклоняет луч в горизонтальном направлении, другая пара по бокам трубки (на рис. 1 не показана) отклоняет луч в вертикальном направлении. Электрон, попадающий в магнитное поле, начинает двигаться по дуге и покидает участок отклонения под некоторым углом к направлению первоначального движения. Отметим, однако, что электромагнитные отклоняющие системы обеспечивают ограниченную скорость изменения направления луча. В основном это связано с реактивными параметрами катушек.

Экран ЭЛТ покрыт слоем люминофора. На нем создается изображение с требуемой яркостью, временем послесвечения и цветом. Причиной свечения является передача энергии от ускоренных электронов луча электронам, связанным с кристаллом люминофора, в результате чего последние переходят в возбужденное состояние. При их возвращении в нормальное состояние избыточная энергия выделяется в виде света. Этот физический эффект называют катодной люминесценцией. Люминофоры обычно состоят из смеси солей кальция, кадмия, цинка и некоторых других элементов. Наиболее широкое применение нашли сульфидные люминофоры. Наиболее широкое распространение в монохромных трубках получили белый и зеленый цвета. Время послесвечения экрана, т. е. время, необходимое для спадания яркости свечения от номинальной до первоначальной после прекращения действия электронного луча, также зависит от состава входящих в люминофор компонентов и может находиться в диапазоне от нескольких микросекунд до десятков секунд.

Другим важным физическим явлением, которое должно учитываться при использовании ЭЛТ, является вторичная электронная эмиссия. Она заключается в испускании вторичных электронов из материала люминофора при воздействии на него пучка первичных электронов. По мере увеличения интенсивности пучка количество эмиттированных вторичных электронов возрастает, и при определенном уровне энергии свечение люминофора не увеличивается. Таким образом, существует порог максимальной яркости светового пятна на экране, выше которого она не меняется с увеличением потенциала ускоряющего электрода. Для отвода вторичных электронов на внутреннюю поверхность конуса трубки наносят слой графита, находящийся под положительным потенциалом.

Цветные ЭЛТ. В ЭЛТ с теневой маской применяется метод диафрагмирования электронного луча. Маска помещена между тремя электронными пушками и трехцветным люминофором экрана. Она препятствует попаданию каждого луча на участки люминофора не соответствующего ему цвета.

На рис. 3 схематически показано расположение маски и экрана в цветной ЭЛТ с так называемым компланарным расположением пушек. Каждая из них оуществляет генерацию, фокусировку и ускорение луча. Внутри трубки пушки сориентированы таким образом, что их лучи, распространяясь в одной плоскости под некоторым углом друг к другу и проходя через любое из отверстий в маске, попадают каждый на полоску люминофора только определенного цвета. Цветные пятна, возбуждаемые лучом, благодаря близкому расположению, воспринимаются глазом как одно пятно некоторого производного цвета. Этот цвет зависит от пропорций основных цветов и может быть любым в области видимого спектра. Пропорции можно менять, управляя напряжением модулятора.

Рис. 3. Расположение электродов маски и экрана в цветной ЭЛТ с компланарным расположением пушек (К, 3, С - красный, зеленый, синий)

Цветные ЭЛТ значительно сложнее в изготовлении, чем монохромные. Они требуют очень точной установки элементов в процессе производства. Разрешающая способность цветных ЭЛТ ограничена количеством отверстий в маске.

Сложность конструкции трехпушечных ЭЛТ привела к поискам других методов реализации цветных изображений на экране. Наибольшую известность здесь получили два типа трубок, так называемые тринитрон и элмитрон. В ЭЛТ типа «тринитрон» все электронные лучи генерируются с помощью одной пушки. Она имеет три независимых катода и модулятора. В тринитроне также используется щелевая маска, однако удается получить изображение большей яркости. В обоих из описанных типах трубок предельная разрешающая способность определяется количеством и размерами отверстий в маске. Поэтому интерес представляют цветные трубки типа «элмитрон», в которых маски не используются, а цвет свечения люминофора зависит от глубины проникновения электронного луча и, следовательно, от энергии последнего.

Недостатком является то, что в схеме управления индикатором должен быть предусмотрен быстродействующий высоковольтный переключатель. С целью избежать этого иногда используются двухпушечные ЭЛТ. Трубки типа «элмитрон» используются в технике отображения, когда необходимо получить высокую разрешающую способность при ограниченном цветном диапазоне.

Запоминающие ЭЛТ, или ЭЛТ «прямого видения», используются для преобразования однократно подаваемых на отклоняющую систему сигналов в видимое изображение, сохраняемое на экране в течение длительного времени. В таких трубках управляемый электронный пучок не воздействует непосредственно на люминофор экрана, имеющий небольшое время послесвечения, а создает «потенциальный рельеф» изображения на специальной плоской мишени, расположенной внутри трубки.

Конструкция запоминающей ЭЛТ схематично представлена на рис. 4. Запоминающая поверхность состоит из тонкой металлической сетки, на которую со стороны экрана осажден слой диэлектрика. Внутри колбы размещены две электронные пушки: записывающая, которая формирует модулируемый и адресуемый отклоняющей системой высокоэнергетический пучок, и воспроизводящая, в которой создается интенсивный расходящийся пучок электронов с невысокой энергией. Специальные кольцевые электроды, расположенные на стенках трубки и находящиеся под определенным потенциалом, создают электростатическое поле, благодаря которому медленные электроны двигаются перпендикулярно мишени, равномерно распределяясь по ее поверхности.

Рис. 4. Схематическое изображение конструкции запоминающей трубки:

ЗП – записывающая пушка; ВП – воспроизводящая пушка; ОК – отклоняющие катушки; К – коллекторная сетка; С – сетка мишени; Д – диэлектрик; КЭ – кольцевые электроды; АЭ – алюминированный экран.

Основным преимуществом запоминающей ЭЛТ является простота индикаторов, создаваемых на их базе отсутствие мерцания и высокая яркость. Разрешающая способность экрана в них также достаточно высока и определяется размером и количеством отверстий в сетке мишени. Однако важным недостатком индикаторов на запоминающих трубках, ограничивающим их использование во многих областях, является невозможность избирательного стирания информации. Применяются они в основном в качестве устройства вывода графических данных из машины и в радиолокационных системах.

Электролюминесцентное излучение возникает в результате приложения электрического поля к люминофорному материалу. Интенсивность излучения зависит от напряженности ноля, а также часто ты его изменения, если поле переменное. Свечение связано с ускорением движения носителей зарядов в люминофоре, для чего требуется достаточно высокая напряженность поля (порядка 103- 106 В/см). Наиболее распространенным люминофором является сульфид цинка (ZnS) с примесями меди, марганца и некоторых других элементов. От типа люминофора и количества примесей зависим цвет излучения, перекрывающий практически всю видимую область спектра.

Распространение в области отображения информации получили два основных типа электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ): построенных на основе порошковых люминофоров, возбуждаемых постоянным напряжением, и с использованием люминофоров в виде тонкой пленки, возбуждаемых высокочастотным переменным напряжением.

Основой электролюминесцентного элемента постоянного тока является порошкообразный люминофор, кристаллы которого вместе с примесями распределены в связующем веществе. Этот состав наносят на прозрачную пластину с проводящим покрытием (обычно используется слой оксида олова). С другой стороны к люминофору прикладывают тонкую металлическую пластину (фольгу). Вся конструкция размещена в пластмассовом корпусе и герметизирована (рис. 5.).

Рис. 5. Конструкция электролюминесцентного элемента постоянного тока:

1 – люминофорный слой; 2 – металлический электрод; 3 – выводные контакты; 4 – герметический корпус; 5 – прозрачный электрод (); 6 – стеклянная подложка

Важным преимуществом электролюминесцентных элементов является их малая толщина, позволяющая конструировать компактные индикаторы. Управляются они напряжениями порядка 50 — 100 В, однако по яркости и контрастности уступают многим другим типам излучающих элементов.

В среднем для ЭЛИ постоянного тока при питающем напряжении около 100 В яркость свечения составляет примерно 300 кд/м2. Характерным для этих элементов является уменьшение их световой Мощности в процессе эксплуатации, что связано с миграцией примесей в люминофоре в зонах контакта с электродом. Срок службы элементов может быть увеличен, если осуществить их питание импульсным напряжением. Отметим также важную для некоторых применений способность ЭЛИ менять цвет излучения в зависимости от приложенного напряжения.

Тонкопленочные индикаторы переменного тока являются наиболее перспективными приборами, реализующими принцип электролюминесценции. Слой люминофора размещают между слоями диэлектрика, обеспечивающими гальваническое разделение его с электродами (рис. 6.). Все слои создаются с помощью технологии напыления в вакууме на стеклянную подложку. Долговечность таких ЭЛИ значительно выше, чем порошковых, питающее их высокочастотное напряжение составляет 150 — 250 В.

Рис. 6. Структура слоев тонкопленочного электролюминесцентного индикатора переменного тока:

1 – прозрачный электрод; 2 – пленка люминофора; 3 – металлический электрод; 4 – светопоглощающий диэлектрик; 5 – прозрачный диэлектрик; 6 – стеклянная подложка

Газоразрядные индикаторы

В принципе любой газоразрядный прибор представляет собой заполненную инертным газом изолированную от внешней среды ячейку, внутри которой на близком расстоянии друг от друга расположены два электрода. Широкое распространение в технике получили газоразрядные приборы типа неоновых ламп, тиратронов тлеющего разряда, линейных газоразрядных индикаторов и пр. Их область применения ограничена в основном сигнализацией состояния различных устройств и объектов.

В простых устройствах отображения цифровой и знаковой информации нашли применение индикаторные лампы тлеющего разряда. Их особенностью является наличие нескольких фигурных катодов в одном баллоне.

Значительно расширилась область применения газоразрядных индикаторов с появлением матричных цифровых панелей (плазменных панелей). Они представляют собой плоский экран, на котором любое изображение создается большим числом светоизлучающих газоразрядных элементов, образованных на пересечениях горизонтальных и вертикальных электродов.

Существуют два основных типа плазменных панелей: постоянного тока с внешней адресацией и переменного тока с запоминанием информации. Панели постоянного тока имеют плоскую трехслойную конструкцию, в которой между двумя стеклянными пластинами с нанесенной на их внутреннюю поверхность системой взаимно перпендикулярных полупрозрачных электродов расположена перфорированная изолирующая матрица. Отверстия в матрице заполнены газом и размещаются в местах пересечения электродов. Свечение возникает при подаче на соответствующую пару электродов напряжений. Для получения устойчивого изображения необходимо последовательно подавать высоковольтное напряжение на требуемые точки.

Более широкое распространение получили газоразрядные панели постоянного тока. с самосканированием, которые хотя и значительно сложнее по конструкции, но свободны от некоторых недостатков, в частности, в них имеется возможность параллельного ввода информации во все строки, что значительно упрощает управляющие цепи.

Газоразрядная ячейка переменного тока отличается от ячейки постоянного тока тем, что ее электроды гальванически изолированы от газовой смеси диэлектрическими прокладками и по существу ячейка представляет собой конденсатор.

Рис. 11. Общий вид (а) и поперечное сечение (б) фрагмента конструкции плазменной панели переменного тока

Конструкция панели переменного тока показана на рис. 11. На двух стеклянных подложках 3 расположен набор параллельных проводников, вертикальных 2 и горизонтальных 4, покрытых слоем прозрачного диэлектрика 1. Между обкладками с помощью герметизирующей рамки 5 образуется камера, заполненная газовой смесью 6. Наборы проводников взаимно перпендикулярны и в точках их пересечения образуются газоразрядные элементы. При зажигании элемента создается светящаяся точка. Наборы точек обеспечивают отображение необходимой информации. Яркость светящихся точек достаточно высока и не зависит от размерности матрицы.

.Ряд важных преимуществ плазменных панелей – плоскостность экрана, высокая разрешающая способность (уже созданы панели с матрицей 1024 1024 точки), возможность работы в непрерывном режиме без мерцания и искажения изображения, хорошая видимость при ярком освещении – делает их одними из наиболее перспективных индикаторов для использования в системах отображения высокой информативности.