Тема №37 Полупроводниковые, люминесцентные и электронно-лучевые индикаторы

Составьте краткий конспект по теме №37

Полупроводниковые, люминисцентные и электроно-лучевые индикаторы

1. Назначение индикаторных приборов

2. Разновидности индикаторов

3. Пояснить принцип действия электронно- лучевых индикаторов

4. Поясните из чего состоит электронно- лучевой индикатор

5. Применение электронно- лучевых индикаторов

6. Пояснить принцип действия вакуумно-люминесцентных индикаторов

7. Поясните из чего состоит вакуумно-люминесцентный индикатор

8. Пояснить принцип действия газоразрядных индикаторов

9. Поясните из чего состоит газоразрядный индикатор

10. Поясните отличие сигнальных и знаковых газоразрядных индикаторов

11. Поясните виды полупроводниковых индикаторов

12. Поясните параметры полупроводниковых индикаторов

13. Поясните принцип действия полупроводниковых индикаторов

13.1. Индикаторные приборы

Индикаторные приборы служат для преобразования электрических сигналов в визуально воспринимаемую информацию. В зависимости от назначения индикаторные приборы могут иметь разную степень сложности и базироваться на различных физических принципах. В настоящее время для отображения знаковой информации наибольшее распространение получили электронно-лучевые, вакуумно-люминесцентные, газоразрядные, полупроводниковые и жидкокристаллические индикаторы.

13.1.1. Электронно-лучевые индикаторы

Действие электронно-лучевых индикаторов основано на управлении сформированным потоком электронов, называемым электронным лучом. Эти приборы позволяют не только регистрировать электрические сигналы в их непрерывном виде (например, в осциллографе), но и получать изображение (в телевидении). Электронно-лучевыми индикаторами комплектуют многие измерительные и диагностические установки и системы визуального наблюдения за технологическими процессами производства.

Рис. 13.1

Электронно-лучевой индикатор состоит из электронно-лучевой трубки, представляющей собой вытянутый в направлении луча стеклянный баллон с глубоким вакуумом, внутрь которого помещают источник свободных электронов и различные управляющие электроды. Утолщенная часть трубки, на которой фокусируется луч электронов, называется экраном. Изнутри он покрыт специальным слоем – люминофором, способным светиться при попадании на него электронов. Управление лучом осуществляется специальной электронной схемой с помощью электростатических или магнитных полей. На рис. 13.1 схематично показано устройство электронно-лучевой трубки. Основным элементом электронно-лучевой трубки является прожектор. Он состоит из катода К, представляющего собой металлический стакан, подогреваемый нитью накала Н. Катод по периметру охвачен цилиндрическим модулятором М с осевым отверстием. Модулятор управляет интенсивностью потока электронов, срывающихся с катода. Электроны, прошедшие модулятор, попадают в электрическое поле, создаваемое несколькими анодами (А₁ и А₂), ускоряются и фокусируются в тонкий луч.

Управление отклонением луча на экране осуществляется с помощью двух пар отклоняющих пластин Х и Y, которые расположены перпендикулярно друг другу. За счет разности потенциалов пластины Х управляют лучом в горизонтальном направлении, а пластины Y – в вертикальном.

Основными характеристиками электронно-лучевой трубки являются:

– послесвечение – время, за которое восстанавливается цвет экрана после прекращения бомбардировки его электронами;

– разрешающая способность – минимальный диаметр светового пятна на экране;

– чувствительность – отношение отклонения луча к напряжению отклоняющих пластин (по вертикали и по горизонтали).

13.1.2. Вакуумно-люминесцентные индикаторы

Рис. 13.2

Вакуумно-люминесцентный индикатор представляет собой электронную лампу – триод (рис. 13.2), состоящую из накаливаемой током металлической нити – катода 1, металлической сетки 2 и анодов – сегментов 3, покрытых люминофором. Все элементы конструкции размещены в вакуумном стеклянном баллоне с выводами от электродов.

Принцип действия индикатора основан на преобразовании кинетической энергии электронов в видимое излучение люминофорного покрытия анодов-сегментов. Электроны, покинувшие катод вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются полем сетки, положительно заряженной относительно катода, частично проходят сквозь сетку и бомбардируют сегменты анода, вызывая их свечение. Подключением анодов-сегментов в определенных комбинациях к источнику положительного напряжения можно получить требуемый светящийся знак. В зависимости от типа люминофорного покрытия анодов-сегментов индикаторы имеют свечение красного или зеленого цвета. Конструкция индикатора может быть как одно-, так и многоразрядной.

Вследствие низкого напряжения питания (20...25 В) и малой потребляемой мощности вакуумно-люминесцентные индикаторы хорошо сочетаются с интегральными микросхемами. В настоящее время их широко применяют в микрокалькуляторах, измерительных приборах и часах.

13.1.3. Газоразрядные индикаторы

Газоразрядный индикатор относится к ионным приборам тлеющего разряда и выполняется с холодным катодом. Индикатор имеет два или более электродов, помещенных в стеклянный баллон, заполненный инертным газом при давлении 0,1...10³ Па (рис. 13.3).

Рис. 13.3

При напряжении между электродами (анодом и катодом), достаточном для лавинообразной ионизации инертного газа движущимися в электрическом поле электронами и выбивания вторичных электронов с катода ускоренными электрическим полем положительными ионами, в пространстве между анодом и катодом возникает тлеющий разряд. Одновременно идет процесс рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов. При этом выделяется энергия в виде фотонов, т.е. газ светится. Цвет свечения определяется составом газа-наполнителя.

Ионизация и рекомбинация наиболее интенсивно происходят вблизи катода, где концентрации свободных электронов и ионов максимальны. Поэтому наиболее интенсивное свечение наблюдается в прикатодной области.

Рис. 13.4

Простейшие приборы этого типа – сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они представляют собой два металлических электрода, выполненные в виде дисков, стержней или коаксиальных цилиндров и помещенные в стеклянный баллон, заполненный неоном. Устройство сигнального индикатора показано на рис. 13.4.

Пространство этих ламп вблизи катода светится оранжево-красным светом, наблюдаемым обычно через торец лампы. Для ограничения тока в неоновых лампах последовательно с ними необходимо включать балластный резистор, который может находиться в цоколе лампы.

Напряжение питания сигнальных индикаторов колеблется от 60 до 235 В, рабочий ток – от 0,15 до 30 мА. Неоновые лампы широко используют как сигнальные в устройствах автоматики, вычислительной техники и в приборостроении. Особенно часто их применяют в качестве индикаторов напряжения питания.

Знаковые газоразрядные индикаторы – это многокатодные приборы тлеющего разряда, предназначенные для индикации знаков-цифр, букв или математических символов. Катоды могут быть выполнены как в виде соответствующих знаков, так и в виде отдельных элементов этих знаков – сегментов. В первом случае катоды располагаются друг за другом, представляя собой пакет тонких проволочных знаков, а анодом является сетка, не мешающая восприятию знаков (рис. 13.5). Во втором случае изображение буквы, цифры или символа составляется из светящихся сегментов. Например, 13 сегментов знакового индикатора типа ИН-23 позволяют синтезировать цифры от 0 до 9 и все буквы алфавита на одном знакоместе. Условное графическое обозначение индикатора ИН-23 показано на рис.13.6.

	а) б)
Рис. 13.5	Рис. 13.6

Газоразрядные индикаторы отличаются надежностью и простотой конструкции, потребляют мало энергии и позволяют получать высокие яркости и контрастность изображения.

Недостатком газоразрядных индикаторов является слрожность их прямого подключения к интегральным микросхемам из-за высокого напряжения питания (100...250 В).

19 Классификация полупроводниковых индикаторов.

ППИ классифицированы по виду отображаемой информации, по виду информационного поля и по способу управления.

Единичные индикаторы или светоизлучающие диоды (СИД) состоят из одного элемента отображения и предназначены в основном для отображения информации в виде точки или других геометрических фигуры. По конструктивному исполнению делятся на три группы:

1)Бескорпусные; 2)с полимерной герметизацией; 3)в герметичных металлостеклянных корпусах.

Представители: ЗЛ360А; ЗЛС331,АЛС331А

Шкальные индикаторы имеют элементы отображения в виде правильных прямоугольников и предназначены для отображения информации в виде уровней или значений их величин. Отдельную группу шкальных индикаторов составляют так называемые линейные формирователи изображения в высоконадежных оптоэлектронных регистрах оперативной аэрокосмической информации на фотопленку.По конструктивному исполнению делятся на:

1. в бескорпусном исполнении;

2. с полимерной герметизацией без светопровода, со светопроводом;

3. в герметичных стеклокерамических корпусах. Представители: ЗСЛ317А-Г/АЛС317А-Г

Рисунок 7 – Виды информационных полей шкальных индикаторов.

Цифровые индикаторы (ЦИ) состоят из элементов отображения в виде сегментов и предназначены для отображения цифровой информации и отдельных букв алфавита.

В настоящее время выпускается свыше 150 типов ЦИ. По конструктивному исполнению делятся на следующие группы:

1. бескорпусные монолитные; АЛС313А-5

2. монолитные с полимерной герметизацией; 3ЛС314А (АЛС314А); 3ЛС320А-Е

3. гибридные с различными светопроводами; ИПЦ02А, Б-1/7КЛ

4. монолитные в стеклокерамическом корпусе; 3ЛС339А, 3ЛС348А, ИПЦ06А-5/40К

Среди ЦИ имеются приборы со встроенным управлением 490ИП1 (К490ИП1) и 490ИП2 (К490ИП2)

Рисунок 8 – Конфигурация информационных полей ЦИ.

Буквенно-цифровые (БЦИ) полупроводниковые индикаторы предназначены для отображения информации в виде букв (русского, арабского, латинского и греческих алфавитов) и цифр, и др. знаков и символов. Единичные элементы отображения таких индикаторов сгруппированы по строкам и столбцам.

По конструктивному исполнению делятся на две группы:

1)монолитной конструкции со светопроводом; 2)полая конструкция без светопровода.

К первой группе относятся: 3ЛС340А (АЛС340А), 3ЛС357А (АЛС357А) имеющие 35 излучающих элементов (5 – в строке, 7 – в столбце) и левую децимальную точку.

ИПВ70А-4/5*7К, ИПВ71А-4/5*7К и ИПВ72А-4/5*7К - БЦИ в стеклокерамическом корпусе со встроенным управлением.

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 много разрядные.

Под одноразрядным понимается индикатор, имеющий одно знакоместо, то есть информационное поле индикатора или его часть необходимая и достаточная для отображения одного знака.

Многоразрядный индикатор имеет несколько фиксированных знакомест.

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

Условные обозначения полупроводниковых индикаторов.

Для современных ППИ существует две системы обозначения. Старая система в настоящее время не применяется для вновь разрабатываемых изделий, но поскольку большое количество разрабатываемых приборов имеет старую систему обозначения, необходимо ее пояснить. Система состоит из букв и цифр.

Пример: 3Л102А-фосфид-галлиевый единичный индикатор видимого спектра излучения, промышленного применения, технологическая группа А.

Старая система обозначения давала мало информации об индикаторе, поэтому была разработана новая система обозначений для всех видов знакосинтезируюзих индикаторов.

Система состоит из восьми элементов.

Пример: 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, параметр - А, одноразрядный, семи сегментный, красного свечения.

КИПГ03А-8*8Л – индикатор широкого применения полупроводниковый графический, номер разработки - 3, технологическая группа - А, число элементов 8 – в строке, 8 – в столбце (64 элемента), зеленого свечения.

ИПВ70А-4/5*7К – индикатор промышленного применения, полупроводниковый, буквенно-цифровой со встроенным управлением, номер разработки - 70. технологическая группа - А, 4 разрядный с числом элементов 5 - в строке, 7 – в столбце (35 элементов), красного свечения.

20 Параметры и характеристики полупроводниковых индикаторов

Система параметров, наиболее полно описывающая все свойства и особенности ППИ, делится на четыре группы:

1. Параметры, характеризующие ППИ элемент как системы «оператор-индикатор» и определяющие качество отображения информации и надежность ее восприятие. К данной группе параметров относятся светотехнические и эргономические параметры.

Основной светотехнический параметр – сила света I_VЭ – он зависит от двух эксплутационных факторов: прямого тока (постоянного и импульсного) и температуры окружающей среды. Характер зависимости от тока практически линейный.С повышением температуры окружающей среды до 85⁰С сила света уменьшается на 50-70%. При понижении температуры до –60⁰С сила света увеличивается в 1,5-3,5 раза.

К эргономическим параметрам относятся угол обзора индикатора. Под углом обзора понимаю максимальный угол между нормалью к центру информационного поля ППИ и направлением от этого центра к глазу оператора, при котором обеспечивается безошибочное считывание отображаемой информации при заданном значении силы света или контраста, внешней освещенности и расстояния наблюдения.

На безошибочность считывания влияют многие факторы. Ими, прежде всего, являются отношения ширины знака к высоте в_зн/h_зн и шаг между знаками. Оптимальным соотношениями является: в_зн/h_зн=0,6; толщина обводки 1/6…1/7 h_зн. Следующий параметр – контраст индикатора, который зависит от спектра излучения. У ППИ узкий спектр излучения и они имеют существенно лучший контраст при одинаковой силе света по сравнению с др. индикаторами. Очень важна для восприятия внешняя освещенность. Одной из важнейших характеристик ППИ является цвет свечения. Правильный выбор цветовой гаммы индикаторов в устройствах и системах индикации во многом определяет эффективность работы оператора при считывании информации. Существующие ГОСТ четко определяют назначение каждого цвета: Красный – опасность;

Желтый – внимание; Зеленый – все в норме.

1. Параметры, характеризующие ППИ как элементы электрической цепи.

Характеризуется той же системой параметров, что и диоды.

1. Параметры, характеризующие устойчивость ППИ к действию внешних факторов.

К ним относятся механические воздействия: вибрационные нагрузки; многократные ударные нагрузки с ускорением; постоянное ускорение, акустические шумы.

Климатические воздействия: повышение и понижение температуры, влажность, давление.ППИ отличается высокой устойчивостью к внешним воздействующим факторам, значение параметров практически не меняется.

1. Параметры, характеризующие надежность ППИ.

Один из основных – интенсивность отказов, а также изменение светотехнических параметров в процессе эксплуатации.

13.1.4. Полупроводниковые индикаторы

Принцип действия полупроводникового индикатора основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда в области р-n – перехода, к которому приложено прямое напряжение. К полупроводниковым индикаторам относится светодиод – полупроводниковый диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области р-n – перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. Цвет определяется материалом, из которого выполнен светодиод. Выпускают светодиоды красного, желтого и зеленого свечения.

П
олупроводниковые индикаторы подразделяются на дискретные (точечные), предназначенные для отображения цветной световой точки (рис. 13.7 а), и знаковые – для отображения цифр и букв (рис. 13.7 б). В знаковых сегментных индикаторах каждый сегмент представляет собой отдельный диод. Из 7 сегментов можно синтезировать цифры от 0 до 9 и 12 букв русского алфавита.

а) б) в)

Рис. 13.7

Существенно большими информативными возможностями обладают полупроводниковые знаковые индикаторы в виде матриц точечных элементов (рис.13.7 в), где 36 элементов матрицы сгруппированы в 5 колонок и 7 рядов (плюс одна светящаяся точка в 7 ряду). Катоды элементов каждого ряда соединены между собой и имеют общий вывод, также как и аноды элементов каждой колонки. Подавая напряжение на выводы выбранных ряда и колонки, можно вызывать свечение заданного элемента матрицы.

Матричные элементы позволяют отображать все цифры и буквы русского и латинского алфавитов. На их основе можно создавать буквенно-цифровые дисплеи, в частности, в виде бегущей строки.

Полупроводниковые индикаторы работают при прямом напряжении 2...6 В и токе 10...40 мА в расчете на сегмент или на точку. Их применяют для индикации в измерительных приборах, системах автоматики и вычислительной техники.

Достоинствами полупроводниковых индикаторов являются: возможность их прямого подключения к интегральным микросхемам благодаря низкому рабочему напряжению; большой срок службы; высокая яркость свечения и хороший обзор.

Основной их недостаток состоит в сравнительно высокой потребляемой мощности – 0,5…1 Вт на один сегментный светодиод.

175