Индикаторы
СОДЕРЖАНИЕ: Содержание 1. ИНДИКАТОРЫ 2. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНДИКАТОРНОЙ ТЕХНИКИ 2.1 Человеческое зрение 2.2 Восприятие цвета 2.3 Физические эффекты, пригодные для использования в индикаторной техникеСодержание
1. ИНДИКАТОРЫ
2. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНДИКАТОРНОЙ ТЕХНИКИ
2.1 Человеческое зрение
2.2 Восприятие цвета
2.3 Физические эффекты, пригодные для использования в индикаторной технике
3. «ТРИ КИТА» ИНДИКАТОРНОЙ ТЕХНИКИ
3.1 Полупроводниковые индикаторы (ППИ)
3.2 Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ)
3.3 Газоразрядные индикаторы (ГРИ)
4. Применение индикаторов
5. Четыре поколения индикаторных приборов
1. ИНДИКАТОРЫ
Среди систем отображения зрительной информации выделяют устройства коллективного, группового и индивидуального пользования. Типичными примерами этих устройств являются световые табло большого стадиона, экрн телевизора, циферблат электронных наручныч часов. Кроме многих других моментов, эти устройства различаются прежде всего размерами используемых ими индикаторных приборов.
Следуя общей направленности книги, здесь и в дальнейшем будут рассмотрены лишь малогабаритные и ми-ниатюрные индикаторы для устройств индивидуального и отчасти группового пользования, т. е. с расстоянием от индикатора до глаза наблюдателя не более 1-2 м.
2. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНДИКАТОРНОЙ ТЕХНИКИ
2.1 Человеческое зрение как основной «потребитель» информации, вырабатываемой индикаторными прибора-ми, отличается исключительным своеобразием. Видимая область составляет очень малую часть оптического диапазона длин волн (см. рис. 1.1); чувствительность глаза максимальна в центре этой области и резко спадает к ее краям. Это свойство зрения отражено в функции видности (рис. 3.1), представляющей усредненную спектральную характеристику глаза как фотоприемника. В максимуме спектральной чувствительности (мах=555 нм) 1 Вт излучения вызывает зрительное ощущение, эквивалентное ощущению от светового потока 680 лм. При других длинах волн величина светового эквивалента излучения меньше (ряд значений дан ранее в табл. 1.2); для широкополосного белого света величина близка к 360 лм/Вт. Кривая рис. 3.1 довольно условна: в сумерках спектр деформируется так, что мах сдвигается влево на 50 ... 60 нм; детский глаз воспринимает свет начиная с 315 нм; увеличечие яркости источника раздвигает границы видимости, например концентрированное ИК излучение GaAs-лазера ( 860 нм) воспринимается как красное. Несмотря на все это и многочисленные индивидуальные особенности людей, кривая рис. 3.1 гостирована и является основой инженерной фотометрии; именно она служит ориентиром при разработке излучателей и фотоприемников.
Способность глаза приспосабливаться к восприятию резко различных по светимости объектов характеризуется логарифмическим законом Вебера — Фехнера, связывающим физическую яркость источника В с его физиологически ощущаемой яркостью Lфзл = а1nL + b, где а и b — константы. Поэтому динамический диапазон воспринимаемых глазом яркостей исключительно широк и простирается от — 10-7 кд/м2 (в темноте) до — 105 кд/м2 (при яркой внешней засветке); при этом в интервале 10-7 ... 1 кд/м2 работает «сумеречный» механизм зрения и цветового восприятия нет.
УФ -ик
Рис. 3.1. Функция видности человеческого глаза (показаны условные границы различных цветов).
Разные по яркости источники вызывают неодинаковые зрительные ощущения; практически человек разли-чает не более 8 ... 10 градаций яркости (полутонов), поэтому если информация передается изменением яркости индикатора, то нельзя использовать более 4 ... 5 градаций, а для надежной передачи — более двух (черное - белое).
Кроме яркости источника человек оценивает и его пространственные характеристики: разрешающая способ-ность глаза (угловая) близка к 1 (т. е. различение на расстоянии 10 м двух штрихов, разделенных промеягольником в 3 мм). Для быстрого и безошибочного восприятия простого объекта (цифры, буквы и т. п.) надо, чтобы угловые размеры этого объекта были не менее 1о это для оптимальной высоты знака Н дает
Н (0,5 ... 1)*10-2 Rг-о
где Rг-о — расстояние от глаза до индикатора. Отсюда, например, для индикатора, встроенного в окуляр дальномера (Rг-о 5 ... 10 см) допустимо Н0,5 мм, для индикатора наручных часов -3 мм, а для крупноформатных дисплеев 10 ... 20 мм. При малой яркости (освещенности) индикатора величина R должна выбираться несколько большей, чм по (3.1).
Полный угол зрения близок к 120° (по горизонтали) и 90° (по вертикали); обзор для зоны максимального разрешения характеризуется углами 20° и 15°. В соответствии с этим выбирается удлиненный в горизонтальном направлении формат экрана (в телевидении и кино отношение его сторон составляет 4:3).
Кроме яркости и размеров индикатора, решающую роль в его восприятии играет контрастность воспроизво-димого знака. оличественно яркостный контраст определяется как К=(L—Lфон )/ L, где L Lфон — яркости источника и фона. Практически для качествеичого восприятия важна не столько величина К, сколько ее пре-вышение над пороговой для данных условий контрастностью Kпор . Для хорошей видимости необходимо, чтобы число пороговых контрастов (К/ Kпор ) было не менее 15 ... 30. Зависимость порога зрительного восприятия от угловых размеров, яркости и контрастности наблюдаемых объектов представлена на рис. 3.2. Заштрихованная поверхность соответствует порогу зрительного восприятия: точки, лежащие ниже нее, соответствуют условиям, не вызывающим зрительных ощущений.
Оценка временных характеристик светового сигнала связана с инерционностью зрения: установлено, что при частоте световых посылок более 15 ... 50 Гц глаз перестает ощущать мерцание. При этом действует закон Тальбота: кажущаяся яркость мерцающего источиика равна средней за период наблюдения яркости *. Закон Тальбота служит основой для организации мультиплексных схем управления индикаторами.
Рассмотренные особенности зрения при оценке яркостных, пространственных, временных характеристик световых сигналов фактически и определяют основные требования к индикаторам. К этому еще добавляются особенности ощущения цвета.
2.2 Восприятие цвета является величайшей привилегией человека среди всех представителей животного мира . Лишь цветовая окраска делает окружающий мир столь неповторимым и прекрасным, каким мы его воспринимаем. Нет такого внешнего раздражителя, который был
L,кЗ/мг
1,0 2 5 10 20
Угол зрения, мин
Рис. 3.2. Соотношения между угловыми размерами наблюдаемых
объектов, яркостью и контрастностью для порога зрительного вос-
приятия при времени воздействия 0,3 с.
бы близок к цвету по числу различных градаций: цветовые каталоги включают до 107 различиых оттенков! Естественно поэтому, что для индикаторной техники, стремящейс в конечном счете к наиболее полному использованивю возможиостей зрения и к его максимальному удовлетворению, проблема цветности отно-сится к числу основных.
Современное учение о цветге базируется на том экспериментально установленном факте, что «элементар-ные фотоприемники» глазной сетчатки — колбочки содержат рецепторы трех видов, каждый из которых обладает повышенной чувствительностью в красной, зеленой и синей областях спектра. Соответственно этому говорят о трех основных цветах - R, G, B, сочетание которых позволяет синтезнровать всю цветовую гамму. Математически это означает, что цветовое ощущение можно рассматривать как вектор в трехмерном пространстве, осями которого являются R-, G-, B-векторы (принято r =700 нм, g —546 нм, b =436 нм,см рис. 3.1).
Упрощенная цветовая характеристика объекта возможна и в двухмерной форме — точкой на цветовом графике МКО (рис. 3.3). Значение цветовых индексов источника (координат х и у) позволяет найти две его важнейшие характеристики: цветовую тональность, определяемую доминирующей длиной волн излучения (f для источника F на рис. 3.3); цветовую иасыщенность, определяемую чистотой света (выраженное в процентах отношение отрезков W-F, f на рис. 3.3).
Опорная точка цветового графика — точка W(х=у=1/3)—соответствует белому свету, для которого характерны отсутствие какой-либо тональности и нулевая чистота цвета. Практически оптимальный белый свет получается из смеси трех цветов с =450, 540 и 610 нм. Излучатели, расположенные на огибающей кри-вой цветового графика или вблизи нее (таково большинство светоизлучающих диодов), имеют чистоту све-та, близкую к 100%; для сравнения укажем, что для ламп накаливания она не превышает 10 ... 20%.
Многочисленные психофизические эксперименты показывают, что по наилучшей цветоразличительной спо-собности глаза выделяются шесть основных цветов: белый, черный, красный, желтый, зеленый, синий. По-этому и многоцветные индикаторы, выполняющие функцию отображения информации посредством использования различных цветов, не должны использовать более шести цветов свечения, реально не более 3 ... 5. При сильной внешней засветке белым светом удобны красный, желтый, синий, пурпурный цвета; при слабой засветке к ним могут быть добавлены белый и зеленый. Для индикаторов с элементами малого размера оптимальны белый или желтый цвета. Наиболее контрастные области спектра для красного, желтого, зеленого цветов лежат в диапазоне 610 ... 630 нм, 588 ... ... 598 над и менее 548 нм соответственно.
Для систем отображения нужны как насыщенные контрастные цвета, так и малонасыщенные полутоновые. Как следует из цветового графика (рис. 3.3), для синтеза последних необходимы источники синего излу-чения: смешение чистых цветов из области красный — зеленый дает только насыщенные цвета.
Если, наконец, к сказанному добавить, что значительный процент людей обладает различными врож-денными аномалиями цветового зрения, то становятся понятны трудности создания высоконадежных много-цветных индикаторов.
В заключение отметим, что учение о человеческом зрении намного сложнее любой другой области знаний и сказанное здесь есть лишь самое начальное приближение к действительности. Психофизическое простран-ство цветового восприятия не является линейным, поэтому технически используемые принципы пропорцио-нальности и аддитивности цветовых сигналов не отражают реальность. Повидимому, цветоразличение (и его высокая чувствительность) является не внутренним свойством отдельных колбочек, а результатом совместного действия многих элементов сетчатки, итогом пространственного и временного интегрирования и усреднения.
Можно считать твердо установленным, что для создания совершенной системы цветовоспроизведения по-требуется смешение не трех основных цветов, а по крайней мере десяти - двенадцати. Все это объясняет многочисленные расхождения между рекомендациями и выводами МКО (которые и сами постоянно изменяются) и цветовыми ощущениями различных наблюдателей.
2.3 Физические эффекты, пригодные для использования в индикаторной технике , исключительно разнообразны. Перечислим основные из них, придерживаясь хронологического принципа.
1. Свечение вольфрамовой нити помещенной в вакуум и раскаленной пропусканием через нее электри-ческого тока (накальные индикаторы).
2. Свечение, сопровождающее электрический разряд в газах (газоразрядные индикаторы).
3. Предпробойная электролюминесценция порошковых люминофоров в переменном электрическом поле (злектролюминесцентные индикаторы).
4. Инжекционная люминесценция монокристалличсских полупроводников с p—n переходами (полудроводниковые индикаторы).
5. Излучение фотолюминофоров, нанесенных на полупроводниковые излучатели; возможны два крайних ва-рианта: антистоксовый люминофор на ИК излучателе и «обычный» фотолюминофор на излучателе сине-фиолетового диапазона (пока рипотетическая модель).
6. Электролюминесценция тонких поликристалличских полупроводниковых пленок в постоянном и перемнном электрических полях (тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы).
7. Низковольтная катодолюминесцнция (вакуумные люминесцентные индикаторы).
8. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах (жидкокристаллические индикаторы).
9. Изменение окраски вещества при пропускании через него электрического тока (электрохромные индика-торы).
10. Электрооптические явления в сегнетоэлектриках, обладающих эффектом двойного лучепреломления (сегнетоэлектрические индикаторы).
11. Гальваническое осаждение и растворение тонкопленочных металлических рисунков (электролитические индикаторы).
12. Перемещение заряженных коллоидных частиц под действием постоянного электрического поля (элек-трофоретические индикаторы).
13. Разнообразные обратимые электро- и фотохимические процессы (электрохимические индикаторы).
14. Измнение оптических свойств вещества при переходе из жидкой фазы в парообразную при нагрве электрическим током (парожидкостные индикаторы).
Солоставление этих эффектов позволяет сделать ряд обобщенйй:
— все виды индикаторов можно подразделить на индикаторы с активным и пассивным растрами. К первой группе относятся приборы на основе светогенерациоиных эффектов (1—7), приборы второй группы требуют внешней подоветки (8—14);
— в светогенерационных индикаторах выделяются приборы с прямым (2, 3, 4, 6) и двухступенчатым (1, 5, 7) преобразованием электрической энергии в световую;
- индикаторы с пассивным растром могут быть основаны на измнении коэффициентов отражения (8, 11, 12, 13. 14), пропускания (8, 12, 13), поглощения (9, 13) света и на вращении плоскоста поляризации (8, 10);
— управлевие индикаторами может осуществляться электрическим током (1, 4, 5, 6, 14), напряжением (2, 3,
6, 7, 8, 10, 12), зарядом (9, 11);
— в качестве активных сред в индикаторах выступают металлы (1, 11), монокристаллы (4, 5), твердые по-ликристаллические вещества (6, 9, 10), порошки (3, 7), жидкости (8, 12), газы (2, 14);
—наиболыпее распространение получили полупроводниковые, газоразрядные и жидкокристаллические ин-дикаторы.
3. «ТРИ КИТА» ИНДИКАТОРНОЙ ТЕХНИКИ
3.1 Полупроводниковые индикаторы (ППИ) примечательны прежде всего тем, что могут перекрыть весь видимый диапазон спектра (рис. 3.4). Яркое и чистое свечение, удобство управлеиия, экономичность, технологичность, долговечность открывают перед этими приборами безграничные перспективы.
Исторически освоение цветовой гаммы идет справа налево: от красного, через оранжевый и желтый к зеле-ному. Это было связано со значительными успехами в области технологии синтеза GaAsP и GaP. Наиболь-шие принципиальные трудности вызывает получение синего света, однако следует заметить, что когда эти трудности будут преодолены, то такой материал, как GaN,
может оказаться одним из самых дешевых, так как выращивается в виде тонких пленок на сапфировых под-ложках. Решение проблемы эффективного синего излучателя откроет путь для создания единой технологии индикаторов всех цветов, основанной на преобразовании этого излучения в более длинноволновое с использовани-ем подходящих фотолюминофоров.
В полупроводниковых индикаторах используются две основные конфигурации высвечиваемых элементов:
— семисегментная (рис. 3.5,а), позволяющая воопроизводить все дсять цифр и несколько букв (цифровой индикатор);
— матричная (рис. 35,6) с числом точк 36 (7x5+1), воспроиэводящая все цифры, буквы и знаки стан-дартного кода для обмна информацией (универсальный цифро-буквенный индикатор).
Для малых по размеру индикаторов используется монолитная конструкция, для больших — в целях экономии дорогостоящих материалов — гибридная, т. е. наборная из отдельных кристаллов. Высокая яркость свечения светодиодоа позволяет использовать различные способы увеличения изображевия. Кроме простейшего линзового увеличения (8 на рис. 1.8,6) достаточно широко используются «псевдосветоводные» конструкции (рис. 3.6). Здесь кристалл помещн в основании конически расширяющейся прорези в пластмассовой пластине. Иногда внутренние стенки такого световода металлизируют, а сверху помещают пластмассовую линзорастровую пластину, «выравнивающую» яркость свечения по площади прорези. Такая конструкция позволяет получать светящиеся площадки, на порядок превышающие площадь кристалла. Основная масса полупроводниковых индикаторов имеет малые размеры знаков (Н=3 ... 7,5 мм), использование оптического увеличения позволяет продвинуться до Н = 12,5 ... 17,5 мм, в наборных конструкциях реализуют Н = 25 ... 50 мм, что позволяет считывать информацию с расстояния 10 ... 15 м.
Для удобства применения изготавливаются многоразрядные индикаторы (три, четыре, шесть, девять и т. д. знаков в одном корпусе), иногда в тот же корпус помещается и монолитная схема управления (дешифратор-формирователь).
Важной и сложной является задача получения приборов с перестройкой цвета свечения. Простейшее реше-ние — помещение нескольких разных кристаллов в один корпус — для индикаторов не подходит. Могут использоваться (GaP-светодиоды, легированные одновременно азотом, кислородом и цинком, у которых при повышении инжекционного тока последовательно наблюдается красное, желтое, зеленое свечение. Однако цветовая насыщенность таких приборов невысока. Более перспективными представляются структуры с двумя p—n - переходами и с общей базовой областью.
Усложнение светоизлучающего элемента позволяет расширить его функциональные возможности и в схемо-техническом плане. Так, в GaP- структуре типа р+ —n—і—n+ фоточувствительная і - область образует внутреннюю положительную обратную связь, поэтому такой светодиод имеет динисторную вольт-амперную характеристику, т. е. обладает «памятью».
Прогресс физики и технологии светоизлучающих диодов позволяет перейти к созданию монолитных много-элементных матриц: вполне достижимо получение 103 ... 104 светящихся точек (т. е. 30 ... 300 знаков) на одном кристалле площадью 1,5 ... 15 см2. Такие матрицы явятся элементарной ячейкой наборного полупроводникового экрана, для технической реализации которого необходимо решение проблем многоуровневой коммутации, отвода тепла, схем управления. При использовании элементов, обладающих памятью и перестройкой цвета, могут быть созданы достаточно экономичные, малогабаритные, многоцветные экраны индивидуального использования с объмом одновременно отображаемой информа-ции, эквивалентной 0,3—0,5 стр. машинописного текста.
3.2 Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) относятся к «молодым» и бурно прогрессирующим оптоэлектронным прибором. Жидкокристаллическое состояние вещества характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть) и кристалла (оптическая анизотропия). Такое состояние может обнаруживаться в некотором температурном интервале между точкой кристаллизации Тк и точкой превращения вещества в однородную прозрачную жидкость Тж . Имеется несколько структурных разновидностей жидких кристаллов (ЖК); для индикаторных приборов используются нематические ЖК, характеризующиеся следующими основными особенностями:
— молекулы этих веществ имеют сильно вытянутую, нитевидную конфигурацию;
— в равновесном состоянии проявляется тенденция к ориентации больших осей молекул вдоль какого-то преимущественного направления;
— межмолекулярные взаимодействия очень слабы, поэтому структура жидкости (характер ориентации мо-лекул) может легко изменяться под влиянием внешних воздействий;
— имеет место оптическая и электрическая анизотропия: значения показателей преломления и диэлектрической постоянной в направлении вдоль больших осей молекул (n11 и 11 ) и перпендикулярно ему (n и ) различны (ЖК — кристаллы с двойным лучепреломлением);
— В зависимости от знака величины =11 – 1 различают положительную и отрицательную диэлектри-ческую анизотропию — при приложении электрического поля молекулы ЖК первого типа ориентируются вдоль поля, второго типа — поперек поля;
— наличие анизотропии и возможность перестройки структуры проявляются в двух разновидностях электро-оптических эффектов; изменение характера поляризации проходящего (отраженного) света и изменение коэффициента отражения (пропускания) света.
В качестве жидких кристаллов могут выступать очень многие органические соединения (тысячи), наи-лучшие для технических применений результаты дают их смеси. «Классическими» нематическими смесами являются МББА (н- (п-метоксибензилиден) — п- (н-бутиланилин)) и ЭББА (н- (п-этоксибензилиден) — п- (н - бутиланилин)), обеспечивающие получение Тжк =Тж —Тк =15 ... 70°. Среди всех структурных разновидностей жидких кристаллов нематические отличаются наименьшей вязкостью, что обеспечивает их наибольшее быстродействие, определяемое временем переориентации молекул ~10-1 с (и до ІО-2 ... 10-3 с в специальных рабочих режимах). Удельное сопротивление нематических ЖК очень велико (~1017 Ом*см и для его некоторого уменьшения (что порой необходимо) в жидкость вводятся органические примеси, при диссоциации которых возникают свободные ионы.
Исторически первым электрооптическим эффектом, использованным в индикаторной технике, стал эффект динамического рассеяния. Если к слою слегка проводящего нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируются поперек поля, а возникающий поток ионов стремится ларушить эту ориентацию.
При некотором значении тока проводимости возникает состояние турбулентности, разрушающее ранее упо-рядоченную структуру ЖК. Беспрерывные хаотические изменения показателя преломления участков жидкости вызывают рассеяние света (отсюда и название эффекта), внешне проявляющееся как помутнение ЖК. Вольт-контрастная характеристика ЖКИ представлена на рис. 3.7.
Лучшие характеристики индикаторов дает использо-
вание твист-эффекта, суть которого заключается в сле-
дующем. В зазоре между двумя пластинами тем или
иным способом достигают «скручивания» номатической
структуры ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда
их большие оси параллельны ограничивающим по-
верхностям, а направления этих осей вблизи одной и
другой пластин взаимно перпендикулярны (рис. 3.8,а).
В толще жидкости ориентация молекул меняется
постепенно от верхней граничной ориентации к
нижней. Технологически такая скрученная струк-
тура достигается, например, путем однонаправ-
ленного натирания внутренних поверхностей
стеклянных пластин во взаимно перпендикуляр-
ных направлениях, что и ведет к соответствующей
ориентации молекул.
Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на п/2. Если к ячейке приложить электрическое поле, то (при условии использования материалов с положительной диэлектрической анизотропией) все молекулы ориентируются вдоль поля (рис. 3.8,6) и эффект скручивания пропадает. Теперь слой жидкости не изменяет поляризации проходящего через него света. Помещая на входе и выходе ячейки поляроидные пластины, преобразуют модуляцию поляризации света в амплитудную.
Твист-эффект в отличие от эффекта динамического рассеяния является чисто полевым: для его реализации пропускание тока через структуру не нужно. Это дает существенный выигрыш в энергопотреблении.
Устройство жидкокристаллического индикатора (рис. 3.9) достаточно просто, здесь удобно реализуюгся современные плоские панельные конструкции. Для получения низких управляющих напряжений (единицы вольт) зазор между пластинами должен быть небольшим (~10-3 см), а используемая жидкость должна
иметь круто нарастающую вольт-контрастную характеристику (рис. 3.7). Характерно, что стоимость ЖКИ (в отличие от полупроводниковых) очень мало зависит от их площади — изготавливаются приборы с высотой цифр от 3 до 500 мм. Используются конструкции, работающие как в отраженном свете (большинство типов), так и в проходящем. Все ЖКИ работают на переменном токе; при попытках использовать постоянное управляющее напряжение оказываются существенными электролитические эффекты и срок службы прибора становится недопустимо малым.
Жидкие кристаллы представляют собой достаточно удобную основу для создания информационных табло повышенной информационной емкости и экранов мало-кадрового телевидения. Причины этого—малая потреб-ляемая мощность, высокая контрастность, низкое питающее напряжение, технологичность. Основные сложности связаны со схемами управления:
низкое быстродействие 
ЖКИ затрудняет использование мулыиплексных режи-
мов, приводит к созданию ЖК матриц с большим коли-
чеством внешних выводов. Перспективы преодоления
этой проблемы видятся в разработке конструкции экра-
на, в которой вместо одной из стеклянных обкладок
обычного ЖКИ используется кремниевая пластина,
содержащая схему управления и имеющая на своей
поверхности матрицу элементарных электродов.
Каждый из этих электродов является оптическим
отражателем. Такое технологическое совмещение растра
и схемы управления резко сокращает число внешних
выводов.
Совершенствование ЖКИ ведется в направлении получения цветных изображений (для этого привлекаются иные, отличные от описанных, электрооптические эффекты), повышения быстродействия, долговечности (значения, близкие к 105 ч, представляются вполне реальными), создания злементов с встроенной памятью.
3.3 Газоразрядные индикаторы (ГРИ) являются примером того, как влияние конструкторско-технологических идей микроэлектроники заново преобразует «старую» традиционную область техники.
Основу любого прибора этого класса составляет элементарный газоразрядный промежуток (рис. 3.10). За-жигание и поддержание разряда требует высокого напряжения (Uзаж 80 ... 400 В, Uгор 50 ... 300 В), ток близок к 1 мА. Заполнение рабочего объема неоном дает оранжевое свечение, а гелием и аргоном — желтое и фиолетовое. Возможно и непрямое преобразование энергии: разряд в ксеноне (УФ излучение) в сочетании с фотолюминофорами желаемого цвета свечения. Инерционность газового разряда определяется в основном временами его гашения (10-7 ... 10-8 с) и исчезновения плазмы (10-6 ... 10-4 с).
Используются два основных режима работы. В режиме постоянного тока обязателен балластный резистор,
необходим и элемент гашения разряда. Взаимодействие газа с электродами (рис. 3.10,а) сопровождается катодным распылением, особенно интенсивным при минусовых температурах. Значительно перспективнее высокочастотный разряд, для которого характерны самоограничение и отсутствие непосредственного кон-такта газа с электродами (рис. 3.10,6).
Среди газоразрядных индикаторов выделяют: знаковые, шкальные и универсальные (плазменные
панели). На смену громоздкой пакетной конструкции газоразрядной лампы с десятью изолированными катодами, высвечивающими отдельные цифры, пришел многоразрядный монодисплей панельного типа, один из вариантов которого представлен на рис. 3.11. Его характерные особенности: плоскостность, малая толщина (несколько миллиметров), простота конструкции (всего четыре детали) и технологии. Две плоские электродные решетки из ковара, получаемые штамповкой или травлением, закрепляются на отдельных стеклянных пластинах, после чего части собранного пакета соединяются в горячем состоянии. Затем пакет вакуумируется, заполняется газовой смесью и герметизируется. Кроме катодных линейных элементов, формирующих изображение, электродные решетки содержат и внешние выводы.
Имеется много разновидностей сегментных ГРИ, но все они однотипны с описанным прибором. Типичные значения высоты знаков составляют 5... 16 мм, число разрядов 3 ... 9. Для питания необходимо напряжение постоянного тока 170 ... 200 В.
Универсальный индикалэр или плазменная панель представляют собой двухкоординатную матрицу, содер-жащую не менее 104 ... 105 элементарных газоразряд-
ных ячеек. Разрабатываются панели постоянного и переменного тока, т. е. с внутренними и внешними элек-тродами (рис. 3.12). Высокочастотный экран питается двумя возбуждающими напряжениями от генераторов Г1 и Г2 (рис. 3.12,в): синусоидальным опорным с частотой в несколько килогерц, поддерживающим разряд, и записывающим (или стирающим) в виде коротких прямоугольных импульсов, «поджигающих» ту или иную ячейку.
В конструкциях рис. 3.12 центральная мозаичная пластина служит для изоляции разрядных промежутков друг от друга, ею определяется разрешающая способность экрана, близкая к 10 ... 20 лин/см. Ограничения области разряда можно добиться и без перегородок повышением давления газовой смеси, которое ведет к стягиванию плазменного шнура, возникающего в месте пересечения возбужденных X- и У-электродов. Идя по этому пути, можно существенно повысить разрешающую способность,
особенно у панелей переменного тока.
Высокое напряжение питания и большое число эле-ментов
требуют довольно сложных схем управления. Тем не менее
на основе как биполярных, так и МОП-транзисторов и спе-
циальных интегральных схем удается изготовить достаточно
компактные плоские устройства, размещаемые на задней
стороне панели. Схемы управления не только воспроизводят
на экране требуемые образы, но и позволяют изменять интен-
сивность свечения, обеспечивая передачу до нескольких
десятков полутонов (градаций яркости). Для уменьшения чис-
ла выводов от панели и упрощения схемы управления используют
принцип самосканирования, для реализации которого в
центральной пластине делают специальные отверстия, соеди-
няющие определенным образом соседние ячейки друг с другом.
Вследствие этого зажженное состояние, созданное в одной
ячейке, последовательно перемещается по всем элементам
строк и столбцов экрана. Для получения цветного изображения
изготавливается прозрачная панель (рис. 3.13), каждый слои
которой генерирует свечение определенного цвета (обычно К—О—В),
а требуемая окраска обеспечивается соответствующим управлением
этими слоями. Возможно и другое решение задачи: в панели
с ксеноновым наполнением (УФ излучение) создается сложное
люминофорное покрытие (подобное триадам ТВ экрана), а
газовый разряд «включает» нужный цвет.
Уменьшить напряжение и мощность управляющих сигналов можно
лишь введением в электрическую схему дополнительных электродов.
При сохранении напряжения анод — катод на уровне 200 ... 400 В
для включения разряда в трехэлектродной схеме необходимо лишь
20 ... 40 В, а в четырехэлектродной (тиратронной) — 2 ... 6 В. Мощность,
потребляемая управляющей цепью, может быть снижена до 10-4 ...10-5
Вт, и устройство оказывается полностью совместимым со стандартными
биполярными и МОП-интегральными схемами. Но для практической
реализации указанных преимуществ необходимо создание индикаторов
тиратронного типа в панельной конструиции методами пленочной
технологии. Важнейшая задача совершенствования плазмечных панелей
всех видов заключается в повышении их долговечности до 104 . . . 105 ч
на основеоптимизации конструкции, тщательного подбора материалов и
отработки мас-сового производства.
4. Применение индикаторов
Применение индикаторов характеризуется прежде всего тем, что именно этими приборами электроника широко входит в быт человека. Можно упомянуть такие изделия, как электронные цифровые часы (рис. 3.21), калькуляторы, автомобильные индикаторные панели, настроенные шкалы радиоприемников, указатели программ телевизоров, индикаторы кухонного оборудования.
В промышленности эти приборы являются обязательным элементом периферийных устройств ЭВМ, автоматизированных систем управления, контрольно-измерительной аппаратуры, сервисных устройств транспортных и связных систем. В военной технике системы отображения информации необходимы на командных пунктах, в различных навигационных устройствах, системах наведения, в приборных щитах самолетов, танков, подводных лодок ...
Все это предопределяет массовое производство индикаторных приборов: годовой выпуск приборов (в пере-счете на знак) превышает 1 млрд., объем производства почти такой же, как у диодов всех типов, очень высоки и темпы роста — удвоение объема за 5—6 лет.
Индикаторные средства играют решающую роль в переходе от телефона к терминалу и к видеотелефону; в будущем найдут свое разрешение проблемы твердотельного телевидения, электронной книги и газеты. Не исключено, что совершенствование полупроводниковых светоизлучающих диодов даст в конце концов средство для воспроизводимого получения тех 10 млн. оттенков, которые насчитывают наиболее полные цветовые каталоги; решит все сегодняшние проблемы колориметрии; породит новые виды изобразительного искусства и в конечном счете начнет активно воздействовать на формирование эстетического мира человека.
5. Четыре поколения индикаторных приборов
Четыре поколения индикаторных приборов может быть выделено на основе ретроспективного и перспек-тивного анализа их развития. Первое поколение характеризуется небольшим числом используемых физических принципов, низкими значениями к. п. д. и яркости, малыми информационными возможностями (Nэл 1 ••• 10), болыиими габаритами, одноцветностью, высоким управляющим напряжением, малой долговечностью (103 ч), высокой стоимостью, ограниченным применением. Типичными представителями этого поколения являются газоразрядные пакетные индикаторы (типа «Никси»), первые образцы
ЭЛИ.
К типичным представителям второго поколения индикаторных приборов следует отнести полупроводнико-вые и жидкокристаллические индикаторы, многоразрядные люминесцентные и плазменные монодисплеи. Эти приборы характеризуются высокой яркостью свечения и контрастностью, экономичностью, приемлемой долговечностью (104 ч), невысокой стоимостью. Эти каче-ства, а также повышенная информационная емкость (Nэл 10 ••• 103 ), совместимость с интегральными схемами управления обеспечивают широкое и многообразное применение индикаторов второго поколения. Как тенденция, проявляющаяся в отдельных представителях этого поколения, эти приборы характеризует многоцветность. Переход от первого поколения ко второму стал возможен благодаря привлечению новых физических эффектов и широкому и последовательному внедрению плоскостных конструкций и групповых методов обработки.
Третье поколение будет базироваться в основном на тех же физических принципах, что и второе, однако совершенствование новых материалов и технологии позволит достигнуть еще большей экономичности и ин-формационной мощности (Nэл 104 ••• 105 ); долговечность превысит 104 ... 105 ч; многоцветность станет обя-зательным качеством табло и экранов. Совмещение с устройством управления избавит потребителя от труд-ностей применения и благодаря низкой стоимости распространение информационных средств станет повсеместным. Неким прообразом изделия третьего поколения могла бы служить трехцветная плазменная панель, существенно усовершенствованная в направлении экономичности, миниатюризации схем управления, повышения долговечности и надежности и снижения стоимости.
Четвертое поколение индикаторных приборов можно наметить лишь контурно. Это полностью твердотельные квазимонолитные всецветные универсальные экраны с встроенным управлением, плоской конструкции с рабочей площадью от 1 до 104 см2 . Срок службы должен превышать (5...7)*104 ч. Электронное обрамление экранов неизбежно должно будет использовать новые методы обращения с информацией. Не исключено также, что в этих приборах будут частично проявляться черты устройств отображения последующих поколений, в частности способность воспроизведения объемных голографи-ческих образов. Создание устройств четвертого поколения потребует не только коренного изменения технологии (совмещение групповой обработки с непрерывными процессами), но и открытия новых физических эффектов и синтеза новых совершенных материалов. Тем не менее большинство прогнозов сходится на том, что к начаяу XXI века это будет реализовано.