Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і
 Скачать 40.81 Mb.
|
|
34)Індикаторні прилади: газорозрядні, напівпровідникові, рідиннокристалічні. Робота , параметри. Індикатори газорозрядні, газонаповнені прилади для візуального відтворення інформації. У І. р. використовується головним чином свічення катодної області тліючого розряду . Вони мають високу надійність, довговічність (до 10 000 ч ), велику яскравість (сотні — тисячі ніт ), малу споживану потужність. Розрізняють І. г сигнальні, в яких інформація представляється у вигляді крапки або малої області, що світиться (неонові індикаторні лампи і індикатори малих рівнів напруги); знакові, в яких інформація представляється у вигляді різних знаків, що утворюються електродами, що світяться, мають окремі виводи; лінійні (аналогові і дискретні), в яких інформація представляється у вигляді стовпчика (довжина його пропорційна силі струму, що протікає через прилад), що світиться, або у вигляді крапки, що світиться (положення крапки визначається числом імпульсів, поданих на вхід пристрою, керівника роботою індикатора); матричні, в яких інформація представляється у вигляді сукупності крапок, що світяться, на плоскому екрані, що складається з декількох десятків тисяч газосвітних вічок, створюючих матрицю з лав і стовпців. Про вживання І. р. див.(дивися) в ст. Індикатор, Відображення інформації пристрій . 1.1.5. Графические полупроводниковые индикаторы Графические индикаторы (ГИ) являются сточки зрения отображаемой информации наиболее универсальными и позволяют воспроизводить любую информацию. Конструктивно выполнены по гибридной технологии на держателе, состоящем из нескольких сформированных пластифицированных керамических лент, на которые металлизированной пастой наносится определенная топология рисунка электрической схемы с посадочными местами для светоизлучающих кристаллов. Излучатели закрываются крышкой со световодами, заполненными прозрачным компаундом. Выпускаемые графические индикаторы имеют 64 излучающих элемента (8X8), размещенных в корпусе размером 10X10 мм или 20X20 мм. Среди графических индикаторов имеется прибор ИПГ01А-8Х8Л, основанный на принципе двои- ного преобразования электрической энергии (излучателя GaAs и антистоксового люминофора. Конструкция графических индикаторов позволяет осуществить бесшовную стыковку, что дает возможность использовать их для создания табло, экрана или бегущей строки. Использование одного графического индикатора неэффективно и нецелесообразно. 1.2. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНДИКАТОРОВ Для того чтобы система или устройство отображения информации с применением ППИ работала надежно и эффективно, необходимо разработчику знать полную характеристику применяемого индикатора. Система параметров, наиболее полно описывающая все свойства и особенности ППИ, включает в себя параметры, характеризующие ППИ как элемент системы оператор — индикатор и определяющие качество отображения информации и надежность ее восприятия параметры, характеризующие ППИ как элемент электрической цепи параметры, характеризующие возможность функционирования ППИ в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов (вибрации, ударов, температуры и т. п параметры, характеризующие надежность работы. 1.2.1. Светотехнические и эргономические параметры полупроводниковых индикаторов К первой группе параметров относятся светотехнические и эргономические параметры. Основным светотехническим параметром для ППИ в СССР и за рубежом принята сила света, определяемая согласно [5] как световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Для практических целей применяются несколько понятий силы света [6], которые приведены в табл. 1.1 35)Оптоелектронні прилади. Робота, параметри. 1. Оптоелектронний перемикач представляє гібридну мікросхему, що містить оптоелектронну пару і підсилювач. У перемикачі використовуються високоефективні світлодіоди на основі apceніда галію, легованого кремнієм, і швидкодіючі кремнієві p - i - n-фотодіоди. Імерсійної середовищем єхалькогенідні скло з показником заломлення 2,7. Коефіцієнт передачі струму в оптоелектронної парі становить 3-5 при нормальній температурі, часи включення (сума часів затримка і наростання фронту) 100-250 пс, гальванічна розв'язка ланцюга світлодіода і фотоприймача по постійному струмі 10 вересня Ом. Мікросхема виконана у круглому металлостеклянном корпусі типу ТО. 2. Оптоелектронний ключ призначений для комутації високовольтних ланцюгів змінного і постійного струмів. Він має чотири незалежні канали, кожний з яких містить дві оптоелектронні пари, що складаються з світлодіода і високовольтного p - i - n - фотодіода. Фотодіоди з'єднані зустрічно-послідовно, тому опір ключа в замкненому стані (за відсутності струму через світлодіоди) незалежно від полярності прикладеної напруги визначається темнового опору зміщеного в зворотному напрямку p - i - n-фотодіода; значення його становить приблизно 10 9 Ом. 3. Транзисторний ключ призначений для комутації постійних напруг до 50 В. Прилад має два незалежних канали, кожний з яких містить оптоелектронну пару, що складається з арсенідгалліевого світлодіода і кремнієвого n - p - i - фототранзистора Оптоелектронна пара має коефіцієнт передачі струму 2, номінальний робочий струм 10 мА, швидкодія в режимі посилення 100-300 нс. 4. Комутатор аналогових сигналів призначений для застосування в системах селективної обробки аналогових сигналів. Електрична схема одного каналу комутатора наведена на рис. 1. Канал містить оптоелектронну пару, що складається з арсенідгалліевого світлодіода і двох зустрічно включених n - i - n-фотодіодів, виконаних водному монокристалі. Рис. 1. Електрична схема оптоелектронного комутатора аналогових сигналів На рис. 2 показані електричні схеми деяких інших типів оптоелектронних мікросхем. Ключова мікросхема (риса включає в себе швидкодіючу діодну оптоелектронну пару, узгоджену з монолітним кремнієвим підсилювачем. Вона призначена для заміни трансформаторних і релейних зв'язків у логічних пристроях ЕОМ і дискретної автоматики. Аналоговий ключ (рис. 2, б відноситься до лінійних схемами з оптоелектронним управлінням. При потужності керуючого сигналу 60-80 мВт параметри переривника досягають значень, необхідних для стандартних напівпровідникових мікросхем. Оптоелектронні малопотужні реле постійного струму (рис. 2, в призначені для заміни аналогових електромеханічних реле з швидкодією в мілісекунди діапазоні і гарантованим числом спрацьовувань 10 4 -10 Рис. 2. Електричні схеми деяких типів оптоелектронних мікросхем: а - ключова мікросхема; б - аналоговий ключ в - реле постійного струму. Рис. 3. Електрична схема оптоелектронних мікросхем серії 249 Представляють інтерес оптоелектронні мікросхеми серії 249, в яку входять чотири групи приладів, що представляють собою електронні ключі на основі електролюмінесцентних діодів і транзисторів. Електрична схема всіх груп приладів однакова (рис. 3). Конструктивно мікросхеми оформлені в прямокутному плоскому корпусі інтегральних мікросхем з 14 висновками і мають два ізольованих каналу, що зменшує габарити і масу апаратури, а також розширює функціональні можливості мікросхем. Світлодіоди виконані на основі кремнію і мають п + - p - n i - n + - структуру. Наявність двох каналів в ключі дозволяє використовувати йогов якості інтегрального переривника аналогових сигналів і отримувати високий коефіцієнт передачі сигналу (10-100) при включенні фототранзисторів за схемою складеного транзистора. Оптоелектронні прилади Робота оптоелектронних приладів заснована на електронно-фотонних процесах отримання, передачі та зберігання інформації. Найпростішим оптоелектронним приладом є оптоелектронна пара, або оптрон. Принцип дії оптрона, що складається з джерела випромінювання, імерсійної середовища (світловода) і фотоприймача, заснований на перетворенні електричного сигналу в оптичний, а потім знову в електричний. Оптрони як функціональні прилади володіють наступними перевагами перед звичайними радіоелементу: повної гальванічною розв'язкою «вхід - вихід» (опір ізоляції перевищує 10 грудня - 10 14 Ом абсолютної перешкодозахищеністю в каналі передачі інформації (носіями інформації є електрично нейтральні частинки - фотони); односпрямованістю потоку інформації, яка повязана з особливостями поширення світла; широкополосностью з-за високої частоти оптичних коливань, достатнім швидкодією (одиниці наносекунд високим пробивним напругою (десятки кіловольт); малим рівнем шумів; гарною механічною міцністю. По виконуваних функцій оптрон можна порівнювати з трансформатором (елементом зв'язку) при реле (ключем). У оптрони приладах застосовують напівпровідникові джерела випромінювання - світловипромінюючі діоди, виготовлені з матеріалів сполук групи А III B V, серед яких найбільш перспективні фосфід і арсенід галію. Спектр їх випромінювання лежить в області видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання (0,5 - 0,98 мкм. Светоїзлучающие діоди на основі фосфіду галію мають червоний і зелений колір світіння. Перспективні світлодіоди з карбіду кремнію, що володіють жовтим кольором світіння і працюють при підвищених температурах, вологості і в агресивних середовищах. Світлодіоди, що випромінюють світло у видимому діапазоні спектра, використовують в електронних годинниках і мікрокалькуляторах. Светоїзлучающие діоди характеризуються спектральним складом випромінювання, який досить широкий, діаграмою спрямованості; квантової ефективністю, яка визначається відношенням числа випускаються квантів світла до кількості пройшли через p - n-перехід електронів; потужністю (при невидимому випромінюванні) і яскравістю (при видимому випромінюванні); вольт- амперними, люмен-амперними і ват-амперними характеристиками швидкодією (наростанням і спадом електролюмінесценції при імпульсному порушенні), робочим діапазоном температур. При підвищенні робочої температури яскравістьсвітлодіода падає і знижується потужність випромінювання. Основні характеристики світловипромінюючих діодів видимого діапазону наведено в табл. 1, а інфрачервоного діапазону - в табл. 2. Таблиця 1 Основні характеристики світловипромінюючих діодів видимого діапазону Тип діода Яскравість, кд / м 2, або сила світла, мккд Постійне пряме напруга, В Колір світіння Постійний прямий струм, мА Маса, г КЛ А - ВАЛА- ГАЛА- Г 10 - 20 кд / м 2 40 - 250 мккд 150 - 1500 мккд 5,5 2,8 2,0 - 2,8 Жовтий Червоний, зелений Червоний, зелений 10 - 40 5 - 20 10 - 20 0,03 0,25 0,25 Светоїзлучающие діоди в оптоелектронних приладах з'єднуються з фотоприймачами імерсійної середовищем, основною вимогою до якої є передача сигналу з мінімальними втратами і спотвореннями. У оптоелектронних приладах використовують тверді імерсійним середовища - полімерні органічні сполуки (оптичні клеї та лаки, халькогенідні середовища та волоконні світловоди. У залежності від довжини оптичного каналу між випромінювачем і фотоприймачем оптоелектронні прилади можна підрозділити на оптопари (довжина каналу 100 - 300 мкм, оптоізолятори (дом) і волоконно-оптичні лінії зв'язку - ВОЛЗ (до десятків кілометрів). Таблиця 2. Основні характеристики світловипромінюючих діодів інфрачервоного діапазону Тип діода Повна потужність випромінювання, мВт Постійне пряме напруга, В Довжина хвилі випромінювання, мкм Час наростання імпульсу випромінювання, нс Час спаду імпульсу випромінювання, нс Маса, г АЛ103 А, БАЛА- ДАЛА, БАЛА АЛ109 А АЛ115 А 0,6 - 1 (при струмі 50 мА) 0,2 - 1,5 (при струмі 100 мА) 6 - 10 (при струмі 100 мА) 1,5 (при струмі 100 мА) 0,2 (при струмі 20 мА) 10 (при струмі 50 мА - 400 - 300 500 20 - 1000 - 500 0,1 0,5 0,2 0,15 0,006 0,2 До фотоприймача, використовуваним в оптрони приладах, пред'являють вимоги за узгодженням спектральних характеристик з випромінювачем, мінімуму втрат при перетворенні світлового сигналу в електричний, фоточутливості, швидкодією, розмірами фоточутливої майданчики, надійності і рівню шумів. Для оптронів найбільш перспективні фотоприймачі з внутрішнім фотоефектом, коли взаємодія фотонів з електронами усередині матеріалів з певними фізичними властивостями призводить до переходів електронів в обсязі кристалічної решітки цих матеріалів. Внутрішній фотоефект проявляється двояко у зміні опору фотоприймача під дією світла (фоторезистори) або в появі фото-ерс на межі розділу двох матеріалів - напівпровідник- напівпровідник, метал-напівпровідник (вентильні фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори). Фотоприймачі з внутрішнім фотоефектом підрозділяють на фотодіоди (з p - переходом МДП- структурою, бар'єром Шоттки), фоторезистори, фотоприймачі з внутрішнім посиленням (фототранзистори, складові фототранзистори, фототиристори, польові фототранзистори). Фотодіоди виконують на основі кремнію і германію. Максимальна спектральна чутливість кремнію 0,8 мкм, а германію - до 1,8 мкм. Вони працюють при зворотному зміщенні на p - n-переході, що дозволяє підвищити їх швидкодію, стабільність і лінійність характеристик. Найбільш часто в якості фотоприймачів оптоелектронних приладів різної складності застосовують фотодіоди p - i - n-структури, де i - збіднена область високого електричного поля. Змінюючи товщину цій галузі, можна отримати хороші характеристики по швидкодії і чутливості за рахунок малої ємкості і часу прольоту носіїв. Підвищеними чутливістю і швидкодією мають лавинні фотодіоди, що використовують посилення фотоструму при множенні носіїв заряду. Однак у цих фотодіодів недостатньо стабільні параметри в діапазоні температур і потрібні джерела живлення високої напруги. Перспективні для використання в певних діапазонах довжин хвиль фотодіоди з бар'єром Шотткі таз МДН-структурою. Фоторезистори виготовляють в основному з полікристалічних напівпровідникових плівок на основі з'єднання (кадмію з сіркою та селеном. Максимальна спектральна чутливість фоторезисторів 0,5 - 0,7 мкм. Фоторезистори, як правило, застосовують при малій освітленості; по чутливості вони порівнянні з фотоелектронного помножувача - приладами з зовнішнім фотоефектом, але вимагають низьковольтного живлення. Недоліками фоторезисторів є низька швидкодія і високий рівень шумів. Найбільш поширеними фотоприймачами з внутрішнім посиленням є фототранзистори і фототиристори. Фототранзистори чутливіші фотодіодів, але менш швидкодіючі. Для більшого підвищення чутливості фотоприймача застосовують складовою фототранзистор, що представляє поєднання фото-і підсилювального транзисторів, однак він має невисоким швидкодією. У оптронах в якості фотоприймача можна використовувати фототиристори (напівпровідниковий прилад з трьома p - переходами перемикається при освітленні), який володіє високими чутливістю і рівнем вихідного сигналу, але недостатньою швидкодією. Різноманіття типів оптронів визначається в основному властивостями і характеристиками фотоприймачів. Одне з основних застосувань оптронів - ефективна гальванічна розв'язка передавачів і приймачів цифрових і аналогових сигналів. У цьому випадку оптрон можна використовувати в режимі перетворювача або комутатора сигналів. Оптрон характеризується допустимим вхідним сигналом (струмом управління), коефіцієнтом передачі струму, швидкодією (часом перемикання) і навантажувальною здатністю. Відношення коефіцієнта передачі струму до часу перемикання називається добротністю оптрона і становить 10 5 - 10 6 для фотодіодному і фототранзісторних оптронів. Широко використовують оптрони на основі фототиристори. Оптрони на фоторезистора не набули широкого поширення із-за низької тимчасової і температурної стабільності. Схеми деяких оптронів наведено на риса- м SHAPE \ * MERGEFORMAT Рис. 4. Схеми оптронів з фотодіодів а фототиристори б фототранзисторів в складовим фототранзисторів г і розріз оптрона д 1,4 - приймач і джерело світла, 2 - світловод, 3 - омические контакти Як когерентних джерел випромінювання застосовують лазери, що володіють високою стабільністю, добрими енергетичними характеристиками та ефективністю. У оптоелектроніці для конструювання компактних пристроїв використовують напівпровідникові лазери - лазерні діоди, що застосовуються, наприклад, у волоконно- оптичних лініях зв'язку замість традиційних ліній передачі інформації - кабельних і дротяних. Вони володіють високою пропускною здатністю (смуга пропускання одиниці гігагерц), стійкістю до впливу електромагнітних завад, малою масою і габаритами, повною електричною ізоляцією від входу до виходу, вибухо-і пожежобезпечність. Особливістю ВОЛЗ є використання спеціального волоконно-оптичного кабелю, структура якого представлена на рис. 5. Промислові зразки таких кабелів мають згасання 1 - 3 дБ / км і нижче. Волоконно-оптичні лінії зв'язку використовують для побудови телефонних і обчислювальних мереж, систем кабельного телебачення з високою якістю переданого зображення. Ці лінії допускають одночасну передачу десятків тисяч телефонних розмов і декількох програм телебачення. Рис. 5. Структура волоконно-оптичного кабелю. 1, 3 - захисна та скловолоконна оболонки, 2 - пластмасове покриття, 4 - скловолоконна центральна жила Останнім часом інтенсивно розробляються і набувають поширення оптичні інтегральні схеми (ОІВ), всі елементи яких формуються осадженням на підкладку необхідних матеріалів. Перспективними в оптоелектроніці є прилади на основі рідких кристалів, широко використовуються як індикаторів в електронних годинниках. Рідкі кристалиявляють собою органічну речовину (рідина) з властивостями кристала і знаходяться в перехідному стані між кристалічною фазою і рідиною. Індикатори на рідких кристалах мають високу роздільну здатність, порівняно дешеві, споживають малу потужність і працюють при великих рівнях освітленості. Рідкі кристали з властивостями, схожими з монокристалами (нематики, найбільш часто використовують у світлових індикаторах і пристроях оптичної пам'яті. Розроблені і широко застосовуються рідкі кристали, що змінюють колір при нагріванні (холестерика). Інші типи рідких кристалів смектики) використовують для термооптичний запису інформації. Оптоелектронні прилади, розроблені порівняно недавно, отримали широке поширення в різних галузях науки і техніки, завдяки своїм унікальним властивостям. Багато хто з них не мають аналогів у вакуумній і напівпровідниковій техніці. Однак існує ще багато невирішених проблем, пов'язаних з розробкою нових матеріалів, поліпшенням електричних та експлуатаційних характеристик цих приладів та розвитком технологічних методів їх виготовлення. |