Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
13.1. Вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ) ВЛИ относятся к активным источникам излучения, преобразующим электрическую энергию в световую. Используются в микрокалькуляторах и ЭВМ, кассовых аппаратах, электронных часах и приборах. ВЛИ (см. рис. 13.1) представляет собой электронную диодную или триодную систему, в которой под воздействием электронной бомбардировки высвечиваются покрытые низковольтным катодолю- минофором сегменты – аноды (рис. 13.1). Рис. 13.1. Конструктивная схема электровакуумного люминесцентного накаливаемого индикатора (поперечный разрез) Низковольтная вакуумная катодная люминесценция носит рекомбинационный характер люминофор бомбардируется электронами, что приводит к нарушению его термодинамического равновесия. Появляются активные электроны и дырки, которые рекомбинируют между собой, излучая фотоны. Низковольтная катодолюминесценция возникает при небольших ускоряющих напряжениях, приложенных между анодом и катодом (единицы – десятки Вольт. ВЛИ выпускаются одноразрядные и многоразрядные, в цилиндрических и плоских баллонах, с различными размерами знаков – типа ИВ, ИВЛ (люминесцентные, например, ИВ имеет 24 вывода, яркость 500 кд/м 2 (для сравнения – цветной кинескоп – 300 кд/м 2 ), – шкальные – ИВЛШ, – со встроенным управлением – ИВЛШУ, – матричные – ИВЛМ, – одноцветные и многоцветные индикаторы типа ИЛТ (бытовые. Формирование изображения на информационном поле ВЛИ осуществляется статическим или мультиплексным (динамическим) способами. Статический способ – возбуждающие сигналы подаются на аноды – сегменты и изображение знака формируется одновременно. При динамическом способе возбуждающие сигналы подаются в определенной последовательности с заданной частотой, создавая эффект непрерывного свечения. Частота должна быть не ниже 50 Гц во избежание мелькания изображения. 13.2. Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ ЭЛИ предназначены для отображения различной информации в системах управления и контроля. В них также используется явление люминесценции, заключающееся в том, что некоторые вещества способны излучать свет под действием электрического поля. ЭЛИ в простейшем случае (рис. 13.2) представляет собой плоский конденсатор с диэлектриком – слоем органической смолы с люминесцентным порошком на основе сульфида или селенида цинка (ZnS, ZnSe). Добавление активаторов обеспечивает цвет свечения зеленый, голубой, желтый, красный, белый. Принцип действия индикатора переменное напряжение прикладывается к токопроводящим пластинам, под действием созданного электрического поля в слое люминофора возникает свечение. Электрод (металлический) имеет форму букв или цифр или сегментов для получения синтезируемых знаков или геометрических фигур. Электрод 2 – оксид олова – сплошной и прозрачный. Наиболее распространены буквенно-цифровые сегментные индикаторы (для изображения цифр используются 7 – 9 сегментов, 19 сегментов используются для изображения всех букв русского и латинского алфавита. Рис. 13.2. Cтруктура электролюминесцентного индикатора ЭЛИ делают обычно с пластмассовым корпусом, питание осуществляется переменным напряжением частотой 400 – 1200 Гц. Линейные размеры могут быть от единиц до десятков мм. Потребление – от долей мА до десятков мА. Срок службы – несколько тысяч часов. Яркость изображения – хорошая. Недостаток – сложная система управления. 13.3. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) ЖКИ – это пассивные приборы, в основу работы которых положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели (коэффициенты отражения, преломления, поглощения) под влиянием внешнего электрического поля. При этом вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участков, к которым приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок определенной конфигурации. Жидкокристаллическим (меза- морфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию (неодинаковость) физических свойств, присущую твердым кристаллами текучесть, характерную для жидкостей (производные бензола, стероидов и других соединений. Характерная особенность жидких кристаллов (ЖК) – молекулы имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. ЖК – диэлектрики, имеющие удельное сопротивление R уд. = 10 6 - 10 10 ОМ*см. Плотность ЖК близка к плотности воды. Конструктивная схема элемента ЖКИ показана на рис. 13.3. В ЖК используются три основных электрооптических эффекта – эффект, связанный сдвижением молекул вещества – динамическое рассеяние (ДР – эффект, связанный с поворотом молекул твист-эффект (ТЭ); эффект гость – хозяин ( Г - Х ). Рис. 13.3. Конструктивная схема элемента ЖКИ: 1 – стеклянные пластины 2 – склеивающее соединение 3 – передний прозрачный электрод (например, двуокись олова 4 – ЖК; 5 – задний отражаюший или прозрачный электрод ЖКИ могут быть двух классов – работающие на просвети работающие на отражение. Отражающие не требуют специальной подсветки. Работающие на просвет предполагают наличие дополнительного освещения. В зависимости от вида используемого электрооптического эффекта технология изготовления ЖКИ различна. Например, в ЖКИ, работающих на эффекте ДР с отражением, на поверхности проводящих слоев наносится тонкое химически инертное прозрачное покрытие. В ЖКИ, использующих отражение и твист-эффект (ТЭ), помимо стеклянных пластин имеются поляризаторы, внутренние поверхности пластин полируются. В индикаторах Г-Х один слой (хозяин) взаимодействует смоле- кулами другого слоя (гостя. Слой ЖК-хозяина за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает окраску гостя, а под действием электрического поля – обесцвечивается. Есть и такие, что под действием электрического поля окрашиваются. Эти цветовые различия хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности. ЖКИ, работающие в условия низкой освещенности (менее 35 Кд/м 2 ), работают с подсветкой. Для подсветки используют миниатюрные лампы накаливания. Достоинством ЖКИ является малое потребление – на эффекте ДР – ( 5 – 10) мкВт/см 2 ; – на эффекте ТЭ – не более 20 мкВт/см 2 ЖКИ хорошо совместимы с КМОП микросхемами. Рабочие напряжения ЖКИ ДР не более 20 В, а на ТЭ – 5 В. Срок службы ЖКИ при эксплуатации достигает 40 тысяч часов (на переменном токе. Недостаток – низкое быстродействие (особенно при пониженных температурах) и зависимость параметров от температуры окружающей среды. Управление ЖКИ обычно осуществляется сигналами переменного тока, т.к. долговечность ЖКИ, работающих на постоянном токе, оказывается на порядок ниже. Часто используют так называемый фазовый метод управления, при котором на общий электрод на задней поверхности и электроды на передней поверхности подаются прямоугольные импульсы, сдвинутые на 180 0 при возбуждении, и без сдвига при отсутствии возбуждения. 13.4. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы (ППЗСИ) ППЗСИ – это низковольтные приборы, основу которых составляет полупроводниковый диод, в p – переходе которого в результате рекомбинации электронов и дырок при их инжекции генерируется световое излучение. ППЗСИ удобно совмещаются с уровнями токов микросхем. Приборы имеют достаточно хороший уровень яркости, однако обладают относительно высокими уровнями рабочих токов. Основные материалы для изготовления ППЗСИ – твердые растворы арсенид галия и Р – фосфид галия. Пример единичные ППЗСИ – светодиоды АЛ 102, АЛ 307, структуры которых показаны на рис. 13.4. Рис. 13.4. Структурные схемы единичных ППЗСИ Многоэлементные ППЗСИ Выпускаются несколько сотен типов. Они различаются числом элементов, размерами, конфигурацией, цветом свечения, конструкцией. По числу элементов и их взаимному расположению в пределах поля одного разряда различают четыре типа знаковых индикаторов 1. Семисегментный – может быть цифровой, буквенно- цифровой 2. Девятисегментный – для изображения цифр и набора букв русского и латинского алфавита 3. 35 сегментный матричный – универсальный, позволяет изменять начертания отдельных символов 4. Пятисегментный – дополнение к девятисегментному, предназначен для изображения символов полярности и переполнения в цифровых устройствах. Пример цифрового индикатора, в котором каждый элемент – светодиод, показан на рис. 13.5. Рис. 13.5. Вид и схема одноразрядного семисегментного индикатора 13.5. Дисплеи Дисплей – это оконечное устройство информационных систем, служащее для визуального отображения информации и связи человека вычислительным устройством (может быть в наручных часах, калькуляторах и т. п. Все дисплеи можно разделить на два класса излучающие свети модулирующие свет. Светоизлучающий дисплей должен давать свечение достаточной яркости, особенно, если дисплей используется при дневном освещении. Важен цвет свечения человеческий глаз наиболее чувствителен к желтому и желто-зеленому цвету. Изображение должно быть контрастным. Контраст – это отношение максимальной яркости к минимальной. Учитывая, что человеческий глаз не различает изменения, происходящие быстрее, чем за 0,1 сот дисплеев не требуется большое быстродействие. Разрешающая способность дисплея оценивается минимальным размером наблюдаемого элемента. Это может быть квадрат со стороной не менее 50 мкм. У многих дисплеев этот элемент больше и зависит от яркости и расстояния до наблюдателя. Многие дисплеи обладают памятью, те. способностью сохранять изображение после снятия питания или с малым потреблением. Основные типы светоизлучающих дисплеев а) электронно-лучевые устройства, (электронно-лучевые трубки б) дисплеи на СИД (светоизлучающих диодах) обычно имеют размер несколько сантиметров и низкое напряжение питания (В в) дисплеи на газоразрядных элементах (плазменные, имеют два взаимно-перпендикулярные системы электродов в виде проводящих полос. Между электродами – ячейки с инертным газом (неон, ксенон или смесь. На этом принципе делаются газоразрядные индикаторные панели (ГИП). ГИП могут иметь, например, 512 горизонтальных и 512 вертикальных полос. Разрешающая способность (2 – 3) линии на 1 мм. Неон дает оранжевое свечение. С люминофором на электродах можно получить другой цвет. Питание ГИП возможно постоянным или переменным током г) электролюминисцентные дисплеи составлены из ЭЛИ. Основные типы светомодулирующих дисплеев – жидкокристаллический (ЖКД) имеет малую мощность, низкую стоимость. Может быть малого (в часах) и большого (в ноутбуках) размера – электрохромные (ЭХД) – основаны на использовании электро- хромного эффекта, состоящего в том, что некоторые вещества под действием электрического поля или при прохождении тока меняют свой цвет. Например, О – триоксид вольфрама. Его пленка под напряжением приобретает синий цвет. Требуемое напряжение (0,5 – 1,5) В. При перемене полярности напряжения пленка приобретает исходный цвет. Недостаток – невысокое быстродействие, небольшой срок службы – электрофорезные дисплеи (ЭФД) используют явление электрофореза под действием электрического поля в жидкости перемещаются взвешенные частицы (пигмент в окрашенной жидкости, притягиваются к электродам, образуя знаки, по цвету резко отличающиеся от цвета жидкости. Напряжение для ЭФД составляет десятки Вольт. Срок службы – десятки тысяч часов, быстродействие – низкое. Лазеры Принцип действия лазера основан на использовании синхронного и синфазного излучения атомов, те. когерентного излучения. Идея высказана советским учёным В.А. Фабрикантом в 1939 году. Пусть есть цепочка атомов, вытянутых в одну линию, . Если эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то фотон внешний, ударив в крайний атом, вызовет излучение нового фотона, тот будет вызывать еще один и т.д. Световой поток увеличивается во много раз, теоретически до ≈ 10 20 раз. Образуется огромное количество фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения, те. получается когерентное излучение. Реально не все атомы могут быть возбуждены, поэтому могут поглощать энергию фотона и уменьшают усиление света. Если число невозбужденных атомов равно числу возбужденных, никакого усиления излучения не будет. Чтобы произошло усиление когерентного излучения, необходимо в большинстве атомов переселить электроны на более высокие энергетические уровни (на удаленные от ядра орбиты) и сохранять это состояние достаточное время. С этой целью к данному веществу, называемому активной средой рабочим веществом, нужно подводить каким-то образом энергию, вызывающую возбуждение атомов. Этот процесс называется накачкой. Работу лазера (оптического квантового генератора) можно пояснить следующим образом (рис. 13.6): Рис. 13.6. Иллюстрация работы лазерного излучателя В пространстве, заполненном активной средой, между двумя плоскими зеркалами, одно из которых (2) – полупрозрачное, движется поток излучаемых фотонов от зеркала 1 к зеркалу 2. Большая часть этого потока излучается через зеркало 2 во внешнюю среду в виде когерентного луча, а небольшая часть движется обратно, увеличиваясь по пути, затем отражается от зеркала 1, вновь движется к зеркалу 2, частично отражается и т.д. Для поддержания атомов в возбужденном состоянии служит внешний источник энергии, осуществляющий накачку. Основные свойства лазерного излучения 1. Весьма малая расходимость луча (т.к. это поток параллельно летящих фотонов) – тысячные доли градуса. 2. Лазерное излучение с помощью собирающих линз и зеркал можно сфокусировать в точку диаметром 0,5 мкм. (Если такой луч послать к Луне, то он высветит пятно диаметром 30 м. 3. Высокая монохроматичность, те. практически излучение идет на одной единственной частоте и имеет единственную длину волны. Полоса, которую занимает когерентное излучение лазера, составляет ≈ 10 -3 Гц. 4. Можно в широких пределах управлять длительностью излучения (от длительных до сверхкоротких вспышек – 10 -15 с. При этом мощность излучения оказывается очень большой, что приводит кто- му, что вещества могут изменять свои свойства под действием лазерного излучения. Интенсивность такого излучения высока (при фокусировке до 10 20 Вт/см 2 ), напряженность электрического поля в луче достигает 10 11 В/см. Под действием такого поля многие вещества подвержены ионизации атомов и расщепляются на электроны и положительные ионы. Типы лазеров [51] 1) Жидкостные лазеры, имеющие в качестве активной среды растворы органических красителей. Длина волны излучения λ = 0,3 – 1,3 мкм (от ультрафиолетового до инфракрасного излучения 2) Газовые лазеры, в которых под действием накачки происходит дисссоциация молекул газа и их возбуждение. Распространены СО - лазеры, которые могут иметь мощность до 10 кВт, λ ≈ мкм, η ≈ 40%. Имеется несколько разновидностей газовых лазеров а) фотодиссационные; б) газоразрядные, имеющие в качестве активной среды разреженный газ, накачка в них осуществляется тлеющим разрядом (аргоновые, ионные лазеры в) лазеры на атомных переходах λ = (0,4 – 100) мкм. (Гелиево- неоновые лазеры, накачка осуществляется тлеющим разрядом переменным напряжением U = 1000 В г) молекулярные лазеры λ= (0,2 – 50) мкм - разновидность – газодинамический СО - лазер, позволяет получить большую мощность (до 100 кВт - эксимерные лазеры – накачка быстрыми электронами, среда – инертный газ, λ = 0,126 мкм (наиболее короткая волна излучения 3) химические лазеры – возбуждение за счет химических реакций 4) полупроводниковые лазеры (твердотельные. В твёрдотельных лазерах когерентное излучение получается при переходе электронов с нижнего уровня зоны проводимости наверх- ний уровень валентной зоны. Существует два типа таких лазеров й тип имеет пластину безпримесного полупроводника, в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией (50 – 100) кЭВ, либо делается оптическая накачка. К таким полупроводникам относятся GaAs (арсенид галия), CdS (сульфид кадмия, CdSe (селенид кадмия. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев, поэтому требуется интенсивное охлаждение (до 80 К. Накачка может быть поперечная либо продольная, последняя позволяет лучше обеспечить охлаждение кристалла полупроводника. й тип – инжекционный лазер, представляющий собой кристалл с особым р – переходом (рис. 13.7). Рис. 13.7. Упрощенная структура твёрдотельного инжекционного лазера Полупроводник имеет высокую концентрацию примесей (10 18 – 10 19 ) см вырожденный полупроводник. Грани, перпендикулярные плоскости р – перехода отполированы и служат зеркалами оптического резонатора. На переход подается прямое смещение, происходит активная рекомбинация носителей (GaAs), генерируется излучение с длиной волны λ = 0,8 – 0,9 мкм и коэффициентом полезного действия η = (50 – 60)%. Такой лазер размером 1 мм дает мощность излучения до 10 мВт (в импульсе до 100 Вт. Применение лазерного излучения В настоящее время область применения лазерного излучения стремительно расширяется. Быстро развивается нелинейная оптика – область физики, изучающая взаимодействие лазерного излучения с различными веществами Лазерный луч может проникать через вещества, непрозрачные для обычного света. Может наблюдаться изменение частоты (генерация гармоник) при прохождении лазерного луча через некоторые вещества. При этом достигается кпд около 100 %. Лазерное излучение способно управлять движением атомов. Взаимодействие лазерного луча с атомами вещества вызывает появление в спектре этого вещества новых линий, по которым можно судить о новых свойствах этого вещества (нелинейная лазерная спектроскопия. Важнейшая область применения – связь. Высокая направленность и огромный частотный диапазон позволяют разместить в узком диапазоне большое число передач. В космосе лазерный луч позволяет осуществить связь на огромные расстояния. На земле высококачественная связь лазерным лучом осуществляется по оптоволоконным линиям (световодам. В густом тумане лазерный луч позволяет использовать связь на расстоянии сотен метров. Лазерное излучение используется в локаторах, в геодезических измерениях, при обработке твердых материалов, в качественных видео и звукозаписях, в медицине (лазерный скальпель, в биологии – для изучения процессов фотосинтеза и т.п. Лазеры, использующие излучение СВЧ-диапазона (сантиметровые и миллиметровые волны, называют мазерами [51]. |