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.
|
|
26. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 26.1. Общие сведения В современных информационных системах широкое применение находят разнообразные устройства отображения информации, обеспечивающие представление информации в удобной для визуального восприятия форме. Основными компонентами этих устройств являются электронные приборы отображения информации (индикаторные приборы или индикаторы, с помощью которых из электрических сигналов получают видимое изображение цифр, букв, геометрических фигур, мнемосхем и пр. Всё многообразие современных электронных индикаторных приборов можно классифицировать последующим признакам по назначению и по физическим принципам визуализации электрических сигналов. По назначению различают следующие категории индикаторных приборов одноразрядные буквенно-цифровые индикаторные приборы, многоразрядные буквенно-цифровые индикаторы, шкальные индикаторы, экранные индикаторы, мнемосхемные индикаторы, циф- роаналоговые индикаторы и др. По физическим принципам визуализации электрических сигналов электронные приборы для отображения информации можно разделить на два класса пассивные и активные. Пассивные не являются источниками света, а модулируют внешний световой поток путём изменения параметров среды, через которую он проходит. К пассивным индикаторам относятся жидкокристаллические, электрофорезные, электрохромные и сегнетокерамические модулирующие приборы. В активных индикаторах происходит преобразование электрических сигналов в оптическое излучение. В группу активных излучающих приборов входят газоразрядные и накаливаемые индикаторы и большая группа электронных приборов отображения информации, использующих явление люминесценции. Люминесценция − световое излучение, возникающее в веществах при возбуждении его с помощью внешних источников энергии так, что внутренняя энергия в нём превышает равновесную приданной температуре. В зависимости от вида источника внешней энергии имеют место различные виды люминесценции. При возбуждении тела быстрыми электронами (или другими частицами) возникает катодолюминесценция. Это явление используется в вакуумных люминесцентных приборах (в ЭЛТ и вакуумных люминесцентных индикаторах. При воздействии на вещество электрическим полем или током возникает электролюминесценция. Возбуждение электрическим полем применяется в порошковых безвакуумных электролюминесцентных приборах, а возбуждение током − в полупроводниковых индикаторах на инжекционных диодах (светодиодах) [15,52]. По способу формирования символов различают буквенно- цифровые индикаторные приборы знакомоделирующего и знакосин- тезирующего типа. В знакомоделирующих индикаторных приборах символы отображаются в виде целостного графического представления. В знакосин- тезирующих индикаторах изображение символа создаётся из отдельных элементов − сегментов или точек. По виду питающего напряжения различают электронные приборы отображения информации постоянного тока, переменного и импульсного тока, а в зависимости от значения питающего напряжения − низковольтные В, средневольтные (U < В для импульсного тока U < В) и высоковольтные (U > В для импульсного тока U > В. К числу основных параметров индикаторных приборов, определяющих качество визуализации информации, относят яркость, спектр излучения, равномерность яркости по поверхности индикатора, помехоустойчивость, массогабаритные характеристики, питающие напряжения, угол обзора и др. В настоящей главе рассмотрены принципы работы и конструкция электронных приборов отображения информации, получивших наиболее широкое применение в современных индикаторных устройствах. 26.2. Электронно-лучевые индикаторы Электронно-лучевые индикаторы, или, каких чаще называют, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) являлись, до последнего времени, наиболее распространенным электронным прибором в технике отображения информации. Широкое развитие телевидения и вычислительных устройств обусловило массовый промышленный выпуск ЭЛТ различных типов. Вместе стем, ввиду необходимости применения в ЭЛТ высоковольтных источников питания, из-за массогабарит- ных показателей и значительных вредных для оператора электромагнитных излучений применение ЭЛТ в современных устройствах отображения существенно сократилось. В ЭЛТ используется явление высоковольтной катодолюминесценции. Оптическое излучение создаётся путём бомбардировки управляемым электронным пучком электрочувствительного материала люминофора. Конструктивные различия трубок и специфика их использования определяются способами управления лучом, конфигурацией электродов трубки и свойствами люминофора. На рис. 26.1 приведено схематическое изображение монохромной ЭЛТ с электростатической фокусировкой и электромагнитным отклонением луча. В ней, как ив любой ЭЛТ можно выделить три основные части электронный прожектор (электронную пушку, отклоняющую систему и экран Э. Электронный прожектор состоит из катода косвенного нагрева К, накаливаемого электрически изолированной от него нитью накала Н, модулятора М, двух ускоряющих электродов УЭ1 и УЭ2 и фокусирующего электрода ФЭ. Электронный прожектор обеспечивает создание электронного луча (ЭЛ) и его фокусировку в точку на экране Э, покрытом люминофором. Катод покрыт оксидной плёнкой, и при нагревании с помощью нити накала интенсивно излучает электроны. При этом электроны имеют некоторую начальную скорость (см/с), определяемую по формуле кинетической теории газов V = [2КТ/m] 1/2 , где К – постоянная Больцмана Т − абсолютная температура, К m − масса электрона. Рис. 26.1. Упрощенная конструкция монохромной ЭЛТ Модулятор М выполнен в виде цилиндра с торцевым отверстием и имеет отрицательный относительно катода потенциал и через него пролетают лишь электроны, попадающие в отверстие. Управляя потенциалом на модуляторе, можно регулировать интенсивность пучка. Ускоряющие электроды и фокусирующий электрод образуют систему двухэлектронных линз. Первая обеспечивает фокусирующее действие между модулятором Ми первым ускоряющим электродом УЭ1, вторая линза, образованная фокусирующим электродом ФЭ и УЭ2, обеспечивает максимальное схождение электронного луча на поверхности экрана Э. Электроды представляют собой цилиндры с одной или несколькими диафрагмами, обеспечивающими задержание рассеиваемых от оси пучка электронов. Отклоняющая система обеспечивает управление положением электронного луча в плоскости экрана. По способу управления отклонением электронного луча различают трубки с электростатическими магнитным управлением. На рис. 26.1 схематически представлена конструкция ЭЛТ с магнитной отклоняющей системой. Магнитная отклоняющая система представляет собой две пары катушек ОК, создающих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Результирующее поле заставляет электроны двигаться по спирали с радиусом ), /(eB mv r где m, e − масса и заряд электрона v − скорость электрона В − магнитная индукция. По выходе из магнитного поля электроны продолжают двигаться по касательной к спирали и пересекают экран в точке, удаление которой от оси трубки зависит оттока в ОК. Изменяя токи в парах катушек, получают отклонение луча в двух плоскостях. Значение полученного таким образом отклонения равно 2 1 / УЭ OC M U H k h , где к − коэффициент пропорциональности Н напряжённость магнитного поля U 2 УЭ − напряжение на втором УЭ. В ЭЛТ с электростатическим управлением электронная пушка имеет практически такую же конструкцию, но для управления отклонением электронного луча применяют электрическое поле. При этом отклоняющая система представляет собой две пары пластин, расположенных взаимно перпендикулярно и симметрично относительно оси трубки. Луч на экране смещается в двух плоскостях на величины, прямо пропорциональные напряжениям U OC , приложенным к отклоняющим пластинами обратно пропорциональные напряжению на втором ускоряющем электроде, те 2 / УЭ ОС Э U U к h , где к − коэффициент пропорциональности. Сравнивая полученные выражения для Э и замечаем, что отклонение электронного пучка в ЭЛТ с электростатическим управлением в 2 УЭ U раз сильнее зависит от напряжения на ускоряющем электроде УЭ 2 . Поэтому при одинаковых значениях напряжения U 2 УЭ в ЭЛТ с магнитным управлением обеспечивается больший угол отклонения электронного пучка (до 110˚), чем в ЭЛТ с электростатическим управлением (до 30˚). Соответственно при заданном значении отклонения электронного пучка в ЭЛТ с магнитным управлением может быть подано более высокое ускоряющее напряжение U 2 УЭ , чем в ЭЛТ с электростатическим управлением, что позволяет повысить яркость получаемого изображения. Кроме того, в ЭЛТ с магнитным управлением обеспечивается более качественная фокусировка электронного луча, а, следовательно, и лучшее качество изображения. Для обеспечения высокой скорости движения электронов (яркости пятна) в ЭЛТ с электростатическим управлением необходимо подавать на электроды напряжение в несколько сотен и тысяч вольт. Всё это предопределило предпочтительное применение ЭЛТ с магнитным управлением в дисплеях ЭВМ. ЭЛТ с электростатическим отклонением применяют в случаях, требующих высокой точности адресации и скорости отклонения, например в осциллографии. В телевизионном вещании, в дисплеях ЭВМ и других современных устройствах отображения информации применяются ЭЛТ с воспроизведением цветных изображений. Известно несколько различных конструкций цветных ЭЛТ, отличающихся способами генерации цвета с многослойным люминофорным покрытием экрана, с теневой маской, с щелевой маской и др. Здесь ограничимся рассмотрением принципа воспроизведения цветных изображений на примере цветной ЭЛТ с теневой маской (рис. 26.2). Рис. 26.2. Схематическое изображение цветной ЭЛТ с теневой маской В ЭЛТ с теневой маской реализуется принцип получения цветных изображений за счёт смешения красного, зелёного и синего цветов, каждый из которых создаётся своим управляемым пучком электронов и трёхцветным люминофором. Изменяя относительную яркость каждого из цветов, можно получить широкую цветовую гамму. Поэтому конструктивно цветные ЭЛТ содержат три самостоятельных электронных прожектора, пучки которых сфокусированы на некотором расстоянии от экрана (см. рис. 26.2). В плоскости пересечения лучей расположена цветоотделительная (теневая) маска − тонкая металлическая пластина с большим числом отверстий, диаметром не более 0,25 мм. Экран цветной ЭЛТ состоит из множества люминесцирующих ячеек, по числу отверстий в маске. Каждая ячейка состоит из трёх круглых элементов люминофора (красного, зелёного и синего цвета свечения. Расстояние между маской и экраном подобрано так, что после прохождения отверстия маски электроны каждого пучка попадают на элементы экрана, люминесцирующие определённым цветом. Глаз человека воспринимает суммарное свечение всех ячеек, интегральные цвета которых зависят от интенсивности электронного пучка каждого электронного прожектора. 26.3. Вакуумно-люминесцентные индикаторы В этих приборах используется явление низковольтной вакуумной катодолюминесценции. Конструктивно прибор представляет собой стеклянный баллон круглой или плоской формы с высоким вакуумом. Внутри баллона расположены оксидный катод прямого накала, анод и сетка. Аноды выполняют в форме сегментов или точек (в матричном индикаторе) с нанесением на них люминофора [15,52]. Перед анодом располагается сетка, имеющая мелкоячеистую структуру с тонкими токонесущими элементами (рис. 26.3). Триодная структура прибора позволяет управлять индикатором по двум независимым входам (аноду и сетке. Для запирания индикатора на сетку и соединённый с ней экран подаётся небольшое отрицательное напряжение (от −2 до −3 вольт) по отношению к катоду. Для включения индикатора к сетке и к тем анодным сегментам, которые участвуют в формировании символов, прикладывают положительный потенциал. Остальные аноды-сегменты находятся под потенциалом катода. Рис. 26.3. Триодная структура вакуумного электролюминесцентного индикатора [52] Сетка создаёт почти равномерный поток электронов в плоскости анодов. Электроны, коллектируемые включёнными анодами- сегментами, возбуждают люминофор, вызывая свечение анодов, а электроны идущие на выключенные аноды, отражаются от анода и собираются экраном. Подключением анодов-сегментов в опреде- лённых комбинациях к источнику положительного напряжения можно получить требуемый светящийся знак. Цвет свечения индикатора (зелёный или красный) зависит от типа применяемого люминофора. Как правило, вакуумные люминесцентные индикаторы используются при одинаковых анодном и сеточном напряжениях. Напряжение может быть постоянными импульсным. Постоянное напряжение может составлять U a ≈ 20… 30 В. Импульсное напряжение ограничивается сверху величиной 70 В. При этом, эквивалентное по влиянию на яркость импульсное напряжение 5 / 2 q U U аном импа , где q − скважность импульсов [52]. Тогда, при U имп a = 70 В, получим эквивалентные по яркости номинальные напряжения U a ном 30 В, при q ≈ 8,5 ином В, при q ≈ 30. В многоразрядных индикаторах одноимённые сегменты всех разрядов обычно конструктивно объединены. Управление осуществляется в динамическом режиме, когда в определённые моменты времени требуемые импульсы напряжения подаются одновременно на оп- ределённую сетку и аноды-сегменты. В результате происходит сканирование по знакоместам индикатора. Это уменьшает количество выводов управления и энергопотребление. Вакуумные люминесцентные приборы используются в цифробук- венных, матричных, мнемонических и шкальных индикаторах. Они обладают высокой яркостью, многоцветностью, имеют большой угол обзора, сравнительно небольшое энергопотребление и высокое быстродействие. Недостатки − необходимость иметь три источника питания (накала, сетки, анода, хрупкость конструкции, свойственная вакуумным приборам. 26.4. Электролюминесцентные индикаторы В электролюминесцентных индикаторах оптическое излучение создаётся воздействием электрического поляна вещества − электро- люминофоры. В качестве электролюминофоров используют сульфид цинка (ZnS) с примесями меди, марганца и некоторых других элементов. От типа люминофора и количества примесей зависит цвет излучения. Смешивая различные люминофоры в определённых пропорциях, можно, меняя напряжение, управлять цветом. В качестве приборов отображения информации получили распространение два основных типа электролюминесцентных индикаторов построенных на основе порошковых люминофоров (порошковые фосфоры, возбуждаемые высокочастотным переменным напряжением, и с использованием люминофора в виде тонкой поликристаллической плёнки (сублимат фосфора, возбуждаемые постоянным током. Структура электролюминесцентного индикатора порошкового типа, возбуждаемого переменным напряжением (риса, представляет собой плоский конденсатор, диэлектриком которого 3 служит связующее вещество − композиция органической смолы и люминофора. Один из электродов 2 прозрачный (окись кадмия или двуокись олова, другой 4 − металлический, имеющий форму отображаемого знака. Под воздействием поля, создаваемого источником переменного напряжения, возникает свечение участков люминофора 3, контактирующих с знаковым металлическим электродом 4. Стекло 1 выполняет защитную роль индикатора. Эффективная яркость электролюминесцентного индикатора приближённо определяется зависимостью, где С − константа, зависящая от формы возбуждающего напряжения (для синусоидального напряжения СВ константа ω − частота. а) б) Рис. 26.4. Структура электролюминесцентного индикатора (аи зависимость яркости свечения от частоты (б) [5, 39] На рис. 26.4, б представлена зависимость яркости свечения электролюминесцентного индикатора от частоты и напряжения возбуждения. Постоянный уровень яркости можно поддерживать приуменьшении напряжения питания за счёт увеличения частоты возбуждения. В электролюминесцентных индикаторах на основе сублимата фосфора возможна работа на постоянном токе. При этом ввиду малой толщины плёнок рабочие напряжения лежат в пределах 2 − 2,5 В. В зависимости от типа фосфора и примесей, частота излучения лежит в видимой области спектра в диапазоне от 450 нм (голубое свечение) до 600 нм (желто-оранжевое свечение. На основе электролюминесценции и производства новых материалов могут создаваться устройства отображения информации типа электролюминесцентного дисплея (риса. Матричная электролюминесцентная панель для дисплея изготавливается на стеклянной подложке 1 путём последовательного наложения следующих слов прозрачных вертикальных электродов (электродов) 2, слоя элек- тролюминофора 3, горизонтальных электродов (электродов) 4 и влагозащитного слоя 5. В местах пересечения электродов образуются электролюминесцентные конденсаторы, составляющие прямоугольный растр из элементарных ячеек. Для возбуждения ячейки пода тся напряжение нате электроды, между которыми она расположена (рис. 26.5, б. Рис. 26.5. Структура матричного электролюминесцентного экрана По физическим принципам визуализации электрических сигналов электронные приборы для отображения информации можно разделить на два класса пассивные и активные. Пассивные не являются источниками света, а модулируют внешний световой поток путём изменения параметров среды, через которую он проходит. К пассивным индикаторам относятся жидкокристаллические, электрофорезные, электрохромные и сегнетокерамические модулирующие приборы. В активных индикаторах происходит преобразование электрических сигналов в оптическое излучение. В группу активных излучающих приборов входят газоразрядные и накаливаемые индикаторы и большая группа электронных приборов отображения информации, использующих явление люминесценции. Преимущества электролюминесцентных индикаторов − возможность создания информационных полей большой площади равномерность яркости свечения элементов возможность создания многоцветных приборов малая потребляемая мощность возможность регулировки яркости электрическим путём; механическая прочность. Недостатки − высокое напряжение и частота источника питания, снижение яркости в процессе работы, значительная инерционность. |