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.
|
|
26.5. Полупроводниковые приборы отображения информации В полупроводниковых приборах для отображения информации используются свойство светоизлучающего р – перехода. Простейшим полупроводниковым индикатором является светодиод − полупроводниковый прибор, способный генерировать оптическое излучение при протекании через р – переход прямого тока. При прохождении тока через диод в прилегающих кр переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов − электронов и дырок. Часть освобождающейся энергии выделяется при этом в виде квантов излучающейся энергии (электролюминесценция под воздействием тока. Эффект свечения зоны усиливается за счёт отражения света от специально созданных отражающих поверхностей. Основными материалами для изготовления светодиодов служат фосфид галлия (GaP), арсенид-фосфид галлия (GaAs x 1 P x ). Изменяя процентное соотношение в полупроводнике As и Р (значение х, можно подбирать излучаемый видимый свет в диапазоне от красного до голубого. Цвет свечения зависит и от примесных материалов. Так примесь из ZnO обеспечивает получение красного свечения, из азота N− зелёное, а из ZnO и N− желтое и оранжевое и т. д. Изготавливаются светодиодные индикаторы в виде дискретных элементов отображения (риса, в виде монолитных полосково- сегментных приборов, а также в виде матриц с X−Y адресацией. Яркость свечения L светодиода практически пропорциональна числу зарядов, инжектированных р – переходом. Для получения приемлемых значений яркости необходимо обеспечить плотность тока через переход не менее 30 А/см 2 . При обычно используемых размерах необходимо пропускать ток через переход порядка 5 − 100 мА [23]. На рис. 26.6, б приведена люкс-амперная характеристика светодиода. Она имеет нелинейный начальный участок, характеризуемый незначительным эффектом излучения, линейный (рабочий) участок, в пределах которого яркость изменяется враз, и участок насыщения. Изменение яркости на линейном участке обычно аппроксимируют выражением ) ( 0 пор д I I B B , где B 0 − чувствительность по яркости (изменение яркости в кд/м 2 при изменении тока перехода на единицу пор пороговый ток через светодиод (ток вначале линейного участка. У диодов разного типа пор находится вин- тервале 0,1 − 2,5 мА. а) б) в Рис. 26.6. Конструкция светодиодного индикатора (а, его яркостная характеристика (б) и эквивалентная схема (в) На рис. 26.6, в приведена эквивалентная схема светодиода, где R − омическое сопротивление полупроводника и контактов. д и С д − дифференциальные значения сопротивления и ёмкости р – перехода. Промышленностью выпускаются полупроводниковые индикаторы разнообразной структуры − в виде отдельных светодиодов, c помощью которых можно высветить точку − сегментные знакосинтезирующие индикаторы (ЗСИ), с помощью которых можно высветить требуемый символ риса, б, в, г − матричные ЗСИ индикаторы, в которых, включением соответствующих групп светодиодов обеспечивается высвечивание необходимых символов и графиков (рис. 26.7, д − мнемонические ЗСИ, в которых включением соответствующих элементов можно получить требуемую мнемосхему. Рис. 26.7. Возможные структуры полупроводниковых ЗСИ Сегментные ЗСИ выпускаются одноразрядными и многоразряд- ными. В одноразрядных индикаторах объединяются и соединяются с общей подложкой в зависимости от типа ЗСИ либо аноды, либо катоды всех сегментов (риса, б. В многоразрядных индикаторах одноимённые сегменты каждого разряда объединяются в отдельную группу с общим выводом (рис. 26.8, в. При этом индикация осуществляется в динамическом режиме, в котором последовательно высвечивается каждый разряд. Рис. 26.8. Схематичное обозначение полупроводниковых индикаторов а, б) одноразрядного семисегментного; в) многоразрядного; г) матричного К электрической цепи последовательно подключаются катоды светодиодов, общие для всех разрядов, и на высвечиваемые сегменты подаётся электрическое напряжение (мультиплексный режим питания. Матричные индикаторы имеют только мультиплексный режим питания, с последовательным сканированием по строками столбцам. Элемент матрицы является элементом отображения информации и его высвечивание осуществляется при приложении электрического напряжения к шинам соответствующих строки и столбца рис. 26.8, г. Падение напряжения на светящемся полупроводниковом элементе лежит в интервале 1,5… 2,5 В, потребляемый ток одного светодиода − 3…20 мА [15, 23]. При динамическом управлении, когда каждый элемент включается на малый промежуток времени, потребляемая мощность существенно снижается. Для ограничения тока последовательно со светодиодом обычно включают резистор, значение которого определяется из уравнения д д П I U U R / ) ( , где П напряжение питания д, д прямое падение напряжения и ток светодиода. Полупроводниковые индикаторы обладают высокой яркостью, надёжностью, низковольтностью, безинерционностью и механической прочностью, хорошо сопрягаются с микросхемами. Они имеют малые габариты и массу, возможность регулировки яркости и цвета электрическим путём. Недостатки − сравнительно высокое энергопотребление и стоимость. 26.6. Газоразрядные приборы В газоразрядных индикаторных приборах используется явление свечения, наблюдаемое при протекании электрического тока через ионизированный газ. Любой газоразрядный индикаторный прибор представляет собой изолированную от внешней среды ячейку, заполненную инертным газом (обычно неоном Ne или ксеноном Не, внутри которой на близком расстоянии друг от друга расположены два электрода. Если к электродам приложить малое напряжение U < U заж , тов цепи будет протекать малый ток, обусловленный наличием в газе небольшого числа ионов, возникших из-за воздействия теплоты, падающего света, космического излучения и вызванного эмиссией электронов из электрода, находящегося под отрицательным потенциалом (катода. Это темновой разряд, при котором нет видимого свечения газа (участок 1, риса. С повышением напряжения начинается ионизация газа под воздействием электронов, эмитируемых с большой скоростью из катода. При увеличении напряжения до величины U ≥ U заж (точка А на риса) начинается самостоятельный разряд в газе (участок АВ), который поддерживается и при U < U заж . Заточкой В начинается тлеющий разряд, при котором наблюдается свечение газа (участок ВСD). Здесь можно выделить область нормального разряда (участок 2, при U = гори аномального разряда (участок 3), при котором с увеличении тока происходит резкое возрастание падения напряжения на приборе при дальнейшем переходе в дуговой разряд (участок 4). Чтобы тлеющий разряд не переходил в дуговой, последовательно с газоразрядным элементом включают балластный резистор (рис. 26.9, б. Рис. 26.9. Вольт-амперная характеристика газового разряда (аи схема включения газоразрядного индикатора в электрическую цепь (б) [1] Для прекращения газового разряда и гашения прибора необходимо уменьшить напряжение на электродах до величины U < гор. При этом в течение нескольких мкс происходит деионизация газового промежутка. Яркость свечения тлеющего разряда пропорциональна току, причём излучает не весь газовый промежуток, а только узкая область вблизи катода. Для обеспечения свечения по всей площади катода в индикаторных приборах обычно используют аномальную зону тлеющего разряда. Цвет излучения тлеющего разряда зависит от типа инертного газа неон даёт оранжевое свечение, гелий − желтое, аргон − фиолетовое и др. Кроме того, в приборах имеют место инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, под воздействием которых можно вызывать различные цвета свечения, в зависимости от типа используемых в приборах люминофоров. Газоразрядные индикаторные приборы выполняются в виде сигнальных неоновых ламп, линейных (шкальных) индикаторов, знаковых и сегментных индикаторов и газоразрядных индикаторных панелей (ГИП). Последний тип индикаторов находит широкое применение в настоящее время ив ближайшей перспективе и поэтому представляет особый интерес. ГИП называют также газоразрядными матричными панелями или плазменными панелями. Они представляют собой множество светоизлучающих элементов, образуемых на пересечениях ортогональных электродов (анодов и катодов, позволяющих отображать буквенно-цифровую, графическую, мнемоническую и картинную информацию. Существуют три основных типа ГИП плазменных панелей постоянного тока с внешней адресацией, постоянного тока с самосканированием и переменного тока с запоминанием информации [52]. Конструкция ГИП постоянного тока с внешней адресацией изображена на риса. Образующиеся в местах пересечения анодов и катодов светоизлучающие ячейки электрически и оптически изолированы друг от друга с помощью диэлектрической матрицы, отверстия в которой совмещены с местами пересечения электродов. Пространство в ячейках между подложками заполнено газом. а) б) Рис. 26.10. Структура ГИП постоянного тока с внешней адресацией (аи простейшая схема её включения (б) [52] На рис. 26.10, б показана простейшая схема включения ГИП постоянного тока с внешней адресацией с балансными резисторами в цепях столбцов (анодов) б, источниками смещения Е см , возбуждения строк стр и возбуждения столбцов U стб . Одновременное включение ячеек, у которых один из электродов подключён к общему резистору (на рис. 26.10, б электроды, расположенные по столбцу, невозможно. Это обусловлено тем, что после возникновения водной из таких ячеек тлеющего разряда напряжение на общем электроде падает до U = гор, которое всегда меньше U заж и другие ячейки этого столбца включиться не могут. Ячейки одной строки могут включаться одновременно, так как ток в разных ячейках строки ограничивается разными резисторами. Так как ГИП постоянного тока не обладает внутренней памятью, то они работают в режиме с регенерацией изображения при кадровой частоте f k выше критической частоты мель- каний f кчм . Наиболее часто используется построчный режим выборки ячеек, когда одновременно адресуются все ячейки одной строки и последовательно включаются строка за строкой. В этом случае допустимое время выборки для ячейки (элемента отображения) ) /( 1 C k B N f t , где С − число строк, по которым производится развёртка. Существенным недостатком ГИП постоянного тока с внешней адресацией является ограничение информационной ёмкости из-за падения яркости. При строчной адресации кажущаяся яркость определяется формулой С имп каж N B B / , где В имп − импульсная яркость свечения. Так как практически невозможно неограниченно увеличивать импульсную яркость В имп , то как показано в [52] максимальное число строк в ГИП постоянного тока с внешней адресацией при приемлемой яркости может составлять 100 − 200. В связи с этим ограничением они находят применение или в качестве экранов индивидуального пользования с ограниченной информационной ёмкостью (ГИП 10000), или в качестве элементов большого экрана (ИГПП-32 32). ГИП постоянного тока с самосканированием имеют более стабильный режим зажигания. На рис. 26.11 [15] представлены упрощенная конструкция ячейки в ГИП с самосканированием и схематическое изображение процесса самосканирования. Ячейка (риса) имеет аноды индикации 1 и сканирования 4. Вместе с катодами 3 и диэлектрической прокладкой 2 они образуют сообщающиеся между собой разрядные камеры. Причём камеры сканирующей стороны, образованные катодами К − К, сообщаются между собой. Первоначально разряд зажигается на сканирующей стороне катода К (рис. 26.11, б. Для этого на него подают импульс отрицательной полярности, тогда как потенциалы других катодов положительны за счёт напряжения смещения порядка 100 В. В процессе тлеющего разряда появляются ионы, понижающие напряжение возникновения разряда между анодом индикации 1 и катодом Ка также в расположенной рядом и сообщающейся каналом соседней камере сканирования с катодом К. Если теперь на К подать напряжение смещения, на К − отрицательный импульс той же амплитуды, то разряд переместится на катод К. При этом катод К имеет тот же потенциал, что и К, но разряда в нём не произойдёт, так как он расположен дальше от камеры, в которой происходила разрядка, и концентрации носителей заряда в нём недостаточно для возникновения разрядки. Камера с катодом К сообщается также с камерой с катодом К и разряд на катоде К подготавливает разряд на катоде К и т.д. Таким образом осуществляется перенос заряда в заданном направлении. Если при сканировании заряд проходит через все камеры ГИП, то, управляя напряжением анода индикации, можно обеспечить свечение только требуемых ячеек. а) б) Рис. 26.11. Упрощенная конструкция ячейки с самосканированием (аи схематическое изображение процесса самосканирования (б 1 − анод индикации 2 − диэлектрическая прокладка 3 − катод 4 − анод сканирования ГИП переменного тока с запоминанием информации имеет также матричную структуру, образованную взаимно перпендикулярными электродами. В отличие от ГИП постоянного тока их металлические электроды покрыты слоем диэлектрика и гальванически изолированы от газовой смеси диэлектрическими прокладками. По существу ячейка представляет собой конденсатор и через неё может протекать только переменный ток. При подаче на обкладки конденсатора в ячейку) напряжения зажигания возникает разряд в газе, и заряженные частицы попадают на изолированные стенки ячейки, создавая разность потенциалов, препятствующую горению. Если в соответствующий момент изменить полярность приложенного напряжения, то его направление совпадёт с направлением напряжения, созданного зарядом, и вновь возникает разряд в газе. Таким образом, если какая-либо ячейка была включена, то его- рение может поддерживаться подачей внешнего переменного напряжения, которое значительно меньше напряжения первоначального зажигания (примерно 90 и 150 В соответственно. То есть, ячейка ГИП переменного тока имеет два устойчивых состояния (включённое и выключенное) и сохраняет память о своём состоянии. Конструкция ГИП переменного тока показана на риса, б. На двух стеклянных подложках 3 расположен набор параллельных проводников, вертикальных 2 и горизонтальных 4, покрытых слоем прозрачного диэлектрика 1 Между обкладками с помощью герметизирующей рамки 5 образуется камера, заполненная газовой смесью 6. В точках пересечения проводников образуются газоразрядные ячейки. Наборы светящихся ячеек обеспечивают отображение необходимой информационной модели. Для управления ГИП переменного тока требуется генерировать напряжение сложной формы (рис. 26.12, в. Для поддержания существующих разрядов подаётся импульсное напряжение под. Для записи информации в данную ячейку на соответствующую ей пару пересекающихся электродов в интервале между поддерживающими импульсами подаётся импульс записи U зп , суммарная амплитуда которых достаточна для создания разряда в ячейке. Для прекращения разряда (стирания информации) в соответствующий момент подаётся импульс ст, который вызывает разряд конденсатора ячейки, понижая напряжение в газовом промежутке до значения, при котором возникновение повторного разряда от напряжения под становится невозможно а) б) в) Рис. 26.12. Конструкция плазменной панели переменного тока (а, б) и временная диаграмма управляющих напряжений для её работы (в) Плазменные панели обладают рядом преимуществ в отображении информации плоскостность экрана, высокая разрешающая способность, отображение информации в непрерывном режиме без мерцания и искажения изображения, хорошая видимость при ярком освещении. Это делает их одними из наиболее перспективных электронных приборов для устройств отображения информации коллективного пользования. Их существенный недостаток − значительные рабочие напряжения (100 − 250 В) и сложность сопряжения с интегральными микросхемами [15, 52, 5]. 26.7. Жидкокристаллические приборы Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными, они не генерируют света только модулируют внешнее освещение, путём изменения оптической плотности жидких кристаллов (ЖК) при воздействии электрического поля. По способу использования внешнего освещения ЖКИ подразделяют на индикаторы, работающие на просвети на отражение [15, 52, 39]. Конструктивно ЖКИ состоит из двух параллельно расположенных стеклянных пластин, между которыми помещён ЖК (риса) б) Рис. 26.13. Конструкция ЖКИ, работающих на просвета) и на отражение (б − стеклянные пластины 2 − склеивающее соединение 3 − прозрачные электроды 4 − зеркальный (отражающий) электрод 5 − ЖК-вещество На внутренние поверхности пластин нанесены плёночные электроды. Один из электродов выполняется в виде рисунка отображаемого знака, а второй является общим. У ЖКИ, работающих на просвет, оба электрода прозрачны, ау ЖКИ, работающих на отражение, внутренний общий электрод имеет зеркальную поверхность. Для работы в условиях низкой освещённости создаётся подсветка. Для этого в ЖКИ, работающих на просвет, источник света размещают за нижней пластиной, ау работающих на отражение − спереди или сбоку. В матричных конструкциях ЖКИ электроды на обеих пластинах выполняются в виде групп взаимно перпендикулярных линий, создающих матрицу. При подаче напряжения на горизонтальную и вертикальную линии изменение окраски ЖК наблюдается только на участке пересечения соответствующих линий, в котором электрическое поле между электродами имеет достаточно большую напряженность. В зависимости от свойств используемых ЖК возможно получение одноцветных тёмных изображений на светлом фоне, светлых изображений на тёмном фоне или цветных изображений. Жидкокристаллическое (ЖК) вещество представляет собой анизотропную жидкость, те. обладает обычными свойствами жидкости текучесть, поверхностное натяжение, вязкость) и необычным для жидкости свойством − упорядоченностью ориентации молекул. В любой точке ЖК-вещества существует средняя ориентация молекул, характеризуемая единичным вектором, называемым директором (риса) б) в) |