4 Типы газоразрядных приборов

Стабилитроны — приборы тлеющего и коронного разряда. Наиболее распространены стабилитроны тлеющего разряда, работающие, в режиме нормального катодного падения. В последнее время они все чаще заменяются полупроводниковыми стабилитронами.

Поскольку темный разряд, предшествующий тлеющему, не используется, его не показывают на вольтамперной характеристике стабилитрона (рис. 21.6). Точку возникновения разряда А отмечают на вертикальной оси. К тому же миллиамперметр для измерения тока тлеющего разряда не покажет ничтожно малого тока темного разряда.

Рис. 21.7. Стабилитроны тлеющего (а) и коронного (б) разряда

 

Область нормального катодного падения, пригодная для стабилизации, ограничена минимальным током I_min и максимальным I_max. При токе, меньшем I_min, разряд может прекратиться. Ток I_max либо соответствует началу режима аномального катодного падения, либо при нем достигается предельная мощность.

Скачок тока при возникновении разряда может быть различным в зависимости от сопротивленияR_orp. Если оно большое, то появляется сравнительно небольшой ток, а если малое, то возникает большой ток и точка Б перемещается к точке В. Для режима стабилизации это невыгодно, так как участок стабилизации напряжения БВ сокращается. При малом сопротивлении R_orp может даже произойти скачок тока в область аномального катодного падения и стабилизации вообще не получится. Таким образом, ограничительный резистор с достаточным сопротивлением необходим по двум причинам: чтобы не произошло чрезмерного возрастания тока и чтобы мог существовать режим стабилизации напряжения.

Чем больше площадь катода, тем больше участок стабилизации БВ, так как ток I_min остается неизменным, а ток I_max возрастает пропорционально площади катода. Поэтому у стабилитронов катод с большой площадью поверхности. Анод делают малых размеров, но он, конечно, не должен перегреваться от тока I_max.

Наиболее распространены двухэлектродные стабилитроны с цилиндрическим катодом из никеля или стали. Анодом служит проволочка диаметром

1,0—1,5 мм (рис. 21.7,а). Баллон наполнен смесью инертных газов (неон, аргон и гелий) под давлением в тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба).

Основные параметры стабилитрона: нормальное рабочее напряжение, или напряжение стабилизации U_ст, соответствующее средней точке участка стабилизации (см. рис. 21.6), напряжение возникновения разряда U_B, минимальный и максимальный ток I_min и I_max, изменение напряжения стабилизации ΔU_ст и внутреннее сопротивление переменному току R_i. Если требуется пониженное напряжение U_ст, то поверхность катода с внутренней стороны активируется, чтобы облегчить эмиссию электронов под ударами ионов. Применяя разные смеси газов, подбирают нужное значение U_ст.Напряжение U_B обычно превышает напряжение U_ст не более чем на 20 В. Для снижения напряженияU_B на внутренней поверхности катода имеется проводник (он показан на рис. 21.7, а), уменьшающий расстояние между катодом и анодом. Без него стабилитрон работал бы на восходящей (правой) части характеристики возникновения разряда (см. рис. 21.2).

В пределах области стабилизации напряжение U_ст изменяется на значение ΔU_ст, которое не превышает 2 В. Работа стабилитрона с током выше I_max не рекомендуется, так как ухудшается стабилизация и электроды перегреваются. Внутреннее сопротивление стабилитрона переменному току (дифференциальное сопротивление) R_i = Δu_a/Δi_a и значительно меньше сопротивления постоянному току R₀. Если бы стабилизация была идеальной (U_ст = const), то сопротивление R_i было бы равно нулю.

У отечественных стабилитронов напряжение стабилизации бывает от 75 В до нескольких сотен вольт, ток I_min обычно 3 — 5 мА, а I_max — несколько десятков миллиампер.

Рис. 21.8. Схема включения стабилитрона

 

Для стабилитронов коронного разряда характерны высокие напряжения и малые токи. У таких стабилитронов (рис. 21.7,6) электроды цилиндрической формы из никеля. Баллон наполнен водородом, причем напряжение стабилизации зависит от давления газа, которое обычно составляет тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба). Напряжение U_ст при этом несколько сотен вольт. Рабочие токи в пределах 3 — 100 мкА. Внутреннее сопротивление переменному току сотни килоом. Процесс возникновения разряда длится 15 — 30 с. В последнее время выпущены стабилитроны коронного разряда, оформленные в керамических баллонах, на напряжение в десятки киловольт.

Стабилитрон соединяют параллельно с нагрузкой R_H, а последовательно включают резистор R_огр(рис. 21.8). Нагрузкой является тот или иной потребитель (например, анодные цепи и цепи экранных сеток какого-либо усилителя и т. д.), который нужно питать стабильным напряжением. Напряжение источника Е должно быть выше напряжения стабилизации U_ст и достаточным для возникновения разряда в стабилитроне. Чем выше напряжение Е, тем выше должно быть сопротивление R_огр, и тогда стабилизация сохраняется при изменении напряжения Е в более широких пределах. Но при большем ограничительном сопротивлении КПД схемы снижается, так как потери мощности в стабилитроне и резисторе R_огр могут оказаться выше полезной мощности потребителя. Поэтому стабилитроны применяют только для установок небольшой мощности, в которых снижение КПД не так важно, как в мощных установках.

Стабилитроны наиболее часто работают в режиме, когда сопротивление нагрузки неизменно (R_H = const), а напряжение источника нестабильно (Е = var). В этом случае происходит следующее. Когда напряжение источника повышается, то увеличивается ток стабилитрона и почти все изменение напряжения приходится на долю резистора R_огр. Напряжение на стабилитроне и на нагрузке почти постоянно (лишь незначительно возрастает), если изменение тока стабилитрона не выходит за пределы режима нормального катодного падения. Расчет сопротивления R_огр делают по закону Ома. Если напряжение Е изменяется в обе стороны от среднего значения Е_ср, то

R_огр = (Е_ср - U_ст )/(I_ср + I_Н), (21.2)

где I_ср — средний ток стабилитрона, равный 0,5 (I_min + I_max), a I_Н - ток нагрузки, I_Н = U_ст / R_H.

Значение Е_ср определяется по максимальному и минимальному напряжению источника как

Е_ср = 0,5(Е_min + Е_max). (21.3)

После расчета R_огр следует проверить, сохранится ли стабилизация при изменении напряжения отЕ_min до Е_max. Это делается следующим образом.

При изменении тока стабилитрона от I_min до I_max напряжение на R_огр изменяется на ΔE = R_огр (I_max- I_min). Стабилизация возможна при изменении Е не более чем на ΔE. Если ΔE < Е_max - Е_min, то стабилизация будет не во всем диапазоне изменения Е, а только в части его, причем эта часть тем меньше, чем меньше АЕ.

Поскольку I_max и I_min для данного стабилитрона постоянны, то значение АЕ пропорционально R_огр.Но значение R_огр тем больше, чем больше разница между Е и U_ст и чем меньше I_Н. Таким образом, стабилизация в более широких пределах возможна при более высоком напряжении источника и более низком токе нагрузки. Однако при этом снижается КПД.

Если ток нагрузки большой, то сопротивление R_огр мало и стабилизация происходит в очень узких пределах изменения напряжения Е, что невыгодно. Поэтому имеет смысл применять стабилитроны при токах I_Н, не превышающих значительно ток I_max.

Рис. 21.9. Схема понижения стабильного напряжения с помощью добавочного резистора

 

Рис. 21.10. Каскадное включение стабилитронов

 

Для стабилизации более высоких напряжений стабилитроны соединяют последовательно, обычно не более двух-трех. Они могут быть на разные напряжения, но должны иметь одинаковые токи I_min иI_max. Соединенные последовательно стабилитроны используются в качестве делителя, дающего различные стабильные напряжения. Потребители подключаются к одному или нескольким стабилитронам. Например, от трех стабилитронов на 75 В можно получать напряжения 75, 150 и 225 В. Иногда напряжение на потребителе должно отличаться от стандартных напряжений стабилитронов 75, 105, 150 В и так далее или от комбинаций этих напряжений. Тогда включают стабилитрон (или несколько стабилитронов) на ближайшее большее напряжение и поглощают излишек напряжения в добавочном резисторе R_доб, включенном последовательно с резистором R_H (рис. 21.9). Например, если требуется получить стабильное напряжение 120 В при токе I_H = 10 мА, то берут стабилитрон на 150 В, а излишек напряжения 30 В гасят в резисторе сопротивлением R_доб = 30:10 = 3 кОм.

Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как различные экземпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковых напряжений U_B и U_ст. При подаче напряжения на параллельно соединенные стабилитроны разряд возникает, лишь в том, у которого напряжение U_Bнаименьшее. Напряжение на нем скачком понижается, и в остальных стабилитронах разряда не будет. Если бы Он даже и возник, то вследствие различия напряжений стабилизации одни из стабилитронов работали бы с недогрузкой, другие — с перегрузкой. Возможно даже, что какой-то стабилитрон работал бы в режиме аномального катодного падения. Он не будет участвовать в стабилизации, а станет дополнительной бесполезной нагрузкой и уменьшит пределы стабилизации по напряжению. Конечно, можно подобрать близкие по параметрам стабилитроны, но это сложно и ненадежно, так как с течением времени их параметры меняются.

Эффективность стабилизации оценивают коэффициентом стабилизации k_ст. Он показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения стабилитрона ΔU_ст/U_ст меньше относительного изменения напряжения источника ΔЕ/Е, т. е.

k_ст = (ΔЕ/Е) / (ΔU_ст/U_ст) (21.4)

Стабилитрон обеспечивает k_ст = 10 … 20. Например, если k_ст = 10, Е = 200 В и U_ст = 75 В, то при изменении напряжения источника на ΔЕ = 40 В, т. е. на 20%, напряжение стабилитрона изменится только на 1,5 В, т. е. на 2%.

Коэффициент стабилизации увеличивается при каскадном соединении стабилитронов (рис. 21.10). В схеме напряжение первого стабилитрона Л₁ подается через ограничительный резистор R_огр2 на второй стабилитрон Л₂, параллельно которому присоединен потребитель. Если коэффициенты стабилизации стабилитронов k_ст1 и k_ст2, то общий коэффициент стабилизации

k_ст = k_ст1 k_ст2 (21.5)

При двух стабилитронах получается коэффициент k_ст от 100 до 400. Недостаток схемы — снижение КПД, так как потери будут в двух стабилитронах и двух ограничительных резисторах. Более двух стабилитронов обычно не включают. Стабилитрон Л₂ должен быть рассчитан на более низкое напряжение, нежели Л₁. Напряжение U_ст1 можно считать постоянным и вести расчет сопротивленияR_огр2 на ток стабилитрона Л₂, лишь немного превышающий минимальный.

Стабилитроны также применяют для стабилизации напряжения при изменяющемся сопротивлении нагрузки и постоянном напряжении источника Е. Расчет сопротивления R_огр в этом случае проводится описанным методом. Если ток I_Н меняется от минимального значения I_Нmin, соответствующего R_Нmax , до максимального значения I_Нmax, соответствующего R_Нmin, то

R_огр = (Е - U_ст)/( I_ср + I_Нср), (21.6)

где I_ср — средний ток стабилитрона, а I_Нср — средний ток нагрузки,

I_Нср = 0,5 (I_Нmin + I_Нmax). (21.7)

В этом режиме общий ток перераспределяется между стабилитроном и нагрузкой. Например, если ток нагрузки возрастает, то ток стабилитрона почти на столько же уменьшается, а напряжение U_ст и общий ток почти постоянны. Следовательно, и падение напряжения на ограничительном резисторе R_огризменяется незначительно. Так и должно быть, поскольку U_ст + U_r = Е = const.

Конечно, стабилизация возможна при токе стабилитрона в пределах от I_min до I_max. Изменение тока нагрузки не должно превышать наибольшее изменение тока стабилитрона, т. е. условием стабилизации является неравенство

I_Нmax - I_Нmin ≤ I_max - I_min (21.8)

Стабилитрон имеет различное внутреннее сопротивление постоянному и переменному току. Кроме того, значение R₀ в зависимости от тока меняется от единиц до десятков килоом. Например, у стабилитрона, имеющего U_ст = 150 В, I_max =30 мА и I_min = 5 мА, сопротивление R₀ меняется от 5 до 30 кОм. А внутреннее сопротивление переменному току R_i значительно меньше. Пусть, например, для того же стабилитрона при изменении тока от 5 до 30 мА напряжение U_ст меняется на 2,5 В. Тогда

R_i = ΔU_ст / ΔI = 2,5/25 = 0,1 кОм.

Для переменного тока стабилитрон эквивалентен конденсатору большой емкости (при частоте 50 Гц сопротивление 0,1 кОм соответствует емкости 32 мкФ). Поэтому в выпрямителях стабилитроны обеспечивают дополнительное сглаживание пульсаций

Широкое применение получили тиратроны тлеющего разряда (тиратроны с холодным катодом) с тремя или более электродами. Они используются в автоматике, в релейных и счетных схемах, а также в импульсных генераторах и других устройствах. Название «тиратрон» происходит от слова «электрон» и греческого слова thyra (дверь), подчеркивающего возможность «открывания»(отпирания) тиратрона с помощью сетки.

В трех электродных тиратронах тлеющего разряда между анодом и катодом расположен третий электрод, называемый сеткой или пусковым электродом. Сетка в тиратроне обладает более ограниченным действием, нежели в электронных электровакуумных триодах. В последних, изменяя напряжение сетки, можно полностью управлять анодным током, т. е. регулировать его от нуля до максимального значения. А в тиратроне с помощью сетки можно только отпирать тиратрон, но нельзя изменять анодный ток. После возникновения разряда сетка теряет управляющее действие. Прекратить разряд в тиратроне можно только понижением анодного напряжения до значения, при котором разряд не сможет существовать, или разрывом анодной цепи.

На рис. 21.11 показано устройство одного из тиратронов тлеющего разряда. Расстояния между электродами и давление газа подбираются так, что между сеткой и катодом возникает самостоятельный темный разряд при более низком напряжении, чем напряжение между анодом и катодом. А затем может возникнуть тлеющий разряд между катодом и анодом, если напряжение анода будет достаточным. При этом ток сетки составляет единицы или десятки микроампер, а ток анода может быть в тысячи раз большим (единицы или десятки миллиампер). Напряжение возникновения разряда в анодной цепи U_В тем ниже, чем больше ток сетки i_g. Это объясняется тем, что с ростом тока сетки в промежутке сетка — катод увеличивается количество ионов и электронов и облегчается возникновение разряда в анодной цепи.

Рис. 21.11. Устройство и пусковая характеристика тиратрона тлеющего разряда 1 — вторая сетка; 2 — анод; 3 — катод; 4 — первая сетка

 

Зависимость напряжения U_В от тока i_g называется пусковой характеристикой. При отсутствии тока сетки напряжение возникновения разряда максимально. Увеличение тока i_g вызывает снижение напряжения U_В, сначала резкое, а затем медленное. Однако значение U_В не может быть меньше рабочего напряжения U_paб, необходимого для поддержания тлеющего разряда между анодом и катодом. Пусковая характеристика зависит от рода газа, его давления, формы и состояния поверхности электродов.

Потеря сеткой управляющего действия после возникновения разряда в анодной цепи объясняется тем, что сетка окружена плазмой — с большим количеством электронов и ионов. Положительно заряженная сетка притягивает из плазмы электроны, которые образуют около поверхности сетки отрицательно заряженный слой (электронную оболочку), нейтрализующий действие положительного заряда сетки (рис. 21.12, а). Если увеличить, или уменьшить положительное напряжение сетки, то она притянет к себе из плазмы больше или меньше электронов и по-прежнему действие ее заряда будет нейтрализоваться соответственно изменившимся зарядом электронной оболочки. А если дать на сетку отрицательное напряжение, то она притянет из плазмы положительные ионы, которые создадут вокруг нее положительно заряженный слой (ионную оболочку), нейтрализующий действие отрицательного заряда сетки (рис. 21.12, б).

Электронная (или ионная) оболочка сетки находится в динамическом состоянии. Так, например, ионы, коснувшись отрицательно заряженной сетки, отнимают от нее электроны и превращаются в нейтральные атомы, но на смену им к сетке притягиваются из плазмы новые ионы. Если увеличить отрицательное напряжение сетки, то она притянет больше ионов. Заряд ионной оболочки увеличивается и снова полностью компенсирует действие отрицательного заряда сетки. Иначе можно сказать, что поле, создаваемое зарядом сетки, сосредоточено между сеткой и ее ионной (или электронной) оболочкой, как между обкладками конденсатора. Это поле не проникает через оболочку, поэтому не может влиять на ток анода.

Рис. 21.12. Электронная и ионная оболочка сетки

 

Рис. 21.13. Включение тиратрона тлеющего разряда в качестве реле

 

Рис. 21.14. Схема и график работы генератора пилообразного напряжения с тиратроном

 

Схема включения тиратрона тлеющего разряда в качестве реле показана на рис. 21.13. Напряжение анодного источника Е_a должно быть меньше U_Вmax а напряжение Е_g — меньше того, которое необходимо для возникновения разряда в промежутке сетка — катод. Резистор R_gограничивает сеточный ток и поэтому увеличивает входное сопротивление схемы для источника импульсов, отпирающих тиратрон. Когда положительный импульс напряжения, достаточный для отпирания, поступает на сетку, то возникает разряд на участке сетка — катод. Если при этом получается необходимый ток сетки, то разряд переходит и на анод. Следовательно, импульс напряжения и тока от маломощного генератора в цепи сетки вызывает значительный ток в нагрузке R_H,включенной в анодную цепь.

Ряд тиратронов тлеющего разряда выпускается с двумя сетками. В таких тиратронах управляющей является вторая сетка, более удаленная от катода. На первую сетку подается постоянное положительное напряжение, и в цепи этой сетки все время существует очень небольшой ток (единицы или десятки микроампер) так называемого подготовительного разряда. На второй сетке постоянное положительное напряжение ниже, чем на первой. Поэтому тормозящее поле между сетками не допускает электроны к аноду. При подаче импульса дополнительного напряжения на вторую сетку тиратрон отпирается, т. е. электроны проникают сквозь вторую сетку, и в цепи анода возникает тлеющий разряд.

Наши отечественные тиратроны тлеющего разряда, как правило, имеют сверхминиатюрное оформление и наполнены неоном, или аргоном, или неоно-аргоновой смесью. Они могут работать при температуре окружающей среды от — 60 до +100° С. Их долговечность составляет несколько тысяч часов. Рабочие напряжения сеток и анода десятки — сотни вольт. Время восстановления управляющего действия сетки после прекращения анодного тока зависит от длительности деионизации и обычно составляет десятки или сотни микросекунд.

В качестве примера применения тиратрона рассмотрим простейшую схему тиратронного генератора пилообразного напряжения (рис. 21.14, а). От источника анодного питания E_а через резисторR заряжается конденсатор С. Параллельно конденсатору включен тиратрон Л. Во время заряда конденсатора напряжение на нем растет, и когда оно достигает напряжения возникновения разряда U_В, то тиратрон отпирается и начинает проводить ток. Сопротивление его становится сравнительно малым, и конденсатор быстро разряжается через тиратрон. Напряжение понижается до напряжения прекращения разряда U_П. Как только разряд в тиратроне прекратится, снова начнется сравнительно медленный заряд конденсатора через резистор, сопротивление которого значительно больше сопротивления открытого тиратрона, и весь процесс будет повторяться.

Рис. 21.15. Вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение неоновой лампы

 

График пилообразного напряжения, получающегося на аноде тиратрона и на конденсаторе, показан на рис. 21.14,6. Так как напряжение U_П у тиратронов невелико, а напряжение U_В достигает сотен вольт, то подобный генератор может выдавать пилообразное напряжение с большой амплитудой. Чем больше сопротивление R и емкость С, тем медленнее происходит заряд и тем ниже частота. Кроме того, если увеличить положительное напряжение сетки тиратрона, то понизится напряжение U_В и это вызовет уменьшение амплитуды и повышение частоты.

В современной РЭА широко применяются различные индикаторные приборы, в частности так называемые знаковые и цифровые индикаторы. Некоторые из них относятся к газоразрядным приборам тлеющего разряда, но существуют и электронные электровакуумные индикаторы. Разработаны и используются также полупроводниковые индикаторные приборы.

Неоновые лампы применяются в качестве индикаторов напряжения и для других целей. Они представляют собой приборы тлеющего разряда, работающие в режиме аномального катодного падения обязательно с ограничительным резистором R_огр.

Вольт-амперная характеристика приведена на рис. 21.15. При возникновении разряда (точка А)происходит скачок тока и напряжения и начинается свечение. Дальнейшее повышение напряжения вызывает повышение тока. При этом увеличивается плотность тока катода и яркость свечения. Характерно то, что при уменьшении напряжения кривая пойдет выше, чем при увеличении. Разряд прекращается при более низком напряжении, нежели возникает (U_П<U_В). В момент прекращения разряда ток скачком уменьшается до нуля, а напряжение скачком повышается, поскольку падение напряжения на резисторе R_огр скачком уменьшается до нуля и подводимое к цепи напряжение перераспределяется. Экспериментально напряжение U_П измеряют как наиболее низкое напряжение при наличии тока и свечения в лампе (перед прекращением разряда).

Разница между напряжениями U_П и U_В характерна для всех газоразрядных приборов, в частности для стабилитронов. У неоновых ламп напряжение U_П на несколько единиц или десятков вольт ниже, чем напряжение U_B. Это объясняется тем, что перед возникновением разряда газ неионизирован. А перед прекращением разряда газ ионизирован, и разряд существует при более низком напряжении.

Неоновая лампа применяется в качестве индикатора постоянного и переменного напряжения. При переменном напряжении разряд возникает в момент, когда мгновенное значение напряжения становится равным напряжению U_B.

Промышленность выпускает много различных неоновых ламп. Напряжение U_B у них может быть 50 — 200 В, а иногда и выше. Рабочий ток при нормальном свечении — от десятых долей миллиампера до десятков миллиампер.

Рис. 21.16. Включение управляемой индикаторной лампы

 

Рис. 21.17. Варианты устройства (а, б) и условное графическое обозначение(в) знакового индикатора тлеющего разряда

 

Рис. 21.18. Знаковый накальный вакуумный индикатор

 

Значительный интерес представляет управляемая трехэлектродная индикаторная лампа, имеющая анод и два катода: индикаторный и вспомогательный, расположенные внутри анода. Через купол баллона можно видеть свечение газа только около индикаторного катода. Индикаторный катод ИКподключен к минусу источника через резистор R, а вспомогательный катод ВК непосредственно (рис. 21.16). Когда на лампу подано только напряжение от анодного источника, работает вспомогательный катод. Так как он заслонен анодом, то свечения газа не видно. Пусть теперь на резистор в цепи индикаторного свечения катода подано дополнительное управляющее напряжение в несколько единиц вольт с такой полярностью, чтобы оно суммировалось с напряжением анодного источника. Тогда напряжение между анодом и индикаторным катодом возрастает, разряд перебрасывается на этот катод и лампа дает видимое свечение. Если же дополнительное напряжение, подаваемое на резистор, снять, то разряд снова будет только между анодом и вспомогательным катодом. Свечение газа у индикаторного катода прекращается.

Знаковые индикаторы тлеющего разряда широко распространены. Принцип устройства их показан на рис. 21.17. В баллоне с неоном находятся катоды, выгнутые из проволоки в виде цифр или других знаков и расположенные один за другим. На рис. 21.17, а приведены для упрощения лишь первые два катода в виде цифр 1 и 2. В цифровых индикаторах имеется 10 катодов в виде цифр от 0 до 9. Анод обычно сделан из проволочной сетки. При подаче напряжения между анодом и одним из катодов возникает свечение газа (около катода), т. е. виден светящийся знак. Толщина светящейся линии примерно 1 — 2 мм. Выпускаются подобные индикаторы с так называемыми сегментными катодами, синтезирующими изображение (рис. 21.17,6). Включение этих катодов в той или иной комбинации дает светящееся изображение цифры или какого-то другого знака. В настоящее время выпускается много типов подобных индикаторов на различные знаки.

Знаковые накалъные вакуумные индикаторы дают синтезированное изображение в виде цифр или букв, составленное из накаленных проволочек (рис. 21.18). В баллоне с вакуумом на теплостойкой изоляционной плате расположены вольфрамовые проволочки (нити накала). Один вывод у них делается общий. Подключение к источнику накала той или иной комбинации проволочек дает светящееся изображение цифры или буквы. Свечение желтого цвета соответствует рабочей температуре примерно 1200° С. Долговечность составляет десятки тысяч часов.

Вакуумные люминесцентные индикаторы представляют собой многоанодные триоды, имеющие оксидный катод прямого накала, сетку и аноды-сегменты, покрытые люминофором. Возможное расположение анодов для получения синтезированных знаков показано на рис. 21.19. Включение нескольких анодов в определенной комбинации дает светящийся знак большей частью зеленого цвета.

Рис. 21.19. Вакуумный люминесцентный индикатор и его условное графическое обозначение

 

Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) предназначены для отображения различной информации в системах управления и контроля. В них используется явление электролюминесценции,состоящее в том, что некоторые вещества способны излучать свет под действием электрического поля. По устройству ЭЛИ представляет собой плоский конденсатор (рис. 21.20). На металлический электрод 4нанесен слой диэлектрика 3 — органической смолы с люминесцирующим порошкам, основу которого обычно составляет сульфид или селенид цинка. Добавление к люминофору активаторов позволяет получать различный цвет свечения: зеленый, голубой, желтый, красный, белый. Сверху люминесцирующий слой покрыт электропроводящей прозрачной пленкой 2. Для предохранения от внешних воздействий служит стеклянная пластинка 1. Если к электродам 4 и 2 приложить переменное напряжение, то под действием электрического поля в слое 3 возникает свечение.

Прозрачный электрод 2 обычно сделан из оксида олова и является сплошным, а электрод 4 имеет форму цифр, или букв, или сегментов для получения синтезированных знаков или геометрических фигур. Электрод 4 может быть растровым, состоящим из ряда полос, или матричным — с большим числом точечных элементов. Индикаторы эти бывают различных типов и размеров, дают светящееся изображение на темном фоне или темное изображение на светящемся фоне, могут быть одноцветными или многоцветными.

Рис. 21.20. Принцип устройства ЭЛИ

 

Наиболее распространены буквенноцифровые сегментные индикаторы. Для изображения цифр они имеют от 7 до 9 сегментов, а индикаторы с 19 сегментами позволяют высвечивать все цифры и буквы русского и латинского алфавита. Обычно ЭЛИ оформляются в пластмассовых корпусах. Для питания их применяется переменное синусоидальное напряжение 220 В частотой от 400 до 1200 Гц. Линейные размеры высвечиваемых знаков могут быть от единиц до десятков миллиметров, и в зависимости от этого потребляется ток от десятых долей миллиампера до десятков миллиампер. Срок службы ЭЛИ составляет несколько тысяч часов. Рабочая температура окружающей среды допускается обычно от -40 до +50°С Несомненное достоинство ЭЛИ — малое потребление мощности при относительно высокой яркости изображения, плоская конструкция, высокая механическая прочность, большой срок службы. Недостаток, как и у многих других индикаторов, - необходимость применения довольно сложных систем управления.

Рис. 21.21. Принцип устройства и работы ЖКИ

 

Жидко-кристаллические индикаторы (ЖКИ) основаны на использовании так называемых жидких кристаллов (ЖК), открытых еще в прошлом веке и представляющих собой некоторые органические жидкости с упорядоченным расположением молекул, характерным для кристаллов. В настоящее время известно большое число жидко-кристаллических веществ и они изучены достаточно хорошо. Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрического поля напряженностью 2 — 5 кВ/см структура их нарушается, молекулы располагаются беспорядочно и жидкость становится непрозрачной. Эти индикаторы могут иметь различные конструкции и работать либо в проходящем свете, созданном каким-либо специальным источником, либо в свете любого источника (искусственного или естественного), отражающемся в индикаторе. Рассмотрим этот последний, наиболее распространенный тип ЖКИ (рис. 21.21). Индикаторы такого типа применяются в наручных электронных часах, микрокалькуляторах и других устройствах. Между двумя стеклянными пластинками 1 и 3,склеенными с помощью полимерной смолы 2, находится слой жидкого кристалла 4 толщиной 10 — 20 мкм. Пластинка 3 покрыта сплошным проводящим слоем (электрод 5) с зеркальной поверхностью. На пластинку 1 нанесены прозрачные слои — электроды А, Б, В,.... от которых сделаны выводы, не показанные на рисунке. Эти электроды имеют форму цифр, или букв, или сегментов для синтезирования различных знаков. Если на знаковые электроды напряжение не подано, то ЖК прозрачен, световые лучи внешнего естественного освещения проходят через него, отражаются от электрода 5, выходят обратно и никаких знаков не видно. Но если на какой-то электрод, например А,подано напряжение, то ЖК под этим электродом становится непрозрачным, лучи света не проходят через эту часть жидкости (6), и тогда на светлом фоне виден темный знак.

Жидко-кристаллические индикаторы весьма экономичны. Ток, потребляемый для воспроизведения одного знака, не превышает 1 мкА. Долговечность ЖКИ составляет десятки тысяч часов. Недостаток этих индикаторов — низкое быстродействие. Время появления или исчезновения знака, т. е. время перехода молекул ЖК из упорядоченного расположения в беспорядочное или обратно, доходит до 200 мс. Для управления ЖКИ применяются довольно сложные устройства, обычно на основе интегральных микросхем.

Помимо рассмотренных индикаторных приборов простейшего типа разработаны и выпускаются еще и другие, более сложные.

Дисплеи — это оконечные устройства информационных систем, служащие для визуального изображения информации и связи человека с машиной. Широко применяются дисплеи малого размера, например в электронных часах или микрокалькуляторах, и дисплеи большого размера. Различные типы дисплеев основаны на использовании разнообразных физических и химических явлений.

Все дисплеи можно разделить на две большие группы: излучающие свет и модулирующие свет.

Светоизлучающий дисплей должен давать свечение достаточной яркости. Особенно большая яркость необходима, если дисплей применяется при солнечном освещении. Важен цвет свечения: человеческий глаз наиболее чувствителен к желтому и желто-зеленому цвету. Изображение должно быть контрастным. Чем больше отношение максимальной яркости к минимальной, тем выше контрастность. Желательна широкая диаграмма направленности дисплея, т. е. возможность хорошей видимости изображения под разным углом зрения.

Для управления работой дисплея применяются токи и напряжения различного вида и амплитуды. Всегда желательна возможно меньшая потребляемая мощность. Дисплеи, работающие с устройством на интегральных схемах, должны питаться напряжением не более 30 В. У дисплеев большого размера, потребляющих значительную мощность, важен более высокий КПД. Высокое быстродействие не требуется для дисплеев, так как человеческий глаз не может различать изменения, происходящие быстрее чем за 0,1 с. Разрешающая способность дисплея оценивается минимальным размером наблюдаемого элемента. Это может быть квадрат со стороной не менее 50 мкм. У многих дисплеев этот элемент больше, причем он зависит от яркости и расстояния от дисплея до наблюдателя.

Некоторые типы дисплеев обладают «памятью», т. е. могут сохранять изображение без потребления или с малым потреблением энергии.

Рассмотрим теперь основные типы светоизлучающих дисплеев.

В электронно-лучевых дисплеях используются электронно-лучевые трубки.

Дисплеи на светоизлучающих диодах, как правило, имеют небольшие (несколько сантиметров) линейные размеры и низкое (не более 5 В) напряжение питания.

Дисплеи на газоразрядных элементах, иначе плазменные, имеют две взаимно перпендикулярные системы электродов в виде проводящих полос. Между электродами инертный газ — неон, или ксенон, или смесь газов. Такие системы иногда называют еще газоразрядными индикаторными панелями(ГИП). Дисплеи с электродами в виде полос могут иметь различное число электродов, например 512 горизонтальных и столько же вертикальных. Разрешающая способность характеризуется числом линий (обычно две-три) на 1 мм. Возможно также применение точечных электродов.

Неон дает оранжевое свечение. Иногда на подложку, на которой расположены электроды, наносят люминофор, дающий свечение другого цвета. Питание этих дисплеев возможно постоянным или переменным током.

Электролюминесцентные дисплеи составлены из электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ).

Рассмотрим основные типы светомодулирующих дисплеев.

Жидкокристаллические дисплеи

(ЖКД) потребляют малую мощность, дают хорошую видимость изображения даже при высоком уровне внешней освещенности, имеют низкую стоимость, бывают малого (например, в часах) и большого размера.

Электрохромные дисплеи (ЭХД) основаны на использовании электрохромного эффекта, который заключается в том, что некоторые вещества под действием электрического поля или при прохождении тока изменяют свой цвет. В качестве электрохромного вещества чаще всего применяют триоксид вольфрама WO₃. Его пленка под напряжением приобретает синий цвет. Для этого требуется напряжение всего лишь 0,5 — 1,5 В. При перемене полярности напряжения пленка приобретает исходный цвет. Эти дисплеи потребляют небольшую мощность и обладают «памятью», т. е. сохраняют цветное изображение некоторое время (минуты и даже часы) без потребления мощности. Так как ЭХД на WO₃ имеют ряд недостатков, в частности невысокое быстродействие и небольшой срок службы, то ведутся разработки таких дисплеев на других веществах.

Электрофорезные дисплеи (ЭФД) основаны на явлении электрофореза, который состоит в том, что под действием электрического поля в жидкости перемещаются взвешенные частицы (например, частицы пигмента в окрашенной жидкости), притягиваясь к какому-то электроду или отталкиваясь от электрода в зависимости от знака потенциала. Жидкость выбирается с хорошими диэлектрическими свойствами для уменьшения потребляемого тока. Пигмент выбирается по цвету резко отличным от жидкости. Напряжение для ЭФД составляет десятки вольт. Срок службы может достигать десятков тысяч часов. В течение этого срока могут происходить десятки миллионов переключений. Быстродействие ЭФД невысокое.