3.5. Оптоелектронні індикатори

Система відображення зорової інформації є одним з основних засобів забезпечення зв'язку між людьми та машинами і широко використовуються в пристроях промислово. електроніки для відтворення циф­рових, буквених та знакових сигналів. Найбільш перспективні в ос­новному три напрями розвитку оптоелектронних індикаторних при­ладів: напівпровідникові, рідиннокристалічні та газорозрядні, які мають досить розвинуту науково-технічну та матеріальну базу і взаємно доповнюють один одного.

Напівпровідникові індикатори (НПІ). Основою для виготовлення НПІ служать електролюмінісцентні конденсатори та інжекційні світ­лодіоди. Такі індикатори використовуються для відображення інформації на пультах і табло, передачі числової та буквеної інформації в системах контролю та керування, для відображення вихідних даних електронних обчислювальних машин та показів цифрових вимірювальних приладів.

Конфігурація висвічуваних елементів в НПІ здійснюється з вико­ристанням семисегментної (рис. 3.18, а) або матричної (рис. 3.18, б) системи. Семисегментна система, що є цифровим індикатором, дозволяє відображувати всі десять цифр, а також декілька літер. Матрична си­стема, в якій 36 (7 х 5 + 1) точок, є універсальним цифролітерним індикатором, оскільки відображує всі цифри, літери та знаки стан­дартного коду. В індикаторах на основі електролюмінісцентних кон­денсаторів число сегментів може перевищувати сім.

Для НПІ характерні яскраве та чисте світіння, висока економічність та простота керування, використання прийомів стандартної планарної технології при виготовленні. Такі індикатори можуть перекри­ти практично весь видимий діапазон спектра.

В електролюмінісцентних індикаторах (ЕЛІ) використовується явище електролюмінісценції в плоскому конденсаторі (див. рис. 3.1, а). Прозора плівка 2 першої обкладки конденсатора може мати форму будь-якого символу або складатися з кількох сегментів, які дозволяють висвічувати умовні цифри. Виводи від загальної обкладки 5 та окремих частин обкладки 2 виходять назовні, а весь індикатор гер­метизується (рис. 3.19). Для збудження світіння індикатора до обкла­док конденсатора прикладають змінну напругу 220 В з частотою 400 або 1200 Гц (в залежності від кольору світіння).

Промисловість випускає різні типи ЕЛІ з габаритними розмірами області скляної пластинки, що світиться, від 11 15 мм до 116 176 мм. Найбільш поширені літерно-цифрові ЕЛІ, в яких знаки та цифри складаються з різних комбінацій сегментів, звичайно, їх 7, 8 та 9. Індикатор з 19 сегментами дає можливість висвічувати всі цифри та букви українського і латинського алфавітів. Знаходять за­стосування електролюмінісцентні екрани з великою робочою площею та високою чіткістю. Одною з різновидностей ЕЛІ є мнемонічні індика­тори, які мають суцільне поле, що висвічується, або мнемонічний знак (круг, сектор, стрілку), або слово («Стоп», «Мережа» та ін.), в залежності від закладеного в ньому трафарету.

Мнемонічні індикатори з видимим зображенням мають внутрішній трафарет, який видно і при вимкнутому індикаторі. Після подачі напруги висвічується або знак трафарету, або поле навколо нього. Мнемонічні індикатори випускають однокольоровими або багатокольо­ровими (червоний, зелений, блакитний, жовтий). Деякі а них дозволя­ють змінювати на одному полі два або три кольори. Для цього прозорий електропровідний шар конденсатора роблять у вигляді гребінки (растра) з почерговим нанесенням смуг електролюмінофорів, які ви­свічують два кольори (жовтий та блакитний). Це дозволяє за відповідної комутації виводів змінювати колір знака трафарету або поля, що світиться навколо нього. Од­ночасне висвічування двох растрів дає третій колір. Такі індика­тори розширюють можливості ві­дображення інформації.

У світлодіодах, що працюють як цифрові індикатори, число окре­мих кристалів з p-n-переходами дорівнює числу сегментних полів, що світяться. Кожний кристал розташований в основі конічного псевдосвітловоду, який являє собою розширений проріз у пластмасовій пластині. Вихід такого прорізу з лінзи створює світле поле, розміри якого на порядок перевищують розміри кристала. На рис. 3.20, а, б показані відповідно нумерація цоколя та лінза корпусу 1 з окремими полями 2, що світяться. Висота знаків (літер) 3 ... 7,5 мм.

Промисловість випускає також багаторозрядні індикатори на три­-чотири, шість, дев'ять і т. д. знаків в одному корпусі. Вони мають вигляд стандартних модулів, де об’єднані в одному блоці пристрої відоб­раження інформації, та схема керування (дешифратор). Освоєно ви­пуск багатоелементних матриць, які містять від 30 до 300 знаків на одному кристалі площею 1,5 ... 15 см². Такі матриці виконують функції елементів набірного напівпровідникового екрана.

Рідиннокристалічні індикатори. Речовини, які називають рідин­ними кристалами, мають текучість, як у води, і оптичну анізотропію кристала. Рідиннокристалічний стан цих речовин виявляється в де­якому інтервалі температур між точкою перетворення тіла в однорід­ну прозору рідину Т_р та точкою кристалізації Т_к. Рідинні кристали. як і тверді, мають фотопружність, П'єзоелектричні властивості, орієнтуються в електричному та магнітному полях, відбивають та залом­люють світло. Структура рідинного кристала легко змінюється під дією електричного і магнітного полів, ультразвуку, проміння, температури.

Для рідиннокристалічних індикаторів використовують хімічні сполуки з дуже витягнутими молекулами. Такі молекули можуть орієнтуватись в одному напрямі, який легко змінюється під зовнішньою дією. Класичним прикладом рідиннокристалічної речовини е органіч­на сполука з довгою назвою – метоксибензилдебуталанімін (скоро­чено МББА). Рідиннокристалічний стан МББА виявляється в області кімнатних температур (ΔТ_рк = Т_р – Т_к = 15... 70 °С), що дозволяє широко використовувати його в техніці. Для зменшення питомого опору рідиннокристалічних тіл (≈ 10¹⁷ Ом·см), вводять домішки, при дисоціації яких з являються вільні іони.

В рідиннокристалічних індикаторах використовується електрооп­тичний ефект, який називають ефектом динамічного розсіяння. Такий ефект спостерігається в тонких шарах рідинних кристалів, коли до прозорого шару рідинних кристалів, який має невелику електропровідність, прикласти електричне поле. Молекули при цьому орієнтуються впоперек поля, а потік іонів, який з’являється при дисоціації, руйнує цю орієнтацію. Коли струм досягає деякого значення, виникає тур­булентність у шарі, що руйнує впорядковану структуру рідинного кристала. При цьому безперервно і хаотично змінюється показник за­ломлення ділянок рідини, тобто відбувається розсіювання світла зов­нішнього джерела. Шар рідинного кристала втрачає прозорість і стає молочно-білим.

Турбулентний рух спостерігається при напрузі, яка відповідає круто зростаючій ділянці ІІ вольт-контрастної характеристики рі­диннокристалічного індикатора, зображеної на рис. 3.21, а. Нижчій напрузі відповідає ділянка ламінарного руху І. На ділянці ІІІ настає стан насичення.

На рис. 3.21, б зображена конструкція рідиннокристалічного індикатора, що працює в прохідному світлі. Між двома скляними плас­тинами 1 знаходиться тонкий (10 - 20 мкм) шар рідинного кристала 4. Під індикатором розташоване джерело світла 6 та матово-чорний ек­ран 5. На внутрішню поверхню однієї з пластин нанесений суцільний прозорий електрод 3, а на другу пластину - фігурні електроди (сег­менти) 2. Для одержання зображення між суцільним електродом і потрібними сегментами прикладається напруга (одиниці - десятки вольт). При цьому прозорість рідини між ними зменшується і в прохідному світлі формується певний знак. Струми фігурних електродів настільки малі (5 - 100 нА), що потужність споживання на індикацію знака не перевищує 50 мкВт. В індикаторах, що працюють у відбито­му світлі, нижній електрод роблять дзеркальним, щоб добре відбивав світло. Як джерело падаючого світла можна використати навіть при­родне освітлення.

Рідиннокристалічні індикатори, що виготовляються промисло­вістю, використовують у вимірювальних цифрових пристроях, ЕОМ, електронних. годинниках та ін. Їх перевага - висока контрастність, низька напруга живлення, технологічність, мала потужність. Ведуть­ся розробки для одержання кольорових зображень.

Газорозрядні індикатори. Такі індикатори є іонними приладами самостійного тліючого розряду з холодним катодом. Вони належать до газорозрядних приладів, в яких струм проходить через газорозрядний проміжок. Носіями заряду в цих приладах разом з електронами є іони інертного газу, що заповнює бал он при великому розрідженні (10 ... 100 Па). В приладах з холодним катодом електрони вибиваються з катода позитивними іонами газорозрядного проміжку.

В іонних приладах спостерігається взаємодія заряджених части­нок, фотонів та атомів газу, але основним процесом є взаємодія електронів з нейтральними атомами газу, яка викликає збудження або іонізацію частинок газу в балоні. Для збудження атомів газу вільні електрони повинні мати деякий мінімум енергії, яку називають енергією збудження. Енергії збудження електрон набуває, проходячи в електричному полі деяку різницю потенціалів - потенціал збудження. Для іонізації атома електрон повинен мати більшу енергію - енергію іонізації, яка характеризується потенціалом іонізації. Для газів, що використовуються в іонних приладах, потенціали збудження та іонізації становлять 5 ... 25 В.

У просторі, заповненому вільними електронами та іонами, відбу­ваються зіткнення між ними, що призводить до утворення нейтраль­них атомів (рекомбінація). Рекомбінація супроводжується випромі­нюванням енергії, як правило, у видимій частині спектра; при цьому спостерігається світіння газу.

Вольт-амперна характеристика іонного приладу з самостійним тліючим розрядом зображена на рис. 3.22, а, а його схема вмикання ­на рис. 3.22, б. Поява та підтримка процесу іонізації в іонних прила­дах можливі лише у випадку прикладання до електродів певної напру­ги виникнення (запалювання) розряду U_з, значення якої залежить від роду та тиску газу, а також од відстані між електродами. Для підтри­мування розряду в іонному приладі достатньо напруги горіння U_г – меншої за напругу появи розряду. Для нормальної роботи в режимі тліючого розряду послідовно з лампою вмикають баластний резистор (рис. 3.22, 6), опір якого розраховують за формулою

R_б = (U – U_з)/І,

де І - робочий струм.

Вітчизняні газорозрядні індикатори серії ІН, які працюють в режимі нормального тліючого розряду , наповнені розрідженим неоном. у балоні розміщені холодні катоди а хромового проводу у вигляді цифр, літер або знаків і один або два аноди з тонкої сітки. На рис. 3.23 подано схему розташування електродів в одноанодному циф­ровому індикаторі. Такий індикатор має 10 катодів у формі арабських цифр від 0 до 9 і один анод. Під напругою між анодом та одним з катодів навколо катода з’являється жовтогаряче світіння, яке дозволяє, виразно прочитати відповідну цифру. Напруга виникнення розряду U_з ≈ 170...200 В, напруга горіння U_г = 105...150 В. Окремі типи цифрових газорозрядних індикаторів мають корпус прямокутної фор­ми, що дозволяє створювати компактні багаторозрядні індикатори.

Конструкція знакобуквених газорозрядних індикаторів аналогічна цифровим, але катоди їх мають форму букв латинського та грецького алфавітів або математичних символів (наприклад, W, F, Нz, V, S, Q , А, Н або +, -, П, К, М, т, μ, %).

На рис. 3.24 зображена схема вмикання одноанодного цифрового індикатора. Транзистори V₀ -V_д в колах катодів індикатора відіграють роль керуючих ключів. Для відтворення потрібної цифри один з, транзисторів, що ввімкнутий в коло відповідного катода, відкритий .керуючим імпульсом з дешифратора. Інші транзистори закриті. Відкритий транзистор живить напругою +Е_А анод і відповідний катод індикаторної лампи. При цьому виникає самостійний тліючий розряд і поверхня під'єднаного катода покривається світінням. Резистор R_А забезпечує потрібний струм І_А для яскравого світіння цифри. Світіння інших цифр неможливе, оскільки напруга між анодом і рештою катодів мала. Напруга Е_с < Е_А , а різниця цих напруг, тобто Е_А - Е_с , недостатня для виникнення тліючого розряду.

Тепер здебільшого застосовуються цифрові багаторозрядні індикато­ри пакетного типу, конструкції яких схожі на конструкції мікросхем. Їх основа - дві плоскі електродні гратки з ковару, закріплені на скляних пластинах і вміщені в заповнений газовою сумішшю плоский герметичний корпус із зовнішніми електродами. Таким чином, багато­розрядні дисплеї мають плоску конструкцію малої товщини (кілька міліметрів), що дозволяє використовувати їх в інтегральній схемотехніці .

Газорозрядні індикатори широко використовуються в цифрових вимірювальних приладах, обчислювальній техніці та ін. Вони характеризуються яскравим та контрастним зображенням, споживають малу енергію та мають високу надійність.