8.8. Индикаторные приборы

Индикаторными приборами называют приборы, предназначен­ные для визуального представления информации. Важность таких приборов трудно переоценить, так как до 80 % информации вос­принимается человеком через органы зрения.

Рассмотрим индикаторные приборы, предназначенные для преобразования электрических сигналов в графические образы. В основу действия таких приборов положены различные физиче­ские явления и процессы, наибольшее распространение среди ко­торых получили электролюминесценция, процессы в газовом раз­ряде, светоизлучающие процессы в полупроводнике, оптические процессы в жидких кристаллах. Электролюминесценция и про­цессы, связанные с электрическим разрядом в газах, нашли при­менение в индикаторных электровакуумных приборах (ЭВП).

Явление свечения некоторых материалов при бомбардировке направленным пучком электронов используется в ЭВП, называе­мых электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).

Электронно-лучевые трубки подразделяют на трубки с элект­ростатическим и магнитным управлением. В первых для управле­ния пучком электронов применяют электрическое поле, а во вто­рых — магнитное.

Электронно-лучевые трубки с магнитным управлением полу­чили широкое распространение в качестве устройств отображе­ния информации и, в частности, в качестве индикаторных уст­ройств дисплеев ЭВМ.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлени­ем обеспечивают более высокие частотные свойства, поэтому их широко используют в качестве индикаторов электронных осцил­лографов.

Конструкция ЭЛТ с электростатическим управлением схема­тически показана на рис. 8.14. Она представляет собой вакуумную стеклянную колбу, в узкой части которой расположены элект­ронный прожектор (ЭП) и отклоняющая система (ОС). В торцо­вой части колбы находится экран (Э), покрытый специальным составом — люминофором, способным светиться при бомбарди­ровке электронным пучком. Электронный прожектор состоит из подогреваемого нитью накала (Н) катода (К), модулятора (М) и двух анодов (А₁ и А₂).

Электроны, покинувшие катод, образуют электронное обла­ко, которое под действием поля анодов движется в сторону эк­рана, формируя электронный пучок. Этот пучок проходит моду­лятор, выполненный в виде полого цилиндра с отверстием в донной части. К модулятору прикладывается отрицательное от­носительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Это напряжение создает тормозящее поле, предварительно фокусиру­ющее электронный пучок и изменяющее яркость свечения экрана. Для получения требуемой энергии (скорости) электронного пуч­ка на аноды подается положительное относительно катода на­пряжение: на анод А₁ — несколько сотен вольт, а на анод А₂ — несколько тысяч вольт. Значение напряжения для анода А₂ выби­рают из условия установки фокуса второй электростатической линзы в плоскости экрана.

Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар взаимно пер­пендикулярных пластин, расположенных симметрично относитель­но оси колбы. Напряжение, прикладываемое к пластинам, ис­кривляет траекторию электронного пучка, вызывая тем самым отклонение светового пятна на экране.

Разработаны низковольтные индикаторные приборы, рабочее напряжение которых лежит в пределах от единиц до десятков вольт. Это вакуумные накаливаемые и люминесцентные, полупровод­никовые и жидкокристаллические индикаторы. Конструкция та­ких индикаторов позволяет синтезировать из небольшого числа элементов (светоизлучающих сегментов) большое число цифр и букв, что по сравнению с газоразрядными индикаторами делает их более универсальными.

Низковольтные индикаторы по принципу действия классифи­цируют на активные (основаны на преобразовании энергии элек­трического тока в световой поток) и пассивные (основаны на модуляции внешнего светового потока под действием электри­ческого поля). К первому классу относятся вакуумные накаливае­мые, полупроводниковые и вакуумные люминесцентные индика­торы, ко второму — жидкокристаллические индикаторы.

Вакуумный накаливаемый индикатор представляет собой элек­тровакуумный прибор, внутри которого расположены элементы излучения в виде нитей накаливания.

Из всех низковольтных приборов вакуумные накаливаемые индикаторы обладают самой высокой яркостью свечения, что позволяет эксплуатировать их в любых условиях внешнего осве­щения вплоть до прямого солнечного света. Цвет свечения инди­катора соломенно-желтый. Внутреннее расположение нитей дает возможность отображать арабские цифры от 0 до 9, а также мно­гие буквы русского и латинского алфавитов.

Полупроводниковый индикатор выполняют на основе светоизлучающих диодов. Используя различный исходный материал, можно получить светоизлучающие диоды с различным цветом свечения — от красного до зеленого. Светодиодные индикаторы изготовляют бескорпусными либо в металлическом, металлокерамическом или пластмассовом корпусах. При этом во всех конст­рукциях принимают специальные меры для визуального увеличе­ния размеров индикатора: используют фокусирующие и диффу­зионные линзы, прозрачные пластмассовые корпуса, создают многократные отражения от внутренних поверхностей излучаю­щего диода и т.д. Диаметр светового пятна индикатора составляет 1,5...4,0 мм.

Светоизлучающие диоды применяют автономно в виде семи — десятисегментных знакосинтезирующих индикаторов либо наби­рают в матричные и мозаичные панели одного или различных цветов. В зависимости от размера символа в каждом сегменте мо­жет использоваться либо один, либо несколько последовательно включенных светодиодов. Высота символа в индикаторе колеблет­ся от 2,5 до 25 мм.

Для составления многоразрядных индикаторов одноразрядные индикаторы объединяют в группы, содержащие от 2 до 12 прибо­ров. Такие индикаторы широко применяют в микрокалькулято­рах.

Наиболее универсальными являются матричные полупровод­никовые индикаторы, позволяющие отображать арабские цифры от 0 до 9, римские цифры, буквы русского и латинского алфави­тов, различные знаки и символы. Такие индикаторы представля­ют собой матрицы (панели), содержащие, например, 7x5 или 8x5 светоизлучающих светодиодов, соединенных таким образом, что для высвечивания конкретной световой точки необходимо подать напряжение на выводы соответствующих строки и столбца.

Электрические параметры полупроводниковых индикаторов определяются как их конструкцией, так и типом исходного полу­проводникового материала. Рабочее напряжение одного светодиода лежит в пределах от 1,5 до 2,5 В, а ток — от 3 до 20 мА.

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) по своей природе пассивен, т.е. требует внешнего освещения, и работает за счет изменения оптической плотности жидкого кристалла. По способу использования внешнего освещения ЖКИ подразделяют на ин­дикаторы, работающие на просвет и на отражение.

Конструктивно ЖКИ состоят из двух параллельно расположен­ных стеклянных пластин, на внутренних поверхностях которых нанесены пленочные электроды (рис. 8.15). Межэлектродное про­странство заполнено жидкокристаллическим веществом. Один из электродов выполняется в виде рисунка отображаемого знака, а второй является общим. У ЖКИ, работающего на просвет, оба электрода прозрачны, а у ЖКИ, работающего на отражение, внутренний общий электрод имеет зеркальную поверхность. В за­висимости от свойств используемых жидких кристаллов возмож­но получение одноцветных темных изображений на светлом фоне или светлых изображений на темном фоне. Возможно также полу­чение цветных изображений. В настоящее время промышленно­стью выпускаются одноразрядные и многоразрядные цифровые, а также шкальные жидкокристаллические индикаторы. Индикато­ры питаются переменным током, не содержащим постоянной со­ставляющей, напряжением от 3 до 24 В. Ток потребления состав­ляет десятки микроампер.

Рис. 8.15. Жидкокристаллические индикаторы, работающие на просвет (а) и отражение (б):

1, 3 — стеклянные пластины; 2 — клеевое соединение; 4 — передний прозра­чный электрод; 5 — жидкокристаллическое вещество; 6 — задний прозрачный электрод; 7 — задний отражающий электрод

Основными преимуществами жидкокристаллических индикато­ров являются сверхмалое потребление энергии, хорошие яркость и контрастность изображения при сильном внешнем освещении, со­гласованность по уровням напряжения с КМОП-интегральными схемами, простота конструкции и высокая долговечность. К недо­статкам относятся малый интервал рабочих температур и большая инерционность.