Τз.Ср., мкс

Рис. 6.4. ― Зависимость среднего времени запаздывания зажига­ния разряда от величины пере­напряжения.

100 150 200 250 300 Uз , в

Рис. 6.5. ― Зависимость плотности распределения напряжения зажи­гания ячеек при использовании зо­ны «подсвета».

Рис. 6.6. ― Зависимость плотности распределения времени запаздыва­ния зажигания ячеек.

при использовании «подсвета»

, (6.3)

где и—плотность распределения времени запаздыва­ния зажигания разряда в ячейке без «подсвета» и при наличии его.

Очевидно, вероятность зажигания ячейки при использовании «подсвета»

, (6.4)

т. е. применение зоны «подсвета» способствует повышению надеж­ности зажигания ячеек панели.

Выпускаемые промышленностью ГИП-10000 обычно имеет 100 строк и 100 столбцов при шаге между ячейками 1 мм. Напряжение зажигания ячеек—230—250 В, напряжение горения—120— 150 В. Цвет свечения ячеек оранжево-красный. При токе в ячейке 0,25 мА яркость свечения не менее 5 тыс. кд/м². При освещенности Е=200 лк яркостный контраст не менее 0,7. Угол обзора 120°.

Так как ячейки панели зажигаются периодически, то средняя яркость свечения ячейки

, (6.5)

где Т—период повторения возбуждения ячейки; В(t)—мгновен­ное значение яркости ячейки; t₁ ,t₂ — моменты времени, соответст­вующие началу и концу свечения ячейки за период.

При построчном способе возбуждения средняя яркость

, (6.6)

где В—мгновенное значение яркости по ТУ; т, п—число столб­цов и строк.

При использовании способа телевизионной развертки

, (6.7)

При функциональном способе адресации, если число ячеек, ис­пользуемых для изображения, не превышает 10—30%, средняя яр­кость

. (6.8)

Средняя яркость свечения ячеек при построчном возбуждении достигает 50—100 кд/м².

ГИП больших размеров с достаточной яркостью свечения мож­но получить, если совмещать ее с накопительными элементами, учитывающими время горения строки и, следовательно, повышаю­щими среднюю яркость свечения изображения. В качестве таких элементов используют сопротивления, включенные последователь­но с ячейками. Сопротивлением может быть резистивный слой, ча­стично заполняющий ячейку и связывающий электрод-строку с напыленным на слой катодом, либо тонкий слой стекла, покрываю­щий аноды, и т. д.

Яркость свечения панелей без внутренней памяти и надежность зажигания ячеек можно увеличить за счет уменьшения времени запаздывания зажигания разряда. С этой целью предусматривают постоянно горящие ячейки в виде «рамки» или «сетки», а также реверсивную развертку.

На базе панели ГИП-10 000 разработан универсальный матричный индикатор типа ИМГ-1.Структурная схема индикатора (рис.6.7) содержит газораз­рядную индикаторную панель ГИП, катодный коммутатор КК и анодный коммутатор АК, состоящий из блока ключей БКЭ и уст­ройства защиты УЗ индикатора от токовых перегрузок.

Рис. 6.7. ― Структурная схема индикатора ИМГ.

Развертка изображения осуществляется КК за счет последо­вательно изменяющегося двухразрядного двоично-десятичного ко­да на входах XI—Х8. Коммутатор КК состоит из двух десятичных дешифраторов, собранных на инте­гральных схемах серии К133, и ма­трицы из 100 транзисторов (микросхе­мы серии К166). Чтобы улучшить условия возбуждения ячеек первого катода, в коллекторную цепь первого транзистора включена форсирующая цепочка.

Блок ключевых элементов БКЭ анодного коммутатора содержит сто высоковольтных транзисторных клю­чей, базовые выводы которых являют­ся информационными входами У1 ... У100. Транзисторы объединены в 10 групп по признаку общих эмит­теров (входы У101 ... У110). Зажи­гание выбранных ячеек ГИП обеспе­чивается запиранием соответствующих транзисторов. Режиму ин­дикации соответствует логический «0» на входах У1 .. У100 относительно входов У101 ... У110. Для улучшения условий зажи­гания ячеек ГИП за счет создания начальной ионизации в коллек­торные цепи десяти транзисторов включены диодно-резисторные цепочки. Аноды А6, А 16 ... А96 через высокоомные резисторы этих цепочек связаны с источником напряжения, в результате чего при развертке на ГИП высвечивается десять горизонтальных линий — «сетка», яркость которой в пять раз меньше яркости изображения.

При прекращении развертки средний ток ячеек и соответствую­щих катодных ключей увеличивается в 100 раз, что может приве­сти к отказу индикатора. Для защиты в индикаторе предусмотре­но УЗ, состоящее из пяти транзисторов и интегродифференцирующей цепочки, обеспечивающее размыкание цепи питания анодных ключей при нарушении развертки. Анодный коммутатор, выполнен на элементах серии К166 и одном транзисторе типа КТ605Б.

Надежность зажигания ячеек ГИП при отображении графиче­ской информации может быть увеличена с помощью реверсивной развертки, когда горящие ячейки создают зону «подсвета», т. е. зону начальной ионизации, и ячейки, расположенные в этой зоне, оказываются подготовленными к зажиганию. Такой способ раз­вертывания изображения обеспечивает надежное зажигание ячеек первого катода, а также ячеек, фиксирующих точки разрыва ото­бражаемых функций. Реверсивная развертка способствует повы­шению средней яркости изображения за счет уменьшения стати­стического времени запаздывания зажигания ячеек. Реверсивная развертка, в частности, используется в многоканальном индикато­ре графиков.

Используемая в ГИП постоянного тока диэлектрическая решет­ка является технологически сложным и дорогостоящим элементом. Трудности изготовления решеток растут с увеличением их разме­ров. С целью устранения этого не­достатка разработана ГИП без решетки. Обычно такая панель со­стоит из двух стеклянных пластин, на внутренней поверхности кото­рых расположены параллельные пазы, в которые уложены элек­троды. Места перекрещивания взаимно перпендикулярных систем пазов образуют ячейки, запол­ненные газом. Один из вариантов такой панели имеет 128 попарно расположенных ячеек размером 2,2×2,2 мм. Расстояние между ячейками в паре 6,2 мм, а между парами по вертикали—50 мм и по горизонтали—35 мм. Напряжение зажигания 170—230 В, на­пряжение горения 130—160 В, потребляемая ячейкой мощность 5—15 мВт, средняя яркость 70—200 кд/м². Панели подобного типа могут иметь большие размеры и изготовляться в виде самостоя­тельных блоков с возможностью создания больших экранов без увеличения шага в стыковочных швах. Панели используют на дис­петчерские пультах для контроля работоспособности элементов систем, при совмещении с мнемосхемами в системах контроля и т д.

6.5. Газоразрядная панель с самосканированием. С целью устране­ния недостатка, свойственного ГИП постоянного тока с внешней адресацией, — большого разброса времени запаздывания зажига­ния разряда ячеек—разработана ГИП с самосканированием. На рис. 6.8 показана конструкция ГИП с самосканированием на ше­стнадцать матриц знаков типа ГИПС-16. Панель содержит две стеклянные пластины 1 и 6. В пластине 6 выфрезерованы парал­лельные пазы, в которых укреплены аноды сканирования 5. Катоды 4 расположены перпендикулярно анодам сканирования и име­ют отверстия напротив пазов. Катоды, кроме нулевого, объедине­ны в три группы и прижимаются к пластине 6 диэлектрической решеткой 3, отверстия которой совпадают с отверстиями в като­дах. Аноды индикации 2 расположены над отверстиями решетки параллельно анодам сканирования 5. В результате аноды скани­рования и расположенные напротив участки катодов 4 образуют систему сканирования, а аноды 2 с решеткой 3 и катодами 4— систему индикации.

Рис. 6.8. ― Газоразрядная панель с самосканированием.

Разряды сканирования возбуждаются одновременно во всех промежутках между анодами сканирования и одним из катодов и переносятся вдоль пазов от первого до последнего катода с помо­щью трехфазной схемы. Сброс разрядов при достижении послед­него катода осуществляется одновременно с помощью импульса, поступающего на нулевой катод. Сканирующие разряды последо­вательно подготавливают к зажиганию индикаторные ячейки всех столбцов, так как в них че­рез отверстия в катодах диффундируют заряженные частицы, метастабильные атомы и фотоны из сканирующих промежутков.

Если на выбранные аноды индикации синхронно со сканирующими разрядами подавать напряжение (положительные импульсы), то в соответствующих индикаторных ячейках возникают разряды.

В схеме управления па­нелью (рис. 6.9) разверт­ка осуществляется с по­мощью счетчика С на 3, де­шифратора Дш и четырех ключевых устройств КУ8 ... КУ11. На аноды сканирования пода­ется напряжение питания U_П, а на группы катодов 1, 2, 3 и катод Ко с помощью ключевых устройств КУ8 ... КУ11—импульсы ска­нирования U_ск с частотой 6,7—13,4 кГц. Входной код знака по­ступает на запоминающее устройство ЗУ. Генератор знака ГЗ преобразует код знака в пять семиразрядных кодовых комбинации и выдает каждую из них синхронно с переключением катодов на ключевые устройства КУ1 ... КУ7. В соответствии с поступившей кодовой, комбинацией КУ1 ... КУ7 обеспечивают подачу положи­тельных импульсов напряжения Uа на выбранные аноды индика­ции. Передний фронт импульсов индикации отстает от переднего фронта импульсов сканирования U_ск на 10—15 мкс, необходимых для подготовки ячеек индикации к зажиганию. Выбранные ячейки зажигаются и горят в течение времени действия импульсов Uа. За пять тактов отображается знак, код которого был записан в ЗУ. За время кадра на ГИПС могут быть отображены 16 знаков. Ча­стота обновления кадров 60—1.20 Гц. Согласование работы узлов схемы осуществляется устройством синхронизации УС, состоящим из генератора, счетчика на 16, распределителя на 7 и формирова­теля задержки импульсов индикации. Максимальная мощность си­стемы индикации (без схемы управления) не более 1,7 Вт; мощ­ность, потребляемая сканирующей системой, не превышает 2,5 Вт. Средняя яркость изображения не менее 70 кд/м², яркостный кон­траст не менее 0,8.

Достоинство устройства на ГИПС —простота схемы управле­ния.

U_ск

Рис. 6.9. ― Структурная схема индикатора на ГИПС.

6.6. Газоразрядная панель переменного тока. От ГИП постоянного тока отличается тем, что у нее электроды отделены от газового промежутка слоем диэлектрика, на котором при прохождении тока через промежуток образуются электрические заряды, гасящие раз­ряд и облегчающие его зажигание при изменении полярности пи­тающего напряжения. Электрическое поле остаточных зарядов на стенках ячейки обусловливает ее память.

Конструктивно ГИП переменного тока может иметь решетку с отдельными ячейками, но может и не иметь решетки. В последнем случае зона перекрещивания электродов выполняет роль «от­крытой» ячейки.

Запись и стирание информации на ГИП осуществляется следу­ющим образом (рис. 6.10). К системе вертикальных и горизонталь­ных электродов приложено знакопеременное напряжение поддерж­ки, амплитуда U_П которого недостаточно для зажигания, но обес­печивает поддержку горения разряда. При подаче в момент t₁ к электродам выбранной ячейки импульса записи, амплитуда U_з которого достаточно для зажигания, возникает разряд. Слой диэлектрика представляет конденсатор. При протекании разрядного тока на диэлектрике возникают электрические разряды, создаю­щие напряжениеU_Д с полярностью, противоположной U_З. В ре­зультате происходит самогашение разряда. На интервале напряжениеU_Д суммируется с напряжением U_П, изменившим по­лярность, в результате чего возникает разряд, а на диэлектрике возникают заряды, создающие U_Д противоположной полярности. Процесс повторяется до момента , когда на электроды выбран­ной ячейки подается импульс стирания U_С , вызывающий частичный разряд конденсаторной структуры. В результате напряжение U_Д становится недостаточным, чтобы обеспечить зажигание, и ячейка гаснет.

Рис. 6.10. ― Эпюры записи и стира­ния информации на ГИП перемен­ного тока.

Рис. 6.11. ― Структурная схема уп­равления ГИП переменного тока.

Упрощенная структурная схема управления ГИП переменного тока показана на рис. 6.11. Здесь импульсное напряжение поддержки иформируется генератором напряжения под­держкиГНП и через блоки адресации БА «X» и БА «У» подается на все строки и столбцы панели ГИП. Генератор питания «рамки» ГПР обеспечивает напряжением вспомогательные ячейки, образу­ющие по контуру панели горящую «рамку», стабилизирующую усло­вия зажигания рабочих ячеек. Устройство информации УИ выдает коды координат выбранных ячеек Кх и Ку на блоки адресации БА «X» и БА «У» и соответствующий код команды управления к_упр «запись» или «стирание» на устройство синхронизации УС. В соответствии с управляющим сигналом, поступающим от УС, блоки адресации БА «X» и БА «У» согласно кодам формируют на выбранных электродах ГИП управляющий импульс записи U_з или стирания U_с. Устройство синхронизации УС после прохожде­ния команды выдает на УИ сигнал, разрешающий смену информа­ции. Это устройство также определяет программу работы ГНП и ГПР.

ГИП переменного тока обычно изготовляют с числом электро­дов

, (6.9)

где К=6,7,8,9, ...

Если , то, как правило, число электродов кратно 2^К, что обеспечивает простоту привязки к двоичному коду. В частности, основные технические характеристики панели, имеющей К =7, сле­дующие:

Количество индикаторных элементов ...... 16384:

Разрешающая способность, элементов/см .... 14

Амплитуда напряжения поддержки, В .............90—120

Диапазон изменения напряжения поддержки, В ……не менее 10

Напряжение управляющих импульсов, В……………. не более 190

Рабочая частота, кГц .............. 50

Яркость свечения (кд/м²) при частоте 50 кГц ……… не менее 100

Цвет свечения………………оранжево-красный

Контраст ……………… не менее 0,6

На панели такого типа разработано устройство отображения информации для АСУ; двухкоординатный индикатор графиков и другие устройства. На ГИП, имеющей 512×512 ячеек, создана СОИ «Р1аtо». Известны ГИП, имеющие 1024×1024 ячеек.

Достоинства газоразрядных панелей : Газоразрядные панели весьма перспективны, так как обеспе­чивают высокую яркость свечения, высокую точность отображения графической информации, зависящую от числа строк и столбцов панели, малую потребляемую мощность, возможность передачи полутоновых и цветных изображений. Они компактны, устойчивы к механическим воздействиям и не требуют такого высокого на­пряжения, как ЭЛТ, где требуется высоковольтный источник пи­тания. ГИП переменного тока, кроме того, обладают внутренней памятью.

6.7. Линейные газоразрядные индикаторы. В некоторых устройствах отображения информации используются линейные индикаторы тлеющего разряда типов ИН-9, ИН-13, ИН-20 и ти­пов ИН-26, ИН-31. Линейный газоразрядный индикатор предна­значен для преобразования электрического сигнала в визуальную информацию в виде светящегося столбца. Индикация осуществля­ется через боковую поверхность стеклянного баллона. Цвет све­чения—оранжево-красный.

На линейных индикаторах строят простые, компактные УОИ для отображения визуальной информации обзорного характера . Используя линейные индикаторы, можно отображать информацию в виде гистограмм, графиков и т. п.

Применение УОИ на линейных газоразрядных индикаторах с ЗУ позволяет удачно сочетать функции сбора и визуального представления информации.

6.8. Плазменные УО . Если среди плоскопанельных компьютерных дисплеев сегодня превалируют жидкокристаллические дисплеи, то новый перспективный рынок настенных телевизионных дисплеев наиболее успешно осваивается производителями плазменных дисплеев.

Структура классического газового разряда. При приложении к электродам напряжения в области катодного слоя образуется значительный объемный разряд, приводящий к существенному перераспределению потенциала вдоль разряда. В поле этого заряда ускоряются электроны, которые ионизируют газ. Потеряв энергию, эти, а также вторичные электроны дрейфуют к аноду. В пределах фарадеева темного пространства они вновь набирают энергию, достаточную для ионизации атомов, вследствие чего образуется положительный столб. На рис. 6.8.1 условно показан внешний вид и распределение параметров вдоль разряда.

Рис. 6.8.1. ―Распределение параметров в тлеющем разряде

В большинстве плазменных дисплеев используется ультрафиолетовое (УФ) излучение, исходящее из области отрицательного свечения. Это излучение возбуждает фотолюминофорное покрытие, генерирующее видимый свет.

Структура . Плазменные УО относятся к классу матричных индикаторов, в которых управление ячейками производится в простейшем случае с помощью двух перпендикулярных систем электродов. При приложении к вертикальному и горизонтальному электродам напряжений, в сумме превышающих напряжение зажигания, в ячейке возникает газовый разряд, ограниченный барьерами. УФ излучение газового разряда возбуждает фотолюминофор, излучающий свет красного, зеленого или синего цвета. Люминофор обычно наносится на дно и боковые стенки ячейки, а иногда - тонким полупрозрачным слоем и на потолок ячейки. Верхняя система электродов делается прозрачной или достаточно узкой для того, чтобы не препятствовать выходу света. Три или четыре ячейки с разными цветами свечения образуют квадратный пиксель, как это показано на рис. 6.8.2.

Рис. 6.8.2.― Различные конфигурации пикселя

На рис. 6.8.3 показано схематическое изображение простейшей ячейки плазменного УО постоянного тока.

Рис. 6.8.3. ― ячейка плазменного УО постоянного тока

В плазменных УО переменного тока используется более сложная ячейка, в которой электроды отделены от газового пространства диэлектрическими слоями. При наличии дополнительных электродов зажигание разряда в ячейке производится с помощью электродов 1 и 3, а поддержка горения так называемого планарного разряда - между электродами 1 и 2, как это показано на рис. 6.8.4.

Рис. 6.8.4.― ячейка плазменного УО переменного тока .

Одним из основополагающих факторов повышения эффективности является увеличение объема генерации УФ излучения. Во всех серийно выпускаемых плазменных УО используется отрицательное свечение разряда. В первом приближении объем свечения определяется площадью катода и толщиной слоя отрицательного свечения и обычно не превышает 10% от объема ячейки. Отсюда виден потенциальный ресурс увеличения эффективности плазменных УО за счет использования более эффективных механизмов разряда.

Газовый состав. Как следует из названия, рабочей средой плазменных УО являются инертные газы. Для снижения потенциала зажигания используются так называемые пеннинговские смеси, с добавкой к основному газу примесей другого газа, потенциал ионизации которого ниже энергии возбуждения метастабильного уровня основного газа. Наиболее распространенным газовым наполнением плазменных дисплеев является смесь инертных газов на основе гелия или неона с добавлением ксенона (от 0,5 до 30%).

Реакции в объеме плазмы включают ионизацию и возбуждение атомов, а также упругие столкновения. Наиболее важной объемной реакцией является ионизация, которая обусловливает генерацию электронов. Электронная лавина зарождается отдельным электроном вблизи поверхности катода, и затем, по мере увеличения числа электронов, происходит образование ионизованного газа. Ионы, которые возникают в газе при воздействии электронов на атомы, возвращаются обратно на катод и вызывают эмиссию вторичных электронов. Эти вторичные электроны могут инициировать новые лавины, что приводит к возникновению эффекта положительной обратной связи. Потенциал зажигания газового разряда зависит от общего числа атомов газа в промежутке между электродами, т.е. от произведения pd, где р - давление газа, d - расстояние между электродами (закон Пашена). Характерные значения давления газов для плазменного УО лежат в диапазоне 10-300 мм рт. ст., а межэлектродные расстояния - в диапазоне 0,1-0,5 мм.

При дезактивации (переходе в нейтральное состояние) возбужденные атомы ксенона излучают УФ с длиной волны 147 нм (или, при достаточно высоком давлении газов, непрерывный спектр УФ излучения в диапазоне 150-180 нм), который возбуждает фотолюминофор, расположенный в ячейке.

Катодные материалы. Эмиссию электронов могут вызвать три типа поверхностных катодных реакций: бомбардировка ионами, воздействие атомов в метастабильном состоянии, воздействие ультрафиолетового излучения. Основную долю эмиссии электронов вызывает бомбардировка поверхности катода ионами, ускоренными в области катодного слоя.

В качестве катодов могут использоваться материалы, отвечающие требованиям высокой эмиссионной способности и устойчивые к распылению. В плазменных УО постоянного тока в качестве катодов используют, например, железоникелевые сплавы с падением напряжения в зоне катода в пределах 200 - 250 В, а в плазменных УО переменного тока обычно MgO с катодным падением около 130 - 170 В. В экспериментах авторов с катодами на основе эмиссионных покрытий Al-MgO со специальной структурой переходного слоя была установлена возможность снижения катодного падения до уровня порядка 40 В.

Эффективность газового разряда повышается со снижением катодного падения. Другим способом повышения эффективности разряда является работа в режиме нестационарного (неразвитого или коротко-импульсного) разряда. Дело в том, что газовый разряд характеризуется определенной инерционностью и в процессе своего становления (пока не сформировался катодный слой) имеет повышенную эффективность. Таким образом, прекращая разряд сразу после его формирования (т.е. отсекая стационарную часть газового разряда), можно добиться повышения эффективности работы плазменных УО в 3-5 раз.