СВМБМ

8. Вакуумные накаливаемые индикаторы (ВНИ)

Принцип действия ВНИ основан на использовании явления теплового излучения твердых тел, нагреваемых током до температуры

(2…3)·103К.

Под тепловым понимают электромагнитное излучение, возникающее вследствие превращения тепловой энергии в световое излучение и не сопровождающееся никакими другими изменениями в теле, кроме его теплового состояния. Температура является основным параметром теплового излучения. Принципиальным недостатком температурного излучения с точки зрения его использования в технике индикации является низкая экономичность. Это объясняется тем, что в видимой части спектра при реально достижимых рабочих температурах интенсивность излучения нагретых тел мала. Поэтому только очень малая часть энергии, излучаемой температурным источником, воспринимается глазом, в то время как остальная, подавляющая часть

накаливаемые индикаторы, в которых нить накала (обычно из вольфрама) нагревается протекающим током до температуры (2…3)·103К. Такой индикатор конструктивно представляет собой вакуумный баллон, внутри которого расположены элементы отображения в виде вольфрамовых спиралей.

Рис.8.1. Структура расположения электродов вакуумного накаливаемого индикатора:

1 – подложка; 2 – опорные штыри; 3 – спираль накала

Рабочая температура нитей не превышает 12500С, чем обеспечивается высокая долговечность. Спиральная форма нити и небольшое расстояние между опорными штырями предотвращают заметное провисание при нагреве. Для увеличения контраста подложка чернится.

Возбуждение индикаторов производится приложением постоянного, переменного или импульсного напряжения между общим выводом и отдельными выводами возбуждаемых сегментов. В любом случае нагрев элемента отображения запаздывает, так что время реакции при питании постоянным током составляет 0,2…0,25 с, однако, подавая повышенное напряжение на нить (вместо 5 до 15В) можно осуществлять их адресацию за 10мс.

Для обеспечения длительного срока службы ВНИ эксплуатируются подобно осветительным лампам при пониженном напряжении, тем не менее при этом обеспечивается яркость порядка 5000-6000 кд/м2, что значительно выше, чем у любых других индикаторов. Они чрезвычайно удобны для устройств, которые должны работать при высоком уровне окружающей освещенности, что имеет место, например, в кабине летчика. Типичная вольт-амперная характеристика НВИ приведена на рис. 8.2.

I, mA

20

18

16

14

12

10

8

6

4

вакуумного индикатора

Сублинейный характер характеристики объясняется тем, что сопротивление представляет собой возрастающую в результате нагрева нити функцию тока.

Яркость накаливаемых индикаторов быстро растет с напряжением. Теоретически эту зависимость можно объяснить следующим образом. Как и любая лампа накаливания, ВНИ имеет малый КПД, т.е. большая часть подводимой к нему мощности отводится путем теплопроводности или конвекции. Отсюда следует, что температура нити в среднем пропорциональна подводимой мощности, т.е.

данные индикаторы работают при сравнительно больших (в десятки миллиампер) токах. Необходимо также учитывать, что в начальный момент из-за малого сопротивления холодной нити возможен бросок тока (до двукратного значения), продолжающийся несколько десятых долей секунды.

При импульсном возбуждении и большой скважности максимальная мгновенная и средняя температуры нити накаливания могут сильно различаться, что отрицательно сказывается на сроке службы индикатора. Поэтому на практике не рекомендуется использовать скважность более12. С учетом этих ограничений частоты повторения и

где Uнак ном – номинальное постоянное напряжение возбуждения. Номинальное рабочее напряжение ВНИ обычно лежит в пределах

3…5 В. При максимальном выходном излучении потребляемый ток равен 12…15 мА/сегмент (максимально 60мВт/сегмент). Для сравнения отметим, что потребляемая мощность типичного 7-сегментного ППИ очень близка к указанному значению, а многие высокояркостные

индикаторы потребляют еще большую мощность. Угол обзора ВНИ, как правило, выше 900 (1200).

При нормальных рабочих условиях и номинальном напряжении средний срок службы ВНИ составляет 1·105ч. Уменьшение напряжения накала обеспечивает гораздо больший срок службы. Например, ВНИ с рабочим напряжением 5В, эксплуатируемый при U=4В, имеет приблизительно 14-кратный выигрыш по сроку службы и, наоборот, при работе индикатора при напряжении выше номинального средний срок службы резко сокращается. В то же время по ударным и вибрационным нагрузкам ВНИ более уязвим, чем индикаторы других типов.

Наряду со спиральной используют пленочные нити накаливания. Для этого на подложке сначала формируют тонкую вольфрамовую пленку, затем литографическим методом ей придают зигзагообразную

1700кд/м2. Свечение ограничено центральной областью и имеет вид пятна диаметром 0.5 мм. Поэтому, оказывается возможным создание индикатора матричного типа.

Промышленность выпускает собственно лампы накаливания и сегментные вакуумные накаливаемые индикаторы.

Сегментные ВНИ имеют от 4 до 10 сегментов. Применяя различные варианты их подключения, можно отобразить цифры от 0 до 9, большинство букв русского и некоторые буквы латинского алфавита, знаки и т.п. Для улучшения условий считывания рекомендуется применять нейтральные или цветные светофильтры.

Взависимости от типа индикатора информация считывается через боковую (ИВ-9, ИВ-10, ИВ-14) или торцевую (ИВ-19, ИВ-20) поверхности баллона.

Втаблице ниже приведены параметры типичных накаливаемых буквенно-цифровых индикаторов. При питании импульсным или переменным напряжением для предотвращения возникновения резонанса рекомендуется использовать частоты в диапазоне 0-150 или выше 500 Гц.

Рассмотрим пример схемы адресации ВНИ.

На рис. 8.3. приведена схема управления одноразрядным индикатором типа ИВ-9.

Рис. 8.3. Схема адресации одноразрядного ВНИ В этой схеме в качестве знакогенератора использован

дешифратор 514 ИД1. Выходной ток данной ИМС достаточен для включения транзисторной сборки типа 125НТ1А. Транзисторная сборка допускает выходной ток до 40 мА. При питании схемы источником 5 В

ис учетом падения напряжения на транзисторной сборке, равном

приблизительно 0,7 В, получим напряжение на индикаторе не более

4,3 В.

9. Газоразрядные индикаторы.

Физические свойства газового разряда Как и в твердом теле, при переходе электрона с одного

энергетического уровня на более низкий газ излучает свет. Однако в газе электроны отделяются от атомов. При потере одного электрона большинством атомов газа говорят, что газ ионизирован. В пределе каждый атом может потерять один электрон, однако свечение

наблюдается лишь тогда, когда концентрация электронов и ионов превышает 1% и газ переходит в плазму. В этом состоянии излучение происходит наиболее интенсивно. Хотя термин “плазма” впервые применен в связи с газоразрядными индикаторами переменного тока, он с равным основанием относится к приборам постоянного тока. Два данных типа приборов различаются лишь характером зажигания и свечения.

Для ионизации газа необходимо приложить энергию, достаточную для вывода электрона из поля иона. Эта энергия называется потенциалом ионизации.

Так, например, для неона (цвет разряда – оранжевый) потенциал ионизации составляет 21,5 эВ. Оранжевое свечение характерно для большинства плазменных индикаторов, так как в них обычно используют заполнение Ne, хотя в отдельных случаях добавляют примеси и некоторых других газов.

При соударении электронов с неионизированными атомами освобождаются другие электроны, что и способствует развитию процесса ионизации. Электроны, находящиеся в метастабильных состояниях, могут тоже получить большую энергию благодаря длительному времени существования в этом состоянии повышают вероятность ионизации. Она может начаться при напряжениях, гораздо меньших напряжения нормальной ионизации газа.

a)

2 4 6

L

б)

в)

газоразрядный промежуток, а только отдельные его части. Эти светящиеся области чередуются с областями, в которых свечение либо вообще отсутствует, либо очень слабое.

Различают нормальный и аномальный тлеющие разряды.

Нормальный тлеющий разряд отличается постоянством плотности катодного тока. В этом режиме увеличение тока разряда сопровождается ростом площади катода, занятой разрядом. При этом напряжение горения разряда UГ (см. вольт-амперную характеристику на рис. 9.1) остается практически постоянным. Когда при определенном разрядном токе вся площадь анода оказывается занятой разрядом, дальнейший рост тока приводит к увеличению падения напряжения на газоразрядном промежутке и нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный. Этот разряд соответствует участку вольт-амперной характеристики, где наблюдается ее подъем (участок 3,И).

Как видно из выше приведенного рис.9.1, существует два светящихся участка: участок отрицательного тлеющего свечения и положительный столб. В большинстве газоразрядных индикаторов именно участок отрицательного тлеющего разряда используется в

в аппаратуре с сетевым питанием.

Яркость свечения разряда в чистом инертном газе невелика. С целью повышения яркости к основному газу (обычно He, Ne) добавляют небольшое количество (не более 1%) примесного газа ( Ar, Kr, Xe, H2 ). Получаемая в результате смесь называется смесью Пеннинга. В такой газовой среде энергия, необходимая для образования местабильных атомов основного газа, больше энергии ионизации примесного газа. Поэтому образование заряженных частиц идет не только за счет столкновения электронов с нейтральными атомами, но и при взаимодействии местабильных атомов основного газа с атомами примеси, например, по следующей реакции: Ne*+ Xe → Xe+e-+Ne. В