Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

По принципу действия индикаторы делятся на две основные группы: активные, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в свет, и пассивные, которые только модулируют внешний световой поток. Основными преимуществами активных индикаторов являются высокое быстродействие, способность работать при малой освещенности окружающей среды и большой угол обзора. По этим параметрам пассивные индикаторы уступают активным, но зато сохраняют контраст при высокой освещенности и потребляют значительно меньше электрической энергии.

В группу активных индикаторов входят полупроводниковые, электролюминесцентные, вакуумные люминесцентные, газоразрядные, накаливаемые вакуумные. К пассивным индикаторам относятся жидкокристаллические, электрофорезные, электрохромные, а также сегнетокерамические.

Газоразрядные индикаторы. В газоразрядных индикаторах используется свечение газа под действием электрического тока. Все газоразрядные индикаторы работают в режиме тлеющего разряда с холодным катодом. Такой разряд устанавливается при напряжении порядка 100…200 В в зависимости от расстояния между электродами, материала катода и рода газа.

Видимое излучение тлеющего разряда лежит в красной области спектра, другие спектральные линии в видимой части спектра очень слабы. Кроме того, существуют интенсивные инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, что дает возможность возбуждения радиацией газового разряда фотолюминофоров разных цветов свечения, включая красный, синий, зеленый.

Электролюминесцентные индикаторы. Электролюминес-

ценцией называется свечение веществ при воздействии электрического поля.

Известны два принципиально различающихся вида электролюминесценции:

259

предпробойная, которая возникает в микроучастках порошковых или пленочных электролюминофоров при напряженностях поля, близких или равных пробивным;

инжекционная, происходящая при рекомбинации электронов

идырок на р–n-переходе полупроводникового кристалла, включенного в прямом направлении.

В соответствии с этим выделяют два типа индикаторов: собственно электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) и полупроводниковые индикаторы (ППИ).

Порошковые ЭЛИ изготавливают посредством напыления на стеклянную пластину светоизлучающего слоя. В качестве светоизлучающего слоя используют смесь люминофора и диэлектрической связки (органическая смола, стирол, акрил и т.д.). Введением активаторов в люминофор можно получить свечение синего, зеленого, желтого, красного цветов.

Преимущественное развитие получили ЭЛИ переменного тока. Яркость ЭЛИ переменного тока увеличивается с ростом частоты и напряжения. Во многих материалах увеличение частоты выше 10 кГц дает незначительное увеличение яркости, что ведет к избыточным диэлектрическим потерям. Ведутся также работы по созданию ЭЛИ постоянного тока. Первоначальная яркость ЭЛИ постоянного тока обычно выбирается в пределах 100 кд/м2. Первоначальная плотность тока составляет примерно 2 мА/см2. При условии непрерывной работы в течение нескольких часов яркость падает.

Поддержание постоянной яркости в течение длительного времени возможно путем повышения напряжения питания индикатора по мере его старения. Несмотря на большую яркость и другие преимущества, ЭЛИ постоянного тока имеют существенный недостаток – малую светоотдачу (около 10 % соответствующей величины ЭЛИ переменного тока).

260

Основные недостатки порошковых ЭЛИ определяются малой яркостью изображения, малой крутизной вольт-яркостной характеристики и незначительным сроком службы.

Пленочные ЭЛИ перспективны в области малых и средних плоских экранов. При переходе к сублимированным электролюминесцентным пленкам удается значительно улучшить свечение

иполностью устранить недостатки, обусловленные малой крутизной вольт-яркостной характеристики и малым сроком службы порошковых ЭЛИ.

Полупроводниковые индикаторы. Работа полупроводнико-

вых индикаторов основана на явлении люминесценции, обусловленной рекомбинацией электронов и дырок при их инжекции под действием прямого напряжения на р–n-переходе. Спектр видимого излучения ППИ (светодиодов) лежит в диапазоне волн 0,4…0,7 мкм. Эффективность преобразования электрической энергии в излучение определяется материалом полупроводника, коэффициентом полезного действия инжекции неосновных носителей, оптическими потерями в полупроводнике и другими факторами.

ППИ имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами индикаторов:

большой срок службы;

совместимость с интегральными схемами благодаря низким потребляемым напряжениям и токам;

высокая надежность при ударных и вибрационных перегруз-

ках;

компактность;

малая инерционность ППИ обеспечивает высокое быстродействие (50-200 нс).

В настоящее время выпускаемые промышленностью ППИ в основном изготавливаются на основе твердых растворов фосфида

иарсенида галлия GaAsP и фосфида галлия GaP. Возможно получение широкого диапазона излучения ППИ от красного до голубого цвета.

261

В нашей стране выпускаются светодиоды из фосфида галлия с красным свечением, зеленым, на карбиде кремния с желтым свечением, а также многоэлементные цифровые индикаторы и матричные панели.

Матричные панели на светоизлучающих диодах пока еще не нашли широкого применения. Это объясняется их высокой стоимостью и значительными трудностями (технологическими) производства. Ни полупроводниковая технология, ни пленочная не позволили получить панели с достаточной информационной емкостью из-за значительной неоднородности характеристик и сильного взаимного влияния ячеек.

Жидкокристаллические индикаторы. ЖК-индикаторы стали широко применяться в качестве СОИ. ЖК-индикаторы – пассивные устройства. Они не генерируют свет и требуют дополнительной подсветки, сами же выполняют роль модулятора, работая в режиме пропускания или отражения света.

Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой органические жидкости, имеющие удлиненные стержнеобразные молекулы. Различают ЖК трех типов (рис. 16.3): смектические, нематические и холестерические.

D

D

D

Рис. 16.3. Типы жидкокристаллических индикаторов:

а– смектические; б – нематические; в – холестерические

Всмектических ЖК сильно вытянутые молекулы располагаются слоями одинаковой толщины, близкой к длине молекул. Ориентированы молекулы параллельно друг другу. У нематических ЖК отсутствует слоистая структура, а молекулы также ори-

262

ентированы параллельно друг другу своими длинными осями. Холестерические ЖК имеют структуру слоистую, но в каждом слое молекулы вытянуты в некотором преимущественном направлении.

Ориентация отдельной молекулы ЖК подвергается непрерывным тепловым флюктуациям, однако в любой точке жидкости существует средняя ориентация, характеризуемая единичным вектором, называемым директором D. Когда ЖК-вещество занимает большой объем, в молекуле появляются области с независимыми ориентациями директора. Для придания одинаковой ориентации во всем рабочем пространстве ЖК заключают в узкое (несколько десятков микрометров) пространство между подложками. В результате специфическая ориентация молекул ЖК определяется и соседними молекулами, и граничной поверхностью подложки. Ориентирующее действие достигается напылением на подложки тонких пленок SiO2.

Молекулы ЖК представляют собой индивидуальные диполи. Ориентация молекул может меняться в результате различных электрогидродинамических эффектов, обусловленных протеканием даже небольшого тока, или под действием электрического поля.

Конструкция элементарной ячейки ЖК-индикатора проста и содержит две стеклянные пластины, имеющие на внутренней стороне прозрачное проводящее покрытие. Между пластинами залит ЖК. Толщина ЖК лежит в пределах 6…25 мкм. Такая конструкция по сути представляет собой плоский конденсатор. При отсутствии напряжения на ячейке ЖК-вещество однородно и прозрачно. При приложении к ячейке порогового напряжения возникает волнистая доменная структура. При превышении порогового напряжения доменная структура превращается в ячеистую, затем в жидкости возникает вихревое движение. ЖК теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот эффект называют динамическим рассеиванием. В настоящее время распространены индикаторы на основе эффекта динамического

263

рассеивания, а также индикаторы, использующие полевой твистэффект (закручивание) и эффект типа «гость-хозяин».

Внастоящее время наиболее распространены индикаторы, использующие полевой твист-эффект (англ. twist – закручивание). Работа ячейки со скрещенными поляризатором П и анализатором

Апоказана на рис. 16.4.

Вотсутствие напряжения питания на ячейке молекулы ЖК закручены приблизительно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек П и А.

Поляризатор – это оптический элемент, пропускающий свет, поляризованный в одном направлении, и гасящий свет, поляризованный в противоположном направлении, в зависимости от ориентации поляризатора. Если оси второго поляризатора, называемого анализатором, параллельны осям первого, то свет проходит через второй поляризатор; если же оси анализатора перпендикулярны, излучение гасится.

Рис. 16.4. Работа ЖК-индикатора на твист-эффекте при напряжениях: а – нулевом; б – превышающем пороговое

Свет, падающий сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При прохождении через ЖК плоскость поля-

264

ризации света вращается (как директор у молекул ЖК) и свет проходит через анализатор. При питании ячейки напряжением выше порогового, вектор поляризации ЖК приобретает вертикальное направление и ЖК не вращают плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.

ЖК-индикаторы имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния (меньшие рабочие токи (1…3 мкА/ см2 вместо 10 мкА/ см2) и поэтому большую долговечность). Быстродействие ЖК на твист-эффекте гораздо выше, чем при использовании динамического рассеяния.

К недостаткам ЖК-индикаторов на твист-эффекте относится меньший, чем у индикаторов на эффекте динамического рассеяния, угол обзора, что связано с узкой диаграммой направленности света при твист-эффекте и влиянием поляризаторов. Применение поляризаторов приводит к потерям до 50 % света, а также повышает стоимость индикаторов.

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость-хозяин». Стержневидные молекулы красителя (гость) вводятся в ЖК (хозяин). Молекулы красителя стремятся ориентироваться параллельно осям молекул ЖК (рис. 16.5).

1 2

а

б

Рис. 16.5. Работа ЖК-ячейки на эффекте «гость-хозяин» при напряжениях: а – нулевом; б – превышающем пороговое; 1 – молекулы красителя; 2 – молекулы ЖК

265

Вначальном состоянии, при нулевом напряжении на ЖКячейке, свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 16.5, а). При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь нее (рис. 16.5, б).

Описанная система перспективна, так как позволяет получить почти черное позитивное изображение на белом фоне при высокой яркости и достаточно широком угле обзора. Контраст у индикаторов на эффекте «гость-хозяин» несколько хуже вследствие поглощения света красителем.

Достоинства ЖК-индикаторов заключаются в малой потребляемой мощности (110 мкВт/см2), работе при высоком уровне внешней освещенности, простоте конструкции и технологии изготовления, низкой стоимости, низком рабочем напряжении.

К основным недостаткам ЖК-индикаторов следует отнести узкий диапазон рабочих температур (от -10 до +60 °С), длительные переходные процессы, к тому же зависящие от температуры.

Электрофоретические индикаторы. Электрофорезом назы-

вается движение заряженных частиц в жидкости под воздействием электрического поля. Действие электрофоретического индикатора (ЭФИ) основано на движении взвешенных заряженных пигментных частиц в окрашенной безводной суспензирующей жидкости под действием электрического поля.

ВЭФИ используются белые частицы, взвешенные в темной жидкости, помещенной между парой электродов. Если подать на электроды постоянное напряжение, частицы будут двигаться к прозрачным электродам. ЭФИ, благодаря отражению от белых частиц, выглядит белым. При изменении полярности напряжения частицы возвращаются в темную жидкость и исчезают из поля зрения. Выполняя прозрачные электроды в виде знаков, можно получить буквенно-цифровой индикатор. ЭФИ обладает внутренней памятью, так как при снятии напряжения частицы остаются у

266

поверхности электрода. Соответствующим подбором цвета частиц и жидкости получают различные цветовые эффекты.

ЭФИ имеют привлекательный внешний вид и высокий контраст, но им присущи инерционность (до 1 с), а также высокое рабочее напряжение (100 В). При постоянном напряжении питания рассеиваемая индикатором мощность с ростом температуры возрастает из-за увеличения проводимости. Рекомендуемый диапазон температуры от -15 до +50 °С.

16.2. Классификация СОИ. Коллективные СОИ

По характеру использования СОИ можно разделить на две группы:

алфавитно-цифровые;

графические.

Алфавитно-цифровые СОИ служат для ввода и отображения текстовой информации, графические позволяют наряду с текстовой информацией отображать графики, мнемосхемы, рисунки.

По функциональному назначению дисплеи также можно разделить на две группы:

СОИ типа информационного табло, отображающие информацию по запросу оператора или программно (без диалога);

СОИ с двусторонним обменом информации между оператором и ЭВМ.

В графических системах, кроме клавиатуры, для ввода информации также используют световое перо, мышь, планшет. Эти средства позволяют вводить и редактировать рисунки на экране монитора. Такие дисплеи используются в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Применение мониторов PC в качестве видеотерминалов систем АСУ ТП, имеющих значительную и разветвленную сеть об-

267

служиваемого технологического оборудования, кроме неоспоримых преимуществ, имеет и существенные недостатки.

Первый недостаток – невозможность одновременного размещения на одном или даже нескольких мониторах достаточного количества мнемонической информации. Как следствие – необходимость использования большого количества дисплеев, постоянного применения в процессе пользования скроллинга, масштабирования и «перелистывания» экранной информации.

Все это весьма затрудняет работу операторов рабочих станций и приводит к увеличению времени на принятие решений, а зачастую и ошибкам. Особенно сильно этот недостаток ощущается при создании центров управления на базе АСУ ТП с несколькими операторскими рабочими местами. Как правило, в этом случае, в сочетании с весьма значительным объемом единой оперативной информации, требуется абсолютно синхронный порядок управляющих действий на всех рабочих местах, а достичь этого становится сложно, поскольку управляющее решение каждый из операторов может принять, только набрав необходимый объем исходных данных, «скитаясь» по меню и страницам своих мониторов. Объем же этих данных весьма различен в каждом конкретном случае для каждого оператора центра, поэтому совершенно ясно, что чем больше комплекс АСУ ТП, тем большей величины достигает «рассинхронизация» действий операторов центра управления.

Второй недостаток – сравнительно небольшой размер мониторных «картинок», что не позволяет включать в состав активных пользователей информации АСУ ТП «мобильных» участников процесса производства, т.е. работников, вынужденных перемещаться в пределах какой-либо зоны для решения служебных задач.

Устранить оба упомянутых недостатка позволяет применение в составе комплекса видеотерминальных устройств АСУ ТП выносных щитов-табло индивидуального и коллективного пользования.

268