3. Газоразрядные и плазменные уои

Принцип действия классического газового разряда заключается в следующем: 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 условно показан внешний вид и распределение параметров вдоль разряда.

Рис. 6. Распределение параметров в тлеющем разряде

Знаковый (цифровой) ГРП с холодным катодом и общим анодом, выполненным в виде сетчатой пластины, представлен на рис. 7.

Рис. 7. Газораз­рядный индикатор­ный прибор

Стеклянный баллон индикатора заполнен неоном. При по­даче между анодом и одним из катодов напряжения, превышающего по величине напряжения зажигания разрядного промежутка, возникает тлеющий разряд, охватывающий всю поверхность като­да, в результате чего отображается соответствующая цифра.

Существуют различные типы газоразрядных УОИ:

1) Знаковые (цифровые) ГРП с холодными катодами (рис.7) и общим анодом, выполненным в виде сетчатой пластины. Метод формирования зна­ков моделирование и в ряде случаев синтезирование.

Широко распространены газоразрядные цифровые индикаторы, у которых катоды выполнены в виде цифр, расположенных одна под другой. В некоторых индикаторах кроме десяти цифр предусмотрена за­пятая. Существуют приборы с торцевой и боковой индикациями.

К преимуще­ствам таких индикаторов следует отнести:

• не­большие габариты, стоимость и потребляемую мощность;

• высокие яркость свечения и долго­вечность;

• достаточно высокое быстродействие.

К основным их не­достаткам относятся высокие напряжения питания (200—300 В) и запаздывание зажигания разряда.

2) Многоразрядные газоразрядные индикаторные панели плоской конструкции. Конструктивно такие панели со­стоят из двух изоляционных пластин с нанесенными на них систе­мами электродов и прокладки, толщина которой определяет меж­электродное расстояние. Катоды каждой из матриц знаков, ото­бражающих цифры, образуют семисегментную структуру, против которой располагается анод. Одноименные сегменты всех матриц знаков соединены между собой и имеют общий вывод. Для управ­ления такими многоразрядными панелями используется мульти­плексный режим, при котором любая, из цифр синтезируется путем одновременной подачи отрицательных импульсов на необходимые сегменты—катоды и сканирующего положительного импульса— на соответствующий анод.

3) Тиратроны с холодным катодом (ТХК). ТХК имеют довольно большой срок службы, достигающий десятков тысяч часов, высокую яркость све­чения и большое входное сопротивление; они выдерживают значи­тельные перегрузки по напряжению и току, потребляют малую мощность, имеют небольшой вес, малые габариты и работают в диапазоне температур от —60 до +85°С.

4) Газоразрядная панель постоянного тока. Конструктивно ГИП постоянного тока представлена на рис. 8. Корпус—герметизирован. Ячейки расположены в местах перекрещивания электродов. Ячейки заполнены инертным газом (неон, смесь неона с азотом и т. д.) и обра­зуют миниатюрные газоразрядные приборы, у которых одна систе­ма электродов выполняет функцию катодов, а вторая система электродов — функцию анодов.

Рис. 8. Газоразрядная панель постоянного тока:

1,5-защитные стекла; 2,4-системы параллельных электродов, перекрещивающихся под прямым углом; 3-диэлектрическая пластинка с отверстиями-ячейками.

Под­ключая периодически с определенной частотой требуемые ячейки, можно получить светящееся изображение нужного знака. ГИП постоянного тока не обладают памятью, вследствие чего для по­лучения изображения необходимо периодически подавать управ­ляющие импульсы последовательно на все строки.

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

, (2)

где —период повторения возбуждения ячейки;—мгновен­ное значение яркости ячейки;,— моменты времени, соответст­вующие началу и концу свечения ячейки за период.

При построчном способе возбуждения средняя яркость

, (3)

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

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

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.9 показана конструкция ГИП с самосканированием на ше­стнадцать матриц знаков типа ГИПС-16. В пластине 6 выфрезерованы парал­лельные пазы, в которых укреплены аноды сканирования 5. Катоды 4 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. 9. Газоразрядная панель с самосканированием:

1,6- стеклянные пластины; 2- аноды индикации; 3- диэлектрическая решетка; 4- катоды; 5- аноды сканирования; 6- пластина, с выфрезероваными парал­лельными пазами.

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.

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.

ГИП переменного тока обычно изготовляют с числом электро­дов

, (4)

где =6,7,8,9, ...

Если , то, как правило, число электродов кратно 2^К, что обеспечивает простоту привязки к двоичному коду.

7) Линейные газоразрядные индикаторы. 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.

8) Плоско-панельные индикаторы УОИ реализуются посредством плазменных дисплеев.

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

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. 10.

Рис.10. Различные конфигурации пикселя

На рис.11. показано схематическое изображение простейшей ячейки плазменного УО постоянного тока.

Рис.11. 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.12.

Одним из основополагающих факторов повышения эффективности является увеличение объема генерации УФ излучения.

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.

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 обычноMgOс катодным падением около 130 - 170 В.

Рис. 12. Ячейка плазменного УО переменного тока

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.