Газоразрядные индикаторы, плазменные панели

Принцип действия газоразрядных индикаторов основан на явле­нии коронного разряда вокруг отрицательного электрода в атмос­фере инертного газа. Видимое свечение излучается плазмой - смесью ионов и электронов высоких энергий, поэтому такие инди­каторы называют также плазменными. Конструкция простого газо­разрядного индикатора постоянного напряжения, показанная на рис. 45,а, состоит из .двух металлических плоских электродов,

Рис.45. Простейшие газоразрядные индикаторы: а - постоянного тока; б - переменного тока.

помещенных в герметичную прозрачную ампулу, заполненную инертным газом - неоном с добавкой небольшого количества паров ртути. При приложении напряжения светится узкая область, примы­кающая к отрицательному электроду - катоду.

Физические процессы, происходящие в индикаторе, можно упрощенно представить таким образом: под действием высокого напряжения происходит небольшая начальная ионизация газовой смеси. Тяжелые положительно заряженные ионы атомов ртути ускоряются по направлению к катоду. Набрав достаточную энергию, они бомбардируют атомы неона, находящиеся вблизи катода, и переводят их в возбужденное состояние. Электроны внешней оболочки атомов неона переходят на более высокие энергетические уровни. При релаксации электроны возвращаются на свои стабильные уровни и излучают избыточную энергию в виде квантов видимого света.

Необходимо, чтобы заполняющий колбу газ был обязательно инертным и не взаимодействовал с материалом электродов для обеспечения длительного срока службы индикатора. Наиболее часто используется неон и его смеси, дающие оранжево-красное свечение, поэтому газоразрядные индикаторы еще называют "неоновыми лампа­ми". Добавление других инертных газов позволяет получить почти все цвета спектра. Яркость газоразрядных индикаторов может быть очень высокой и достигать 10000 кд/м² (типичное значение -100 кд/м²). Световая эффективность невелика (порядка 0,2 лм/Вт), Если к индикатору приложено знакопеременное напряжение, как показано на рис. 45,Б, то свечение возникает около обоих электродов.

Рассмотрим вольтамперную характеристику газоразрядного ин­дикатора, показанную на рис. 46. Она имеет ярко выраженную S-образную форму.

Рис,46, Вольтамперная характеристика газоразрядного индикатора.

На начальном участке при увеличении U ток практически отсутствует, однако при достижении напряжения зажигания U_заж происходит резкое увеличение тока при одновременном падении напряжения на газоразрядном промежутке. Это соответствует лавинному процессу образования большого количества электронов и ионов в газоразрядном промежутке. Во внешней цепи должен быть включен ограничивающий резистор, иначе ток может превысить допустимую величину, а индикатор разрушиться от перегрева. Напряжение горения индикатора U_гор оказывается значительно меньшим, чем U_заж . Типичные значения таковы: U_заж = 100 В; U_гор = 60 В. Для выключения индикатора нужно уменьшить напря­жение на нем до U_гаш < 30 В, при котором резко уменьшится концентрация ионов и электронов в газоразрядном промежутке.

Конструкция простого точечного газоразрядного индикатора, изготовленного в виде миниатюрной лампы накаливания, показана на рис. 47,а.

Рис.47. Конструкции газоразрядных индика­торов: а - точечного; б - цифрового;1 - анод; 2 - катод;3 - сетка-анод; 4 - цифры-катоды.

Электроды имеют форму диска и изогнутой проволочки, вокруг которых возникает свечение. Более сложный индикатор способен отображать цифры от 0 до 9. Каждая цифра выполнена из тонкой никелевой проволочки-катода, присоединенной к одному из выводов на цоколе. Все проволочки изолированы друг от друга, а для жесткости скреплены посредством керамических прокладок. Общий анод изготовлен в виде сетки из никелевой проволоки, на него постоянно подается высокое положительное напряжение. Для зажигания нудной цифры на проволочку-катод, представляющую эту цифру, подается потенциал земли и вокруг этого катода возникает оранжевое свечение. Управление такими индикаторами производится при помощи специальных высоковольтных дешифраторов, например микросхем 155ИДЗ. Недостатком газоразрядных цифровых индикаторов является их сравнительно низкая экономичность, потребность в высоковольтном источнике (200 В), а также большая толщина цифрового набора, что уменьшает угол обзора и снижает яркость свечения последних цифр (табл. 5). Большой угол обзора (до 100°) достигнут в газоразрядных сегментных индикаторах.

Таблице 5Параметры промышленных образцов газоразрядных индикаторов

Тип инди­катора	Размер знака, мм	Цвет свечения	Яркость, кд/м2	Угол обзора, град	Напряже-ние зажигания, В	Напря­жение поддержания разряда, В	Ток анода, мА
ИНС1 (точечный)	ǿ 7	Оранже­во-красный	Не ме­нее 50	-	65-90	55	0,2 - 10
ИН8-2 (цифровой)	10x19	Оранже­во-красный	100	60	170	150	2,5 -3,5

В последние годы созданы промышленные образцы газоразрядных матричных экранов, в которых изображение формируется из множества светящихся точек. Такие экраны чаще называют плазменными панелями. Конструкция плазменной панели постоянного напряжения показана на рис. 48,а. Ее основу составляют две системы тонких вертикальных и горизонтальных металлических электродов 3. Электроды отделены друг от друга посредством диэлектрического сепаратора 2 с отверстиями.

Рис.48. Конструкция плазменных панелей: а - постоянного тока; б - высокочастотного переменного тока; I - стеклянные пластинки; 2..- сепаратор; 3 - металлические электрода.

Сепаратор выполняет две функции: механически закрепляет электроды и локализует разряд в точке, ограниченной размерами отверстия. Если этого не сделать, то утратится четкость изображения. Система электродов помещена между двумя стеклянными пластинами I и заполнена инертным газом - неоном. При подаче, например, на горизонтальный электрод высокого напряжения, а на вертикальный ~ низкого, в точке их пересечения возникает разряд. В точках пересечения других электродов напряже­ние остается недостаточным для зажигания разряда. Выбирая нужные электроды, можно создать изображение на матричном экране.

Важной особенностью плазменных панелей является "эффект памяти", обусловленный особенностью газового разряда. Обратимся к рис47. Для зажигания разряда нужно высокое напряжение U_заж , а для поддержания горения - сравнительно низкое U_гор. То есть после загорания точки матрицы напряжения на соответствующих электродах можно уменьшить почти вдвое и разряд будет гореть. Если же разряд в другой точке не был зажжен во время сканирования, то при подаче напряжения, равного U_гор,на эту точку она будет оставаться в выключенном состоянии. Состояние, которое приобрела точка матрицы во время сканирования строки, "запоминается" на время развертки всего кадра. Это очень важно для матричных индикаторов, поскольку позволяет получить высокую яркость изображения.

Рис 9.Временная диаграмма работы ячейки плазмен­ной панели: I - разряд зажжен и продолжает гореть; 2 - разряд погашен и остается потешенным.

Рассмотрим временную диаграмму сканирования плазменной панели, показанную на рис. 49. По вертикальной оси вверх отложено положительное напряжение на горизонтальных электродах U_строк, а вниз - отрицательное на вертикальных электродах U_столб. В период t₁-t₂ (время сканирования строки) напряжение, приложенное к точке пересечения, равно сумме напряжений на электродах и, если оно равно или превышает U_заж, то в точке загорается разряд.

В период t₂-t₃ (время сканирования всего кадра) напряжение между электродами снижается до U_гор и разряд продолжает го­реть. В период t₃-t₄ (новый цикл сканирования строки) напря­жение падает до U_гаш и разряд гаснет. Теперь если даже в период t₄-t₅ напряжение повысится до U_гор, разряд в точке не возникает и точка остается погашенной до конца кадра. Свойство "памяти" присуще только плазменными панелям; в других индикаторах его приходится создавать искусственно.

Плазменные панели постоянного напряжения со временем деградируют вследствие распыления материала электродов. Значительно более долговечны панели переменного высокочастотного напряжения, показанные на рис. 6.4,6, у которых электроды вынесены за пределы газоразрядного промежутка на внешнюю поверхность стеклянных пластин.

Особый интерес представляют плазменные панели с самосканированием [I]. Фрагмент строки такой панели показан на рис. 50.

Рис.50. Фрагмент плазменной панели с самосканированием: I - дежурный разряд; 2 - сканирующий электрод; 3 - сепара­тор; 4 - анод индикации;5 - разряд индикации; б - разряд сканирования; 7 - анод сканирования.

Все катоды разбиты на триады К₁,К₂,К₃, причем одноименные катоды всех триад объединены между собой. Таким образом, от всех катодов имеется только три вывода. В левой стороне строки расположена пара вспомогательных электродов, не видимых наблюдателю, между которыми постоянно горит небольшой вспомогательный разряд под действием дежурного напряжения U_деж .

В начале сканирования строки подается отрицательный импульс U_ск на ,стартовый катод, имеющийся в начале каждой строки. Временная диаграмма катодных импульсов показана на рис. 51. Благодаря начальной ионизации вокруг дежурного разряда сравнительно легко загорается разряд стартового катода. Затем отрицательный импульс U_к1 подается на все катоды к₁, но разряд загорается только у самого левого - к_1.1, ближайшего к стартовому. Далее отрицательный импульс U_к2 подается на к₂ и разряд перемещается к ближайшему катоду к_1.2, затем аналогично на к₃, при этом отрицательные импульсы U_ск и U_к1 -заканчиваются. Если теперь снова подать импульс U_к1, то разряд зажигается вокруг к_1.2 из второй триады. Таким образом, осуществляется перенос сканирующего разряда вдоль всей строки.

Рис.51. Временная диаграмма работы плазменной панели с самосканированием.

Сканирующий разряд горит под катодом и практически не виден наблюдателю. Для зажигания основного разряда на анод индикации синхронно с импульсом сканирования подается положительный импульс U_АИ. После окончания сканирования строки поджигается разряд у стартового катода следующей строки и сканируется сле­дующая строка.

Преимущество метода самосканирования заключается в более четком и быстром загорании разряда индикации благодаря вспомогательному сканирующему разряду, создающему начальную ионизацию в нужной точке матрицы; кроме того, плазменные панели с самосканированием имеют значительно меньшее число внешних выводов благодаря объединению всех катодов в три группы.

Обычно плазменные панели имеют прямоугольную конфигурацию с малым числом строк-анодов и большим числом столбцов-катодов, например, индикатор ГИПС-16-1 имеет 111x7 элементов, цвет свечения - оранжевый, яркость 140 кд/м², угол обзора 90°, амплиту­ду импульсов индикации 150 В. Световая эффективность плазменных панелей составляет 0,5 лм/Вт, разрешающая способность 10-20 линий на сантиметр. Дальнейшее их совершенствование направлено на создание многоцветных индикаторов путем наложения панелей трех цветов друг на друга, а также уменьшения напряжения зажигания разряда. Это достигается покрытием электродов материалами с малой работой выхода электронов, например магнием, а также введением дополнительных поджигающих электродов.