14.3. Оптоэлектронные индикаторы

14.3.1. Классификация

Все разнообразные типы индикаторов могут быть объединены в две большие группы: активные, в которых происходит преобра­зование электрической энергии в световую, и пассивные, модули­рующие внешний световой поток при воздействии электрического поля или тока.

В активных индикаторах для преобразования электрической энергии в световую используются следующие физические эффекты: свечение накаленных тел в вакууме, низковольтная катодолюминесценция, излучение газового разряда, предпробойная электролюми­несценция, инжекционная люминесценция. В пассивных индикато­рах непосредственно под воздействием электрических информаци­онных сигналов изменяются оптические показатели: амплитуда, фа­за, длина волны, плоскость поляризации, направление распростра­нения волны. Наибольшее применение получили пассивные индика­торы с модуляцией по интенсивности. Для модуляции светового по­тока используется ряд электрооптических эффектов в жидких кри­сталлах (жидкокристаллические индикаторы). Кроме того, в пассив­ных индикаторах применяется электрохромный эффект, заключающийся в изменении цвета вещества под действием электрического поля (электрохромные индикаторы), и электрофорез, заключающий­ся в перемещении заряженных пигментных частиц под действием электрического поля (электрофоретические индикаторы).

Элементом отображения информации принято называть кон­структивную часть информационного поля знакосинтезирующего индикатора (ЗСИ), имеющую самостоятельное управление. Эле­мент отображения информации, контур которого представляется отрезком прямой или кривой линии, называют сегментом. Используется также термин знакоместо – информационное поле или его часть, необходимая для отображения одного знака; при этом под знаком понимают буквы, цифры, условные знаки и т.п.

По способу формирования изображения знакосинтезирующие индикаторы подразделяются на:

• сегментные ЗСИ-индикаторы, элементами отображения в ко­торых являются сегменты;

• матричные ЗСИ, в которых элементы отображения образуют ортогональную матрицу;

• мнемонические – отображают информацию в виде мнемосхе­мы (условная информационная модель производственного процес­са или системы).

14.3.2. Активные индикаторы

Электронно-лучевые приборы наиболее часто используются в сложных устройствах отображения информации. Мы уже рассмат­ривали одну из знаковых электронно-лучевых трубок (см. § 14.1.8).К достоинствам электронно-лучевых приборов (ЭЛП) для индикации следует отнести высокую светоотдачу, широкие возможности по пе­редаче цвета и полутонов серого, простоту адресации и др. Кроме того, высококачественные ЭЛП удовлетворяют ряду дополнитель­ных требований, предъявляемых ко всем индикаторам: детальность изображения за счет высокой разрешающей способности, четкость изображения благодаря большому контрасту, легкость восприятия из-за отсутствия бликов на поверхности экрана, стабильность изоб­ражения вследствие отсутствия мерцаний, использование удобного для оператора цвета свечения.

Вакуумные накаливаемые индикаторы (ВНИ) основаны на использовании теплового излучения твердых тел, нагреваемых до температуры (2...3)·10³ К. Принципиальным недостатком ВНИ является низкая экономичность. Реальный КПД вольфрама при Т= 2,5·10³ К составляет единицы процентов.

Вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ) основаны на ис­пользовании люминесценции, возни­кающей в катодолюминофорах при возбуждении их электронным пучком. В отличие от электронно-лучевых ин­дикаторов в ВЛИ катодная люминес­ценция низковольтная, что устранило один из основных недостатков ЭЛП – высокое ускоряющее напряжение.

Устройство одноразрядного ВЛИ показано на рис. 14.16. В углублениях платы 7, выполненных в виде сегментов, находится проводящий слой 2, соединенный с контактами 3. Каждый сегмент имеет отдельный вывод. Проводящие слои сегментов полностью покрыты люминофором 4. На передней стороне платы в направлении считывания устанавливается плоский металлический экранирующий электрод 5. Отверстия в этом электроде расположены против соответствующих сегмен­тов, покрытых люминофором. На небольшом расстоянии от экра­нирующего электрода натянута управляющая сетка 6. На малом расстоянии от плоскости сетки (почти параллельно оси лампы) расположен прямоканальный оксидный катод 7. Вся система по­мещена в цилиндрическую стеклянную колбу, которая внутри по­крыта прозрачным проводящим слоем 8.

В исходном состоянии для надежного запирания электронного тока и предотвращения нежелательного свечения люминофора к сетке прикладывается отрицательное напряжение (несколько вольт) по отношению к катоду. При подаче положительного напря­жения на управляющую сетку электроны ускоряются в направле­нии анодных сегментов. Управляющий электрод имеет такой же потенциал, как и управляющая сетка. Электроны попадают на сег­менты, имеющие в данный момент положительный потенциал. Возникает низковольтная люминесценция: нанесенный на анод­ный сегмент люминофор начинает светиться.

В настоящее время выпускается множество типов ВЛИ: одно­разрядные, многоразрядные, сегментные в цилиндрических и пло­ских баллонах, матричные, аналоговые и др. Большинство индика­торов выпускаются вместе со схемой управления и питания.

Газоразрядные индикаторы (ГРИ) работают в режиме тлею­щего разряда с холодным катодом. Такой разряд устанавливается при давлении газа в несколько сотен паскалей и напряжении 100...200 В в зависимости от расстояния между электродами, материала катода и рода газа.

Область свечения тлеющего разряда повторяет контуры като­да, окружая его светящейся оболочкой. Это свойство разряда ис­пользуется в сегментном ГРИ: катод представляет собой опреде­ленным образом заданную геометрическую деталь (цифры от 0 до 9, знаки «+» и «–», буквы Ом, В, А и другие символы). Катоды располагаются так, чтобы их свечение было отчетливо видно, а число катодов равно числу отображаемых символов и один общий анод. Совершенствование ГРИ привело к созданию матричных газоразрядных индикаторов, называемых газоразрядными индика­торными панелями (ГИП).

Электролюминесцентные индикаторы основаны на исполь­зовании излучения света телами под действием электрического поля (электролюминесценция). Известны два принципиально раз­личающиеся вида электролюминесценции: предпробойная, возни­кающая в микроучастках порошковых или пленочных электролюминофоров при напряженностях поля, близких или равных пробивным и инжекционная, происходящая при рекомбинации электро­нов и дырок в электронно-дырочном переходе при прямом включе­нии Поэтому имеются два типа индикаторов – собственно электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) и полупроводниковые ин­дикаторы (ППИ). Последние широко известны как светоизлучающие диоды, рассмотренные нами в § 14.2.

ЭЛИ получили значительное применение благодаря таким свойствам, как возможность высвечивания больших площадей (десятки квадратных метров), многоцветность, простота изготов­ления. Однако применение их ограничивается малой светоотда­чей и очень низкой яркостью и сложностью возбуждения (требует­ся переменное напряжение до 200 В с частотой 1000 Гц) и недол­говечностью (3...5 тысяч часов).