19590

Индикаторные приборы

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

При высоковольтной катодолюминесценции электроны ускоряются большими напряжениями (кВ — десятки кВ) и при бомбардировке люминофора проникают почти на всю его глубину. При этом выбиваются вторичные электроны, которые летят к ближайшим положительно заряженным электродам

Русский

2014-10-10

321.67 KB

15 чел.

Индикаторные устройства

  1.  Электронно-лучевые трубки

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), в которых используется высоковольтная катодолюминесценция, представляют собой наиболее универсальные приборы для отображения информации. Несмотря на ряд существенных недостатков (громоздкость, невысокая надежность, необходимость иметь большие питающие напряжения), они широко используются в дисплеях и осциллографах.

При высоковольтной катодолюминесценции электроны ускоряются большими напряжениями (кВ — десятки кВ) и при бомбардировке люминофора проникают почти на всю его глубину. При этом выбиваются вторичные электроны, которые летят к ближайшим положительно заряженным электродам, и результирующий заряд люминофора даже без электрического контакта с другими электродами существенно не меняется. Поэтому люминофор во многих трубках электрически изолирован от остальных электродов.

ЭЛТ — специальный тип электровакуумного прибора, предназначенный для преобразования электрического сигнала в световое изображение. Принцип работы ЭЛТ заключается в том, что узконаправленный пучок электронов, сформированный электронным прожектором, под влиянием управляющего сигнала перемещается по экрану трубки (люминофору), вызывая его свечение.

Различают одноцветные и цветные ЭЛТ. Цветные ЭЛТ более сложны по конструкции и отличаются тем, что на их экран нанесено несколько люминофоров, имеющих разные цвета свечения (обычно три). Эти люминофоры одновременно или с небольшой временной задержкой возбуждаются несколькими электронными лучами (как правило, тремя), интенсивность каждого из которых зависит от цвета свечения, который необходимо получить. При одновременном перемещении лучей по экрану и соответствующем изменении их интенсивности на экране получается цветное отображение информации. В связи с  тем,  что  основы  работы  цветных  и  одноцветных  ЭЛТ одинаковы, рассмотрим простейшую одноцветную ЭЛТ (рисунок  134, а), условное обозначение которой показано на рисунке  134, б. В ней, как и в любой ЭЛТ, можно выделить три основные части: электронный прожектор (электронную пушку); отклоняющую систему; экран.

Электронный прожектор состоит из катода косвенного подогрева 2 (накаливаемого электрически изолированной от него нитью накала 1), модулятора 3, ускоряющего электрода 4 (третьего анода или ускорителя, который может отсутствовать), первого анода 5 (фокусирующего электрода), второго анода 6 (может отсутствовать). Ее назначение—создание и фокусировка в точку на экране электронного луча требуемой интенсивности. При фокусировке используется свойство электрических полей изменять траекторию движения заряженных частиц. Создав между электродами соответствующие напряженности электрического поля путем подбора напряжений на электродах, электронный луч можно сфокусировать на экране в маленькую точку.





Рисунок  134 – Упрощенная конструкция ЭЛТ со схемой подачи напряжений (а), условное обозначение ЭЛТ (б):

1— нить накала; 2 — катод; 3— модулятор; 4— ускоряющийся электрод; 5 и 6 первый и второй аноды; 7, 8 — отклоняющие пластины; 9 — экранирующее покрытие; 10— экран; 11 -стеклянная колба

Электрические поля, изменяющие скорость и направления движения электронов, часто называют электронными линзами.

Работа электронного прожектора ЭЛТ заключается в следующем.

С торцевой поверхности нагретого катода 2 косвенного подогрева, покрытого оксидным слоем, излучаются электроны. Модулятор 3, выполненный в виде цилиндра, имеет на одном конце диафрагму с отверстием. На этот электрод подается отрицательный относительно катода потенциал небольшой величины (единицы— десятки В). На ускоряющий электрод 4, обычно электрически соединенный со вторым анодом, подается потенциал в несколько киловольт. На первый анод 5 подается напряжение в несколько сотен вольт. Ускоряющий электрод первый и второй аноды служат для ускорения и фокусировки пучка электронов, прошедшего через отверстие управляющего электрода.

Характер электростатических полей действующих между электродами зависит от соотношения их потенциалов. При этом следует напомнить, что электроны стремятся двигаться перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям, показанным тонкими линиями на рисунке  134, а.

Из рисунка  134,а видно, что между модулятором и ускоряющим электродом имеется точка первого скрещивания. Эта точка и проецируется на экран.

Фокусировка электронного луча на экране осуществляется изменением потенциала первого анода. При этом происходит некоторое изменение полей между соответствующими электродами и изменяется траектория движения луча.

Яркость свечения пятна на экране зависит от интенсивности электронного луча и регулируется изменением потенциала модулятора (рисунок  134,6).

В некоторых трубках ускоряющий электрод 4 отсутствует, но в этом случае наблюдается сильное взаимное влияние регулировки яркости на фокусировку и фокусировки на регулировку яркости.

В ряде случаев фокусировку луча выполняют с помощью магнитного поля (магнитной линзы). Оно создается короткой фокусирующей катушкой, надетой на горловину трубки, по которой протекает электрический ток. Электроны, попадающие под некоторым углом в неоднородное магнитное поле катушки, начинают двигаться по спирали с уменьшающимся радиусом, приближаясь к оси трубки. Меняя ток формирующей катушки можно добиться пересечения траектории движения электронов с осью в плоскости экрана. Хотя магнитные линзы имеют лучшие фокусирующие свойства, их используют реже из-за необходимости создавать большие токи в фокусирующей катушке.

Электростатическая отклоняющая система состоит из двух пар отклоняющих пластин, расположенных взаимно перпендикулярно и симметрично относительно оси трубки. Как правило, на отклоняющие пластины через высокоомные сопротивления подается приблизительно тот же потенциал, что и на втором аноде. Если другие напряжения на пластины не поданы, луч проходит между ними не отклоняясь.

 

При подключении к отклоняющим пластинам напряжения на электронный луч воздействует отклоняющая сила. Под ее влиянием электроны внутри конденсатора движутся по параболе, а после выхода из него—по касательной к параболе. В результате луч на экране смещается на величину, пропорциональную приложенному напряжению.

Рисунок  135 – Схема подачи напряжений на пластины

а - симметричная; б - несимметричная; в – конструкция одной пары катушек.

Так как в трубке имеется две пары взаимно перпендикулярных пластин, смещение луча осуществляться в двух плоскостях.

Возможны две схемы подачи напряжения на отклоняющие пластины: симметричная и несимметричная.

При симметричной схеме пластины соединяются со вторым анодом через высокоомные сопротивления R (Рисунок  135,а). Источник отклоняющего напряжения включается непосредственно между пластинами. В этом случае потенциал оси трубки всегда равен потенциалу второго анода. Поэтому при изменении амплитуды отклоняющего напряжения не появляется искажений и не наблюдается расфокусировка луча. Амплитуда отклоняющего напряжения не вызывает расфокусировку луча. При несимметричной схеме одна из пластин соединяется со вторым анодом (землей), а к другой подводится отклоняющее напряжение (рисунок  135,б). При такой схеме потенциал на оси трубки изменяется в зависимости от отклоняющего напряжения. Это приводит к дополнительному ускоряющему действию пластин на луч, ухудшающему фокусировку и приводящему к трапецеидальным искажениям.

Магнитная отклоняющая система обычно содержит две пары катушек, создающих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Они устанавливаются на горловину трубки и располагаются между электронным прожектором и экраном. Возможная конструкция одной пары отклоняющих катушек показана на рисунке  135, в. Электроны, попадая в поле такой катушки, вектор магнитной индукции которой перпендикулярен вектору скорости в магнитном поле, начинают двигаться по спирали с радиусом:

r=mv/(eB)                                                   (1)

где т, е—масса и заряд электрона; V — его скорость; В— магнитная индукция. По выходе из магнитного поля они продолжают двигаться по траектории, определяемой касательной к спирали, проведенной в точке выхода электрона из поля, и «пересекают» экран в точке, удаление которой от оси симметрии зависит от тока в катушках. Меняя токи в парах катушек получают отклонение луча в двух плоскостях. Поэтому чувствительность отклоняющей системы зависит не от напряжений, а от тока катушек и равна:                 h=KWI                                         (2)

где К—коэффициент пропорциональности; W—число витков: I—ток катушки.

При отклонении луча магнитным полем. скорость электронов оказывает меньшее влияние на его значение, чем при использовании электростатических отклоняющих систем. Поэтому им отдают предпочтение в трубках с большим анодным потенциалом и высокой яркостью. Кроме того, положение отклоняющей системы легко регулируется. Однако при частотах отклоняющих напряжений выше 10—20 кГц их эффективность резко падает, в то время как электростатическое отклонение успешно используется на частотах в десятки—сотни мГц.

Флуоресцирующий экран состоит из люминофора (сульфиды, силикаты и их соединения). Электронный пучок, падающий на экран, возбуждает люминофор и на нем появляется светящееся пятно. В зависимости от времени послесвечения люминофора экраны делятся на экраны с коротким послесвечением (через 20 мс свечение уменьшается до 0,001 первоначального значения), экраны со средним послесвечением (послесвечение порядка 50 мс), экраны с длительным послесвечением (послесвечение порядка 6 с), экраны с особо длительным послесвечением (послесвечение порядка 20 с), экраны трубок с памятью.

Для экранировки отклоняющих пластин и отвода вторичных электронов, выбиваемых из экрана электронным лучом, внутренняя поверхность колбы от второго анода до экрана покрыта металлическим или графитовым (аквадаг) проводящим слоем 9 (см. рисунок  134,а), который соединен со вторым анодом.

Для повышения яркости свечения в некоторых ЭЛТ применяют дополнительное ускорение луча. Для этого электропроводящий слой, покрывающий внутреннюю поверхность колбы, разбивают на две или несколько секций и подают на них дополнительные напряжения (сотни В — несколько кВ относительно второго анода). При этом чувствительность ЭЛТ почти не изменяется, а яркость существенно повышается за счет увеличения энергии электронов электронного луча.

На экран трубок с памятью наносится не люминофор, а вещество, изменяющее цвет под действием потока электронов. Например, экран состоит из слюдяной пластинки, на внутреннюю сторону которой нанесен слой хлористого  калия.

Рисунок  136 – Запоминающая ЭЛТ

Электронный луч оставляет на таком экране темно-фиолетовую полосу. В отличие от обычных экранов, которые желательно затемнять, этот нужно освещать. Стирание изображения осуществляется или нагреванием, или засветкой. Для стирания на внешней стороне слюдяной пластинки наносится прозрачный слой из полупроводника, который соединяется с двумя выводами на колбе. При подключении напряжения этот слой нагревается и изображение стирается. В более сложных запоминающих ЭЛТ для записи отображения и его считывания используются разные электронные лучи. Соответственно в баллоне располагаются два электронных прожектора. Идею работы такой трубки поясним с помощью рисунка  136. Электронный прожектор 1 дает электронный луч высокой энергии. На его катод подается напряжение порядка 10 кВ. Этот луч фокусируется на мишени из диэлектрического материала 4. Из-за большой собственной энергии электроны глубоко проникают в диэлектрик и выбивают из него вторичные электроны, количество которых больше, чем упавших. Эти электроны улавливаются коллектором 3, на который подан положительный потенциал в несколько десятков — сотен В. Уход электронов из мишени приводит к появлению в ней положительно заряженного рельефа. Электронный прожектор считывания 2 дает электронный луч, в котором электроны имеют небольшую энергию (напряжение катода около 1 кВ).

Эти электроны, имеющие малые скорости, проходят коллектор и устремляются к положительно заряженным участкам мишени. Энергии их хватает для того, чтобы проникнуть через мишень и возбудить люминофор. Для увеличения их энергии и повышения яркости на люминофор 5 наносят тонкий практически прозрачный электропроводный слой (экран б), на который подают напряжение в несколько кВ. Существенно то, что энергии этих электронов недостаточно для изменения рельефа мишени, хотя контрастность со временем несколько ухудшается. Изображение хранится достаточно долго и сохраняется при выключении прибора.

Стирание производят или нагревом мишени, или приложением к ней на 1—2 с положительного напряжения 100—200 В. Сложность стирания и вспышки экрана, наблюдаемые при этом, являются основными недостатками, затрудняющими использование данных ЭЛТ для оперативного воспроизведения графической информации.

В полицветных ЭЛТ на экран наносят несколько люминофоров, имеющих разные цвета свечения. При этом для их возбуждения с требуемой интенсивностью используются разные способы. Так, например, люминофоры на экран наносят в два слоя — несколько слоев. При малой энергии электронного луча возбуждается только люминофор первого слоя, дающий свечение одного цвета (обычно красного). При увеличении энергии за счет повышения скорости бомбардирующих электронов возбуждается второй слой, дающий свечение другого цвета (зеленого). В результате сложения этих цветов в зависимости от их интенсивности изображение воспринимается как красное, оранжевое, желтое или зеленое. В таких ЭЛТ луч «пробегает», давая сначала красное изображение, а потом изменяется   ускоряющее   напряжение и луч повторяет свой путь, давая изображение других цветов. При этом в каждой точке интенсивность луча и яркость свечения определенного цвета зависят от напряжения модулятора.

Более широкие возможности по части воспроизведения цветных изображений имеют ЭЛТ с теневой маской. В них для получения любого цвета используется принцип смешения синего, зеленого и красного цветов.

  Рисунок  137 – ЭЛТ с темной маской

1 — экран с мозаичным люминофором, сосредоточенным в виде триодных групп; 2—теневая маска; 3, 4, 5—электронные прожекторы красного, синего и зеленого лучей

Экран ЭЛТ выполняется состоящим из трех люминофоров, имеющих синий, зеленый и красный цвета свечения. Люминофоры наносят либо в виде отдельных групп пятен, составляющих триады, либо в виде самостоятельных полос.

Каждый люминофор возбуждается электронным лучом своего электронного прожектора. Интенсивность свечения и результирующий цвет изменяются тремя модуляторами. Для того чтобы при любом отклонении лучей они возбуждали зерна только «своих» люминофоров, перед экраном располагается теневая маска с отверстиями (рисунок  137). Тройки элементов люминофора располагают напротив соответствующих отверстий и поэтому в любой точке экрана можно получить необходимый цвет варьируя токи электронных лучей. Дискретность светящихся элементов глазом не воспринимается, и светящееся изображение кажется сплошным.

Основной проблемой при использовании таких ЭЛТ является обеспечение требуемого схождения лучей, так как требуется, чтобы они перемещались синхронно и пересекали плоскость маски в одной точке. К тому же у них ограничена разрешающая способность и мала светоотдача, что, однако не мешает их широкому применению в телевидении.

Рисунок  138 – Схематическое изображение ЭЛТ с щелевой маской:  1 — модуляторы; 2 — электроды электронного прожектора; 3 — система сведения лучей; 4 щелевая маска; 5 экран с линейчато нанесенным люминофором

Более перспективными считают ЭЛТ с щелевой маской. В них имеется три катода с модуляторами, но все три луча ускоряются и формируются одним электронным прожектором. Лучи находятся в одной плоскости (рисунок  138) и электронным прожектором 2 фокусируются так, что пересекаются в одной точке. При дальнейшем движении красный и синий лучи попадают в электрическую отклоняющую систему 3 (система сведения лучей), которая меняет их траекторию движения так, что лучи пересекаются в одной точке щелевой маски 4. Проходя через щель и расходясь в стороны, лучи попадают на люминофоры соответствующих цветов, нанесенные в виде полос. Яркость свечения в таких ЭЛТ в 1,5—2 раза выше, а регулировка «сведения» лучей и фокусировка значительно проще. Разрешающая способность зависит от шага щелевой маски. Отклоняющие системы в полицветных ЭЛТ в принципе не отличаются от одноцветных, но схемы управления значительно сложнее из-за необходимости во время перемещения одновременно изменять интенсивность трех лучей, а не одного, как в одноцветных.

При отображении простейшей графической информации в форме кривых или графиков на отклоняющую систему подаются сигналы, обеспечивающие движение луча в горизонтальной плоскости с определенной скоростью. Для этого на горизонтальные отклоняющие пластины (катушки) подают линейно изменяющееся напряжение (ток). После достижения напряжением определенного значения оно скачком возвращается к исходному уровню. Соответственно и луч возвращается на исходную горизонтальную отметку — это обратный ход луча, при котором ЭЛТ обычно запирается путем подачи на модулятор отрицательного напряжения. На вертикальные пластины (катушки) подают сигнал, который хотят отразить в виде кривой или графика. В результате сложного движения в двух направлениях на экране высвечивается требуемая кривая или график.

При отображении сложных полутоновых изображений применяют  построчную  развертку.  

Рисунок  139 – Траектория движения луча по экрану при линейном (а) и ступенчатом (б) изменении напряжения на вертикальных пластинах (пунктир - обратный ход луча)

При   ней  луч  поочередно с  равной  скоростью  проходит экран слева направо (строчная развертка). Причем каждый раз  (в течение кадра) напряжение на вертикальной отклоняющей системе изменяется так, чтобы он прочертил соседнюю строку. Это выполняется с помощью линейно изменяющегося напряжения (точка), скорость изменения которого во много раз меньше скорости напряжения (тока) на горизонтальной отклоняющей системе (кадровая развертка). В итоге весь экран за один кадр окажется прочерчен горизонтальными полосами, идущими с определенным шагом и небольшим наклоном (рисунок  139,а). В ряде случаев напряжение вертикальных пластин изменяется ступенчато. Тогда линии развертки будут высвечиваться горизонтальными полосами (рисунок  139,б).

При движении по строке яркость свечения (а также цвет) непрерывно меняется за счет изменения потенциала модулятора (модуляторов). После окончания кадра на экране видно полутоновое (цветное) отображение графической информации. Длительность свечения зависит от свойств люминофора. Изображение регенерируется или изменяется при следующем кадре развертки луча.

Для получения буквенной цифровой или знаковой информации отклоняющие напряжения (токи) формируют так, чтобы луч попадал в определенные точки экрана и в этих точках прочерчивал траекторию нужного знака или символа. Формирование таких управляющих напряжений выполняется с помощью специальных генераторов.

В ряде случаев применяют специальные ЭЛТ, называемые знакопечатающими. У них внутри трубки имеется матрица, отверстия в которой выполнены в форме соответствующего знака. Электронный луч, проходя через такое отверстие, приобретает необходимую форму и на экране высвечивается его изображение. Конструктивно такие трубки достаточно сложны, так как требуется создавать отклоняющую систему, позволяющую обеспечить выбор нужного отверстия в матрице, и отклоняющую систему, которая обеспечит отклонение в нужную точку экрана такого профилированного луча. Изготовить трубку, в матрице которой имеется около сотни букв, цифр и символов, достаточно сложно.

До частот порядка нескольких сотен МГц/ЭЛТ может считаться безынерционной. Чувствительность отклоняющих пластин типовых трубок колеблется от 0,15 до 0,40 мм/В.

Обозначение ЭЛТ состоит из четырех элементов. Первый элемент — число, указывающее диаметр или диагональ экрана (см); второй указывает тип отклоняющей системы: ЛО — электростатическое отклонение; ЛМ—электромагнитное отклонение; третий—число, характеризующее модель трубки; четвертый— буква, указывающая тип экрана трубки, например 6ЛО38И (И — зеленый цвет экрана, А — синий цвет, Б — белый).

5.2.2 Полупроводниковые и электролюминесцентные приборы для отображения информации

Полупроводниковые приборы, предназначенные для отображения информации, основаны на использовании свойств светоизлучающего р-n-перехода. Это приборы, в которых требуемая конфигурация свечения обеспечивается за счет выполнения соответствующих участков в виде единого p-n-перехода (набора p-n-переходов). Часть эффекта свечения зоны обеспечивается за счет отражения света от специально созданных отражающих поверхностей. С точки зрения потребителя готовых компонентов полупроводниковые ЗСИ представляют собой группу полупроводниковых светодиодов, включение которых в электрическую цепь позволяет получить свечение отдельных областей.

Промышленностью выпускаются отдельные светодиоды (индикаторы единичные), с помощью которых можно высветить точку; сегментные ЗСИ (индикаторы цифровые, буквенно-цифровые), с помощью которых можно высветить требуемую букву или цифру; матричные ЗСИ (индикаторы графические), обеспечивающие высвечивание цифр, букв, символов, графиков; механические ЗСИ, с помощью которых получают светящиеся мнемосхемы. Цвет свечения обычно красный или зеленый. Возможно создание ЗСИ с изменяющимся цветом свечения.

В сегментных ЗСИ каждый сегмент выполнен в виде отдельного светодиода (рисунок  140,а). В одноразрядных — на корпус выведены выводы всех сегментов (рисунок  140, б). В многоразрядных ЗСИ одноименные сегменты всех разрядов обычно электрически соединены между собой. Индикация осуществляется в динамическом режиме, в котором последовательно высвечивается каждый разряд. Для этого к электрической цепи последовательно подключаются катоды светодиодов, общие для отдельного разряда, и на высвечиваемые сегменты подается электрическое напряжение.

Для ограничения тока последовательно со светодиодом часто включают резистор, значение которого определяется из уравнения

R=(Uп-Uд)/Iд

где Uп – напряжение питания; Uд , Iд  –прямое падение напряжения и средний ток светодиода.

В матричном ЗСИ высвечивание определенного элемента осуществляется при приложении электрического напряжения к шинам соответствующих строки и столбца.

Падение напряжения на светящемся элементе 1,5—2,5 В, ток сегмента 2—10 мА. При динамическом управлении, когда каждый элемент высвечивается на малый промежуток времени, потребляемая мощность существенно уменьшается.

Преимущества полупроводниковых ЗСИ — высокое быстродействие, надежность и долговечность; хорошая устойчивость к механическим воздействиям; малые габариты и масса; возможность регулировки яркости и цвета электрическим путем. Недостатки — повышенные энергопотребление и стоимость.

               в)         г)

Рисунок  140 – Семисегментный одноразрядный полу-проводниковый ЗСИ (а); его условное обозначение (б); соединение выводов сегментов в многоразрядном индикаторе (в); обозначение матричного ЗСИ (г)

В электролюминесцентных ЗСИ используется свечение, возникающее в люминофорах, помещенных в сильное электрическое поле. Конструктивно они представляют собой группу конденсаторов, у которых одна из обкладок выполнена прозрачной, а другая — непрозрачной. Между обкладками помещен люминофор. При приложении электрического напряжения к обкладкам люминофор начинает светиться. Если один из электродов (прозрачный) выполнить определенной формы, то зона свечения люминофора повторит ее. Совокупность светящихся участков создает требуемое изображение. Цвет свечения зависит от состава люминофора. Конфигурация излучающих сегментов, элементов и организация их управления в принципе не отличаются от полупроводниковых ЗСИ. Однако при их применении следует учитывать, что управляющим сигналом является напряжение. Яркость свечения зависит о его значения и частоты изменения. Для источника питания электролюминесцентный ЗСИ представляет собой конденсатор с потерями. Полная мощность, потребляемая им,

P=UI2r+I2x

где U—действующее значение приложенного напряжения; Ir Ix — активная и емкостная составляющие тока.

При эксплуатации напряжение питания выбирают исходя из требуемой яркости. В большинстве случаев применяют приборы, питаемые переменным напряжением 160—250 В частотой 300—4000 Гц, потребляющие мощность в сотые — десятые доли Вт, обеспечивающие яркость 20—65 кд/м2.

Преимущества люминесцентных ЗСИ — возможность создания информационных полей большой площади; равномерность яркости свечения элементов; возможность создания многоцветных приборов; малая потребляемая мощность; возможность регулировки яркости электрическим путем; отсутствие разогрева во время работы; механическая прочность. Недостатки — высокое напряжение и частота источника питания, снижение яркости в процессе работы.

5.2.3 Жидкокристаллические приборы для отображения информации

Жидкокристаллические (ЖК) индикаторы относятся к числу пассивных приборов. В основу их работы положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели коэффициенты поглощения, отражения, рассеивания, показатель преломления, спектральное отражение или пропускание, оптическую анизотропию, оптическую разность хода, оптическую активность) под влиянием внешнего электрического поля. Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок требуемой конфигурации.

В качестве веществ, имеющих подобные свойства, используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическим (мезаморфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при  котором  вещество  сохраняет  анизотропию  физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. Это состояние имеют некоторые производные бензола, дифенила, стероидов, гетероциклических и других сложных соединений. Характерной особенностью жидкокристаллических фаз является то, что молекулы  вещества имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они  относятся  к  числу  диэлектриков  и  имеют  удельное сопротивление 106–1010 Ом•см.

Различают три основных типа жидких кристаллов (ЖК): смектические, нематические, холестерические.

В смектических ЖК молекулы расположены параллельно своим длинным  осям и образуют слои равной толщины, лежащие на равном расстоянии друг над другом. Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

В нематических ЖК оси молекул также параллельны, но они не образуют слоев и размещены хаотично. В  них  наблюдается  скольжение  вдоль  длинных  осей.  На разных участках ориентация молекул различна и ЖК состоит из небольших областей, различающихся направлением ориентации осей. Из-за этой неупорядоченности наблюдаются оптическая неоднородность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отраженного   света.   

В холестерических ЖК молекулы расположены слоями, как в смектических, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоев, а направление их преимущественной ориентации (называемое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол.

Распределение молекул имеет спиральный характер. Данные ЖК имеют большой показатель вращения плоскости поляризации. Под воздействием внешних сил шаг спирали меняется и соответственно изменяется окраска вещества, освещенного белым светом. Из большого количества электрооптических явлений, характерных для ЖК, в устройствах отображения информации в основном применяют эффект динамического рассеивания, твист-эффект, эффект гость – хозяин. При их рассмотрении будем учитывать тот факт, что направление ориентации осей молекул в электрическом поле зависит от знака диэлектрической анизотропии. Диэлектрическая анизотропия εа характеризует разницу диэлектрических постоянных ε, и ε в направлениях, параллельном и перпендикулярном направлению преимущественной ориентации молекул. При εа>0 оси располагаются параллельно, а при εа<0 — перпендикулярно электрическому полю.

Эффект динамического рассеивания заключается в том, что при наложении электрического напряжения ЖК в элементарной индикаторной ячейке становится матовым (мутнеет) и рассеивает свет. Это обусловлено тем, что при приложении электрического поля к слою ЖК с εа<0, слабо проводящему электрический ток, молекулы ориентируются поперек поля. Движущиеся ионы, благодаря которым протекает электрический ток проводимости, стремятся нарушить эту ориентацию. При некотором значении тока проводимости, характеризуемом напряжением электрогидродинамической неустойчивости, возникает состояние турбулентного движения, при котором упорядоченность структуры нарушается и ЖК мутнеет. Напряжение электрогидродинамической неустойчивости не более 5—6 В, пока молекулы успевают следовать за значением электрического поля, (до десятков кГц), и увеличивается до 150—200 В на частотах, где молекулы не успевают следовать за электрическим полем и совершают только колебательные движения. Время «включения» при этом эффекте 50—500 мс и 150—180 мс «расходуется» на выключение.

Твист-эффект заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в нематических ЖК с положительной диэлектрической анизотропией. Сущность его заключается в том, что у ЖК, находящихся между двумя светопроводящими пластинами, длинные оси молекул параллельны пластинам, а сами молекулы «скручены» в спираль, аналогичную холе-стерическому ЖК, причем оси молекул, находящихся около разных пластин, взаимно перпендикулярны. Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на угол, равный π/2. При приложении электрического напряжения все молекулы ориентируются вдоль поля (материал с положительной диэлектрической анизотропией) и эффект скручивания пропадает (рисунок  140, б). Теперь слой ЖК не изменяет поляризации проходящего через него света. Если пластины, между которыми расположены ЖК, представляют собой поляроиды, плоскости поляризации которых параллельны, то при наличии электрического поля свет будет проходить через систему, а при отсутствии — нет. При перпендикулярности плоскостей поляризации включенное и выключенное состояния противоположны вышерассмотренному.

Твист-эффект относится к числу чисто полевых. При его использовании не требуется наличие электрического тока. Он обеспечивает получение хорошего контраста и проявляется при малых напряжениях (0,9—1,5 В). Длительность переходного процесса включения — выключения 30—200 мс.

Рисунок  141 – Расположение молекул вблизи границ при твист-эффекте: а — при отсутствии и б—наличии электрического поля 

      

Рисунок  142 – Конструкция ЖК-индикаторов, работающие на просвет (а) и отражение  (б):

1,3–стеклянные пластины; 2–склеивающее соединение; 4– прозрачные электроды; 5–ЖК; 6 – непрозрачный электрод.

Эффект гость хозяин наблюдается в ЖК, в которых растворен дихроичный краситель, избирательно поглощающий свет в зависимости от ориентации его молекул относительно падающего светового потока. Его молекулы также имеют вытянутую форму. Молекулы ЖК ориентируют и переориентируют молекулы красителя в электрическом поле. В результате меняется степень поглощения, что хорошо обнаруживается в поляризованном свете. При этом требуется только один поляроид. Для холестерической структуры с малым шагом хорошая контрастность получается и без поляроида. Длительность переходных процессов установления стабильной окраски 30—500 мс, управляющее напряжение 2—10 В. Приборы, выполненные с использованием этого эффекта, в зависимости от использованного красителя могут иметь различную окраску во включенном и выключенном состояниях.

Типовая элементарная ячейка ЖК прибора для отображения информации состоит из двух прозрачных стеклянных пластин, между которыми помещены ЖК. С внутренней стороны пластин расположены электроды. Их количество и расположение берутся такими, чтобы можно было реализовать требуемое изображение. Если ячейка работает на просвет, то электроды на обеих пластинах выполняются прозрачными (рисунок  142, а). При работе на отражение задний электрод выполняют непрозрачным (рисунок  141, б). Для работы в условиях низкой освещенности создается подсветка. Для этого в ЖК-индикаторах, работающих на просвет, за задней пластиной размещают источник света, а у индикаторов, работающих на отражение, источник света размещают спереди или сбоку. Индикаторы имеют форму тонкой пластины, к краям которой подведены выводы электродов. Электроды выполняют в виде тонких, почти не видных на стекле токопроводящих полосок.

Рисунок  143 – Сегментный трехразрядный ЖК-индикатор, работающий на «отражение»; вид сверху (а), снизу (б), условное обозначение (в):

а. б, в, г, д, е, ж—прозрачные электроды; к— общий непрозрачный электрод

Для подключения к схеме используют специальные панели, имеющие эластичные выступы, сделанные из электропроводящей резины. Контактирование обеспечивается за счет механического прижатия индикаторов к панелям. Отдельные конструкции имеют ленточные выводы, обеспечивающие их распайку на платах. Широко распространены цифровые, буквенно-цифровые и мнемонические ЖК-индикаторы сегментного типа, аналогичные показанным на рисунке  143, в  них прозрачные электроды выполнены в виде сегментов аж, от которых сделаны отдельные выводы. Непрозрачный электрод К изготавливают единым с одним выводом. При подаче напряжения на общий электрод и выбранные прозрачные сегментные электроды под соответствующим сегментом появляется полоса, цвет которой резко отличается от окружающего фона. Сочетание этих полос образует требуемую цифру, букву или знак. Меняя сегменты, подключенные к источнику напряжения, изменяют отображаемые цифры, буквы или мнемосхемы.

Известны также матричные конструкции, когда электроды на обеих сторонах выполнены в виде групп взаимно перпендикулярных линий, создающих матрицу. При подаче напряжения на горизонтальную и вертикальную линии изменение окраски наблюдается только на участке пересечения соответствующих линий, в котором электрическое поле между электродами имеет достаточно большую напряженность. Большое количество выводов затрудняет практическое применение матричных индикаторов. Поэтому их стараются выполнять в виде конструкции, имеющей внутреннюю электронную схему управления.

В качестве управляющего напряжения предпочитают использовать только переменное. При постоянном напряжении срок службы компонента снижается на порядок из-за миграции примесей на электроды и снижения контрастности изображения. Поэтому в технических условиях, указывая напряжение управления (несколько В), обычно оговаривают допустимое значение постоянной составляющей (50—170 мВ).

Часто используют так называемый фазовый метод управления, при котором на общий электрод на задней поверхности и электроды на передней подаются прямоугольные импульсы, сдвинутые между собой по фазе на 180° при возбуждении данного элемента и одинаковые по фазе, если данные элементы не должны иметь другой цвет.

При практическом использовании обычно требуется знать следующие параметры:

а) коэффициент контраста знака по отношению к фону

К=(Lф-Lз)/Lф•100

где Lф, Lз—яркости фона и знака, К=80 - 90%;

б) время реакции (время «включения»); в) время релаксации (время «выключения»); г) напряжение управления и ток (2— 20 В, 1 —100 мкА); д) частоту управляющего напряжения (30— 1000 Гц).

ЖК-индикаторы просты по конструкции, дешевы, имеют низкое энергопотребление, обеспечивают хорошую контрастность изображения, которая не уменьшается при увеличении освещенности, хорошо совместимы с микросхемами управления. Их недостатки: необходимость иметь подсветку при работе в темноте, узкий температурный диапазон (от — 15 до +55 °С), изменение параметров в течение срока хранения и при работе. Область применения—экономичные устройства и системы с цифровым, буквенным, графическим или мнемоническим отражением информации.

5.2.4 Плазменные панели

В основу работы плазменной панели положен принцип, схожий с принципом работы флуоресцентной лампы, которую в обиходе называют “лампой дневного света”. Панель представляет собой герметизированный пакет, эскизно показанный в разрезах (рисунок 10.4).

Он состоит из двух близкорасположенных стеклянных листов (переднего и заднего), между которыми находится большое число объемных полостей микроскопических ячеек, заполненных инертным газом (смесью ксенона и аргона или ксенона и неона). На внутренние поверхности ячеек нанесены специальные пигментирующие вещества - люминофоры трех основных цветов: красного (R), зеленого (G) и синего (В).

Каждая цветная точка экрана (пиксел) состоит из трех упомянутых ячеек (так называемых субпикселов), светящихся только одним цветом. Снаружи ячеек (субпикселов) точно напротив них расположены токопроводящие электроды: по одному перед задним стеклом – адресации (данных) и по два прозрачных за передним стеклом – разрядные (дисплейные), причем один из них служит сканирующим, другой – электродом поддержания разряда.

Когда между электродами подано напряжение, в ячейках возникает электрическое поле, ионизирующее газ. В результате разряда в газовой среде (так же, как и в парах ртути ламп дневного света) образуется плазма  – особое состояние вещества, в котором значения плотности положительных (ионов) и отрицательных (электронов) зарядов практически одинаковы. Плазма излучает энергию ультрафиолетового диапазона. Люминофор каждой ячейки поглощает невидимое человеком ультрафиолетовое излучение и испускает фотоны видимого света. Складываясь в пространстве, три основных цвета трех субпикселов с различными яркостями свечения обеспечивают восприятие зрителем самых разнообразных цветовых оттенков.

Световое излучение распространяется во все стороны, в том числе и вглубь панели – к заднему стеклу.  Для использования и этой части излучения между ячейками и электродами адресации находится непрозрачное отражающее диэлектрическое покрытие. Прозрачное диэлектрическое покрытие между разрядными электродами и ячейками необходимо для герметизации последних со стороны переднего стекла. Для увеличения контрастности панели на нижнюю поверхность изолирующего покрытия со стороны ячеек нанесена затемняющая пленка окиси магния. Черные разделительные перегородки (ребра), расположенные между ячейками, предотвращают паразитное засвечивание люминофоров соседних “невозбужденных” ячеек при разряде в “возбужденной” ячейке.

Электроды адресации (данных) и разрядные (дисплейные) электроды образуют ортогональную решетку. Электроды соединены специальными гибкими шлейфами с узлами управления адресацией (данными), сканированием и поддержанием разряда так, как изображено на рисунке 10.5. Структура отдельного субпиксела панели представлена на рисунке 10.6.

Интенсивность излучения ячейки зависит, в частности, от напряжения на разрядных электродах. Его можно изменять в очень малых пределах. Снизу оно ограничено напряжением удержания разряда, а сверху – напряжением зажигания, при котором в ячейке образуется плазма в отсутствие поджигающего импульса данных на адресном электроде. Кроме того, слишком интенсивный разряд приводит к быстрому выгоранию люминофоров.

Следовательно, в плазменной технологии изменением интенсивности разряда не удается добиться регулировки яркости в необходимых пределах. Для этой цели используют метод широтно-импульсной модуляции, который заключается в изменении соотношения длительности включенного (разряд есть) и длительности выключенного (разряда нет) состояний ячейки.

В отличие от кинескопов в плазменных панелях  нет геометрических искажений растра и несведения лучей, как в центре экрана, так и на его краях. Из-за особенностей конструкции панели, модуляционные характеристики всех трех цветовых каналов полностью совпадают при любом уровне входного сигнала, поэтому баланс белого всегда соблюдается.

Плазменные панели  не создают вредных электрических и магнитных полей, так как они не содержат таких устройств разверток и узлов высоковольтного анодного напряжения, как в традиционных ЭЛТ. Они не притягивают к поверхности экрана пыль и не создают рентгеновское или какое-нибудь другое вредное излучение.

Светотехнические параметры панелей исключительно высоки: яркость изображения может превышать 500 кд/ м2, а контрастность – 1:350. Обычные ЭЛТ не позволяют получить такие характеристики. Нормальное изображение обеспечивается панелями в довольно широком угле обзора  – до 160°.

Эти устройства очень надежны: их рабочий ресурс вдвое превышает ресурс ЭЛТ.  В отличие от кинескопов, плазменные панели  практически не подвержены влиянию магнитных и электрических полей, что позволяет широко использовать их в домашних кинотеатрах совместно с акустическими системами, содержащими динамические головки с неэкранированными магнитами.

Панели можно легко “складывать” в большие блоки и получать экраны с диагональю 5...7м.

Одним из существенных недостатков плазменных панелей следует назвать значительную потребляемую от питающей сети мощность, в связи с чем в ряде панелей используют даже специальные охлаждающие вентиляторы, создающие дополнительный акустический шум. В новейших панелях применяют пассивное охлаждение металлическими (как правило, алюминиевыми) теплоотводящими подложками. Еще одним недостатком плазменных панелей  можно считать их относительную конструктивную сложность из-за необходимости применения высоковольтных сильноточных узлов управления яркостью свечения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73120. Устройство и требования безопасности при эксплуатации сосудов и аппаратов, работающих под избыточным давлением 29 KB
  Правила устанавливают специальные требования безопасности к конструкции и материалам сосудов; изготовлению реконструкции монтажу наладке и ремонту; арматуре КИП предохранительным устройствам; установке регистрации техническому освидетельствованию...
73121. Безопасность стационарных сосудов под давлением 29.5 KB
  Не разрешается установка регистрируемых в органе технадзора сосудов в жилых общественных бытовых зданиях в примыкающих к ним помещениях. При любой установке сосудов должна обеспечиваться возможность осмотра ремонта и очистки их с внутренней и наружной сторон.
73122. Безопасность нестационарных сосудов под давлением 30 KB
  Безопасность эксплуатации передвижных сосудов обеспечивается: Необходимой механической прочностью и надлежащим контролем за их состоянием Исключением возможности наполнения горючими газами сосудов предназначенных для негорючих газов и наполнение кислородом...
73123. Техническое освидетельствование сосудов и аппаратов, работающих под избыточным давлением 30 KB
  Объем методы и периодичность технического освидетельствования сосудов за исключением баллонов определяется изготовителем и указывается в инструкциях по монтажу и эксплуатации.
73124. Паспорт пожарной безопасности пожаро- и взрывоопасного объекта 26.5 KB
  Паспорт пожарной безопасности это документ характеризующий существующий уровень пожарной безопасности промышленного пред приятия участка цеха на котором производятся используются или хранятся взрывопожароопасные вещества и материалы и отражающий необходимые мероприятия...
73125. Организация пожарной охраны на предприятии 26.5 KB
  Каждый работник обязан: знать и выполнять на производстве требования пожарной безопасности а также соблюдать и поддерживать противопожарный режим; принимать меры предосторожности при проведении работ с ЛВЖ и ГЖ другими пожароопасными материалами и оборудованием...