Единичные и шкальные полупроводниковые индикаторы и устройства отображения информации на их основе

Конструктивно наиболее простыми являются единичные и шкальные ППИ. Единичные индикаторы в настоящее время наиболее массовые как по количеству разработанных типов, так и по объему их производства. Шкальные индикаторы не получили по ряду причин широкого распространения. Однако они имеют значительные преимущества перед другими видами индикаторов, например перед цифровыми, по отображению аналоговой инфор­мации, для выявления тенденции изменения наблюдаемого пара­метра.

УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЕДИНИЧНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Наиболее распространенными применениями полупроводнико­вых единичных индикаторов (ЕИ) являются: индикация состоя­ния интегральных схем (панелей) и аппаратуры в целом, подсвет надписей и кнопок, создание шкал и табло, излучатели в оптро-нах.

Визуальная индикация состояния аппаратуры типа «включе­но — выключено» и создание индикаторных табло являются наиболее частым применением ЕИ, где они пришли на смену неоновым лампам и лампам накаливания. Основной причиной такой замены является способность работы ЕИ при малых токах и напряжениях, совместимых с амплитудами логических уровней напряжений микросхемной техники. Такая замена ламп позволи­ла повысить надежность приборов отображения информации за счет использования в них в качестве элементной базы только изделий, выполненных по полупроводниковой технологии.

Кроме того, лампы накаливания, потребляя значительные мощности, выделяют большое количество тепла, которое приво­дит к разрушению патронов и держателей, укорачивает срок службы изоляционных материалов. Полупроводниковые ЕИ по­требляют меньше мощности, по сравнению с лампами накали­вания практически не выделяют тепла, более надежны и дол­говечны.

В качестве примера можно рассмотреть мощностные харак­теристики трех матриц, состоящих из 35 индикаторов трех раз­личных типов каждая: ламп накаливания типа СМ28-1,5, сверх­миниатюрных ламп СМН-60 и полупроводниковых ЕИ типа ЗЛ341Б. Рассеиваемые ими мощности составляют около 52, 17 и 1 В-А соответственно.

При температурах окружающей среды Г₀кр.с_Р, равных 20, 40, 60° С, в закрытых объемах такие матрицы за счет выделя­емых мощностей обеспечат разогрев и, как следствие, повышение температур до Г„_акс.

Для проведения сравнительного расчета выделяемых индика­торами мощностей примем одинаковые для всех матриц габарит­ные размеры 20X40X60 мм. Расчет проведен для двух режимов работы матриц: для свечения 35 светящихся элементов (мат­рица засвечена полностью) и для свечения 17 элементов (средне­статистическое количество светящихся элементов при индикации цифро-буквенной информации с использованием цифр и букв русского и латинского алфавитов). Результаты теплового расчета приведены в табл. 2.1, причем в числителе дроби приведена температура для полностью засвеченной матрицы, в знаменате­ле — для свечения 17 элементов.

Таблица 2.1. Сравнительные тепловые характеристики различных типов матриц

Тип индикатора в матрице 5Х 7 свe­тящихся элементов	Т макс, °С, при Токр, °С	Допустимая ра­бочая Тмакс, °С, по ТУ	Необходимость охлаждения матриц
СМ28-1,5					Есть
СМН8-60					Есть
ЗЛ341Б					Нет

Тепловой расчет с учетом предельно допустимых рабочих температур для каждого из приведенных типов индикаторов показывает, что обеспечить допустимые тепловые режимы работы матриц с использованием ламп накаливания без обдува охлаж­дающим воздухом не удается, с использованием же полупро­водниковых индикаторов при тех же условиях работы тепловой режим обеспечивается за счет конвекции нагретого воздуха и инфракрасного излучения (без обдува).

При этом сроки службы ЕИ типа ЗЛС341Б в 25 раз выше, чем у ламп накаливания МС28-1,5, и в 5 раз выше, чем у сверх­миниатюрных ламп типа СМН8-60.

Все эти преимущества ЕИ перед индикаторной элементной базой, применявшейся ранее, позволяют проектировать приборы с меньшими габаритными размерами, энергоемкостью, повышен­ной эксплуатационной надежностью и более низкими затратами на проведение регламентных работ по замене индикаторов.

Рис. 2.1. Схема включения единичного индикатора

Рис. 2.2. Схема включения единичных индикаторов различных цветов свече­ния

Рис. 2.3. Графический способ определения протекающего через светодиод тока: 1, 2 — граничные значения I_пр; 3 — граничная нагрузочная прямая при максимальном значении £Л,„=5,5 В и минимальном значении R = 270 Ом; 4 — граничная нагрузоч­ная прямая при минимальном значении U_ип = 4,5 В и максимальном значении R =330 Ом

Однако применение ЕИ вместо ламп накаливания вызвало и определенные трудности. В частности, лампы накаливания в приборах отображения информации работают как при перемен­ном токе (в подавляющем большинстве случаев), так и при постоянном, ЕИ же работают только при постоянном токе, протекающем в прямом направлении. Поскольку ЕИ имеют чрезвычайно низкое динамическое сопротивление при напряже­ниях, больших напряжения отсечки, то их необходимо подклю­чать к источникам тока. Схема подключения светодиода к ис­точнику напряжения, приведенная на рис. 2.1, может быть рассмотрена как подключение к источнику тока в случае, если напряжение питания U_Kn больше падения напряжения на свето-диоде и_пр при прохождении через него прямого тока I_пр и если сопротивление токоограничивающего резистора R больше дифференциального сопротивления ЕИ [7].

Вследствие низкого дифференциального сопротивления светодиодов их не следует включать параллельно, так как незначительное изменение U_ип и различие в дифференциальном сопротивлении может привести к резкому возрастанию тока светодиода с меньшим U_пр, к резкому возрастанию его свето­отдачи и рассеиваемой мощности. Таким образом, при подклю­чении к источнику напряжения U_т каждый ЕИ должен быть защищен своим резистором.

При необходимости подключения к одному источнику пита­ния ЕИ различных цветов свечения (красного, зеленого, желто­го) сопротивления токоограничивающих резисторов в связи с различием U_np рассчитываются для светодиодов каждого цвета отдельно. Один из вариантов такого подключения представлен на рис. 2.2.

Сопротивление токоограничивающего резистора в схеме рис. 2.1 может быть определено из соотношения

R = (U_ип — U_пр) /I_пр,

где U_нп — напряжение источника питания, В; I_пр — прямой ток через ЕИ, A; U_np — падение напряжения на ЕИ при прохождении через него прямого тока I_пр, В.

Величины U_np и I_пр берутся из паспорта на ЕИ.

Учитывая наличие допусков на величины U_ип, U_np, #, мини-

мальное и максимальное значения I_пр могут быть определены из соотношений

I_{пр. мин} = (U _{ип. мин} — U _{Пр.макс} )/ R_макс,

I_{пp. макс} = (U_{ИП. МАКС} — U_пр.МИН )/ R _мин.

Путем изменения напряжения источника питания и сопро­тивления R и ужесточения допусков на них необходимо обес­печивать, чтобы I_{пр.макс} не превышал максимально допустимого по паспорту значения I_пр и чтобы 1_пр.мин обеспечивал мини­мально допустимую яркость свечения ЕИ.

На рис. 2.3 показано графическое определение максималь­ного и минимального значений прямого тока I_пр через ЕИ с учетом допусков на напряжение источника питания U_ип, сопро­тивление токоограничивающего резистора R, падение напря­жения на ЕИ U_Пр. При построении приняты следующие допу­щения: U_ип = 5 В±10%, R = 300 Ом±10%, допуск на U_nр> при­веден на вольт-амперной характеристике ЕИ.

На графике показаны только граничные нагрузочные пря­мые, определяющие максимальное и минимальное значения I_пр.

Схема на рис. 2.1 является основной схемой включения ЕИ при работе в режиме постоянного тока. Однако необходимо рассмотреть несколько дополнительных вариантов включения ЕИ, в том числе с элементами защиты от воздействия превы­шающих (для данного прибора) предельно допустимые значе­ния параметров. Критическим в данном случае для ЕИ явля­ются превышения прямого тока I_пр через ЕИ и обратного про­бивного напряжения (U_пР. Причиной возмущений могут быть переходные процессы, возникающие в источниках питания при переключениях, емкостные и индуктивные выбросы при перекоммутациях релейных и электронных схем, гальванически связанных с ППИ, наводки от рядом расположенных сильно­точных цепей.

Приведенная схема подключения индикатора может быть использована при с7_Им, меньшем либо равном U_06P. При таком включении не существует опасности пробоя даже при установке ЕИ в схему обратной Полярностью. При положительном импуль­сном выбросе U_ип пробоя ЕИ не наступает, так как ЕИ выдер­живают значительные выбросы прямого пиксзого тока I_ПИк (на­пример, для ЗЛ341Б при I_Пр=10 мА I_{вык ыакс} = 60 мА). При отрицательных выбросах U_ип, не превышающих |U_ип +|Uо6pl, снижается I_Пр с соответствующим, естественно, снижением яркости свечения ЕИ. Повреждения ЕИ не грозят.

Рис. 2.4. Схема защиты единичного индикатора при отрицательных выбросах и_н„ последовательным включением кремниевого диода

Рис. 2.5. Схема включения единичных индикаторов в сеть переменного тока с защитой от пробоя:

а — встречным включением кремниевого диода; б — встречным включением второго единичного индикатора

Рис. 2.6. Схема защиты единичного индикатора параллельным включением ре­зистора

При отрицательных выбросах U_w, превышающих |U_Hn|+ -j-ii7₀6pi, необходима защита ЕИ последовательным (рис. 2.4} включением кремниевого диода. При расчете сопротивления токоограничивающего резистора R и выборе кремниевого диода необходимо обеспечивать значение тока через ЕИ и кремние­вый диод в соответствии с паспортными значениями.

Как указывалось выше, полупроводниковый индикатор ра­ботает только при протекании тока через него в прямом на­правлении. При необходимости работы индикатора на перемен­ном токе требуется предусмотреть защиту ЕИ от воздействия обратного напряжения, если ожидается превышение макси­мально допустимого обратного напряжения для данного ин­дикатора. На рис. 2.5, а приведена схема защиты ЕИ от воз­действия U_обр с помощью кремниевого диода. При выборе ди­ода необходимо обеспечить соответствие протекающих через него токов паспортным значениям.

Параллельно-встречное включение кремниевого диода, при­веденное на рис. 2.5, а, может быть также использовано для защиты ЕИ, используемого в режиме работы при постоянном токе, для защиты от отрицательных выбросов U_ПИТ превыша­ющих | Uип| + |U_0бр|

На рис. 2.5, б [12] приведена схема защиты с использова­нием двух ЕИ, включенных встречно-параллельно. Яркость све­чения такого индикатора в результате использования обеих полуволн переменного тока будет выше яркости индикатора на схеме рис. 2.5, а. При расчете резистора R необходимо ру­ководствоваться не столько обеспечением равенства проходя­щего через него тока паспортному значению I_пр, сколько пре­вышением паспортного значения U₀6_P на непроводящем ЕИ па­дения напряжения на светящемся ЕИ.

На рис. 2.6 представлена схема защиты ЕИ при помощи ре­зистора Rь обеспечивающего ограничение падения напряже­ния на ЕИ, когда он находится в непроводящем состоянии, до значения, меньшего максимально допустимого U₀6_P ЕИ.