Индикаторы. Классификация и характеристики устройств отображения информации. Полупроводниковые индикаторы. Газоразрядные индикаторы. Жидкокристаллические индикаторы.

Элементы индикации предназначены для преобразования электрических сигналов в видимые, удобные для визуального наблюдения.

В зависимости от физических эффектов, лежащих в основе преобразования электрических сигналов в видимые, элементы индикации подразделяются на активные и пассивные (рисунок 7.13).

Рисунок 7.13 – Классификация электронных устройств индикации

К первой группе относятся приборы на основе светогенерационных эффектов. Принцип действия индикаторов второй группы основан на изменении коэффициентов отражения, пропускания, поглощения и на вращении плоскости поляризации световых волн.

К основным параметрам элементов индикации относятся: яркость контрастность, освещенность, угол обзора, информационная емкость, напряжение питания, потребляемый ток и др.

Яркость – физическая величина, определяемая выражением

,

где – сила света; – площадь поверхности светящегося тела в заданном направлении.

Единицей измерения яркости в системе СИ является кандела на квадратный метр, .

Коэффициентом контрастности называют величину, равную отношению яркости самого светлого участка изображения к яркости самого темного его участка :

.

Оптимальным коэффициентом контрастности считают значение в пределах от 0,65 до 0,95.

Освещенность , являясь одним из основных параметров пассивных элементов, характеризует световой поток на единицу площади, лк:

.

Минимальная освещенность для чтения составляет 20 лк.

Углом обзора называют максимальный угол наблюдения, при котором возможно считывание информации. Для различных элементов индикации лежит в пределах от 20 до .

Информационная емкость индикатора определяется числом светящихся элементов прибора.

Наибольшее распространение среди элементов индикации получили полупроводниковые, газоразрядные и жидкокристаллические индикаторы.

Полупроводниковые индикаторы. Активным элементом полупроводниковых индикаторов является светоизлучающий диод (СИД). В основе работы СИД лежит явление инжекционной люминесценции, наблюдаемой в некоторых полупроводниках при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Светоизлучающие диоды применяют автономно в виде семи, восьми-десятисегментных знакосинтесирующих индикаторов (рисунок 7.14, а-в), либо набирают в матричные и мозаичные одноцветные или многоцветные панели (рисунок 7.14, г). В зависимости от размера символа в каждом сегменте может использоваться один или несколько последовательно включенных светоизлучающих диодов.

Рисунок 7.14 – Расположение светодиодных элементов – (а), восьми – (б), десятисегментном (в) и матричном (г) индикаторах

Полупроводниковые СИД отличаются высоким быстродействием, большим сроком службы высокой яркостью (порядка тысячи кандел на квадратный метр), а совместимость их по выходным параметрам с ИС позволяет их широко использовать в современной аппаратуре. Рабочее напряжение одного светоизлучающего диода лежит в интервале от В, а ток – мА.

Газоразрядные индикаторы.

В основе их работы лежит явление свечения газа при электрическом разряде. Цвет излучения определяется природой газа, а при непрямом преобразовании электрической энергии цвет зависит от типа используемого фотолюминофора.

Во всех газоразрядных индикаторах используют режим тлеющего разряда с холодным катодом при давлении газа порядка нескольких сотен паскалей. Широко распространены газоразрядные элементы, у которых катоды выполнены в виде цифр, расположенных одна под другой: при подаче напряжения между анодом и катодом, превышающим напряжение зажигания, возникает тлеющий разряд, охватывающий всю поверхность катода. В результате отображается соответствующая цифра. Газоразрядные индикаторные панели, представляющие собой двухкоординатную матрицу с числом элементарных газоразрядных ячеек порядка , способны накапливать и обрабатывать информацию.

Особенностью рассмотренных индикаторов является необходимость использования источника питания, напряжение которого лежит в пределах сотен вольт. Применение таких приборов в современной низковольтной аппаратуре, выполненной на интегральных схемах, усложняет ее.

Жидкокристаллические индикаторы.

Жидкие кристаллы являются органическими материалами, представляющими промежуточную фазу между твердой и изотропной жидкими фазами. Поскольку межмолекулярные силы довольно малы, структура в значительной степени зависит от воздействия внешних факторов: температуры, механических деформаций электрических и магнитных полей и др. Реакция ЖК на эти воздействия в основном проявляешь в изменении их оптических свойств.

Принцип действия выпускаемых жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) основан на различных электрооптических эффектах, возникающих при взаимодействии излучения с ЖК, но наиболее широкое распространение получили явление динамического рассеивания света и «твист-эффект».

В индикаторах, использующих эффект динамического рассеяния света, при приложении электрического поля напряженностью порядка В/м прозрачное вещество (жидкий кристалл) мутнеет вследствие появления множества центров рассеяния света. На однородном фоне появляется рисунок, яркость которого превышает яркость фона.

В индикаторах на основе «твист-эффекта» изменение интенсивности светового потока происходит в результате изменения плоскости поляризации света. Помещая на входе и выходе ячейки, поляроидные пластины преобразуют модуляцию векторов поляризации света в изменение яркости ячейки. Изменением напряжения на электродах можно регулировать светопропускание оптической ячейки. Индикаторы питаются переменным током. Ток потребления доставляет десятки микроампер, а напряжение – от 3 до 24 В.

Жидкокристаллические индикаторы применяют для изготовления дисплеев, крупноформатных табло, цифровых индикаторов, и др. Преимущества ЖКИ: хороший контраст при ярком освещении, низкая потребляемая мощность, совместимость с интегральными схемами по рабочим параметрами конструктивному исполнений, сравнительная простота изготовления и низкая стоимость. Недостатки: малый рабочий температурный интервал, значительная инерционность, узкий угол обзора.

Контрольные вопросы

1 Что называется электро-дырочным переходом?

2 Объясните ход вольт-амперной характеристики р–n-перехода.

3 Назовите основные типы полупроводниковых диодов, выпускаемых промышленностью, и опишите кратко их характеристики.

4 Что называют эмиттером, базой и коллектором транзистора?

5 Каковы основные схемы включения биполярных транзисторов?

6 Каковы физические принципы работы МДП-транзисторов?

7 Назовите основные параметры тиристоров.

8 Приведите пример применения транзисторов и тиристоров в электрических устройствах, автоматике, вычислительной технике.

9 Приведите условные графические обозначения диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров.

10 Приведите классификацию устройств отображения информации.

11 Каковы основные параметры индикаторов?

12 Что является активным элементом полупроводниковых индикаторов?

13 Каков принцип действия газоразрядных индикаторов и какова область их применения?

14 Какие физические эффекты лежат в основе работы жидкокристаллических индикаторов?

Лекция 8