Знаковые и цифровые индикаторы

В современной аппаратуре широко применяются знаковые и цифровые индикаторы, построенные на основе приборов тлеющего разряда.

Неоновые лампы.

Неоновые лампы применяются в качестве индикаторов напряжения и для других целей. Они представляют собой приборы тлеющего разряда, работающие в режиме нормального катодного падения обязательно с ограничительным резистором R_огр. При возникновении разряда в них происходит скачок тока и напряжения и начинается свечение. Дальнейшее повышение напряжения вызывает повышение тока. При этом увеличивается плотность тока катода и яркость свечения. Разряд прекращается при более низком напряжении, чем возникает, U_П<U_В, рис. 1 а. В момент прекращения разряда ток скачком падает до нуля, а напряжение скачком повышается, так как падение напряжения на резисторе R_огр скачком уменьшается до нуля и подводимое к цепи напряжение перераспределяется.

Неоновая лампа применяется как индикатор постоянного и переменного напряжения. При переменном напряжении разряд возникает в момент, когда мгновенное значение напряжения становится равным напряжению U_В.

Значительный интерес представляет управляемая трехэлектродная индикаторная лампа, имеющая анод и два катода: индикаторный и вспомогательный, расположенный внутри анода, рис. 1 в. Через купол баллона можно видеть свечение газа только около индикаторного катода. Индикаторный катод ИК подключен к минусу источника питания через резистор R, а вспомогательный катод ВК – непосредственно. Когда на лампу подано только напряжение от анодного источника, работает вспомогательный катод. Так как он заслонен анодом, о свечение газа не видно. Пусть на резистор R подано дополнительное управляющее напряжение такой полярности, чтобы оно суммировалось с напряжением анодного источника. Тогда напряжение между анодом и индикаторным катодом возрастает, разряд перебрасывается на этот катод и лампа дает видимое свечение. Если дополнительное напряжение снять, разряд снова будет только между вспомогательным катодом и анодом. Свечение газа у индикаторного катода исчезнет.

Знаковые индикаторы тлеющего разряда.

Рассмотренная выше индикаторная лампа может находиться только в двух состояниях: «есть свечение» и «нет свечения». Знаковые индикаторы гораздо более информативны. Они могут не просто светиться, но при этом еще и отображать буквы, цифры и другие символы.

В баллоне с неоном находятся катоды, выгнутые из проволоки в виде цифр, или других знаков и расположенные один за другим. В цифровых индикаторах имеется 10 катодов в виде цифр от 0 до 9. Анод обычно сделан из проволочной сетки. При подаче напряжения между анодом и одним из катодов возникает свечение газа около катода, т.е. виден светящийся знак.

Подобные индикаторы выпускаются и с так называемыми сегментными катодами, синтезирующими изображение из элементов.

Знаковые накальные вакуумные индикаторы.

Знаковые накальные вакуумные индикаторы дают синтезированное изображение в виде цифр или букв, составленное из накаленных проволочек. В баллоне с вакуумом на теплостойкой изоляционной плате расположены вольфрамовые проволочки (нити накала). Один вывод общий. Подключение к источнику накала той или иной комбинации проволочек дает светящееся изображение буквы или цифры.

Вакуумные люминесцентные индикаторы.

Вакуумные люминесцентные индикаторы представляют собой многоанодные триоды, имеющие оксидный катод прямого накала, сетку и аноды-сегменты, покрытые люминофором. Включение нескольких анодов в определенной комбинации дает светящийся знак, обычно зеленого цвета.

Электролюминесцентные индикаторы.

Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) используют явление электролюминесценции, состоящее в том, что некоторые вещества способны излучать свет под действием электрического поля. ЭЛИ представляют собой плоский конденсатор, рис. 2.

На металлический электрод 4 нанесен слой диэлектрика 3 – органической смолы с люминесцентным порошком, основу которого обычно составляет сульфид или селенид цинка. Добавление к люминофору активаторов позволяет получить различный цвет свечения: зеленый, голубой, желтый, красный, белый. Сверху люминесцентный слой покрыт электропроводящей прозрачной пленкой 2. Для предохранения о внешних воздействия служит стеклянная пластина 1. Если к электродам 4 и 2 приложить переменное напряжение, под действием электрического поля в слое 3 возникает свечение.

Прозрачный электрод 2 обычно делается из оксида олова и является сплошным. Электрод 4 имеет форму букв, цифр или сегментов для синтеза знаков или геометрических фигур. Электрод 4 может быть растровым, состоящим из ряда полос или матричным с большим числом точечных элементов.

Несомненное достоинства ЭЛИ: малое потребление мощности при высокой яркости изображения, плоская конфигурация, высокая механическая прочность, большой срок службы. Недостаток – необходимость применения довольно сложных систем управления отображением.

Жидкокристаллические индикаторы.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) основаны на использовании так называемых жидких кристаллов. Жидкие кристаллы представляют собой некоторые органические жидкости с упорядоченным расположением молекул, характерным для кристаллов. Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрического поля напряженностью 2 – 5 кВ/см структура их нарушается, молекулы располагаются беспорядочно, и жидкость становится непрозрачной.

Эти индикаторы могут иметь различную конструкцию и работать либо в проходящем свете, созданном каким либо специальным источником, либо в свете любого источника, отражающемся в индикаторе. Рассмотрим этот наиболее распространенный тип ЖКИ, рис. 3.

Индикаторы такого типа применяются в наручных часах, микрокалькуляторах и др. устройствах.

Между двумя стеклянными пластинами 1 и 3, склеенными с помощью полимерной смолы 2, находится слой жидкого кристалла 4. Пластинка 3 покрыта сплошным проводящим слоем, электрод 5 с зеркальной поверхностью. На пластину 1 нанесены прозрачные слои – электроды А, Б, В, … , от которых сделаны выводы, не показанные на рис. Эти электроды имеют форму цифр, букв или сегментов для синтеза различных знаков. Если на знаковые электроды напряжение не подано, то жидки кристалл прозрачен, световые лучи внешнего источника света проходят через нег, отражаются от зеркального электрода 5, выходят обратно и никаких знаков не видно. Если на какой-то электрод, например на электрод А, как на рис. 3, подано напряжение, жидкий кристалл под этим электродом становится непрозрачным, лучи света не проходят через эту часть жидкости 6, и на светлом фоне виден темный знак.

ЖКИ весьма экономичны. Ток потребляемый для воспроизведения одного знака не превышает 1 мкА. Долговечность ЖКИ составляет десятки тысяч часов. Недостаток этих индикаторов – низкое быстродействие.

Помимо рассмотренных выше приборов, в настоящее время выпускаются и другие, более сложные индикаторные приборы.

Дисплеи.

Дисплеи это оконечные устройства, служащие для визуального отображения информации и связи человека с компьютером. Различные типы дисплеев основаны на использовании различных физических явлений. Все дисплеи можно поделить на две большие группы: излучающие свет и моделирующие свет.

Светоизлучающий дисплей должен давать свечение достаточной яркости. Особенно большая яркость нужна, если дисплей применяется при солнечном освещении. Важен цвет свечения: глаз человека более чувствителен к желтому и желто-зеленому свету. Изображение должно быть контрастным. Чем больше отношение максимальной яркости к минимальной, тем выше контрастность. Желательна широкая диаграмма направленности дисплея: возможность видеть изображение под разными углами зрения.

Для управления работой дисплея применяются токи и напряжения различной амплитуды и вида. Всегда желательна меньшая потребляемая мощность. Дисплеи, работающие с интегральными микросхемами должны питаться напряжением не более 30 В. У дисплеев большого размера, потребляющих значительную мощность, важен высокий КПД. Для дисплеев не нужно высокое быстродействие, так как глаз человека не может различать изменения, происходящие менее, чем за 0.1 секунды. Разрешающая способность дисплеев оценивается минимальным размером наблюдаемого элемента. Это может быть квадрат со стороной не менее 50 мкМ. У многих дисплеев этот элемент больше, причем он зависит от яркости и расстояния наблюдателя от дисплея.

Некоторые типы дисплеев обладают памятью. Они могут сохранять изображение без потребления энергии или при минимальном ее потреблении.

Рассмотрим основные типы светоизлучающих дисплеев.

Дисплеи на электронно-лучевых трубках.

В электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) создается тонкий пучок электронов (луч), который управляется электрическим или магнитным полем, либо обоими полями вместе. ЭЛТ применяются в дисплеях компьютеров, в телевизорах, осциллографах, электронных микроскопах и т.д. Большинство ЭЛТ служит для получения видимых изображений на люминесцентном экране. Их называют электронно-графическими. Трубки могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча.