Вакуумно-люминесцентные индикаторыВ наше время появилось появилось много новых типов индикаторов, особенно сложных многоразрядных, а с дальнейшей миниатюризацией роль управляющих элементов стали нести специальные процессоры. Однако работу индикаторов все равно полезно знать и мастеру по ремонту электроники, и радиолюбителю. Проведем детальное разъяснение принципов работы вакуумно-люминесцентных индикаторы и методов управления ими. Принцип работы вакуумно-люминесцентных индикаторовВакуумно-люминесцентные индикаторы (или ВЛИ) относятся к активным индикаторам, преобразующим электрическую энергию в световую. По виду отображаемой информации ВЛИ различают на единичные, цифровые, буквенно-цифровые, шкальные, мнемонические и графические; по виду информационного ноля — на сегментные и матричные одноразрядные и многоразрядные, а также матрицы без фиксированных знакомест. К числу достоинств ВЛИ следует отнести: высокую яркость, обеспечивающую хорошую видимость воспроизводимых знаков, низкие рабочие напряжения, допускающие возможность их применения с формирователями на МОП-микросхемах, малое потребление энергии, что позволяет использовать их в устройствах, питаемых от батарей. Необходимость использования источника питания накала индикатора может оказаться его недостатком. В ряде случаев трудно исключить мешающие восприятию изображения блики, создаваемые отражением света от стеклянных баллонов индикаторов. ВЛИ используют для отображения информации в устройствах самого различного назначения: в микрокалькуляторах и больших ЭВМ, кассовых аппаратах и станках с числовым и программным управлением, электронных часах, электро- и радиоизмерительных приборах (цифровых, ампервольтомметрах, частотомерах), диспетчерских пультах управления энергетическими установками и воздушным движением, медицинских приборах и т. п.
Вакуумный люминесцентный индикатор представляет собой электронную диодную или триодную систему, в которой под воздействием электронной бомбардировки высвечиваются покрытые низковольтным катодолюминофором аноды-сегменты. Конструктивная схема одноразрядного индикатора показана на рис. 2.1. Детали индикатора монтируются на керамической или стеклянной плате 1. Участки платы, на которые нанесен люминофор, образуют аноды-сегменты 2; под люминофором имеется токопроводящий слой. Каждый из анодов имеет определенный вывод 3. Источником электронов служит оксидный катод прямого наказа 4. Управление электронным потоком осуществляется сеткой 7. Электронный поток, высвечивающий сегменты, ограничивается экранирующим электродом-маской 8. Вся арматура индикатора заключена в стеклянный баллон 6, в котором создан вакуум. Штриховой линией показаны примерные траектории электронов. На внутреннюю поверхность баллона нанесено токопроводящее покрытие 5, прозрачное для всей области спектра излучения индикатора. Электрически оно соединено с отдельным выводом или катодом; покрытие обеспечивает стекание электрических зарядов с поверхности баллона, способных исказить траектории электронов. Катод ВЛИ представляет собой отрезок вольфрамовой проволоки диаметром 6…60 мкм, покрытый тонким (несколько микрометров) слоем окислов щелочно-земельных металлов (оксидом). Рабочая температура катода выбирается по возможности низкой, с тем, чтобы нить, находящаяся по направлению наблюдения перед анодами, не мешала наблюдению светящихся символов. Понижение температуры катода способствует увеличению его срока службы и снижает нагрев люминофора, от которого исходит свечение. Условия эксплуатации катодов во ВЛИ можно считать экстремальными: катод работает при низкой температуре и высоком отборе тока; это обстоятельство в значительной мере определяет долговечность ВЛИ. Сетка ВЛИ управляет электронным потоком. Поскольку сетка имеет положительный относительно катода потенциал, она рассеивает электроны и ускоряет их в направлении анодных сегментов. Рассеивающее действие сетки обеспечивает равномерность засветки поверхностей, покрытых люминофором. Конструктивно сетка должна быть редкой, «прозрачной» для электронов с тем, чтобы уменьшить долю электронов, ею перехватываемых. В многоразрядных ВЛИ сетка также обеспечивает выбор разряда, работающего в заданный момент. Сетки изготовляются из полотна, «тканого» из вольфрамовой проволоки или электрохимическим фрезерованием тонкой никелевой фольги. В одноразрядных индикаторах форма излучающей поверхности анодов определяется металлической маской, электрически соединенной с управляющей сеткой. Изображение букв, цифр и других символов во ВЛИ формируется высвечиванием необходимой комбинации анодов-сегментов. Смена изображений достигается путем соответствующей коммутации анодов-сегментов. Аноды-сегменты представляют собой покрытые люминофором слои токопроводящего материала заданной конфигурации, нанесенные на стеклянную или керамическую плату. В ряде ВЛИ токопроводящие слои получают напылением в вакууме тонких металлических пленок на всю поверхность платы, а формирование рисунков анодов — фотолитографией. После этой (первой) фотолитографии на платы напыляют диэлектрик и производят вторую фотолитографию, которая открывает в диэлектрике «окна» на местах анодов-сегментов, и в окна наносят люминофор. Возможно применение толстопленочной технологии, при которой на плату с помощью трафаретов наносятся проводящая паста и затем люминофор. Аноды-сегменты выполнены в виде точек или протяженных участков различной формы, символов и трафаретов. Количество, конфигурация и взаимное расположение сегментов образует структурный рисунок индикатора, по которому различают цифровые, буквенно-цифровые, матричные и шкальные индикаторы. У многоразрядных индикаторов одноименные аноды-сегменты соединяются внутри баллона параллельно, что позволяет резко сократить число выводов. Так, например, 14-разрядный индикатор ИВ-27 имеет 24 вывода (два вывода шкала, 14 выводов сеток и восемь выводов от параллельно соединенных анодов-сегментов). Если создать 14-разрядный индикатор с раздельными выводами каждого анода-сегмента, то он имел бы 128 выводов (два вывода накала, 8Х14 поводов анодов-сегментов, 14 выводов сеток). Очевидно, что такое конструктивное решение оказалось бы трудновыполнимым. Конструктивно многоразрядные индикаторы выпускают со статическим и мультиплексным управлением. Люминофор включенных сегментов, т. е. имеющих в данный момент положительный относительно катода потенциал, светится под воздействием попадающего на них электронного потока. Ток катода индикатора и токи сегментов практически не зависят, от числа включенных сегментов. Электроны, попадающие на включенные сегменты, заряжают их отрицательно и отражаются. Вторичные электроны так же, как электроны, не участвующие в высвечивании определенного знака, перехватываются экранирующим электродом. Для подавления нежелательного свечения люминофора в исходном состоянии на сетку подается отрицательное напряжение смещения — несколько вольт по отношению к катоду. Экранирующий электрод, имеющий потенциал управляющей сетки, также улучшает условия запирания электронного потока. Изображение вакуумно-люминесцентных индикаторов высококонтрастное, яркость достигает 500 кд/м2 и более; для сравнения можно напомнить, что яркость экрана современного цветного кинескопа не превышает 300 кд/м2. В ВЛИ используется явление низковольтной катодолюминесценции (НВК), при котором свет излучается кристаллофосфором, бомбардируемым электронами с относительно низкой энергией (около 10...100 эВ). Для веществ, у которых наблюдается этот эффект, потенциал начала НВК составляет всего несколько вольт. При потенциале экрана, соответствующем энергии электронов eU>10 эВ, яркость свечения экрана практически определяется соотношением B==AjU, гдe j — плотность тока, поступающего на излучающую поверхность люминофора; А — постоянная, характеризующая используемый кристаллофосфор. При НВК-люминесценции возбуждение светового излучения бомбардирующими люминофор электронами происходит всего лишь в нескольких его приповерхностных слоях. При высоковольтном возбуждении, например в электронно-лучевых трубках, быстрые электроны возбуждают свечение в объеме кристалла люминофора. В ВЛИ в качестве люминофора широко используется окись цинка, активированная цинком (ZnO; Zn), обеспечивающая интенсивное сине-зеленое свечение. Применяя светофильтры, можно получить цвета символов от синего до красного при условии, что яркость исходного свечения достаточно велика (около 1000 кд/м2). Кроме того, существует достаточно широкая номенклатура люминофоров, имеющих различные цвета свечения (табл. 2.1). Таблица 2.1. Цветные люминофоры для вакуумно-люминесцентных индикаторов
При НВК достаточная яркость свечения люминофора обеспечивается в непрерывном режиме или при небольшой скважности (менее 100). Люминофорное покрытие экрана ВЛИ представляет собой слой порошка кристаллофосфора (толщиной 10 ...50 мкм), нанесенный на токопроводящую подложку. Поскольку свечение наблюдается со стороны люминофора, бомбардируемой электронами (работа на отражение), подложка может быть непрозрачной. Слой люминофора должен обладать достаточной электро- и теплопроводностью, поскольку рассеиваемая на экране мощность достаточно велика (около 0,1 Вт/см2). При перегреве экрана возникает температурное гашение свечения, а затем—необратимая деструкция кристаллофосфора. Характеристики излучения некоторых НВК-люминофоров приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2. Характеристики излучения НВК-люминофоров
Конструктивные модификации вакуумно-люминесцентных индикаторовВ одноразрядных буквенно-цифровых индикаторах используется одна триодная система и каждый анод-сегмент имеет отдельный вывод. В многоразрядных индикаторах в одном баллоне размещается несколько триодных систем; они имеют, как правило, общий катод и раздельные сетки. Часть ВЛИ выпускается в стеклянных цилиндрических баллонах с гибкими или жесткими выводами; они имеют одну или две плоские ножки. Изображение знака наблюдают через боковую стенку баллона. Изготовляются также индикаторы в четырехугольных баллонах, считывание информации в этом случае осуществляется через купол баллона (у таких индикаторов одна ножка). Современные многоразрядные вакуумно-люминесцентные индикаторы имеют плоские стеклянные баллоны с ленточными выводами, расположенными по боковым поверхностям баллонов, удобными для сопряжения с печатными платами. Номенклатура одноразрядных ВЛИ, отображающих буквенно-цифровую информацию с различными размерами знаков, включает в себя индикаторы ИВ-1, ИВ-3, ИВ-ЗА, ИВ-4. ИВ-6, ИВ-8, ИВ-11, ИВ-12, ИВ-17, ИВ-22. ИВЛ1-18/1. Многоразрядные индикаторы выпускают с числом разрядов 4, 6, 9, 12, 13, 14, 17. Наибольшее распространение получили дисплеи в цилиндрических баллонах ИВ-18, ИВ-21, ИВ-27 и в плоских баллонах ИВ-28А, ИВ-28Б, ИВЛ1-8/12, ИВЛ2-8/12, ИВЛ1-8/13. ИВЛ1-8/17. ИВЛ1-7/5, ИВЛ2-7/5. ИВЛЗ-7/5. Шкальные индикаторы, сопряженные с преобразователями кода, часто оказываются более удобными (наглядными), чем стрелочные приборы. Примером может служить предназначенный для измерительных целей индикатор ИВЛШ1-8/13, имеющий 101 отсчетную риску. Ряд ВЛИ выпускается со встроенными микросхемами управления, например плоский дисплей для индикации уровня воспроизведения и записи в стереофонических системах ИВЛШУ 1-11/2 с 22 индексами отсчета. Группа выпускаемых промышленностью матриц включает в себя одно-, двух- и трехцветные матрицы с высотой знаков 40 и 80 мм: ИВЛМ1-5/7, ИВЛМ2-5/7, ИВЛМЗ-5/7, ИВЛМ4-5/7, ИВЛМ5-5/7, ИВЛМ6-5/7. Эти индикаторы представляют собой универсальные знакоместа с излучающими элементами в различных цветах. Индикатор ИВЛМ1-5/7-45Л — панель из трех строк по 15 знакомест в каждой; в свою очередь, каждое знакоместо содержит 5х7 элементов. Выпускаются мнемонические индикаторы, отображающие различные «профессиональные» символы, например индикаторы для приборных щитков в автомобилей.
Матричные ВЛИ предназначены для синтеза цифр, букв любого алфавита, различных символов и знаков. На рис. 2.2 в качестве примера показано устройство одноцветного матричного индикатора, имеющего 35 светоизлучающих анодов-сегментов. Пять электрически соединенных между собой анодов-сегментов образуют строку, имеющую общий вывод; всего строк — семь. Управляющие электроды (сетки) объединяют аноды в столбцы; каждый столбец имеет свой вывод. Со стороны наблюдателя вдоль каждого столбца расположен прямонакальный оксидный катод; пять катодов включены параллельно. Плата анодов выполнена на стеклянной пластине, на которую нанесена пленка металла и фотолитографией сформированы аноды-сегменты, покрытые люминофором зеленого цвета свечения (ZnO : Zn). Информация считывается со стороны баллона — «на отражение». У двухцветной матрицы каждый анод-сегмент выполнен в виде двух изолированных элементов (всего 70), у трехцветной — в виде трех элементов (всего 105). Каждый анод покрыт «своим» люминофором, состав которого определяет цвет свечения. Красный цвет свечения обеспечивает люминофор (Zn, Cd)S:Ag синий — самоактивированный сульфид цинка. Как и в одноцветной матрице, в многоцветной анодные элементы объединены в строки; двухцветная матрица имеет 7Х2 строк, трехцветная — 7Х3 строк элементов. Пять управляющих электродов объединяют элементы в столбцы независимо от цвета свечения. Выборка цвета свечения осуществляется по строкам анодных элементов. Долговечность вакуумно-люминесцентных индикаторовДолговечность ВЛИ определяется сохранением работоспособности люминофора и долговечностью источника электронов — оксидного катода. Старение люминофора проявляется в уменьшении яркости свечения экрана и в основном обусловлено деструкцией самого кристаллофосфора под воздействием электронной бомбардировки и накоплением на поверхности люминофора посторонних веществ, напыляемых или мигрирующих с других деталей индикатора (продукты испарения оксидного катода, остаточные жировые загрязнения и т. п.). Особенность НВК состоит в том, что после сравнительно быстрого начального спада яркости (примерно на 10...20%) на этапе первых нескольких сотен часов индикатора следует длительный этап — десятки тысяч часов, в течение которых яркость уже практически не изменяется. Считается, что эта закономерность является следствием особенности НВК-поверхностного взаимодействия люминофора с электронным потоком, не затрагивающим объемной структуры люминофора. Срок службы (наработка) ВЛИ в значительной степени определяется долговечностью оксидного катода. Рабочая температура катода, соответствующая номинальному напряжению накала, выбирается так, чтобы обеспечить высокую долговечность катода. Отклонения температуры катода (напряжения накала) от оптимальной приводят к сокращению срока службы катода и индикатора. Повышение напряжения накала по сравнению с номинальным ускоряет процесс испарения эмиссионно-активного слоя (не говоря уже о возможном перегорании керна катода — нити накала), а понижение — ослабляет устойчивость катода к воздействию отравляющих оксидное покрытие факторов и также снижает срок службы индикатора. Катоды вакуумно-люминесцентных индикаторов работают в экстремальных условиях, поэтому напряжение накала в процессе эксплуатации индикатора должно поддерживаться равным номинальному. Допускается использовать индикаторы при напряжениях накала, отличающихся от номинального на ±10%, однако при этом наработка индикатора сокращается примерно на порядок. Особенно нежелательно чередование повышения и понижения напряжения накала. Напряжение накала вакуумно-люминесцентных индикаторов по величине составляет заметную долю напряжения запирания, напряжения сетки и анода. Поэтому при питании цепи накала индикатора постоянным током условия запирания и реальные значения напряжений анодов и сеток за счет падения напряжения на нити накала для отдельных разрядов могут существенно различаться, что, очевидно, нежелательно. Поэтому цепи накала ВЛИ рекомендуется питать переменным током синусоидальной или прямоугольной формы. По указанным причинам источники питания сеток и анодов рекомендуется подключать к средней точке соответствующей обмотки трансформатора накала. Если обмотка трансформатора не имеет вывода средней точки, применяется «искусственная» средняя точка, создаваемая делителем напряжения. Падение напряжения на резисторах делителя при прохождении по ним суммарного тока анодов и сеток приводит к уменьшению яркости свечения индикатора. При существенном уменьшении яркости напряжение питания следует увеличивать на значение падения напряжения на резисторах делителя. Можно питать цепь накала ВЛИ постоянным током, если напряжение накала не превышает 5% напряжений анодов и сеток. В этом случае за общую точку источников питания принимается вывод накала, соединенный с отрицательным полюсом источника питания цепи накала. При изготовлении табло из нескольких ВЛИ цепи накала следует соединять параллельно. Управление вакуумно-люминесцентными индикаторамиФормирование изображения на информационном поле ВЛИ можно осуществлять статическим или мультиплексным способом. При статическом способе возбуждающие сигналы подаются на необходимые для получения заданного изображения аноды-сегменты и все изображение знака формируется одновременно. Формирование изображения мультиплексным способом осуществляется применительно к ВЛИ, имеющим два канала управления, таким как многоразрядные индикаторы с параллельно соединенными анодами-сегментами и раздельными для каждого знакоместа сетками. Так же управляют матричными и графическими ВЛИ. При мультиплексном управлении в течение каждого момента времени формируется не полное изображение, а его отдельные элементы. Различают три способа мультиплексного управления с временной разверткой: по сеткам индикаторов; анодам-сегментам индикаторов; знакам. При первом способе знаки поочередно синтезируются на каждом знакоместе (рис. 2.3). Аноды-сегменты возбуждаются со скважностью Q, равной числу знакомест. Средняя яркость свечения анодов в Q раз меньше мгновенной. При втором способе напряжение возбуждения подается на одноименные аноды-сегменты, участвующие в формировании отображаемых знаков, а положительные напряжения на сетки отдельных знакомест подаются в моменты анодной развертки, которые соответствуют синтезируемой цифре в данном знакоместе (рис. 2.4)Средняя яркость свечения анодов ниже мгновенной в n раз (n — число сегментов в одном разряде).
Рис. 2.3. Схема динамического (мультиплексного) управления ВЛИ с сеточной разверткой
Рис. 2.4. Схема динамического (мультиплексного) управления ВЛИ с анодной разверткой Обычно ЗСИ отображают ограниченное число знаков, например цифры от 0 до 9 и запятую. В этих случаях можно использовать развертку по знакам, при которой на параллельно включенные аноды-сегменты всех знакомест поочередно подаются напряжения, соответствующие каждому из 11 знаков, а положительное напряжение подается на сетку того знакоместа, на котором в настоящее время должен отображаться соответствующие знак (рис. 2.5). Средняя яркость свечения при знаковой развертке в n раз меньше мгновенной (n – число отображаемых знаков). Для однородного свечения анодов-сегментов на всех знакоместах индикатора при любом способе мультиплексного управления необходимо обеспечить равенство скважностей высвечивания каждого из анодов, участвующих в формировании отображаемого знака. Частота повторения синтезирования знаков должна превышать частоту, при которой глаз может заметить мерцание отображения (практически ³50 Гц). Из сравнения устройств, реализующих различные типы разверток, следует, что наиболее простое (по числу узлов управления) устройство развертки по сеткам, хотя выбор оптимального вида развертки в общем случае определяется структурой кода источника информации и числом отображаемых знаков. Схема статического управления вакуумно-люминесцентных индикаторов показана на рис. 2.6. Она состоит из узла информационного согласования, который поразрядно преобразует двоично-десятичный код 8-4-2-1 в позиционный код семисегментных индикаторов. Узел энергетического согласования содержит ключи, коммутирующие анодные сегменты. При улравлении индикатором ИВ-ЗА и ему подобными удобно использовать р-МДП микросхему К161ПР2, в состав которой входят ОЗУ на 5 бит, кодовый преобразователь и коммутирующие транзисторы.
Рис. 2.5. Схема динамического (мультиплексного) управления ВЛИ со знаковой
Рис. 2.6. Схема статического управления ВЛИ
Рис. 2.7. Схема динамического (мультиплексного) управления ВЛИ Можно использовать микросхему К161ПР3, отличающуюся от К161ПР2 повышенным до 60 В напряжением коммутации выходных ключей. В устройстве можно предусмотреть также узел формирования сигналов записи двоично-десятичного кода в ОЗУ микросхемы, которые получают с помощью двоичного счетчика (например, К161ИЕ2) и дешифратора (например, К161ИД1). Сигналы двоично-десятичного кода сопровождаются синхроимпульсами: на одном из них синхроимпульсы соответствуют началу каждого десятичного разряда на другом -окончанию. Частота повторения кодов - не ниже 50 Гц во избежание мелькания изображения. Схема устройства динамического (мультиплексного) управления показана на рис. 2.7. В нем используется один преобразователь двоично-десятичного кода 4-2-1 в позиционный код индикатора и тот же, что и в предыдущей схеме, узел формирования сигналов записи двоично-десятичного кода в ОЗУ микросхемы. Коммутация сеток индикаторов осуществляется семиканальным коммутатором с прямыми входами (например, К161КН2). Очевидно уменьшение числа преобразователей кодов, используемых при динамическом управлении индикатором по сравнению со статическим. Основные параметры наиболее распространенных одноразрядных вакуумно-люминесцентных индикаторов
Примечание. Индикаторы имеют зеленый цвет свечения, кроме ИВ-22А (красный); яркость свечения индикаторов не менее 500 кд/м2. кроме ИВ-23 и ИВ-24 (не менее 70 кд/м2); контраст—не менее 60%, угол обзора—не менее 80°, время готовности — не более 1 с,
Примечание, п. с — проводящий слой на внутренней поверхности баллона; F — вывод катода; G - вывод сетки; Св — свободный вывод. Рисунки баллонов и обозначение выводов индикаторовНиже на рисунке показаны обозначения выводов и габаритные размеры индикаторов:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
