Реферат: Вакуумные люминесцентные индикаторы

<span Times New Roman",«serif»">1. Введение

            Во всехсистемах, где требуется представить информацию в форме, удобной для визуальноговосприятия человеком, применяются средства отображения информации (СОИ). Однойиз основных частей СОИ является индикатор — электронный прибор для преобразованияэлектрических сигналов в пространственное распределение яркости (контраста).Свойства и характеристики индикатора определяют важнейшие параметры СОИ —информационную емкость, надежность и др. Мы рассмотрим один из видовиндикаторов — вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ).

<span Times New Roman",«serif»">2. Принцип действия.

            Принципдействия ВЛИ основан на использовании явления люминесценции, возникающей вкатодолюминофорах при возбуждении их электронным пучком. В отличие от высоковольтнойкатодолюминесценции, используемой в ЭЛП, в ВЛИ имеет место низковольтная люминесценция.Этим устраняется один из главных недостатков ЭЛП — высокое ускоряющее напряжение.

            Катодолюминесценциявозникает при достижении электронами вполне определенной энергии eUL,, где UL — потенциал началакатодолюминесценции. У большинства материалов, образующих группу высоковольтныхкотодолюминафоров, применяемых в ЭЛП, UL  исчисляется сотнями вольт.

            Более 40лет назад был обнаружен ряд веществ, у которых потенциал начала катодолюминесценциисоставляет единицы вольт (для ZnS = 6—7 B, для Zn, CdS = 4—5 B). Однако отсутствиепрактической потребности в таких материалах долгие годы не стимулировало детальногоизучения низковольтной катодолюминесценции.

            Люминофордля ВЛИ должен удовлетворять ряду требований:

            1. Шириназапрещенной зоны dW   — не более 3—4 эВ. В противном случае условныйквантовый выход становится слишком малым.

            2. Высокаяэлектропроводность. Согласно оценкам сопротивление слоя не должно превышатьединиц килоом. Именно по этой причине большинство люминофоров применяемых в ЭЛПне годится для ВЛИ, поскольку они являются или изоляторами, или полностьюкомпенсированными полупроводниками.

            Необходимоезначение электропроводности можно обеспечить использованием люминофоров на проводящейоснове (ZnO:Zn; SnO2:Eu; (Zn1-x, Cdx)S: Ag,Al); смешанных люминофоров (ZnS: Ag+In2O3 ; ZnS:Cu+ZnO;Y2O2S...Eu+SnO2) и легированных люминофоровZnS: Ag, Zn, Al.

            3. Низкийпотенциал начала катодолюминесценции. Даже при малом сопротивлении слоялюминофора он оказывается непригодным для использования во ВЛИ, ели UL= 10—12 В.

            4. Низкаясветоотдача. В ходе исследования свойств смесей с проводящими порошками былообнаружено, что цвет свечения многих таких композиций зависит от анодногонапряжения. Например, у смеси SnO2: Eu и ZnS:Cl, Al цвет свеченияпри изменении U  от 20 до 60 В меняется с оранжевого нажелто-зеленый. Определенное влияние имеет соотношение масс компонент.

            Придлительной бомбардировке люминофора яркость его свечения изменяется, причем вэтом процессе можно выделить три этапа: начальное изменение, этап стабильнойяркости и этап выраженного старения.

            Первый этапвызван установлением стационарного состояния поверхности люминофора. Критериемдлительности второго этапа является снижение яркости до 50—70% от начальногозначения. Яркость свечения на этом этапе уменьшается в связи с действиемразличных химических процессов в люминофоре, приводящих, в частности, квосстановлению ZnO до металлического Zn.

            Факторы,обуславливающие этап выраженного старения, таковы: изменение поверхностныхпотенциальных барьеров и электропроводности слоя, химическое воздействиенапыленных материалов, возникновение безызлучательных центров, поглощениеизлучения в почерневшем поверхностном слое люминофора. Особенно быстро чернеетповерхность люминофора при повышении температуры катода.

<span Times New Roman",«serif»">3. Устройство,параметры и характеристики.

            Вакуумныелюминесцентные индикаторы выпускаются в цилиндрических и плоских баллонах.Первые бывают так одноразрядными, так и многоразрядными, вторые — только многоразрядными.

            Основаодноразрядного ВЛИ — стеклянная или керамическая плата, на которой закрепленывсе остальные детали индикатора (рис. 1). В углублениях платы, выполненных ввиде сегментов, находится проводящий слой, соединенный с контактами. Каждыйсегмент имеет отдельный вывод. Проводящие слои сегментов полностью покрытылюминофором. На передней стороне платы в направлении считывания устанавливаетсяплоский металлический электрод. Отверстия в этом электроде расположены напротивсоответствующих сегментов, покрытых люминофором. На небольшом расстоянии отэкранирующего электрода натянута управляющая сетка. В свою очередь на маломрасстоянии от плоскости сетки, примерно параллельно оси лампы, расположенпрямоканальный оксидный катод. Вся эта система помещена в цилиндрическуюстеклянную колбу, которая изнутри покрыта прозрачным проводящим слоем.

            В исходномсостоянии для надежного запирания электронного тока и предотвращениянежелательного свечения люминофора к сетке прикладывается отрицательноенапряжение смешения — несколько вольт по отношению к катоду.

            Приположительном напряжении на управляющей сетке электроны ускоряются в направлениианодных сегментов. Задача управляющей сетки состоит еще в том, чтобыобеспечивать возможно более равномерное распределение плотности потокаэлектронов на поверхности анода индикатора. Экранирующий электрод имеет тот жепотенциал, что и управляющая сетка. Электроны попадают на сегменты, имеющие вданный момент положительный потенциал; возникает низковольтнаякатодолюминесценция — нанесенный на анод сегмент люминофор начинает светится.Яркость свечения в зависит-

<img src="/cache/referats/719/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

мости от применяемого люминофора достигает значений 300—700кд/м2 и более.

            Развитиемцилиндрического ВЛИ явилась конструкция индикатора в плоском баллоне (рис. 2).

            Кроме7-сегментных плоских ВЛИ разработанны также 14-сегментные индикаторы — ВЛИ,знакоместо которого выполнено в виде точечной матрицы 5*7 или 7*12 элементов,матричные, аналоговые и цифро-аналоговые.

            Первые дватипа индикаторов обеспечивают представление всех букв, цифр и большого числасимволов. Матричные ВЛИ состоят из большого числа светоизлучающих элементов.Такой индикатор позволяет отображать буквенно-цифровые сообщения, графики идаже несложные движущиеся изображения.

            Обычно вматричном индикаторе одна сетка покрывает один столбец светоизлучательныхэлементов (рис 3, а ). Управлениеиндикатором осуществляется по сеточным цепям. При работе яркость свечения непостоянна по площади, а снижается по краям (рис 3, а ,) поскольку на них попадает меньше электронов, чем нацентральную часть элемента. В этом проявляется влияние соседних сеток, имеющихотрицательный потенциал. С целью устранения этого недостатка разработаннаусовершенствованная конструкция матричного ВЛИ. В нем каждая сетка покрывает 2столбца излучающих элементов (рис. 4, а). Управление осуществляется как по сеточным, так и по анодным цепям.

<img src="/cache/referats/719/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

Такая структура особенно успешно применяется при высокойвнешней освещенности индикатора. Управляющее положительное напряжение подаетсяна две соединенные сетки и два расположенных под ними анода. В результатеяркость свечения элементов оказывается равномерной (рис. 4, б ).

<span Times New Roman",«serif»;letter-spacing:0pt;mso-no-proof: yes"><img src="/cache/referats/719/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

Другие достоинства этой конструкции состоят в том, что числоуправляющих сеток уменьшено на половину и обеспечивается большая яркость засчет одновременного излучения света двумя столбцами элементов.

            Перспективнымявляется использование ВЛИ для создания индикаторов коллективного пользованиякак одноцветных, так и полицветных. Для этих целей применяются индикаторыследующих типов: матричный “столбик”, т. е. диод, имеющий прямоканальный катоди семь светоизлучающих элементов-анодов. Из таких “столбиков” может бытьнабрана матричная строка высотой 7 элементов и любой длинны; матричное“знакоместо” формата 5*7 элементов, предназначенное для сборки строк. Такииндикаторы могут быть двух- и трехцветными, при этом светоизлучающие элементыразличных цветов располагаются парами или триадами, сохраняя общий формат знакоместа;“элемент матричного поля”, т. е. ВЛИ цилиндрической формы с торцевым выходомизлучения, из которых формируется уже не строка, а матричное поле любогоразмер. Отдельные индикаторы могут быть одноцветными (с различным цветомсвечения, располагаемые парами или триадами) или двух- трехцветными.

<span Times New Roman",«serif»;letter-spacing:0pt;mso-no-proof: yes"><img src="/cache/referats/719/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">

            Наиболееудобный в работе и одновременно дешевый люминофор — это окись цинка,активированная цинком ZnO:Zn, дающий интенсивное сине-зеленое свечение. Дляповышения контраста целесообразно покрывать ВЛИ нейтральными фильтрами.

            Светофильтр,близкий к оптимальному для ВЛИ, который сохраняет доминирующую длину волныизлучения и увеличивает насыщенность цвета без существенного снижения яркости,должен удовлетворять следующим требованиям: цветность 0.2<x<0.35;0.57<y<0.75; максимальный коэффициент пропускания в диапазоне длин волн0.526— 0.542 мкм, 30—35% при L=250— 500 кд/м2.

            Каковывозможности создания ВЛИ с иным, кроме сине-зеленого, цветом свечения?

            Во-первых,с помощью светофильтров можно получить цвет от синего до красного прииспользовании ZnO:Zn. Яркость этих цветов оказывается достаточной, если яркостьисходного свечения составляет приблизительно 1000 кд/дм2. Во-вторых,использованием люминофоров других цветов свечения (табл. 1). Таким образом,можно создать ВЛИ с различным, но одним цветом свечения. Полицветный индикаторреализуют за счет конструктивных изменений и специфических способов управления.

Таблица 1.

Характеристики цветных люминофоров для ВЛИ.

<img src="/cache/referats/719/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1026 _x0000_s1027">

Цвет свечения

Состав люминофора

Длина волны соответствующая максимуму спектральной характеристики, мкм

Цветовые координаты

     X            Y

Синий

ZnS: Ag+In2O3

0.4500

0.16

0.12

Сине-зеленый

ZnO: Zn

0.5100

0.25

0.44

Зеленый

(Zn, Cd)S: Ag

0.5250

0.28

0.59

ZnS: Cu

0.5300

0.33

0.60

Лимонный

ZnS: Au, Al+In2O3

0.5500

0.39

0.56

Желтый

ZnS: Mn+ In2O3

0.5850

0.52

0.47

Красный

(Zn, Cd)S: Ag+ In2O3

0.6260

0.67

0.33

            Например,двухцветный индикатор можно получить, если удвоить число Сегментов и покрыть ихлюминофорами выбранных цветов (рис. 5, а ).Правда, при этом увеличивается число выводов, а символ при изменении цветасмещается. Управление осуществляется по анодной цепи.

            Полицветныйиндикатор с сеточным управлением несколько отличается расположениемсветоизлучающих элементов (рис. 5, б ).Однако конструкция его сложнее, поскольку кроме общей сетки в прибор ещевводятся сетки, соответствующие светоизлучающим элементам каждого из цветов.Изменением потенциалов сеток можно менять цвет свечения. Очевидно, что упомянутыми способами реально создатьтрехцветные индикаторы, особенно если одновременно необходимо обеспечитьвысокую разрешающую способность. Наконец, ка уже отмечалось, цвет свечения рядалюминофоров зависит от анодного напряжения, что позволяет создать полицветныеВЛИ простой конструкции с электрическим переключением цветов.

            Завершаярассмотрение люминофоров разных цветов, отмечаем, что ZnO:Zn и сейчас остаетсяединственным люминофором, обеспечивающим высокую яркость по сравнению сдругими. Однако необходимости добиваться непременного равенства яркостисвечения люминофоров разных цветов нет. Это объясняется особенностью зрения,заключающиеся в том, что глаз воспринимает как равнояркие излучения синего LВ,красного LR, и зеленого LG люминофоров при соотношениияркостей: LB:LR:LG=0.54:0.65:1.0.

            Чтокасается выбора режимов работы ВЛИ, то они определяются в основном требованиемк яркости свечения индикатора и допустимыми значениями токов, напряжений,длительности импульсов, подаваемых на анод и сетку.

            Возможностьдальнейшего повышения разрешаюшей способности матричных и аналоговых ВЛИ определяетсяглавным образом технологией нанесения светоизлучающих элементов на стекляннуюили керамическую плату. Некоторые прогнозируют достижение разрешающейспособности до 25 эл/см на матрице размером около 250*250 мм.

            Кромеповышения разрешающей способности разработчики ВЛИ стремятся решить ещенесколько задач.

            В настоящеевремя выпускается значительное количество типов ВЛИ: одноразрядные, многоразрядные,сегментные в цилиндрических и плоских баллонах, матричные, аналоговые и др.

            Большинствоиндикаторов выпускается вместе с хорошо организованной схемой управления ипитания. Например еще в 1979 г. была выпущена серия из 17 типов полностьюукомплектованных алфавитно-цифровых модулей: 9 типов однострочных с матрицей5*7 и 10, 16, 20, 32, 40 знакоместами, 6 типов однострочных, 14 сегментныхиндикаторов с 10, 20, 32 знакоместами и 2 типа модулей с 2 и 6 строками по 40знакомест формата 5*7.

<img src="/cache/referats/719/image011.gif" v:shapes="_x0000_i1029">  

Потребляемая мощность у 10-разрядного ВЛИ 1.33 Вт, у40-разрядного 2.66 Вт, высота знаков — от 5 до 15 мм, среднее время наработкина отказ 10·104 ч, ударная прочность 100 g, цвет свечения —сине-зеленый, изменяющийся до синего, зеленого или желтого с помощью ацетатныхили акриловых фильтров. На основе матричных ВЛИ также разработаны и выпускаютсямодули.

            Развитиемэтих устройств является ряд универсальных модулей с индикаторами различныхразмеров, наибольшие из которых имеют 256*256 элементов, что обеспечиваетиндикацию на площади 167.5*167.5 мм2. Способ управления такимииндикаторами хотя и предполагает увеличение числа выводов, управляющихнапряжений, он одновременно позволяет повысить яркость до 700 кд/м2и светоотдачу люминофора до 5.2 лм/Вт. Наконец существует матричный ВЛИ, на которомудалось получить телевизионное изображение удовлетворительного качества.

            Дляуправления индикатором использовалась матрица из полевых МДП-транзисторов. Вэтом же устройстве, повидимому, впервые для ВЛИ был реализован режим свнутренней памятью. Использовалась хорошо известная схема, содержащая длякаждого светоизлучающего элемента два транзистора и конденсатор. Такая схема позволяетсохранить на низком уровне как площадь элемента изображения, так и потребляемуюуправляющей схемой мощность. Была достигнута яркость до 17000 кд/м2при Ua=30 В. Получение таких огромных яркостей открывает возможностьсоздания малого проекционного индикатора, работающего при низких напряжениях.

            Отечественнаяпромышленность выпускает более 50 типов ВЛИ: одно- и многоразрядные сегментные,аналоговые, аналого-цифровые, матричные, зеленого цвета свечения и полицветные.Дальнейшее совершенствование ВЛИ должно идти по пути создания полицветных ВЛИразных типов, мнемонических и, главное, матричных индикаторов с большим числомсветоизлучающих элементов (или знакомест). Особо выделены разработки, направленныена создание ВЛИ, совмещенных со схемой управления, которые, как предполагается,будут преобладать в следующем поколении таких индикаторов.

<span Times New Roman",«serif»">4. Литература.

1. Ю. А. Быстров, И. И. Литвак, Г. М. Персианов “Электронныеприборы для отображения информации”. Москва “Радио и связь”, 1985 г.

2. Ф. М. Яблонский Ю. В. Троицкий “Средства отображенияинформации”. Москва “Высшая школа” 1985 г.