Вакуумні люмінесцентні індикатори 1. Введення. У всіх системах, де потрібно представити інформацію у формі, зручній для візуального сприйняття людиною, застосовуються
засоби відображення інформації (СОІ). Однією з основних частин СОІ є індикатор - електронний прилад для
перетворення електричних
сигналів в просторовий розподіл яскравості (
контрасту). Властивості і характеристики індикатора визначають найважливіші параметри СОІ -
інформаційну ємність, надійність і ін Ми розглянемо один з видів
індикаторів - вакуумні люмінесцентні
індикатори (ВЛІ). 2. Принцип дії. Принцип дії ВЛІ заснований на використанні
явища люмінесценції, що виникає в катодолюмінофорах при порушенні їх електронним пучком. На відміну від високовольтної катодолюминесценции, використовуваної в ЕЛП, в ВЛІ має місце низьковольтна люмінесценція. Цим усувається один з головних недоліків ЕЛП - висока прискорює напруга. Катодолюмінесценцію виникає при досягненні електронами цілком певної енергії eUL, де UL - потенціал початку катодолюминесценции. У більшості
матеріалів, що утворюють групу високовольтних котодолюмінафоров, застосовуваних у ЕЛП, UL обчислюється сотнями вольт. Більше 40 років тому був виявлений ряд речовин, які мають потенціал початку катодолюминесценции складає одиниці вольт (для ZnS = 6-7 B, для Zn, CdS = 4-5 B). Однак відсутність практичної потреби в таких
матеріалах довгі роки не стимулювало детального вивчення низьковольтної катодолюминесценции. Люмінофор для ВЛІ повинен задовольняти ряду вимог: 1. Ширина забороненої зони dW - не більше 3-4 еВ. В іншому випадку умовний квантовий
вихід стає занадто малим. 2. Висока електропровідність. Згідно з
оцінками опір шару не повинен перевищувати одиниць килоом.
Саме з цієї причини більшість люмінофорів застосовуваних у ЕЛП не годиться для ВЛІ, оскільки вони є або ізоляторами, або повністю компенсованими напівпровідниками. Необхідне значення електропровідності можна забезпечити використанням люмінофорів на провідній основі (ZnO: Zn; SnO2: Eu; (Zn1-x, Cdx) S: Ag, Al); змішаних люмінофорів (ZnS: Ag + In2O3; ZnS: Cu + ZnO; Y2O2S. .. Eu + SnO2) і легованих люмінофорів ZnS: Ag, Zn, Al. 3. Низький потенціал початку катодолюминесценции. Навіть при малому опорі шару люмінофора він виявляється непридатним для використання під ВЛІ, їли UL = 10-12 В. 4. Низька світловіддача. У ході дослідження властивостей сумішей з провідними порошками було виявлено, що колір світіння багатьох таких композицій залежить від анодної напруги. Наприклад, у суміші SnO2: Eu і ZnS: Cl, Al колір світіння при зміні U від 20 до 60 В змінюється з помаранчевого на жовто-зелений. Певний вплив має співвідношення мас компонент. При тривалій бомбардуванню люмінофора
яскравість його свічення змінюється, причому в цьому
процесі можна виділити три етапи: початкова зміна, етап стабільної яскравості і етап вираженого
старіння. Перший етап викликаний встановленням стаціонарного
стану поверхні люмінофора. Критерієм тривалості другого етапу є зниження яскравості до 50-70% від початкового значення.
Яскравість світіння на цьому етапі зменшується у зв'язку з дією різних хімічних
процесів у люмінофорі, що призводять, зокрема, до відновлення ZnO до металевого Zn. Чинники, які обумовлюють етап вираженого старіння, такі: зміна поверхневих потенційних бар'єрів і електропровідності шару, хімічний вплив напилення матеріалів, виникнення безвипромінювальної центрів, поглинання
випромінювання в почорнілому поверхневому шарі люмінофора. Особливо швидко чорніє поверхню люмінофора при підвищенні температури катода. 3. Пристрій, параметри і характеристики. Вакуумні люмінесцентні індикатори випускаються в циліндричних і плоских балонах. Перші бувають так однорозрядним, так і багаторозрядним, другі - тільки багаторозрядним. Основа однорозрядного ВЛІ - скляна або керамічна плата, на якій закріплені всі інші деталі
індикатора (рис. 1). У поглибленнях плати, виконаних у вигляді сегментів, знаходиться провідний шар, з'єднаний з контактами. Кожен сегмент має окремий висновок. Провідні верстви сегментів повністю покриті люмінофором. На передній стороні плати в напрямку зчитування встановлюється плоский металевий електрод. Отвори в цьому електроді розташовані навпроти
відповідних сегментів, покритих люмінофором. На невеликій відстані від екрануючого електрода натягнута керуюча сітка. У свою чергу на малій відстані від площини сітки, приблизно паралельно осі лампи, розташований прямоканальний оксидний катод. Вся ця система поміщена в циліндричну скляну колбу, яка зсередини покрита прозорим проводять шаром.
Рис. 1. 1 - плата; 2, 8 - провідні верстви; 3 - висновок; 4 - люмінофор; 5 - екрануючий електрод; 6 - сітка; 7 - катод. У вихідному стані для надійного замикання
електронного струму та запобігання небажаного світіння люмінофора до сітки прикладається негативна напруга змішання - кілька вольт по відношенню до катода. При позитивному напрузі на сітці, електрони прискорюються в напрямку анодних сегментів. Завдання керуючої сітки полягає ще в тому, щоб забезпечувати максимально рівномірний розподіл щільності потоку електронів на поверхні анода індикатора. Екрануючий електрод має той самий потенціал, що і керуюча сітка. Електрони потрапляють на сегменти, які мають у даний момент позитивний потенціал; виникає низьковольтна катодолюмінесценцію - нанесений на анод сегмент люмінофор починає світиться.
Яскравість світіння залежно від застосовуваного люмінофора досягає значень 300-700 кд/м2 і більше. Розвитком циліндричного ВЛІ з'явилася конструкція індикатора в плоскому балоні (рис. 2).
Рис. 2. 1 - провідний шар; 2 - герметик, 3 - лицьове
скло; 4 - катод; 5 - сітка; 6 - скляна плата; 7 - шар люмінофора; 8 - провідний шар, 9 - шар діелектрика. Крім 7-сегментних плоских ВЛІ розроблені також 14-сегментні індикатори - ВЛІ, знакомісце якого виконано у вигляді точкової
матриці 5 * 7 або 7 * 12 елементів, матричні, аналогові та цифро-аналогові. Перші два типи індикаторів забезпечують надання всіх букв, цифр і багато символів. Матричні ВЛІ складаються з великого числа світловипромінюючих елементів.
Такий індикатор дозволяє відображати буквено-цифрові повідомлення, графіки і навіть нескладні рухомі зображення. Зазвичай в матричному індикаторі одна сітка покриває один стовпець светоізлучательних елементів (рис 3, а).
Управління індикатором здійснюється за сітковим ланцюгах. При роботі яскравість світіння не постійна за площею, а знижується по краях (рис 3, b,) оскільки на них потрапляє менше електронів, ніж на центральну частину елементу.
рис.3 1 - катод, 2 - траєкторії електронів; 3 - сітки; 4 - світловипромінюючі елементи; У цьому проявляється вплив сусідніх сіток, що мають негативний потенціал. З метою усунення цього недоліку розроблена вдосконалена конструкція матричного ВЛІ. У ньому кожна сітка покриває 2 стовпця випромінюючих елементів (рис. 4, а).
Управління здійснюється як за сітковим, так і по анодним ланцюгах. Така структура особливо успішно застосовується при високій зовнішній
освітленості індикатора. Управляє позитивне напруга подається на дві з'єднані сітки і два розташованих під ними анода. У результаті яскравість світіння елементів виявляється рівномірної (рис. 4, б).
рис. 4 1 - катод, 2 - траєкторії електронів; 3 - сітки; 4 - світловипромінюючі елементи. Інші достоїнства цієї конструкції полягають у тому, що число керуючих сіток зменшено на половину і забезпечується велика яскравість за рахунок одночасного випромінювання світла двома стовпцями елементів. Перспективним є використання ВЛІ для створення індикаторів
колективного користування як одноколірних, так і поліцветних. Для цих цілей застосовуються індикатори наступних типів: матричний "стовпчик", тобто діод, що має прямоканальний катод і сім світловипромінюючих елементів-анодів. З таких "стовпчиків" може бути набрана матрична рядок заввишки 7 елементів і будь-якої довжини; матричне "знакомісце" формату 5 * 7 елементів, призначений для складання рядків. Таки індикатори можуть бути дво-і триколірними, при цьому світловипромінюючі елементи різних кольорів розташовуються парами або тріадами, зберігаючи загальний формат знакоместа; "елемент матричного поля", тобто ВЛІ циліндричної форми з торцевим виходом випромінювання, з яких формується вже не рядок, а матричне поле будь-якого розмір. Окремі індикатори можуть бути одноколірними (з різним кольором світіння, розташовувані парами або тріадами) або двох-триколірними. Незважаючи на широке застосування цифрової індикації, в цілому віддавалася і віддається
перевагу апаратурі з аналогової індикацією. Для цього використовуються аналогові ВЛІ, основними конструктивними типами яких є лінійно-смуговий і концентрично смугової. Такі індикатори мають дискретний анод, що складається з великої кількості окремих елементів (штрихів), розташованих уздовж прямої лінії або по колу. В останні роки спостерігається тенденція поєднувати цифрову і аналогову форми індикації, що зумовило появу цифро-аналогових ВЛІ. Найбільш зручний в роботі і одночасно дешевий люмінофор - це оксид цинку, активована цинком ZnO: Zn, що дає інтенсивне синьо-зелене свічення. Для підвищення контрасту доцільно покривати ВЛІ нейтральними фільтрами. Світлофільтр, близький до оптимального для ВЛІ, який зберігає домінуючу довжину хвилі випромінювання і збільшує насиченість кольору без істотного зниження яскравості, повинен задовольняти наступним вимогам: кольоровість 0.2 <x <0.35; 0.57 <y <0.75; максимальний коефіцієнт пропускання в діапазоні довжин хвиль 0.526- 0.542 мкм, 30-35% при L = 250 - 500 кд/м2. Які можливості створення ВЛІ з іншим, крім синьо-зеленого, кольором світіння? По-перше, за допомогою світлофільтрів можна отримати колір від синього до червоного при використанні ZnO: Zn. Яскравість цих квітів виявляється достатньою, якщо яскравість вихідного світіння становить приблизно 1000 кд/дм2. По-друге, використанням люмінофорів інших кольорів світіння (табл. 1). Таким чином, можна створити ВЛІ з різним, але одним кольором світіння. Поліцветний індикатор реалізують за рахунок конструктивних змін і специфічних способів
управління.
Таблиця 1. Характеристики кольорових люмінофорів для ВЛІ.
| Колір світіння | Склад люмінофора | Довжина хвилі відповідна максимуму спектральної характеристики, мкм | Колірні координати (X | Y) |
| Синій | ZnS: Ag + In2O3 | 0.4500 | 0.16 | 0.12 |
| Синьо-зелений | ZnO: Zn | 0.5100 | 0.25 | 0.44 |
| Зелений | (Zn, Cd) S: Ag | 0.5250 | 0.28 | 0.59 |
| ZnS: Cu | 0.5300 | 0.33 | 0.60 |
| Лимонний | ZnS: Au, Al + In2O3 | 0.5500 | 0.39 | 0.56 |
| Жовтий | ZnS: Mn + In2O3 | 0.5850 | 0.52 | 0.47 |
| Червоний | (Zn, Cd) S: Ag + In2O3 | 0.6260 | 0.67 | 0.33 |
Наприклад, двоколірний індикатор можна отримати, якщо подвоїти кількість Сегментів і покрити їх люмінофорами вибраних кольорів (рис. 5, а). Правда, при цьому збільшується кількість висновків, а
символ при зміні кольору зміщується. Управління здійснюється за анодному ланцюзі. Поліцветний індикатор з сітковим
управлінням дещо відрізняється розташуванням світловипромінюючих елементів (рис. 5, б). Проте конструкція його складніше, оскільки крім загальної сітки в прилад ще вводяться сітки,
відповідні світловипромінюючі елементи кожного з квітів. Зміною потенціалів сіток можна змінювати колір світіння. Очевидно, що згаданими способами реально створити триколірні індикатори, особливо якщо одночасно необхідно забезпечити високу роздільну здатність. Нарешті, як вже зазначалося, колір світіння ряду люмінофорів залежить від анодної напруги, що дозволяє створити поліцветние ВЛІ простої конструкції з електричним перемиканням квітів.
рис.5 1, 2 - люмінофори різних кольорів. Завершуючи розгляд люмінофорів різних кольорів, відзначаємо, що ZnO: Zn і зараз залишається єдиним люмінофором, що забезпечує високу яскравість в порівнянні з іншими. Однак необхідність домагатися неодмінного рівності яскравості світіння люмінофорів різних квітів немає. Це пояснюється особливістю зору, полягають в тому, що око сприймає як равнояркіе випромінювання синього LВ, червоного LR, і зеленого LG люмінофорів при співвідношенні яскравостей: LB: LR: LG = 0.54:0.65:1.0. Що стосується вибору режимів
роботи ВЛІ, то вони визначаються в основному вимогою до яскравості світіння індикатора і допустимими значеннями струмів, напруг, тривалості імпульсів, що подаються на анод і сітку. Можливість подальшого підвищення разрешаюшей
здібності матричних і аналогових ВЛІ визначається головним чином технологією нанесення світловипромінювальних елементів на скляну або керамічну плату. Деякі прогнозують досягнення роздільної здатності до 25 ел / см на матриці розміром близько 250 * 250 мм. Крім підвищення роздільної здатності розробники ВЛІ прагнуть вирішити ще декілька завдань. В даний час випускається значна кількість типів ВЛІ: однорозрядні, багаторозрядних, сегментні в циліндричних і плоских балонах, матричні, аналогові та ін Більшість індикаторів випускається разом з добре організованою схемою управління та харчування. Наприклад ще в 1979 р. була випущена серія з 17 типів повністю укомплектованих алфавітно-цифрових модулів: 9 типів однорядкових з
матрицею 5 * 7 і 10, 16, 20, 32, 40 знакоместа, 6 типів однорядкових, 14 сегментних індикаторів з 10, 20 , 32 знакоместа і 2 типу модулів з 2 і 6 рядками по 40 знакомест формату 5 * 7. Споживана потужність у 10-розрядного ВЛІ 1.33 Вт, у 40-розрядного 2.66 Вт, висота знаків - від 5 до 15 мм, середній час напрацювання на відмову 10.104 год, ударна міцність 100 g, колір світіння - синьо-зелений, що змінюється до синього, зеленого або жовтого з допомогою ацетатних або акрилових фільтрів. На основі матричних ВЛІ також розроблені і випускаються модулі. Розвитком цих пристроїв є ряд універсальних модулів з
індикаторами різних розмірів, найбільші з яких мають 256 * 256 елементів, що забезпечує індикацію на площі 167.5 * 167.5 мм2. Спосіб управління такими індикаторами хоча і припускає збільшення числа висновків, керуючих напруг, він одночасно дозволяє підвищити яскравість до 700 кд/м2 і світловіддачу люмінофора до 5.2 лм / Вт. Нарешті існує матричний ВЛІ, на якому вдалося отримати телевізійне зображення задовільної якості. Для управління індикатором використовувалася матриця з польових МДН-транзисторів. У цьому ж пристрої, мабуть, вперше для ВЛІ був реалізований режим з внутрішньою пам'яттю. Використовувалася добре відома схема, яка містить для кожного светоизлучающего елемента два
транзистори і конденсатор. Така схема дозволяє зберегти на низькому рівні як площа елемента зображення, так і споживану керуючої схемою потужність. Була досягнута яскравість до 17000 кд/м2 при Ua = 30 В. Отримання таких величезних яркостей відкриває можливість створення малого проекційного індикатора, що
працює при низьких напругах. Вітчизняна промисловість випускає більше 50 типів ВЛІ: одно-і багаторозрядних сегментні, аналогові, аналого-цифрові, матричні, зеленого кольору світіння і поліцветние. Подальше вдосконалення ВЛІ має йти по шляху створення поліцветних ВЛІ різних типів, мнемонічних і, головне, матричних індикаторів з великим числом світловипромінюючих елементів (або знакомест). Особливо виділені розробки, спрямовані на створення ВЛІ, суміщених зі схемою управління, які, як передбачається, будуть переважати в наступному поколінні таких індикаторів. 4. Література. 1. Ю. А. Бистров, І. І. Литвак, Г. М. Персіанов "Електронні прилади для відображення інформації".
Москва "Радіо і зв'язок", 1985 р. 2. Ф. М. Яблонський Ю. В. Троїцький "Засоби відображення інформації".
Москва "Вища школа" 1985 р.
