Реферат: Н. Н. Васерин, Н. К. Дадерко, Г. А. Прокофьев применение полупроводниковых индикаторов


Н.Н.Васерин, Н.К.Дадерко, Г.А.Прокофьев


ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНДИКАТОРОВ

Энергоатомиздат 1991

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА


Значительные успехи, достигнутые в области вычислительной техники и разрабатываемых на ее основе цифровых аппаратур­ных комплексов, стимулировали широкий фронт работ по созда­нию электронных индикаторных устройств и систем.

В настоящее время в аппаратурном обеспечении цифровых комплексов в качестве элементов индикации широко используются ЭЛТ, жидкокристаллические панели, газоразрядные, полупровод­никовые (светодиодные), электролюминесцентные и электрохром-ные индикаторы.

Каждый из указанных типов индикаторов, основанных на ис­пользовании различных физических принципов, предъявляет оп­ределенные требования к амплитудам управляющих напряжений, виду тока, плотности размещения на лицевых панелях приборов, внешней освещенности. Выбор типа индикаторов диктуется часто не только оптимальным сочетанием указанных технических ха­рактеристик, но и стоимостью, сроками разработки, состоянием серийного освоения.

Высокие технические характеристики полупроводниковых ин­дикаторов (ППИ) обеспечили их успешное внедрение в качест­ве элементов индикации в аппаратуре, используемой в различных областях народного хозяйства: в приборах управления стацио­нарным производственно-технологическим оборудованием, дви­жущимися объектами, объектами бытового назначения и др.

Одним из достоинств полупроводниковой технологии индика­торов является возможность их конструктивного исполнения в виде унифицированных модулей, обеспечивающих возможность бесшовной стыковки. Кроме того, модульность исполнения ин­дикаторов гарантирует высокую ремонтопригодность устройств отображения информации.

Другим не менее важным достоинством ППИ является сов­местимость уровней их управляющих напряжений и потребля­емых токов с напряжениями логических уровней и токами микросхемной техники. Это позволяет значительно сократить объемы схем управления элементами индикации и повысить надежность индикаторных устройств и систем за счет использования элемент­ной базы, выполненной только по полупроводниковой технологии. Предлагаемая книга является первой попыткой дать широ­кому кругу инженеров и научных работников общие сведения и фактический материал по техническим характеристикам ППИ и микросхем управления ими, вопросам повышения контраста изо­бражения, а также вопросам конструирования электронных полу­проводниковых индикаторных устройств и систем.


^ ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ


Современная радиотехническая и вычислительная аппаратура, в которой предусмотрены элементы управления или наблюдения за ее функционированием, обязательно содержит устройство или систему отображения информации, основной частью которых яв­ляются индикаторы.

Наибольшее распространение в настоящее время в аппара­туре индивидуального, группового, а в последнее время и коллек­тивного пользования получили знакосинтезирующие ППИ, что объясняется рядом их преимуществ перед другими индикаторами.

Номенклатура современных отечественных ППИ позволяет решать практически все задачи индикации.

Несмотря на успехи, достигнутые в области разработки и про­изводства ППИ, вопросы правильного применения индикаторов с целью получения максимального эффекта как с точки зрения обеспечения высокой надежности, так и с точки зрения обеспече­ния оптимальных значений эргономических и светотехнических параметров, мало известны широкому кругу инженеров и науч­ных работников, занимающихся вопросами применения ППИ.

Одной из важных причин является практически полное от­сутствие необходимой отечественной научно-технической литера­туры, посвященной вопросам применения ППИ. Имеющиеся справочники содержат параметры и характеристики конкретных типов ППИ и не освещают вопросы применения индикаторов. Из­данные в последние годы книги [1, 11], посвященные вопросам конструкции и технологии изготовления ППИ, основаны целиком на зарубежных материалах и вопросы применения не освещают. В книге «Электронные приборы для отображения информации» Ю. А. Быстрова, И. И. Литвака, Г. М. Персианова (издатель­ство «Радио и связь», 1985 г.) вопросы применения рассматри­ваются недостаточно. Единственная книга, посвященная вопро­сам применения [7], написана на материалах фирмы «Hewlett Packard», что затрудняет ее применение в отечественной практике.

Предлагаемая книга построена целиком на отечественном ма­териале и использует опыт работы авторов за последние годы.

В книге принята терминология, установленная стандартами в нашей стране.

Авторы выражают сердечную благодарность В. П. Сушкову, В. С. Абрамову, В. В. Леонову, О. Р. Абдуллаеву, В. П. Пав-личенко, Т. В. Джахутошвили, А. А. Церелову за помощь и со­веты, полученные при подготовке книги, а также рецензентам А. М. Юшину и К. М. Макарову и редактору В. И. Бусурину за полезные замечания, сделанные при работе над рукописью.


Глава 1


^ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ИНДИКАТОРАХ


Полупроводниковые индикаторы являются одним из видов знакосинтезирующих индикаторов (ЗСИ), под которыми понима­ются приборы, где информация, предназначенная для зритель­ного восприятия, отображается с помощью одного или совокупности дискретных элементов (ГОСТ 25066-81).

ППИ являются активными знакосинтезирующими индикато­рами, в которых используется явление инжекционной электро­люминесценции. Явление электролюминесценции в полупровод­никовых материалах, т. е. излучение света р-n переходом, было впервые обнаружено и исследовано в 1923 г. О. В. Лосевым. Дальнейшие исследования отечественных и зарубежных ученых в 60 — 70-х годах позволили исследовать и определить перечень полупроводниковых материалов, обладающих высокой эффектив­ностью преобразования электрической энергии в световую. Полученные значения светотехнических параметров позволили создать ППИ, пригодные для практического применения.

Излучение генерируется либо внутри полупроводникового элемента в одноступенчатом процессе излучательной рекомбина­ции электронов и дырок, либо в результате более сложных двухступенчатых процессов генерации инфракрасного излучения внутри полупроводникового элемента с последующим возбуж­дением внешнего слоя антистоксового люминофора. Из-за малого КПД второй способ люминесценции не получил широкого распространения при проектировании полупроводниковых инди­каторов.

Внешний квантовый выход большинства ППИ [1] изменяется в зависимости от длительности эксплуатации даже при плот­ностях токов, оговоренных в технических условиях на индикаторы. Сегодня нет четкого понимания физики происходящих рекомби-национных явлений, ответственных за основную долю деградации. Известно, что значительные внутренние напряжения, вызванные примесными включениями легко диффундируемых элементов, вызывают быструю (в течение нескольких часов работы) начальную деградацию. Это особенно заметно у ППИ с высоким квантовым выходом.

Уменьшение быстрой деградации достигается разработкой «чистых» (беспримесных) технологий производства полупровод­никовых материалов.

Средние и длительные по времени процессы деградации вызваны, вероятно, электромиграционными процессами. Суммар­ный уровень деградации квантового выхода в течение срока службы (25000 ч) по техническим условиям на индикаторы составляет 30 — 50%.

Среди различных ЗСИ (жидкокристаллических, электролю-минесцентных, вакуумно-накаливаемых, катодолюминесцентных, газоразрядных и др.) полупроводниковые индикаторы занимают особое место. Это объясняется рядом их преимуществ перед другими видами ЗСИ. Основными из них являются: во-первых, полная конструктивная и технологическая совместимость с ин­тегральными микросхемами (т. е. совместимость управляющих напряжений ППИ с амплитудами логических уровней ИМС) и, во-вторых, возможность выпуска ППИ в виде ограниченного количества унифицированных модулей.

Конструктивная и технологическая совместимость ППИ с ИМС позволила повысить интегральную надежность устройств отображения информации за счет применения в них элементной базы, полностью выполненной по полупроводниковой технологии, обеспечить устойчивость к жестким механическим и климати­ческим воздействиям с практически неограниченной долговеч­ностью.

В настоящее время созданы приборы зеленого, желтого, красного цветов свечения, а также индикаторы с управляемым цветом свечения, с возможностью электрической регулировки яркостью свечения, с высоким быстродействием (20 — 100 не), с отсутствием паралакса. ППИ не требуют экранировки и не создают помех, у них отсутствует мерцание изображения.

Модульность конструкции полупроводниковых индикаторов обеспечивает возможность их бесшовной стыковки, т. е. без потери шага в одном (в строку) или двух (в экран) измерениях. Модульность исполнения индикаторов гарантирует также высо­кую степень ремонтопригодности устройств отображения инфор­мации.

Высокие технические характеристики полупроводниковых индикаторов обеспечили их успешное внедрение в качестве элементов индикации в различных областях народного хозяйства: в приборах индикации и управления технологическими процес­сами, в радиоэлектронной аппаратуре, в автоматике, в торговле и т. д. Применение ППИ обеспечило создание надежных, мало­габаритных устройств отображения информации с широким диапазоном функциональных возможностей.


^ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНДИКАТОРОВ


Полупроводниковые индикаторы, как, впрочем, и индикаторы, основанные на любых других принципах работы, могут быть классифицированы по виду отображаемой информации, по виду информационного поля и по способу управления.

Классификация современных полупроводниковых индикато­ров по указанным классификационным признакам приведена на рис. 1.1.

Единичные индикаторы (распространен также термин «свето-излучающие диоды» -- СИД) состоят из одного элемента отображения и предназначены в основном для представления информации в виде точки или другой геометрической фигуры.



Рис. 1.1. Классификация полупроводниковых знакооинтезирующих индикаторов


Шкальные индикаторы имеют элементы отображения в виде правильных прямоугольников и предназначены для отображения информации в виде уровней или значений величин. Отдельную группу шкальных индикаторов составляют так называемые ли­нейные формирователи изображения в высоконадежных опто-электронных регистраторах оперативной аэрокосмической ин­формации на фотопленку.

Цифровые индикаторы состоят, как правило, из элементов отображения в виде сегментов и предназначены для отображения цифровой информации и отдельных букв алфавита.

Буквенно-цифровые индикаторы предназначены для отобра­жения информации в виде букв, цифр, различных знаков. Еди­ничные элементы отображения таких индикаторов сгруппированы по строкам и столбцам.

Графические (матричные) индикаторы позволяют собирать модули из элементов экрана различного размера без потери шага. Графические индикаторы предназначены для отображения любой информации. Цифровые и буквенно-цифровые индикаторы бывают одно- и многоразрядные.

Под одноразрядным понимается индикатор, имеющий одно знакоместо, т. е. информационное поле индикатора или его часть, необходимая и достаточная для отображения одного знака. Многоразрядный индикатор имеет несколько фиксированных знакомест.

Цифровые, буквенно-цифровые, матричные и шкальные инди­каторы могут быть без управления и со встроенными схемами управления.

Для современных полупроводниковых индикаторов существу­ют две системы обозначения. Старая система в настоящее время не применяется для вновь разрабатываемых приборов, но, поскольку большое количество разработанных ранее прибо­ров имеют старую систему обозначения, необходимо ее пояснить.

Система состоит из букв и цифр.

Первый элемент обозначения указывает на вид материала излучателя: К — кремний у приборов широкого применения, 2 — кремний у приборов промышленного применения; А — соедине­ния галлия у приборов широкого применения, 3 — у приборов промышленного применения. Второй элемент обозначения (буква Л) — означает тип излучателя. Третий, четвертый и пятый элементы (цифры от 101 до 299) означают прибор видимого спектра излучения. Шестой элемент (буквы от А до Я) означает деление технологического типа на группы по параметрам.

Для всех приборов, кроме единичных, после буквы Л ставится буква С (сборка).

Пример обозначения: ЗЛ102А — фосфид-галлиевый единич­ный индикатор видимого спектра излучения, промышленного применения, технологическая группа А.

Старая система обозначения давала мало информации об индикаторе (характере отображаемой информации, цвете свечения, числе разрядов и т. д.), поэтому была разработана новая система обозначения для всех видов знакосинтезирующих инди­каторов.

Система состоит из восьми элементов (букв и цифр), обоз­начающих: первый элемент (буква И) — индикатор; второй (буква П) — полупроводниковый; третий — вид индикатора: единичный — Д, цифровой — Ц, буквенно-цифровой — В, шкаль­ный — Т, мнемонический — М, графический (матричный) — Г; четвертый элемент — номер разработки и наличие встроенной схемы управления или ее отсутствие (от 1 до 69 — без встроен­ного управления, от 70 до 99 — со встроенным управлением). Пятый элемент обозначения указывает классификационный параметр внутри данного типа (буквы от А до Я, кроме О, 3, Ы, Ь, Ч, Ш). Шестым элементом обозначения является дробь, в числителе которой указано количество разрядов, в знаменателе для цифровых (сегментных) — количество сегментов, для буквенно-цифровых и матричных — произведение числа элемен­тов в строке на число элементов в столбце. Для мнемонических и шкальных индикаторов в знаменателе указывается число элементов. Седьмой элемент обозначает цвет свечения индика­тора: К — красный, Л — зеленый, С — синий, Ж — желтый. Р — оранжевый, Г — голубой, КЛ — двухцветный красно-зеленый. Последний, восьмой, элемент обозначения указывает на моди­фикацию бескорпусных индикаторов. (Для бескорпусных ППИ наиболее распространена модификация 5 — с контактными пло­щадками без кристаллодержателя и выводов). Для индикаторов широкого применения перед первым элементом обозначения ставится буква К.

Примеры обозначения:

ИПД04А-К — индикатор полупроводниковый, единичный промышленного применения, номер разработки 4, классифика­ционный параметр А, цвет свечения — красный;

ИПЦ01А-1/7К — индикатор полупроводниковый цифровой промышленного применения, номер разработки 1, без встроен­ного управления, классификационный параметр А, одноразряд­ный, семисегментный, красного свечения;

КИПГОЗА-8Х8Л — индикатор широкого применения полу­проводниковый, графический, номер разработки 3, технологиче­ская группа А, число элементов 8 в строке и 8 в столбце (64 эле­мента), зеленого свечения;

ИПТ06Е-8Ж - — индикатор промышленного применения полу­проводниковый, шкальный, номер разработки 6, число элемен­тов 8, желтого свечения;

ИПВ70А-4/5Х7К — индикатор промышленного применения полупроводниковый, буквенно-цифровой со встроенным управ­лением, номер разработки 70, технологическая группа А, четы-

рехразрядный с числом элементов 5 в строке и 7 в столбце (35 элементов), красного свечения.

Вопросам конструкции и технологии производства ППИ посвящен ряд фундаментальных работ [1 — 4], поэтому в сле­дующих параграфах будут рассмотрены только те вопросы, которые необходимы для лучшего понимания последующего материала.


^ 1.1.1. Единичные полупроводниковые индикаторы


Современные единичные индикаторы по своему конструктив­ному исполнению можно разделить на три группы: в бескор­пусном исполнении, с полимерной герметизацией, в металлостек-лянных герметических корпусах.

Бескорпусные единичные индикаторы, самые малочисленные по номенклатуре, конструктивно выполнены в виде отдельного кристалла без какого-либо корпуса. Приборы находят примене­ние в герметизированной аппаратуре, а также как источник излучения в некоторых видах оптоэлектронных приборов. Широ­кого распространения бсскорпусные ППИ в системах индикации не получили. Единичные индикаторы с полимерной герметиза­цией — самые массовые типы ППИ. Широкое распространение этих индикаторов объясняется тем, что они имеют низкую стоимость, поскольку производство их легко поддается автома­тизации, высокие светотехнические параметры, достигнутые благодаря перераспределению прохождения света в корпусе, широкий диапазон диаграмм направленности.

Полимерная герметизация легко позволяет создавать приборы с самой разнообразной формой информационного поля (круглые, прямоугольные, треугольные, квадратные). Индикаторы с поли­мерной герметизацией обладают высокой устойчивостью к внеш­ним механическим воздействиям. Недостатками этих индикаторов является их критичность к воздействию влаги и циклическому изменению температуры окружающей среды.

Среди единичных индикаторов имеются приборы с перемен­ным цветом свечения (красный-зеленый) типов ЗЛС331А, АЛС331А. Первый прибор выполнен в герметичном корпусе, второй — в полимерном. Оба прибора разработаны на основе GaP на одном кристалле с двумя переходами [4]. Изменяя про­ходящий прямой ток, можно получить промежуточные цвета свечения.

Индикаторы в металлостеклянных герметичных корпусах при­меняются в промышленной аппаратуре там, где требуется высо­кая надежность и устойчивость к внешним климатическим и механическим воздействиям. Индикаторы изготовлены в спе­циальном металлостеклянном корпусе, сверху прибор герметизи­рован стеклянным окном, на которое нанесена полимерная по­лусферическая линза со светорассеивающим наполнителем.

Среди индикаторов этой группы интерес представляет при­бор ЗЛ360А, Б. Прибор изготовлен в стандартном металлостек­лянном корпусе.

Источником видимого излучения является антистоксовый люминофор, представляющий собой сложное соединение фтори­дов редкоземельных элементов, покрывающий источник ИК излучения на основе GaAs. Невидимое излучение ИК диода возбуждает люминофор, который излучает видимый зеленый свет.

Преимущества рассматриваемых приборов перед обычными в следующем: чистый зеленый цвет, не меняющийся в процессе длительной эксплуатации и при изменении температур, малое падение напряжения (1,2 — 1,7 В), примерно квадратичная зави­симость силы света от тока. Кроме того, прибор является также источником ИК-излучения с мощностью 0,2 мВт, что может найти применение в схемотехнике. Недостатками таких приборов яв­ляются сложность технологии изготовления и низкий КПД.


^ 1.1.2. Шкальные полупроводниковые индикаторы


Современные шкальные индикаторы (ШИ) по своему конст­руктивному исполнению можно разделить на индикаторы в бес­корпусном исполнении, с полимерной герметизацией без свето­провода, со светопроводом, в герметичных стеклокерамических корпусах.

Бескорпусные ШИ предназначены для работы в качестве линейных формирователей изображения в устройствах для запи­си информации на фоточувствительные материалы и в системах тепловидения.

Бескорпусные ШИ просты в производстве, можно монтиро­вать их в большие информационные массивы, осуществлять раз­личные принципы организации считывания информации. Конст­руктивно все они выполнены на одном кристалле, на котором сформированы излучающие элементы с размером поверхности от 30X30 мкм до 50X50 мкм. На кристалле имеются контактные площадки, необходимые для соединения ШИ со схемой.

Приборы с полимерной герметизацией без светопровода не получили широкого распространения и представлены в настоя­щее время одним прибором типа ЗЛС317А-Г/АЛС317А-Г красно­го и зеленого цветов свечения. Приборы позволяют осуществлять бесшовную стыковку.

Шкальные индикаторы со светопроводом — самый многочис­ленный и быстро развивающийся вид ШИ. Номенклатура совре­менных отечественных ШИ превышает 60 типов.

Индикаторы выполнены по гибридной технологии. В качестве основания использованы различные виды модификации металло-керамического держателя типа ДКИ. Выбор этого вида держате­ля важен и потому, что он позволяет внешней коммутацией выбирать любую схему под­ключения плавня (последо­вательную, параллельную или смешанную). Кристалл излучателя крепится к осно­ванию с помощью токопро-водящего клея. Крышка, яв­ляющаяся световодом, изго­тавливается из пластмассы ДАИФ.

Для увеличения контрастности у ряда шкал лицевая сторона световода окрашивается в черный цвет. Для уменьшения взаим­ной засветки сегментов боковые поверхности световода покры­ваются никелем. Металлизация уменьшает взаимную засветку, но одновременно несколько уменьшает силу света.

Все элементы прибора (держатель, кристалл, соединения и крышка со светопроводом) герметизируются в неразъемную мо­нолитную конструкцию оптически прозрачным рассеивающим компаундом. Для увеличения рассеивания света ряд конструкций лицевой стороны прибора покрыт продольными цилиндрическими микролинзами. Индикаторы выпускаются красного, зеленого и желтого цветов свечения. Все ШИ этого вида позволяют осуществлять бесшовную стыковку. Виды информационных полей шкальных индикаторов приведены на рис. 1.2.



Рис. 1.2. Вид информационных нолей шкальных индикаторов


Последней группой шкальных индикаторов являются приборы в герметичных стеклокерамических корпусах. Эти ШИ предназ­начены для применения там же, где используются бескорпусные ШИ, по требуется высокая надежность и механическая проч­ность. В качестве основания для таких ШИ взят стандартный керамический держатель. Кристалл крепится к держателю с по­мощью токопроводящего клея. Герметизация прибора осуществ­ляется плоским оптически прозрачным стеклом с помощью спе­циального клея.


^ 1.1.3. Цифровые полупроводниковые индикаторы


Наиболее распространенным видом ППИ следует считать цифровые индикаторы (ЦИ), поскольку подавляющее количество информации воспроизводится в цифровом виде (часы, калькуля­торы, дальномеры, высотомеры и т. д.). В настоящее время выпускается свыше 150 типов ЦИ. Все ЦИ по своему конструк­тивному исполнению можно разделить на следующие группы: бескорпусные монолитные, монолитные в полимерной гермитиза-ции, гибридные с различными светопроводами, монолитные в стеклокерамическом корпусе.

Конфигурация информационных полей цифровых индикаторов приведена на рис. 1.3.



Рис. 1.3. Конфигурация информационных полей цифровых индикаторов


Бескорпусные ЦИ — сравнительно малочисленная группа индикаторов. Конструктивно они выполнены на монолитном кристалле с излучающими элементами и контактными площад­ками для присоединения выводов. Примером такого ЦИ является индикатор для наручных часов АЛС313А-5.

Основным технологическим преимуществом изготовления монолитных индикаторов является возможность создания любой конфигурации излучающих элементов с высокой точностью, существенным недостатком — большой расход полупроводни­кового материала при малой плотности элементов отображе­ния.

Вторым видом ЦИ являются монолитные индикаторы в поли­мерной герметизации. Это довольно ограниченная группа прибо­ров, их достоинства и недостатки таких же, как у единичных приборов в полимерной герметизации, кроме того, индикаторы требуют большого расхода излучающего материала. Группа этих индикаторов малочисленна и в основном включает в себя прибо­ры с малым размером цифры (2,5 и 5 мм). Типичными представителями таких ЦИ являются приборы типа ЗЛС314А (АЛС314А) и ЗЛС320А-Е. Индикаторы типа ЗЛС320А-Е (АЛС320А-Е) собираются на никелевой рамке, на которую крепятся излучающие кристаллы по одному на каждый сегмент, и целиком герметизируются полимером, цвет которого совпадает с цветом, излучаемым кристаллом. Для улучшения контраста сторона, противоположная излучающей поверхности, чернится. Другой тип этой группы цифровых индикаторов — ЗЛС314А (АЛС314А) — имеет монолитный бескорпусный кристалл, гер­метизированный красным полимером.

Наиболее распространенным типом ЦИ являются приборы гибридной конструкции с использованием принципа рассеивания света. Основу конструкции составляет керамический или тексто­литовый держатель, на котором крепятся с помощью токопрово-дящего клея излучающие кристаллы.

Для получения равномерного и достаточно интенсивного излучения в настоящее время широко используются два типа светопроводов: полый светопровод с рассеивающей пленкой и светопровод с отражающими зеркальными стенками, заполнен­ный специальным полимером, в который добавляют рассеиваю­щие свет частицы (стекло, кварц).

Конструкции этих типов используются при размере цифры более 5 мм. Вариантом гибридной конструкции является индика­тор с переменным цветом свечения типа ИПЦ02А, Б-1/7КЛ. Индикатор в зависимости от схемы подключения излучает красный или зеленый цвет, что расширяет функциональные возможности систем отображения, применяющих эти индикаторы. Такие индикаторы дают не только цифровую, но и цветовую информацию. Например, красный цвет означает высоту, а зеле­ный — дальность или цифры зеленого цвета индицируют безо­пасный режим работы, красные — аварийный режим. В приборе используется двухкристальный принцип создания различных цветов, красный на основе GaAsP, зеленый — GaP. Аналогично единичному индикатору, работающему на излучателе GaAs и антистоксовом люминофоре, выпускается ЦИ типа ЗЛС359А1, Б1, имеющий те же недостатки и достоинства, что и единичные индикаторы. Среди цифровых индикаторов имеются приборы со встроенным управлением 490ИП1 (К490ИП1) и 490ИП2 (К490ИП2).

Последней группой конструктивного исполнения ЦИ являются индикаторы полой конструкции на основе керамического держа­теля, герметизированного стеклянной крышкой. Эти приборы применяются там, где требуется высокая надежность и устой­чивость к жестким механическим и климатическим условиям эксплуатации. Типичными представителями являются приборы типа ЗЛС339А, ЗЛС348А и пятиразрядный индикатор ИПЦ06А--5/40К.


^ 1.1.4. Буквенно-цифровые полупроводниковые индикаторы


Буквенно-цифровые индикаторы (БЦИ) позволяют отобра­жать цифры арабские и римские, буквы русского, латинского и греческого алфавитов и ряд других знаков и символов.

По своему конструктивному исполнению БЦИ можно раз­делить на две группы:

БЦИ монолитной конструкции со светопроводом,

БЦИ полой конструкции без светопровода.

К первой группе приборов относятся ЗЛС340А (АЛС340А) и ЗЛС357А (АЛС357А), имеющие 35 излучающих элементов (пять в строке и семь в столбце) и левую децимальную точку. Индикаторы собраны на многослойном керамическом держателе, на который с помощью токопроводящего клея крепятся излучате­ли. Вся конструкция покрывается полимерным светопроводом, заполненным светопроводящим компаундом. Второй разновид­ностью БЦИ является конструкция на керамическом держателе, который герметизируется стеклянной крышкой. Эта конструкция обладает высокой устойчивостью к внешним климатическим и механическим воздействиям. Наибольший интерес представ­ляют БЦИ в стеклокерамическом корпусе со встроенным управ­лением, к которым относятся приборы типа ИПВ70А-4/5Х7К, ИПВ71А-4/5Х7К и ИПВ72А-4/5Х7К, имеющие высоту 4,1 и 9 мм соответственно. Индикаторы позволяют осуществлять бесшовную стыковку как по горизонтали, так и по вертикали и создавать, таким образом, табло любых размеров. Наличие встроенного управления и мультиплексный режим работы позво­ляют резко сократить число выводов в схемах, а следовательно, и число паек (по сравнению с применением дискретных индика­торов) к уменьшить потребляемую мощность. Выпускается один тип индикатора ЗЛС363А на основе излучателя GaAs и антисток­сового люминофора.


^ 1.1.5. Графические полупроводниковые индикаторы


Графические индикаторы (ГИ) являются с точки зрения отображаемой информации наиболее универсальными и позволя­ют воспроизводить любую информацию. Конструктивно выпол­нены по гибридной технологии на держателе, состоящем из нескольких сформированных пластифицированных керамических лент, на которые металлизированной пастой наносится опреде­ленная топология рисунка электрической схемы с «посадочными» местами для светоизлучающих кристаллов. Излучатели закры­ваются крышкой со световодами, заполненными прозрачным компаундом. Выпускаемые графические индикаторы имеют 64 излучающих элемента (8X8), размещенных в корпусе размером 10X10 мм или 20X20 мм. Среди графических индикаторов имеется прибор ИПГ01А-8Х8Л, основанный на принципе двои-

ного преобразования электрической энергии (излучателя GaAs и антистоксового люминофора).

Конструкция графических индикаторов позволяет осущест­вить бесшовную стыковку, что дает возможность использовать их для создания табло, экрана или бегущей строки. Использо­вание одного графического индикатора неэффективно и нецеле­сообразно.


^ 1.2. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНДИКАТОРОВ


Для того чтобы система или устройство отображения инфор­мации с применением ППИ работала надежно и эффективно, необходимо разработчику знать полную характеристику применя­емого индикатора. Система параметров, наиболее полно описы­вающая все свойства и особенности ППИ, включает в себя:

параметры, характеризующие ППИ как элемент системы «оператор — индикатор» и определяющие качество отображения информации и надежность ее восприятия;

параметры, характеризующие ППИ как элемент электриче­ской цепи;

параметры, характеризующие возможность функционирова­ния ППИ в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов (вибрации, ударов, температуры и т. п.);

параметры, характеризующие надежность работы.


^ 1.2.1. Светотехнические и эргономические параметры полупроводниковых индикаторов


К первой группе параметров относятся светотехнические и эргономические параметры. Основным светотехническим па­раметром для ППИ в СССР и за рубежом принята сила света, определяемая согласно [5] как световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Для практических целей применяются несколько понятий силы света [6], которые приве­дены в табл. 1.1.


^ Таблица 1.1. Термины и определения силы света


Термин и обозначение

Определение

Типы ППИ, для которых применяется термин

Сила света элемента Iаэ

Сила света одного эле­мента

Единичные, шкальные, цифровые монолитные

Сила света индика­тора Iс.

Сила света индикатора, равная световому потоку всех элементов отображения

То же

Средняя сила света Iа ср,

Отношение суммарной си­лы света всех элементов отображения информации ин­дикатора к их числу

Все типы многоэле­ментных индикаторов


Для контроля разброса силы света между отдельными эле­ментами ППИ для всех индикаторов, кроме единичных, применя­ется расчетный параметр — неравномерность силы света. При неравномерности, равной 2,5 и менее, она определяется отноше­нием максимального значения силы света элемента к минималь­ному (бIv = Iv.Макс/Iv.мин). При значении неравномерности более 2,5 она определяется из соотношений

(1.1) (1.2)

где 6Iv и 6Iv +1 — отрицательная и положительная неравно­мерности силы света индикатора; Iv,op — средняя сила света инди­катора.

Аналогично определяется неравномерность силы света между разрядами у многоразрядных индикаторов, только в этом случае берется максимальное и минимальное значения разряда и сред­няя сила света всего индикатора. Для сравнения ППИ с другими типами ЗСИ для рядя типов приводятся значения яркости и неравномерности яркости, определяемой по аналогии с неравно­мерностью силы света. Сила света ППИ измеряется в милли- и микрокандрлах, яркость, как правило, в кд/м2.

Основной светотехнический параметр ----- сила г.ветя — зависит от двух эксплуатационных факторов: прямого тока (Постоянного и импульсного) и температуры окружающей среды. Зависимость силы света для ПНИ различного конструктив,юго исполнения, имеющих в качестве излучателя кристаллы, изготовленные из различных материалов, приведена на рис. 1.4. Характер зависи­мости практически линейный.

Аналогична зависимость от импульсного прямого тока, кото­рая приведена д.ля буквенно-цифровых индикаторов разного цвета свечения на рис: 1.5.



Рис. 1.4. Зависимость силы света от постоянного прямого тока для индика­торов:

а — ЗЛС324А красного цвета (GaAsP);6 — ИПЦ01 А-1/7К красного цвета (GaAIAs);e — ЗЛС338А зеленого цвета (GaP); г — ЗЛС358А зеленого цвета (GaP)


Существенное влияние на силу света оказывает температура. С повышением температуры окружающей среды до 85° С сила света уменьшается на 50- 70% (при типичном значении 60%). При понижении температуры до минус 60° С сила света увели­чивается в 1,5-3,5 раза (арп типичном значении — в 2,5 раза).

На рис. 1.6 приведена зависимость силы света от темпера­туры для различных значений прямого тока для индикатора ЙПГ02А-8Х8Л. Из рисунка видно, что значение прямого тока практически не влияет на характер зависимости силы света от температуры. Изменение яркости от температуры для ППИ аналогично изменению силы света. Пример зависимости яркости от температуры приведен на рис. 1.7.



Рис, 1.5. Зависимость силы света от импульсного прямого тока для инди­каторов:

а — ИПВОЗА- 1/5Х7К красного цвета (GaAIAs); б — ИПВОЗБ-1/5Х7Л зеле­ного цвета (GaP); в — ИПВОЗ-1/5Х7Ж желтого цвета (GaP)



Рис. 1.6. Зависимость силы света от температуры окружающей среды для ИПГ02А-8Х8Л при разных зна­чениях прямого тока



Рис. 1.7. Зависимость относитель­ного значения яркости от темпера­туры окружающей среды для ЗЛС314А


Проведенные исследования [7] показали, что зависимость силы света для ППИ от температуры для индикаторов разного цвета свечения определяется следующим образом:


Iv1=Iv0еkдт, (5.3)


где Iv1 — сила света при определяемой температуре T1; Iv0 — сила света при исходной температуре Т0; ДТ=То — Т1; k — коэф­фициент пропорциональности, зависящий от материала излуча­теля, значения которого приведены ниже:

Цвет свечения Значение k

Красный ................................ — 0.0188

Ярко-коасный ....................... — 0,0131

Желтый ................................ — 0,0112

Зеленый ................................. — 0,0104


Расчетные значения, полученные с помощью приведенной формулы, хорошо совпадают с результатами измерений.

Среди эргономических параметров следует отметить угол обзора индикатора. Под углом обзора понимают максимальный угол между нормалью к центру информационного поля ППИ и направлением от этого центра к глазу оператора, при котором обеспечивается безошибочное считывание отображаемой инфор­мации при заданном значении силы света или контраста, внеш­ней освещенности и расстояния наблюдения. Для единичных ин-.дикаторов угол обзора совпадает с углом излучения, т. е. плос­ким углом, содержащим оптическую ось, и направлением, в ко­тором сила света равна половине его максимального значения. Для индикаторов (цифровых, буквенно-цифровых, шкальных, матричных) угол обзора необходимо устанавливать в горизон­тальном и вертикальном направлениях.

На безошибочность считывания информации влияют многие факторы. Ими прежде всего являются отношение ширины знака к высоте bзч/hзн, ширины элемента отображения к высоте знака b3/hm и шаг между знаками d,H. Исследования, проводимые различными авторами [2, 8, 9], позволили установить следую­щие оптимальные соотношения bзн/hзн — 0,6, bэл/hзн = 0,1 и dзн/hзн= 1-1,5. Высота знака является основным размером индикатора, кроме того, она играет существенную роль при опре­делении оптимального расстояния наблюден
еще рефераты
Еще работы по разное