Індикаторні, знакосинтезуючі лампи

ІНДИКАТОРНІ ПРИЛАДИ

В. сучасною РЭА широко застосовуються різні індикаторні прилади, зокрема так звані знакові і цифрові індикатори. Деякі з них відносяться до газорозрядних приладів тліючого розряду, але існують і електронні електровакуумні індикатори. Розроблені і використовуються також напівпровідникові індикаторні прилади, про які розказано в гл. 13.

Неонові лампи застосовуються в якості індикаторів напруги і для інших цілей. Вони є приладами тліючого розряду, працюючими в режимі аномального катодного падіння обов'язково з обмежувальним резистором R_огр.

Вольт-амперна характеристика приведена на мал. 21.15. При виникненні розряду (точка А) відбувається стрибок струму і напруги і починається світіння. Подальше підвищення напруги викликає підвищення струму. При цьому збільшується щільність струму катода і яскравість світіння. Характерне те, що при зменшенні напруги крива піде вище, ніж при збільшенні. Розряд припиняється при нижчій напрузі, ніж виникає (U_п < U_в). У момент припинення розряду струм стрибком зменшується до нуля, а напруга стрибком підвищується, оскільки падіння напруги на резисторі R_огр стрибком зменшується до нуля і напруга, що підводиться до ланцюга, перерозподіляється. Експериментальна напруга U_п вимірюють як найбільш низька напруга за наявності струму і світіння в лампі (перед припиненням розряду).

Різниця між напругою U_п і U_в характерна для усіх газорозрядних приладів, зокрема для стабілітронів. У неонових ламп напруга U_п на декілька одиниць або десятків вольт нижчий, ніж напруга U_в. Це пояснюється тим, що перед виникненням розряду газ неіонізований. А перед припиненням розряду газ іонізований, і розряд існує при нижчій напрузі.

Неонова лампа застосовується в якості індикатора постійної і змінної напруги. При змінній напрузі розряд виникає в мить, коли миттєве значення напруги стає рівним напрузі U_в.

Промисловість випускає багато різних неонових ламп. Напруга U_в у них може бути 50 - 200 В, а іноді і вище. Робочий струм при нормальному світінні - від десятих доль міліампера до десятків міліампер.

Значний інтерес представляє керована трьохелектродна індикаторна лампа, що має анод і два катоди : індикаторний і допоміжний, розташовані усередині анода. Через купол балона можна бачити світіння газу тільки біля індикаторного катода. Індикаторний катод ИК підключений до мінуса джерела через резистор R, а допоміжний катод ВК безпосередньо (мал. 21.16). Коли на лампу подана тільки напруга від анодного джерела, працює допоміжний катод. Оскільки він затулений анодом, те світіння газу не видно. Нехай тепер на резистор в ланцюзі індикаторного світіння катода подана додаткова напруга, що управляє, в декілька одиниць вольт з такою полярністю, щоб воно підсумовувалося з напругою анодного джерела. Тоді напруга між анодом і індикаторним катодом зростає, розряд перекидається на цей катод і лампа дає видиме світіння. Якщо ж додаткова напруга, що подається на резистор, зняти, то розряд знову буде тільки між анодом і допоміжним катодом.

Світіння газу у індикаторного катода припиняється.

Знакові індикатори тліючого розряду широко поширені. Принцип пристрою їх показаний на мал. 21.17. У балоні з неоном знаходяться катоди, вигнуті з дроту у вигляді цифр або інших знаків і розташовані один за іншим. На мал. 21.17, а приведено для спрощення лише перші два катоди у вигляді цифр 1 і 2. У цифрових індикаторах є 10 катодів у вигляді цифр від 0 до 9. Анод зазвичай зроблений з дротяної сітки. При подачі напруги між анодом і одним з катодів виникає світіння газу (біля катода), т. е. видно знак, що світиться. Товщина лінії, що світиться, приблизно 1 - 2 мм. Випускаються подібні індикатори з так званими сегментними катодами, що синтезують зображення (мал. 21.17,6). Включення цих катодів в тій або іншій комбінації дає зображення цифри або якогось іншого знаку, що світиться. Нині випускається багато типів подібних індикаторів на різні знаки.

Знакові накальні вакуумні індикатори дають синтезоване зображення у вигляді цифр або букв, складене з розжареної тяганини (мал. 21.18). У балоні з вакуумом на теплостійкій ізоляційній платі розташована вольфрамова тяганина (нитки напруження). Один висновок у них робиться загальний. Підключення до джерела напруження тієї або іншої комбінації тяганини дає зображення цифри або букви, що світиться. Світіння жовтого кольору відповідає робочій температурі приблизно 1200° С. Довговічність складає десятки тисяч годин.

Вакуумні люмінесцентні індикатори є багатоанодними тріодами, що мають оксидний катод прямого напруження, сітку і аноди-сегменти, покриті люмінофором. Можливе розташування анодів для отримання синтезованих знаків показане на мал. 21.19. Включення декількох анодів в певній комбінації дає знак, що світиться, переважно зеленого кольору.

Електролюмінесцентні індикатори (ЕЛІ) призначені для відображення різної інформації в системах управління і контролю. У них використовується явище електролюмінесценції, що полягає в тому, що деякі речовини здатні випромінювати світло під дією електричного поля. По пристрою ЕЛІ є плоский конденсатор (мал. 21.20). На металевий електрод 4 нанесений шар діелектрика 3 - органічної смоли з люмінесцируючим порошком, основу якого зазвичай складає сульфід або селенід цинку.

Додавання до люмінофора активаторів дозволяє отримувати різний колір світіння : зелений, блакитний, жовтий, червоний, білий. Згори люмінесцирующчий шар покритий електропровідною прозорою плівкою 2. Для оберігання від зовнішніх дій служить скляна пластинка 1. Якщо до електродів 4 і 2 прикласти змінну напругу, то під дією електричного поля в шарі 3 виникає світіння.

Прозорий електрод 2 зазвичай зроблений з оксиду олова і є суцільним, а електрод 4 має форму цифр, або букв, або сегментів для отримання синтезованих знаків або геометричних фігур. Електрод 4 може бути растровим, таким, що складається з ряду смуг, або матричним - з великим числом точкових елементів. Індикатори ці бувають різних типів і розмірів, дають зображення, що світиться на темному фоні або темне зображення на фоні, що світиться, можуть бути одноколірними або багатоколірними.

Найбільш поширені буквено-цифрові сегментні індикатори. Для зображення цифр вони мають від 7 до 9 сегментів, а індикатори з 19 сегментами дозволяють висвічувати усі цифри і букви російського і латинського алфавіту. Зазвичай ЕЛІ оформляються в пластмасових корпусах. Для живлення їх застосовується змінна синусоїдальна напруга 220 В частотою від 400 до 1200 Гц. Лінійні розміри висвічуваних знаків можуть бути від одиниць до десятків міліметрів, і залежно від цього споживається струм від десятих доль міліампера до десятків міліампер. Термін служби ЕЛІ складає декілька тисяч годинників. Робоча температура довкілля допускається зазвичай від - 40 до 50°С. Безперечна гідність ЕЛІ - мале споживання потужності при відносно високій яскравості зображення, плоска конструкція, висока механічна міцність, великий термін служби. Недолік, як і у багатьох інших індикаторів, - необхідність застосування досить складних систем управління.

Рідкокристалічні індикатори (РКІ) засновані на використанні так званих рідких кристалів (РК), що відкритих ще в минулому столітті і є деякими органічними рідинами з впорядкованим розташуванням молекул, характерним для кристалів. Нині відоме велике число рідкокристалічних речовин і вони вивчені досить добре. Рідкі кристали прозорі для світлових променів, але під дією електричного поля напруженістю 2 - 5 кВ/см структура їх порушується молекули розташовуються безладно і рідина стає непрозорою.

Ці індикатори можуть мати різні конструкції і працювати або у світлі, що проходить, створеному яким-небудь спеціальним джерелом, або у світлі будь-якого джерела (штучного або природного), що відбивається в індикаторі. Розглянемо цей останній, найбільш поширений тип РКІ (мал. 21.21). Індикатори такого типу застосовуються в наручному електронному годиннику, мікрокалькуляторах і інших пристроях. Між двома скляними пластинками 1 і 3, склеєними за допомогою полімерної смоли 2, знаходиться шар рідкого кристала 4 завтовшки 10 - 20 мкм. Пластинка 3 покрита суцільним шаром (електрод 5), що проводить, з дзеркальною поверхнею. На пластинку 1 нанесені прозорі шари - електроди А, Би, В,... від яких зроблені висновки, не показані на малюнку. Ці електроди мають форму цифр, або букв, або сегментів для синтезування різних знаків.

Якщо на знакові електроди напруга не подана, то РК прозорий, світлові промені зовнішнього природного освітлення проходять через нього, відбиваються від електроду 5, виходять назад і ніяких знаків не видно. Але якщо на якийсь електрод, наприклад А, подана напруга, то РК під цим електродом стає непрозорим, промені світла не проходять через цю частину рідини (6), і тоді на світлому фоні видно темний знак. Рідкокристалічні індикатори дуже економічні. Струм, споживаний для відтворення одного знаку, не перевищує 1 мкА. Довговічність РКІ складає десятки тисяч годинників. Недолік цих індикаторів - низька швидкодія. Час появи або зникнення знаку, т. е. час переходу молекул РК з впорядкованого розташування в безладне або назад, доходить до 200 мс. Для управління РКІ застосовуються досить складні пристрої, зазвичай на основі інтегральних мікросхем.

Окрім розглянутих індикаторних приладів простого типу розроблені і випускаються ще і інші, складніші.

Газорозрядні та іонні приладиІонні прилади з самостійним розрядом – неонова лампа, стабілітрони, тиратрони тліючого розряду.В іонних (газорозрядних) приладах, які посідають більш скромне місце в електронній техніці, ніж електровакуумні й особливо напівпровідникові прилади, однак застосовуються досить широко, електричний струм утворюється не у вакуумі, а в газовому середовищі, в умовах зіткнення електронів з молекулами газу.Молекули газу під дією ряду причин (електричного або магнітного полів, теплового, світлового випромінювань тощо) розпадаються на іони й електрони, і газ стає провідним. Однак у природних умовах кількість електронів і іонів в одиниці об'єму газу порівняно невелика, оскільки іонізуюча дія зовнішніх факторів досить слабка, одночасно з процесом розпадання молекул (іонізацією) практично відбувається рівноцінний процес — рекомбінація, тобто процес сполучення електронів і іонів у нейтральні молекули (деіонізація). Тому електропровідність газу в природних умовах настільки мала, що його можна вважати ізолятором. Якщо газ перебуває в розрідженому стані, то можливості для де іонізації зменшуються, оскільки тепер в одиниці об'єму міститься менше молекул, середні відстані між електронами й іонами збільшуються, отже, ймовірність їх зіткнення (а значить, і рекомбінація) різко зменшується.Крім того, кількість електронів і іонів у газі значно збільшується внаслідок штучної зовнішньої дії (наприклад, електричного поля). Обидва ці фактори, що зумовлюють електричну провідність газу, використовуються в іонних приладах.Конструктивно іонні прилади виготовляють у вигляді герметичних балонів (звичайно скляних), усередині яких розміщені електроди. Балони заповнюють розрідженим інертним газом або парами ртуті. Коли до електродів іонного приладу прикласти напругу, то під дією електричного поля, що утворилося, позитивно заряджені іони починають що утворилося, позитивно заряджені іони починають рухатися до катода, а електрони до анода. Саме так в іонних приладах утворюється електричний струм. Сукупність процесів, пов'язаних з проходженням струму через газ, називають електричним розрядом.Коли напруга, прикладена до електродів іонного приладу, порівняно мала, то струм, що проходить через прилад, незначний і підлягає закону Ома. Цей струм зумовлений наявністю в газі електронів і іонів за рахунок природної іонізації (під впливом зовнішніх факторів). Такий розряд називають несамостійним, оскільки він не утворюється і не розвивається, коли немає зовнішніх іонізуючих факторів. У цьому режимі значна частина електронів і іонів рекомбінує.Коли поступово підвищувати напругу на електродах приладу, то дуже швидко настане так званий режим насичення, при якому дальше підвищення напруги вже не супроводжується підсиленням струму. Це пояснюється тим, що майже всі електрони й іони, які утворилися в цих умовах за одиницю часу, беруть участь у перенесенні електричних зарядів. Рекомбінувати встигає лише незначна частина їх. Такий розряд називають «тихим», оскільки він без видимих зовнішніх виявів, і вважають його різновидом несамостійного розряду. Якщо далі підвищувати напругу, то настає момент, коли швидкості електронів стають достатніми для розщеплення нейтральних молекул газу на електрони й іони. Починається додаткова іонізація газу, і настає режим самостійного розряду. Електрони й іони, які щойно утворилися, беруть участь в іонізації і т. д. Цей процес наростає лавиноподібно. Струм через прилад збільшується, опір середовища різко спадає, напруга на електродах дещо зменшується. Іонний прилад, як кажуть, «запалюється» (газ у балоні починає світитися) і працює далі в режимі тліючого розряду. Особливістю цього режиму є автоматичне підтримання практично сталої напруги на електродах із зміною струму через прилад у досить широких межах. Сила струму обмежується зовнішнім опором кола. Ця властивість тліючого розряду широко використовується для стабілізації напруги в радіоелектронних схемах. Електроди в режимі тліючого розряду практично не нагріваються.Дальше підвищення напруги на електродах супроводжується бомбардуванням катода позитивно зарядженими іонами, внаслідок чого катод нагрівається і починає випромінювати електрони (термоелектронна емісія). Кількість електронів, що іонізують газ, різко збільшується, опір ділянки анод — катод знижується і стає таким малим, що струм через прилад обмежується лише зовнішнім опором кола. Напруга на електродах приладу різко спадає.Такий розряд супроводжується яскравим свіченням газу в балоні і називається дуговим. У деяких іонних приладах спеціально встановлюють підігрівний (як в електронних лампах) катод, що дає можливість створити дуговий розряд при більш низьких напругах на електродах.Ще один вид електричного розряду в газі — іскровий розряд. Він утворюється при високій електричній напрузі і тиску газу, близькому до атмосферного. На початку розряду між електродами утворюється іскровий утворюється іскровий канал (проскакує іскра, яка іонізує той простір газу, в якому вона утворилася). Цей іскровий канал є мовби провідником між двома електродами іонного приладу, і коли потужність джерела енергії достатня, то в приладі починаються процеси, аналогічні процесам дугового розряду. Коли ж потужність джерела енергії мала, то із зменшенням напруги іскровий розряд припиняється.