Принцип работы вакуумных люминесцентных индикаторов

Принцип работы вакуумных люминесцентных индикаторов

1. Введение.

Во всех системах, где требуется представить информацию в форме, удобной для визуального восприятия человеком, применяются средства отображения информации (СОИ). Одной из основных частей СОИ является индикатор — электронный прибор для преобразования электрических сигналов в пространственное распределение яркости (контраста). Свойства и характеристики индикатора определяют важнейшие параметры СОИ — информационную емкость, надежность и др. Мы рассмотрим один из видов индикаторов — вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ).

2. Принцип действия.

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

Катодолюминесценция возникает при достижении электронами вполне определенной энергии eUL , где UL — потенциал начала катодолюминесценции. У большинства материалов, образующих группу высоковольтных котодолюминафоров, применяемых в ЭЛП, UL исчисляется сотнями вольт.

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

Люминофор для ВЛИ должен удовлетворять ряду требований:

1. Ширина запрещенной зоны dW — не более 3—4 эВ. В противном случае условный квантовый выход становится слишком малым.

2. Высокая электропроводность. Согласно оценкам сопротивление слоя не должно превышать единиц килоом. Именно по этой причине большинство люминофоров применяемых в ЭЛП не годится для ВЛИ, поскольку они являются или изоляторами, или полностью компенсированными полупроводниками.

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

3. Низкий потенциал начала катодолюминесценции. Даже при малом сопротивлении слоя люминофора он оказывается непригодным для использования во ВЛИ, ели UL = 10—12 В.

4. Низкая светоотдача. В ходе исследования свойств смесей с проводящими порошками было обнаружено, что цвет свечения многих таких композиций зависит от анодного напряжения. Например, у смеси SnO2 : Eu и ZnS:Cl, Al цвет свечения при изменении U от 20 до 60 В меняется с оранжевого на желто-зеленый. Определенное влияние имеет соотношение масс компонент.

При длительной бомбардировке люминофора яркость его свечения изменяется, причем в этом процессе можно выделить три этапа : начальное изменение, этап стабильной яркости и этап выраженного старения.

Первый этап вызван установлением стационарного состояния поверхности люминофора. Критерием длительности второго этапа является снижение яркости до 50—70% от начального значения. Яркость свечения на этом этапе уменьшается в связи с действием различных химических процессов в люминофоре, приводящих, в частности, к восстановлению ZnO до металлического Zn.

Факторы, обуславливающие этап выраженного старения, таковы: изменение поверхностных потенциальных барьеров и электропроводности слоя, химическое воздействие напыленных материалов, возникновение безызлучательных центров, поглощение излучения в почерневшем поверхностном слое люминофора. Особенно быстро чернеет поверхность люминофора при повышении температуры катода.

3. Устройство, параметры и характеристики.

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

Основа одноразрядного ВЛИ — стеклянная или керамическая плата, на которой закреплены все остальные детали индикатора (рис. 1). В углублениях платы, выполненных в виде сегментов, находится проводящий слой, соединенный с контактами. Каждый сегмент имеет отдельный вывод. Проводящие слои сегментов полностью покрыты люминофором. На передней стороне платы в направлении считывания устанавливается плоский металлический электрод. Отверстия в этом электроде расположены напротив соответствующих сегментов, покрытых люминофором. На небольшом расстоянии от экранирующего электрода натянута управляющая сетка. В свою очередь на малом расстоянии от плоскости сетки, примерно параллельно оси лампы, расположен прямоканальный оксидный катод. Вся эта система помещена в цилиндрическую стеклянную колбу, которая изнутри покрыта прозрачным проводящим слоем.

Рис. 1.

1 - плата; 2, 8 - проводящие слои; 3 - вывод; 4 - люминофор; 5 - экранирующий электрод; 6 - сетка; 7 - катод.

В исходном состоянии для надежного запирания электронного тока и предотвращения нежелательного свечения люминофора к сетке прикладывается отрицательное напряжение смешения — несколько вольт по отношению к катоду.

При положительном напряжении на управляющей сетке электроны ускоряются в направлении анодных сегментов. Задача управляющей сетки состоит еще в том, чтобы обеспечивать возможно более равномерное распределение плотности потока электронов на поверхности анода индикатора. Экранирующий электрод имеет тот же потенциал, что и управляющая сетка. Электроны попадают на сегменты, имеющие в данный момент положительный потенциал; возникает низковольтная катодолюминесценция — нанесенный на анод сегмент люминофор начинает светится. Яркость свечения в зависимости от применяемого люминофора достигает значений 300—700 кд/м2 и более.

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

Рис. 2.

1 - проводящий слой; 2 - герметик; 3 - лицевое стекло; 4 - катод; 5 - сетка; 6 - стеклянная плата; 7 - слой люминофора; 8 - проводящий слой; 9 - слой диэлектрика.

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

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

Обычно в матричном индикаторе одна сетка покрывает один столбец светоизлучательных элементов (рис 3, а ). Управление индикатором осуществляется по сеточным цепям. При работе яркость свечения не постоянна по площади, а снижается по краям (рис 3, b ,) поскольку на них попадает меньше электронов, чем на центральную часть элемента.

рис.3

1 - катод; 2 - траектории электронов; 3 - сетки; 4 - светоизлучающие элементы;

В этом проявляется влияние соседних сеток, имеющих отрицательный потенциал. С целью устранения этого недостатка разработана усовершенствованная конструкция матричного ВЛИ. В нем каждая сетка покрывает 2 столбца излучающих элементов (рис. 4, а ). Управление осуществляется как по сеточным, так и по анодным цепям.

Такая структура особенно успешно применяется при высокой внешней освещенности индикатора. Управляющее положительное напряжение подается на две соединенные сетки и два расположенных под ними анода. В результате яркость свечения элементов оказывается равномерной (рис. 4, б ).

рис. 4

1 — катод; 2 — траектории электронов; 3 — сетки; 4 — светоизлучающие элементы.

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

Перспективным является использование ВЛИ для создания индикаторов коллективного пользования как одноцветных, так и полицветных. Для этих целей применяются индикаторы следующих типов: матричный “столбик”, т. е. диод, имеющий прямоканальный катод и семь светоизлучающих элементов-анодов. Из таких “столбиков” может быть набрана матричная строка высотой 7 элементов и любой длинны; матричное “знакоместо” формата 5*7 элементов, предназначенное для сборки строк. Таки индикаторы могут быть двух- и трехцветными, при этом светоизлучающие элементы различных цветов располагаются парами или триадами, сохраняя общий формат знакоместа; “элемент матричного поля”, т. е. ВЛИ цилиндрической формы с торцевым выходом излучения, из которых формируется уже не строка, а матричное поле любого размер. Отдельные индикаторы могут быть одноцветными (с различным цветом свечения, располагаемые парами или триадами) или двух- трехцветными.

Несмотря на широкое применение цифровой индикации, в целом отдавалось и отдается предпочтение аппаратуре с аналоговой индикацией. Для этого используются аналоговые ВЛИ, основными конструктивными типами которых являются линейно-полосовой и концентрически полосовой. Такие индикаторы имеют дискретный анод, состоящий из большого числа отдельных элементов (штрихов), расположенных вдоль прямой линии или по окружности. В последние годы наблюдается тенденция сочетать цифровую и аналоговую формы индикации, что обусловило появление цифро-аналоговых ВЛИ.

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

Светофильтр, близкий к оптимальному для ВЛИ, который сохраняет доминирующую длину волны излучения 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 волн 0.526— 0.542 мкм, 30—35% при L=250— 500 кд/м2.

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

Во-первых, с помощью светофильтров можно получить цвет от синего до красного при использовании ZnO:Zn. Яркость этих цветов оказывается достаточной, если яркость исходного 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 индикатор реализуют за счет конструктивных изменений и специфических способов управления.

Таблица 1.

Характеристики цветных люминофоров для ВЛИ.