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.
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 зависит-
[pic]
мости от применяемого люминофора достигает значений 300—700 кд/м2 и более.
Развитием цилиндрического ВЛИ явилась конструкция индикатора в плоском баллоне (рис. 2).
Кроме 7-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 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, а ,) поскольку на них попадает
меньше электронов, чем на центральную часть элемента. В этом проявляется
влияние соседних сеток, имеющих отрицательный потенциал. С целью устранения
этого недостатка разработанна 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.
[pic]
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 ).
[pic]
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.
[pic]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