Реферат: Индикаторы 
3.2
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) относятся к «молодым» и бурно
прогрессирующим оптоэлектронным прибором. Жидкокристаллическое состояние
вещества характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть)
и кристалла (оптическая анизотропия). Такое состояние может обнаруживаться в
некотором температурном интервале между точкой кристаллизации Тк и
точкой превращения вещества в однородную прозрачную жидкость Тж.
Имеется несколько структурных разновидностей жидких кристаллов (ЖК); для
индикаторных приборов используются нематические ЖК, характеризующиеся следующими
основными особенностями:
—
молекулы этих веществ имеют сильно вытянутую, нитевидную конфигурацию;
—
в равновесном состоянии проявляется тенденция к ориентации больших осей молекул
вдоль какого-то преимущественного направления;
—
межмолекулярные взаимодействия очень слабы, поэтому структура жидкости
(характер ориентации мо-лекул) может легко изменяться под влиянием внешних
воздействий;
—
имеет место оптическая и электрическая анизотропия: значения показателей
преломления и диэлектрической постоянной в направлении вдоль больших осей
молекул (n11 и ε11 ) и перпендикулярно
ему (n┴ и ε┴) различны (ЖК — кристаллы с
двойным лучепреломлением);
—
В зависимости от знака величины Δε=ε11 – ε1
различают положительную и отрицательную диэлектри-ческую анизотропию — при
приложении электрического поля молекулы ЖК первого типа ориентируются вдоль
поля, второго типа — поперек поля;
—
наличие анизотропии и возможность перестройки структуры проявляются в двух
разновидностях электро-оптических эффектов; изменение характера поляризации
проходящего (отраженного) света и изменение коэффициента отражения
(пропускания) света.
В
качестве жидких кристаллов могут выступать очень многие органические соединения
(тысячи), наи-лучшие для технических применений результаты дают их смеси.
«Классическими» нематическими смесами являются МББА (н- (п-метоксибензилиден) —
п- (н-бутиланилин)) и ЭББА (н- (п-этоксибензилиден) — п- (н - бутиланилин)),
обеспечивающие получение ΔТжк =Тж—Тк=15
... 70°. Среди всех структурных разновидностей жидких кристаллов нематические
отличаются наименьшей вязкостью, что обеспечивает их наибольшее быстродействие,
определяемое временем переориентации молекул ~10-1 с (и до ІО-2
... 10-3 с в специальных рабочих режимах). Удельное сопротивление
нематических ЖК очень велико (~1017 Ом*см и для его некоторого
уменьшения (что порой необходимо) в жидкость вводятся органические примеси, при
диссоциации которых возникают свободные ионы.
Исторически
первым электрооптическим эффектом, использованным в индикаторной технике, стал
эффект динамического рассеяния. Если к слою слегка проводящего нематического ЖК
с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то
молекулы ориентируются поперек поля, а возникающий поток ионов стремится
ларушить эту ориентацию.
При
некотором значении тока проводимости возникает состояние турбулентности,
разрушающее ранее упо-рядоченную структуру ЖК. Беспрерывные хаотические
изменения показателя преломления участков жидкости вызывают рассеяние света
(отсюда и название эффекта), внешне проявляющееся как помутнение ЖК.
Вольт-контрастная характеристика ЖКИ представлена на рис. 3.7.
Лучшие
характеристики индикаторов дает использо-
вание
твист-эффекта, суть которого заключается в сле-
дующем.
В зазоре между двумя пластинами тем или
иным
способом достигают «скручивания» номатической
структуры
ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда
 их большие оси параллельны ограничивающим по-
верхностям,
а направления этих осей вблизи одной и
другой
пластин взаимно перпендикулярны (рис. 3.8,а).
В
толще жидкости ориентация молекул меняется
постепенно
от верхней граничной ориентации к
нижней.
Технологически такая скрученная струк-
тура
достигается, например, путем однонаправ-
ленного
натирания внутренних поверхностей
стеклянных
пластин во взаимно перпендикуляр-
ных
направлениях, что и ведет к соответствующей
ориентации
молекул.
Слой
скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на
п/2. Если к ячейке приложить электрическое поле, то (при условии использования
материалов с положительной диэлектрической анизотропией) все молекулы
ориентируются вдоль поля (рис. 3.8,6) и эффект скручивания пропадает. Теперь
слой жидкости не изменяет поляризации проходящего через него света. Помещая на
входе и выходе ячейки поляроидные пластины, преобразуют модуляцию поляризации
света в амплитудную.
Твист-эффект
в отличие от эффекта динамического рассеяния является чисто полевым: для его
реализации пропускание тока через структуру не нужно. Это дает существенный выигрыш
в энергопотреблении.
Устройство
жидкокристаллического индикатора (рис. 3.9) достаточно просто, здесь удобно
реализуюгся современные плоские панельные конструкции. Для получения низких
управляющих напряжений (единицы вольт) зазор между пластинами должен быть
небольшим (~10-3 см), а используемая жидкость должна
иметь
круто нарастающую вольт-контрастную характеристику (рис. 3.7). Характерно, что
стоимость ЖКИ (в отличие от полупроводниковых) очень мало зависит от их площади
— изготавливаются приборы с высотой цифр от 3 до 500 мм. Используются
конструкции, работающие как в отраженном свете (большинство типов), так и в
проходящем. Все ЖКИ работают на переменном токе; при попытках использовать
постоянное управляющее напряжение оказываются существенными электролитические
эффекты и срок службы прибора становится недопустимо малым.
Жидкие
кристаллы представляют собой достаточно удобную основу для создания
информационных табло повышенной информационной емкости и экранов мало-кадрового
телевидения. Причины этого—малая потреб-ляемая мощность, высокая контрастность,
низкое питающее напряжение, технологичность. Основные сложности связаны со
схемами управления:
низкое
быстродействие 
ЖКИ
затрудняет использование мулыиплексных режи-
мов,
приводит к созданию ЖК матриц с большим коли-
чеством
внешних выводов. Перспективы преодоления
этой
проблемы видятся в разработке конструкции экра-
на,
в которой вместо одной из стеклянных обкладок
обычного
ЖКИ используется кремниевая пластина,
содержащая
схему управления и имеющая на своей
поверхности
матрицу элементарных электродов.
Каждый
из этих электродов является оптическим
отражателем.
Такое технологическое совмещение растра
и
схемы управления резко сокращает число внешних
выводов.
Совершенствование
ЖКИ ведется в направлении получения цветных изображений (для этого привлекаются
иные, отличные от описанных, электрооптические эффекты), повышения
быстродействия, долговечности (значения, близкие к 105 ч, представляются вполне
реальными), создания злементов с встроенной памятью.
3.3
Газоразрядные индикаторы (ГРИ) являются примером того, как влияние
конструкторско-технологических идей микроэлектроники заново преобразует
«старую» традиционную область техники.
Основу
любого прибора этого класса составляет элементарный газоразрядный промежуток
(рис. 3.10). За-жигание и поддержание разряда требует высокого напряжения (Uзаж≈80
... 400 В, Uгор≈50 ... 300 В), ток близок к 1 мА. Заполнение
рабочего объема неоном дает оранжевое свечение, а гелием и аргоном — желтое и
фиолетовое. Возможно и непрямое преобразование энергии: разряд в ксеноне (УФ
излучение) в сочетании с фотолюминофорами желаемого цвета свечения.
Инерционность газового разряда определяется в основном временами его гашения
(10-7 ... 10-8 с) и исчезновения плазмы (10-6
... 10-4 с).
Используются
два основных режима работы. В режиме постоянного тока обязателен балластный
резистор,
необходим
и элемент гашения разряда. Взаимодействие газа с электродами (рис. 3.10,а)
сопровождается катодным распылением, особенно интенсивным при минусовых
температурах. Значительно перспективнее высокочастотный разряд, для которого
характерны самоограничение и отсутствие непосредственного кон-такта газа с
электродами (рис. 3.10,6).
Среди
газоразрядных индикаторов выделяют: знаковые, шкальные и универсальные
(плазменные
панели).
На смену громоздкой пакетной конструкции газоразрядной лампы с десятью
изолированными катодами, высвечивающими отдельные цифры, пришел многоразрядный
монодисплей панельного типа, один из вариантов которого представлен на рис.
3.11. Его характерные особенности: плоскостность, малая толщина (несколько
миллиметров), простота конструкции (всего четыре детали) и технологии. Две
плоские электродные решетки из ковара, получаемые штамповкой или травлением,
закрепляются на отдельных стеклянных пластинах, после чего части собранного
пакета соединяются в горячем состоянии. Затем пакет вакуумируется, заполняется
газовой смесью и герметизируется. Кроме катодных линейных элементов, формирующих
изображение, электродные решетки содержат и внешние выводы.
Имеется
много разновидностей сегментных ГРИ, но все они однотипны с описанным прибором.
Типичные значения высоты знаков составляют 5... 16 мм, число разрядов 3 ... 9.
Для питания необходимо напряжение постоянного тока 170 ... 200 В.
Универсальный
индикалэр или плазменная панель представляют собой двухкоординатную матрицу,
содер-жащую не менее 104 ... 105 элементарных газоразряд-
ных
ячеек. Разрабатываются панели постоянного и переменного тока, т. е. с
внутренними и внешними элек-тродами (рис. 3.12). Высокочастотный экран питается
двумя возбуждающими напряжениями от генераторов Г1 и Г2 (рис. 3.12,в):
синусоидальным опорным с частотой в несколько килогерц, поддерживающим разряд,
и записывающим (или стирающим) в виде коротких прямоугольных импульсов,
«поджигающих» ту или иную ячейку.
В
конструкциях рис. 3.12 центральная мозаичная пластина служит для изоляции
разрядных промежутков друг от друга, ею определяется разрешающая способность
экрана, близкая к 10 ... 20 лин/см. Ограничения области разряда можно добиться
и без перегородок повышением давления газовой смеси, которое ведет к стягиванию
плазменного шнура, возникающего в месте пересечения возбужденных X- и
У-электродов. Идя по этому пути, можно существенно повысить разрешающую
способность,
особенно
у панелей переменного тока.
Высокое
напряжение питания и большое число эле-ментов
требуют
довольно сложных схем управления. Тем не менее
на
основе как биполярных, так и МОП-транзисторов и спе-
циальных
интегральных схем удается изготовить достаточно
компактные
плоские устройства, размещаемые на задней
стороне
панели. Схемы управления не только воспроизводят
на
экране требуемые образы, но и позволяют изменять интен-
сивность
свечения, обеспечивая передачу до нескольких
десятков
полутонов (градаций яркости). Для уменьшения чис-
ла
выводов от панели и упрощения схемы управления используют
принцип
самосканирования, для реализации которого в
центральной
пластине делают специальные отверстия, соеди-
няющие
определенным образом соседние ячейки друг с другом.
Вследствие
этого зажженное состояние, созданное в одной
ячейке,
последовательно перемещается по всем элементам
строк
и столбцов экрана. Для получения цветного изображения
изготавливается
прозрачная панель (рис. 3.13), каждый слои
которой
генерирует свечение определенного цвета (обычно К—О—В),
а
требуемая окраска обеспечивается соответствующим управлением
этими
слоями. Возможно и другое решение задачи: в панели
с
ксеноновым наполнением (УФ излучение) создается сложное
люминофорное
покрытие (подобное триадам ТВ экрана), а
газовый
разряд «включает» нужный цвет.
Уменьшить
напряжение и мощность управляющих сигналов можно
лишь
введением в электрическую схему дополнительных электродов.
При
сохранении напряжения анод — катод на уровне 200 ... 400 В
для
включения разряда в трехэлектродной схеме необходимо лишь
20
... 40 В, а в четырехэлектродной (тиратронной) — 2 ... 6 В. Мощность,
потребляемая
управляющей цепью, может быть снижена до 10-4...10-5
Вт,
и устройство оказывается полностью совместимым со стандартными
биполярными
и МОП-интегральными схемами. Но для практической
реализации
указанных преимуществ необходимо создание индикаторов
тиратронного
типа в панельной конструиции методами пленочной
технологии.
Важнейшая задача совершенствования плазмечных панелей
всех
видов заключается в повышении их долговечности до 104 . . . 105 ч
на
основеоптимизации конструкции, тщательного подбора материалов и
отработки
мас-сового производства.
4.
Применение индикаторов
Применение
индикаторов характеризуется прежде
всего тем, что именно этими приборами электроника широко входит в быт человека.
Можно упомянуть такие изделия, как электронные цифровые часы (рис. 3.21),
калькуляторы, автомобильные индикаторные панели, настроенные шкалы
радиоприемников, указатели программ телевизоров, индикаторы кухонного
оборудования.
В
промышленности эти приборы являются обязательным элементом периферийных
устройств ЭВМ, автоматизированных систем управления, контрольно-измерительной
аппаратуры, сервисных устройств транспортных и связных систем. В военной
технике системы отображения информации необходимы на командных пунктах, в
различных навигационных устройствах, системах наведения, в приборных щитах самолетов,
танков, подводных лодок ...
Все
это предопределяет массовое производство индикаторных приборов: годовой выпуск
приборов (в пере-счете на знак) превышает 1 млрд., объем производства почти
такой же, как у диодов всех типов, очень высоки и темпы роста — удвоение объема
за 5—6 лет.
Индикаторные
средства играют решающую роль в переходе от телефона к терминалу и к
видеотелефону; в будущем найдут свое разрешение проблемы твердотельного
телевидения, электронной книги и газеты. Не исключено, что совершенствование
полупроводниковых светоизлучающих диодов даст в конце концов средство для
воспроизводимого получения тех 10 млн. оттенков, которые насчитывают наиболее
полные цветовые каталоги; решит все сегодняшние проблемы колориметрии; породит
новые виды изобразительного искусства и в конечном счете начнет активно
воздействовать на формирование эстетического мира человека.
5.
Четыре поколения индикаторных приборов
Четыре
поколения индикаторных приборов может
быть выделено на основе ретроспективного и перспек-тивного анализа их развития.
Первое поколение характеризуется небольшим числом используемых физических
принципов, низкими значениями к. п. д. и яркости, малыми информационными
возможностями (Nэл≈1 ••• 10), болыиими габаритами,
одноцветностью, высоким управляющим напряжением, малой долговечностью (<103
ч), высокой стоимостью, ограниченным применением. Типичными представителями
этого поколения являются газоразрядные пакетные индикаторы (типа «Никси»),
первые образцы
ЭЛИ.
К
типичным представителям второго поколения индикаторных приборов следует отнести
полупроводнико-вые и жидкокристаллические индикаторы, многоразрядные
люминесцентные и плазменные монодисплеи. Эти приборы характеризуются высокой
яркостью свечения и контрастностью, экономичностью, приемлемой долговечностью
(104 ч), невысокой стоимостью. Эти каче-ства, а также повышенная
информационная емкость (Nэл≈10 ••• 103),
совместимость с интегральными схемами управления обеспечивают широкое и
многообразное применение индикаторов второго поколения. Как тенденция,
проявляющаяся в отдельных представителях этого поколения, эти приборы
характеризует многоцветность. Переход от первого поколения ко второму стал
возможен благодаря привлечению новых физических эффектов и широкому и
последовательному внедрению плоскостных конструкций и групповых методов
обработки.
Третье
поколение будет базироваться в основном на тех же физических принципах, что и
второе, однако совершенствование новых материалов и технологии позволит
достигнуть еще большей экономичности и ин-формационной мощности (Nэл≈104
••• 105); долговечность превысит 104 ... 105
ч; многоцветность станет обя-зательным качеством табло и экранов. Совмещение с
устройством управления избавит потребителя от труд-ностей применения и
благодаря низкой стоимости распространение информационных средств станет
повсеместным. Неким прообразом изделия третьего поколения могла бы служить
трехцветная плазменная панель, существенно усовершенствованная в направлении
экономичности, миниатюризации схем управления, повышения долговечности и надежности
и снижения стоимости.
Четвертое
поколение индикаторных приборов можно наметить лишь контурно. Это полностью
твердотельные квазимонолитные всецветные универсальные экраны с встроенным
управлением, плоской конструкции с рабочей площадью от 1 до 104 см2.
Срок службы должен превышать (5...7)*104 ч. Электронное обрамление
экранов неизбежно должно будет использовать новые методы обращения с
информацией. Не исключено также, что в этих приборах будут частично проявляться
черты устройств отображения последующих поколений, в частности способность
воспроизведения объемных голографи-ческих образов. Создание устройств
четвертого поколения потребует не только коренного изменения технологии
(совмещение групповой обработки с непрерывными процессами), но и открытия новых
физических эффектов и синтеза новых совершенных материалов. Тем не менее
большинство прогнозов сходится на том, что к начаяу XXI века это будет реализовано.
|
