При обслуговуванні та експлуатації виробничих машин і механізмів виникає логічна необхідність візуальної інформації про стан робочих та аварійних режимів технологічного процесу, необхідність діагностування електрообладнання Ці завдання вирішують сигналізація і індикація, а реалізують пристрої відображення на основі світлодіодів Сигналізація – це повідомлення про факт переходу контрольованій величини з області значень в іншу При візуальної сигналізації основним технічним засобом є светоизлучающий або світловідбиваючий елемент Індикація – це подання результатів контролю або вимірювання Пристрої індикації дають можливість візуально визначити стан обєктів, схем логічного управління цими обєктами, трактів проходження сигналів, стану напівпровідникових елементів, зняття цифрової інформації з лічильників, запамятовуючих та інших пристроїв Зазначений контроль здійснюється за принципом: «більше – менше», «так – ні», «включено – відключено»

Класифікація індикаторів В якості індикаторів в сучасних схемах автоматики використовуються напівпровідникові (ППІ), вакуумні люмінесцентні (ВЛІ), вакуумні накальную (ВНП), газорозрядні (ГРІ) і рідкокристалічні (РКІ) індикатори У пристрій відображення інформації можуть входити елементи узгодження та управління, прийому, зберігання, обробки інформації і власне індикатор, що забезпечує візуальне відтворення інформації Ці пристрої дозволяють безпосередньо підключати індикатори до обєктів контролю та індикації Всі побудова систем індикації потребує узгодження з входами-виходами мікроелектронних пристроїв за струмами, напруженням і кодам В якості узгоджувальних елементів застосовуються цифрові мікросхеми перетворювачів, узгоджувачів навантажень, комутаторів і т п

Всі індикатори обєднані у дві групи: активні і пасивні індикатори В активних індикаторах електрична енергія перетворюється в світлову У пасивних індикаторах здійснюється модуляція зовнішнього світлового потоку (сонячне світло, світло ламп) під дією електричного поля або струму

В активних індикаторах використовуються наступні фізичні ефекти:

– світіння розжарених тіл у вакуумі (вакуумні індикатори)

– низьковольтна люмінесценція катодів – це вакуумні люмінесцентні індикатори

– випромінювання тліючого газового розряду – це газорозрядні індикатори

– інжекторная електролюмінесценція – це напівпровідникові індикатори (ППІ)

У пасивних індикаторах під дією електронного інформаційного сигналу змінюються оптичні властивості матеріалу індикатора, в результаті цього здійснюється модуляція світла, що пройшло через індикатор або відбитого від нього Прикладом можуть служити рідкокристалічні індикатори

За принципом формування зображення індикатори можна поділити на знакомоделірующіе (ЗМИ) і знакосинтезирующие (ЗСІ) Прикладом ЗМИ є газорозрядний індикатор, зображення в якому повторює форму десяти катодів, виготовлених у вигляді цифр, і ніяке інше зображення в ньому отримати неможливо У ЗСІ зображення виходить за допомогою мозаїки незалежно від керованих елементів відображення, кожен з яких перетворює електронний сигнал у світ У цій групі індикаторів є однорозрядні, багаторозрядні і матричні індикатори ЗСІ бувають цифровими, буквено-цифровими, шкальними і цифро-аналоговими Дві останні різновиди ЗСІ відображають аналогову інформацію Індикатори характеризуються параметрами і характеристиками, основними з яких є: яскравість, контрастність, світловіддача, амплітудна і частотна характеристики Існує два основні режими роботи ЗСІ: статичний і динамічний У статичному режимі усіма елементами відображення управляють одночасно і вимикають їх тільки при оновленні інформації Статична індикація може бути безперервною або імпульсної залежно від того, докладено управляє напруга постійно або періодично У динамічному режимі окремі елементи індикатора включаються в різні моменти часу протягом кадру передачі інформації Найбільш поширені ЗСІ

Прикладом ППІ є світлодіод Діоди LED – СІД (LED – Light emitting diodes – елемент) є напівпровідниковим приладом При проходженні електричного струму i через р-п-перехід цього приладу виникає світлове випромінювання hv (рис 156) СІД має активний шар, що включає електронно-дірковий перехід з певною шириною забороненої зони Eg, Що знаходиться між напівпровідниковими шарами р-та / 7-типів Величина Eg визначає мінімум енергії, необхідної для переходу електронів з валентної зони в зону провідності (на більш низький енергетичний рівень) При пропущенні електричного струму в прямому напрямку відбувається проникнення носіїв заряду – електронів і дірок в активний шар з прилеглих пасивних верств р-та / 7-типів При цьому відбувається спонтанна рекомбінація, що супроводжується випромінюванням кванта світла hv Довжина хвилі λ (мкм) світлового випромінювання (колір випромінювання – червоний, синій, зелений, помаранчевий) визначається типом напівпровідникових матеріалів, що утворюють / / – / /-перехід, і шириною забороненої зони Eg (ЕВ) – λ = 1,24 / С СІД конструктивно виконуються плоскими для поверхневого монтажу і колбові Геометричні розміри СІД знаходяться на рівні міліметрів СІД для поверхневого монтажу має, наприклад, такі розміри: 3,2 х 2,8 х 1,9 мм, а СІД колбові виконання – 3 і 5 мм Типовий кут світіння для колбові виконання знаходиться в межах 40 °, для поверхневого монтажу – 120 ° .. 130 ° Яскравість випромінювання СІД для поверхневого монтажу знаходиться в межах до 130 кд (кандела – одиниця виміру яскравості), а ддя колбові виконання – 0,9 .. 5,3 кд

Рис 156 Сієм та енергетична діаграма СІД

Невелике пряме постійна напруга на СІД дозволяє отримати в світлодіодах від 5 до 20 тА, що достатньо для їх функціонування, а це означає, що мають вони органічне поєднання з елементами цифрової техніки безпосередньо Світлодіод як індикатор можна включити і при низькому рівні вихідного сигналу мікросхеми (рис 157, а), і при високому рівні сигналу на її виході (рис 157,6)

Рис 157 Схеми світлодіода

Пристрій СІД колбові виконання наведено на рис 158 Для надяскравих СІД застосовуються напівпровідникові матеріали типу Alin – GaP (алюміній-індій – галій-фосфор), що створюють випромінювання від жовтого до червоного кольору, і типу InGaN (індій-галій-азот), що створює випромінювання від синього до зеленого кольору

Рис 158 Пристрій светоизлучающего діода

В силу герметичності корпусу приладу СІД довговічний (його ресурс роботи становить 100 000 ч), завдяки чому він може працювати в температурних кліматичних умовах, мають -40 ° С., +100 ° С і бути стійким до ультрафіолетового опромінення Надяскравих СІД використовуються для створення повнокольорових i / GD-екранів Ці екрани мають високу роздільну здатність Кожна комірка екрану містить три СІД червоного – R, синього – G і зеленого – У квітів

По енергоспоживанню СІД в 2 .. 3 рази економічніше ламп розжарювання Прямий струм через СІД становить 20 .. 50 мА Наявний в конструкції СІД рефлектор підвищує його світловіддачу Сила світла в основному носить лінійну залежність від струму, що обумовлюється властивостями застосовуваних матеріалів Баланс білого кольору забезпечується співвідношенням потоків монохроматичноговипромінювання Рд:

Р: Рв = 3:6:1, однак це співвідношення наближене і залежить від довжини хвилі випромінювання

У пристроях візуальної інформації широко використовуються напівпровідникові семисегментні ЗСІ Вони органічно вписуються в пристрої цифрової автоматиці, де інформація представляється двійковим або двоічнодесятічним кодом Для управління семисегментний ЗСІ використовуються дешифратори Ці індикатори мають низькі напруги живлення (1,5 .. 3 В), струми окремих світлодіодів або сегментів складають 2 .. 30 мА, великий кут огляду (до 120 °), можливість отримання світіння різного кольору, різноманітність конструктивних форм і щільності розташування знаків, високу надійність, значний термін служби Пристрій семисегментного ЗСІ показано на рис 159 Розглянемо принцип побудови дешифратора для управління семісегментним ЗСІ, елементи якого типу можуть відображати числа, букви, знаки Розглянемо задачу відображення чисел від 0 до 9

Рис 159 Схематичне пристрій (а) і позначення світяться

елементів (б) семисегментного ППІ індикатора: i-пластмасовий корпус 2 – кріпильні ніжки /-Висновки сегменов 4 – непрозорі електроди у вигляді сегментів J – скло

з нанесеними прозорими електродами у вигляді сегментів

На рис 160 представлено схемне елементне рішення двійковій-десяткового дешифратора

Рис 160 Схема побудови двійковій-десяткового дешифратора

У табл 3 приведено логічне стан двійковій-десяткового дешифратора Відображення десяти чисел даної схеми виконуються в двійковому коді, завдяки чому, маючи комбінацію з чотирьох одиниць і чотирьох нулів, ми можемо переміщати інформацію від числа до числа, причому, не маючи збігів по комбінації-

ям Тому, зібравши всі логічні одиниці логічними елементами 4И .. 9І, отримаємо на виході логічну одиницю, відповідну зашифрованого індикаторного елементу числа семисегментного ЗСІ, який дасть візуальне сприйняття цього елемента

Таблиця 3

Таблиця станів дешифратора

Дешифратор являє собою комбінацію інверторів для вхідних сигналів, конюнктор для збору сигналів активізації елементів ЗСІ Принципово по конструкції ПІІ можуть бути однорозрядного, багаторозрядними і шкальними Відображення інформації у вигляді знаків, цифр або символів виявляється не завжди зручним при безупинному спостереженні ха станом декількох параметрів У цих випадках більш ефективним є графічний спосіб подання інформації у вигляді відрізків прямих ліній або окремих точок Таку інформацію можна відобразити за допомогою шкальних (лінійних), матричних і мозаїчних індикаторів

Рідкокристалічні індикатори По конструкції РКІ подібний конденсатору, оскільки складається з двох скляних паралельних пластин, внутрішня поверхня яких покрита електропровідним шаром (окис олова) Між пластинами знаходиться шар рідкокристалічного речовини товщиною 10 .. 20 мкм Електропровідний шар являє собою електроди, один з яких повинен бути досить прозорим, щоб крізь нього не поверхні скла можна було спостерігати зображення, а другий повинен пропускати або відображати світло Для виготовлення другого електрода використовується нікель або алюміній Всі конструктивні елементи РКІ знаходяться в герметичному корпусі Якщо РКІ працює за принципом пропускання світла, то всі електроди прозорі Якщо РКІ працює за принципом відбиття світла, то один з двох електродів є відбиваючим, на іншому формуються цифри або знаки, окремі сегменти, з яких можна складати зображення У таких РКІ під дією напруги керування ділянки рідкокристалічного розчину стають непрозорими і відображають зовнішній світ, інші ділянки залишаються прозорими Час збудження (наростання контрасту) складає 20 .. 90 мс, час загасання – 5 .. 200 мс Довговічність елементів РКІ становить не менше 103 годин і близько 106 включень РКІ характеризуються малими напругами живлення (3 .. 15 В) і малими струмами (до 15 мкА) Особливістю управління РКІ є застосування змінних напруг, тому широко використовується фазоімпульсний спосіб управління Приклад пристрою такого управління на базі ІС К176ІЕ4 наведено на рис 161 Послідовність імпульсів збудливого напруги UB надходить на вхід V і на загальний електрод РКІ Вихідний сигнал ІС, наприклад, керуючий сегментом, визначається виразом А = allβ + allβ, де а = 0, якщо сегмент не має бути видно, і а = 1, якщо сегмент має бути видно При а = 0 (а = \) А = Ub перепад напруг між сегментом і загальним електродом дорівнює нулю, при цьому сегмент не видно При а = 1 (а = 0) А = Uв, тобто на сегмент подається послідовність імпульсів з протилежного фазою по відношенню до імпульсів на загальному електроді Перепад напруг на виході між сегментом і загальним електродом в даному випадку в 2 рази перевищує амплітуду імпульсів і викликає потемніння сегмента Для забезпечення нормальної роботи частота (/ в повинна становити 50 .. 500 ЄЦ при амплітуді імпульсів 8 .. 10 В

Рис 161 Скем управління рідкокристалічним ЗСІ

Електролюмінісцентна панелі Успіхи в галузі досліджень і виробництва пристроїв світлового відображення візуальної інформації надали споживачам зокрема Електролюмінісцентна панелі (ЕЛІ) ЕЛІ – твердотельное пристрій, робота, якого заснована на ефекті предпробойной елек-тролюмінісценціі Якщо порошковий люмінофор помістити між обкладинками конденсатора, на який подається змінна напруга звукової частоти зі значенням близьким до напруги пробою, то на краях частинок люмінофора під дією змінної напруги концентрується сильне електричне поле Це поле прискорює вільні електрони, здатні іонізувати атоми Утворилися дірки захоплюються центрами люминисценции, на яких при зміні напрямку поля рекомбинируются електрони, випускаючи фотони світла Для ЕЛП використовуються різні типи матеріалів, що світяться: порошки та плівки, що випромінюють світло при протіканні постійного або змінного струму Завдяки малому енергоспоживанню ЕЛП можна використовувати в якості різних засобів відображення інформації: датчиків візуальної інформації про механічних та електричних величинах, виміряних різними способами і методами, інформаційних матричних екранів, буквено-цифрових індикаторів, мнемонічних схем технологічних процесів, світильників, світлових покажчиків і т п ЕЛП пріоритетні при великих габаритах світяться поверхонь Електроліт-мінісцентние (ЕЛ) прилади застосовують для створення панелей сегментного типу з динамічним управлінням, в яких знакосинтезирующие індикатори мають розміри від 50 до 300 мм завтовшки 1 .. 5 мм, а розміри пікселя знаходяться на рівні 0,8 мм Рівень яскравості світіння відповідає рівню яскравості світлодіодних приладів Основний елемент конструкції ЕЛП – світиться частина Конструктивними елементами є також корпус, електричні контактні пластини, герметизуючі пластини і електричний розєм (рис 162)

Рис 162 Структури ЕЛП на склі (а) і на органічній основі (6)

Світиться частина може бути виконана на скляній підкладці товщиною

3 .. 8 мм, рис 162, а, або на полімерній плівці товщиною менше 1 мм Люминофор на основі сульфіду цинку розміщений в сполучному речовині між обкладинками конденсатора (металевий електрод – електропровідна плівка) Токопроводящая плівка – це прозорий електрод на основі оксиду олова або індію, прозорість яких перевищує 80% Нанесення шарів один на одного виконується методом пульверизації або трафаретного друку Колір світіння ЕЛП визначається типом люмінофора і може бути блакитним, зеленим, жовтим, червоним Яскравість випромінювання ЕЛП прямо пропорційна частоті живлячої напруги в робочому діапазоні 50 .. 2000 Гц і визначається також типом люмінофора Найяскравіше ЕЛП із зеленим або лимонно-жовтим спектром випромінювання Значення напруги харчування залежить від товщини шару люмінофора (товщина діелектрика в плоскому конденсаторі) і становить 100 .. 250 В Яскравість світіння протягом перших 100 год роботи знижується на 10%, а потім убуває за лінійним законом Ресурс ЕЛП – це час, за який яскравість його світіння зменшиться в два рази Зменшення частоти збудливого напруги дозволяє зберігати яскравість світіння ЕЛП

Сучасний стан технології виробництва оптоелектронних приладів (світлодіодів) створило прилади по інтенсивності випромінювання перевищують інші джерела світла (табл 4) Вони дозволяють економити до 90% електроенергії, володіють високим ресурсом (більше 100 ТОВ годин), тому стають економічними і екологічними приладами

Таблиця 4

Светоотдача різних джерел світла

Тип джерела

Светоотдача, лм / Вт

Звичайні лампи

12

Вольфрамові галогенні

20

Компактні флуорісцентние

55

Інду кціонние

70

Металогалоїдні

90

LED (білого світіння)

доЮО

Розглянемо один з варіантів світлодіодної лампи Головний показник ефективності світлодіодної лампи (CJI) – її світловіддача (лм / Вт – одиниця світлового потоку (люмен) на одиницю споживаної електричної потужності (Вт) Така висока світловіддача обумовлюється InGaN-кристалом світлодіода на сапфіровою підкладці або на підкладці з монокристала кремнію Світловипромінюючих InGaN-crpyктура на карбід кремнію має велику світловіддачу, крім цього має більш ніж в 10 разів більшу теплопровідність, ніж на підкладці з сапфіра, що значно покращує відведення тепла від кристала, збільшити світловий вихід і ефективність CJI На рис 163 приведена конструкція варіанту CJI, яка забезпечує адекватний відвід тепла від кристала, витримує термоціклірова-ня, має високу технологічність монтажу Технологія виготовлення CJI передбачає пайку кристала, що знижує тепловий опір між кристалом і корпусом Однак при цьому виникає доданий контакт між тепловідвідними підставою і кристалом, що вимагає електричної ізоляції CJI при монтажі Це збільшує тепловий опір між корпусом і радіатором Крім того, кремнієва підкладка і мідне тепловідвідними підставу мають сильно відрізняються коефіцієнти обємного розширення, що при термоцік-лювання може призвести до порушення евтектики і навіть до пошкодження кристала

Рис 163 Конструкція світлодіодної лампи

Конструкція CJI на карбід-кремнієвій підкладці володіє великим запасом теплопровідності і максимальній робочій температурі (600 ° С), а застосування керамічного підстави з близькими до структури CJI температурними коефіцієнтами обємного і лінійного розширення знімає проблему механічних напруг в кристалі Автоматично вирішується проблема електричної ізоляції кристала від тепловідведення Рекомендується використання методу «плаваючою» лінзи, яка кріпиться за рахунок адгезії до крем-нійорганіческому гелеобразную герметику, що виключає механічні напруги при термоциклировании і забезпечує автофокусування лінзи в широкому діапазоні температур навколишнього середовища

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р