Газоразрядные элементы индикации

Слайд 1,2

Лекция 7.

Индикаторные приборы и их применение

Эффективное и надежное использование многих систем промышленной электроники невозможно без участия человека-оператора в управлении, который должен получать необходимые сведения о работе системы и контролируемых параметрах. Этой цели служат устройства, предназначенные для преобразования различных данных в видимое изображение и называемые устройствами визуального отображения информации.

Устройства отображения информации могут решать простейшие, но весьма важные задачи контроля состояния системы: «Работает», «Не работает», «Включено», «Выключено», «Стоп» и т. д. В более сложныхслучаях на них возлагается функция отображения цифровой,текстовой, формульной, графической и условно-знаковой информации, характеризующей технологический процесс, работу производственного объекта, группы объектов и целой системы.

Техническими средствами отображения информации оснащаются контрольно-измерительная и счетно-решающая аппаратура. Ими оборудуются пульты управления индивидуального, группового и коллективного пользования. Важную роль играют устройства отображения для вывода информации от цифровых вычислительных и управляющих машин.

Устройства отображения информации выполняют на основе элементов индикации, преобразующих электрические сигналы в визуальную информацию.

Элементы индикации различают по физическим явлениям, используемым для получения изображения. В элементах индикации применяются следующие физические явления:

1) свечение нити накала при протекании тока (накальные индикаторы);

2) свечение некоторых кристаллических веществ под воздействием электрического поля (электролюминесцентные индикаторы);

3) свечение люминофорного покрытия при бомбардировке электронами (вакуумно-люминесцентные индикаторы и электронно-лучевые приборы);

4) свечение газа при электрическом разряде (газоразрядные элементы индикации);

5) излучение квантов света при рекомбинации носителей заряда в кристаллических веществах (полупроводниковые светодиодные элементы индикации);

6) изменение оптических свойств вещества под воздействием электрического поля (жидкокристаллические индикаторы).

Слайд 3(1)

Вакуумно-люминесцентные индикаторы

Основными элементами вакуумно-люминесцентных индикаторов являются последовательно расположенные один за другим катод прямого накала, сетка и несколько анодов, размещенных в одной плоскости.

Накаленный катод, выполняемый в виде нити из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), служит источником эмиттируемых электронов. Для повышения эмиссионной способности на поверхность катода наносят специальное оксидное покрытие (оксидные катоды).

Аноды выполняют в виде знакосинтезирующих металлических сегментов, покрытых люминофором. Каждый сегмент имеет отдельный вывод, к которому прикладывается напряжение положительной полярности относительно катода. Расположенная между катодом и анодами металлическая сетка предназначена для управления током индикатора. При положительном потенциале на сетке относительно катода (обычно равном потенциалу на анодах) поле сетки оказывает сильное ускоряющее действие на электроны, эмиттируемые катодом. Проходя сквозь сетку, электроны попадают затем в поле тех анодов, к которым подано напряжение. При столкновении с поверхностью анодов электроны вызывают свечение люминофора (обычно зеленое). Сочетание светящихся сегментов создает изображение соответствующего знака. Индикация производится через поверхность

стеклянного баллона со стороны катода. При потенциале на сетке, близком к нулю, проходящий через сетку поток электронов мал, в связи с чем свечение анодов отсутствует.

Внешний вид, расположение сегментов и конфигурация воспроизводимых

цифр знакосинтезирующего вакуумно-люминесцентного индикатора ИВ-3 показаны на рис. 7.1, а — в. В других типах знаковых индикаторов (например, полупроводниковых) сегменты 8, 9 могут отсутствовать, что упрощает конструкцию индикатора и его систему управления. Конфигурация воспроизводимых цифр 2, 7 в семисегментных знаковых индикаторах показана на рис. 7.1, г.

Рис. 7.1. Внешний вид (а), расположение сегментов (б) и конфигурация воспроизводимых цифр знакосинтезирующего вакуумно-люминесцентного индикатора ИВ-3 (в), воспроизведение цифр 2, 7 в семисегментных индикаторах (г)

Слайд 3(2)

Вакуумно-люминесцентные индикаторы применяются в непрерывном и импульсном режимах работы.

Непрерывный режим работы характеризуется напряжением на анодах и сетке до 25 В, суммарным током анодов до 0,5мА и током сетки до 3 мА. Параметрам импульсного режима соответствуют напряжения на анодах и сетке до 50 В, суммарный ток анодов в импульсе до 5 мА, ток сетки в импульсе до 15 мА. Потребляемый цепью накала ток не более 50 мА при напряжении накала до 1 В. Сравнительно низкие напряжения питания и потребляемые токи анодов и сетки этих индикаторов согласуются с параметрами МДП-транзисгоров, на которых в настоящее время выполняютсяуправляющие ключи. Яркость свечения индикаторов составляет 300—500 кд/м² (кандела-единица силы света), срок службы не менее 3 тыс. ч, высота отображаемых знаков до 25 мм. Динамические свойства индикаторов характеризует показатель быстродействия, определяющий время изменения яркости свечения при подаче (снятии) напряжения на сетку (аноды). Время

изменения яркости измеряют относительно уровней 0,1 и 0,9 номинального значения яркости. Для вакуумно-люминесцентных индикаторов оно составляет не более 10^-3 с.

Цифровые вакуумно-люминесцентные индикаторы применяются в портативной контрольно-измерительной и счетно-решающей аппаратуре. Они предназначены для отображения в десятичной системе счисления информации, записанной в счетчиках, последовательных или параллельных регистрах. Количество используемых индикаторов равно количеству разрядов отображаемого десятичного числа.

Для управления вакуумно-люминесцентными индикаторами используют статический и динамические (мультиплексные) методы. При статическом (непрерывном) методе управление индикатором каждого разряда осуществляют независимо от индикаторов других разрядов. При мультиплексном управления одноименные сегменты индикаторов всех разрядов объединяют.

Слайд 4(1)

Газоразрядные элементы индикации

В газоразрядных приборах, предназначенных для отображения информации, используется свечение, сопровождающее электрический разряд в газе. Это явление одним из первых нашло применение для индикации. Благодаря непрерывному совершенствованию и использованию новых принципов, высокой надежности и долговечности газоразрядные элементы индикации долгое время  широко применялись на практике.

Приборы выполняются с холодным катодом (без специального подогрева). Все они относятся к приборам самостоятельного (т. е. без накаленного катода) тлеющего разряда

Впростейшем виде (рис. 7.2, а) прибор состоит из стеклянной колбы с размещенными внутри двумя плоскими металлическими электродами дискообразной формы, один из которых выполняет функцию катода, а другой — анода. После предварительного создания вакуума прибор наполняют инертным газом.

Рисунок 7.2 - Схема включения двуханодного газоразрядного индикатора (а),  его вольт-амперная характеристика (б),                                                                   поверхность катода, участвующая в эмиссии при Iа < Iа mах (в) и Iа ≥ Iа mах(г)

Прибор через ключ К и балластный резистор Rа подключают к источнику напряжения питания отрицательным полюсом к катоду и положительным — к аноду. Катод является источником электронов, которые после прохождения промежутка катод анод собираются анодом.

Слайд 4(2)

Рисунок 7.2 - Схема включения двуханодного газоразрядного индикатора (а),  его вольт-амперная характеристика (б),                                                                   поверхность катода, участвующая в эмиссии при Iа < Iа mах (в) и Iа ≥ Iа mах(г)

Если плавно уменьшать сопротивление балластного резистора Rа, начиная от больших значений, ток через прибор будет постепенноувеличиваться в соответствии с его вольт-амперной характеристикой (рис. 7.2, б), достигая области тлеющего разряда

(участка CD на рис. 7.2, б).

Участки Оа и аb при малом токе через прибор характеризуются почти линейным распределением потенциала в межэлектродном промежутке анод — катод в связи с очень малой концентрацией ионов в объеме. Поэтому свечение газа незначительно. Участок bс является переходным к участку тлеющего разряда cd.

При тлеющем разряде ток через прибор существенно больше и концентрация положительных ионов в межэлектродном промежутке довольно велика. Из-за присутствия ионов устанавливается такое распределение потенциала, при котором почти все подводимое к прибору напряжение приходится на его при катодную область. В прикатодной области создается высокая напряженность электрического поля, обеспечивающая участие ионов в электронной эмиссии катода. Электроны покидают катод под воздействием бомбардировки его ионами, получающими ускорение в прикатодной области (ионно-электронная эмиссия).

Вследствие высокой напряженности электрического поля в прикатодной области покидающие катод электроны приобретают на участке свободного пробега большую скорость (энергию), в связи с чем при последующих столкновениях с атомами газа они способны вызвать их ионизацию и возбуждение.

Ионизация обусловлена отрывом валентного электрона от атома и превращением последнего в положительно заряженный ион. Благодаря ионизации у катода в установившемся разряде создается неизменная концентрация ионов.

Слайд 4(3)

Рисунок 7.2 - Схема включения двуханодного газоразрядного индикатора (а),  его вольт-амперная характеристика (б),                                                                   поверхность катода, участвующая в эмиссии при Iа < Iа mах (в) и Iа ≥ Iа mах(г)

Возбуждение заключается в переходе валентного электрона атома газа на более высокий энергетический уровень под воздействием столкновения с электроном. В состоянии возбуждения атом находится малое время (до 10^-7 с), после чего его электрон возвращается на прежний уровень энергии, соответствующий стационарному состоянию. Возвращение электрона на стационарный уровень энергии сопровождается излучением кванта света с длиной волны, зависящей от рода газа. Из-за возбуждения большого количества атомов прикатодный слой покрыт интенсивным свечением газа, что и используется для индикации.

Участок тлеющего разряда cd (рис. 7.2, б) характеризуется постоянством плотности эмиссионного тока Jк катода и почти неизменным падением напряжения па приборе при изменении тока анода Iа (нормальный тлеющий разряд). Росту тока Iасоответствует пропорциональное увеличение площади катода, участвующей в эмиссии (рис. 7.2, в, г) соответственно при малом и большом токах. В точке d вся поверхность катода участвует в эмиссии (рис. 7.2, г), свечение плотно покрывает катод и имеет его форму.

Дальнейшее увеличение тока возможно за счет более интенсивной бомбардировки катода ионами. Это требует повышения скорости ионов (их энергии) в прикатодной области, т. е. увеличения катодного падения напряжения на приборе. Наклонный участок de (рис. 7.2, б) относится к так называемому  аномальному тлеющему разряду . Непрерывный режим работы газоразрядных приборов допустим лишь на начальном участке аномального тлеющего разряда (вблизи точки d).

Это связано с тем, что при больших токах аномального тлеющего разряда происходит быстро протекающий процесс распыления катода под воздействием ионной бомбардировки, уменьшающий срок службы катода. Указываемый в справочниках допустимый ток в непрерывном режиме часто определяют по максимальному значению тока анода I_{а мах} нормального тлеющего разряда. В импульсном режиме работы ток в импульсе может быть большим. В этом случае гарантируется полное покрытие свечением поверхности катода, что важно, например, для цифровых газоразрядных индикаторов. Интенсивность же распыления катода при этом в среднем может уменьшиться, а его срок службы - возрасти, если среднее значение тока в импульсном режиме будет меньше тока в непрерывном режиме.

Слайд 4(4)

Рисунок 7.2 - Схема включения двуханодного газоразрядного индикатора (а),  его вольт-амперная характеристика (б),                                                                   поверхность катода, участвующая в эмиссии при Iа < Iа mах (в) и Iа ≥ Iа mах(г)

Для создания тлеющего разряда подводимое напряжение Е должно превышать напряжение возникновения разряда U_в.р   (рис. 7.2, б). Режим работы прибора определяется точкой пересечения линии нагрузки (пунктирной прямой) с вольт-амперной характеристикой тлеющего разряда. Возникновение разряда осуществляют включением ключа К, функцию которого в схемах управления индикаторами выполняет транзистор, работающий в ключевом режиме.

Напряжение возникновения разряда U_в.р   и поддержания разряда (U_п.р =U_а.тл) зависят от материала катода и рода используемого газа. В качестве материалов катода наибольшее применение получили никель и молибден. Лучшим газовым наполнителем по яркости и контрастности свечения является неон (цвет свечения светло-оранжевый), а также его смеси с аргоном, криптоном, гелием или ксеноном. Последние обеспечивают снижение напряжений возникновения и поддержания разряда, что важно для практического применения приборов.

Простейшими приборами тлеющего разряда являются двухэлектродные световые индикаторы, называемые обиходе неоновыми лампами. Форма их электродов может быть самой различной: в виде дисков, колец, стержней и т. д. Индикаторы имеют обычное и микроминиатюрное исполнение. Двухэлектродные индикаторы можно использовать и на переменном токе. В индикаторах переменного тока электроды попеременно выполняют функции катода и анода. Форма электродов однотипна (оба электрода, например,в виде круглых дисков или колец). Двухэлектродные индикаторы выпускаются на широкий диапазон рабочих напряжений (60— 100 В и выше). Рабочий ток индикаторов зависит от их типа и может составлять 0,1 —30 мА.

Слайд 5(1)

Тлеющий разряд используется при выполнении знаковых и знако-синтезирующих газоразрядных индикаторов.

Знаковые индикаторы -  это многокатодные приборы с одним или двумя анодами. Катоды выполняются из тонкой проволоки в виде цифр, букв, математических символов, располагаются один за другим и связаны с внешними выводами прибора. Индикация производится через стеклянный баллон по свечению, покрывающему тот или иной катод при тлеющем разряде.

В одноанодных индикаторах анод является общим электродом для всех катодов. При двуханодной конструкции катоды разбивают на две группы. Каждая из групп с относящимся к ней анодом предназначена для воспроизведения определенного вида знаков. Так, в индикаторе ИН-4 одна группа катодов используется для отображения четных чисел в пределах десяти, а другая — нечетных. Двуханодная конструкцияпозволяет упростить схему управления индикатором.

Катоды в знаковых индикаторах располагаются друг за другом параллельно торцу (при торцовой индикации) или стенке (при боковой индикации) баллона (рис. 7.3, а — в).

Рис. 7.3- Знаковые газоразрядные индикаторы: а -  схема размещения электродов в одноанодном цифровом индикаторе; б - габаритные размеры цифрового индикатора ИН-18 с боковой индикацией; в — виды сверху и сбоку знакового индикатора ИН-15Б с торцовой индикацией

Число катодов обычно не превышает 10-12, чем определяется длина алфавита высвечиваемых знаков. Форму катодов, их размеры и последовательность расположения выбирают из условия минимального затемнения сзади расположенных знаков. Анод выполняют в виде сетки из тонкой проволоки. Для обеспечения соразмеримых расстояний между анодом и каждым из катодов сетчатый анод размещают в двух плоскостях между катодами (рис. 4.7, а). Режим работы знаковых индикаторов осуществляют при наибольшем токе нормального тлеющего разряда. Это вызнано необходимостью покрытия всей поверхности катода свечением для отчетливого формирования знаков. Напряжение возникновения разряда в знаковых индикаторах находится в пределах 170—200 В. Потребляемый ток составляет 2- 10 мА на знак.

Слайд 5(2)

В знакосинтезирующих (сегментных) газоразрядных индикаторах катоды располагаются в одной плоскости (рис. 7.4) и имеют форму линейных отрезков.

Рис. 7.4 – Пример расположения катодов в знакосинтезирующих газоразрядных индикаторах.

Схема расположения отрезков и их число зависят от требований к количеству воспроизводимых знаков. Анод здесь, также выполняемый в виде сетки из тонкой проволоки, размещают перед плоскостью катодов. В знакосинтезирующих индикаторах полностью исключается некоторое искажение знаков за счет теневого эффекта передних катодов, существующеев знаковых индикаторах. Угол возможного наблюдения для знакосинтезирующих индикаторов составляет 120—150° вместо 60° для знаковых. Знакосинтезирующие индикаторы выпускаются с большим числом знакомест плоской конструкции. Приборы характеризуются примерно теми же значениями напряжения возникновения разряда, что и в знаковых индикаторах. Потребляемый ток составляет доли миллиампера на сегмент.

Газоразрядные индикаторы создаются с высотой отображаемых знаков от 9 мм (миниатюрное исполнение) до 40 мм и более. Возможность получения сравнительно больших размеров знаков является существенным преимуществом газоразрядных индикаторов. Их достоинством является также высокая яркость свечения (50— 100 кд/м2(кандела-единица силы света)),а также благоприятный для зрительного восприятия светло-оранжевый цвет свечения. Срок службы газоразрядных приборов не менее

10 тыс. ч, быстродействие 10^-4 – 10^-3 с.

Газоразрядные индикаторы применяются в стационарной контрольно-измерительной аппаратуре, например в щитовых устройствах отображения информации, т. е. в тех случаях, когда не возникает особых трудностей в использовании газоразрядных приборов из-за высокого напряжения управления и большей по сравнению с другими индикаторами потребляемой мощности.

Слайд 6(1)