|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Устройства отображения информации
План
Сегментные индикаторы Матричные индикаторы
Индикаторные устройства предназначены для вывода информации в удобной для человека визуальной форме. Иначе говоря, индикаторы - это средство общения машина - человек. Визуальный способ передачи информации самый эффективный: о его помощью в единицу времени можно передать в десятки раз больший объем информации, чем, например, по звуковому каналу. Сейчас трудно представить себе электронный прибор без индикатора, причем сами индикаторы становятся более информативными и удобными для человека. Всего тридцать лет назад выбор индикаторов был крайне ограничен. В основном это были стрелочные приборы типа амперметров и вольтметров, простейшие накальные и газоразрядные индикаторы. Самым совершенным из них казался экран осциллографической трубки. В последние годы в связи с бурным развитием вычислительной, измерительной и информационной техники потребность в индикаторах возросла многократно. Появились принципиально новые типы индикаторов, которые, в свою очередь, стимулировали развитие микроэлектроники. Как пример можно привести жидкокристаллические индикаторы, которыми снабжен каждый второй калькулятор и почти вое электронные часы. Без жидкокристаллических индикаторов эти приборы не могли бы быть такими компактными, долговечными и дешевыми. Созданы индикаторы, работающие на разливших принципах и способные отображать любую информацию: цифровую, буквенную, графическую - во множестве цветов и цветовых оттенков. Разработаны аналоги стрелочных индикаторов, практически безынерционные, но боящиеся ударов и вибраций. Сложные индикаторы – дисплеи - могут одновременно отображать целые страницы буквенной, цифровой и графической информации. И все же нельзя считать, что в области индикаторов все исследовано и разработано. Каждый из известных типов индикаторов наряду с достоинствами имеет недостатки. Индикатор, сочетающий все достоинства, еще не создан. Вероятно, в будущем появятся новые более совершенные типы индикаторов. Наметилась явная тенденция - разработка плоского аналога электронно-лучевой трубки. Практически все типы индикаторов опробованы для этой цели и уже имеются определенные достижения. Совершенствование индикаторов непосредственно связано с развитием микропроцессорной техники, которая позволяет создавать более эффективные схемы управления индикаторами. С другой стороны, современные индикаторы позволяют более полно и информативно представлять результаты работы микропроцессорных систем. Большая роль в разработке и исследовании индикаторных устройств принадлежит русским и советским ученым. В 1922 году советский физик Лосев О.В. обнаружил явление излучательной рекомбинации и создал первые светодиоды. В дальнейшем исследование различных типов индикаторов продолжили Агейкин Д.И., Готра З.Ю., Яблонский Ф.М. и многие другие. В результате проведенных разработок было создано большое разнообразие серийных индикаторов.
Система параметров индикаторов Для характеристики индикаторов разработана система параметров, отражающая физические свойства и воздействие индикаторов на человека, а также особенности их электрического возбуждения. Эта система позволяет объективно сравнивать различные типы индикаторов и выбирать наилучшие для каждого применения. Световой поток Ф, лм - это полный поток излучения, отдаваемый индикатором в видимой области спектра. Для характеристики индикаторов используется редко. Сила света Jсв, кд - световой поток в единице телесного угла, I кд = I лм/стер. Приближенно можно считать, что силой света в I кд обладает лампа в I Вт или обыкновенная свеча. Оптика (линзы) позволяет усилить свет в определенном направлении. Характеристика силы света используется преимущественно для точечных индикаторов. Нормальной для восприятия считается сила света от 0,1 до 10 мкд. Яркость L, кд/м2 - отношение силы света к площади излучателя. При любом перемещении наблюдателя относительно плоского излучателя яркость не меняется, так как одновременно изменяется сила света и площадь излучателя. Линзы также не изменяют яркость, но они увеличивают кажущуюся площадь излучателя. Яркость чаще используется для характеристики индикаторов большой площади: цифровых, знаковых, матричных. Нормальной считается яркость от 30 до 3000 кд/м2. Контраст К - безразмерная величина, равная отношению яркости символа к яркости фона. Может характеризовать как активные, так и пассивные индикаторы. В последнем случае подразумевается вторичная яркость, то есть яркость отраженного света. Для нормального восприятия необходимо, чтобы К была больше 3:1. Диаграмма направленности - это зависимость силы света от угла, отсчитываемого от направления нормали к плоскости излучателя или его главного направления. Угол излучения α изл измеряется в угловых градусах, характеризует остроту диаграммы направленности. Определяется как угол между двумя направлениями, для которых сила света уменьшается в два раза. Для плоского источника излучения малых размеров α изл =120°. С помощью оптики можно существенно изменять α изл . Спектральная характеристика излучения, или длина волны излучения λизл для монохроматических источников света. Считается, что видимая глазом человека область спектра простирается от 360 ни до 760 нм (рис.1).
Рис.1. Спектральная диаграмма цветов излучения.
Напряжение питания U пит, В - параметр, определяющий совместимость индикатора с управляющей электронной схемой. Для хорошей совместимости необходимо, чтобы U пит <5 В. Важна также характеристика U пит: постоянное, переменное, импульсное. Это определяет необходимость построения специальной схемы питания и преобразователей напряжения, что усложняет разработку и увеличивает помехи. Потребляемая мощность Рпотр, Вт - мощность источника питания для обеспечения поминальной яркости или контраста индикатора. Для переносной МЭА необходима как можно меньшая величина Р потр.
Светоизлучательные диоды Светоизлучающие диоды (СИД) в современной МЭА являются самыми массовыми по численности и сферам применения. Это обусловлено их уникальными характеристиками: кристаллы СИД - самые миниатюрные источники света, их размеры обычно не превосходят 0,3x0,3x0,3 мм, они не требуют вакуумирования в стеклянную колбу надежны, работают при малых токах и напряжениях и хорошо совместимы с ТТЛ-схемами. Явление люминесценции в естественных р-п, переходах карбиде кремния было открыто советским ученым Лосевым еще в 1923 году, умышленные разработки СИД ведутся с 1962 года; к настоящему времени световую эффективность СИД удалось повысить в десятки рва путем физических, технологических и конструктивных усовершенствований.
Физические основы работы СИД В основе принципа работы СИД заложено явление излучательной рекомбинации, то есть излучение света при прохождении прямого тока через р-п переход [I]. Рассмотрим это явление в простом р-п переходе, как показано на рис. 2. В исходном состоянии две участка р - и п - типа одного и того же полупроводникового материала изолированы друг от друга, их зонные диаграмма представлены на рис.2.а. При плотном соприкосновении этих участков, а еще лучше при изготовлении их в едином монокристалле уровни Ферми EF выравниваются, а зонная диаграмма в переходной области становится ступенчатой. При приложении к р-п переходу прямого напряжения высота ступеньки уменьшается и носители заряда (электроны) инжектируются в р-область. Здесь они, являясь не основными носителями, рекомбинируют с дырками. При этом высвобождается энергия в виде кванта излучения (фотона), равная ширине запрещенной зоны, то есть hυ>>∆E .
Рис.2. Механизм излучательной рекомбинации: а - материалы p- и n- типа изолированы друг от друга; б - области р и n возданы в едином монокристалле; в - к р-п переходу приложено прямое напряжение, ∆E -ширина запрещенной зоны, EF -уровень Ферми, hυ- энергия кванта.
Кроме того, возможна безызлучательная (фононная) рекомбинация, когда электрон рекомбинирует на примесных уровнях в запрещенной зоне. Для характеристики излучательной рекомбинации введено понятие внутренней квантовой эффективности ηвнутр, равной отношению количества излученных фотонов к количеству электронов, инжектированных через р-п переход:
где τ изл - время жизни инжектированного электрона по отношению к излучательному переходу; τ без изл - то же по отношению к безызлучательному переходу. В практически используемых ОВД ηвнутр = 0,3-0,9. Рассмотренная картина является простейшей, она описывает только некоторые СИЛ. Реальные СИД имеют более сложную зонную диаграмму, показанную на рис. 3. В координатах энергия Е, квазиимпульс ¯к зонная диаграмма многих полупроводниковых материалов имеет два минимума. Законы квантовой механики разрешают переход,
а) б) Рис 3. Рекомбинация в не прямозонном полупроводнике: а-непосредственная рекомбинация; б - рекомбинация через экситонные центры; I - зона проводимости, 2 –валентная зона; 3 - прямозонный переход; 4 - не прямозонный переход; 5 - уровень экситонного центра.
при которых Для того чтобы сделать такие переходы возможными, вводят "экситонные центры" рекомбинации. Механизм действия этих центров заключается в следующем: в кристаллическую решетку внедряются атомы примеси, имеющие такую же валентность, как атомы решетки, но меньший порядковый номер в периодической таблице. Свободные электроны этих атомов находятся ближе к положительно заряженному ядру и сильнее с ним связаны, чем электроны атомы решетки. Образуются потенциальные ямы для свободных электронов решетки. Происходит локализация свободных электронов на "экси-тонных центрах". В соответствии с принципом неопределенности значение квазиимпульса электронов К размывается и с большой вероятностью становится равным квазиимпульсу для дырок в максимуме валентной зоны. Рекомбинация становится возможной, при этом излучается фотон с энергией hυ, равной разности энергий ∆E "экситонного центра" и максимума валентной зоны. Длина волны излучения для прямозонных и не прямозонных переходов определяется по общей формуле:
где ∆E - ширина запрещенной зоны, либо разность энергий между уровнями экситонных центров. Реально излучение происходит в некоторой узкой полосе длин волн вблизи .
Материалы для СИД Наиболее известный полупроводниковый материал - кремний - для СИД не годится. Действительно, как следует из формулы (2.2), длина волны излучения кремния λизл - 1240/1,12 = 1100 нм лежит в дальней инфракрасной области, невидимой для глаза человека; при этом ηвнутр также низка. Для СИД сейчас повсеместно используют полупроводниковые соединения типа А III В V , то есть соединения материалов третьей и пятой групп периодической системы Д.И. Менделеева.
А III : В ; Al; Ga; Jn; Tl. В V ; N; Р ; As; Sb; В i. Возможны двойные и тройные соединения с разным процентами составом. Наиболее известны такие соединения: Ga Р; Si С; GaAs 1- x ; GaxAl 1- x As , , причем формула GaAs 06 P 04 означает, что на 10 атомов Ga приходится 6 атомов А s и 4 атома Р , Характеристики некоторых материалов для СИL приведены в табл. 1. Т а б л и ц а 1. Характеристики материалов дай СИД
Типичный представитель не прямозонных материалов – G аР. Его зонная диаграмма показана на рис. 2. Вводя различные добавки, образующие экситонные центры, можно получать различные цвета излучения. Соединение G аР: N дает зеленый цвет излучения, а GаР: Z пО - красный. Это позволяет создавать двух цветовые индикаторы в одном кристалле. Тройные соединения в зависимости от процентного содержания могут быть как прямозонными, так и не прямозонными. Как следует из табл.1, наиболее распространены красные излучатели, причем возможны различные длины волн (оттенки) красного цвета: 699, 649, 675 нм. Синие светодиода на G а N пока известны только в виде лабораторных образцов из-за сложности создания р-п переходов в этом материале. Для создания излучателей в ИК области широко используют GаА s, обладающий высокой ηвнутр.
Рис.4. Принцип образования различного цвета излучения GаР,а - зеленое излучение из G аР: N (∆E = 2,17 эВ); б - красное излучение из GаР: Z пО (∆E= 1,77 эВ).
Конструкция точечных СИД Основой светодиодных излучателей является кристалл, в котором создан плоский р-п переход. Перехода создают методом диффузии либо эпитаксии в пластинах большой площади, которые затем разрезаются на кристаллики с размерами приблизительно 0,3x0,3x0,3 мм. К р - и n-областям нужно обеспечить надежный электрический контакт. Излучение зарождается в тонком слое р-п перехода (толщиной несколько микрон) и направляется во все стороны. В зависимости от ориентации кристалла по отношении к наблюдателю различают планарные и торцевые излучатели (рис. 5.). Пленарные излучатели имеют большую светящуюся площадь, равную площади плоскости кристалла за вычетом металлизации. Но часть излучения теряется на поглощение в слое полупроводникового мате риала р - типа, как показано на рис. 5.,а. Металлический пленочный контакт имеет кольцевую форму, что обеспечивает потенциал и, следовательно, яркость излучения по всей поверхности кристалла.
В торцевых излучателях светится непосредственно торец р-п перехода, потерь на поглощение нет, яркость высока, но из-за малой ширины р- n перехода световой поток меньше, чем для планарного излучателя. Конструкция проста, металлизация поверхностей сплошная, однако в качестве индикаторов торцевые СИД используют редко из-за низкой световой эффективности. Такая конструкция характерна для полупроводниковых лазеров. Наиболее распространена конструкция, в которой используется как плоскостное, так и торцевое излучение (рис. 6).
Рис.6. Принцип использования торцевого излучения кристалла СИД: а - поперечное сечение кристалла в отражателе; б-вид на излучатель сверху; I - кристалл; 2 -зеркальные поверхности; 3 - плоскостное излучение; 4 - торцевое излучение.
Достигается это с помощью миниатюрного отражателя, в который помещают кристалл, направляющий почти все излучение к наблюдателю. В настоящее время известны три основных варианта герметизации точечных СИД, показанные на рис. 7.
Рис.7. Варианты герметизации дискретных СИЛ: в – бескорпусной; б - в металлостеклянном корпусе;в - в прозрачном полимерном корпусе; г - кристалл СИД;2 - вывода; 3 - прозрачный полимер; .4 - стекло; 5 - полезное излучение.
Герметизация защищает кристалл от внешних воздействий и одновременно формирует световой поток. В бескорпусном варианте кристалл заливается капелькой прозрачной пластмассы и излучает свет во все сторона αизл=360°. Достоинством варианта является миниатюрность, однако сила света невелика. Металлостеклянный корпус обеспечивает высокую надежность по отношению к тепловым и климатическим воздействиям, но сила света таких индикаторов также мала. Наиболее распространены полимерные корпуса из прозрачной или окрашенной пластмассы. В таких индикаторах существенно возрастает сила света, контрастность, направленность излучения.
Внешняя квантовая эффективность СИД 1. Поглощение в толще полупроводникового материала. Фотон, генерированный в области р-п перехода, имеет энергию, равную ширине запрещенной области полупроводникового материала. Следовательно, при прохождении через этот материал возможен фотоэффект, то есть поглощение фотона. Вот почему верхний слой материала (чаще всего р- типа ) делают как можно тоньше. Эффективность СИД, с учетом поглощения характеризуют коэффициентом ηвнутр, численное значение которого составляет 0,4 - 0,9. 2. Френелевские потери, связанные с прохождением света через границу кристалл - воздух, независимо от угла падения луча света на эту границу. Эффективность СИД с учетом френелевских потерь характеризуется коэффициентом ηфр :
где ηв - I - оптическая плотность воздуха; пкр =3,4 - оптическая плотность кристалла. При этом получаем ηфр =0,7. 3. Потери на полное внутреннее отражение. Вследствие того, что свет выходит из более плотной оптической среда (из кристалла) в менее плотную (воздух), существует критический угол αкрит за пределами которого луч отражается от границы раздела и возвращается в кристалл:
Для указанных значений ηв и пкр αкрит = 17°. Эффективность СИД с у четом потерь на внутреннее отражение определяется коэффициентом потр :
Произведение трех перечисленных коэффициентов характеризует оптическую эффективность попт вывода излучения из кристалла СИД:
Внешняя квантовая эффективность СИД пвнеш определяется как:
и характеризует количество фотонов, вышедших из кристалла, к количеству электронов, инжектированных через р-п переход. По сути дела это КПД СИД, так как энергии инжектированных электронов и излученных фотонов практически одинаковы. Конструктивные пути повышения внешней квантовой эффективности Путем выбора более рациональной конструкции СИД можно в несколько раз повысить его эффективность. Наиболее просто это достигается для СИД в прозрачном полимерном корпусе (рис,2.6,в), Введение промежуточного слоя пластмассы с показателем преломления ппл- 1,5 уменьшает френелевские потери, определяемые аналогично:
Принцип уменьшения потерь на полное внутреннее отражение иллюстрируется рис. 8. Если кристалл граничит с воздухом, то αкрит=17°.
Рис.8. Принцип увеличения критического угла путем заливки кристалла полимером
Ход лучей в кристалле ОВД, граничащем с воздухом, αкрит=17° (а), в кристалле, покрытом плоским слоем полимера, αкрит=17°(б), в кристалле со сферическим покрытием из полимера, αкрит=26,2° (в). I - материел кристалла с пкр 3,4; 2 - полимер с ппл,=1,5; 3 - воздух с пв = I.
При нанесении на поверхность кристалла слоя пластмассы критический угол для границы кристалл - пластмасса увеличивается до величины, равной:
Однако, как видно из рис. 8,Б, дополнительная часть светового потока отражается от границы пластмасса - воздух, по отношению к выходящему излучению критический угол не возрастает и остается равным 17°. .Вывести этот дополнительный световой поток из кристалла можно, придав сдою пластмассы сферическую форму, как показано на рис, 8,в. В этом случае всякий световой луч, прошедший в слой пластмассы, выйдет из него в воздух, поскольку будет падать на границу раздела под углом, близким к прямому. Критический угол становится равным действительно 26,2° и эффективность вывода излучения из кристалла увеличивается:
вместо прежних ηвнутр = 0,0865. Итак, эффективность СИД с пластмассовым покрытием сферической формы возрастает приблизительно в 3 раза за счет увеличения критического угла и уменьшения френелевских потерь.
Формирование диаграммы направленности СИД Плоский кристалл имеет ламбертовскую диаграмму направленности, то есть сила света изменяется по закону:
где J0 - света на оси, перпендикулярной плоскости кристалла; α - угол, отсчитанный от нормали. Форма диаграммы направленности представляет собой окружность, касающуюся поверхности кристалла, как показано на рис. 9, а.
Рис.9. Диаграммы направленности СИД: а - для дискретного плоскостного излучателя; б - для кристалла, помещенного в полимерный корпус.
Угол излучения такого источника, определяемый по уменьшению силы света в 2 раза, составляет αизл =120°, Для увеличения внешней квантовой эффективности кристалл СИД помещают в центр сферы из прозрачной пластмассы, как это было показано. При этом диаграмма направленности светового потока остается ламбертовской, а сила света на оси увеличивается в п2пл= 2,25 раза. Иначе говоря, J’0 =2,25 J0 . Кроме того, можно регулировать положение кристалла относительно центра линзы; Если глубина погружения h кристалла в пластмассовую линзу больше радиуса кривизны r поверхности линзы, то диаграмма направленности вытягивается вдоль главной оси, как показано на рис. 10. Световой поток,
Рис.10. Деформация диаграммы направленности CИД выбором заглубления кристалла
выходящий из СИД, остается почти постоянным, угол излучения уменьшается, а сила света на оси увеличивается в соответствии с выражением:
Форму диаграммы направленности можно изменять и другими способами. Например, если придать пластмассовой линзе заостренную форму, то можно получить почти постоянное значение силы света в пределах αизл (рис. 11,а).
Рис.11. Специфические диаграммы направленности: а - с постоянной силой света в пределах угла излучения; б - с большим углом излучения.
В панельных индикаторах широкий угол излучения αизл =180° получается добавлением в материал линзы мелких частичек алюминиевого порошка, рассеивающих свет по всем направлениям (рис.11,б). Контрастность СИД можно существенно увеличить, добавив в материал прозрачной линзы краситель того же цвета, что и излучение СИД, Тогда собственное излучение СИД проходит через линзу без потерь, а внешняя засветка, имеющая обычно широкий спектральный состав, в значительной мере поглощается красителем.
Сверхъяркие СИД До сих пор анализировались способы увеличения внешней квантовой эффективности СИД выбором конструкции оптической системы. Рассмотрим оригинальный способ снижения потерь на поглощение в самом кристалле СИД. Ранее отмечалось, что в планарных СИД часть светового потока теряется в слое полупроводникового материале на поглощение за счет фотоэффекта. Фотоэффект можно значительно уменьшить, если ширину запрещенной зоны этого полупроводникового материала сделать, больше энергии фотонов излучения. Это достигается созданием многослойной структуры, показанной на рис.12. Излучение зарождается в р-п переходе, образованном в Ga 035 Al 065 As, имеющем ∆Е=1,84 эВ, по обе стороны от которого находится материал Ga 035 Al 065 As , имеющий ∆Е=2,02 эВ. Этот материал прозрачен для фотонов излучения, так как их энергии недостаточно для генерации электронов и дырок, то есть фотоэффекта. На обратной стороне кристалла нанесено зеркальное покрытие. Часть излучения попадает к наблюдателю непосредственно, а часть - отразившись от зеркала. Торцевое излучение также направляется к наблюдателю. Таким образом удалось существенно повысить долю полезного излучения. По данным печати, создан Сверхьяркий СИД, по силе света на порядок превосходящий обычные СИД[2].
Рис.12. Принцип увеличения полезного излучения в сверхзьярком СИД: а - структура кристалла: б - зонная диаграмма: I- материал Ga 065 Al 065 As ; 2 - материал Ga 035 Al 065 As; 3 - излучающая область; 4 - зеркальное покрытие; 5 - прямое излучение;6 - отраженное излучение.
Световая эффективность СИД Важную роль в восприятии индикатора человеком играет соответствие его излучения и спектральной чувствительности глаза. Глаза у всех людей индивидуальны, поэтому Международной электротехнической комиссией (МЭК) разработана обобщенная кривая видности человеческого глаза, показанная на рис.13. График построен в логарифмическом масштабе и отражает относительную чувствительность глаза к различным длинам волн излучения V(λ). Кривая имеет максимум при λ= 555 нм (зеленое излучение). На этой длине волны излучение мощностью I Вт соответствует световому потоку 680 лм. При других длинах волн I Вт излучения соответствует меньшему световому потоку, а именно 680 V(λ) лм. Например, для красного СИД с λ = 699 нм излучение мощностью I Вт соответствует всего 6,8 лм, так как V (699 нм) = 0,01. Световая эффективность СИД определяется как и показывает, какой световой поток в люменах можно получить, приложив к СИД электрическую мощность в I Вт .
Рис.13. Кривая видности МЭК.
В настоящее время достигнуты следующие значения световой эффективности: красные СИД - I лм/Вт; зеленные СЩ - 1,2 лм/Вт; желтые СИД - 0,5 лм/Вт. Большое распространение красных СИД объясняется значительным количеством соединений А III В V дающих красное излучение, их относительно низкой стоимостью и большим психологическим воздействием на человека.
Спектральные характеристики некоторых СИД приведены на рис.14 на фоне кривой видности и кривой чувствительности
Рис.14.Спектральные характеристики в относительных единицах: 1 - кривая видности; 2 - кривая чувствительности кремниевого фотоприемника; 3 - излучение G аР: N; 4 - излучение G аР: Z пО; 5 – излучение G а As . кремниевого фотоприемника. Ширина спектральной характеристики излучения большинства СИД не превышает 20нм. Кремниевые фотоприемники чувствительны к ИК области спектра, поэтому они могут работать совместно с любым СИД как видимого, так и ИК диапазона.
Паспортные параметры СИД
В настоящее время в СССР выпускается широкая номенклатура СИД: бескорпусных и в корпусах, различного цвета свечения, рай личной формы. Сведения по СИД можно найти в справочкой литературе [3-5]. В табл. 2. приведены характеристики и параметры некоторых промышленных образцов. Таблица 2. Параметры промышленных образцов СИД
В табл.2. указаны минимальные и максимальные значения силы света при определенном токе через СИД. Это связано о технологическим разбросом эффективности излучения. Из анализа табл. 2. можно сделать следующие выводы. 1. СИД одною типа, например АЛ341,могут иметь различный цвет излучения. 2. СИД в пластмассовых корпусах дают значительно большую силу света, чем в металло-стеклянных, а также бескорпусные СИД. 3.Сила света существенно зависит от угла излучения.Например, для СИД одинаковой конструкции и с одинаковыми кристаллами АЛ307КМ и АЛ336К максимальная сила света составляет 5 мкд и 150 мкд при углах излучения соответственно 100° и 200.
Схемы включения СИД для индикации
Схема включения должна обеспечивать номинальный режим работы СИД, а именно номинальный ток. Прежде чем определять величину тока, рассмотрим вольтамперную характеристику СИЛ в общем, виде, показанную на рис. 15. Как и для кремниевых диодов, ВАХ имеет ярко выраженный излом при Uпорог. При малых напряжениях
Рис.15. Типичная ВАХ СИД.
(U< Uпорог) ток через СИД практически равен нулю и излучения нет. При U≥ Uпорог начинается резкое увеличение тока и, если не ввести ограничительного сопротивления, ток через СИД может превысить допустимое значение. Значение Uпорог =1,2- 2,0 В зависит от цвета излучения: для красных СИД характерны малые напряжения, для желтых и зеленых - большие. Простейшая схема включения СИД состоят из источника питания напряженней U пит и ограничительного резистора R огр (рйс.16,а). Задача заключается в определении R огр при заданном U пит:
где Jсид –номинальный ток через СИД, определяющийся из паспортных данных. Например, при Jсид = 10 мА; Uпит =5 В; Uпорог = 1,5 В, получаем Rорг =330 Ом.
Рис.16.Схемы включении СИД для индикации: а - простейшая схема с ограничительным резистором; б - транзисторная схема. Если требуется управление СИД (включение и выключение, модуляция излучения), его включают в коллекторную цепь транзистора, играющего роль ключа, как показано на рис. 16,б. В этом случае величина сопротивления ограничительного резистора определялся по формуле:
где Следует заметить, что при работе совместно с ТТЛ-схемами, имеющими U пит =5 В, значительную часть напряжения приходится гасить на R огр , то есть мощность источника питания расходуется нерационально. В этом случае целесообразно использовать последовательное включение двух СИД, при этом световой поток удваивается. Известны конструкции индикаторов, в которые встроены два последовательно соединенных кристалла. Значительно более рационально питать СЩ, не постоянным, а импульсным током. При частоте импульсов выше 100 Гц мерцание становится незаметным, но достигается существенный выигрыш по мощности, потребляемой от источника питания. Для пояснения этого эффекта рассмотрим зависимость силы свете J св от тока через СИД J сид , показанную на рис. 17.
Рис.17.Зависимость силы света от тока через светодиод: 1 - линейная зависимость; 2 - сверхлинейная зависимость.
Эта зависимость называется сверхлинейной: с ростом J сид крутизна возрастает, а следовательно, повышается эффективность преобразования электрического тока в световой поток. Объясняется это тем, что при больших токах уменьшается доля безызлучательных переходов и растёт η внутр Кривая 2 на рис.17 описывается формулой: где А - коэффициент пропорциональности; л - показатель нелинейности, для GaP и GaAs 1- x Px n=1,4. При двукратной увеличении тока через СИД сила света возрастает в 2,8 раза. Однако увеличивать постоянный ток через СИД нельзя: возрастает тепловая мощность, выделяемая на кристалле что может привести к его порче. Но можно питать СИД импульсным током с большой скважностью таким образом, чтобы средний ток и средняя мощность не превышали допустимых значений. Определим скважность q следующим образом:
где τи -длительность импульса; Ти - период следования импульсов , Используя закон Тальбота, выразим силу света J св.и в импульсном режиме через силу света J св. пост при питании постоянным током:
J св.и = J св.пост * q
Из уравнений можно рассчитать импульсный ток
Например, при q=5, n=1,4 и На рис, 18 показаны временные диаграммы тока Jсид для различных значений q.
а) б) Рис.18. Временные диаграммы импульсного режима питания индикаторных СИД: а - q = 2; 6-q.= 10.
Заметим также, что в импульсном режиме дополнительный выигрыш получается за счет уменьшения потерь мощности на Rогр , величина которого оказывается меньше, чем при постоянном токе. Рис.19 иллюстрирует выигрыш в J св получаемый при больших значениях q и при одинаковом значении Jсред, потребляемого от источника тока.
Рис.19. Зависимость силы света СИД от скважности импульсов питающего тока.
Многоэлементные СИД Для вывода сложной информации; буквенной; цифровой или графической - применяют многоэлементные СИД, составленные из нескольких точечных индикаторов. К многоэлементным индикаторам относят сегментные и матричные индикаторы, а также линейные шкалы. Рассмотрим их устройство, конструкцию и особенности работы.
Сегментные индикаторы Сегментные индикаторы являются самыми простыми для отображения цифровой и буквенной информации. Для отображения цифр от 0 до 9 повсеместно используются 7-сегментные индикаторы. На рис.20. показано, что с помощью такого индикатора можно отображать также и некоторые буквы, например, формировать символы гексагонального кода. Кроме этого существуют 9- и 16-сегментные индикаторы, предназначенные для отображения букв русского алфавита, Каждый сегмент в индикаторе - это один или два СИД, соединенных последовательно. Все сегменты имеют один общий вывод, поэтому различают индикаторы с общим анодом и общим катодом, показанные на рис.21.
Рис.20. Стандартный 7-сегментный цифровой индикатор; а - обозначения сегментов индикаторов; б - примеры формирования.
Рис 21. Схемы соединения отдельных СИД в сегментном индикаторе: а- схема большим анодом; б- схема с общим катодом.
Вторые выводы СИД каждого сегмента выведены на внешние контакты, на них подают управляющие сигналы. Зажигая те или иные сегменты, можно сформировать любую нужную цифру. Управляющие сигналы могут поступить от транзисторных ключей либо от специальных микросхем - дешифраторов 7-сегментного кода, например К514ИД2, как показано на рис.22..
Рис22. Схемы управления сегментными индикаторами: а - транзисторная; 6 - на основе микросхемы К514ИД2.
Рис.23..Конструкция монокристаллического сегментного СИД: а - общий вид кристалла; б - вид на отдельный сегмент сверху; в - вид в сечении;1 - кристалл;2 - сегмент индикатора; 3 - металлизация; 4 - золотые проводники.
Конструкция 7-сегментных индикаторов Для СИД существуют три основных конструктивно-технологических варианта сегментных индикаторов: - малые индикаторы с размером цифры до 2 мм, формируемые в монокристалле методом локальной диффузии (рис. 23). Общий вывод делается от подложки; кроме того, каждый сегмент имеет свой проволочный вывод. Сегмент покрыт узкой полоской металлизации для выравнивания потенциала на поверхности и, следовательно, равномерного свечения. Для увеличения силы света и кажущихся размеров знака над индикатором располагают сферические и цилиндрические линзы. Конструкция простая, но требующая нерационального расхода дорогого полупроводникового материала; - индикаторы средних размеров (до 6-7 мм) делают по гибридной технологии (рис. 24). На керамической подложке распаивают торцевые СИД (в виде удлиненных полосок), образующие сегменты.
Рис.24. Конструкция простого гибридного индикатора; а - общий вид индикатора; б- отдельный сегмент в виде торцевого СИД; в - то же в виде планарного СИД.
Полупроводниковый материал при этом экономится, но все же конструкция не получила большого распространения; - индикаторы больших размеров (до 7-15 мм) делают по гибридной технологии с применением отражателей. В подложке формируют удлиненные углубления, образующие контуры сегментного индикатора. Эти углубления покрывают изнутри отражающим веществом и в них помещают кристаллики СИД. Планарное и торцевое излучение СИД, отражаясь от стенок углубления, направляется к наблюдателю, который воспринимает его как свечение всего сегмента. Для улучшения равномерности свечения углубление заполняется светорассеивающим составом, а весь индикатор заливают прозрачной окрашенной пластмассой, усиливающей контраст. Так устроены, например, индикаторы АЛС324А(Б, В). СИД здесь работает при более высоких плотностях тока, что способствует повышению КПД.
Рис.25. Конструкция гибридного рефлексного СИД: а - общий вид индикатора; б - структура отдельного сегмента; I - светорассеивающий материал; 2 - зеркальная поверхность; 3 - полезное излучение.
Индикаторы имеют следующие обозначения: АЛ и ЗЛ - для точечных индикаторов, АЛС и ЗЯС - для многоэлементных индикаторов (сборка) и цифр (см. табл. 3).
Та б л и ц а 3. Параметры сегментных индикаторов на СИД
Динамическая индикация в СИД Зачастую на практике требуются не отдельные сегментные цифры, а отроки, состоящие из 5, 10 и более таких цифр (разрядов). В этом случае целесообразно использовать многоразрядные индикаторы, выполненные как единое целое, например, 5-разрядный индикатор АЛС340А. В таких индикаторах одноименные сегменты всех разрядов соединены между собой (рис. 26). Это существенно
Рис.26.Схема соединения в многоразрядных индикаторах при динамическом режиме.
сокращает число внешних выводов и повышает надежность, но требует специального способа управления, называемого динамической индикацией. Суть способа заключается в том, что в каждый момент времени загорается только один разряд индикатора. Спустя некоторое время загорается другой разряд, а первый гаснет - и так до конца строки, после чего снова загорается первый разряд. Такой режим можно осуществить, последовательно подавая положительное напряжение на общий анод каждого разряда, как это показано на рис. 27. На сегментные входы а- l синхронно с анодными импульсами нужно подать код цифры, которая должна загореться в данном разряде. Таким образом, в каждом разряде можно зажигать нужную цифру. Если в индикаторе n разрядов, то каждая цифра светится только 1/ n часть времени. Повторяемость таких вспышек должна быть достаточно высокой, чтобы глаз не почувствовал мелькания, а воспринимал свечение индикатора как статическое, для разных людей критическая частота различна, но считается, что она
Рис.27. Временная диаграмма работы многоразрядного индикатора: 1 - на входах а, в, l , е код цифры первого разряда; г-на входах а, в, l , код цифры второго разряда; 3- на входах а, в,..., l код цифры n-го разряда.
должна быть не ниже 100 Гц. В индикаторах с динамической индикацией реализуется экономичный импульсный режим работы.
Матричные индикаторы Для создания дисплеев (индикаторных устройств, способных отображать любой вид информации: буквенной, цифровой, графической) используют матричные индикаторы, состоящие из большого числа точечных СИД. Отдельные СИД могут быть организованы в прямоугольные матрицы размером от 5x7 до 64x64 элементов и более. На подложке формируют системы горизонтальных и вертикальных проводящих шин, как это показано на рис. 28, между которыми распаивают кристаллики СИД. Отдельные СИД объединены по строкам и столбцам, например, объединены все аноды в каждой строке и все катоды в каждом столбце. Зажигая те или иные кристаллики-точки, можно получать любые символы. Управление матрицей осуществляется с помощью специальных двухкоординатных дешифраторов (см. рис. 29). СИД загорается только в том случае, если на его аноде будет высокий уровень, то есть "I" на выходе дешифратора, а на катоде низкий уровень, то есть "О". Все другие комбинации не действуют. В многоцветных матричных индикаторах матрица СИД одного цвета как бы накладывается на матрицу другого цвета.
Рис 28. Фрагмент конструкции матричного индикатора на СИД:1 - изолирующая подложка; 2 -горизонтальная шина; 3 –вертикальная шина; 4 - кристалл СИД.
Рис 29. Схема включения матричного индикатора: 1- вход информации; 2- схема управления; 3 - дешифратор строк; 4 - дешифратор столбцов.
При этом получают два основных цвета и их комбинации. Отсутствие, промышленно пригодных синих СИД не позволяет создавать полноцветные светодиодные матричные дисплеи и все же их можно считать конкурентами вакуумных ЭЛТ. Потребление энергии дисплеями на СИД меньше, чем ЭЛТ сравнимой площади, а яркость достигает 300 кд/мм2 при токе 0,5 мА через элемент.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-08; Просмотров: 335; Нарушение авторского права страницы
[фотон/электрон],
остается постоянным, поэтому рекомбинация электрона из более глубокого минимума зоны проводимости практически невозможна (не прямозонный переход запрещен).
Рис.5. Конструкция дискретных СИД: а - планарный излучатель; б - торцевой излучатель; г - излучающая область р- n перехода; 2 - металлизация; 3 - направление полезного излучения.
- напряжение насыщения ключевого транзистора, обычно 
необходимый для создания такой же силы света, что и при постоянном токе 
:
