1. Введение
Во всех системах, где требуется представить информацию в форме, удобной для визу-ального восприятия человеком, применяются средства отображения информации (СОИ). Одной из основных частей СОИ является индикатор — электронный прибор для преобразования элек-трических сигналов в пространственное распределение яркости (контраста). Свойства и харак-теристики 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, возникаю-щей в катодолюминофорах при возбуждении их электронным пучком. В отличие от высоко-вольтной катодолюминесценции, используемой в ЭЛП, в ВЛИ имеет место низковольтная лю-минесценция. Этим устраняется один из главных недостатков ЭЛП — высокое ускоряющее на-пряжение.
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 исчисляет-ся сотнями вольт.
Более 40 лет назад был обнаружен ряд веществ, у которых потенциал начала катодолю-минесценции составляет единицы вольт (для ZnS = 6—7 B, для Zn, CdS = 4—5 B). Однако от-сутствие практической потребности в таких материалах долгие годы не стимулировало деталь-ного 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 пре-вышать единиц килоом. Именно по этой причине большинство люминофоров применяемых в ЭЛП не годится для ВЛИ, поскольку они являются или изоляторами, или полностью компенси-рованными полупроводниками.
Необходимое значение электропроводности можно обеспечить использованием люмино-форов на проводящей основе (ZnO:Zn; SnO2:Eu; (Zn1-x, Cdx)S : Ag, Al); смешанных люминофо-ров (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 напряже-ния. 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 ком-понент.
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 химиче-ских процессов в люминофоре, приводящих, в частности, к восстановлению ZnO до металличе-ского Zn.
Факторы, обуславливающие этап выраженного старения, таковы: изменение поверхност-ных 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 по-вышении температуры катода.
3. Устройство, параметры и характеристики.
Вакуумные люминесцентные индикаторы выпускаются в цилиндрических и плоских бал-лонах. Первые бывают так одноразрядными, так и многоразрядными, вторые — только много-разрядными.
Основа одноразрядного ВЛИ — стеклянная или керамическая плата, на которой закреп-лены все остальные детали индикатора (рис. 1). В углублениях платы, выполненных в виде сег-ментов, находится проводящий слой, соединенный с контактами. Каждый сегмент имеет от-дельный 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 лю-минофором. 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 цилиндриче-скую 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 сме-шения — несколько вольт по отношению к катоду.
При положительном напряжении на управляющей сетке электроны ускоряются в направ-лении анодных сегментов. Задача управляющей сетки состоит еще в том, чтобы обеспечивать возможно более равномерное распределение плотности потока электронов на поверхности ано-да индикатора. Экранирующий электрод имеет тот же потенциал, что и управляющая сетка. Электроны попадают на сегменты, имеющие в данный момент положительный потенциал; воз-никает низковольтная катодолюминесценция — нанесенный на анод сегмент люминофор начи-нает светится. Яркость свечения в зависит-
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, мат-ричные, 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. Та-кой индикатор позволяет отображать буквенно-цифровые сообщения, графики и даже неслож-ные движущиеся изображения.
Обычно в матричном индикаторе одна сетка покрывает один столбец светоизлучатель-ных 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 недос-татка 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.
Такая структура особенно успешно применяется при высокой внешней освещенности индикато-ра. Управляющее положительное напряжение подается на две соединенные сетки и два распо-ложенных под ними анода. В результате яркость свечения элементов оказывается равномерной (рис. 4, б ).
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, со-храняя общий формат знакоместа; “элемент матричного поля”, т. е. ВЛИ цилиндрической фор-мы с торцевым выходом излучения, из которых формируется уже не строка, а матричное поле любого размер. Отдельные индикаторы могут быть одноцветными (с различным цветом свече-ния, располагаемые парами или триадами) или двух- трехцветными.
Несмотря на широкое применение цифровой индикации, в целом отдавалось и отдается пред-почтение аппаратуре с аналоговой индикацией. Для этого используются аналоговые ВЛИ, ос-новными конструктивными типами которых являются линейно-полосовой и концентрически полосовой. Такие индикаторы имеют дискретный анод, состоящий из большого числа отдель-ных элементов (штрихов), расположенных вдоль прямой линии или по окружности. В последние годы наблюдается тенденция сочетать цифровую и аналоговую формы индикации, что обусло-вило 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 ярко-сти, должен удовлетворять следующим требованиям: цветность 0.2