Газоразрядные индикаторы

(ИГПС1-111/7, фото от SLvik)

Плазменные телевизоры ныне знакомы всем. Но не все знают, что эта технология появилась уже давно, и более того - экраны на её основе выпускали и в СССР!

Принцип действия
Индикаторы постоянного тока
Индикаторы переменного тока
Индикаторы с самосканированием
Цифровые (сегментные) индикаторы
Принцип управления
Особенности применения
Система обозначения
Образцы индикаторов

В газоразрядных индикаторах электрическая энергия преобразуется в световую за счет излучения возбужденных атомов газа.

Следует заметить, что конструкция светового элемента представляет собой емкость с тройным диэлектриком (диэлектрическое покрытие электрода — газ — диэлектрическое покрытие второго электрода).

Типичная вольт-амперная характеристика ячейки постоянного тока:

Характеристика имеет падающий участок, на котором заканчивается процесс формирования пространственного заряда положительных ионов в области катода, и пологий возрастающий участок тлеющего разряда. Нагрузочная характеристика 3, пересекая семейство вольт-амперных характеристик 1, 2 в точках пересечения А, В, показывает минимальное и максимальное значения (импульсное) тока индикации. При перемещении нагрузочной характеристики параллельно самой себе вниз (что равносильно уменьшению приложенного напряжения) она занимает крайние положения 4 и 5, а точки ее касания с вольт-амперными характеристиками определяют области прекращения разряда. Следовательно, при снижении внешнего напряжения от Uвр_max до Uпр_max все ячейки еще будут светиться. При уменьшении внешнего напряжения до Uпр_min все они погаснут.

Яркость свечения элементарной ячейки определяется не только питающим напряжением и его частотой, но и свойствами газа, диэлектрического и защитного покрытий.

Большинство газоразрядных индикаторов имеет матричную конструкцию. По физическому принципу можно выделить две большие группы: индикаторы переменного тока и постоянного.

Память у индикаторов постоянного тока может быть осуществлена встроенным в каждую ячейку резистором. Однако на практике обычно используются индикаторы постоянного тока с внешней памятью (например, ГИП-10000) или внешним сканированием разряда. У них отсутствуют встроенные резисторы, а память обеспечивается за счет электрического режима работы коммутирующего устройства.

Для них существуют три режима управления:
- функциональный, когда ячейки опрашиваются поочередно одна за другой и гаснут с прекращением подачи импульсов опроса;
- построчный, когда одновременно возбуждаются ячейки строки (или столбца) с последующим опросом всех строк (или столбцов);
- функциональный с одновременным запоминанием за счет коммутации ограничительных резисторов. Применение этого режима ограничено, так как на время одного кадра в каждой строке или столбце может быть подключен лишь один резистор. Используется в основном при отображении графиков.

К недостаткам таких индикаторов относятся:
- большое время запаздывания возникновения разряда отдельных ячеек, обусловленное неодинаковым уровнем начальной ионизации в различных точках индикаторного поля;
- большое число внешних коммутационных соединений, необходимых для управления работой ГИП;
- уменьшение яркости свечения ячеек по мере увеличения числа подключенных точек индикаторного поля.
Однако на их основе удается создать более эффективные цветные ЗСИ, особенно в тех случаях, когда используются возбуждаемые ультрафиолетовым излучением люминофоры.

Чтобы снизить время возникновения разряда и уменьшить его отклонения в разных точках индикаторного поля, в панелях создают засветку ячеек первого катода, образуют «сетку» в виде 10—20 светящихся линий, расположенных вдоль анодов с шагом 5—10 ячеек. Кроме того, на первый катод можно подавать дополнительный (сверх основного напряжения) импульс с амплитудой 50— 100 В, длительностью 10—20 мкс.

Матричный индикатор переменного тока (например, ГИПП-16384) отличается от индикатора постоянного тока тем, что в нем электроды находятся в непосредственном контакте с газовой средой разрядного промежутка.

Из физики работы газоразрядного индикатора переменного тока следует, что этот прибор обладает свойством запоминать изображение, так как в любой ячейке газовый разряд, однажды возникнув от импульса записи, далее сохраняется до тех пор, пока не будет подан импульс стирания или не выключено питание.

Для матричного индикатора переменного тока существуют три конструктивных варианта нанесения системы электродов:
- в виде тонких пленок;
- трафаретной печатью (толстопленочная система электродов);
- из литого микропровода.
Тонкопленочные электроды создаются вакуумным напылением, как правило, из золотосодержащей пасты, толстопленочные — в виде металлических дорожек с помощью трафаретной фотопечати. Во всех трех конструкциях система электродов покрывается тонким слоем диэлектрика и защитной пленкой. Слой диэлектрика (как правило, из стекла) образует матричную систему разделительных конденсаторов, а защитный слой (пленка окиси магния) предохраняет от распыления поверхность, являющуюся катодом. Следует заметить, что достаточно сложно изготовить матричные индикаторы, в которых размеры индикаторных элементов были бы одинаковыми. Разброс геометрических размеров ячеек определяется точностными характеристиками исходных материалов, инструмента, оснастки и технологического оборудования. В свою очередь неидентичность конструктивных размеров ячеек приводит к разбросу выходных электрических и светотехнических параметров от ячейки к ячейке, от прибора к прибору. С увеличением числа элементов (ячеек) решение указанной проблемы усложняется.

Для всех конструкций индикаторов переменного тока из-за указанных выше физических и конструктивных особенностей возникновения газового разряда существует время запаздывания разряда относительно поданного импульса разряда (записи). Для уменьшения этого времени в конструкцию вводится рамка, обрамляющая рабочее поле индикатора. Питание рамки осуществляется от отдельного генератора напряжения. Существует и другой способ уменьшения времени запаздывания разряда — за счет предварительного возбуждения ячеек до уровня, когда яркость их свечения глазом практически не заметна. Но этот способ используется крайне редко из-за сложной формы питающих напряжений, жестких требований к разбросам напряжений и ухудшения контраста.

Панели переменного тока обладают большой информационной емкостью; их можно использовать как в режимах с внутренней памятью, так и с внешними запоминающими устройствами.

Основные параметры газонаполненных матричных панелей переменного тока:
1. Рабочее напряжение поддержания разряда 90-120 В - минимальное напряжение управляющего импульса записи (обычно дается при рабочем напряжении поддержания разряда 170-200 В).
2. Минимальное и максимальное значения управляющего импульса стирания (обычно даются при рабочем напряжении поддержания разряда 80-100 В).
3. Длительность фронта 0,1-0,3 мкс; длительность импульса напряжения записи 3-5 мкс.
4. Длительность импульсов напряжения поддержания разряда 4-6 мкс.
5. Частота повторения импульсов напряжения поддержания разряда 25-55 кГц.

Принцип работы газоразрядных индикаторов постоянного тока с самосканированием (например, ИГПС1-222/7) схож с декатронами.

   Последовательность подачи управляющих напряжений на электроды показана на рисунке.

   Схема управления формирует импульсы в цепях катодов Uск₁, Uск₂, Uск₃ и импульс сброса Uк_СБ.

   При включении источника питания, когда импульсов напряжения нет, возникает разряд только на дежурных электродах, благодаря чему создается зона начальной ионизации, охватывающая также расположенный рядом катод сброса Ксб. Затем схема управления с тремя устойчивыми состояниями подает импульс Uк_СБ на катод сброса, на котором возникает разряд, ионизирующий зону, прилегающую к ближайшему катоду 1-й группы. После прохождения импульса сброса его разряд прекращается, но сразу же подается импульс на катоды сканирования 1-й группы и разряд переносится на близлежащий катод К_1-1. После окончания этого импульса подается импульс на катоды второй группы Uск₂. разряд переносится на соседний К_2-1 и т. д.

   Таким образом, под действием импульсов разряд последовательно перемещается в определенном направлении вдоль анода, т. е. происходит сканирование разряда. После того как разряд достигнет последнего электрода строки, подается импульс сброса, и цикл сканирования повторяется.

   Сканирующий разряд является вспомогательным и предназначен для предварительной ионизации основного промежутка — между катодами и анодами индикации. Свечение сканирующего разряда практически незаметно со стороны лицевого стекла, так как отверстия в катодах очень малы. 

   Чтобы создать видимое изображение, требуется зажечь разряд в основном промежутке. В определенные моменты на анод индикации подаются импульсы напряжения, и разряд возникает в той ячейке, где в данный момент существует разряд сканирования. Аноды индикации параллельны анодам сканирования; чтобы избежать произвольного движения разряда вдоль анода индикации, в цепь анода включен резистор Ra. При возникновении разряда и росте тока в цепи анода индикации возрастает падение напряжения на этом резисторе и напряжение анода становится ниже напряжения, требуемого для возникновения разряда в других промежутках. Кроме того, для надежного зажигания лишь одной требуемой ячейки необходимо обеспечить достаточную ионизацию именно этого разрядного промежутка с помощью разряда сканирования. Время диффузии ионов сканирующего разряда в ячейку индикации сравнительно велико, поэтому импульсы на анод индикации подаются с задержкой в несколько микросекунд по отношению к импульсам на соответствующий катод сканирования. Длительность импульсов подбирают так, чтобы их спады совпадали. Поскольку резисторы включены в цепь каждого анода индикации и сканирования, в каждой строке индикатора могут существовать независимые сканирующий и индикаторный разряды, так что информацию можно вводить параллельно по всему индикаторному полю. При снятии напряжений с анодов индикации свечение разряда прекращается, поэтому для панелей этого типа необходимы внешние запоминающие устройства.

Газоразрядные индикаторы постоянного тока с самосканированием применяют для отображения только знаковой информации.

В индикаторной аппаратуре применяются также одноразрядные и многоразрядные (например, ГИП-11) цифровые индикаторы. Поскольку первые являются частью вторых, рассмотрим конструктивное оформление многоразрядного цифрового индикатора.

1 - прозрачный анод; 2 - черная диэлектрическая маска; 3 - защитное покрытие катодов; 4 - катоды-сегменты; 5 - диэлектрическая пленка; 6 - стеклянные пластины; 7 - выводы катодов

Конструктивно катоды-сегменты располагаются в виде обычной семисегментной восьмерки, образуя знакоместо, над которым помещается единый анод. В связи с тем что питание многоразрядных цифровых индикаторов импульсное, выводы подключаются следующим образом: каждый из семи катодов-сегментов соединяется с аналогичным всех разрядов, катоды одинаковых сегментов объединены одним выводом, каждый анод имеет свой индивидуальный вывод.

Принцип управления таким прибором заключается в следующем. Допустим, на дешифратор поступили сигналы о цифре первого разряда. Напряжение источника поступает на выбранные в соответствии с кодом дешифратора катоды-сегменты. В это же время анод первого разряда подключается к источнику +Uа, остальные аноды (всех других разрядов) в это время находятся под нулевым потенциалом. Между анодом и выбранными катодами первого разряда устанавливается разность потенциалов, обеспечивающая возникновение тлеющего разряда. Таким образом засвечивается цифра первого разряда. Аналогично высвечивается требуемая цифра второго и любого другого разряда.

В связи с тем, что частота следования импульсов питающего напряжения 100—700 Гц, отсутствуют мерцания изображений. Они воспринимаются светящимися как бы непрерывно.

Управление сегментными панелями осуществляется с помощью внешних устройств.

Структурная схема выбора нужных ячеек.

Через дешифраторы на индикатор подается напряжение поддержания разряда обратной полярности с тактовой частотой, определяемой синхрогенератором. На выбранные в соответствии с кодом элементы матрицы подается напряжение записи или стирания в обратной полярности. Относительно ячейки эти напряжения суммируются по абсолютному значению, составляя в результате полное напряжение поддержания разряда Uпр и напряжение записи или стирания соответственно.

Наибольшее применение в индикаторной технике (в основном в дисплеях и различного рода терминалах) нашли матричные индикаторы. Матричные индикаторы постоянного тока используются в наборных экранах и табло коллективного пользования, а многоразрядные цифровые - в контрольно-измерительной аппаратуре.

Были созданы как монохромные, так и многоцветные газоразрядные индикаторы следующих цветов свечения: оранжевый, красновато-оранжевый, зеленый, красный, синий, желтый. Основные цвета получены за счет введения в конструкцию люминофора, возбуждаемого УФ излучением газового разряда.

Матричный индикатор переменного тока при работе на одной частоте и фиксированной амплитуде поддерживающего напряжения имеет только два уровня яркости. При использовании более сложного по форме напряжения поддержания разряда можно получить большее число уровней яркости. Например, за счет переменной длительности сигналов получена шкала до 64 уровней яркости. При этом практически сохраняется диапазон управляющих напряжений.

Ранние обозначения газоразрядных индикаторов не были систематизированы и обозначение каждого прибора расшифровывалось по своему. Например:
ИМГ-1 - (И)ндикаторный (М)одуль (Г)азоразрядный, 1ая разработка
ГИП-10000 - (Г)азоразрядная (И)ндикаторная (П)анель, общая емкость 10000 ячеек
ИГПП-100/100 - (И)ндикаторная (Г)азоразрядная (П)анель (П)остоянного тока, 100 столбцов * 100 строк
ГИПС-32 - (Г)азоразрядная (И)ндикаторная (П)анель с (С)амосканированием, 32 знакоместа
ИГПС1-222/7 - (И)ндикаторная (Г)азоразрядная (П)анель с (С)амосканированием, 1ая модификация, 222 столбцов * 7 строк

В 1982 году была принята единая система условных обозначений индикаторов всех типов. Согласно ей:

Пример прибора с обозначением по этой системе - ИГВ70-16/5х7.

ГИП-11
ГИП-10000, ИГПП-100/100
ГИПП-16384
ИГВ70-16/5х7
ИГГ-64х64*
ИГГ1-32х32Л
ИГГ1-64х64*
ИГГ3-48х16*
ИГГ5-64х64М2
ИГД5У
ИГП-17
ИГПВ2-384/162*
ИГПС1-222/7
ИГТ2-203Р
ИМГ1-02

домой