Что такое газоразрядные индикаторы

Газоразрядные индикаторы имеют свечение, возникающее при появлении электрического разряда в среде из газа. Как правили они работают в тлеющем разряде при функционировании холодного катода. Газоразрядный индикатор представляет собой стеклянную колбу, заполненную каким-либо инертным газом. Давление внутри колбы может быть совершенно разным – от 0,1атм до более 100 атм.

Когда давление высокое, возникает явление называемое ионизация газа. При столкновении электронов и атомов возникает ионизация и свечение. Излучение происходит как результат рекомбинации атомов в другое состояние. Такие приборы имеют высокую инерционность. В статье будут разобраны все вопросы устройства и использования этих устройств. Дополнением служат несколько видеороликов и одна подробная научная статья.

Устройство газоразрядных индикаторов

К сожалению малогабаритные лампочки накаливания не отличаются надёжностью, так как при включении питания через них протекает значительный ток, в результате воздействия которого на нить накаливания лампа может выйти из строя. Кроме того они боятся ударов.

Все эти причины, а также большой потребляемый ток привели к тому, что в настоящее время эти индикаторы практически не используются. Эти индикаторы в отличие от ламп накаливания управляются не напряжением, а током. Поэтому в схему приходится вводить токоограничивающий резистор. Напоминаю, что подобные индикаторы применяются для подсвечивания либо надписей, либо символических рисунков (пиктрограмм).

В этой схеме транзистор требуется в основном для согласования по напряжению, так как газоразрядные индикаторы питаются от источника напряжением 180 … 300 В (напряжение зажигания газоразрядной лампы). Поэтому транзистор должен выдерживать напряжение 300 В. Что касается сопротивления R3, то оно рассчитывается по закону Ома.

Необходимо от напряжения питания отнять падение напряжения на зажженной индикаторной лампе, которое можно взять из справочника по индикаторным лампам (обычно 80 В) и поделить на ток этой лампы. Падением напряжения на открытом транзисторе VT1 можно пренебречь. Например:

R3 = (Uп — UHL1)/Iл = (200 В — 80 В)/1 мА = 120 кОм.

Для уменьшения габаритов цифрового устройства и упрощения его принципиальной схемы были разработаны специальные микросхемы дешифраторов, выдерживающие напряжение до нескольких сотен вольт, например отечественная микросхема К155ИД1. На вход этой схемы подается двоично-десятичный код. Он преобразуется микросхемой D1 в инверсный линейный десятичный код.

Инверсия нужна для того, чтобы ток протекал только через тот вывод, двоично-десятичный код которого подан на вход схемы. В результате светится только тот катод, который подключен к этому выводу, а так как катод выполнен в форме десятичной цифры, то именно эта цифра и отображается на газоразрядном индикаторе.

Газоразрядные индикаторы используются как для индикации битовой информации, так и для отображения десятичной информации. При построении десятичных индикаторов катод газоразрядных индикаторов выполняется в виде десятичных цифр.

Резистор R1 требуется для ограничения тока газоразрядного индикатора до допустимой величины. Одним резистором в схеме можно обойтись потому, что ток может протекать только через один из десяти катодов. Расчет ограничивающего ток резистора не отличается от расчета резистора R3 в схеме подключения одиночного газоразрядного индикатора. В настоящее время газоразрядные индикаторы с холодным катодом практически не используются.

Обычно применяются более эффективные семисегментные газоразрядные индикаторы с подогревным катодом. Применение катода с подогревом позволяет снизить анодное напряжение подобного газоразрядного индикатора до 20 … 27 В, а семисегментный анод позволяет увеличить угол обзора индикатора.

[stextbox id=’info’]В описанных индикаторах газ светится не около катода, а в промежутке между управляющей сеткой и анодом. На рисунке 2.5 аноды четко видны в виде белых сегментов. Управляющая сетка видна как фиолетовая поверхность, а катод выполнен в виде двух тонких проводников, которые почти незаметны на переднем плане индикатора. Если индикатор поместить за зеленым светофильтром, то ни нить накала, ни управляющая сетка видны не будут.[/stextbox]

Если на нить накаливания подать постоянное напряжение, то на ней возникнет падение напряжения. Это напряжение будет суммироваться с анодным напряжением, в результате яркость свечения сегментов в индикаторе будет неравномерной. Конструктивно нить проложена так, чтобы этот эффект свести к минимуму, однако на нить накала подогревного катода желательно подавать переменное напряжение. Так как ток в этом случае будет протекать в различном направлении, то средняя яркость свечения сегментов будет равномерной.

В практических схемах чаще используется схема подключения газоразрядного индикатора с отрицательным напряжением питания. В этом случае дешифратор должен обеспечить вытекающий ток ключей. В этой схеме транзистор VT1 и резистор R1 образуют генератор тока с большим входным и выходным сопротивлением. В результате яркость свечения индикатора будет слабо зависеть от напряжения питания 27 В.

Так как задача подключения газоразрядных индикаторов является распространенной, то промышленностью были разработаны и выпускаются до настоящего времени специализированные микросхемы К176ИД3, где показанные на рисунке 3.7 генераторы тока входят в состав микросхемы. В результате данного схемотехнического решения выход дешифратора можно подключать к газоразрядному индикатору непосредственно.

В приведенных схемах подключения семисегментного газоразрядного индикатора управляющая сетка подключена непосредственно к питанию. Однако при создании схемы динамической индикации, которая будет рассмотрена несколько позднее, эта сетка используется для зажигания и гашения отдельных разрядов многоразрядного газоразрядного индикатора.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Расчетная часть

Практически все типы газоразрядных индикаторов представля­ют собой комбинацию диодных промежутков. Обычно ток в таком промежутке ограничивается резистивной нагрузкой. В этом случае рабочая точка прибора определяется пересечением нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой. Если это пересечение приходится на горизонтальный участок характеристики, в приборе устанавливается нормальный тлеющий разряд, если на возрастающий – аномальный. Основные динамические характеристики газоразрядного промежутка иллюстрируются показывающим возникновение в газоразрядном промежутке тока i под действием напряжения u.

Так как время запаздывания возникновения разряда обусловлено появлением у холодного катода индикатора электронов, что является статистическим процессом, то оно характеризуется средним значением τ_СТ и его дисперсией. Для уменьшения и одновременно стабилизации этого времени с помощью вспомогательного разряда у катода создают начальную концентрацию электронов.

После по­явления начального электрона нарастание лавин в промежутке и установление тока также требует определенного времени формирования τ_Ф. Для возвращения промежутка в первоначальное состояние после окончания импульса анодного напряжения заряженные частицы должны рекомбинировать, на что уходит время деионизации τ_Д.

Излучателем в газоразрядных индикаторах часто является отрицательное тлеющее свечение – область, непосредственно примыкающая к отрицательному электроду (катоду) прибора. В качестве газового наполнения, как правило, применяют инертный газ, слабо реагирующий с деталями внутренней структуры и мало поглощаемый, чем обеспечиваются высокий срок службы и малая скорость деградации характеристик.

Достаточно высокую яркость свечения в видимой области спектра дают только неон и его смеси с другими инертными газами (до 10 000 кд/м² и выше). Так как основные линии излучения неона лежат в оранжево-красной части спектра, то ею и ограничивается цвет свечения многих га­зоразрядных индикаторов.

[stextbox id=’warning’]Перечисленные динамические параметры τ_СТ, τ_Ф, τ_Д газоразрядных индикаторов определяют минимальные длительности управляющих импульсов, подаваемых на прибор, и предельную частоту его работы.[/stextbox]

Знаковые индикаторы

Наиболее простые по конструкции и принципу действия знаковые (цифровые) индикаторы содержат множество катодов, окруженных общим анодом. Электродная структура содержит набор из десяти катодов, каждый из которых имеет форму цифры, окруженной, со всех сторон анодным электродом. Для вывода излучения верхняя часть анода выполнена в виде оптически прозрачной сетки. Прибор работает в режиме слабо аномального тлеющего разряда, т. е. при токах, чуть превышающих ток полного покрытия катода свечением I_П. Так как давление газа в приборе составляет несколько тысяч паскаль, то свечение тлеющего разряда образует тонкую (толщиной в десятые доли милли­метра) область, плотно окружающую катод. В связи с этим область свечения имеет форму, достаточно близкую к контуру катода, т. е. отображаемой цифры.

Знакомоделирующие индикаторы были широко распространены благодаря привычности начертания символов. Но постепенно начали проявляться их недостатки, связанные с тем, что экранирование одних символов другими затрудняло наблюдение, а большая толщина катодного пакета уменьшала угол обзора и ограничивала число используемых зна­ков (длину алфавита).

Поэтому в последующих разработках знакомоделирующие индикаторы заменены знакосинтезирующими, которые выполнялись многоразрядными. Конструктивно такие индикаторы напоминают вакуумные люминесцентные, однако в отличие от последних они имеют не три, а два электрода. В газоразрядных индикаторах на месте анодов вакуумного люминесцентного индикатора располагаются холодные катоды, а на месте сеток – аноды, выполняемые путем напыления прозрачного проводящего покрытия на внутреннюю по­верхность лицевой части прибора. Газоразрядные знаковые индикаторы применяются в основном для отображения символов больших размеров.

Индикаторные тиратроны

Индикаторные тиратроны отличаются малой управляющей мощностью, наличием нескольких входов, что позволяет эффективно организовать матричную адресацию, и внутренней памятью. Электродная структура типичного индикаторного тиратрона ТХ19А и распределение потенциала в его рабочем пространстве по оси изображены на рис. 7.12. Подготовительный разряд на подкатод ПК существует постоянно и плазма ПЛ этого разряда, примыкающая к первой сетке C₁ и второй сетке С₂, образует так называемый плазменный катод ПЛ.

Управление возникновением основного разряда на вспомогательный анод А₁ и анод индикации А₂ осуществляется с помощью сеток C₁ и С₂, которые воздействуют на потенциал плазменного катода (последний определяется наиболее положительной из сеток, а если потенциалы сеток одинаковы – сеткой, ближайшей к анодам). При положительном потенциале хотя бы на одной из сеток C₁, С₂ между плазменным катодом ПЛ и катодом К возникает тормозящее электрическое поле, препятствующее прохождению электронов в пространство К–A₁, А₂ . Напротив, если и C₁ и С₂ находятся под потенциалом, близким к катодному, то электроны проникают в промежуток К–A₁, А₂, в котором становится возможным возбуждение разряда.

Распределение потенциала после возникновения разряда на А₁, А₂ показывает нали­чие еще одной плазменной области – положительного столба ПС, примыкающего к анодам. Ультрафиолетовое излучение положительного столба возбуждает люминофор Л, излучающий видимый свет. Из сказанного следует, что для возникновения разряда в индикаторном тиратроне необходимо иметь низкие уровни напряжения на его сетках при высоких уровнях на анодах А₁ и А₂.

По включению тиратрон может работать как четырехвходовая схема совпадения. Однако низкие значения управляющих напряжений получаются только по C₁ и С₂, по А₁ и А₂ они значительно выше, так что большей частью используют сеточное управление. Удобство сеточного управления связано и с тем, что входы C₁ и С₂ почти независимы, а изменение напряжений на них после включения не влияет на яркость ЭО. Индикаторные тиратроны обладают способностью запоминать информацию, т.е. анодный разряд в них сохраняется, пока есть напряжение хотя бы на одном из анодов, А₁ или А₂, даже если на C₁ и С₂ – запирающее напряжение.

Важной особенностью индикаторных тиратронов является то, что для управляющих сеток они представляют собой источник тока, направление которого меняется в зависимости от состояния тиратрона. При возбуждении разряда на А₁, А₂ потенциал про­странства выше потенциала сеток и на них собираются ионы. В отсутствие разряда сетки коллектируют электроны и принимают электронный  ток.

Индикаторные тиратроны применяются как единичные элементы отображения при создании матричных полей большого размера. Так как размер баллона прибора составляет около 10 мм, то по­лучить индикаторное поле с высокой разрешающей способностью на их базе не удается. Кроме того, каждый элемент отображения присоединяется к схеме с помощью шести выводов, что создает большие конструктивные и технологические трудности. Для устранения этих недостатков созданы тиратронные мат­ричные индикаторы, содержащие в одном баллоне несколько одно­типных ячеек, а также встроенных резисторов R_ПK.

Индикаторные панели

Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) называют также матричными индикаторами, так как они представляют собой множество светоизлучающих элементов, образуемых на пересечениях ортогональных электродов. ГИП делятся на три основные подгруппы:

• постоянного тока с внешней адресацией;
• с самосканированием;
• переменного тока.

Образующиеся в местах пересечения анодов и катодов светоизлучающие ячейки электрически и оптически изолированы друг от друга с помощью диэлектрической матрицы, отверстия в которой совмещены с местами пересечения электродов. Пространство между подложками заполнено газом. Одновременное включение ячеек, у которых один из электродов (на рисунке электроды, расположенные по столбцу) подключен к общему резистору, невозможно.

[stextbox id=’warning’]Действительно, после возникновения в одной из таких ячеек разряда напряжение на общем электроде падает до напряжения поддержания U_П, которое всегда меньше напряжения возникновения разряда U_B, и другие ячейки пробиться не могут. Напротив, ток в ячейках, подключен­ных к одной строке, ограничивается разными резисторами, и они могут включаться одновременно.[/stextbox]

ГИП постоянного тока, как и большинство других матричных индикаторов, не обладают внутренней памятью и должны рабо­тать в режиме с регенерацией изображения при кадровой частоте f_K выше критической частоты мельканий f_КЧМ. В общем случае можно записать для режима регенерации

где t_B – время выборки ЭО.

Наиболее часто используется построчный режим выборки ячеек, когда одновременно адресуются все ЭО одной строки и последовательно включается строка за строкой. В этом случае

где N_С – число строк, по которым производится развертка.

Нормальное формирование изображения в схеме рис. 7.14 обеспечивается, когда при совпадении импульсов по строке и столбцу промежуток пробивается, т. е. а при подаче импульса только по строке или по столбцу разряд в нем не поддерживается:

E_CМ + U_C < U_П;  E_CМ + U_CБ < U_П.

Заметим, что напряжение возникновения разряда U_B на­растает с уменьшением времени выборки ЭО t_B.

Если принять, что U_C = U_CБ = U_H, то

Е_СМ +2U_И ≥ U_В;

Е_СМ +U_И < U_П.

Большим N_С соответствуют малые t_В, что приводит к росту U_В и, следовательно, U_И. Кроме того, t_В может оказаться сравнимым с τ_СТ, что вызывает неста­бильность возникновения разряда. Для уменьшения τ_СТ и его ста­билизации в ячейках ГИП создается небольшая предваритель­ная ионизация либо с помощью так называемого рамочного разряда (вспомогательного разряда на периферии индикаторного поля, где ячейки не видны наблюдателю), либо разряда в виде координатной сетки, при котором возбуждена часть ячеек индикаторного поля по вертикальным и горизонтальным линиям, либо в виде слабого разряда по всему индикаторному полю. Для создания предыонизации также используют повышение кадровой частоты регенерации изображения.

Так как практически не удается неограниченно увеличивать  путем увеличения тока из-за насыщения излучения разряда и люминофора, то можно принять максимальное значение = 10 000 кд/м². Если необходимо  =50 – 100 кд/м²,  то максимальное число строк для ГИП с внешней адресацией оказывается равным     100 – 200. В связи с указанным ограничением основное применение ГИП постоянного тока нашли либо в качестве экранов индивидуального пользования с ограниченной информационной емкостью (ГИП 10 000), либо в качестве элементов большого экрана (ИГПП-32х32).

ГИП постоянного тока присуща нестабильность возникновения разряда из-за отсутствия достаточной по величине и однородной по индикаторному полю предварительной ионизации. Этот недостаток удалось устранить в ГИП с самосканированием.

Как работает газоразрядный индикатор

В рабочем состоянии между системами вер­тикальных и горизон­тальных электродов приложено знакопере­менное поддерживаю­щее напряжение Е_П, меньшее напряжения возникновения разряда. Возбуждение раз­ряда в ячейке («Запись») производится подачей на вертикальный Y и горизонтальный X электроды полуимпульсов записи U_Y, U_X, суммарная амплитуда которых достаточна для пробоя. В результате протекания тока i емкости структуры МДГДМ заряжаются до напряжения U_C1, значение приложенного к газовому промежутку напряжения U_Г падает и первый импульс разрядного тока прекращается. После этого газовый промежуток возвращается к непроводящему состоянию, благодаря чему на ем­костях сохраняется накопленное напряжение U_C1.

В следующий временной интервал к промежутку при­кладывается положительное поддерживающее напряжение. В сумме с напряжением U_C1, сохранившимся на емкостях, оно достаточно для повторного возбуждения разряда. Протекание в интервале импульса тока приводит к перезарядке емкости до напряжения U_C2 противоположной полярности. При этом изме­нение напряжения на ячейке равно ΔU_C2. Таким образом, пока к ГИП приложено поддерживающее напряжение, в ячейке, возбуж­денной импульсами записи, существуют серии разнополярных им­пульсов тока разряда. Наличие емкостей в структуре МДГДМ каждой ячейки обеспечивает электрическую развязку и возможность параллельного существования разряда в любом числе ячеек. Однако в ГИП переменного тока, как и в любой матричной системе, выборка одновременно может осуществляться только для ограниченного числа ЭО (например, ЭО строки или столбца).

Для прекращения разряда на данную ячейку (т. е. на ее стро­ку и столбец) подаются импульсы «Стирание» U_Y, U_X с амплиту­дой меньшей, чем при записи. Импульсы вызывают более сла­бую перезарядку емкостей ячеек, чем при записи, так что конеч­ное значение напряжения на емкости U_C ОСТ  оказывается близким к нулю. В результате очередной импульс поддерживающего на­пряжения не может вызвать повторного пробоя и серия разрядов в ячейке прекращается.

[stextbox id=’warning’]Качественное описание процессов, происходящих в ячейке, можно развить, использовав так называемую перезарядную характеристику (рис. 7.18). Она позволяет определить изменение напряжения на емкостях ячейки ΔU_C в результате протекания импульса разрядного тока в зависимости от приложенного к газоразрядному промежутку в момент пробоя напряжения.[/stextbox]

Изменение заряда ячейки (при условии постоянства емкостей в структуре МДГДМ ΔU_C пропорциональна этому заряду) определяется суммой внутреннего (накопленного на диэлектрических слоях) и внешнего (поддерживающего, записывающего или стирающего) напряжений, существующей на ячейке к моменту начала развития разряда в газе.  Изменение напряжения на емкостях в два раза больше начального напряжения на емкостях, так как именно тогда новое значение напряжения на емкостях по модулю оказывается равным старому:

ΔU_C = 2 U_C.                                      

Уравнение (7.1) позволяет найти рабо­чую точку на перезарядной характери­стике. Прямая А, проведенная на рис. 7.18, пересекает пере­зарядную характеристику в точках α, β. Лю­бая параллельная А прямая в области между В и С, касательными к перезарядной характеристике, также удовлетворяет условию (7.1). Легко ви­деть, что при            Е_П < Е_Пmin устойчивая разрядная серия не может су­ществовать независимо от того, какое начальное U_C было на ячей­ке. При Е_П > Е_Пmax разрядная серия существует всегда независимо от наличия или отсутствия на ячейке U_C, т. е. ячейка перестает быть управляемой. Таким образом, перезарядная характеристика позволяет определить диапазон поддерживающих напряжений, при котором обеспечивается нормальная работа ячейки.

Перезарядную характеристику можно использовать и для ана­лиза переходных режимов работы, в частности перехода от записи к запоминанию. Хотя перезарядная характеристика чрезвычайно удобна для понимания процессов, происходящих в ГИП переменного тока, однако, анализировать ее не очень просто. Кроме того, для выбора режимов работы надо иметь характеристику не одной, а всего массива ячеек. Поэтому для выбора режима используют динамическую характеристику.

Перезарядная и динамическая рабочая характеристики сильно зависят от параметров поддерживающего напряжения и управляющих импульсов: частоты повторения, длительности, крутизны фронтов. Оптимальная частота повторения поддерживающего на­пряжения составляет 40–50 кГц, при уменьшении или увеличении этой частоты сужается диапазон поддерживающих напряжений из-за стекания емкостных зарядов. Нарастание фронтов поддер­живающих напряжений должно происходить за десятые доли мик­росекунды, в противном случае разряд в ячейке формируется как слаботочный, из-за чего емкости заряжаются меньше, чем обычно. Этому случаю соответствует более пологая перезарядная характе­ристика, которая в соответствии с проведенным анализом дает более узкий диапазон поддерживающих напряжений.

Материал по теме: Как подключить конденсатор

Как и в других типах ГИП, в панелях переменного тока для стабилизации используется подготовительный разряд в виде рам­ки по краю индикаторного поля, который должен быть сфазирован во времени с импульсами записи.

Заключение

Принцип работы газоразрядного индикатора можно более подробно изучить из статьи Газоразрядные буквенно-цифровые индикаторы.  Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте.

Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.life-prog.rul

www.bigenc.ru

www.libraryno.ru

www.knigorazvitie.ru