Электронные приборы и устройства

ГЛАВА 8

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Общие сведения

Электронными приборами называются активные вакуумные, газоразрядные и полупроводниковые элементы электрических цепей. Наряду с пассивными элементами (резисторами, катушка­ми индуктивности и конденсаторами) они входят в электричес­кие схемы устройств, в которых происходит преобразование элек­тромагнитной энергии и сигналов. Наиболее простым видом пре­образования является выпрямление переменного тока, более сложными — инвертирование постоянного тока в переменный, усиление, генерирование и преобразование сигналов сложной формы. Различают вакуумные и полупроводниковые электронные приборы.

К электровакуумным приборам относятся электронные лам­пы (диоды, триоды, тетроды, пентоды и др.), вакуумные фото­элементы и фотоумножители, электронно-лучевые трубки ос­циллографов, телевизоров, мониторов ЭВМ, сверхвысокоча­стотные генераторы (клистроны, магнетроны, митроны и др.). В электровакуумных приборах электрический ток создается на­правленным движением электронов. Электроны чаще всего ис­пускаются (эмитируются) нагретыми термоэлектродными като­дами и за счет напряжения между анодом и катодом движутся к аноду. Кроме анода и катода между ними в зависимости от на­значения располагаются другие электроды (сетки и экраны), ре­гулирующие интенсивность и скорость потока электронов. К элек­тронным приборам относятся также газоразрядные приборы: га­зотроны, тиратроны, игнитроны, ртутные выпрямители и т.д. В них физические процессы протекают в газовой среде, а элект­рический ток образуется движением не только катодных элект­ронов, но и движением электронов и положительных ионов, об­разующихся вследствие ионизации инертных газов или паров ртути.

В полупроводниковых приборах электрические токи текут в твер­дом теле — полупроводниках. Поэтому их часто называют твердо­тельными электронными приборами.  К ним относятся полупро­водниковые диоды, триоды (транзисторы), тиристоры, светодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы.

Полупроводниковые электронные приборы наиболее часто используются в современных электронных устройствах.

8.2. Полупроводники: основные понятия, типы электропроводности

 

Полупроводники — широкий класс материалов, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При комнатной температуре удель­ное сопротивление проводников составляет 10^-8...10^-5 Ом•м, полупровод-ников — 10^-6... 10⁸ Ом•м, диэлектриков — 10⁷... 10¹⁷ Ом•м.

Наиболее широкое распространение получили полупроводни­ковые элементы германий и кремний, расположенные в четвертой группе периодической таблицы Менделеева, а также ряд со­единений— арсенид галлия, карбид кремния, окись цинка и т. д.

При: температуре T =0 K в чистом полупроводнике отсутствуют носители электрического заряда. При повышении температуры в полупроводнике появляются носители электрических зарядов двух знаков.

Процесс образования носителей заряда под воздействием температуры называется термогенерацией носителей. Обратный про­цесс называется рекомбинацией носителей. В количественном отношении носители заряда в полупроводнике взаимно компен­сируют друг друга. Электропроводность полупроводника, обуслов­ленная образованием носителей заряда под действием температу­ры, называется собственной.

На электропроводность полупроводников сильное влияние ока­зывают примеси.

Электропроводность полупроводника, обусловленная носите­лями электрического заряда отрицательного знака, т.е. свободны­ми электронами, носит название электропровод- ности n -типа, а полупроводник, реализующий электропроводность n -типа, назы­вается полупроводником n -типа. Примесь, которая обусловливает электропроводность n -типа, называется донорной (отдающей).

Электропроводность полупроводника, обусловленная носите­лями электрического заряда положительного знака, т.е. свобод­ными дырками носит название электропроводности р -типа, а полупроводник, реализующий электропроводность р-типа, назы­вается полупро-водником p -типа. Примесь, которая обусловливает электропроводность p -типа,называется акцепторной (принима­ющей).

Носители электрического заряда, образующиеся в результате добавления примеси в полупроводник, количественно преобла­дают над носителями заряда, получаемыми в результате процесса термогенерации, поэтому электроны в n -полупроводнике и дыр­ки в p -полупроводнике носят название основных носителей элек­трического заряда. В свою очередь, электроны в р -полупроводнике и дырки в n -полупроводнике носят название неосновных носителей элек­трического заряда.

 

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрям- ляющим электрическим переходом, име­ющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического пе­рехода используется электронно-дырочный  p- n -переход, разде­ляющий р- и n -области кристалла полупроводника (рис. 8.1, а).

К р- и n -областям кристалла привариваются или припаивают­ся металлические выводы, и вся система заключается в металличе­ский, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый кор­пус.

По конструктивному выполнению различают точечные (рис. 8.1, б) и плоскостные (рис. 8.1, в) диоды. Условное обозначение по­лупроводникового диода на электрических схемах показано на рис. 8.1, г.

Если к выводам диода приложить прямое напряжение, как это показано на рис. 8.1, г, то создаваемая им напряженность элект­рического поля будет противоположна направлению напряжен­ности объемного заряда и в область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее количество дырок, являющихся неосновными для n -области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I.

Если к выводам диода приложить обратное напряжение --- U, то создаваемая им напряженность электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носи­телей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряжен­ность электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда, которые и образуют обратный ток p - n -перехода. Число неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением.

Поэтому обратный ток, образованный за счет неоснов­ных носителей, называют теп­ловым током (I ₀).

Рис. 8.1. Электронно-дырочный p - n -переход (а), точечный (б) и плос­костной (в) диоды, условные обозначения диодов на схемах (г): А — анод; К — катод

                       

 

 

Рис. 8.2. Вольт-амперная характери­стика диода

Вольт-амперная характерис­тика (ВАХ) диода показана на рис. 8.2.

При определенном значении напряжения U _обр начинается ла­винообразный процесс нараста­ния тока I _обр, соответствующий электрическому пробою р-п-перехода (отрезок АВ на рис. 8.2). Если в этот момент ток не ограни-чить, электрический про­бой переходит в тепловой (уча­сток ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинооб­разного процесса нарастания тока I _обр  характерна для крем­ниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратно­го напряжения тепловой пробой p - n -перехода наступает прак­тически одновременно с началом лавино-образного процесса на­растания тока I _обр. Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения U _обр работа диода соответствует полого­му участку АО обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р— n -переход.

Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно мень­шей степени, чем обратный ток. Характер изменения прямой вет­ви ВАХ при изменении температуры показан на рис. 8.2.

Наиболее широко применяется на практике выпрямительный диод, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 8.3, а.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый прило-женным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном — разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче пря­мого напряжения U_пр ключ обладает небольшим сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения U_пр на открытом диоде вы­прямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (U _np не превышает у герма­ниевых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

I _{пр.ср max} — максимальное (за период входного напряжения) зна­чение среднего прямого тока диода;

                             

                          Рис. 8.3. Условные графические обозначения полупроводниковых при­боров:

а — выпрямительный и импульсный диоды; б — стабилитрон и стабистор; в — симметричный стабилитрон; г — варикап; д — излучающий диод; е — биполяр­ный транзистор р-n-р-типа; ж — биполярный транзистор n— р— n -типа; з — полевой транзистор с управляющим р—n-переходом с n-каналом; и — полевой транзистор с управляющим р—n-переходом с р-каналом; к — МДП-транзистор с встроенным n-каналом; л — полевой транзистор с встроенным р-каналом; м — МДП-транзистор с индуцированным n-каналом; н — МДП-транзистор с инду­цированным р-каналом; о — динистор; п, р — тринистор с управлением соответ­ственно по катоду и аноду; Б — база; К — коллектор; Э — эмиттер; 3 — затвор; И — исток; С — сток; УЭ — управляющий электрод

 

U _{обр.доп} — допустимое наибольшее значение постоянного об­ратного напряжения диода;

f_max — максимально допустимая частота входного напряжения;

U_пр — значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифицируют также по мощности и частоте.

У маломощных диодов I _{пр.ср max} ≤ 0,3 А; у диодов средней мощно­сти 0,3 А < I _{пр.ср max} ≤ 10 А; у диодов большой мощности I _{пр.ср max} > 10 А

У низкочастотных диодов f _max < 10³ Гц, а у высокочастотных — f _max>10³Гц.

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выпол­ненные на выпрямляющем переходе металл—полупроводник (ди­оды Шотки), имеющие меньшее, чем у диодов с р-n-перехо­дом, напряжение U _пр и большую f _max.

Стабилитрон и стабистор применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Отличие стаби­литрона от стабистора заключается в используемой ветви ВАХ для стабилизации напряжения. Как видно  из рис. 8.2, ВАХ диода име­ет участки AB и CD, на которых значительному изменению тока соответствует незначительное изменение напряжения при срав­нительно линейной их зависимости. Для стабилизации высокого напряжения (> 3 В) используют обратную ветвь (участок АВ) ВАХ, Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами. Для стабилизации небольших значений напряжений (<1В — напри­мер, в интегральных схемах) используют прямую ветвь (участок CD) ВАХ, а применяемые в этом случае диоды называют стабисторами. Условное обозначение стабилитрона и стабистора пока­зано на рис. 8.3, б.

Стабилитроны и стабисторы изготовляют, как правило, из крем­ния. Различают низко- и высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.

К основным параметрам стабилитрона относятся:

U _ст---напряжение стабилизации при заданном токе;

R _диф — дифференциальное сопротивление при заданном токе;

I _ст.min --- минимально допустимый ток стабилизации;

I _ст.max — максимально допустимый ток стабилизации;

Р _max — максимально допустимая рассеиваемая мощность;

α — температурный коэффициент напряжения (ТКН) стаби­лизации   где ΔU_ст — отклонение напряжения U_ст от номинального значения при изменении температуры в интервале Δ T.

В схемах двухполярной стабилизации напряжения применяется симметричный стабилитрон, условное графическое обозначение которого показано на рис. 8.3, в.

Маркировка полупроводниковых диодов, разработанных пос­ле 1964 г., предусматривает шесть символов. Первый символ — буква (для общего применения) или цифра (для специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый мате­риал, из которого изготовлен диод: Г (1) германий, К (2) кремний, А (3) арсенид галлия. Второй символ — буква, обо­значающая подкласс диода: Д--- выпрямительные, высокочастот­ные (универсальные) и импульсные диоды; В — варикапы; С — стабилитроны и стабисторы; Л — светодиоды. Третий символ — цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов — мощ­ность рассеяния): 3 — переключательный, 4 — универсальный и т.д. Четвертый и пятый символы — двузначное число, указываю­щее порядковый номер разработки (у стабилитронов — номиналь­ное напряжение стабилизации). Шестой символ — буква, обознача­ющая параметрическую группу прибора (у стабилитронов — последователь-ность разработки). Примеры маркировки диодов: ГД412А германиевый (Г), диод (Д), универсальный (4), номер разработки (12), группа (А); КС196В --- кремниевый (К), стабилитрон (С), мощность рассеяния не более 0,3 Вт (1), номиналь­ное напряжение стабилизации 9,6 В третья разработка (В).

Для полупроводниковых диодов c малыми габаритными раз­мерами корпуса исполь-зуется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

 

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор с дву­мя взаимодействую-щимиp- n -переходами и тремя выводами. Та­ким образом, в биполярном транзисторе используются одновре­менно два типа носителей зарядов — электроны и дырки (отсюда и название — биполярный).

Биполярный транзистор содержит дваp - n -перехода, образованных тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы р-n-р- и n-р- n -типа. На рис. 8.3, е, ж показаны условные графические обозначения биполярного транзистора.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух p - n -переходов.

Рис. 8.4. Распределениетоковв n-р- n -транзисторе

Рассмотрим принцип работы биполярного транзистора на при­мере транзистора n - р - n -типа (рис. 8.4), для которого концент­рация основных носителей в n -области существенно выше, чем в p -области. У такого транзистора n -область, которая инжекти­рует электроны в соседнюю р -область, (левую n -область) назы­вают эмиттером, правую n -область, которая экстрагирует на­ходящиеся в соседней p -области электроны, называют коллек­тором, а среднюю область --- базой. Соответственно примыкающий к эмиттеру p - n -переход называют эмиттерным, а примыкаю­щий к коллектору — коллекторным. Металлические выводы, при­вариваемые или припаиваемые к полупроводниковым областям, называют соответственно эмиттерным, коллекторным и базовым выводами.

В зависимости от напряжений, приложенных к переходам би­полярного транзистора, существует четыре режима его работы:

активный (рис. 8.5,а) — на эмиттерный переход подано прямое напряжение, на коллектор­ный — обратное. Этот режим со­ответствует максимальному зна­чению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала;

инверсный (рис. 8.5,б)     на эмиттерный переход подано обратное напряжение,

                  

                                          Рис. 8. 5. Режимы работы биполярного транзистора:

                               а — активный; б — инверсный; в — насыщения; г — отсечки

на коллекторный — прямое. Этот режим при­водит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой в нормальном режиме и поэто­му на практике применяется редко;

насыщения (рис. 8.5, в) — оба перехода находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого на­пряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насы­щения используется для замыкания цепей передачи сигнала;

отсечки (рис. 8.5, г) — оба перехода находятся под обратными напряжениями. Так как выходной ток транзистора в режиме от­сечки практически равен нулю, этот режим используется для раз­мыкания цепей передачи сигналов.

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме вклю­чения), являются:

коэффициент усиления по току ;

коэффициент усиления по напряжению

коэффициент усиления по мощности ;

входное сопротивление ;

выходное сопротивление .

Параметры транзистора, рассчитанные для каждой из схем его включения, представлены в табл. 8.1. В ней под величиной R _вх.б следует понимать входное сопротивление транзистора для схемы с ОБ.

Анализ данных, приведенных в табл. 8.1, свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ, обеспечивающей усиление транзистора как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широ­кое применение указанной схемы включения транзистора.

Высокие значения β обусловливают также усилительное свой­ство транзистора по току, заключающееся в возможности малы­ми входными токами (током базы) управлять существенно боль­шими токами (током коллектора) в выходной (нагрузочной) цепи.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свой ста­тические характеристики, представляющие собой функциональ­ную зависимость токов через транзистор от приложенных напря­жений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

Таблица 8.1

Полевые транзисторы

 

Рис. 8.7. Структура МДП- транзистора: 1 — диэлектрик; 2 — канал; 3 — подложка

Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называ­ют униполярным транзистором, так как его работа основана на использовании только одного типа носителей — либо электро­нов, либо дырок. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называют каналом.

Полевой транзистор — полупроводниковый усилительный при­бор, которым управляет не ток (как в биполярном транзисторе), а электрическое поле (отсюда и название — полевой), осуществ­ляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала. При этом изменяется выходной ток транзистора. Каналы могут быть приповерхностными (транзисторы с изолированным затвором) и объемными (транзисторы с управляющим р- n -пе­реходом).

Металлический электрод, создаю­щий эффект поля, называют затвором (3), два других электрода — истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в прин­ципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком — тот элек­трод, через который эти носители ухо­дят из канала во внешнюю цепь. В зави­симости от того, какой из выводов яв­ляется общим для входа и выхода, различают три схемы включения поле­вого транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема с ОИ.

Структура МДП-транзистора с каналом n-типа показана на рис. 8.7. Металлический затвор изолирован от полупроводниковой подложки слоем диэлектрика (отсюда эквивалентное название МДП-транзистора — полевой транзистор с изолированным за­твором).

Входное сопротивление полевого транзистора очень велико (несколько мегаом), поскольку значение тока затвора I _з очень мало.

Условные обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 8.3, з...н.

Основными преимуществами полевого транзистора являются его высокое входное сопротивление по постоянному току и боль­шая технологичность. Последнее обусловливает широкое приме­нение полевых транзисторов при разработке цифровых интеграль­ных схем.

Дискретные полевые транзисторы, выпускаемые промышлен­ностью, классифицируют по мощности и частоте аналогично би­полярным.

Для маркировки транзисторов с 1972 г. применяют шестисимвольное буквенно-цифровое обозначение. При этом каждый сим­вол несет следующую информацию о транзисторе. Первый сим­вол — буква или цифра, указывающая, как и в случае маркиров­ки диодов, исходный полупроводниковый материал. Второй сим­вол — буква, обозначающая класс прибора: П — полевые, Т — биполярные транзисторы. Третий символ — цифра (от 1 до 9), определяющая энергетическую и частотную характеристики би­полярного и полевого транзисторов, указывается в соответствии с табл. 8.2.

Четвертый и пятый символы — цифры (от 01 до 99), указыва­ющие порядковый номер разработки прибора. Шестой символ — буква, обозначающая параметрическую группу

                                                          Таблица 8.2

                                          Частотная и энергетическая характеристики транзистора,

                                          определяемые третьим символом маркировки

Мощность рассеяния, Вт		Рабочая частота, МГц
		Менее 3		3...30	Более 30
Менее	0,3	1		2		3
	0,3... 1,5	4		5		6
Более	1,5	7		8		9

 

приборов (деление по группам осуществляют по каким-либо параметрам прибо­ра: коэффициенту передачи тока, обратному напряжению и др.). Например, маркировка КТ905А означает: кремниевый биполяр­ный транзистор; мощность рассеяния более 1,5 Вт; рабочая часто­та более 30 МГц; пятая разработка; относится по своим парамет­рам к группе А.

Разработана семисимвольная маркировка полупроводниковых приборов, которая отличается от существующей трехзначным номером разработки, соответствующим четвертому, пятому и шестому символам маркировки.

Тиристоры

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехо­да, который может переключаться из закрытого состояния в от­крытое, и наоборот. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором, а триодный  --- тринистором.

Динистор, условное обозначение которого приведено на рис. 8.3, о, представляет собой двухполюсную четырехслойную p- n - p - n -структуру. Электрод, обеспечивающий электричес-кую связь с внешней n -областью, называется катодом, а с внешней p -областью — анодом.    С учетом знаков приложенного к структу­ре внешнего напряжения переходы 1 и 3 (рис. 8.8)

Рис. 8.8. Схема включения динистора:                         1, 2, 3 — переходы

смещены в прямом направлении, а все напряжение падает на переходе 2, который работает в режиме коллектора. Рассматриваемую струк­туру динистора можно представить состоящей из двух транзис­торов p₁-n₁-p₂ и n₂-p₂- n ₁, у которых области n₁ и p ₂ условно разделены. Переход 1 представляет собой эмиттерный переход первого транзистора, через который дыр­ки инжектируют из p₁-области в область n ₁, выполняющую роль базы для этого транзистора. Пройдя базу и коллектор­ный переход 2, инжектированные дыр­ки появляются в коллекторе р₂ первого транзистора, который в то же время служит базой второго транзистора.

Рис. 8.9. Вольт-амперные характеристики динистора и нагрузочного ре­зистора: I — открытое состояние; II — область отрицательного сопротивления; III — область закрытого состояния; IV — область обратного смешения; V — область пробоя

Описанные процессы определяют ВАХ динистора, показанную на рис. 8.9, на прямой ветви которой можно выде­лить две устойчивые зоны: область III с малыми значениями тока I _н при больших значениях напряжения U _a и область отпирания I с большими токами I _н при малых напря­жениях U _a.

Точки A и B соответствуют выполнению условия α _Σ= 1 и назы­ваются соответственно точками включения и удержания динисто­ра, а соответствующие им токи называются током включения (I _вкл)и током удержания (I _уд). Между точками А и B лежит область II, в которой динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для схемы, представленной на рис. 8.9, имеем U_n = U_a + R_нI.

Решением этого уравнения будет точка пересечения линии нагрузки R_н и ВАХ динистора (рабочая точка). Если напряжение U _a на динисторе достигает значения напряжения включения U_вкл, рабочая точка скачкообразно переходит из состояния A в А'.

Рис. 8.10. Схема включе­ния тринистора

Таким образом, управление током I _н ди­нистора возможно только за счет измене­ния величины и направления напряжения внешнего источника, приложенного меж­ду анодом и катодом прибора.

Тринистор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру, в которой одна из базо­вых областей сделана управляющей (рис. 8.10). В зависимости от того, база какого условного транзистора сделана управляющей, различают тринисторы с анодным и катодным управлением.

    Базовый вывод дает возможность управлять током близлежа­щего эмиттера. Для этого на управляющий электрод (УЭ) необхо­димо подать напряжение такой полярности, которая обеспечит отирание соответствующего эмиттерного перехода.

Рис.8.11. Вольт-амперные характеристики тринистора

В этом случае процессы отпирания и запирания тиристора, т. е. управление его током I _н, осуществляют не за счет изменения приложенного меж­ду анодом и катодом напряжения внешнего источника (как у ди­нистора), а за счет изменения напряжения на управляющем элек­трода, который является, как видно из рис. 8.10, входным элект­родом включенного в электрическую цепь тринистора. На рис. 8.11 приведены ВАХ тринистора, а на рис. 8.3, п, р — его условные обозначения. Как видно из рис. 8.11, с возрастанием U _ynp (следова­тельно, I _упр) уменьшается напряжение включения тринистора и при достаточно большом значении I _упр вид прямой ветви ВАХ тринистора будет аналогичен виду прямой ветви ВАХ диода.

 

Индикаторные приборы

Индикаторными приборами называют приборы, предназначен­ные для визуального представления информации. Важность таких приборов трудно переоценить, так как до 80 % информации вос­принимается человеком через органы зрения.

Рассмотрим индикаторные приборы, предназначенные для преобразования электрических сигналов в графические образы. В основу действия таких приборов положены различные физиче­ские явления и процессы, наибольшее распространение среди ко­торых получили электролюминесценция, процессы в газовом раз­ряде, светоизлучающие процессы в полупроводнике, оптические процессы в жидких кристаллах. Электролюминесценция и про­цессы, связанные с электрическим разрядом в газах, нашли при­менение в индикаторных электровакуумных приборах (ЭВП).

Явление свечения некоторых материалов при бомбардировке направленным пучком электронов используется в ЭВП, называе­мых электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).

Электронно-лучевые трубки подразделяют на трубки с элект­ростатическим и магнитным управлением. В первых для управле­ния пучком электронов применяют электрическое поле, а во вто­рых — магнитное.

Электронно-лучевые трубки с магнитным управлением полу­чили широкое распространение в качестве устройств отображе­ния информации и, в частности, в качестве индикаторных уст­ройств дисплеев ЭВМ.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлени­ем обеспечивают более высокие частотные свойства, поэтому их широко используют в качестве индикаторов электронных осцил­лографов.

Конструкция ЭЛТ с электростатическим управлением схема­тически показана на рис. 8.14. Она представляет собой вакуумную стеклянную колбу, в узкой части которой расположены элект­ронный прожектор (ЭП) и отклоняющая система (ОС). В торцо­вой части колбы находится экран (Э), покрытый специальным составом — люминофором, способным светиться при бомбарди­ровке электронным пучком. Электронный прожектор состоит из подогреваемого нитью накала (Н) катода (К), модулятора (М) и двух анодов (А₁ и А₂).

 

Электроны, покинувшие катод, образуют электронное обла­ко, которое под действием поля анодов движется в сторону эк­рана, формируя электронный пучок. Этот пучок проходит моду­лятор, выполненный в виде полого цилиндра с отверстием в донной части. К модулятору прикладывается отрицательное от­носительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Это напряжение создает тормозящее поле, предварительно фокусиру­ющее электронный пучок и изменяющее яркость свечения экрана. Для получения требуемой энергии (скорости) электронного пуч­ка на аноды подается положительное относительно катода на­пряжение: на анод  А₁ — несколько сотен вольт, а на анод А₂ — несколько тысяч вольт. Значение напряжения для анода А₂ выби­рают из условия установки фокуса второй электростатической линзы в плоскости экрана.

Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар взаимно пер­пендикулярных пластин, расположенных симметрично относитель­но оси колбы. Напряжение, прикладываемое к пластинам, ис­кривляет траекторию электронного пучка, вызывая тем самым отклонение светового пятна на экране.

Разработаны низковольтные индикаторные приборы, рабочее напряжение которых лежит в пределах от единиц до десятков вольт. Это вакуумные накаливаемые и люминесцентные, полупровод­никовые и жидкокристаллические индикаторы. Конструкция та­ких индикаторов позволяет синтезировать из небольшого числа элементов (светоизлучающих сегментов) большое число цифр и букв, что по сравнению с газоразрядными индикаторами делает их более универсальными.

Низковольтные индикаторы по принципу действия классифи­цируют на активные (основаны на преобразовании энергии элек­трического тока в световой поток) и пассивные (основаны на модуляции внешнего светового потока под действием электри­ческого поля). К первому классу относятся вакуумные накаливае­мые, полупроводниковые и вакуумные люминесцентные индика­торы, ко второму — жидкокристаллические индикаторы.

Вакуумный накаливаемый индикатор представляет собой элек­тровакуумный прибор, внутри которого расположены элементы излучения в виде нитей накаливания.

Из всех низковольтных приборов вакуумные накаливаемые индикаторы обладают самой высокой яркостью свечения, что позволяет эксплуатировать их в любых условиях внешнего осве­щения вплоть до прямого солнечного света. Цвет свечения инди­катора соломенно-желтый. Внутреннее расположение нитей дает возможность отображать арабские цифры от 0 до 9, а также мно­гие буквы русского и латинского алфавитов.

Полупроводниковый индикатор выполняют на основе светоизлучающих диодов. Используя различный исходный материал, можно получить светоизлучающие диоды с различным цветом свечения — от красного до зеленого. Светодиодные индикаторы изготовляют бескорпусными либо в металлическом, металлокерамическом или пластмассовом корпусах. При этом во всех конст­рукциях принимают специальные меры для визуального увеличе­ния размеров индикатора: используют фокусирующие и диффу­зионные линзы, прозрачные пластмассовые корпуса, создают многократные отражения от внутренних поверхностей излучаю­щего диода и т.д. Диаметр светового пятна индикатора составляет 1,5...4,0 мм.

Светоизлучающие диоды применяют автономно в виде семи — десятисегментных знакосинтезирующих индикаторов либо наби­рают в матричные и мозаичные панели одного или различных цветов. В зависимости от размера символа в каждом сегменте мо­жет использоваться либо один, либо несколько последовательно включенных светодиодов. Высота символа в индикаторе колеблет­ся от 2,5 до 25 мм.

Для составления многоразрядных индикаторов одноразрядные индикаторы объединяют в группы, содержащие от 2 до 12 прибо­ров. Такие индикаторы широко применяют в микрокалькулято­рах.

Наиболее универсальными являются матричные полупровод­никовые индикаторы, позволяющие отображать арабские цифры от 0 до 9, римские цифры, буквы русского и латинского алфави­тов, различные знаки и символы. Такие индикаторы представля­ют собой матрицы (панели), содержащие, например, 7x5 или 8x5 светоизлучающих светодиодов, соединенных таким образом, что для высвечивания конкретной световой точки необходимо подать напряжение на выводы соответствующих строки и столбца.

Электрические параметры полупроводниковых индикаторов определяются как их конструкцией, так и типом исходного полу­проводникового материала. Рабочее напряжение одного светодиода лежит в пределах от 1,5 до 2,5 В, а ток — от 3 до 20 мА.

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) по своей природе пассивен, т.е. требует внешнего освещения, и работает за счет изменения оптической плотности жидкого кристалла. По способу использования внешнего освещения ЖКИ подразделяют на ин­дикаторы, работающие на просвет и на отражение.

Конструктивно ЖКИ состоят из двух параллельно расположен­ных стеклянных пластин, на внутренних поверхностях которых нанесены пленочные электроды (рис. 8.15). Межэлектродное про­странство заполнено жидкокристаллическим веществом. Один из электродов выполняется в виде рисунка отображаемого знака, а второй является общим. У ЖКИ, работающего на просвет, оба электрода прозрачны, а у ЖКИ, работающего на отражение, внутренний общий электрод имеет зеркальную поверхность. В за­висимости от свойств используемых жидких кристаллов возмож­но получение одноцветных темных изображений на светлом фоне или светлых изображений на темном фоне. Возможно также полу­чение цветных изображений. В настоящее время промышленно­стью выпускаются одноразрядные и многоразрядные цифровые, а также шкальные жидкокристаллические индикаторы. Индикато­ры питаются переменным током, не содержащим постоянной со­ставляющей, напряжением от 3 до 24 В. Ток потребления состав­ляет десятки микроампер.

 

                         

Рис. 8.15. Жидкокристаллические индикаторы, работающие на просв