Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы

 

Единичные ППЗСИ

 

Единичный полупроводниковый знакосинтезирующий индикатор (ППЗСИ) - это полупроводниковый диод, в переходе которого в результате рекомбинации электронов и дырок при их инжекции в прямом направлении генерируется световое излучение. Принцип их работы заключается в том, что при прямом смещении потенциальный барьер р-п перехода понижается и происходит инжекция электронов в р-область и дырок в n-область. В процессе рекомбинации неосновных носителей в р-п переходе энергия выделяется в виде фотонов, т.е. процесс рекомбинации сопровождается световым излучением, частота которого пропорциональна энергии запрещенной зоны полупроводникового материала. Если ширина запрещенной зоны больше 1,8 эВ, то излучение видимое (длина волны меньше 700 нм), если меньше, то излучение невидимое и находится в инфракрасной части спектра.

Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы - это низковольтные приборы, удобно совмещаемые с источниками питания и уровнями токов микросхем. Они миниатюрны и позволяют конструировать устройства, предназначенные для отображения информации различной сложности - от светящейся точки до текстов и графиков. ППЗСИ обладают малым временем переключения - менее 50 нс. Приборы характеризуются относительно высокими уровнями рабочих токов и умеренными уровнями яркости.

Основные материалы, используемые для изготовления светодиодов, - твердые растворы арсенида и фосфида галлия. Цвет видимого свечения: красный, желтый, зеленый.

В последние годы перспективным методом получения индикаторов с различным цветом свечения считается нанесение люминофорного покрытия непосредственно на кристалл с инфракрасным излучением. Такая конструкция позволяет преобразовать интенсивное инфракрасное излучение кристалла в видимый свет цветового люминофора, что существенно расширяет возможности практического применения этих индикаторов в технике и быту.

В простейшем случае единичный ППЗСИ представляет собой плоский p-n переход с омическими контактами (рисунок 5.10). Однако такая конструкция недостаточно эффективна из-за внутреннего отражения генерируемого света на границе полупроводник - воздух.

Рисунок 5.10 - Конструкция ППЗСИ с плоским p-n переходом

Для уменьшения отражения на поверхности полупроводника формируют полусферическое покрытие из прозрачного материала, коэффициент преломления которого имеет промежуточное значение между коэффициентами преломления воздуха и кристалла (рисунок 5.11).

Рисунок 5.11 - Конструкция ППЗСИ с полусферическим покрытием

Эффективны конструкции единичных ППЗСИ, у которых n-область p-n перехода имеет форму полусферы (рисунок 5.12). В такой конструкции лучи генерируемого света подходят к разделу полупроводник-воздух практически перпендикулярно, что резко снижает потери на внутреннее отражение.

Рисунок 5.12 - Конструкция ППЗСИ с полусферической n областью

Размеры излучающих поверхностей единичных ППЗСИ малы, поэтому для увеличения размеров изображения в конструкциях индикаторов используются линзы, рефлекторы и другие устройства, увеличивающие видимый размер светящейся поверхности.

Кристалл единичного ППЗСИ с управляемым цветом свечения имеет два p-n перехода. Один из них излучает красный свет, другой излучает зеленый свет. При включении одного из p-n переходов диод излучает красный или зеленый свет, а при включении обоих p-n переходов благодаря оптической прозрачности фосфида галлия можно получить желтый или оранжевый цвет свечения в зависимости от соотношения токов через p-n переходы.

Единичные ППЗСИ обладают достаточно высоким быстродействием, однако для устройств отображения, в которых они обычно используются, временные параметры не являются критичными.

Светодиоды как элементы индикации обладают рядом достоинств:

· малые габаритные размеры;

· низкое напряжение питания;

· набор различных цветов свечения;

· устойчивость к механическим воздействиям;

· большой срок службы.

Многоэлементные ППЗСИ

 

Это прибор, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предназначенный для представления информации в виде знаков и организованный в один или несколько разрядов. В настоящее время выпускается несколько сотен типов многоэлементных полупроводниковых индикаторов, в том числе знаковые, модули шкалы, модули экрана. Они различаются числом, размерами и конфигурацией светоизлучающих элементов, цветом свечения, конструктивными решениями.

Знаковые индикаторы в основном предназначены для отображения информации в виде цифр и букв. На рабочем поле может одновременно отображаться одно знакоместо (одноразрядный индикатор) или несколько знакомест (многоразрядный). По числу элементов и их взаимному расположению в пределах поля одного разряда различают четыре типа знаковых индикаторов:

I. - семисегментный;

II. - девятисегментный;

III. - 35 сегментный матричный ППЗСИ;

IV - пятисегментный, разных видов.

Индикаторы I типа могут быть цифровыми, буквенно-цифровыми и обеспечивают отображение всего ряда цифр с приемлемым для восприятия эстетическим качеством.

Индикаторы II типа позволяют отображать цифры и ограниченный набор букв русского и латинского алфавитов.

Наиболее универсальны индикаторы III типа. При работе с этими индикаторами можно изменять начертание отдельных символов.

Индикаторы IV типа дополняют группу индикаторов II типа и предназначены для отображения символов полярности и переполнения в цифровых устройствах с неполным числом разрядов. Другой вид используется для создания шкал.

С электрической точки зрения, знаковые индикаторы представляют наборы излучающих диодов. Для уменьшения числа контактных выводов индикатора у диодов аноды или катоды объединены вместе (рисунок 5.13).

а)

б)

Рисунок 5.13- Электрические схемы многоэлементных ППЗСИ: а - общие катоды; б - общие аноды

Для активации 5, 7 или 9 сегментного индикатора при структуре с общим анодом (рисунок 5.13 б) достаточно на объединенный анод всех диодов подать положительное напряжение (около 2 В). На катоды нужных диодов подается потенциал земли. Выбранные диоды зажигаются за счет прямо протекающего через них тока. Катоды неиспользуемых диодов можно подключить к положительному напряжению или оставить неподключенными.

Для структуры с общим катодом (рисунок 5.13, а) на объединенный катод подается потенциал земли. На аноды нужных диодов подается положительное напряжение.

Начертание цифр, синтезируемых на 7-сегментном индикаторе, вполне приемлемо для четкого распознавания в бытовых устройствах (рисунок 5.14).

Рисунок 5.14 - Индикация цифр на семисегментном индикаторе

Девятисегментный индикатор позволяет улучшить форму цифр и даже букв за счет более правильного начертания знаков.

Рисунок 5.15- Индикация цифр на девятисегментном индикаторе

В 35 сегментном матричном ППЗС индикаторе имеется 35 светоизлучающих диодов, выполненных в виде точечных излучателей, собранных в форме матрицы 5*7 точек. Очень трудно напрямую на выход индикатора подключить выводы 35 анодов и катодов. Прямой вывод значительно увеличивает габариты индикатора и знакоместа. Поэтому такие индикаторы организованы по матричной схеме (рисунок 5.16). Светодиоды включены на пересечении строк и столбцов матрицы.

Рисунок 5.16 - Структура 35 сегментного индикатора

В такой схеме для активизации диода (зажигания точки) на вход анодов в нужной строке подается положительное напряжение, а столбец, к которому подключен катод нужного диода, должен быть заземлен. При протекании прямого тока высвечивается точка. При этом можно активизировать нужные диоды всего столбца. Для синтеза знака необходим последовательный перебор всех столбцов знаковой матрицы. Таким образом, диаграмма сигналов на выводах столбцов, имеет следующий вид (рисунок 5.17).

Рисунок 5.17 - Диаграмма напряжений на столбцах индикатора

На строки матричного индикатора подается 7-ми битный код, содержащий единицы в разрядах нужных строк.

Начертания цифр и букв на 35-сегментном матричном индикаторе очень правильные и отлично воспринимаются пользователем (рисунок 5.18).

 

Рисунок 5.18 - Индикация цифр и букв на матричном индикаторе

С помощью 35-сегментного индикатора можно синтезировать буквы русского и латинского алфавитов, цифры, специальные знаки (точки, двоеточие, запятые, многоточия, проценты, градусы и т.п.) и многие другие знаки.

Кроме отображения цифр, букв и специальных знаков, полупроводниковые индикаторы с успехом используются в устройствах индикации включения готовности к работе, наличия напряжения в блоке, нормальной работоспособности узла, аварийной ситуации, достижения температурного порога, выполнения функционального задания и в других устройствах, хорошо согласуясь по электрическим параметрам с полупроводниковыми приборами и микросхемами.

Полупроводниковые индикаторы имеют очень высокую долговечность. В технической документации на индикаторы, как правило, указывается минимальная наработка в 15000 часов, а в облегченных режимах - 30000 ч. При этом продолжительность наработки оценивается по некоторым условным величинам, называемым критериями наработки. Например, принимается, что яркость свечения индикатора должна уменьшиться не более чем на 30% от первоначального значения.

Опыт показывает, что ППЗСИ работают 70...80 и более тысяч часов (около 8..10 лет непрерывной работы).

Эксплуатационные достоинства ППЗСИ способствовали достаточно быстрому и широкому распространению их в радиоэлектронной, вычислительной и другой аппаратуре, выполненной на интегральных микросхемах в качестве:

· визуальных индикаторов состояния полупроводниковых, интегральных и гибридных микросхем;

· источника видимого света для малогабаритных информационных быстродействующих табло в вычислительной технике и устройствах автоматики;

· источника видимого света в малогабаритных матрицах и алфавитно-цифровых модулях;

· малоинерционных излучателей света в быстродействующих системах записи информации на фотопленку;

· источника импульсного света в цепях контроля скоростных фотоэлектронных умножителей;

· элементов индикации в приборных щитах самолетов и космических кораблей;

· цифровых и знаковых индикаторов в устройствах сигнализации и автоматики;

· индикаторов отсчета времени в электронных часах и т.д.

 

Другие типы индикаторов

 

Описанные выше типы индикаторов широко применяются в различных радиоэлектронных устройствах бытового назначения и в технических приложениях. Основным критерием их преимущественного распространения являются высокие эксплуатационные качества по потребляемой мощности, надежности, долговечности, стоимости и простоте схем управления.

Для полноты картины перечислим некоторые другие типы индикаторов, не вошедшие в перечисленные выше типы:

· накальные индикаторы - лампы;

· накальные вакуумные индикаторы;

· накальные индикаторы на флуоресцирующих стеклах;

· газоразрядные неоновые лампы;

· газовые электронно-световые индикаторы;

· тиратроны тлеющего разряда;

· газоразрядные знаковые индикаторы;

· газоразрядные индикаторные панели;

· электронно - лучевые индикаторы;

· пневматические индикаторы;

· термоиндикаторы и т.д.

 

Ввод информации в микро-ЭВМ

 

При работе с радиоэлектронной аппаратурой пользователь выражает свои желания с помощью устройства ввода. В качестве устройства ввода выступает клавиатура. Клавиатура - это набор коммутационных элементов - клавиш, при воздействии на которые формируются электрические сигналы.

Принципы, заложенные в реализацию таких элементов, могут быть различными. По виду воздействия можно выделить клавиши нажатия (тактильные) и прикосновения (сенсорные). Различают также контактные и бесконтактные клавишные устройства.

В контактных элементах механическое воздействие на клавишу приводит к переключению электромеханического контакта. Такие устройства отличаются низкой стоимостью, простотой конструкции, возможностью коммутации довольно большой мощности, огромным числом допустимых переключений.

Улучшенным вариантом электромеханических контактов являются герконы - герметизированные контакты, располагаемые в герметичном стеклянном баллоне. Срабатывание происходит при воздействии на контакты магнитного поля от маленького магнита или электромагнитной катушки.

В бесконтактных клавишах используются переключатели, управляемые магнитным полем, световым излучением, или воздействием от индукционных датчиков. К бесконтактным относятся и сенсорные переключатели.

При малом числе клавиш пару проводов от каждой клавиши можно завести прямо на устройство управления. При увеличении числа клавиш до десяти и более, значительно возрастает число проводов. Поэтому клавиши подключают по матричной схеме (рисунок 5.19).

При матричной схеме организации клавиатуры процесс работы состоит из фазы вывода на столбцы кода сканирования и фазы считывания кода со строк. Код сканирования состоит из всех логических единиц и одного логического нуля. Нулевой потенциал в каждый момент времени подается только на один столбец. Если столбец, подключенный к нулевому значению, не содержит нажатых клавиш, то на всех строках считывается логическая единица. Устройство обслуживания клавиатуры в этом случае считает, что данный столбец опрошен и нажатых клавиш нет.

Далее, логический нуль смещается на одну позицию, для активизации следующего столбца. Процесс считывания строк повторяется. Таким образом, в процессе перебора всех столбцов (сканирование столбцов), может быть обнаружена нажатая клавиша. Номер столбца определяется по позиции логического нуля, а строка с нажатой клавишей также будет содержать нулевое значение.

Рисунок 5.19 - Структура матричной клавиатуры

Адрес клавиши (столбец, строка) однозначно определяет ее позицию и, таким образом, позволяет определить ее значение (функцию). В устройство управления, работающее с клавиатурой, обычно закладывается функция устранения дребезга контактов (антидребезг). Дребезг контактов объясняется тем, что механические контакты при включении замыкаются не сразу. За короткое время контактное сопротивление изменяется скачкообразно несколько раз. Контакты как бы ударяются и отскакивают друг от друга, как мячики. Антидребезг срабатывает при повторном считывании кода клавиши через небольшое время, порядка 20·10-3 секунды. За это время дребезжание заканчивается, и устройство фиксирует нажатие клавиши.

Еще одной проблемой является одновременное нажатие нескольких клавиш. В этом случае клавиатура обычно блокируется на небольшое время, и опрос повторяется с задержкой. Блокировка клавиатуры будет повторяться либо до момента отпускания всех клавиш, либо до фиксации всего одной нажатой клавиши. В любом случае неправильный код с клавиатуры не обрабатывается. Так гарантируется правильность работы всего устройства.

В случае использования микро-ЭВМ, имеющей встроенный Аналого-цифровой преобразователь, можно организовать клавиатуру по схеме с делителями напряжения (рисунок 5.20).

Рисунок 5.20 - Клавиатура с делителями напряжения

На аналоговый вход АЦП In_ADC подключается цепочка делителей напряжения R. Каждая нажатая клавиша заземляет часть цепочки делителей. На входе АЦП при этом изменяется входное напряжение. Таким образом, код, вычисленный на АЦП, однозначно определяет номер нажатой клавиши. Количество клавиш при 8 битовом АЦП не может превышать 255.

Достоинствами такой клавиатуры следует отметить малое число задействованных входов микро-ЭВМ, простоту алгоритма вычисления номера нажатой клавиши. Устранение дребезга происходит при повторных запусках АЦП. Достаточно несколько раз подряд определить нажатие одной и той же клавиши и можно считать ее нажатой. Отсутствие нажатых клавиш определяется очень легко по значению кода АЦП.

В такой клавиатуре просто решается вопрос обработки нескольких, одновременно нажатых, клавиш. В этом случае будет определен код наиболее близкой ко входу АЦП клавиши.