Газоразрядные элементы индикации

 

Широкому распространению газоразрядных элементов способствует малая потребляемая мощность и возможность получения четкого и яркого изображения при высоком уровне внешнего освещения, возможность создания индикаторов сравнительно больших размеров. В элементах индикации такого типа используется излучение газового разряда, которое создается в результате прохождения электрического тока через газ в замкнутом объеме.

Различают три вида газового разряда: темный (I <10^-6 А), тлеющий (10^-6 ≤ I ≤ 10^-1 А) и дуговой (I >10^-1 А). Во всех газоразрядных индикаторах используют режим тлеющего разряда с холодным катодом при давлении газа в замкнутом объеме порядка нескольких сотен паскалей при напряжении от 100 до 200 В в зависимости от расстояния между электродами, материала катода и рода газа.

Принцип работы газоразрядных элементов основан на возбуждении атомов газа, которые ионизируются электронами при движении с катода на анод. Интенсивное излучение происходит при переходе возбуждаемых атомов в нормальное состояние и не на всем промежутке катод – анод газоразрядного элемента, а только на отдельных его участках. Эти светящиеся области чередуются с областями, в которых свечение либо вообще отсутствует, либо очень слабое. Как видно из рис. 5.3, в газоразрядной ячейке имеются две явно выраженные области свечения – отрицательного столба свечения 2 и положительного столба свечения 3. Возле катода 1 расположена область отрицательного разряда, и она имеет конфигурацию, близкую к форме катода. В области положительного столба свечения пространственный заряд мал и потенциал практически постоянен, что создает условия для образования в нем нейтральной плазмы. Форма положительного столба свечения не повторяет форму анода 4 и имеет большие диаметр и высоту при соответствующих размерах газовой ячейки. Если анод сдвинут в область 5 (так называемого фарадеевого темного пространства), то свечение положительного столба может быть исключено. Для увеличения яркости положительного столба в индикаторе его ограничивают металлической или диэлектрической стенкой. Яркость индикатора зависит также от вида газа-наполнителя. Наибольшую яркость создает неон, затем в порядке убывания яркости идут гелий, криптон, аргон, ксенон. Яркость свечения отрицательного разряда линейно растет с увеличением давления и тока.

Конструктивно большинство газоразрядных индикаторов представляет собой стеклянный баллон цилиндрической, сферической или иной формы с герметически впаянными электродами, между которыми происходит разряд. Внутреннее пространство заполнено чистым инертным газом либо смесью инертных газов, иногда с примесью небольшого количества металла, например ртути, в парах которого происходит разряд.

По принципу действия и конструкции газоразрядные элементы УОИ делятся на три группы: знаковые, индикаторные тиратроны и газоразрядные индикаторные панели. Широко распространены газоразрядные элементы УОИ, у которых катоды выполнены в виде цифр, расположенных одна под другой. При подаче между анодом и одним из катодов напряжения, превышающего напряжение зажигания, возникает тлеющий разряд, охватывающий всю поверхность катода, в результате отображается соответствующая цифра. Цвет отображаемых цифр – оранжево-красный.

На базе газоразрядных индикаторов разработана и широко используется серия малогабаритных индикаторов типа Ф207. Конструктивно эти индикаторы представляют функциональные устройства, позволяющие комплектовать многоразрядные счетчики импульсов с памятью и индикацией, регистры памяти и узлы индикации. В них используются ИС типов 2ТК171 (универсальный триггер), 2ТР171 (триггер с раздельным входом), 2Н1171 (транзисторные сборки), 2ЛП173 (диодные сборки).

Когда нет необходимости в точных цифровых данных, и имеют дело с непрерывными показаниями (например, уровнем громкости, усилением), то удобными являются линейные газоразрядные индикаторы, информация на которых представляется в виде изменяющегося числа светящихся точек относительно начала шкалы (ИН-13).

Использование свойств газоразрядных приборов, а также внедрение технологии изготовления ИС позволило создать новый класс функциональных приборов – газоразрядные плазменные индикаторные панели. Они состоят из газоразрядных элементов, способных накапливать и выдавать информацию. Основным механизмом работы плазменных панелей является люминесценция, создаваемая в тлеющем разряде столкновениями возбужденных полем ионов. В настоящее время разработано три основных вида ГИП: постоянного тока с внешней адресацией; постоянного тока с самосканированием; переменного тока. Газоразрядная индикаторная панель представляет собой совокупность единичных газоразрядных ячеек (рис. 5.4), имеющих общую стеклянную пластину 3 с отверстиями 2, образующими рабочие ячейки, и системы взаимно ортогональных электродов 1, 4, размещенных на обкладочных пластинах 5, 6. Совмещение элементов конструкции производят таким образом, чтобы на осях отверстий 2 пластины 3 лежали проекции перекрытий соответствующих взаимоортогональных катодных и анодных электродов на плоскость каждой из обкладочных пла стин 5,6. В результате такого совмещения каждое перфорированное отверстие и прилегающие к нему участки катодных и анодных электродов образуют диодную ячейку. Панель загерметизирована специальным гермети-ком, и внутренняя ее полость заполнена инертным газом, представляющим собой неоновую смесь с давлением порядка от 19·10³ до 39·10³ Па. При подаче напряжения на выбранные взаимно ортогональные электроды в соответствующей ячейке, находящейся на их перекрытии, возникает тлеющий разряд. Образующееся при этом свечение достигает яркости около 100 кд/м². При заданном газовом наполнении яркость свечения ГИП зависит от среднего значения тока тлеющего разряда. Количество рабочих ячеек определяется произведением числа взаимных ортогональных электродов и может достигать десятка и сотен тысяч, определяющих их информационную емкость и разрешающую способность.

Почти во всех ГИП используется слаботочный тлеющий разряд, характеризующийся большой яркостью светоизлучения и относительно высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую. Газовая смесь по своему составу и давлению для различных ГИП выбирается с учетом обеспечения следующих параметров: заданной яркости, минимально возможного напряжения питания, скорости распыления катода. Запоминание в ГИП обеспечивается использованием стабилизирующих резисторов R ₀, включенных последовательно с каждой ячейкой (рис. 5.5).

В едином конструктивном объеме каждая ячейка между анодом и катодом имеет газоразрядный промежуток, которым при подаче соответствующего напряжения возбуждается тлеющий разряд. В отличие от ГИП переменного тока в ГИП постоянного тока электроды находятся в непосредственном контакте с газовой средой разрядного промежутка. Индикаторные ячейки ГИП сосредоточены в одной плоскости между двумя обкладками-пластинами, каждый столбец ГИП имеет общий катодный электрод, а каждая строчка – анодный электрод. Ячейки подключают к источнику питания Е_см через балластный резистор R ₀, установленный по одной из координат в цепи анода. Питание ячеек производится от общего источника Е_см, а управление работой ячеек – импульсами сканирования U_С, U_СБ. В результате одна ячейка каждой строчки ГИП приобретает свойства запоминания ионизированного (информационного) состояния. Таким образом, информационные сигналы могут подаваться по всем строкам одновременно. Адресация ячеек по столбцам осуществляется импульсами сканирования. При одновременной подаче напряжения на все катоды пробой произойдет в некоторой наиболее высоковольтной ячейке. В результате возникновения разряда в этой ячейке напряжение перераспределится между балластным резистором и внутренним сопротивлением ячейки и станет недостаточным для пробоя остальных ячеек.

Чтобы избежать этого явления, подача напряжения на входы фиксируется во времени и производится последовательно в соответствии с кодом. Таким образом, ячейка находится либо в импульсном, либо в стационарном режиме. По окончании переходного процесса на стадии пробоя разрядного промежутка через ячейку протекает импульс тока, при котором плазменные явления в ячейке соответствуют процессам, происходящим в стационарном газовом разряде постоянного тока.

Прохождение тока сопровождается излучением газового разряда, который наблюдается оператором. Ячейка ГИП является импульсным источником света. Глаз воспринимает среднее значение яркости ячейки. Во всех ГИП используется тлеющий разряд холодного катода при средних давлениях, равных десяткам и сотням гектопаскалей. Все ГИП заполняются смесью инертных газов.

Важным параметром в работе ГИП является его стабильность. Основным фактором, определяющим срок жизни ГИП, является скорость распыления материала катода. Распыление происходит под действием ионной бомбардировки, что приводит к напылению материала на рабочие электроды, появлению проводящих мостиков, затемнению баллона материалом катода и снижению яркости. Действие этих факторов увеличивается при увеличении давления. Значительное повышение срока службы достигается введением в ячейку ртути или уменьшением рабочего тока (снижением яркости).