7.5. Газоразрядные индикаторы

Общие свойства. Сравнительно высокое рабочее напряжение (сотни вольт) газоразрядных индикаторов предопределяет приме­нение этих приборов в аппаратуре с сетевым электропитанием. В то же время аморфность газовой среды делает возможным созда­ние приборов больших размеров, а ее свойства позволяют строить функциональные индикаторы, в которых адресация информации по индикаторному полю или ее запоминание осуществляются внут­ри индикатора.

По принципу действия и конструкции газоразрядные индика­торы делятся на три группы: знаковые (большей частью цифро­вые); индикаторные тиратроны; газоразрядные индикаторные па­нели.

Практически все типы газоразрядных индикаторов представля­ют собой комбинацию диодных промежутков. Обычно ток в таком промежутке ограничивается резистивной нагрузкой (рис. 7.9, а).

В этом случае рабочая точка прибора определяется пересечением нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой (рис. 7.9, б). Если это пересечение приходится на горизонтальный участок характеристики, в приборе устанавливается нормальный тлеющий разряд, если на возрастающий – аномальный. Для возникновения разряда необходимо, чтобы

,

где UB – напряжение возникновения разряда.

Ток через прибор

,

где UП – напряжение поддержания разряда.

Из формул видно, что для выбора статического режима работы газоразрядных индикаторов важны следующие пара­метры; UВ и UП – напряжения возникновения и поддержания раз­рядов, IП – ток перехода от нормального к аномальному тлеющему разряду (этот переход соответствует полному покрытию като­да свечением).

Рис. 7.9.  Газоразрядный индикатор

Рис. 7.10. Динамические характеристики ГРИ

Основные динамические характеристики газоразрядного промежутка иллюстрируются рис. 7.10, 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 τСТ и его дисперсией. Для уменьшения и одновременно стабилизации этого времени с помощью вспомогательного разряда у катода создают начальную концентрацию электронов. После по­

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

Перечисленные динамические параметры τСТ, τФ, τД газоразрядных индикаторов определяют минимальные длительности управляющих импульсов, подаваемых на прибор, и предельную частоту его работы.

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.

Знаковые индикаторы. Наиболее простые по конструкции и принципу действия знаковые (цифровые) индикаторы содержат множество катодов, окруженных общим анодом. Электродная структура знакомоделирующего цифрового индикатора, показанная на рис. 7.11, содержит набор из десяти катодов (2), каждый из которых имеет форму цифры, окруженной, со всех сторон анодным (3) электродом. Для вывода излучения верхняя часть анода (1) 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 IП. 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 (сплошная линия на рис. 7.12, б). 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 (пунктир на рис. 7.12, б).

Распределение потенциала после возникновения разряда на А1, А2 (штрихпунктирная линия на рис. 7.12, б) 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 (штрихпунктир на рис. 7.12, б) 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 присоединяет

ся 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 RПK.

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:

1) постоянного тока с внешней адресацией;

2) с самосканированием;

3) переменного тока.

Конструкция ГИП постоянного тока с внешней адресацией изо­бражена на рис. 7.13. 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.

Простейшая схема включения ГИП постоянного тока с внешними резисторами в цепях столбцов, источниками смещения ЕСМ, возбуждения строк UC и возбуждения столбцов UCБ показана на рис. 7.14. Одновременное включение ячеек, у которых один из электродов (на рисунке электроды, расположенные по столбцу) подключен к общему резистору, невозможно. Действительно, после возникновения в одной из таких ячеек разряда напряжение на общем электроде падает до напряжения поддержания UП, которое всегда меньше напряжения возникновения разряда UB, и другие ячейки пробиться не могут. Напротив, ток в ячейках, подключен­ных к одной строке, ограничивается разными резисторами, и они могут включаться одновременно.

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

,

где tB – 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 NС – 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:

ECМ + UC < UПECМ + UCБ < UП.

Заметим, что напряжение возникновения разряда UB на­растает с уменьшением времени выборки ЭО tB.

Если принять, что UC = UCБ = UH, то

ЕСМ +2UИ UВ;

ЕСМ +UИ < UП.

Большим NС соответствуют малые tВ, что приводит к росту UВ и, следовательно, UИ. Кроме того, tВ может оказаться сравнимым с τСТ, что вызывает неста­бильность возникновения разряда.



Для уменьшения τСТ 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.                                                            

Существенным недостатком ГИП постоянного тока является ограничение информационной емкости из-за падения яркости. При строчной адресации кажущаяся яркость определяется формулой

,

где  – импульсная яркость свечения. 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.

ГИП с самосканированием. Электродная структура ГИП с самосканированием показана на рис. 7.15. На рисунке введены обозначения: 1 – аноды сканирования; 2 – электроды дежурного разряда; 3 – катод сброса; 4 – диэлектрическая матрица с отверстиями; 5 – аноды инъекции; 6 – переднее стекло; 7 – отверстия связи; 8 – катоды сканирования; 9 – стеклянная пластина; 10 – канавки. Работа ГИП иллюстрируется рис. 7.16, на котором изображена принципиальная схема

включения одной строки прибора, и рис. 7.17, на котором даны диаграммы напряжений на электродах.

Катоды групп К1, К2 и К3 подсоединены к трем шинам схемы управления с на­пряжениями UК1, UК2 и UК3. При включении источника питания ЕА возникает постоянный разряд в системе дежурных электро­дов, который используется как источник начальной ионизации, подготавливающий возникновение разряда на катод сброса КС.

В интервале времени t1–t2 подается им­пульс на катод сброса, определяющий начало кадра. Затем последовательно подаются импульс на катодную шину К1 в интервале времени t2–t3, им­пульс на катодную шину К2 в интервале времени t3–t4, импульс на катодную шину К3 в интервале времени t4–t5. Эти импульсы приводят к последовательному перемещению разряда по катодам: сначала на К11, расположенный ближе всего из своей группы к катоду сброса КС, затем на К21, расположенный ближе всего из своей группы к К11 и, наконец, на К31, расположенный ближе всего из своей группы к К21. Дальнейшее продвижение разряда происходит аналогичным образом. В цепь каждого анода системы сканирования включен резистор, и поэтому одновременно разряд существует только на одном из катодов строки.

Можно сделать вывод, что при соединении любого числа като­дов в S-группы (S≥3) и подаче на соответствующие шины системы S-фазных тактовых импульсов происходит направленное шаговое перемещение разряда вдоль строки. Такое движение напоминает развертку по одной строке в ЭЛТ. Обратному ходу луча соответствует сброс разряда на КС.

Из-за малых размеров отверстий в катодах свечение сканирующего разряда не видно оператору. Для формирования изображения используется индикаторный разряд, возни­кающий в отверстиях диэлектрической матрицы при подаче положи­тельных импульсов UАИ на аноды индикации. Выборка ЭО основана на том, что разряд возникает в ячейке, если совпадают два события: на анод индикации поступает импульс UАИ, а разряд сканирования находится в том же столбце, что и данная ячейка индикации. В системе индикации, так же, как и при сканировании, разряд одновременно происходит только на один катод.

В целом ГИП с самосканированием представляет собой мно­гострочный прибор, причем все его строки присоединены к источ­никам питания через отдельные резисторы, что делает возмож­ным независимый параллельный ввод информации.

Информационная емкость ГИП с самосканированием ограни­чена теми же принципиальными факторами, что и ГИП с внешней адресацией. Благодаря подготовительному разряду τСТ в ГИП с самосканиро­ванием значительно меньше, чем в ГИП с внешней адресацией, и легко выполняется условие τСТ << tВ, поэтому даже при NСБ = 200 ячейки ГИП с самосканированием зажигаются надежно, однако, дальнейшее увеличение NСБ лимитируется падением . Необходимо подчеркнуть, что использование встроенной системы развертки позволяет заметно упростить схему управления ГИП с самосканированием по срав­нению со схемой управления ГИП с внешней адресацией. Боль­шей частью ГИП с самосканированием представляют собой вытя­нутые по горизонтали структуры с ограниченным числом строк и большим числом столбцов. Наиболее широко они применяются для воспроизведения буквенно-цифровой информации в виде од­ной или нескольких текстовых строк.

ГИП с внешней адресацией и ГИП с самосканированием пред­ставляют собой экраны, работающие в режиме регенерации изо­бражения, что ограничивает информационную емкость индикатор­ного поля. Информационную емкость можно увеличить, использо­вав ГИП, ячейки которых обладают свойством запоминать информацию и после снятия сигналов выборки. Наиболее распро­страненным типом такого прибора являются ГИП переменного тока, также имеющие матричную структуру, образованную вза­имно перпендикулярными электродами. Эти приборы отличаются от ГИП постоянного тока тем, что их ме­таллические электроды покрыты тонким слоем диэлектрика.

Каждая ячейка ГИП переменного тока представляет собой структуру металл – диэлектрик – газ – диэлектрик – металл (МДГДМ). Из-за наличия емкостей через ячейку может проте­кать только перемен­ный ток.

В рабочем состоянии между системами вер­тикальных и горизон­тальных электродов приложено знакопере­менное поддерживаю­щее напряжение ЕП, меньшее напряжения возникновения разряда. Возбуждение раз­ряда в ячейке («Запись») производится подачей на вертикальный Y и горизонтальный X электроды полуимпульсов записи UY, UX, суммарная амплитуда которых достаточна для пробоя. В результате протекания тока i емкости структуры МДГДМ заряжаются до напряжения UC1, значение приложенного к газовому промежутку напряжения UГ падает и первый импульс разрядного тока прекращается. После этого газовый промежуток возвращается к непроводящему состоянию, благодаря чему на ем­костях сохраняется накопленное напряжение UC1. В следующий временной интервал к промежутку при­кладывается положительное поддерживающее напряжение. В сумме с напряжением UC1, сохранившимся на емкостях, оно достаточно для повторного возбуждения разряда. Протекание в интервале импульса тока приводит к перезарядке емкости до напряжения UC2 противоположной полярности. При этом изме­нение напряжения на ячейке равно ΔUC2. 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» UY, UX с амплиту­дой меньшей, чем при записи. Импульсы вызывают более сла­бую перезарядку емкостей ячеек, чем при записи, так что конеч­ное значение напряжения на емкости UC ОСТ  оказывается близким к нулю. В результате очередной импульс поддерживающего на­пряжения не может вызвать повторного пробоя и серия разрядов в ячейке прекращается.

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

Изменение заряда ячейки (при условии постоянства емкостей в структуре МДГДМ ΔUC 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:

ΔUC = 2 UC.                                                              (7.1)

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            ЕП < ЕПmin устойчивая разрядная серия не может су­ществовать независимо от того, какое начальное UC было на ячей­ке. При ЕП > ЕПmax разрядная серия существует всегда независимо от наличия или отсутствия на ячейке UC, т. е. ячейка перестает быть управляемой. Таким образом, перезарядная характеристика позволяет определить диапазон поддерживающих напряжений, при котором обеспечивается нормальная работа ячейки. 

Отметим, что из двух точек, где выполняется условие  (7.1), только одна, а  именно β, является устойчивой. 

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 (рис. 7.19).

Диапазон памяти ограничивается линиями ЕПmin и ЕПmax. Если напряжение поддержания ЕП лежит внутри диапазона памяти, то ячейки в ГИП не включаются без импульсов записи и не выключаются без импульсов стирания. После задания ЕП амплитуды импульсов записи и стирания выбираются внутри соответствующих областей, как это показано на рисунке.

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.

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.