Оптичні випромінюючі прилади

При позитивній напрузі на керуючий сітці електрони прискорюються у напрямку анодних сегментів. екрануючий електрод має той же потенціал, що керуюча сітка. Електрони попадають на сегменти, що мають у даний момент позитивний потенціал, виникає низьковольтна катодолюмінісценція - нанесений на анод люмінофор починає світитися. Яскравість світіння в залежності від люмінофору досягає значень 300-700 кд/м2.

Рис.6. Конструкція вакуумного люмінесцентного індикатора

Конфігурація сегментів звичайно або 7-сегментна, або більш складна 14-сегментна.

У табл..1 наведені характеристики кольорових люмінофорів для ВЛІ.

Таблиця 1. Характеристики кольорових люмінофорів

Конструкція пласких люмінесцентних дисплеїв показана на рис.7.

Рис.7. Конструкція плаского люмінесцентного дісплею

Устрій індикатору нагадує електронну лампу - тріод, що складається з катоду, сітки та аноду, що поміщені у скляну оболонку з високим вакуумом. Катод прямого підігріву - тонкий вольфрамовий дріт, покритий окислом лугового металу, сітка - тонка металічна, анод виконаний у вигляді елементу зображення, на який нанесений фосфор. Точки або лінії з фосфору складають зображення. Розігнані в електричному полі позитивними потенціалами сітки та аноду електрони бомбардують анод і примушують фосфорне покриття світитись. Змінюючи потенціал сітки, можна регулювати яскравість зображення.

3. Люмінесценція в газах

Гази при атмосферному тиску завжди є добрими ізоляторами. Газ стає провідником. якщо створити у ньому іони.

Несамостійна провідність газів та, при якій іонізація виникає і підтримується при зовнішній дії. Це термічна дія, опромінення ультрафіолетовими, рентгенівськими та -променями.

Самостійна провідність газу (звичайно, розрідженого) забезпечується тим, що заряджені частки, розігнані електричним полем при зіткненні з нейтральними молекулами іонізують їх. При цьому нема потреби у додатковому іонізаторі.

У 1934 р. було відкрите інтенсивне світіння парів ртуті у електричному полі. Але справа була у тому, що збуджувалися дві лінії на довжинах хвиль 254 нм (більш інтенсивна), та 184 нм (менш інтенсивна). Обидві ці лінії знаходяться в ультрафіолетовому діапазоні і тому невидимі для людського ока. У 1938 році була винайдена лампа, в якій стінки були покриті кристалофосфором, який перетворював ультрафіолетове випромінювання в видиме. Так виникла лампа денного світла.

На рис.8 наведена схема енергетичних рівнів атома ртуті.

В результаті непружного зіткнення з електроном атом переходить у збуджений стан. відповідний рівню 3, знаходиться на ньому приблизно 10-7 с та повертається знову на рівень 1, випромінюючи фотон. У схемі рис.4 перехід 21 дає ультрафіолетову лінію з довжиною хвилі 184 нм, перехід 31 дає ультрафіолетову лінію з довжиною хвилі 254 нм, перехід 62 дає фіолетову лінію з довжиною хвилі 400 нм, перехід 63 дає синю лінію 450 нм, перехід 64 дає зелену лінію 550 нм, перехід 75 дає жовту лінію 580 нм. Але найбільш вірогідна лінія 31.

Рис.8. Схема енергетичних рівнів атомів ртуті

Оскільки випромінений фотон може бути захоплений сусіднім атомом, то вигідно використовувати низький тиск парів ртуті, більш того вводять пари інертного газу (аргону), який не збуджується від фотона.

Перетворення ультрафіолетового випромінювання у видиме має місце у люмінофорі. У сучасних люмінесцентних лампах найбільш за все застосовуються галофосфати кальцію. Це складні з'єднання, подібні до апатитів (3Ca(PO4)2CaF2), в яких частина атомів фтору замінена атомами хлору, а головне - введені активатори. Активаторами називаються атоми домі шків, що викликають свічення люмінофору. У якості активаторів в галофосфати вводять одночасно атоми стибію та марганцю.

На рис.9 показана конструкція люмінесцентної лампи.

Рис.9. Конструкція люмінесцентної лампи

Головним джерелом видимого світла в люмінесцентній лампі є люмінофор, який наноситься на внутрішню поверхню скляної колби лампи. Оптимальний тиск парів ртуті приблизно 1,33 Па. Окрім парів ртуті у колбі є також інертний газ аргон під тиском 5,32 Па. В люмінесцентній лампі проходять два послідовних перетворення енергії. Спочатку електроенергія в парах ртуті перетворюється в енергію короткохвильового ультрафіолетового випромінювання (біля 60%), потім енергія цього випромінювання перетворюється у енергію видимого світла.

На рис.10 показаний баланс енергії такої лампи.

Якщо порівняти рис.3 та рис.10 то можна подумати, що світлова ефективність люмінесцентної лампи приблизно у 2 рази перевищую лампу розжарення (21% проти 12%). Але завдяки властивостям людського ока ця ефективність ще більша. Цікаво, що теплові втрати у обох ламп приблизно однакові (79% та 88%), але доля інфрачервоного проміння у люмінесцентній лампі втричі нижча (24,8% проти 74%). Тому при використанні люмінесцентної лампи легше уникнути нагріву освітлюваних речей.

Рис.10. Баланс енергії люмінесцентної лампи

Для включення люмінесцентної лампи треба застосовувати досить складну схему на відміну від лампи розжарення. Необхідність такої схеми пояснюється двома обставинами: 1) великою довжиною лампи; 2) спадаючою вольт-амперною характеристикою електричного розряду.

Велика довжина лампи необхідна для одержання великої світловіддачі, оскільки джерелом випромінювання є позитивний стовп розряду. Втрати енергії у приелектродних частинах розряду мають тим меншу питому вагу, чим довше трубка. Так, 40-ватна лампа має довжину 110 см. Разом з тим, запалити електричний розряд в довгій трубці, коли відстань між електродами велика, не так просто.

Як видно з рис.7, на кінцях лампи є два штирки, до яких приварені вольфрамові спіралі. Якщо таку спіраль нагріти, вона починає випромінювати електрони, що полегшує загоряння розряду. Але, коли розряд виник, потрібність у нагріві спіралей відпадає, бо спіралі нагріваються за рахунок їх бомбардування позитивними іонами. Так як лампи звичайно працюють на змінному струмі, кожна спіраль один на півперіод працює як катод, на іншому - як анод. Як здійснити попередній нагрів спіралей?

На рис.11 показана схема включення люмінесцентної лампи Л: як бачимо, паралельно лампі включений стартер С, а послідовно - дросель Д.

Рис.11. Схема включення люмінесцентної лампи

Стартер - мініатюрна неонова лампа з електродами у вигляді біметалічних платівок. коли подається напруга, в стартері виникає розряд (відстань між електродами близько 1 мм). Електроди стартера згинаються назустріч один іншому та закорочують розрядний проміжок. У колі виникає великий струм, достатній для нагріву спіралей люмінесцентної лампи. Доки спіралі нагріваються, електроди стартера охолоджуються. при цьому платівки випрямляються, контакт між ними порушується і коло розривається. Тепер є два конкуруючих між собою розрядних проміжки - в лампі і у стартері. Але ситуація разюче інша: електроди лампи розжарені і дають велику емісію електронів, тому розряд виникає у лампі, а не у стартері.

Відмінною особливістю електричного розряду у газі при низькому тиску є його спадаюча вольт-амперна характеристика: з наростанням струму напруга на лампі знижується. Щоб обмежити зростання струму, потрібно послідовно з лампою включити опір. Використання дроселя енергетично більш вигідне, ніж омічного опору (менше теплові втрати). Але включення дроселя зменшує коефіцієнт потужності електричного кола. Тому у коло живлення лампи включають ще спеціальний конденсатор. Важливо також те, що при розмиканні кола стартера, на електродах лампи виникає напруга, що значно перевищує напругу джерела, що дуже сприятливе для запалення розряду у лампі.

Плазмові панелі

Плазмова панель - матриця з мініатюрних люмінесцентних ламп, які керуються складним чином. Є два типи панелей: панелі постійного струму та панелі змінного стуму. звичайно використовують панелі змінного струму, бо в них більш проста структура і більший строк роботи.

Комірка плазмової панелі показана на рис.12.

Рис.12. Комірка плазмової панелі

Вона складається з двох електродів (Xi та Yi), що оточені діелектриком. Перпендикулярно ним на скляному підшарку розміщений адресний електрод Аі. Комірки заповнені сумішшю неона та ксенона, що іонізується прикладеною напругою, що перевищує напругу пробою. електрони та іони зіштовхуються під дією прикладеної напруги та випромінюють ультрафіолетове світло, що збуджує фосфорне покриття, яке у свою чергу виробляє видиме світло. Така комірка має тільки два стану: „включено” та „виключено”. Для і індикації шкали на 256 відтінків комірка поділяється на 8 підкомірок, періоди індикації яких знаходяться у відношенні 1:2:4:8:16:32:64:128. Вибором комбінації інтенсивність свічення регулюється на 256 рівнях.

Як і у кольоровому телебаченні, колір зображення визначається трьома комірками: червоною, зеленою та синьою. Будь-який колір можна встановити яскравостями цих трьох елементарних комірок. Для плазмової панелі формату 1920х1080 пікселів потрібно 6 млн. елементарних комірок, кожна з котрих керується по яскравості.

Схема керування плазмовою панеллю показана на рис.13.

Рис.13. Схема керування плазмовою панеллю

Скануючі електроди Yi керуються контролером сканування та драйвером сканування. Скануються горизонтальні ряди. Електроди Аі скануються по вертикалі, щоб записати дані в комірки про кожному пересіченні. електроди Хі, що працюють паралельно з Yi, з'єднані на одному кінці і керуються драйвером підтримки для подачі високовольтних імпульсів на всю панель.

Плазмові панелі приходять на зміну існуючим моніторам на електронно-променевих трубках, бо мають такі переваги:

1. Компактність (глибина дисплею вже доведена до 8 см).

2. Відсутність мерехтіння, оскільки нема гашення екрану під час зворотного ходу променю (як у ЕЛТ).

3. Відсутність геометричних спотворень.

4. Відсутність нерівномірної яскравості по полю екрана.

Відсутність рентгенівського та інших шкідливих випромінювань, оскільки не використовуються високі напруги.

6. Нечутливість до дії магнітних полів.

7. Висока надійність - гарантований ресурс панелей компанія Fujitsu довела до 30000 годин безперервної роботи.

8. Дуже високі світлотехнічні характеристики: яскравість зображення вище за 300 кд/м2, контрастність не нижче 350:1.

Єдиний серйозний недолік плазмових панелей - це їх ціна. що досягає 10000 дол. на екран з діагоналлю 1 м.

4. Електролюмінісценція

Світіння порошкоподібного сульфіду цинку у змінному електричному полі було вперше виявлене в 1936 р. і одержало назву ефекту Дестріо. Цей ефект спостерігається у так званих кристалофосфорах - напівпровідниках з широкою забороненою зоною, в які вводяться домішки (активатори), що мають роль центрів випромінювання. У якості головного матеріалу частіш за все використовують сульфід цинку (ZnS) з шириною забороненої зони 3,7 еВ, селенід цинку (ZnSe) та змішані сполуки: сульфід-селенід цинку (ZnSSe), сульфід-селенід цинку-кадмію (Zn, Cd)(S, Se). У якості активатору використовують мідь (Cu), марганець (Mn), срібло (Ag), золото (Au), ртуть (Hg), рідкоземельні елементи - тербій (Tb), ербій (Er), празеодим (Pr), тулій (Tм) та ін.

Електролюмінофор складається з виваженого у діелектрику порошкового кристалофосфора з розмірами зерен біля 5-10 мкм, або це однорідна плівка товщиною 0,3-1,0 мкм. Люмінесценція виникає в мікроскопічних потенційних бар'єрах в зернах люмінофору на границях сульфіда цинку та зерен сульфіду міді та ін.

Спектральні характеристики випромінювання визначаються хімічним складом люмінофору, типом активатора та соактиватора. При використанні сульфіду цинку можна одержати випромінювання в діапазоні від 450 нм (синій колір) до 600 нм (помаранчевий колір). В якості активатора в ZnS-люмінофорах звичайно використовують мідь у кількості від 0,05 до 0,2 вагових процентів, що дозволяє змінювати колір від синього до зеленого. Введення 1% марганцю дозволяє одержати помаранчевий та жовтий кольори. При легіруванні ZnS тулієм одержують блакитне випромінювання, тербієм - зелене, ербієм - червоне, празеодимом - біле.

Електролюмінісцентні дисплеї можуть компонуватись з різнокольорових об'єктів і створювати дисплеї розміром у багато квадратних метрів.

На рис.14 показані схеми електролюмінісцентних випромінювачів порошкового типу (а) та плівкового типу (б).

Рис.14. а) схема електролюмінісцентного випромінювача порошкового типу; б) плівкового типу.

На цих рисунках: 1 - скло; 2 - прозорий провідний шар; 3 - порошковий люмінофор; 4 - відбиваючий шар; 5 - металічний електрод; 6, 8 діелектричні плівки, 7 - плівковий люмінофор. Товщина шару 3, що містить зерна порошкового люмінофору, складає 50-80 мкм. У якості зв'язуючого діелектрика використовується легкоплавке скло, органічні та епоксидні лаки та інші речовини, що прозорі, мають високу пробивну напругу, хімічно інертні до кристалофосфору та вологостійкі. Непрозорим металевим електродом є шар алюмінію або сталевий підшарок. В електричному відношенні ця структура є конденсатором.

Електролюмінісцентні індикатори бувають 7-сегментні (типу ИТЭЛ). Вони випускаються червоного, зеленого, жовтого і блакитного кольорів, мають яскравість від 15 до 100 кд/м2, робочу напругу 160-240 В, працюють на частотах або 400 Гц, або 2...3 кГц. 35-елементні індикатори типу ЗЭЛ випускаються зеленого кольору, мають яскравість 20-25 кд/м2, робочу напругу 200...250 В, робочу частоту 400...1000 Гц.

Мнемонічні індикатори випускаються, наприклад, у вигляді 100-200 елементів різного кольору, мають яскравість 10-25 кд/м2, робочу напругу 200...240 В, робочу частоту 1000-1300 Гц.

Інжекційна люмінесценція

Інжекційна люмінесценція - світіння напівпровідника поблизу p-n переходу, включеного у прямому напрямку. Основними стадіями процесу є інжекція неголовних носіїв заряду через p-n перехід та їх випромінювальна рекомбінація з головними носіями.

У стані рівноваги, коли до p-n переходу не прикладена зовнішня напруга, концентрації носіїв заряду у р-зоні та n-зоні сталі, бо розділені потенційним бар'єром еUc, де е - заряд електрону, Uc - контактна різниця потенціалів . Зонна діаграма p-n переходу у стані термодинамічної рівноваги показана на рис.15,а, а при зміщенні - на рис.15,б.

Рис.1 Зонна діаграма p-n переходу: а) у стані термодинамічної рівноваги; б) при зміщенні.

У випадку рис.15,а електрони та дірки не можуть рекомбінувати одні з іншими, бо не зможуть подолати потенційний бар'єр. Якшо прикласти зовнішню напругу (рис.15,б), то термодинамічна рівновага порушується, виникає струм електронів в одну сторону переходу і дірок - у протилежну. рекомбінація електронів і дірок призводить до виникнення фотонів світла, а значить до випромінювання.

Світлодіоди

Перші джерела випромінювання на основі інжекційної люмінесценції (світлодіоди) з'явились у 1960-х роках. Перевагами світло діодів є простота модуляції, висока швидкодія, малі напруги живлення, надійність, мініатюрність. Довжина хвилі випромінювання світлодіода залежить від ширини забороненої зони напівпровідника та легуючими домішками. У табл. 2 наведені основні типи речовин, що використовуються у сучасних світлодіодах.

Страницы: 1, 2, 3