УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ СВЕТОДИОДОВ В ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

March 16, 2014 by admin Комментировать »

При обслуживании и эксплуатации производственных машин и механизмов возникает логическая необходимость визуальной информации о состоянии рабочих и аварийных режимов технологического процесса, необходимость диагностирования электрооборудования. Эти задачи решают сигнализация и индикация, а реализуют устройства отображения на основе светодиодов. Сигнализация – это сообщение о факте перехода контролируемой величины из одной области значений в другую. При визуальной сигнализации основным техническим средством является светоизлучающий или светоотражающий элемент. Индикация – это представление результатов контроля или измерения. Устройства индикации дают возможность визуально определить состояние объектов, схем логического управления этими объектами, трактов прохождения сигналов, состояния полупроводниковых элементов, снятие цифровой информации со счетчиков, запоминающих и других устройств. Указанный контроль осуществляется по принципу: «больше – меньше», «да – нет», «включено – отключено».

Классификация индикаторов. В качестве индикаторов в современных схемах автоматики используются полупроводниковые (ППИ), вакуумные люминесцентные (ВЛИ), вакуумные накальные (ВНП), газоразрядные (ГРИ) и жидкокристаллические (ЖКИ) индикаторы. В устройство отображения информации могут входить элементы согласования и управления, приема, хранения, обработки информации и собственно индикатор, обеспечивающий визуальное воспроизведение информации. Эти устройства позволяют непосредственно подключать индикаторы к объектам контроля и индикации. Все построение систем индикации требует согласования с входами-выходами микроэлектронных устройств по токам, напряжениям и кодам. В качестве согласующих элементов применяются цифровые микросхемы преобразователей, согласователей нагрузок, коммутаторов и т. п.

Все индикаторы объединены в две группы: активные и пассивные индикаторы. В активных индикаторах электрическая энергия преобразуется в световую. В пассивных индикаторах осуществляется модуляция внешнего светового потока (солнечный свет, свет ламп) под действием электрического поля или тока.

В активных индикаторах используются следующие физические эффекты:

–   свечение накаленных тел в вакууме (вакуумные индикаторы);

–   низковольтная люминесценция катодов – это вакуумные люминесцентные индикаторы;

–   излучение тлеющего газового разряда – это газоразрядные индикаторы;

–   инжекторная электролюминесценция – это полупроводниковые индикаторы (ППИ).

В пассивных индикаторах под действием электронного информационного сигнала изменяются оптические свойства материала индикатора, в результате этого осуществляется модуляция света, прошедшего через индикатор или отраженного от него. Примером могут служить жидкокристаллические индикаторы.

По принципу формирования изображения индикаторы можно подразделить на знакомоделирующие (ЗМИ) и знакосинтезирующие (ЗСИ). Примером ЗМИ является газоразрядный индикатор, изображение в котором повторяет форму десяти катодов, изготовленных в виде цифр, и никакое другое изображение в нем получить невозможно. В ЗСИ изображение получается с помощью мозаики независимо от управляемых элементов отображения, каждый из которых преобразует электронный сигнал в свет. В этой группе индикаторов имеются одноразрядные, многоразрядные и матричные индикаторы. ЗСИ бывают цифровыми, буквенно-цифровыми, шкальными и цифро-аналоговыми. Две последние разновидности ЗСИ отображают аналоговую информацию. Индикаторы характеризуются параметрами и характеристиками, основными из которых является: яркость, контрастность, светоотдача, амплитудная и частотная характеристики. Существует два основных режима работы ЗСИ: статический и динамический. В статическом режиме всеми элементами отображения управляют одновременно и выключают их только при обновлении информации. Статическая индикация может быть непрерывной или импульсной в зависимости от того, приложено управляющее напряжение постоянно или периодически. В динамическом режиме отдельные элементы индикатора включаются в разные моменты времени в течение кадра передачи информации. Наиболее распространены ЗСИ.

Примером ППИ является светодиод. Светоизлучающий диод – СИД (LED – Light emitting diodes – элемент) является полупроводниковым прибором. При прохождении электрического тока i через р-п-переход этого прибора возникает световое излучение hv (рис. 1.56). СИД имеет активный слой, включающий электронно-дырочный переход с определенной шириной запрещенной зоны Eg, находящийся между полупроводниковыми слоями р- и /7-типов. Величина Eg определяет минимум энергии, необходимой для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости (на более низкий энергетический уровень). При пропускании электрического тока в прямом направлении происходит проникновение носителей заряда – электронов и дырок в активный слой из прилегающих пассивных слоев р- и /7-типов. При этом происходит спонтанная рекомбинация, сопровождающаяся излучением кванта света hv. Длина волны λ (мкм) светового излучения (цвет излучения – красный, синий, зеленый, оранжевый) определяется типом полупроводниковых материалов, образующих //-//-переход, и шириной запрещенной зоны Eg (эВ) – λ = 1,24 /С. СИД конструктивно выполняются плоскими для поверхностного монтажа и колбовыми. Геометрические размеры СИД находятся на уровне миллиметров. СИД для поверхностного монтажа имеет, например, такие размеры: 3,2 х 2,8 х 1,9 мм, а СИД колбового исполнения – 3 и 5 мм. Типичный угол свечения для колбового исполнения находится в пределах 40°, для поверхностного монтажа – 120°… 130°. Яркость излучения СИД для поверхностного монтажа находится в пределах до 130 кд (кандела – единица измерения яркости), а ддя колбового исполнения – 0,9… 5,3 кд.

Рис. 1.56. Сиема и энергетическая диаграмма СИД

Небольшое прямое постоянное напряжение на СИД позволяет получить в светодиодах от 5 до 20 тА, что достаточно для их функционирования, а это значит, что имеют они органическое сочетание с элементами цифровой техники непосредственно. Светодиод как индикатор можно включить и при низком уровне выходного сигнала микросхемы (рис. 1.57, а), и при высоком уровне сигнала на ее выходе (рис. 1.57,6).

Рис. 1.57. Схемы включения светодиода

Устройство СИД колбового исполнения приведено на рис. 1.58. Для сверхъярких СИД применяются полупроводниковые материалы типа Alin – GaP (алюминий-индий – галлий-фосфор), создающие излучение от желтого до красного цвета, и типа InGaN (индий-галлий-азот), создающий излучение от синего до зеленого цвета.

Рис. 1.58. Устройство светоизлучающего диода

В силу герметичности корпуса прибора СИД долговечен (его ресурс работы составляет 100000 ч), благодаря чему он может работать в температурных климатических условиях, имеющих -40°С.. ,+100°С и быть устойчивым к ультрафиолетовому облучению. Сверхъяркие СИД используются для создания полноцветных i/GD-экранов. Эти экраны имеют высокую разрешающую способность. Каждая ячейка экрана содержит три СИД красного – R, синего – G и зеленого – В цветов.

По энергопотреблению СИД в 2…3 раза экономичнее ламп накаливания. Прямой ток через СИД составляет 20… 50 мА. Имеющийся в конструкции СИД рефлектор повышает его светоотдачу. Сила света в основном носит линейную зависимость от тока, что обуславливается свойствами применяемых материалов. Баланс белого цвета обеспечивается соотношением потоков монохроматического излучения Рд :

Р : Рв = 3:6:1, однако это соотношение приближенное и зависит от длины волны излучения.

В устройствах визуальной информации широко используются полупроводниковые семисегментные ЗСИ. Они органически вписываются в устройства цифровой автоматике, где информация представляется двоичным или двоичнодесятичным кодом. Для управления семисегментными ЗСИ используются дешифраторы. Эти индикаторы имеют низкие напряжения питания (1,5… 3 В), токи отдельных светодиодов или сегментов составляют 2…30 мА, большой угол обзора (до 120°), возможность получения свечения разного цвета, разнообразие конструктивных форм и плотности расположения знаков, высокую надежность, значительный срок службы. Устройство семисегментного ЗСИ показано на рис. 1.59. Рассмотрим принцип построения дешифратора для управления семисегментным ЗСИ, элементы которого типа могут отражать числа, буквы, знаки. Рассмотрим задачу отображения чисел от 0 до 9.

Рис. 1.59. Схематичное устройство (а) и обозначение светящихся

элементов (б) семисегментного ППИ индикатора: i- пластмассовый корпус; 2- крепежные ножки; /-выводы сегменов; 4 – непрозрачные электроды в виде сегментов; J – стекло

с нанесенными прозрачными электродами в виде сегментов

На рис. 1.60 представлено схемное элементное решение двоично-десятичного дешифратора.

Рис. 1.60. Схема построения двоично-десятичного дешифратора

В табл. 3 приведено логическое состояние двоично-десятичного дешифратора. Отображение десяти чисел данной схемы выполняются в двоичном коде, благодаря чему, имея комбинацию из четырех единиц и четырех нулей, мы можем перемещать информацию от числа к числу, причем, не имея совпадений по комбинаци-

ям. Поэтому, собрав все логические единицы логическими элементами 4И…9И, получим на выходе логическую единицу, соответствующую зашифрованному индикаторному элементу числа семисегментного ЗСИ, который даст визуальное восприятие этого элемента.

Таблица 3

Таблица состояний дешифратора

Дешифратор представляет собой комбинацию инверторов для входных сигналов, конъюнкторы для сбора сигналов активизации элементов ЗСИ. Принципиально по конструкции ПИИ могут быть одноразрядными, многоразрядными и шкальными. Отображение информации в виде знаков, цифр или символов оказывается не всегда удобным при непрерывном слежении ха состоянием нескольких параметров. В этих случаях более эффективным является графический способ представления информации в виде отрезков прямых линий или отдельных точек. Такую информацию можно отобразить с помощью шкальных (линейных), матричных и мозаичных индикаторов.

Жидкокристалические индикаторы. По конструкции ЖКИ подобен конденсатору, поскольку состоит из двух стеклянных параллельных пластин, внутренняя поверхность которых покрыта электропроводящим слоем (окись олова). Между пластинами находится слой жидкокристаллического вещества толщиной 10…20 мкм. Электропроводящий слой представляет собой электроды, один из которых должен быть достаточно прозрачным, чтобы сквозь него не поверхности стекла можно было наблюдать изображение, а второй должен пропускать или отражать свет. Для изготовления второго электрода используется никель или алюминий. Все конструктивные элементы ЖКИ находятся в герметичном корпусе. Если ЖКИ работает по принципу пропускания света, то все электроды прозрачны. Если ЖКИ работает по принципу отражения света, то один из двух электродов является отражающим, на другом формируются цифры или знаки, отдельные сегменты, из которых можно составлять изображение. В таких ЖКИ под действием напряжения управления участки жидкокристаллического раствора становятся не прозрачными и отражают внешний свет, остальные участки остаются прозрачными. Время возбуждения (нарастание контраста) составляет 20…90 мс, время затухания – 5…200 мс. Долговечность элементов ЖКИ составляет не менее 103 часов и около 106 включений. ЖКИ характеризуются малыми напряжениями питания (3…15 В) и малыми токами (до 15 мкА). Особенностью управления ЖКИ является применение переменных напряжений, посему широко используется фазоимпульсный способ управления. Пример устройства такого управления на базе ИС К176ИЕ4 приведен на рис. 1.61. Последовательность импульсов возбуждающего напряжения UB поступает на вход V и на общий электрод ЖКИ. Выходной сигнал ИС, например, управляющий сегментом, определяется выражением А = allβ + allβ, где а = 0, если сегмент не должен быть виден, и а = 1, если сегмент должен быть виден. При а = 0 (а = \) А = Ub перепад напряжений между сегментом и общим электродом равен нулю, при этом сегмент не виден. При а = 1 (а = 0) А = Uв, т. е. на сегмент подается последовательность импульсов с противоположной фазой по отношению к импульсам на общем электроде. Перепад напряжений на выходе между сегментом и общим электродом в данном случае в 2 раза превышает амплитуду импульсов и вызывает потемнение сегмента. Для обеспечения нормальной работы частота (/в должна составлять 50… 500 Ец при амплитуде импульсов 8… 10 В.

Рис. 1.61. Скема управления жидкокристаллическим ЗСИ

Электролюминисцентные панели. Успехи в области исследований и производства устройств светового отображения визуальной информации предоставили потребителям в частности электролюминисцентные панели (ЭЛИ). ЭЛИ – твердотельное устройство, работа, которого основана на эффекте предпробойной элек- тролюминисценции. Если порошковый люминофор поместить между обкладками конденсатора, на который подается переменное напряжение звуковой частоты со значением близким к напряжению пробоя, то на краях частичек люминофора под действием переменного напряжения концентрируется сильное электрическое поле. Это поле ускоряет свободные электроны, способные ионизировать атомы. Образовавшиеся дырки захватываются центрами люминисценции, на которых при изменении направления поля рекомбинируются электроны, испуская фотоны света. Для ЭЛП используются различные типы светящихся материалов: порошки и пленки, излучающие свет при протекании постоянного или переменного тока. Благодаря малому энергопотреблению ЭЛП можно использовать в качестве различных средств отображения информации: датчиков визуальной информации о механических и электрических величинах, измеренных различными способами и методами, информационных матричных экранов, буквенно-цифровых индикаторов, мнемонических схем технологических процессов, светильников, световых указателей и т. п. ЭЛП приоритетны при больших габаритах светящихся поверхностей. Электролю- минисцентные (ЭЛ) приборы применяют для создания панелей сегментного типа с динамическим управлением, в которых знакосинтезирующие индикаторы имеют размеры от 50 до 300 мм толщиной 1… 5 мм, а размеры пиксела находятся на уровне 0,8 мм. Уровень яркости свечения соответствует уровню яркости светодиодных приборов. Основной элемент конструкции ЭЛП – светящаяся часть. Конструктивными элементами являются также корпус, электрические контактные пластины, герметизирующие пластины и электрический разъем (рис. 1.62).

Рис. 1.62. Структуры ЭЛП на стекле (а) и на органической основе (6)

Светящаяся часть может быть выполнена на стеклянной подложке толщиной

3…8 мм, рис. 1.62, а, или на полимерной пленке толщиной менее 1 мм. Люминофор на основе сульфида цинка размещен в связывающем веществе между обкладками конденсатора (металлический электрод – электропроводящая пленка). Токопроводящая пленка – это прозрачный электрод на основе оксида олова или индия, прозрачность которых превышает 80%. Нанесение слоев друг на друга выполняется методом пульверизации или трафаретной печати. Цвет свечения ЭЛП определяется типом люминофора и может быть голубым, зеленым, желтым, красным. Яркость излучения ЭЛП прямо пропорциональна частоте питающего напряжения в рабочем диапазоне 50…2000 Гц и определяется также типом люминофора. Ярче всего ЭЛП с зеленым или лимонно-желтым спектром излучения. Значение напряжения питания зависит от толщины слоя люминофора (толщина диэлектрика в плоском конденсаторе) и составляет 100…250 В. Яркость свечения в течение первых 100 ч работы снижается на 10%, а потом убывает по линейному закону. Ресурс ЭЛП – это время, за которое яркость его свечения уменьшится в два раза. Уменьшение частоты возбуждающего напряжения позволяет сохранять яркость свечения ЭЛП.

Современное состояние технологии производства оптоэлектронных приборов (светодиодов) создало приборы по интенсивности излучения превышающие другие источники света (табл. 4). Они позволяют экономить до 90% электроэнергии, обладают высоким ресурсом (более 100 ООО часов), поэтому становятся экономичными и экологичными приборами.

Таблица 4.

Светоотдача различных источников света

Тип источника

Светоотдача, лм/Вт

Обычные лампы

12

Вольфрамовые галогенные

20

Компактные флуорисцентные

55

Инду кционные

70

Металлогалоидные

90

LED (белого свечения)

доЮО

Рассмотрим один из вариантов светодиодной лампы. Главный показатель эффективности светодиодной лампы (CJI) – её светоотдача (лм/Вт – единица светового потока (люмен) на единицу потребляемой электрической мощности (Вт). Такая высокая светоотдача обуславливается InGaN-кристаллом светодиода на сапфировой подложке или на подложке из монокристалла кремния. Светоизлучающая InGaN-crpyктура на карбиде кремния имеет большую светоотдачу, кроме этого имеет более чем в 10 раз большую теплопроводность, чем на подложке из сапфира, что значительно улучшает отвод тепла от кристалла, увеличить световой выход и эффективность CJI. На рис. 1.63 приведена конструкция варианта CJI, которая обеспечивает адекватный отвод тепла от кристалла, выдерживает термоциклирова- ние, имеет высокую технологичность монтажа. Технология изготовления CJI предусматривает пайку кристалла, что снижает тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом. Однако при этом возникает диодный контакт между теплоотводящим основанием и кристаллом, что требует электрической изоляции CJI при монтаже. Это увеличивает тепловое сопротивление между корпусом и радиатором. Кроме того, кремниевая подложка и медное теплоотводящее основание имеют сильно отличающиеся коэффициенты объемного расширения, что при термоцик- лировании может привести к нарушению эвтектики и даже к повреждению кристалла.

Рис. 1.63. Конструкция светодиодной лампы

Конструкция CJI на карбид-кремниевой подложке обладает большим запасом теплопроводности и максимальной рабочей температуре (600 °С), а применение керамического основания с близкими к структуре CJI температурными коэффициентами объёмного и линейного расширения снимает проблему механических напряжений в кристалле. Автоматически решается проблема электрической изоляции кристалла от теплоотвода. Рекомендуется использование метода «плавающей» линзы, которая крепится за счет адгезии к крем-нийорганическому гелеобразному герметику, что исключает механические напряжения при термоциклировании и обеспечивает автофокусировку линзы в широком диапазоне температур окружающей среды.

Источник: Беляев В. П., Шуляк Р. И., «Электронные устройства полиграфического оборудования», Белорусский государственный Технологический университет, Минск, 2011 г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты