Электротехника и электроника Комплексный метод расчета цепей Биполярные транзисторы Индикаторные приборы Мультивибраторы Электронные ключи Однофазные выпрямители Расчёты в трёхфазных цепях Микропроцессор

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Индикаторные приборы

Индикаторные приборы служат для преобразования электрических сигналов в визуально воспринимаемую информацию. В зависимости от назначения индикаторные приборы могут иметь разную степень сложности и базироваться на различных физических принципах. В настоящее время для отображения знаковой информации наибольшее распространение получили электронно-лучевые, вакуумно-люминесцентные, газоразрядные, полупроводниковые и жидкокристаллические индикаторы.

Электронно-лучевые индикаторы

Действие электронно-лучевых индикаторов основано на управлении сформированным потоком электронов, называемым электронным лучом. Эти приборы позволяют не только регистрировать электрические сигналы в их непрерывном виде (например, в осциллографе), но и получать изображение (в телевидении). Электронно-лучевыми индикаторами комплектуют многие измерительные и диагностические установки и системы визуального наблюдения за технологическими процессами производства.

Рис. 13.1

Электронно-лучевой индикатор состоит из электронно-лучевой трубки, представляющей собой вытянутый в направлении луча стеклянный баллон с глубоким вакуумом, внутрь которого помещают источник свободных электронов и различные управляющие электроды. Утолщенная часть трубки, на которой фокусируется луч электронов, называется экраном. Изнутри он покрыт специальным слоем – люминофором, способным светиться при попадании на него электронов. Управление лучом осуществляется специальной электронной схемой с помощью электростатических или магнитных полей. На рис. 13.1 схематично показано устройство электронно-лучевой трубки. Основным элементом электронно-лучевой трубки является прожектор. Он состоит из катода К, представляющего собой металлический стакан, подогреваемый нитью накала Н. Катод по периметру охвачен цилиндрическим модулятором М с осевым отверстием. Модулятор управляет интенсивностью потока электронов, срывающихся с катода. Электроны, прошедшие модулятор, попадают в электрическое поле, создаваемое несколькими анодами (А1 и А2), ускоряются и фокусируются в тонкий луч.

Управление отклонением луча на экране осуществляется с помощью двух пар отклоняющих пластин Х и Y, которые расположены перпендикулярно друг другу. За счет разности потенциалов пластины Х управляют лучом в горизонтальном направлении, а пластины Y – в вертикальном.

Основными характеристиками электронно-лучевой трубки являются:

– послесвечение – время, за которое восстанавливается цвет экрана после прекращения бомбардировки его электронами;

– разрешающая способность – минимальный диаметр светового пятна на экране;

– чувствительность – отношение отклонения луча к напряжению отклоняющих пластин (по вертикали и по горизонтали).

13.1.2. Вакуумно-люминесцентные индикаторы

Рис. 13.2

 Вакуумно-люминесцентный индикатор представляет собой электронную лампу – триод (рис. 13.2), состоящую из накаливаемой током металлической нити – катода 1, металлической сетки 2 и анодов – сегментов 3, покрытых люминофором. Все элементы конструкции размещены в вакуумном стеклянном баллоне с выводами от электродов.

Принцип действия индикатора основан на преобразовании кинетической энергии электронов в видимое излучение люминофорного покрытия анодов-сегментов. Электроны, покинувшие катод вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются полем сетки, положительно заряженной относительно катода, частично проходят сквозь сетку и бомбардируют сегменты анода, вызывая их свечение. Подключением анодов-сегментов в определенных комбинациях к источнику положительного напряжения можно получить требуемый светящийся знак. В зависимости от типа люминофорного покрытия анодов-сегментов индикаторы имеют свечение красного или зеленого цвета. Конструкция индикатора может быть как одно-, так и многоразрядной.

Вследствие низкого напряжения питания (20...25 В) и малой потребляемой мощности вакуумно-люминесцентные индикаторы хорошо сочетаются с интегральными микросхемами. В настоящее время их широко применяют в микрокалькуляторах, измерительных приборах и часах.

Газоразрядные индикаторы

Газоразрядный индикатор относится к ионным приборам тлеющего разряда и выполняется с холодным катодом. Индикатор имеет два или более электродов, помещенных в стеклянный баллон, заполненный инертным газом при давлении 0,1...103 Па (рис. 13.3).

Рис. 13.3

При напряжении между электродами (анодом и катодом), достаточном для лавинообразной ионизации инертного газа движущимися в электрическом поле электронами и выбивания вторичных электронов с катода ускоренными электрическим полем положительными ионами, в пространстве между анодом и катодом возникает тлеющий разряд. Одновременно идет процесс рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов. При этом выделяется энергия в виде фотонов, т.е. газ светится. Цвет свечения определяется составом газа-наполнителя.

Ионизация и рекомбинация наиболее интенсивно происходят вблизи катода, где концентрации свободных электронов и ионов максимальны. Поэтому наиболее интенсивное свечение наблюдается в прикатодной области.

Рис. 13.4

Простейшие приборы этого типа – сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они представляют собой два металлических электрода, выполненные в виде дисков, стержней или коаксиальных цилиндров и помещенные в стеклянный баллон, заполненный неоном. Устройство сигнального индикатора показано на рис. 13.4.

Пространство этих ламп вблизи катода светится оранжево-красным светом, наблюдаемым обычно через торец лампы. Для ограничения тока в неоновых лампах последовательно с ними необходимо включать балластный резистор, который может находиться в цоколе лампы.

Напряжение питания сигнальных индикаторов колеблется от 60 до 235 В, рабочий ток – от 0,15 до 30 мА. Неоновые лампы широко используют как сигнальные в устройствах автоматики, вычислительной техники и в приборостроении. Особенно часто их применяют в качестве индикаторов напряжения питания.

Знаковые газоразрядные индикаторы – это многокатодные приборы тлеющего разряда, предназначенные для индикации знаков-цифр, букв или математических символов. Катоды могут быть выполнены как в виде соответствующих знаков, так и в виде отдельных элементов этих знаков – сегментов. В первом случае катоды располагаются друг за другом, представляя собой пакет тонких проволочных знаков, а анодом является сетка, не мешающая восприятию знаков (рис. 13.5). Во втором случае изображение буквы, цифры или символа составляется из светящихся сегментов. Например, 13 сегментов знакового индикатора типа ИН-23 позволяют синтезировать цифры от 0 до 9 и все буквы алфавита на одном знакоместе. Условное графическое обозначение индикатора ИН-23 показано на рис.13.6.

 

 а) б)

Рис. 13.5

Рис. 13.6

Газоразрядные индикаторы отличаются надежностью и простотой конструкции, потребляют мало энергии и позволяют получать высокие яркости и контрастность изображения.

Недостатком газоразрядных индикаторов является слрожность их прямого подключения к интегральным микросхемам из-за высокого напряжения питания (100...250 В).

Полупроводниковые индикаторы

Принцип действия полупроводникового индикатора основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда в области р-n – перехода, к которому приложено прямое напряжение. К полупроводниковым индикаторам относится светодиод – полупроводниковый диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области р-n – перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. Цвет определяется материалом, из которого выполнен светодиод. Выпускают светодиоды красного, желтого и зеленого свечения.


Полупроводниковые индикаторы подразделяются на дискретные (точечные), предназначенные для отображения цветной световой точки (рис. 13.7 а), и знаковые – для отображения цифр и букв (рис. 13.7 б). В знаковых сегментных индикаторах каждый сегмент представляет собой отдельный диод. Из 7 сегментов можно синтезировать цифры от 0 до 9 и 12 букв русского алфавита.

 а) б) в)

Рис. 13.7

Существенно большими информативными возможностями обладают полупроводниковые знаковые индикаторы в виде матриц точечных элементов (рис.13.7 в), где 36 элементов матрицы сгруппированы в 5 колонок и 7 рядов (плюс одна светящаяся точка в 7 ряду). Катоды элементов каждого ряда соединены между собой и имеют общий вывод, также как и аноды элементов каждой колонки. Подавая напряжение на выводы выбранных ряда и колонки, можно вызывать свечение заданного элемента матрицы.

Матричные элементы позволяют отображать все цифры и буквы русского и латинского алфавитов. На их основе можно создавать буквенно-цифровые дисплеи, в частности, в виде бегущей строки.

Полупроводниковые индикаторы работают при прямом напряжении 2...6 В и токе 10...40 мА в расчете на сегмент или на точку. Их применяют для индикации в измерительных приборах, системах автоматики и вычислительной техники.

Достоинствами полупроводниковых индикаторов являются: возможность их прямого подключения к интегральным микросхемам благодаря низкому рабочему напряжению; большой срок службы; высокая яркость свечения и хороший обзор.

Основной их недостаток состоит в сравнительно высокой потребляемой мощности – 0,5…1 Вт на один сегментный светодиод.

В настоящее время центральное производство и распределение электрической энергии осуществляется в основном на переменном токе. Цепи с изменяющимися — переменными — токами по сравнению с цепями постоянного тока имеют ряд особенностей. Переменные токи и напряжения вызывают переменные электрические и магнитные поля. В результате изменения этих полей в цепях возникают явления самоиндукции и взаимной индукции, которые оказывают самое существенное влияние на процессы, протекающие в цепях, усложняя их анализ.
Расчет электротехнических цепей Лабораторные работы и решение задач