ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

20.1 Общие сведения

Полупроводниковые индикаторыприменяют для отображения информации в дискретном, цифровом и шкальном видах в разнообразной электронной аппаратуре для индикации состояния включения, готовности к работе, наличия напряжения, электрических и температурных порогов, отображения цифровой и буквенной информации. В основу индикаторов положен светоизлучающий диод, представляющий собой пластину, в которой технологически сформирован р-n переход, дырочная р- и электронная n-области переходов выполняют роль электродов (анода и катода). При пропускании через р-n переход постоянного или импульсного тока пластина становится источником электромагнитного излучения в световой части диапазона. Рабочие напряжения индикаторов находятся в пределах 1,5 – 3,5 В, благодаря чему индикаторы хорошо согласуются с устройствами на интегральных микросхемах и транзисторах. Ток, потребляемый индикатором, лежит в интервале 3 – 10 мА, а в импульсном режиме может достигать 500 мА и более, что позволяет получать большую силу света излучения в импульсе излучения. Изменяя протекающий ток через индикатор, можно регулировать силу света свечения.

Единичные индикаторы в матричных и мозаичных панелях и экранах имеют диаметр светового пятна около 1,5 – 4 мм, возможно выполнение дискретного индикатора с диаметром пятна до 10 – 15 мм. Кроме единичных индикаторов, промышленность выпускает цифровые, одно- и многоразрядные знаковые, линейные и матричные индикаторы. Цифровой индикатор позволяет в стилизованном виде высветить арабские цифры от 0 до 9, одну–две децимальные запятые и отдельные буквы русского(А, Б, Г, Е, З, Н, О, П, Р, С, У, И) и латинского алфавита. Одноразрядные индикаторы выпускают с разным цветом свечения и высотой цифр от 2,5 до 18 – 25 мм.

Таблица 20.1 − Основные параметры светодиодов и шкальных

индикаторов

Многоразрядные индикаторы(на 3, 4, 5… 9, 16 разрядов) дают возможность отобразить одновременно целый ряд горизонтально расположенных целых и дробных чисел. Многоразрядные индикаторы предназначены для индивидуального использование при установке в портативную аппаратуру, имеет высоту знака 2,5; 3,75; 5 и 7 мм.

В таблице 20.1 приведены параметры некоторых единичных и шкальных индикаторов, выпускаемых отечественной промышленностью.

20.2 Управление единичными и шкальными индикаторами

Единичные индикаторы – это одни из первых индикаторных полупроводниковых приборов. Конструктивно они состоят из одного (двух) кристаллов, заключенных в корпус и имеющих два (три) вывода от электродов. Как правило, все единичные индикаторы применяют в качестве контрольных, сигнальных и подсвечивающих индикаторных приборов. В последнее время светодиоды начали широко использовать в уличных светофорах, в крупногабаритных цифровых и знаковых индикаторах.

Кристаллы в единичных индикаторах для улучшения световых характеристик и увеличения светового потока изготавливают плоскими, размером около 0,3 ´ 0,5 мм. Полимерный корпус индикаторов может быть бесцветным или окрашенным в красный (зеленый) цвет. Индикация происходит через всю прозрачную поверхность корпуса. Для высвечивания в одном приборе двух цветов (красного и зеленого) выпускают индикаторы (например, АЛС391А) с двумя p-n переходами в одном корпусе. Быстродействие единичных индикаторов зависит от исходного полупроводникового материала и находится в пределах от 50 до 80 нс (для диодов из GA, AL, AS) и 250 – 400 нс (для диодов из GAP). Для управлением светодиодами наиболее часто используются ЛЭ с открытым коллектором и с открытым эмиттером, однако можно использовать ЛЭ со стандартным выходом. Для ограничения тока через светодиод при необходимости следует включать резистор R_огр. Прямой ток I_пр = 10 – 20 мА обеспечивает также ЛЭ564ЛН2 при подключении светодиода с последовательно включенным резистором к U_п = + 5 В. Так как быстродействие ЛЭ, управляющих светодиодами, не имеет никакого значения, то можно использовать простейшие инверторы с открытым коллектором, обеспечивающим большой импульсный выходной ток. ИС 514КТ1 содержит девять инверторов (рисунок 20.1).

Рисунок 20.1 – Схема подключения светодиодов к ИС 514 КТ1

Параметры этой схемы: I¹_вх £ 10 мкА, I⁰_вх £ 0.9 мА , I_п = 400 мА (импульсный ток при скважности 9 и длительности импульса не более 0,5 мс), U_п = 3 – 6 В. При импульсном питании снижается мощность потребления из-за уменьшения рассеиваемой мощности на резисторах. Импульсное питание светодиодов позволяет также изменять их яркость с помощью схемы управления скважностью.

Шкальные индикаторы – представляют собой набор светодиодов, объединенных в две, четыре, восемь или десять полосок, аноды или катоды которых соединены определенным образом. АЛС362А – Н, ЗЛС362А – Н (аналоги НDSP- 4820, HDSP- 4830) – полупроводниковые шкальные индикаторы. Они предназначены для отображения информации (в зависимости от модификации) в виде двух квадратов, четырех, восьми или десяти рисок (рисунок 20.2). Оформление в пластмассовом корпусе с гибкими выводами (8 шт.), расположенными в два ряда. Такие индикаторы широко используются в звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре: в радиоприемниках, автомагнитолах и т.п. Для управления шкальными индикаторами выпускаются специальные ИС.

Рисунок 20.2 – Шкальные индикаторы типа АЛС 362, выполенные: а − в виде квадратов; б − четырех полосок; в − восьми рисок; г − десяти рисок

Микросхема 155ИД12 выполняет роль обычного дешифратора-демультиплексора 3:8, выходные усилители которого выполнены с открытым эмиттером. Токоограничивающие резисторы в схемах включены в коллекторную цепь выходных транзисторов внутри ИС. Если сигнал Е = 0, то ИС 155ИД12 выполняет функцию дешифратора 3:8. Если к выходам ИС подключить набор светодиодов или шкальный индикатор, то положение на нем светящейся точки будет определяться двоичным кодом на адресных входах дешифратора (рисунок 20.3). Сигнал Е может использоваться для импульсного управления шкальным индикатором с целью управления яркостью светящейся точки (мерцанием). Интегральная схема 155ИД11 используется для управления термометрической шкалой, т.к. число светящихся точек шкального индикатора определяется двоичным числом, поданным на адресные входы. Рисунок 20.4 иллюстрирует соединение двух микросхем КМ ИД11 для индикации 16 уровней. Если на входе управления 8 старший бит равен лог.0 (вход 8), на выходе Р будет лог.1, микросхема DD2 работает в стандартном режиме. Высота «столбика» светящихся диодов будет на единицу больше десятичного эквивалента кода на выходах 1, 2, 4.

а − ИС155ИД12; б − условное изображение

Рисунок 20.3 – Схема подключения шкального индикатора

Рисунок 20.4 – Соединение двух микросхем КМ155 ИД11, КМ155 ИД13

Если код старшего разряда S будет равен лог.1,на входе разрешения Е микросхемы DD1 появится лог.0,в работу вступит DD1 и в соответствии с управляющим кодом 1, 2, 4 начнут включаться светодиоды HL9 – HL16. На выходе Р DD1 установится лог.0, он поступит на Р1 DD2 и включит все диоды HL1 – HL8 независимо от сигналов на других входах DD2. Таким образом, в схеме на рисунке 20.4 при использовании ИС КМ155ИД11 число светящихся диодов на единицу больше десятичного эквивалента входного кода – входному коду 0000 соответствует один включенный светодиод HL1, коду 1111 – 16 светодиодов. Если в приведенной на рисунке 20.4 схеме использовать преобразователи КМ 155ИД13, то светиться одновременно будут два рядом расположенных светодиода – один с номером на единицу большим десятичного эквивалента, и второй с номером, равным эквиваленту.

В схеме на рисунке 20.4 при включении ИС 155ИД13 неиспользуемые выводы Р1 и Р0 можно соединить. Если при этом к выходам схемы подключить 16 светодиодов, расположенных по кругу, то при циклическом изменении чисел на адресных входах две светящиеся точки будут вращаться по кругу со скоростью, равной скорости изменения адресных сигналов 1, 2, 4, 8.

Для построения шкал с большим числом индицируемых уровней необходимо использовать дополнительный дешифратор К555ИД4, выходы которого следует соединить со входами Е каждого преобразователя. Работа такого устройства будет происходить аналогично.

20.3 Одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы

Полупроводниковые одноцветные знакосинтезирующие индикаторы предназначены для преобразования низковольтных электрических сигналов в визуальную буквенно-цифровую информацию. Размер знака (ширина ´ высота) определяет конструкцию прибора.

Индикаторы с высотой знака до 7 мм представляют собой приборы простой гибридной конструкции и устроены таким образом, что размеры сегмента (элемента изображения) однозначно определяются размерами светящейся области кристалла, а конфигурация знака – взаимным расположением кристаллов на основании, закрепленном в металлостеклянном или герметичном металлокерамическом корпусе (например, АЛС339А, АЛС348А). Наклон знака вправо 10° у всех индикаторов, кроме АЛС320.

Все индикаторы с высотой знака свыше 7, 12 и 18 мм выпускают как гибридные приборы, основанные на принципе рассеяния света. Они содержат кристаллы небольших размеров, размещенные на основании корпуса в соответствии с заданной конфигурацией знака. Преобразование точечного источника света в видимое изображение элемента индикатора (определенной конфигурации) происходит за счет многократного рассеяния и отражения света внутри светопровода. Рассеяние света обеспечивается либо с помощью специального светорассеивающего полимера, либо при помощи диффузионной рассеивающей пленки, помещенной на лицевой поверхности светопровода. Основные параметры семисегментных индикаторов приведены в таблице 20.2.

Таблица 20.2 − Основные параметры одноразрядных

индикаторов

Такие индикаторы позволяют визуально регистрировать числа как в десятичной, так в 8- и 16-ричной системах счисления (таблица 20.3).

Управление семисегментным индикатором. Управлять семисегментными индикаторами можно любыми преобразователями двоично-десятичного, двоичного кода в код управления семисегментным индикатором, изготовляемым по ТТЛ – технологии.

Таблица 20.3 − Изображение символов в 16-ричной

системе счисления

При этом следует обращать внимание на значения выходного тока преобразователя, так как яркость свечения сегмента зависит от прямого тока I_ПР, протекающего через сегмент. Например, ИС К514ИД1 (открытый эмиттер) следует использовать для управления индикатором АЛС314А, потому что I_ПР = 4,6 мА не обеспечивает нужной яркости других индикаторов. Затем следует учесть, по какой схеме выполнен индикатор: с общим анодом (ОА) или с общим катодом (ОК). Индикаторы с общим катодом подключаются к выходам индикатора непосредственно, если преобразователь выполнен по схеме с открытым эмиттером (ОЭ) или имеет прямые выходы. На рисунке 20.5 а показана схема управления семисегментным преобразователем дешифратором-преобразователем 514ИД4.

Наличие внутренней регистровой памяти позволяет хранить входную информацию после снятия данных со входа DI. Фиксация данных происходит при WR = 1; = 0, если WR= BI = 0, реализуется режим без запоминания. Сигнал BI (Bearing Input – гашение, затемнение, блокирование) используется для импульсного управления яркостного индикатора (при BI = 0 индикатор погашен).

При использовании схем с открытым коллектором или схем со стандартным выходом ТТЛ светодиоды можно включать между общей шиной и выходом (рисунок 20.5, б), а резистор – между выходом и питанием. Второй вариант – включение индикатора между выходом и питанием, в этом случае резистор, ограничивающий ток в сегментах, включается в анодную цепь (рисунок 20.5, в). На выходах преобразователей можно использовать транзисторы и формирователи с целью усиления коммутируемых токов.

а, б − с общим катодом; в − с общим анодом

Рисунок 20.5 – Схемы включения семисегментных индикаторов

20.4 Полупроводниковые многоразрядные индикаторы

Полупроводниковые знаковые многоразрядные миниатюрные одноцветные индикаторы предназначены для преобразования низковольтных электрических сигналов в визуальную буквенно-цифровую информацию. Индикатор представляет собой набор семи-восьми сегментных индикаторов и межэлектродных соединений, конструктивно расположенных и смонтированных в одном корпусе. Эти приборы являются многоразрядными гибридными индикаторами с оптическим увеличением и предназначены в основном для визуальной индикации результатов в малогабаритных счетных устройствах.

Конструктивно монолитные многоэлементные кристаллы помещают на общем основании, а для увеличения видимого изображения используется многоэлементная (по числу цифр) пластмассовая линза. Коэффициент увеличения размера знака, в зависимости от типа применяемой линзы, достигает двух-трех. Использование оптического увеличения позволяет также увеличить силу света индикаторов в 2 – 5 раз. Индикаторы исполнены в монолитной полимерной герметизации с числом разрядов от двух до пяти, с учетом возможности бесшовной стыковки и обеспечивают набор шкал на любое число знакомест с шагом разряда 3,7 и 5 мм и высотой высвечиваемого знака 2,5;

В таблице 20.4 приведены основные параметры многоразрядных полупроводниковых индикаторов.

На рисунке 20.6 приведено графическое изображение индикатора АЛ308Б. Наименование сегмента соответствует наименованию вывода. Одноименные разряды во всех сегментах объединены и имеют общий вывод. Выводы 1, 2, 3, 4 – это выходы ОК первого, второго, третьего и четвертого индикаторов. При подаче на входы А – G некоторого символа засветится тот индикатор, общий катод которого соединен с общей шиной.

Таблица 20.4 – Основные параметры многоразрядных

Индикаторов

Чтобы обеспечить индикацию четырехразрядного кода, необходимо поочередно подавать код данного разряда на входы A – G и одновременно подключать ОК этого индикатора к общей шине. Такой способ индикации называется динамическим. Динамическая индикация основывается на кратковременном периодическом высвечивании соответствующей цифры в индикаторе, так что при достаточно высокой частоте повторения этого процесса глаз человека не замечает мерцаний, цифра в индикаторе представляется оператору высвечивающейся непрерывно. На рисунке 20.7 приведена структурная схема устройства динамической индикации с использованием мультиплексоров, отчего ее называют мультиплексной.

Рисунок 20.6 – Графическое изображение индикатора АЛ308Б

Четырехразрядные коды от четырех декад группируют поразрядно на входах четырех мультиплексоров DD1 ¸ DD4 (4 ® 1). На входы DD1 подаются младшие разряды декад, на входы DD4 – старшие. С выходов мультиплексоров четырехразрядный код подается на преобразователь двоично-десятичного кода в код управления семисегментным индикатором. С преобразователя код A¸G поступает на одноименные сегменты четырех индикаторов. Синхронизация работы мультиплексного (динамического) индикатора осуществляется с помощью генератора G и двухразрядного делителя частоты 4:1. Частота генератора выбирается такой, чтобы мерцание индикаторов было незаметно. Выходные сигналы Q1 и Q2 подаются на адресные входы мультиплексоров. Код Q1=Q2=0 выдает на вход преобразователя код первой декады (D00, D01, D02, D03), одновременно на первом выходе дешифратора DC (DD6) формируется лог. 0, что обеспечивает зажигание первого индикатора. При Q=1, Q2 зажигается второй индикатор, остальные погашены и т.д. Так идет циклический «опрос» декад и зажигание индикаторов.

Рисунок 20.7 – Структурная схема мультиплексного

управления индикатором

20.4.1 Мультиплексная индикация

Описанный способ динамической индикации можно использовать для управления группой одноместных индикаторов любого типа. Функциональная схема управления четырьмя индикаторами АЛС333А приведена на рисунке 20.8.

Счетчик К555ИЕ5 обеспечивает с помощью мультиплексоров К555КП2 последовательное подключение к преобразователю двоично-десятичного кода в код управления семисегментным индикатором (К514ИД2) данных Dij от четырех j = 0¸3 четырехразрядных источников данных i = 0 – 3. Дешифратор 564ИД1 вырабатывает последовательно распределенные во времени положительные импульсы, которые через эмиттерные повторители К0¸К3 поступают на аноды (ОА) индикаторов.

Рисунок 20.8 − Схема мультиплексного индикатора

Яркость свечения индикатора зависит от типа транзисторов, используемых для усиления тока. Наиболее пригодны транзисторы с большим статическим коэффициентом усиления по току. Вход BI преобразователя К514ИД2 может быть использован для импульсного управления яркостью индикатора.

20.5 Матричные индикаторы

Матричные полупроводниковые знакосинтезирующие миниатюрные знаковые одноцветные индикаторы предназначены для преобразования низковольтных электрических сигналов в визуальную универсальную информацию. Полупроводниковый матричный индикатор представляет собой набор дискретных элементов отображения, сгруппированных по строкам и столбцам в единую матрицу. Промышленностью выпускаются одноцветные матричные индикаторы двух типов: в виде матриц 5 ´ 7 и 8 ´ 8. Они позволяют отображать на одном знакоместе цифры от 0 до 9, римские цифры, буквы русского и латинского алфавитов, различные знаки и символы (рисунок 20.9).

Рисунок 20.9 – Матричный индикатор 8´8:

а − внешний вид; б − структурная схема

Для высвечивания конкретной точки необходимо подать импульсное напряжение на вывод номера колонки и на вывод номера ряда; тогда на пересечении этих двух координат засветится нужный дискретный элемент матрицы. Подавая импульсное напряжение (обычно в мультиплексном режиме) на определенные точки матрицы, получают соответственно изображение цифры, буквы, знака, какого-либо символа, графика и т.д. Основные параметры матричных индикаторов приведены в таблице 20.5. Наряду со стандартными матричными индикаторами широко используются в информационных табло неполные матричные индикаторы, составленные из дискретных оптоэлектронных элементов: светодиодов, ламп накаливания, газоразрядных индикаторов и т.п.

Таблица 20.5

20.5.1 Управление матричными индикаторами