структуры ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда
их большие оси параллельны ограничивающим по-
верхностям, а направления этих осей вблизи одной и
другой пластин взаимно перпендикулярны (рис. 3.8,а).
В толще жидкости ориентация молекул меняется
постепенно от верхней граничной ориентации к
нижней. Технологически такая скрученная струк-
тура достигается, например, путем однонаправ-
ленного натирания внутренних поверхностей
стеклянных пластин во взаимно перпендикуляр-
ных направлениях, что и ведет к соответствующей
ориентации молекул.
Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего
света на п/2. Если к ячейке приложить электрическое поле, то (при условии
использования материалов с положительной диэлектрической анизотропией) все
молекулы ориентируются вдоль поля (рис. 3.8,6) и эффект скручивания
пропадает. Теперь слой жидкости не изменяет поляризации проходящего через
него света. Помещая на входе и выходе ячейки поляроидные пластины,
преобразуют модуляцию поляризации света в амплитудную.
Твист-эффект в отличие от эффекта динамического рассеяния является чисто
полевым: для его реализации пропускание тока через структуру не нужно. Это
дает существенный выигрыш в энергопотреблении.
Устройство жидкокристаллического индикатора (рис. 3.9) достаточно просто,
здесь удобно реализуюгся современные плоские панельные конструкции. Для
получения низких управляющих напряжений (единицы вольт) зазор между
пластинами должен быть небольшим (~10-3 см), а используемая жидкость должна
иметь круто нарастающую вольт-контрастную характеристику (рис. 3.7).
Характерно, что стоимость ЖКИ (в отличие от полупроводниковых) очень мало
зависит от их площади — изготавливаются приборы с высотой цифр от 3 до 500
мм. Используются конструкции, работающие как в отраженном свете
(большинство типов), так и в проходящем. Все ЖКИ работают на переменном
токе; при попытках использовать постоянное управляющее напряжение
оказываются существенными электролитические эффекты и срок службы прибора
становится недопустимо малым.
Жидкие кристаллы представляют собой достаточно удобную основу для создания
информационных табло повышенной информационной емкости и экранов мало-
кадрового телевидения. Причины этого—малая потреб-ляемая мощность, высокая
контрастность, низкое питающее напряжение, технологичность. Основные
сложности связаны со схемами управления:
низкое быстродействие [pic]
ЖКИ затрудняет использование мулыиплексных режи-
мов, приводит к созданию ЖК матриц с большим коли-
чеством внешних выводов. Перспективы преодоления
этой проблемы видятся в разработке конструкции экра-
на, в которой вместо одной из стеклянных обкладок
обычного ЖКИ используется кремниевая пластина,
содержащая схему управления и имеющая на своей
поверхности матрицу элементарных электродов.
Каждый из этих электродов является оптическим
отражателем. Такое технологическое совмещение растра
и схемы управления резко сокращает число внешних
выводов.
Совершенствование ЖКИ ведется в направлении получения цветных изображений
(для этого привлекаются иные, отличные от описанных, электрооптические
эффекты), повышения быстродействия, долговечности (значения, близкие к 105
ч, представляются вполне реальными), создания злементов с встроенной
памятью.
3.3 Газоразрядные индикаторы (ГРИ) являются примером того, как влияние
конструкторско-технологических идей микроэлектроники заново преобразует
«старую» традиционную область техники.
[pic]
Основу любого прибора этого класса составляет элементарный газоразрядный
промежуток (рис. 3.10). За-жигание и поддержание разряда требует высокого
напряжения (Uзаж?80 ... 400 В, Uгор?50 ... 300 В), ток близок к 1 мА.
Заполнение рабочего объема неоном дает оранжевое свечение, а гелием и
аргоном — желтое и фиолетовое. Возможно и непрямое преобразование энергии:
разряд в ксеноне (УФ излучение) в сочетании с фотолюминофорами желаемого
цвета свечения. Инерционность газового разряда определяется в основном
временами его гашения (10-7 ... 10-8 с) и исчезновения плазмы (10-6 ... 10-
4 с).
Используются два основных режима работы. В режиме постоянного тока
обязателен балластный резистор,
необходим и элемент гашения разряда. Взаимодействие газа с электродами
(рис. 3.10,а) сопровождается катодным распылением, особенно интенсивным при
минусовых температурах. Значительно перспективнее высокочастотный разряд,
для которого характерны самоограничение и отсутствие непосредственного кон-
такта газа с электродами (рис. 3.10,6).
Среди газоразрядных индикаторов выделяют: знаковые, шкальные и
универсальные (плазменные
панели). На смену громоздкой пакетной конструкции газоразрядной лампы с
десятью изолированными катодами, высвечивающими отдельные цифры, пришел
многоразрядный монодисплей панельного типа, один из вариантов которого
представлен на рис. 3.11. Его характерные особенности: плоскостность, малая
толщина (несколько миллиметров), простота конструкции (всего четыре детали)
и технологии. Две плоские электродные решетки из ковара, получаемые
штамповкой или травлением, закрепляются на отдельных стеклянных пластинах,
после чего части собранного пакета соединяются в горячем состоянии. Затем
пакет вакуумируется, заполняется газовой смесью и герметизируется. Кроме
катодных линейных элементов, формирующих изображение, электродные решетки
содержат и внешние выводы.
Имеется много разновидностей сегментных ГРИ, но все они однотипны с
описанным прибором. Типичные значения высоты знаков составляют 5... 16 мм,
число разрядов 3 ... 9. Для питания необходимо напряжение постоянного тока
170 ... 200 В.
Универсальный индикалэр или плазменная панель представляют собой
двухкоординатную матрицу, содер-жащую не менее 104 ... 105 элементарных
газоразряд-
[pic]
ных ячеек. Разрабатываются панели постоянного и переменного тока, т. е. с
внутренними и внешними элек-тродами (рис. 3.12). Высокочастотный экран
питается двумя возбуждающими напряжениями от генераторов Г1 и Г2 (рис.
3.12,в): синусоидальным опорным с частотой в несколько килогерц,
поддерживающим разряд, и записывающим (или стирающим) в виде коротких
прямоугольных импульсов, «поджигающих» ту или иную ячейку.
В конструкциях рис. 3.12 центральная мозаичная пластина служит для изоляции
разрядных промежутков друг от друга, ею определяется разрешающая
способность экрана, близкая к 10 ... 20 лин/см. Ограничения области разряда
можно добиться и без перегородок повышением давления газовой смеси, которое
ведет к стягиванию плазменного шнура, возникающего в месте пересечения
возбужденных X- и У-электродов. Идя по этому пути, можно существенно
повысить разрешающую способность,
особенно у панелей переменного тока.
Высокое напряжение питания и большое число эле-ментов
требуют довольно сложных схем управления. Тем не менее
на основе как биполярных, так и МОП-транзисторов и спе-
циальных интегральных схем удается изготовить достаточно
компактные плоские устройства, размещаемые на задней
стороне панели. Схемы управления не только воспроизводят
на экране требуемые образы, но и позволяют изменять интен-
сивность свечения, обеспечивая передачу до нескольких
десятков полутонов (градаций яркости). Для уменьшения чис-
ла выводов от панели и упрощения схемы управления используют
принцип самосканирования, для реализации которого в
центральной пластине делают специальные отверстия, соеди-
няющие определенным образом соседние ячейки друг с другом.
Вследствие этого зажженное состояние, созданное в одной
ячейке, последовательно перемещается по всем элементам
строк и столбцов экрана. Для получения цветного изображения
изготавливается прозрачная панель (рис. 3.13), каждый слои
которой генерирует свечение определенного цвета (обычно К—О—В),
а требуемая окраска обеспечивается соответствующим управлением
этими слоями. Возможно и другое решение задачи: в панели
с ксеноновым наполнением (УФ излучение) создается сложное
люминофорное покрытие (подобное триадам ТВ экрана), а
газовый разряд «включает» нужный цвет.
Уменьшить напряжение и мощность управляющих сигналов можно
лишь введением в электрическую схему дополнительных электродов.
При сохранении напряжения анод — катод на уровне 200 ... 400 В
для включения разряда в трехэлектродной схеме необходимо лишь
20 ... 40 В, а в четырехэлектродной (тиратронной) — 2 ... 6 В. Мощность,
потребляемая управляющей цепью, может быть снижена до 10-4...10-5
Вт, и устройство оказывается полностью совместимым со стандартными
биполярными и МОП-интегральными схемами. Но для практической
реализации указанных преимуществ необходимо создание индикаторов
тиратронного типа в панельной конструиции методами пленочной
технологии. Важнейшая задача совершенствования плазмечных панелей
всех видов заключается в повышении их долговечности до 104 . . . 105 ч
на основеоптимизации конструкции, тщательного подбора материалов и
отработки мас-сового производства.
4. Применение индикаторов
Применение индикаторов характеризуется прежде всего тем, что именно этими
приборами электроника широко входит в быт человека. Можно упомянуть такие
изделия, как электронные цифровые часы (рис. 3.21), калькуляторы,
автомобильные индикаторные панели, настроенные шкалы радиоприемников,
указатели программ телевизоров, индикаторы кухонного оборудования.
В промышленности эти приборы являются обязательным элементом периферийных
устройств ЭВМ, автоматизированных систем управления, контрольно-
измерительной аппаратуры, сервисных устройств транспортных и связных
систем. В военной технике системы отображения информации необходимы на
командных пунктах, в различных навигационных устройствах, системах
наведения, в приборных щитах самолетов, танков, подводных лодок ...
Все это предопределяет массовое производство индикаторных приборов: годовой
выпуск приборов (в пере-счете на знак) превышает 1 млрд., объем
производства почти такой же, как у диодов всех типов, очень высоки и темпы
роста — удвоение объема за 5—6 лет.
Индикаторные средства играют решающую роль в переходе от телефона к
терминалу и к видеотелефону; в будущем найдут свое разрешение проблемы
твердотельного телевидения, электронной книги и газеты. Не исключено, что
совершенствование полупроводниковых светоизлучающих диодов даст в конце
концов средство для воспроизводимого получения тех 10 млн. оттенков,
которые насчитывают наиболее полные цветовые каталоги; решит все
сегодняшние проблемы колориметрии; породит новые виды изобразительного
искусства и в конечном счете начнет активно воздействовать на формирование
эстетического мира человека.
5. Четыре поколения индикаторных приборов
Четыре поколения индикаторных приборов может быть выделено на основе
ретроспективного и перспек-тивного анализа их развития. Первое поколение
характеризуется небольшим числом используемых физических принципов, низкими
значениями к. п. д. и яркости, малыми информационными возможностями (Nэл?1
••• 10), болыиими габаритами, одноцветностью, высоким управляющим
напряжением, малой долговечностью (<103 ч), высокой стоимостью,
ограниченным применением. Типичными представителями этого поколения
являются газоразрядные пакетные индикаторы (типа «Никси»), первые образцы
ЭЛИ.
К типичным представителям второго поколения индикаторных приборов следует
отнести полупроводнико-вые и жидкокристаллические индикаторы,
многоразрядные люминесцентные и плазменные монодисплеи. Эти приборы
характеризуются высокой яркостью свечения и контрастностью, экономичностью,
приемлемой долговечностью (104 ч), невысокой стоимостью. Эти каче-ства, а
также повышенная информационная емкость (Nэл?10 ••• 103), совместимость с
интегральными схемами управления обеспечивают широкое и многообразное
применение индикаторов второго поколения. Как тенденция, проявляющаяся в
отдельных представителях этого поколения, эти приборы характеризует
многоцветность. Переход от первого поколения ко второму стал возможен
благодаря привлечению новых физических эффектов и широкому и
последовательному внедрению плоскостных конструкций и групповых методов
обработки.
Третье поколение будет базироваться в основном на тех же физических
принципах, что и второе, однако совершенствование новых материалов и
технологии позволит достигнуть еще большей экономичности и ин-формационной
мощности (Nэл?104 ••• 105); долговечность превысит 104 ... 105 ч;
многоцветность станет обя-зательным качеством табло и экранов. Совмещение с
устройством управления избавит потребителя от труд-ностей применения и
благодаря низкой стоимости распространение информационных средств станет
повсеместным. Неким прообразом изделия третьего поколения могла бы служить
трехцветная плазменная панель, существенно усовершенствованная в
направлении экономичности, миниатюризации схем управления, повышения
долговечности и надежности и снижения стоимости.
Четвертое поколение индикаторных приборов можно наметить лишь контурно. Это
полностью твердотельные квазимонолитные всецветные универсальные экраны с
встроенным управлением, плоской конструкции с рабочей площадью от 1 до 104
см2. Срок службы должен превышать (5...7)*104 ч. Электронное обрамление
экранов неизбежно должно будет использовать новые методы обращения с
информацией. Не исключено также, что в этих приборах будут частично
проявляться черты устройств отображения последующих поколений, в частности
способность воспроизведения объемных голографи-ческих образов. Создание
устройств четвертого поколения потребует не только коренного изменения
технологии (совмещение групповой обработки с непрерывными процессами), но и
открытия новых физических эффектов и синтеза новых совершенных материалов.
Тем не менее большинство прогнозов сходится на том, что к начаяу XXI века
это будет реализовано.
