Elektronika

Maturitní otázky

FOTOSOUČÁSTKY VYZAŘUJÍCÍ SVĚTLO A DISPLEJE

8. Fotosoučástky vyzařující světlo a displeje

Jsou to Zobrazovací jednotky s malou hustotou informace.

Zobrazované symboly lze vytvořit jedním ze tří způsobů :

1.z předem vytvořených znaků – Obr. 2a

2. ze segmentů – Obr. 2b

3. použitím potřebného počtu prvků bodové matice – Obr. 2c

V prvním případě vzniká obraz rozsvícením příslušného znaku, ve druhém případě rozsvícením segmentů, jejichž složením znak vznikne, ve třetím případě rozsvícením potřebného počtu vhodných bodů matice.

Nejdůležitější vlastnosti zobrazovacích jednotek

Viditelnost : posuzuje snadnost a správnost čtení informace, ovlivnění jasem, kontrastem, barvou, úrovní okolního prostředí

Vlastní spotřeba : Posuzuje se velikost napájecího napětí, potřebný proud i spotřebovaný výkon pro vytvoření jednoho symbolu.

Rychlost odezvy : je to čas potřebný ke vzniku a vymazání obrazu.

Také se posuzuje spolupráce s běžným logickými integrovanými obvody ( hl. velikost napětí ), složitost budících a dekódovacích obvodů potřebných pro činnost, životnost a cena za jeden symbol.

Dle základních optických vlastností je dělíme : aktivní ( generují světlo - LED, výboje v plynech...) a pasivní ( negenerují světlo. znaky se pozorují v odraženém nebo procházejícím světle).

Zobrazovací jednotky s předem vytvořenými znaky

Jako zobrazovací jednotky s předem vytvořenými znaky pracují speciální výbojky ( číslicové – digitrony ). Využívají ke své činnosti viditelného záření prostředí v okolí katody při doutnavém výboji v plynech. Používají se pro zobrazení číslic nebo některých dalších symbolu ( V, A, Ohm, ...). Počet znaků který je možné zobrazit v jedné výbojce, je z konstrukčních důvodů omezen.

V Baňce výbojky je jediná anoda (tenká kovová mřížka s velkou roztečí ok ). Anoda je na povrchu systému a musí být přes ní možné sledovat znaky vytvořené uvnitř baňky výbojky. Za anodou je několik (obvykle 10) katod, zformovaných do tvaru číslic nebo jiných znaků.

Katody jsou uspořádány v malých vzdálenostech za sebou a jsou jednotlivě vyvedeny na patici elektronky. Při činnosti má anoda trvale kladné napětí ( 170-200V ). Potřebný znak se rozsvítí uzemněním příslušné katody.

Anodový proud pro jeden symbol je asi 1 ž 5 mA. Rychlost je při vzniku obrazu asi 10 mikrosekund, při vymazání asi 40. Pro zvětšení kontrastu bývá sklo baňky opatřeno barevným filtrem ( obvykle červeným).

Zobrazovací jednotky vytvářející znaky skládáním segmentů ( segmentovky )

Jak ukazuje obrázek 2b, je pro číslicový indikátor minimální počet segmentů sedm, pro abecedně číslicový šestnáct. Existuje mnoho způsobů realizace jednotlivých segmentů. V nynější době se za perspektivní považují světelné diody a kapalné krystaly.

Segmentovky se světelnými diodami

Světelná dioda je plošná dioda, jejíž přechod PN průchodu proudu v při průchodu proudu v přímém směru září. Záření vzniká při rekombinaci nosičů náboje uvnitř přechodu a jeho barva je závislá na materiálu, kterého je dioda vyrobena.

Užívanými materiály jsou sloučeniny galia (galium-fosfid, galium-arzenid-fosfid, ...). Obvyklé barvy záření jsou červená, oranžová, žlutá, zelená. Průběh voltampérové charakteristiky i ostatní vlastnosti světelných diod jsou obdobné jako u ostatních diod s malou plochou přechodu. Napětí v přímém směru je větší než u křemíkových diod a závisí na materiáluPro světelné diody se udává také směrová vyzařovací charakteristika.

Každý ze sedmi segmentů číslicového indikátoru (abecedně číslicové indikátory se světelnými diodami se realizují v bodové matici) je tvořen jedním nebo několika světelnými diodami.

Pro zjednodušení ovládacích obvodů mají diody navzájem propojeny katody nebo anody ( podle druhu logických obvodů, se kterými spolupracují. Logické obvody TTL anody, logické obvody CMOS katody). Výška znaků je podle typu indikátoru 3 až 16 mm. Doba odezvy je řádově deset nanosekund. Nejmenší zobrazovací jednotky tohoto typu odebírají proud 0,5 až 1 mA na segment, největší asi 15 mA na segment. Anodové napětí diody je podle barvy 1,5 až 2,5 V. Aby bylo možné použít pro napájení popisovaných zobrazovacích jednotek běžné napájecí napětí logických obvodů TTL, které je 5 V, je proud jednotlivých segmentů omezován sériovými rezistory (obr. 3).

V jednom pouzdře se umísťuje jeden nebo několik znaků postupně vedle sebe. Nejmenší typy indikátorů mají vrchní stěnu pouzdra ve tvaru čočky, která usnadňuje pozorování.

Segmentovky s kapalnými krystaly

Některé organické sloučeniny v kapalné fázi shlukují své molekuly v určitém teplotním rozsahu do protáhlých skupin, kterým říkáme kapalné krystaly. Ačkoli se většina kapalin nachází v tomto přechodném stavu pouze v úzkém teplotním rozsahu, jsou dnes známy látky vykazující zmíněné vlastnosti v rozsahu teplot asi od -5 do +75 °C.

Krystaly mohou být uvnitř kapaliny uspořádány třemi základními způsoby. Je-li kapalina ve stavu smektickém (obr. 4a), jsou všechny krystaly stejně dlouhé, leží v rovnoběžných vrstvách a mají navzájem rovnoběžné osy.

Struktura nematická (obr. 4b) má krystaly nestejně dlouhé, navzájem rovnoběžné, avšak různě posunuté a vyplňující celý prostor. V cholesterické fázi jsou krystaly opět uloženy ve vrstvách. Krystaly v jedné vrstvě mají rovnoběžné osy, avšak každá vrstva má směr os krystalů proti sousední vrstvě o určitý úhel pootočen (obr. 4c).

Pro použití v zobrazovacích jednotkách má v nynější době největší význam fáze nematická.

Zobrazovací jednotky se vytvářejí ve tvaru dvou rovnoběžných skleněných destiček, vzdálených od sebe přibližně 20 mm. Mezi destičkami je uzavřena kapalina v nematické fázi. Na vnitřní stěně přední destičky jsou napařeny elektrody z průhledného vodivého materiálu ve tvaru segmentů číslicového nebo abecedně číslicového indikátoru. Zadní destička je po celé ploše pokryta vodivým materiálem.

Bez napětí jsou osy tekutých krystalů bud v poloze rovnoběžné s povrchem destiček, nebo k němu kolmé a celá deska vykazuje stejné optické vlastnosti - je čirá a průhledná (obr. 5a).

Přiložíme-li na elektrody napětí dostatečné velikosti (minimálně asi 5 V), dojde v místech, kde působí elektrické pole, ke vzniku turbulentního proudění krystalů a kapalina se zde silně zakalí, neboť na neuspořádaných a vířících krystalech nastává rozptyl světla, kterému říkáme dynamický rozptyl (obr. 5b).

K vyvolání dynamického rozptylu se může použít jak stejnosměrné, tak i střídavé napětí. Střídavé napětí je výhodnější, neboť jsou při něm vyloučeny parazitní jevy, mající nepříznivý vliv na dobu života zobrazovací jednotky (elektrolýza, rozpouštění elektrod apod.).

Z výkladu je zřejmé, že jde o pasivní zobrazovací jednotku, která světlo negeneruje. Znaky lze pozorovat bud v dopadajícím světle proti tmavému pozadí, nebo v průhledu při osvětlení ze zadní strany. Symboly nelze sledovat, nedopadá-li na zobrazovací jednotku dostatečné množství světla.

Čas potřebný ke vzniku dynamického rozptylu je asi 10 až 20 ms. Obraz zmizí asi za 80 ms po zániku elektrického pole.

Velkou výhodou zobrazovacích jednotek s kapalnými krystaly je jejich extrémně malý příkon (několik mikrowattů na centimetr čtvereční). Např. při výšce znaků 13 mm a napájecím napětí 25 V, s frekvencí 50 Hz je proud na jeden segment 1 mA.

Zobrazovací jednotky se znaky vytvořenými v bodové matici (maticovky)

Základní uspořádání ukazuje obr. 2c. Jednotlivé prvky matice jsou umístěny v průsečících dvou navzájem kolmých soustav elektrod (obr. 6). Potřebný prvek se aktivuje tím, že se na elektrody, které se v místě onoho prvku protínají, současně přivede napětí. Tomuto způsobu se říká křížové adresování prvků. Je zřejmé, že jsou-li ostatní elektrody na nulovém napětí, působí na zbývajících prvcích, připojených ke zmíněným elektrodám, poloviční napětí než na prvku aktivovaném. Prvky musí mít proto takové vlastnosti, aby při tomto nižším napětí zůstávaly bezpečně neaktivované. Jinak by znak nebyl čitelný. K aktivaci musí docházet skokem po překročení určitého prahového napětí. Při aktivaci se např. na svislou elektrodu připojí napětí větší než poloviční, ale menší než celé prahové napětí v kladné polaritě. Na příslušnou vodorovnou elektrodu se současně připojí stejně velké napětí v záporné polaritě.

Aby při činnosti indikátoru nedocházelo k rozsvěcení nesprávných bodů matice, aktivují se jednotlivé dvojice elektrod matice impulsově podle určitého postupu řízeného logickým obvodem.

Nejrozšířenějšími prvky pro vytváření bodových matic jsou světelné diody, tvořící malé abecedně číslicové indikátory s pětkrát sedmi prvky (obr. 2c).