ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ
УСТРОЙСТВО ЛИНЕЙНЫХ ШКАЛ
Линейные шкалы способны отображать информацию в аналого-цифровом виде, что весьма удобно для считывания. В связи с этим они широко используются в измерительной технике, где позволяют заменить стрелочные измерительные приборы, тем самым повысить надежность аппаратуры, сократить габариты и использовать интегральные схемы для управления.
В качестве представителя линейных хпкал может быть рассмотрен прибор АЛС317, который содержит пять кристаллов, собранных в схему с общим анодом. Шкала имеет простую гибридную конструкцию: кристаллы собираются на никелевой рамке и прибор герметизируется прозрачным полимером. Конструкция линейной шкалы допускает бесшовную стыковку. Устройство прибора показано на рис. 5.5. Размер светящихся элементов 0,5Х XI,6 мм. Расстояние между центрами светящихся элементов 1 мм.
Линейные шкалы изготавливают также в виде линеек из миниатюрных светоизлучающих диодов с 3, 4 и 5 светящимися элементами. Расстояние между центрами кристаллов 2,5 мм. Линейки допускают бесшовную стыковку и позволяют набирать протяженные индикаторы.
Сообщается о создании линейной шкалы светоизлучающих диодов, в которой используются кристаллы с изменяющимся цветом свечения. Такие приборы позволяют создать многошкальные измерительные устройства, отображающие информацию в различных цветах.
рис. 5.5. Вид сбоку (а) и с торца (б) линейной шкалы типа AJIC317: I —- никелевые выводы; 2 *— нЗЛучающие кристаллы; 3 — полимерный корпус (размеры в миллиметрах) |
Ведутся работы по созданию многоэлементных монолитных линейных шкал для записи информации на фотоленку. Разрешающая способность устройств регистрации информации определяется плотностью размещения светоизлучающих элементов. В работе [123] сообщается о создании линейных шкал с размером излучающего элемента 20X35,' 60X60 и 20X100 мкм. Шаг между излучающими элементами — от 50 до 200 мкм. Вывод света осуществляется либо в плоскости, перпендикулярной плоскости р—и-перехода, либо через торец кристалла. Линейные шкалы изготавливаются в основном из твердого раствора GaAs0,6Po,4 по планарной технологии. Используются также структуры Gao.7Alo.3As с выводом излучения через торец кристалла. Сила света лучших образцов линейных шкал составляла 35—40 мккд при прямом токе 1 МА через элемент, что соответствовало яркости 50— 60 тыс. кд/м2. Разброс яркости между отдельными элементами не превышал 45 % при типичном значении 10— 15 % і
5.3. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗНАКОВЫХ ИНДИКАТОРОВ
В результате многолетних исследований и конструкторских разработок технические характеристики полупроводниковых знаковых индикаторов достигли высокого уровня [120]: количество элементов отображения водном индикаторе составляет 1—300 в серийных и 103— 104 в экспериментальных образцах; сила света индикаторов достигает 300—500 мккд; при условии применения оптимальной комбинации светофильтров такие индикаторы обеспечивают возможность считывания информации при внешней освещенности до 80 тыс. лк; по напряжению и току питания полупроводниковые индика-
торы полностью совместимы с биполярными и МДП-ин- тегральными схемами управления; благодаря высокому быстродействию (0,01—0,2 мкс) и линейной (или сверх - линейной) зависимости силы света от тока полупроводниковые индикаторы способны работать в мультиплексном режиме; по цветности свечения индикаторы изготавливают с красным, зеленым и желтым свечением; ведет-
Рис. 5.6. Типичные диаграммы направленности излучением 7-сег- ментного индикатора на принципе рассеяния света (/); 35-элемент - иого индикатора на принципе рассеяния света (2) и индикатора с монолитным кристаллом и оптическим увеличением с помощью линзы (3) [114] |
ся разработка цифровых индикаторов с управляемым цветом свечения [120]; индикаторы характеризуются устойчивостью к жестким климатическим и механическим воздействиям; срок службы индикаторов — десятки тысяч часов.
Фотометрические и электрические параметры некоторых типов индикаторов приведены в табл. 5.1. Типичные диаграммы направленности излучения приведены на рис. 5.6. Различие в пространственном распределении излучения двух типов индикаторов на принципе рассеяния света обусловлено различием в конструкциях светопровода. Оптическое увеличение размера знака приводит к сужению диаграммы направленности излучения.
Большинство индикаторов имеет сверхлинейную зависимость интенсивности излучения от тока, что делает энергетически выгодным применение импульсных режимов питания. На рис. 5.7 приведены типичные кандел-ам - перные характеристики р — «-переходов на основе GaP: N и GaAsi-жР* в импульсном режиме. Как видим, светоизлучающие диоды из этих материалов обладают сверхлинейной кандел-амперной характеристикой в ши-
Рис. 5.7. Кандел-амперные харак геристики приборов из GaP • м (/) и GaAsi-^Px (2) в папуль,, ном режиме работы [124]; п показатель степени в выражении
роком диапазоне токов, описываемой выражением
1в = А1я, (5.4)
где показатель степени п различен для разных материалов. ,
Если в статическом режиме сверхлинейность сохраняется до сравнительно небольших токов, превышающих номинальный в 1,5—2 раза, то в импульсном режиме - до токов, превышающих номинальный в десятки раз (диапазон токов с сверхлинейной зависимостью возрастает при увеличении скважности). При увеличении скважности возрастает также сила света при определенном значении среднего тока (рис. 5.8). Такая зависимость оптических характеристик от скважности объясняется, по-видимому, тепловыми явлениями в р— п-переходе.
С учетом закона Тальбота повышение эффективности светоизлучающего диода при переходе от статического к импульсному режиму {124]
К = Q"-1. (5.5)
Применение импульсных режимов питания индикаторов основано на свойстве человеческого глаза воспринимать излучение, пульсирующее с частотой выше критической, как постоянное. Для средних уровней свечения р—«-структуры критическая частота fKp составляет 30— 35 Гц. При вибрации или перемещении индикатора значение критической частоты возрастает в 2—3 раза [124].
Современная схемотехника управления индикаторами широко применяет мультиплексный режим, позволяющий резко сократить число интегральных схем, используемых для обработки и передачи информации, а также число выводов индикатора. Благодаря сверхлинейной зависимости светового потока от тока и высокому быстродействию полупроводниковые индикаторы наилучшим
Рис. 5.8. Кандел-амперные характеристики приборов из GaP : N в импульсном режиме в зависимости от скважности Q [124] |
образом удовлетворяют требованиям мультиплексного управления.
При мультиплексном режиме работы цифрового многоразрядного индикатора происходит последовательное обегание импульсами тока всех его т разрядов (режим развертки). Для оптимального импульсного режима работы индикаторных устройств частота следования импульсов ‘должна в 1,5—2 раза превышать критическую частоту f ”р:
Пр = <р. , (5.6)
Успешной работе индикаторов в мультиплексном режиме способствует малая емкость р — n-переходов: для индикаторов из GaAso,6Po,4 типичная емкость сегмента составляет 75 пФ.
Если необходимо обеспечить силу света индикатора, соответствующую его номинальной силе света в статическом режиме, то пиковое значение импульса тока может быть определено по формуле [124]
/пр a = QllnI*, (5.7)
где 1а — номинальный постоянный прямой ток.
При проведении расчетов оптимального импульсного режима показатель степени п можно принять: для ^5 «=1,4; для Q>5 «=1,2 [124].
Практическое применение импульсного режима работы для индикаторов из GaAs^P* дает следующие результаты: сила света на постоянном токе 5 мА соответствует силе света при среднем значении импульсного тока 0,5 — 1 мА. Для лучших образцов индикаторов сила света 400 мккд обеспечивается при постоянном токе 3 мд и среднем токе 0,3 — 0,5 мА.