Оптичні випромінюючі прилади

Курсова робота
Оптичні випромінюючі прилади
2008р.

1. Загальні положення
Спектр електромагнітних хвиль
Спектр електромагнітних хвиль можна поділити на декілька діапазонів, щооб’єднують випромінювання з доситьблизькими властивостями (рис.1).
/>
Рис.1. Спектр електромагнітних хвиль
Гама-випромінювання виробляється збудженими ядрами атомів, а також врезультаті взаємоперетворень деяких елементарних частить. Особливістьгама-випромінювання – яскраво виражені корпускулярні властивості.
Радіохвилі – генеруються при коливаннях вільних електричних зарядів імають основні особливості класичних хвиль.
Оптичне випромінювання у різних умовах має як хвильові, так ікорпускулярні властивості. Усередині оптичного діапазону виділяють чотири зони:рентгенівську, ультрафіолетову, видиму та інфрачервону.
Рентгенівське випромінювання відкрите у 1895 р. К. Рентгеном, виникає пригальмування швидких електронів у речовині. Головна особливість такоговипромінювання – його висока проникна здатність.
Ультрафіолетове випромінювання відкрите у 1801 р. Й. Ріттером проявляєінтенсивну фотохімічну, біологічну та фотоелектричну дію та викликає світіннядеяких кристалів.
Видиме випромінювання безпосередньо приймається людським оком та маєфотохімічну, біологічну та фотоелектричну дію. До цієї частини спектрувикористовується термін „світло”.
Інфрачервоне випромінювання відкрите у 1800 р. В. Гершелем. Для ньогонайбільш характерна теплова дія, хоча при взаємодії з речовиною мають місцетакож фотоелектричні та інші ефекти.
Теплове випромінювання
Теплове випромінювання є джерелом випромінювання різних типів в залежностівід абсолютної температури тіла. Спектр та інтенсивність тепловоговипромінювання визначаються двома законами.
Закон Стефана-Больцмана визначає інтенсивність випромінювання взалежності від абсолютної температури абсолютно чорного тіла. Він має вигляд:
I = σT4,
де I – інтенсивністьвипромінювання, Т – абсолютна температура, σ – постійна Стефана-Больцмана,її значення дорівнює 5,67·10-8 Вт/м2К4.
Закон зміщення Віна визначає довжину хвилі, на якій має місце найбільшінтенсивне випромінювання. він має вигляд:
λмакс = b/T,
де λмакс – довжина хвилі найбільш інтенсивного випромінювання, b – постійна Віна, що дорівнює b = 2898 мкм·К, Т – абсолютнатемпература.
Обидва закони ілюструються графіками спектрів теплового випромінюванняабсолютно чорного тіла рис.2, де 1 – при температурі 6000°К, 2 – при температурі 4000°К, 3 – при температурі 2000°К, 4 – при температурі 1000°К, 5 – при температурі 600°К, 6 – при температурі 300°К, 7 пряма, що ілюструє законзміщення Віна.
/>
Рис.2. Спектри теплового випромінювання
На рис.2 двома тонкими вертикальними лініями виділена зона видимоговипромінювання, яке бачить людське око. Як бачимо, випадки 5 та 6 даютьвипромінювання. яке людина не бачить. У випадку 4 невелику частинувипромінювання людина вже бачить (розігрітий до 700°С, або 1000°К метал вже світить червонимсвітлом). У випадку 3 світіння вже стає більш рівномірним, людина його бачитьяк жовте. Але найбільш рівномірне світіння у діапазоні людського зору у випадку1. Це температура поверхні Сонця, до якого пристосований людський зір. Такесвітіння людина бачить як біле. Велика частина випромінювання Сонця заходить вультрафіолетову зону.
У якості джерел видимого та інфрачервоного випромінювання частовикористовують лампи розжарення. Для виготовлення ниток розжарення звичайновикористовують вольфрам з різними присадками. Температуру нитки можна довестидо 3000°С (між кривими 2 та 3 на рис.2). В процесі роботи вольфрам випаровуєтьсяз нитки. Щоб запобігти цьому у колбу лампи вводять деяку кількість галогену(йод або бром). Галогенні лампи мають більше випромінювання, більший строкроботи та менші розміри.
На рис.3 наведений баланс енергії лампи розжарення.
З нього видно, що лампа розжарення перетворює у випромінювання 86%енергії, але у видиме світло перетворюється тільки 12% енергії. Інші 74%перетворюються в інфрачервоне світло. Це означає, що така лампа – ідеальнеджерело тепла, тому її застосовують для сушіння пофарбованих виробів. 14% — втрати у цоколі та виводах лампи.
/>
Рис.3. Баланс енергії лампи розжарення
Види люмінесценції
Термін «люмінесценція» введений у 1889 р. Е. Відеманом для позначеннявипромінювання тіла, що є надмірним над його температурним випромінюванням. Алеце дуже широке визначення, під нього підпадають такі види випромінювання яккомбінаційне розсіяння та ін.
Для власне люмінесценції С.І. Вавілов запропонував використовуватикритерій тривалості. За його визначенням люмінесценція – випромінювання,надмірне над його тепловим випромінюванням при даній температурі, щопродовжується після припинення збудження на протязі часу, що перевищує періодсвітлових коливань.
Люмінесценція виникає при спонтанних переходах атомів, молекул або іонівта електронів твердого тіла зі збудженого стану у нормальний (не збуджений). Потривалості процесу розрізняють флуоресценцію (короткочасне світіння) тафосфоресценцію (тривале світіння).
Існує декілька видів люмінесценції.
Фотолюмінесценція – світіння речовини під дією зовнішнього оптичноговипромінювання, звичайно видимого або ультрафіолетового. Якщо довжина хвиліфотолюмінесценції співпадає з довжиною хвилі збуджуючого світла, то ценазивається резонансною люмінесценцією. Вона вперше була помічена Р. Вудом у1904 р.
Катодолюмінісценція – світіння речовини при бомбардуванні його пучкомшвидких електронів. Цей вид люмінесценції був зареєстрований Ю. Плюккером у1858 р.
Електролюмінісценція – світіння під дією електричного поля, завждипов’язана з протіканням через речовину електричного струму. Відкрита О.В.Лосєвим у 1923 р.
Радіолюмінесценція – світіння деяких речовин під дією продуктіврадіоактивного розпаду (α-, b- та g- променів) та космічного випромінювання.
Хемілюмінесценція — світіння речовин при екзотермічних хімічних реакціях.
Кристалолюмінесценція – світіння деяких кристалів при механічномустисненні.
Триболюмінесценція – світіння твердих тіл при терті.
Іонолюмінесценція – світіння розчинів деяких речовин при проходженнічерез них ультразвукових хвиль.
Сонолюмінесценція – світіння речовин при кавітаційній дії звукових хвиль.
Люмінесценція у газах – світіння газу при малих тисках під дієюелектричного поля.
Інжекційна люмінесценція – світіння напівпровідників при проходженніструму через p-n перехід.
Лазерна люмінесценція – світіння, що виникає при резонансному збудженні вдеяких середовищах.
Серед цих видів люмінесценції не усі використовуються у техніці. Для технічнихпотреб необхідно, щоб вихід світла був якнайбільший на одиницю витраченоїпотужності. Тому, у подальшому будуть розглянуті лише деякі з видівлюмінесценції.
2. Катодолюмінісценція
Це люмінесценція, що виникає при збудженні люмінофору електронним пучком.Початкова назва пучка електронів – катодні промені, звідси термінкатодолюмінісценція. Найкращу здатність до катодолюмінісценції маютькристалофосфори, бо вони стійки до дії електронного пучка та дають достатнюяскравість світіння.
Для збудження катодолюмінісценції достатньо, щоб енергія збуджуючихелектронів в 1,5 разів перевищувала іонізаційний потенціал кристалофосфора. Алезастосування таких повільних електронів не дозволяє одержати стійкукатодолюмінісценцію, електрони дуже швидко заряджають поверхню люмінофорувід’ємно, від чого нові електрони відштовхуються, гальмуються та гублятьенергію. При великих енергіях електронів на поверхні люмінофору виникаєвторинна електронна емісія, заряд люмінофора уноситься вторинними електронами.Тому на практиці застосовуються пучки електронів з енергією від 100 еВ до 25кеВ, а в деяких випадках, наприклад в оптичних квантових генераторах – до 1МеВ.
Електрони, що мають високу енергію, взаємодіючи з атомами граткилюмінофору, іонізують їх, створюючи друге покоління електронів, які, у своючергу, іонізують інші атоми. цей процес продовжується доти, доки енергіявирваних з атома електронів достатня для іонізації. Електрони гальмуються утонкому шарі люмінофору (менше за 10-4 см), тому щільність збудженнядуже велика. В результаті іонізації утворюються дірки і електрони мігрують погратці та можуть захоплюватись центрами освітлення. При рекомбінації на центрахсвічення електронів та дірок і виникає катодолюмінісценція. Центри свічення прикатодолюмінісценції такі ж, як при фотозбудженні, тому спектркатодолюмінісценції аналогічний спектру фотолюмінесценції. ККДкатодолюмінісценції звичайно складає 1-10%, головна частина енергіїелектронного пучка переходить у тепло.
Кристалофосфори – неорганічні кристалічні люмінофори. Вони світяться піддією світла, потоку електронів, радіації, електричного струму і т.і. Здатністькристалофосфорів світитись обумовлена наявністю забороненої зони венергетичному спектрі кристалу, тому катодолюмінофорами можуть бути тількинапівпровідники та діелектрики. У склад кристалофосфорів входять у малихконцентраціях домішки – активатори. Активатори і дефекти кристалу створюютьцентри свічення. Тривалість свічення кристалофосфорів коливається у широкихграницях – від 10-9 с до декількох годин. В залежності відактиватора спектр люмінесценції кристалофосфорів може змінюватись відультрафіолетового до інфрачервоного.
Основою кристалофосфорів служать сульфіди, селеніди та телуріди Zn, Cd, оксиди Ca, Mn, лужно-галоїдні та деякі інші сполуки. В якості активаторіввикористовують іони металів (Cu, Co, Mn, Ag, Eu, Tu і т.і.) Синтез кристалофосфорівздійснюють звичайно розжарюванням твердої шихти. Комбінуючи активатори таоснови можна синтезувати кристалофосфори для перетворення різних видів енергіїу видиме світло потрібного цвіту з високим ККД (до десятків процентів).Наприклад, створені кристалофосфори, що перетворюють інфрачервоневипромінювання у видиме. Порошкоподібні кристалофосфори використовуються улюмінесцентних лампах, екранах телевізорів та осцилографів,електролюмінісцентних панелях тощо. На рис.4 показана схемаелектронно-променевої трубки, яка є прикладом катодолюмінісценції.
/>
Рис.4. Схема електронно-променевої трубки
Електронно-променева трубка – вакуумний балон, у якому одержаний наоснові термоелектронної емісії пучок електронів за допомогою електричних абомагнітних полів може направлятись у визначену току екрану, який покритийфлуоресцентним шаром. В такійконструкції колір зображення на екрані тільки один. Він визначається типомлюмінофора.
Побудова електронно-променевої кольорової трубки більш складна. По-першев такій трубці не одна електронна гармата (так називається системавипромінювання і фокусування електронів), три, бо кольорове зображенняформується з компонент червоного (R), зеленого (G) и синього (B) кольорів за формулою:
F = αR + bG + gB,
де α, b та g — коефіцієнти. Будь-який колір визначається підбором цих коефіцієнтів.
Спрощена конструкція кольорової електронно-променевої трубки зображена нарис.5, де1 – три електронні гармати, 2 – тіньова маска, 3 — покриття, щосвітиться (люмінофор), 4 – видима поверхня екрану.
/>
Рис. Спрощена конструкція електронно-променевої трубки
Оскільки кожна з трьох електронних гармат трубки відповідає тільки засвій колір світіння частинок люмінофору, то важливо досягти їх взаємодії, щобпотік „синіх” електронів не діяв на частинки червоного люмінофору і навпаки. Цедосягається тим. що частинки люмінофорів різних кольорів розміщують на покриттіу вигляді окремих плям. Для сітки „червоних” плям є своя тіньова маска, длясітки «зелених» плям – своя, для сітки синіх – теж. Очевидно, що тількитретина, наприклад, «червоного» променю доходить до червоних плям тіньовоїмаски, дві третини не пропускаються «зеленою» та «синьою» тіньовими масками. Теж відноситься до «зеленого» та «синього» променів. Якщо на однокольоровійелектронно-променевій трубці достатньо напруги другого аноду 10-12 кВ, тозавдяки такий особливості кольорової трубки (ЕЛТ), напругу другого анодудоводиться підвищувати до 25 кВ.
На протязі багатьох років плями люмінофору червоного, зеленого та синьогокольорів розміщувались «тріадами» (групами по три точки). В такому разі тіньовамаска являла собою перфоровану металічну пластину перед люмінофором. Оскількитільки частина кольорового променя доходила до люмінофорів, монітори такоготипу мали малу яскравість, недостатню контрастність зображення, більш короткийтермін праці та були складні технологічно.
Нова технологія була розроблена фірмою Sony – замість традиційної точковоїмаски, була запропонована щілинова апертурна гратка (фірмова назва Trinitron). У цій технології люмінофородного кольору наноситься у вигляді тонких смуг, а маска має вигляд натягнутихдротів. Переваги цієї технології: в тонкій сітці маски менше метала, що дозволяєвикористовувати більшу частину енергії електронів на взаємодію з люмінофором, аце означає, що менше тепла розсіюється на сітці маски, при той же інтенсивностіелектронного променя можна досягти більшої яскравості, у зв’язку з чим можнавикористовувати більш темне скло для екрану і одержати більш контрастнезображення, екран такого монітору можна зробити зовсім пласким, що зменшуєкількість віддзеркалень.
Недоліком такого методу є те, що тіньова сітка має недостатню жорсткість,тому при вібрації та качаннях зображення буде спотворюватись.
Фірма NEC запропонувала комбінованийтип ЕЛТ з гніздовою маскою. В цьому типі люмінофор кожного кольору наноситьсятакож у вигляді тонких смуг, але не довжиною в одну строку, а більш коротку(нагадує „пунктир”). Цей тип має усі переваги методу Trinitron, але не має його недоліків.
Низьковольтна катодолюмінісценція
В електронно-променевій трубці доводиться використовувати високовольтнінапруги для розгону електронів. У низьковольтних приладах використовуютьсяневеликі напруги.
Катодолюмінісценція виникає, коли електрони досягають енергії еUL, де UL – потенціал початку люмінесценції. Убільшості матеріалів UL – багато сот Вольт.
Більш, як 40 років тому були виявлені речовини, у яких UL складає одиниці Вольт (для ZnS = 6-7 B, для CdS = 4-5 B). На їх основі були створенівакуумні люмінесцентні індикатори (ВЛІ).
Люмінофор для ВЛІ повинен відповідати ряду вимог:
1. Ширина забороненої зони – не більш, як 3-4 еВ.
2. Висока електропровідність. Опір не повинен перевищувати одиниць кілоОм.Тому люмінофори для електронно-променевих трубок не годяться для ВЛІ, бо вони єізоляторами.
Необхідне значення електропровідності можна забезпечити використаннямлюмінофорів на провідній основі (ZnO:Zn; SnO2:Eu; (Zn1-X, CdX)S:Ag, Al; змішаних люмінофорів (ZnS:Ag+In2O3; ZnS:Cu+ZnO; Y2O2S…Eu+SnO2) та легованих люмінофорів ZnS:Ag, Zn, Al.
3. Низький потенціал начала катодолюмінісценції. Навіть при малому опорішару люмінофору він є непридатним для використання у ВЛІ, якщо UL = 10-12 В.
4. Низька світловіддача. У ході досліджень властивостей сумішей зпровідними порошками було виявлено, що колір світіння багатьох таких композиційзалежить від анодної напруги. Наприклад, у суміші SnO2:Eu; ZnS:Cl, Al колір світіння змінюється зпомаранчевого на жовто-зелений при зміні анодної напруги від 20 до 60 В.
На рис.6 наведена конструкція вакуумного люмінесцентного індикатора.
Основа індикатора – скляна або керамічна плата 1, на якій закріплені усіінші деталі індикатора. В заглибленнях плати, виконаних у вигляді сегментів,знаходиться провідний шар 2, з’єднаний зконтактами 3 (4 – означає люмінофор). Провідні шари сегментів повністюперекриті люмінофором. На передній стороні плати в напрямку зчитуваннявстановлюється плаский металічний електрод Отвори у цьому електроді розміщенінапроти відповідних сегментів, покритих люмінофором. На невеликій відстані відекрануючого електрода 5 натягнута керуюча сітка 6. У свою чергу на малійвідстані від площини сітки, приблизно паралельно осі лампи, натягненийпрямоканальний оксидний катод. Уся ця система поміщена в циліндричну склянуколбу, яка усередині покрита прозорим провідним шаром 8.
В початковому стані, щоб запобігти свіченню люмінофора, до сіткиприкладається від’ємна напруга – декілька Вольтпо відношенню до катоду.
При позитивній напрузі на керуючий сітці електрони прискорюються унапрямку анодних сегментів. екрануючий електрод має той же потенціал, щокеруюча сітка. Електрони попадають на сегменти, що мають у даний моментпозитивний потенціал, виникає низьковольтна катодолюмінісценція – нанесений наанод люмінофор починає світитися. Яскравість світіння в залежності відлюмінофору досягає значень 300-700 кд/м2.
/>
Рис.6. Конструкція вакуумного люмінесцентного індикатора
Конфігурація сегментів звичайно або 7-сегментна, або більш складна14-сегментна.
У табл..1 наведені характеристики кольорових люмінофорів для ВЛІ.
Таблиця 1. Характеристики кольорових люмінофорівКолір світіння Склад люмінофору Довжина хвилі, нм Синій
ZnS:Ag+In2O3 450 Синє-зелений ZnO:Zn 510 Зелений
(Zn, Cd)S:Ag
ZnS:Cu
520
530 Лимонний
ZnS:Au, Al+ In2O3 550 Жовтий
ZnS:Mn+ In2O3 585 Червоний
(Zn, Cd)S:Ag+ In2O3 626
Конструкція пласких люмінесцентних дисплеїв показана на рис.7.
/>
Рис.7. Конструкція плаского люмінесцентного дісплею
Устрій індикатору нагадує електронну лампу — тріод, що складається зкатоду, сітки та аноду, що поміщені у скляну оболонку з високим вакуумом. Катодпрямого підігріву – тонкий вольфрамовий дріт, покритий окислом лугового металу,сітка – тонка металічна, анод виконаний у вигляді елементу зображення, на якийнанесений фосфор. Точки або лінії з фосфору складають зображення. Розігнані велектричному полі позитивними потенціалами сітки та аноду електрони бомбардуютьанод і примушують фосфорне покриття світитись. Змінюючи потенціал сітки, можнарегулювати яскравість зображення.

3. Люмінесценція в газах
Гази при атмосферному тиску завжди є добрими ізоляторами. Газ стаєпровідником. якщо створити у ньому іони.
Несамостійна провідність газів та, при якій іонізація виникає іпідтримується при зовнішній дії. Це термічна дія, опроміненняультрафіолетовими, рентгенівськими та g-променями.
Самостійна провідність газу (звичайно, розрідженого) забезпечується тим,що заряджені частки, розігнані електричним полем при зіткненні з нейтральнимимолекулами іонізують їх. При цьому нема потреби у додатковому іонізаторі.
У 1934 р. було відкрите інтенсивне світіння парів ртуті у електричномуполі. Але справа була у тому, що збуджувалися дві лінії на довжинах хвиль 254нм (більш інтенсивна), та 184 нм (менш інтенсивна). Обидві ці лінії знаходятьсяв ультрафіолетовому діапазоні і тому невидимі для людського ока. У 1938 роцібула винайдена лампа, в якій стінки були покриті кристалофосфором, якийперетворював ультрафіолетове випромінювання в видиме. Так виникла лампа денногосвітла.
На рис.8 наведена схема енергетичних рівнів атома ртуті.
В результаті непружного зіткнення з електроном атом переходить узбуджений стан. відповідний рівню 3, знаходиться на ньому приблизно 10-7с та повертається знову на рівень 1, випромінюючи фотон. У схемі рис.4 перехід2®1 даєультрафіолетову лінію з довжиною хвилі 184 нм, перехід 3®1 дає ультрафіолетову лінію здовжиною хвилі 254 нм, перехід 6®2 дає фіолетову лінію з довжиною хвилі 400 нм, перехід6®3 даєсиню лінію 450 нм, перехід 6®4 дає зелену лінію 550 нм, перехід 7®5 дає жовту лінію 580 нм. Аленайбільш вірогідна лінія 3®1.

/>
Рис.8. Схема енергетичних рівнів атомів ртуті
Оскільки випромінений фотон може бути захоплений сусіднім атомом, товигідно використовувати низький тиск парів ртуті, більш того вводять париінертного газу (аргону), який не збуджується від фотона.
Перетворення ультрафіолетового випромінювання у видиме має місце улюмінофорі. У сучасних люмінесцентних лампах найбільш за все застосовуютьсягалофосфати кальцію. Це складні з’єднання, подібні до апатитів (3Ca(PO4)2CaF2), в яких частина атомів фторузамінена атомами хлору, а головне – введені активатори. Активатораминазиваються атоми домі шків, що викликають свічення люмінофору. У якостіактиваторів в галофосфати вводять одночасно атоми стибію та марганцю.
На рис.9 показана конструкція люмінесцентної лампи.
/>
Рис.9. Конструкція люмінесцентної лампи
Головним джерелом видимого світла в люмінесцентній лампі є люмінофор,який наноситься на внутрішню поверхню скляної колби лампи. Оптимальний тискпарів ртуті приблизно 1,33 Па. Окрім парів ртуті у колбі є також інертний газаргон під тиском 5,32 Па. В люмінесцентній лампі проходять два послідовнихперетворення енергії. Спочатку електроенергія в парах ртуті перетворюється венергію короткохвильового ультрафіолетового випромінювання (біля 60%), потіменергія цього випромінювання перетворюється у енергію видимого світла.
На рис.10 показаний баланс енергії такої лампи.
Якщо порівняти рис.3 та рис.10 то можна подумати, що світловаефективність люмінесцентної лампи приблизно у 2 рази перевищую лампу розжарення(21% проти 12%). Але завдяки властивостям людського ока ця ефективність щебільша. Цікаво, що теплові втрати у обох ламп приблизно однакові (79% та 88%),але доля інфрачервоного проміння у люмінесцентній лампі втричі нижча (24,8%проти 74%). Тому при використанні люмінесцентної лампи легше уникнути нагрівуосвітлюваних речей.
/>
Рис.10. Баланс енергії люмінесцентної лампи
Для включення люмінесцентної лампи треба застосовувати досить складнусхему на відміну від лампи розжарення. Необхідність такої схеми пояснюєтьсядвома обставинами: 1) великою довжиною лампи; 2) спадаючою вольт-амперноюхарактеристикою електричного розряду.
Велика довжина лампи необхідна для одержання великої світловіддачі,оскільки джерелом випромінювання є позитивний стовп розряду. Втрати енергії уприелектродних частинах розряду мають тим меншу питому вагу, чим довше трубка.Так, 40-ватна лампа має довжину 110 см. Разом з тим, запалити електричнийрозряд в довгій трубці, коли відстань між електродами велика, не так просто.
Як видно з рис.7, на кінцях лампи є два штирки, до яких приваренівольфрамові спіралі. Якщо таку спіраль нагріти, вона починає випромінюватиелектрони, що полегшує загоряння розряду. Але, коли розряд виник, потрібність унагріві спіралей відпадає, бо спіралі нагріваються за рахунок їх бомбардуванняпозитивними іонами. Так як лампи звичайно працюють на змінному струмі, кожнаспіраль один на півперіод працює як катод, на іншому – як анод. Як здійснитипопередній нагрів спіралей?
На рис.11 показана схема включення люмінесцентної лампи Л: як бачимо,паралельно лампі включений стартер С, а послідовно – дросель Д.
/>
Рис.11. Схема включення люмінесцентної лампи
Стартер – мініатюрна неонова лампа з електродами у вигляді біметалічнихплатівок. коли подається напруга, в стартері виникає розряд (відстань міжелектродами близько 1 мм). Електроди стартера згинаються назустріч один іншомута закорочують розрядний проміжок. У колі виникає великий струм, достатній длянагріву спіралей люмінесцентної лампи. Доки спіралі нагріваються, електродистартера охолоджуються. при цьому платівки випрямляються, контакт між нимипорушується і коло розривається. Тепер є два конкуруючих між собою розряднихпроміжки – в лампі і у стартері. Але ситуація разюче інша: електроди лампирозжарені і дають велику емісію електронів, тому розряд виникає у лампі, а не устартері.
Відмінною особливістю електричного розряду у газі при низькому тиску єйого спадаюча вольт-амперна характеристика: з наростанням струму напруга налампі знижується. Щоб обмежити зростання струму, потрібно послідовно з лампоювключити опір. Використання дроселя енергетично більш вигідне, ніж омічногоопору (менше теплові втрати). Але включення дроселя зменшує коефіцієнтпотужності електричного кола. Тому у коло живлення лампи включають щеспеціальний конденсатор. Важливо також те, що при розмиканні кола стартера, наелектродах лампи виникає напруга, що значно перевищує напругу джерела, що дужесприятливе для запалення розряду у лампі.
Плазмові панелі
Плазмова панель – матриця з мініатюрних люмінесцентних ламп, які керуютьсяскладним чином. Є два типи панелей: панелі постійного струму та панелі змінногостуму. звичайно використовують панелі змінного струму, бо в них більш простаструктура і більший строк роботи.
Комірка плазмової панелі показана на рис.12.

/>
Рис.12. Комірка плазмової панелі
Вона складається з двох електродів (Xi та Yi), що оточені діелектриком.Перпендикулярно ним на скляному підшарку розміщений адресний електрод Аі.Комірки заповнені сумішшю неона та ксенона, що іонізується прикладеноюнапругою, що перевищує напругу пробою. електрони та іони зіштовхуються під дієюприкладеної напруги та випромінюють ультрафіолетове світло, що збуджує фосфорнепокриття, яке у свою чергу виробляє видиме світло. Така комірка має тільки двастану: „включено” та „виключено”. Для і індикації шкали на 256 відтінківкомірка поділяється на 8 підкомірок, періоди індикації яких знаходяться увідношенні 1:2:4:8:16:32:64:128. Вибором комбінації інтенсивність свічення регулюєтьсяна 256 рівнях.
Як і у кольоровому телебаченні, колір зображення визначається трьомакомірками: червоною, зеленою та синьою. Будь-який колір можна встановитияскравостями цих трьох елементарних комірок. Для плазмової панелі формату1920х1080 пікселів потрібно 6 млн. елементарних комірок, кожна з котрихкерується по яскравості.
Схема керування плазмовою панеллю показана на рис.13.

/>
Рис.13. Схема керування плазмовою панеллю
Скануючі електроди Yi керуються контролером сканування та драйвером сканування. Скануютьсягоризонтальні ряди. Електроди Аі скануються по вертикалі, щоб записати дані вкомірки про кожному пересіченні. електроди Хі, що працюють паралельно з Yi, з’єднані на одному кінці ікеруються драйвером підтримки для подачі високовольтних імпульсів на всюпанель.
Плазмові панелі приходять на зміну існуючим моніторам наелектронно-променевих трубках, бо мають такі переваги:
1. Компактність (глибина дисплею вже доведена до 8 см).
2. Відсутність мерехтіння, оскільки нема гашення екрану під часзворотного ходу променю (як у ЕЛТ).
3. Відсутність геометричних спотворень.
4. Відсутність нерівномірної яскравості по полю екрана.
Відсутність рентгенівського та інших шкідливих випромінювань, оскільки невикористовуються високі напруги.
6. Нечутливість до дії магнітних полів.
7. Висока надійність – гарантований ресурс панелей компанія Fujitsu довела до 30000 годин безперервної роботи.
8. Дуже високі світлотехнічні характеристики: яскравість зображення вищеза 300 кд/м2, контрастністьне нижче 350:1.
Єдиний серйозний недолік плазмових панелей – це їх ціна. що досягає 10000дол. на екран з діагоналлю 1 м.
4. Електролюмінісценція
Світіння порошкоподібного сульфіду цинку у змінному електричному полібуло вперше виявлене в 1936 р. і одержало назву ефекту Дестріо. Цей ефектспостерігається у так званих кристалофосфорах – напівпровідниках з широкоюзабороненою зоною, в які вводяться домішки (активатори), що мають роль центріввипромінювання. У якості головного матеріалу частіш за все використовуютьсульфід цинку (ZnS) зшириною забороненої зони 3,7 еВ, селенід цинку (ZnSe) та змішані сполуки: сульфід-селенідцинку (ZnSSe), сульфід-селенідцинку-кадмію (Zn, Cd)(S, Se). У якості активатору використовуютьмідь (Cu), марганець (Mn), срібло (Ag), золото (Au), ртуть (Hg), рідкоземельні елементи — тербій (Tb), ербій (Er), празеодим (Pr), тулій (Tм) та ін.
Електролюмінофор складається з виваженого у діелектрику порошковогокристалофосфора з розмірами зерен біля 5-10 мкм, або це однорідна плівкатовщиною 0,3-1,0 мкм. Люмінесценція виникає в мікроскопічних потенційнихбар’єрах в зернах люмінофору на границях сульфіда цинку та зерен сульфіду мідіта ін.
Спектральні характеристики випромінювання визначаються хімічним складомлюмінофору, типом активатора та соактиватора. При використанні сульфіду цинкуможна одержати випромінювання в діапазоні від 450 нм (синій колір) до 600 нм(помаранчевий колір). В якості активатора в ZnS-люмінофорах звичайно використовують мідьу кількості від 0,05 до 0,2 вагових процентів, що дозволяє змінювати колір відсинього до зеленого. Введення 1% марганцю дозволяє одержати помаранчевий тажовтий кольори. При легіруванні ZnS тулієм одержують блакитне випромінювання, тербієм – зелене, ербієм –червоне, празеодимом – біле.
Електролюмінісцентні дисплеї можуть компонуватись з різнокольоровихоб’єктів і створювати дисплеї розміром у багато квадратних метрів.
На рис.14 показані схеми електролюмінісцентних випромінювачів порошковоготипу (а) та плівкового типу (б).
/>
Рис.14. а) схема електролюмінісцентного випромінювача порошкового типу;б) плівкового типу.
На цих рисунках: 1 – скло; 2 – прозорий провідний шар; 3 – порошковийлюмінофор; 4 – відбиваючий шар; 5 – металічний електрод; 6, 8 діелектричніплівки, 7 – плівковий люмінофор. Товщина шару 3, що містить зерна порошковоголюмінофору, складає 50-80 мкм. У якості зв’язуючого діелектрикавикористовується легкоплавке скло, органічні та епоксидні лаки та іншіречовини, що прозорі, мають високу пробивну напругу, хімічно інертні докристалофосфору та вологостійкі. Непрозорим металевим електродом є шар алюмініюабо сталевий підшарок. В електричному відношенні ця структура є конденсатором.
Електролюмінісцентні індикатори бувають 7-сегментні (типу ИТЭЛ). Вони випускаються червоного,зеленого, жовтого і блакитного кольорів, мають яскравість від 15 до 100 кд/м2,робочу напругу 160-240 В, працюють на частотах або 400 Гц, або 2...3 кГц. 35-елементнііндикатори типу ЗЭЛ випускаються зеленого кольору, мають яскравість 20-25 кд/м2,робочу напругу 200...250 В, робочу частоту 400...1000 Гц.
Мнемонічні індикатори випускаються, наприклад, у вигляді 100-200елементів різного кольору, мають яскравість 10-25 кд/м2, робочунапругу 200...240 В, робочу частоту 1000-1300 Гц.
Інжекційна люмінесценція
Інжекційна люмінесценція – світіння напівпровідника поблизу p-n переходу, включеного у прямомунапрямку. Основними стадіями процесу є інжекція неголовних носіїв заряду через p-n перехід та їх випромінювальнарекомбінація з головними носіями.
У стані рівноваги, коли до p-n переходу не прикладеназовнішня напруга, концентрації носіїв заряду у р-зоні та n-зоні сталі, бо розділені потенційнимбар’єром еUc, де е – заряд електрону, Uc – контактна різниця потенціалів.Зонна діаграма p-n переходу у стані термодинамічноїрівноваги показана на рис.15, а, а при зміщенні – на рис.15, б.
/>
Рис.1 Зонна діаграма p-n переходу: а) у стані термодинамічноїрівноваги; б) при зміщенні.
Увипадку рис.15, а електрони та діркине можуть рекомбінувати одні з іншими, бо не зможуть подолатипотенційний бар’єр. Якшо прикласти зовнішнюнапругу (рис.15, б), то термодинамічна рівновага порушується, виникає струмелектронів в одну сторону переходу і дірок – у протилежну. рекомбінаціяелектронів і дірок призводить до виникнення фотонів світла, а значить довипромінювання.
Світлодіоди
Перші джерела випромінювання на основі інжекційної люмінесценції(світлодіоди) з’явились у 1960-х роках. Перевагами світло діодів є простотамодуляції, висока швидкодія, малі напруги живлення, надійність, мініатюрність.Довжина хвилі випромінювання світлодіода залежить від ширини забороненої зонинапівпровідника та легуючими домішками. У табл. 2 наведені основні типиречовин, що використовуються у сучасних світлодіодах.
Таблиця 2. Основні типи речовин у сучасних світлодіодахРечовина Довжина хвилі, нм Квантовий вихід, % Колір свічення
InGaAsP
InGaAsP
GaAs:Si
GaAs:Zn
GaP:Zn,O
GaAsP
AlGaAsP
GaAsP:N
AlInGaP
GaP:N
GaAsP:N
AlInGaP
AlInGaP
GaP:N
GaP:N
InGaN
ZnTeSe
GaN
ZnCdSe
SiC
InGaN
1550
1300
950
900
700
700
650
630
620
590
590
585
570
565
550
514
512
490
489
470
450
3-8
3-8
12
2
2-4
0,2
16
0,2-0,3
6
0,1
0,12
5
1
0,4
0,7
2,6
5,3
0,003
1,3
0,03
3,8
Інфрачервоний
Інфрачервоний
Інфрачервоний
Інфрачервоний
Червоний
Червоний
Червоний
Червоний
Червоно-помаранчевий
Помаранчевий
Помаранчевий
Помаранчево-жовтий
Жовтий
Жовтий
Жовто-зелений
Зелений
Зелений
Блакитний
Блакитний
Синій
Синє-фіолетовий

Ширина спектру випромінювання залежить від механізму випромінювальноїрекомбінації. Для випромінювачів на AlGaAs ширина спектру складає 30-45 нм, для світлодіодів на InGaAsP – 100-110 нм.
Зовнішній квантовий вихід випромінювання світлодіодів завжди менше завнутрішній, бо з кристалу може вийти лише частина фотонів, що виникла прирекомбінації. Повне внутрішнє відбиття призводить до того, що з кристалу можевийти тільки та частина випромінювання, яка падає на його поверхню в деякійзоні кутів. Наприклад для GaP показник переломлення n=3,3, а кут q=17,7°. В цих умовах через пласку поверхню (рис.16, а) може вийтилише 2% світла, що випромінюється p-n переходом.
/>
Рис.16. Конструкції світло діодів: а) пласка; б) p-n перехідна мезі; в) з напівсферою; г) з пластмасовою лінзою.
На цьому рисунку: а – плаский кристал, б – мезаструктура, в – полусферичний кристал, г – структура з лінзою; 1 – напівпровідник, 2 – p-n перехід, 3 – металічний контакт, 4 –пластмасова лінза. Функцію виходу можна підвищити, розміщуючи p-n перехід на так званій мезі –столоподібному виступі діаметром 0,1-0,2 мм (рис.16, б). Частина випромінюваннявідбивається від бокових граней та спадає на бокову поверхню під кутами,близькими до нормальних. Це дозволяє підвищити вихід випромінювання у 2-3 рази.Приблизно на порядок підвищується зовнішній квантовий вихід у світлодіодах,виконаних у вигляді напівсфери (рис.16, в), або споряджених пластмасовою лінзою(рис.16, г), оскільки повне внутрішнє відбиття в них практично виключається.Вихід можна підвищити ще приблизно у 1,5 рази, наносячи на поверхнюпросвітлюючи покриття, наприклад, плівки SiO, SiO2, Si3N4 тощо.
Кутове розходження випромінювання світло діодів сильно залежить від їхгеометрії і по рівню половинної інтенсивності приймає значення від 10 до 180° 9типові значення 50-60°).
По способу виведення випромінювання світлодіоди поділяються на поверхневіта торцеві (рис.17, де 1 – металічний контакт, 2 – підшарок n-GaAs, 3 – емітер N-AlGaAs, 4 – активний шар p-GaAs. 5 – емітер P-AlGaAs, 6 p+-GaAs, 7 – ізолятор SiO2, 8 – тепловідвід, 9 –випромінювання, 10 – оптичне волокно, 11 – епоксидна смола, 12 – металічнийконтакт, 13 – підшарок n GaAs, 14 – емітер N-AlGaAs, 15 – активний шар n-GaAs, 16 – емітер P AlGaAs, 17 – p—GaAs, 18 – ізолятор SiO2, 19 – тепловідвід, 20 –випромінювання).
/>
Рис.17. Світло діоди: а) поверхневі; б) торцові.
У світлодіодах з поверхневим випромінюванням (рис.17, а) світло виводитьсянормально до поверхні p-n переходу. Одна зі сторін кристалупритискається до тепловідводу, а випромінювання виводиться в оптичне волокночерез отвір у підшарку. Зовнішній квантовий вихід у таких світло діодів складає2-3%.
У торцевих світлодіодах (рис.17, б) випромінювання виводиться паралельноплощині p-n переходу. Світло, розповсюджуючисьуздовж активного шару має сильне самопоглинання, тому зовнішній квантовий вихіду торцевих світлодіодах нижче (0,5-1%). Але яскравість торцевих світло діодівприблизно у 5-10 разів вища за поверхневі.
Типи світлодіодних структур
Одиночні світлодіоди працюють у діапазонах інфрачервоного та видимогосвітла, хоча у останній час з’явились повідомлення про створенняультрафіолетових світлодіодів.
По конструкції вони поділяються на світлодіоди з поверхневим монтажем(рис.18, а), світлодіоди для монтажу скрізь отвори (по англійськи through hole) – рис.18, б та світлодіодні лампи –рис.18, в.
/>а)
/>
б)

/>
в)
Рис.18. Конструкції світло діодів: а) для поверхневого монтажу; б) длямонтажу крізь отвори; в) світлодіодні лампи.
По формі перерізу світлодіоди можуть бути круглими, прямокутними,трикутними та ін. Вони використовуються у колах індикації різних приладів. Уостанній час з’явились світло діоди повищенної яскравості (так звані„суперяскраві світлодіоди”). За останніми даними яскравість одного світлодіодаможе складати до 25 кандел. Такі світлодіоди використовують у світлофорах,зовнішньому оздобленні архітектурних конструкцій і навіть для освітлювальнихприладів.
Виготовляють також двох- або трьохкольорові світлодіоди, які складаютьсяз окремих світлодіодів, але підбором струмів світлодіодів можна одержати цілугаму різних кольорів.
Шкальні індикатори – прилади, в яких світлодіоди розміщуються у виглядіпослідовних смужок. Вони використовуються для індикації рівня сигналу в аудіо-та відео апаратурі. Можливі режими поодинокого світіння світлодіоду у смужці,коли номер світлодіоду характеризує рівень сигналу, але частішевикористовується режим, коли світиться ряд світлодіодів, чим більше їхсвітиться, тим більше рівень сигналу. Приклад конструкції шкального індикаторупоказаний на рис.19.

/> 
Рис.19. Конструкція шкального індикатору
Для стереоапаратури виготовляють шкальні індикатори з двома смужкамисвітлодіодів, як правило, різних кольорів.
Різновидністю шкальних індикаторів є так звані „кластери”, в якихсвітлодіоди розташовують у круглій обіймі. Тут також кількість світлодіодів, щогорить, показує рівень сигналу, але є інші варіанти використання. На рис.20показана структура кластера.
/>
Рис.20. Структура кластеру.
У склад кластерів можуть входити світлодіоди різних кольорів (наприклад,червоного, зеленого та синього) та в різній кількості (від 18 до 50).
Цифро-буквенні світлодіодні індикатори
Це звичайно інтегральна мікросхема зі світлодіодних структур (у виглядісегментів, або точкових елементів) та необхідних електричних з’єднань. Сегментиабо смужки зі світлодіодів розташовують так, щоб за допомогою комбінаційногозбудження одержати зображення букв або цифр. По кількості сегментів бувають 7,8, 14, 17-сегментні індикатори, а також індикатори матричного типу з 35 точками(матриця 5х7 елементів). По кількості розрядів можуть бути одно розрядні табагаторозрядні індикатори.
На рис.21 показане розміщення сегментів на 8-сегментному індикаторі.
/>
Рис.21. Восьмисегментний індикатор
Сім сегментів (a, b, c, d, e, f, g) використовуються для утвореннязображення цифри, восьмий сегмент (DP) – точка. Такі індикаторивипускають з розмірами цифри від 5 до 80 мм. Одиночні індикатори об’єднують в групи по 2, 3, 4 та більшецифр.
Для зображення цифр та букв необхідно мати більше сегментів. На рис.22показана конфігурація 17-сегментного індикатора фірми Sharlight.
/>
Рис.22. 17 – сегментний індикатор.
При такій кількості сегментів можна зобразити окрім цифр, усі буквиєвропейських язиків та допоміжні знаки. Звичайно, керувати таким індикаторомнабагато важче, ніж 7 або 8-сегментним.
Матричні індикатори – матриці з одиночних світлодіодів, розміщені увигляді прямокутної матриці з К рядів та Р колонок. Звичайно, така матриця маєконструкцію 7х5, або 35 точок, хоча є матриці 4х4 та 8х8. Схема такої матриціпоказана на рис.23. Матриця складається з КхР світлодіодів, анод кожного світлодіода підключений до шини колонки, а катод – до шини ряду. Він запалиться лишеколи на відповідну колонку подати напругу живлення, а ряд замкнути на землю.Тому світлодіоди у матриці можна запалювати тільки по черзі, перебираючи усіКхР положень і включаючи тільки ті, що потрібні для формування заданого знаку.

/>
Рис.23. Схема матричного індикатору.
Розрахунок драйвера світлодіодів
При розробці драйверів для світлодіодів, шкальних індикаторів,семисегментних та інших дисплеїв необхідно досягти оптимального світловоговиходу. розсіювання потужності надійності і можливо більшого строкуексплуатації. параметри кожного світлодіодного приладу наведені в листах даних(максимально допустимі параметри, оптичні та електричні параметри).
Вихідними критеріями є максимальний струм драйвера і максимальнатемпература переходу у світлодіоді. Остання є різницею між зовнішньоютемпературою і температурою переходу Tjmax. Ця різниця визначається як добуток розсіюваної потужності PD та термічного опору переходуRL: ΔТ = PD RL. Дані по термічному опору світлодіодів та індикаторів наводяться у листах даних. Важливо не доводитисвітлодіоди та індикатори до граничної температури переходу.
На рис.24 показана типова вольт-амперна характеристика світло діоду (погоризонталі – пряме падіння напруги, по вертикалі – прямий струм.

/>
Рис.24. Типова вольт-амперна характеристика світлодіоду.
Розсіювана потужність визначається як добуток прямого струму на падіннянапруги. Розрахунок інтенсивності освітлення при температурі +25°С може бути поширений набудь-яку температуру за допомогою рівняння:
Imax(T°) = Imax(+25°C)exp[k(T-25°C)],
де коефіцієнт k можебути визначений по табл.3.
Таблиця 3. Температурний коефіцієнт світлодіодуТип світлодіода k/°C Стандартний червоний -0,0188 Високоефективний червоний -0,0131 Жовтий -0,0112 Зелений -0,0104 DH AlGaAs -0,0095 TS AlGaAs -0,0130 AlInGaP -0,0100 TS AlInGaP -0,0100
Приклад розрахунку
Схема драйвера наведена на рис.2
/>
Рис.2 Електрична схема драйвера
У схемі рис.25 можуть бути різні типи світло діодів. різна їх кількість,різна напруга живлення Uп. Потрібно визначити номінал баластного резистора R2 та його потужність. Порядокрозрахунку наступний. Визначимо тип світлодіода, температуру зовнішньогосередовища.
Шаг 1. Термічний опір світлодіода за листом даних, наприклад, 260°С/Вт. Визначимо загальний термічнийопір як 500°С/Вт. Тоді на кріплення світлодіода прийдеться Rh = 500-260 =240(°C/Вт). На рис.26 представленіграфіки залежності максимального струму для даного світлодіода від зовнішньоїтемператури та допустимої потужності розсіяння.

/>
Рис.26. Залежність максимального струму від зовнішньої температури
Шаг 2. За рис.26 по суцільній лінії визначимо, що при температурі 60°С максимально допустимийструм складає 42 мА.
Шаг 3. По вольтамперній характеристиці рис.24 визначаємо, що при струмі42 мА падіння напруги на світло діоді дорівнює U=2,52 В. Звідси розсіювана потужністьскладає Р=2,52·0,042=0,106 Вт. Тоді температура переходу: Tj = +60°C +0,106·500 = 113°C, що вище допустимої по листу даних(+110°С).Тому знизимо струм до 35 мА, по характеристиці знайдемо U=2,4 В, розсіювана потужністьдорівнює 0,084 Вт, температура переходу +102°С, що вже допустимо.
Шаг 4. Розрахуємо баластний резистор. Наприклад напруга джерела живлення+5 В, напруга насичення транзистора 0,1 В, тоді
R2 =(5 – 0,1 -2,4)/0,035 = 71,43 Ом.
Найближчий зверху номінал дорівнює 75 Ом. Потужність резистора при струмі35 мА складає 0,092 Вт. Необхідно мати хоча б дворазовий запас по потужності.тому вибираємо потужність резистора 0,25 Вт.

6. Органічні світлодіоди
У 1987 р. Чин Тан та Стівен Ван з Eastmen Kodak одержали випромінювання світла здвохшарової органічної структури, що нагадувала p-n перехід. Вони використовували деякіорганічні фарби, подібні до ксерографічних матеріалів і одержали ефективність1%. У 1990 р. дослідники з Кембриджського університету в Англії одержалиподібний ефект в полімерній тонкій плівці, що складалась з поліпаравінілена.Теорія роботи таких з’єднань досить складна.Прикладена зовнішня напруга переміщує електрони і дірки в зону рекомбінації, девони формують нейтральну структуру – екситон. формуються два типи екситонів:сигнети та триплети. Сигнет рекомбінує швидко (за кілька наносекунд),випромінюючи фотон, а триплет рекомбінує повільно (від 1 мс до 1 с),випромінюючи тепло. Але внесення в органічні молекули таких важких металів, якірідій або платина призводить до змішування їх властивостей, томувипромінювання фотону відбувається за час від 100 нс до 10 мкс.
Для одержання кольорових дисплеїв потрібно керувати світінням трьохвипромінюючих елементів червоного, зеленого та синього кольору. Для формуваннятрьох кольорів запропоновані декілька методів, схеми яких показані на рис.27.

/>
Рис.27. Схеми формування трьохколірного зображення: а) присадка з важкогометалу в органічному шарі; б) оптична фільтрація випромінювання; в) середовищезі змінюваним кольором; г) три прозорих елемента з незалежним керуванням.
В першому методі припускається фото літографічне нанесення на прозорийанод з оксида індія-олова колонок електродів (підпікселів), у кожному з яких ворганічний шар вноситься „своя” присадка з важкого металу (рис.27, а).Незважаючи на показну простоту, технологія виявляється складною та дорогою. Алефірми Sanyo та Kodak продемонстрували такі пласкікольорові панелі.
Інший метод – оптична фільтрація випромінювання елемента з білимосвітленням (ОСП –окремий світловий піксель) – рис.27, б. Але в цьому методізнижена ефективність випромінювання, бо великі втрати у фільтрах.
Менші втрати одержують, якщо замість фільтра використовувати середовищезі змінюваним кольором (рис.27, в). Це матеріал, який під дією блакитноговипромінювання виробляє зелене або червоне світло в залежності від домішок.
В конструкції рис.27, г є три прозорих світловипромінюючих елементи зчервоним, зеленим або синім випромінюванням, накладені один на інший знезалежним керуванням.
Вже зараз є декілька експериментальних дисплеїв великого розміру зорганічних світло діодів. Їх головна перевага – гнучкість та мала товщина, щодозволяє накладати їх на об’єктибудь-якої форми. Вже серійно випускають такі дисплеї для сотових телефонів.