Индикаторные приборы или элементы индикации составляют основу устройств отображения информации, которые предназначены для преобразования электрического сигнала в видимую форму.
Накальные индикаторы - используется свечение нити накаливания, разогретой электрическим током. Представляют собой миниатюрные лампы накаливания, подсвечивающие цветные корпуса (светофильтры) индикаторов и кнопок или определенные изображения, знаки, символы.
Электролюминесцентные индикаторы - применяется свечение некоторых веществ под воздействием электрического поля. Например, вакуумно-люминесцентные индикаторы. Представляют собой многоанодные лампы, имеющие катод, эмиттириющий электроны и сетку, управляющую током индикатора. Аноды выполняются в виде знакосинтезирующих сегментов, покрытых люминофором. При столкновении с поверхностью анодов электроны вызывают свечение люминофора необходимого цвета. На каждый анод отдельно подается питающее напряжение.
Ранее широко применяемые, вытесняются другими видами индикаторов. Позволяют получить большое количество элементов и знаков разных цветов и высокой яркости.
Электронно-лучевые приборы - основаны на свечении люминофора при бомбардировке его электронами.
Самыми яркими представителями электронно-лучевых приборов являются электроннолучевые трубки (ЭЛТ). ЭЛТ - электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча, управляемый электрическим или (и) магнитным полем и создающий на специальном экране видимое изображение (рис. 1).
Применяются в осциллографах - для наблюдения электронных процессов, в телевидении (кинескопы) - для преобразования электрического сигнала, содержащего информацию о яркости и цвете передаваемого изображения, в индикаторных устройствах РЛС - для преобразования электрических сигналов, содержащих информацию об окружающем пространстве, в видимое изображение.
Рисунок 1 – Конструкция электронно-лучевой трубки
Интенсивно вытесняются жидкокристаллическими индикаторами: выпуск ЭЛТ мониторов прекращен, ЭЛТ телевизоров - сокращается.
Газоразрядные (ионные) приборы - используется свечение газа при электрическом разряде.
Состоят из герметичного баллона с впаянным в него электродами (в простейшем случае анодом и катодом – неоновая лампа), и заполненного инертными газами (неон, гелий, аргон, криптон) под низким давлением. При подаче напряжения наблюдается свечение газа. Цвет свечения определяется составом газа-наполнителя. Используются для индикации постоянного или переменного напряжений.
На сегодняшний день газоразрядные приборы применяются для изготовления плазменных панелей.
Плазменная панель PDP (plasma display panel) - это матрица ячеек, заключенная между двумя стеклами. Каждая ячейка покрыта люминофором (соседние ячейки образуют триады из трех цветов – красного, зеленого и синего R, G, B) и заполнена инертным газом - неоном или ксеноном (рис. 2). Когда на электроды ячейки подаётся электрический ток, газ переходит в состояние плазмы и заставляет люминофор светиться.
Рисунок 2 – Конструкция ячейки плазменной панели
Основным достоинством плазменных панелей является большие размеры экрана - обычно варьируются от 42” до 65”. Кроме того, отдельные панели можно собирать в большие экраны для использования на концертных площадках, стадионах, площадях и т.д.
Плазменные панели имеют высокую контрастность (разность между черным и белым), большой угол обзора и широкий диапазон рабочих температур.
Наряду с достоинствами есть и недостатки: только большие по размеру панели, постепенное «выгорание» люминофора, относительно большая потребляемая мощность.
Полупроводниковые индикаторы - принцип действия основан на излучении квантов света в области p-n-перехода, к которому приложено напряжение.
Различают:
- дискретные (точечные) полупроводниковые индикаторы – светодиоды;
- знаковые индикаторы - для отображения цифр и букв;
- светодиодные матрицы.
Светодиоды, или светоизлучающие диоды (англ. LED — Light Emitted Diod), получили широкое распространение благодаря компактности, возможности получения любого цвета излучения, отсутствия хрупкой стеклянной колбы, низким питающим напряжениям и простоте включения.
Светодиод состоит из одного или нескольких кристаллов (рис. 3), испускающих излучение, и расположенных в одном корпусе с линзой и рефлектором, который формирует направленный световой луч в видимой или инфракрасной (невидимой) части спектра.
Рисунок 3 – Конструкция светоизлучающего диода
Пример. На рисунке 4 приведена схема включения светодиода к источнику питания 12 В. Падение напряжения на диоде в прямом включении составляет порядка 2,5 В, поэтому необходимо последовательно включать гасящий резистор. Для обеспечения достаточной яркости ток диода должен составлять величину порядка 20 мА. Необходимо определить сопротивление гасящего резистора R.
Рисунок 4 – Схема включения светодиода
Для этого определяем напряжение, которое должно падать (гаситься) на резисторе: UR = UП – UVD = 12 – 2,5 = 9,5 В
Для обеспечения заданного тока в цепи при известном напряжении, по закону Ома определяем величину сопротивления резистора: R = UП / I = 9,5/20•10-3 = 475 Ом
Далее выбирается ближайшее большее стандартное значение резистора. Для данного примера можно выбрать ближайшее значение 470 Ом.
Мощные светодиоды используются в качестве источников света в комнатном и уличном освещении, в прожекторах, светофорах, фарах автомобилей. Безинерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие.
Объединение в одном корпусе семи светодиодов позволяет создать семисегментный знаковый индикатор, который позволяет отображать 10-ть цифр и некоторые буквы. В представленном на схеме индикаторе (рис 5) общим для диодов является анод, на него подается питающее напряжение, а катоды подключаются к электронным ключам (транзисторам), которые соединяют их с корпусом. Обычно управление знаковым индикатором осуществляется микросхемой.
Рисунок 5 - Знаковый полупроводниковый индикатор
Светодиодные матрицы (модули) - определенное количество светодиодов, выполненных в виде законченного блока и имеющих схему управления. Матрицы используются для изготовления светодиодных экранов (LED дисплеи).
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) - основаны на изменении оптических свойств жидких кристаллов под воздействием электрического поля.
Жидкие кристаллы (ЖК), представляют собой органические жидкости с упорядоченным расположением молекул, характерным для кристаллов. Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрического поля структура их нарушается, молекулы располагаются беспорядочно и жидкость становится непрозрачной.
По принципу действия различают ЖКИ, работающие в проходящем свете (на просвет), созданном источником подсветки (газоразрядные лампы или светодиоды) и в свете любого источника (искусственного или естественного), отражающемся в индикаторе (на отражение). Работа на просвет используется в мониторах, дисплеях сотовых телефонов. Индикаторы работающие на отражение встречаются в измерительных приборах, часах, калькуляторах, дисплеях бытовой техники и др.
Кроме того, ряд индикаторов используется с отключаемой подсветкой в условиях яркого освещения и с включенной подсветкой в условиях низкой освещенности, что позволяет уменьшить потребляемую мощность.
Рисунок 6 - Жидкокристаллический индикатор, работающий на отражение
На рисунке 6 представлен ЖКИ, работающий на отражение. Между двумя прозрачными пластинками находится слой жидкого кристалла (толщина слоя 10 - 20 мкм). На верхнею пластинку нанесены прозрачные электроды, имеющие форму сегментов, цифр или букв.
Если на электроды напряжение не подано, то ЖК прозрачен, световые лучи внешнего естественного освещения проходят через него, отражаются от нижнего зеркального электрода и выходят обратно - мы видим пустой экран. При подаче на какой-либо электрод напряжения, ЖК под этим электродом становится непрозрачным, лучи света не проходят через эту часть жидкости, и тогда на экране мы видим сегмент, цифру, букву, знак и т.п.
Жидкокристаллические индикаторы обладают целым рядом преимуществ, среди которых можно выделить очень низкое энергопотребление, долговечность, компактность.
На сегодняшний день ЖК-мониторы (LCD-мониторы - Liquid Crystal Display - жидкокристаллические мониторы, TFT-мониторы — ЖК-матрица с использованием тонкопленочных транзисторов) являются основным типом мониторов и телевизионных приемников.