Материал: Применение полупроводниковых индикаторов (1991)

3.4. Зависимость постоянного тока через сегмент от температуры окружающей среды

У полупроводниковых индикаторов существует связь между прямым током через светодиод индикатора, температурой р-n перехода, его тепловым сопротивлением и рассеиваемой мощ­ностью. Поэтому одним из необходимых условий работы ППИ является обеспечение тепловых режимов их работы.

Нормальная работа индикатора при высоких температурах окружающей среды может быть нарушена из-за различия температурных коэффициентов расширения материалов корпуса прибора, токопроводящих элементов, компаундов. Термические напряжения, вызванные недостаточным отводом выделяемых р-n переходом мощностей, могут вызвать выход индикатора из строя. Поэтому ограничения, накладываемые на протекающие через р-n переходы токи, связаны не только с критическими их значениями, при которых деградация светоотдачи не превы­шает допустимую, но и со значениями выделяемых мощностей, при которых не происходит катастрофических отказов приборов из-за перегрева.

Максимально допустимые режимы питания ППИ могут быть определены как теоретически, так и на основе статистических данных по контролю надежности. Для практического исполь­зования имеется ряд правил, определяемых техническими усло­виями на ППИ.

Постоянный прямой ток для ЦИ ЗЛС324Б1 не должен пре­вышать максимально допустимого значения [18]:

I_{пР.макс} = 25 мА при — 60° С< Т<35° С; (3.2а)

I_пр._мак, = [25-0,5(Т-35⁰С)] мА при 35°С<T<70°С, (3.2б)

где Т — температура окружающей среды, °С.

При эксплуатации индикаторов в импульсном режиме необ­ходимо, чтобы пиковое значение импульсного тока не превышало максимального значения:

Iпр.имп.макс = 200 мА при -60° С<T<35° С; (З.За)

Iпр.имп.макс-= 200 — 4( Т — 35° С)] мА при 35^е С <T< 70° С. (3.3б)

При этом среднее значение импульсного тока должно удов­летворять соотношению

I_пр.ср < I_{и р. макс} — 0,6( I_{пр. мимн} — I_{пр. макс}).

Длительность импульса не должна превышать 2,5 мс.

Поэтому, используя ППИ при повышенных температурах окружающей среды, необходимо изменением сопротивлений ре­зисторов формирователей тока (см. рис. 3.8, б) обеспечить сни­жение прямого тока через сегмент до значения, определяемого по формулам (3.2а, 3.26) и (З.За, 3.36).

Например, при эксплуатации ППИ типа ЗЛС324Б1 при тем­пературе Tо = 55°С необходимо снижение прямого тока до I_пр = 25-0,5(55 — 35) = 15 мА.

В этом случае сопротивления R₁ — R₇ будут в соответствии с (3.1) равны: R= (5 — 2,5 — 0,45)/0,015= 137 Ом; ближайшее по шкале номинальное значение резистора R=140 Ом.

При использовании для управления ППИ дешифратора типа 514ПР1 со стабилизированными потоку выходами (см. рис. 3.15) снижение тока через сегмент может быть обеспечено шунтирую­щими резисторами. Величина R„, определяется:

R_ин = Uпр/ДI_пр,

где ДI_пр — снижение прямого тока через сегмент при использо­вании ППИ в условиях повышенной температуры окружающей среды; R_и = 2,5/0,005 = 500 Ом.

Необходимость снижения прямого тока, протекающего через светящийся элемент, а следовательно, и яркости его свечения при повышенных температурах окружающей среды является одним из существенных недостатков не только семисегментных, но и всех других полупроводниковых индикаторов. Автоматиче­ское регулирование тока в зависимости от температуры, с одной стороны, усложняет схемы управления, с другой - — значительно сокращает возможности использования индикатора. Действи­тельно, при температуре 4-70° С согласно (3.26) прямой ток через сегмент будет равен 7,5 мА, т. е. при высоких уровнях внешней освещенности индикатор типа ЗЛС324Б1 и аналогич­ных ему будет практически не виден.

Существует несколько путей устранения этого недостатка: обдув охлаждающим воздухом индикаторной части при­бора;

использование в условиях работы при повышенных темпера­турах и высоких уровнях внешней освещенности ППИ, разра­ботанных на основе более эффективных материалов; использование ППИ в импульсных режимах работы. Возможность обеспечения обдува регламентируется в каж­дом случае спецификой размещения прибора, наличием или отсутствием подвода воздуха к приборной доске стенда. Не­смотря на перспективность подобного метода, в большом коли­честве случаев обеспечить обдув индикаторов не удается и приходится прибегать к другим приемам. В частности, приме­нять при разработке устройств отображения информации, ра­ботающих при повышенных температурах окружающей среды (35 — 70° С), индикаторы на более эффективных полупровод­никовых материалах.

Для сравнения можно рассмотреть возможности использо­вания двух индикаторов, имеющих одинаковые габаритные раз­меры, размещение светящихся элементов и количества выводов: ЗЛС324Б1 и ИПЦ01Б-1/7К. Первый индикатор разработан с применением GaAs_0,6P_0,4, второй — с применением более эффек­тивного материала Gao.esAlo.ssAs. При одинаковом значении постоянного тока через сегмент, равном 20 мА, индикатор ЗЛС324Б1 имеет силу света не менее 0,150 мкд, индикатор ИПЦ01Б-1/7К — не менее 1 мкд. Проведенные замеры пока­зали, что индикаторы ИПЦ01Б-1/7К при прямом токе 5 — 7 мА имеют ту же силу света, что и ЗЛС324Б1 при прямом токе 20 мА. Следовательно, индикаторы ИПЦ01Б-1/7К при токе 7 мА могут быть использованы вместо ЗЛС324Б1 при темпе­ратуре окружающей среды до 60 — 70° С, обеспечивая доста­точную яркость свечения элементов индикации без нарушения теплового режима работы индикатора.

Улучшение теплового режима работы ППЦИ может быть достигнуто также использованием импульсного режима их вклю­чения.

Вопрос использования импульсного режима работы полупро­водниковых индикаторов неоднозначен, так как он применим в основном к индикаторам, разработанным на материалах тина GaAsP, причем с малыми прямыми токами через сегмент. Ис­пользование этих индикаторов в импульсном режиме работы позволяет без значительного ухудшения яркостных характе­ристик снизить средний прямой ток через светящийся эле­мент.

Рис. 3.27. Зависимость относи­тельной эффективности излуче­ния светодиодов индикатора АЛ306А от прямого импульсного тока

Полученная при исследовании разработчиками ППИ зависи­мость относительной эффективности излучения от пикового тока через сегмент индикатора АЛ306А, приведенная на рис. 3.27, свидетельствует об увеличении эффективности излучения с рос­том амплитуды прямого импульсного тока. В частности, для получения яркости свечения, которую имеет индикатор АЛ306А при постоянном токе 10 мА через сегмент, необходимо через его элементы пропускать импульсный ток 40 мА с частотой 30 — 40 Гц при скважности 8, т. е. средний ток через светящий­ся элемент составит 5 мА. Таким образом, импульсный режим питания позволяет посредством снижения среднего прямого тока через светящийся элемент использовать индикаторы на арсенид-фосфиде галлия без значительных потерь силы света при повы­шенных температурах окружающей среды и без нарушения пре­дельно допустимого теплового режима работы индикатора.

Аналогичные данные приводят [19] специалисты фирмы Hewlett Packard, США: квантовый выход монолитных семисег-ментных индикаторов серии HP 5082-7430, разработанных на основе GaAsP, повышается при импульсном режиме питания. На рис. 3.28 приведена зависимость относительной эффектив­ности излучения от пикового тока через сегмент. Для других индикаторов (например, для индикаторов типа 5082-7740) эта зависимость несколько другая, но тенденция к увеличению эф­фективности излучения при увеличении пикового тока сохра­няется.

Рис. 3.28. Зависимость относительной эффективности свечения сегментов индикаторов HP 5082-7430 от проте­кающего через них импульсного тока

Рис. 3.29. Зависимость средней яркости свечения индикаторов HP 5082-7430 от среднего тока через сегмент при скваж­ности 20, 10, 5 и при постоянном токе через сегмент (графики 1, 2, 3, 4, соот­ветственно)

На рис. 3.29 приведена зависимость средней яркости индика­тора HP 5082-7430 от среднего тока через сегмент. Например, типовой сегмент, работающий при постоянном токе 1 мА, будет иметь яркость около 40 кд/м². Тот же сегмент, работающий при пиковом токе 10 мА, будет иметь среднюю яркость 95 кд/м² при скважности 10 или 100 кд/м² при скважности 20. Таким образом, при мультиплексировании ППИ на основе GaAsP для . достижения той же самой яркости необходимы меньшие сред­ние.прямые токи через сегмент, а это позволяет использовать их при повышенных температурах без значительных потерь яр­кости за счет снижения среднего тока.

Зависимость излучаемой мощности (7J от температуры окру­жающей среды. Излучаемая мощность светодиода уменьшается при увеличении температуры. Изменения порядка l % на Г С типичны практически для всех полупроводниковых материалов. Поскольку приемником излучения является глаз человека, то к температурным изменениям мощности излучения необходимо прибавлять изменение чувствительности самого глаза. В красной области (650 нм) чувствительность глаза изменяется примерно на 4,3%/нм, в зеленой области (565 нм) — примерно на 0,86%/нм.

Суммарное изменение воспринимаемой силы света в красной области свечения составит 1,86%/°С; в зеленой области умень­шение составит 1,08%/°С.

3.5. Схемы управления цифровыми полупроводниковыми индикаторами в мультиплексном режиме

На рис. 3.30 представлена структурная схема [7] управле­ния цифровыми индикаторами в мультиплексном режиме управ­ления.

В предлагаемой схеме выводы одноименных сегментов всех цифр соединены параллельно и подключены к соответствующим выходам формирователей тока 3. Генератор 7 тактирующих импульсов (ГТИ) является синхронизирующим звеном схемы. По его первому тактирующему импульсу срабатывают два уст­ройства — устройство памяти 1, хранящее кодовую информа­цию в виде ДДК для всех шести цифр, и сканирующее устрой­ство выбора цифры 6. Сканирующее устройство подключает через формирователь тока 5 общий вывод первой цифры, под­готавливая ее к возможности возбуждения. По первому же тактирующему импульсу ГТИ устройство памяти ОЗУ 1 выдает на информационные входы дешифратора 2 тетраду ДДК для первой цифры. Преобразованная дешифратором 2 информация в виде позиционного кода через формирователи токов сегмен­тов поступает на соответствующие сегменты всех цифр и инди­каторов 4, замыкая токовую цепь только для первой цифры, светодиоды первой цифры светятся. По второму тактовому им­пульсу ГТИ сканирующее устройство отключает общий вывод первой цифры, подключая общий вывод второй. ОЗУ по второму импульсу ГТИ подключает на информационные входы дешифра­тора 2 тетраду ДДК для второй цифры, отключив код первой. Дешифратор, преобразовывает ДДК второй цифры в позицион­ный код индикаторов. Цепь прохождения тока замыкается только через элементы второй цифры. Цикл последовательного управ­ления цифрами продолжается. Время протекания тока через све­тящийся элемент обратно пропорционально количеству цифр в управляемом наборе. Следовательно, значение среднего пря­мого тока сегментов и яркость их свечения также сокращаются. Для поддержания яркости свечения на прежнем уровне необ­ходимо сохранять средний прямой ток за счет увеличения им­пульсного тока. Однако применение индикаторов большого размера, работающих при значительных токах через сегмент, влечет за собой необходимость применения мощных ключей Y₁ — Y₆. Действительно, в момент подключения индикатора к формирователям тока через ключ может течь суммарный ток всех сегментов (при индикации цифры 8). Так, для индикато­ров ЗЛС324Б1 этот импульсный ток достигает 0,02- 7-6жО,84 А (при шести индикаторах, т. е. при скважности 6).

Рис. 3.30. Структурная схема управления шестью цифровыми индикаторами и му.пл мп.юкспом режиме

Указанным требованиям удовлетворяют дискретные транзисто­ры типа 2Т602А. Таким образом, для шести индикаторов требуется шесть достаточно мощных дискретных транзисторов. С уменьше­нием среднего тока через сегмент (у индикаторов малого размера) появляется возможность уменьшить допустимую мощность рас­сеяния транзистора и соответственно увеличить коэффициент ин­теграции их в корпусе. Поэтому данная схема наиболее эффек­тивна для индикаторов, работающих на малых средних прямых токах через сегмент (1 — -3 мА).

Необходимо отметить, что еще одним преимуществом схемы мультиплексного управления индикаторами является то, что она менее энергоемка по сравнению со схемами управления постоян­ным током. Это объясняется тем, что с возрастанием пикового тока индикаторов Hd GaAsP светоотдача на единицу тока увеличивается. Как будет показано в § 3.3, рациональн использовать импульсное питание индикаторов в р ких циклах возобновле­ния информации при значительных пиковых токах.

Таким образом, для обеспечения одной и той же яркости све­чения индикатора при управлении им в мультиплексном режиме расходуется меньшая мощность, чем при питании постоянным током.

Учитывая инерционность зрения для обеспечения восприятия информации без миганий и «размазывания», необходимо частоту возобновления информации для индикаторов, размещаемых на неподвижных объектах, поддерживать на уровне 100 Гц. Для при­боров индикации, размещаемых на подвижных объектах, подвер­женных вибрациям, частота возобновления информации поддер­живается на уровне, в 5 раз превышающем уровень вибрации. Однако с точки зрения рационального соотношения уровня слож­ности схем управления и удобства считывания для объектов, подверженных вибрациям с частотами до 2000 Гц, вполне прием­лема частота обновления информации 350 — 375 Гц.

Необходимо обратить внимание на то, что при использовании для стробирования высоких частот (10 кГц и более) скорость выключения усилительных транзисторов может оказаться недоста­точной для обеспечения мультиплексного управления свето-излучающими диодами, т. е. может из-за затяжки срезов стробирующих импульсов возникнуть так называемый «эффект приведения» — цифры, которые должны быть выключены, остают­ся включенными, появляется паразитная подсветка фона на ра­бочем поле индикатора. В зависимости от условий считывания информации для предотвращения этого эффекта необходимо меж­ду выключением олного знака и включением другого предусматри­вав фиксированный временной интервал, равный 2 — 4% времени включения знака на выходе сканирующего устройства выбора цифр.

Создание фиксированного временного интервала требует определенных аппаратурных затрат, связанных с введением либо делителя частоты с ключами, либо других структурных элемен­тов. Существует другой, более простой с точки зрения аппара­турной реализации вариант, сопряженный с необходимостью несколько большего увеличения импульсного тока через светодиод Учитывая обычно имеющееся регулирование яркости свечения индикаторов в устройстве отображения информации (т. е. наличие устройства регулирования), последовательно с регулировочным сопротивлением Rя генератора широтно-модулированных сиг­налов (см. рис. 3.23) или аналогового регулятора яркости (см. рис. 3.25) включают балластное сопротивление, обеспечивающее гарантированный временной интервал. Необходимо, однако, учи­тывать, ч го балластное сопротивление снизит средний прямой ток через каждый светодиод каждой цифры индикаторного уст­ройства, что повлечет за собой снижение максимального зна­чения яркости свечения.

Таблица 3.9. Таблица истинности ИМС 564ИК2 по информационному входу 1 (ДДК для значения цифры)