Светодиодные индикаторы

Основой различных светодиодных индикаторов является светодиод (светоизлучающий диод или LED – light emitting diode). Его отличие от традиционных источников света (например, лампа накаливания) состоит в достаточно узком диапазоне генерируемых частот (энергий излучаемых фотонов), что позволяет получать свечение определенного цвета. Частота получаемого излучения в зависимости от используемого полупроводникового материала, лежит в диапазоне от инфракрасного (частота порядка Гц, материал арсенид галлия GaAs) до ультрафиолетового (частота выше Гц, материал нитрид бора) диапазонов. Для увеличения яркости свечения (исключение эффекта отражения) внешняя поверхность светодиода выполняется сферической либо за счет самого полупроводника (рис.12.1.а), либо за счет внешнего прозрачного корпуса (рис.12.1.б).

а)	б)	в)
г)

Рис.12.1.Конструкция светодиода а),б), семисегментного индикатора б) и синтезируемые цифры в)

В индикаторных приборах используют светодиоды генерирующие красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый, пурпурный и белый цвета. При этом используют как одиночные светодиоды, ток и диоды, собранные в знакосинтезирующие матрицы. Наибольшее распространение получили семисегментные индикаторы, способные отображать цифры десятичной системы счисления и некоторые буквы. На рис.12.1 в) приведена конструкция такого индикатора. Кроме десятичных цифр (рис.12.1.г) индикатор способен отображать и некоторые буквы латинского алфавита и кириллицы. Индикатор составлен из семи самостоятельных сегментов, каждый из которых образован одним или несколько последовательно соединенными светодиодами, включенных, как показано на рис.12.2, либо по схеме с общими анодами, либо с общими катодами. Такое включение позволяет сократить число выводов индикатора, упрощая его конструкцию.

Управление индикаторами осуществляется либо в статическом, либо динамическом режимах. В первом случае общий вывод индикатора постоянно подключен либо к положительному выводу источника питания, либо к общей шине и включение соответствующего сегмента осуществляется коммутацией управляющих выводов A…F. При динамическом управлении коммутируются не только управляющие выводы, но и общий вывод, а постоянство свечения сегментов обеспечивается за счет эффекта персистенции – способности человеческого глаза воссоздавать единую картину из последовательности быстро сменяющихся изображений. (При частоте смены изображений превышающей 24 Гц глаз создает плавно изменяющийся образ).

Рис.12.2 Схемы включения светодиодов в семисегментном индикаторе.

Такой подход, хоть и приводит к некоторому снижению яркости свечения, но является более экономичным и простым, так как позволяет использовать одну схему для управления несколькими индикаторами (управляющие выводы включены параллельно, но светится только тот индикатор, общий вывод которого в данный момент подключен). Усложнение алгоритма управления индикаторами не является препятствием для широкого применения данного метода, особенно в устройствах, управляемых микроконтроллерами.

Кроме семисегментных, на практике, находят применение индикаторы с большим числом сегментов (например, 9) и матричные индикаторы, построенные из конечного числа светодиодов, объединенных в некоторую матрицу. На рис 12.3. приведен пример конструкция и внутренней схемы подключения светодиодов в такой матрице. Зажигание элемента матрицы осуществляется формированием адреса строки и столбца нужного светодиода. При этом может использоваться как статическое, так и динамическое управление. В зависимости от количества используемых светодиодов матричные индикаторы используются для отображения алфавитно-цифровой (бегущая строка), или графической информации.

При размещении в одном корпусе светодиодов красного, зеленого и синего цветов получают так называемый RGB светодиод, способный в зависимости от соотношения протекающих токов синтезировать широкую гамму цветов. Данные диоды используются либо автономно, либо в виде RGB ламп или лент, содержащих несколько светодиодов, и находят широкое применение для освещения и в световой рекламе. На рис.12.4 приведен рисунок секции светодиодной ленты с 3-мя RGB светодиодами. Выпускаются и одноцветные светодиодные ленты.

а)

б)

Рис.12.3. Матричный индикатор: а) расположение светодиодов, б) схема соединения

Рис.12.4. Секция светодиодной RGB ленты.

Основным недостатком RGB диодов является дисбаланс светоотдачи (разный световой поток различных светодиодов при одинаковом токе) и различная скорость деградации светодиодов различного свечения. Срок службы светодиодов синего свечения меньше, чем у двух других. Для управления RGB лентами обычно используются специализированные RGB-контроллеры, способные формировать до 16 777 216 различных оттенков цвета.

К основным достоинствам светодиодных индикаторов следует отнести:

- высокую долговечность (до 10⁵ часов) и механическую прочность;

- малую инерционность и высокую светоотдачу (до 140 люм/Вт);

- низкую стоимость;

- экологичность и безопасность.

Лазерные диоды

Активный элемент лазерного диода выполнен в виде плоской пластины монокристалла, в котором образован pn переход большой длины, причем этот переход перпендикулярен торцам кристалла (рис.12.5). Торцевые поверхности монокристалла полируются, и вся конструкция образует оптический резонатор.

Рис.12.5. Конструкция лазерного диода

При подаче напряжения, смещающего pn переход в прямом направлении, через него начинается инжекция избыточных носителей заряда, готовых к рекомбинации. Появление в результате излучательной рекомбинации фотона, двигающегося перпендикулярно боковым поверхностям кристалла, приводит к запуску механизма вынужденной рекомбинации. Для возникновения лазерного излучения необходимо, чтобы число вновь появившихся фотонов превосходило потери, вызванные оптическим излучением, рассеиванием и поглощением фотонов, что требует протекания достаточно большого прямого тока .

Ранее было показано (глава автогенераторы), что для возникновения процесса генерации в электронной схеме должна существовать цепь положительной обратной связи, то есть часть сигнала должна в фазе возвращаться на вход устройства (выполнение условий баланса амплитуд и фаз). Для возникновения такой связи в рассматриваемом оптическом устройстве торцы кристалла делают полированными с коэффициентом отражения до 40%, то есть образуется оптический резонатор. При этом часть фотонов отражается от торцевых поверхностей и способна многократно проходить по телу кристалла, вызывая лавинообразный процесс генерации фотонов. Образуется цепь оптической положительной обратной связи. Для выхода излучения из кристалла одна из его торцевых граней делается полупрозрачной.

В настоящее время промышленно выпускаются лазерные диоды перекрывающие диапазон частот от инфракрасного до ультрафиолетового спектров с мощностями от единиц милливатта до нескольких ватт.

На рис. 12.6. приведен внешний вид лазерного диода инфракрасного диапазона.

К достоинствам лазерных диодов следует отнести:

- быстродействие и возможность электронного управления режимом генерации путем изменения прямого тока диода;

- большой срок службы (до 10⁵ часов);

- возможность монолитной интеграции с существующими полупроводниковыми приборами.

Рис.12.6. Конструкция лазерного диода