Оптичні випромінюючі прилади (стр. 5 из 5)

Цифро-буквенні світлодіодні індикатори

Це звичайно інтегральна мікросхема зі світлодіодних структур (у вигляді сегментів, або точкових елементів) та необхідних електричних з’єднань. Сегменти або смужки зі світлодіодів розташовують так, щоб за допомогою комбінаційного збудження 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 та багаторозрядні 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 утворення зображення цифри, восьмий сегмент (DP) – точка. Такі індикатори випускають з розмірами цифри від 5 до 80 мм. Одиночні індикатори об’єднують в групи по 2, 3, 4 та більше цифр.

Для зображення цифр та букв необхідно мати більше сегментів. На рис.22 показана конфігурація 17-сегментного індикатора фірми Sharlight.

Рис.22. 17 – сегментний індикатор.

При такій кількості сегментів можна зобразити окрім цифр, усі букви європейських язиків та допоміжні знаки. Звичайно, керувати таким індикатором набагато важче, ніж 7 або 8-сегментним.

Матричні індикатори – матриці з одиночних світлодіодів, розміщені у вигляді прямокутної матриці з К рядів та Р колонок. Звичайно, така матриця має конструкцію 7х5, або 35 точок, хоча є матриці 4х4 та 8х8. Схема такої матриці показана на рис.23. Матриця складається з КхР світлодіодів, анод кожного світло діода підключений до шини колонки, а катод – до шини ряду. Він запалиться лише коли на відповідну колонку подати напругу живлення, а ряд замкнути на землю. Тому світлодіоди у матриці можна запалювати тільки по черзі, перебираючи усі КхР 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 світлового виходу. розсіювання потужності надійності і можливо більшого строку експлуатації. параметри кожного світлодіодного приладу наведені в листах даних (максимально допустимі параметри, оптичні та електричні параметри).

Вихідними критеріями є максимальний струм драйвера і максимальна температура переходу у світлодіоді. Остання є різницею між зовнішньою температурою і температурою переходу Tjmax. Ця різниця визначається як добуток розсіюваної потужності P_D та термічного опору переходу R_L: ΔТ = P_DR_L. Дані по термічному опору світло діодів та індикаторів наводяться у листах даних. Важливо не доводити світлодіоди та індикатори до граничної температури переходу.

На рис.24 показана типова вольт-амперна характеристика світло діоду (по горизонталі – пряме падіння напруги, по вертикалі – прямий струм.

Рис.24. Типова вольт-амперна характеристика світлодіоду.

Розсіювана потужність визначається як добуток прямого струму на падіння напруги. Розрахунок інтенсивності освітлення при температурі +25°С може бути поширений на будь-яку температуру за допомогою рівняння:

Imax(T°) = Imax(+25°C)exp[k(T-25°C)],

де коефіцієнт k може бути визначений по табл.3.

Таблиця 3. Температурний коефіцієнт світлодіоду

Тип 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. Порядок розрахунку наступний. Визначимо тип світлодіода, температуру зовнішнього середовища.

Шаг 1. Термічний опір світлодіода за листом даних, наприклад, 260°С/Вт. Визначимо загальний термічний опір як 500°С/Вт. Тоді на кріплення світло діода прийдеться Rh = 500-260 = 240(°C/Вт). На рис.26 представлені графіки залежності максимального струму для даного світлодіода від зовнішньої температури 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 допустимий струм складає 42 мА.

Шаг 3. По вольтамперній характеристиці рис.24 визначаємо, що при струмі 42 мА падіння напруги на світло діоді дорівнює U=2,52 В. Звідси розсіювана потужність складає 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 потужність дорівнює 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 струмі 35 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 EastmenKodak одержали випромінювання світла з двохшарової органічної структури, що нагадувала p-n перехід. Вони використовували деякі органічні фарби, подібні до ксерографічних матеріалів і одержали ефективність 1%. У 1990 р. дослідники з Кембриджського університету в Англії одержали подібний 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, де вони 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, як ірідій або платина призводить до змішування їх властивостей, тому випромінювання фотону відбувається за час від 100 нс до 10 мкс.

Для одержання кольорових дисплеїв потрібно керувати світінням трьох випромінюючих елементів червоного, зеленого та синього кольору. Для формування трьох кольорів запропоновані декілька методів, схеми яких показані на рис.27.

Рис.27. Схеми формування трьохколірного зображення: а) присадка з важкого металу в органічному шарі; б) оптична фільтрація випромінювання; в) середовище зі змінюваним кольором; г) три прозорих елемента з незалежним керуванням.

В першому методі припускається фото літографічне нанесення на прозорий анод з оксида індія-олова колонок електродів (підпікселів), у кожному з яких в органічний шар вноситься „своя” присадка з важкого металу (рис.27,а). Незважаючи на показну простоту, технологія виявляється складною та дорогою. Але фірми Sanyo та Kodak продемонстрували такі пласкі кольорові панелі.

Інший метод – оптична фільтрація випромінювання елемента з білим освітленням (ОСП –окремий світловий піксель) – рис.27,б. Але в цьому методі знижена ефективність випромінювання, бо великі втрати у фільтрах.

Менші втрати одержують, якщо замість фільтра використовувати середовище зі змінюваним кольором (рис.27,в). Це матеріал, який під дією блакитного випромінювання виробляє зелене або червоне світло в залежності від домішок.

В конструкції рис.27,г є три прозорих світловипромінюючих елементи з червоним, зеленим або синім випромінюванням, накладені один на інший з незалежним керуванням.

Вже зараз є декілька експериментальних дисплеїв великого розміру з органічних світло діодів. Їх головна перевага – гнучкість та мала товщина, що дозволяє накладати їх на об’єкти будь-якої форми. Вже серійно випускають такі дисплеї для сотових телефонів.