Выбор элементной базы устройства индикации текстовой информации для жестких условий эксплуатации

В данной статье рассмотрены основные элементы отображения текстовой информации. Целью является проведение анализа и выбор типа отображающего элемента для устройства оптической индикации текстовой информации о технологическом, в том числе аварийном состоянии объекта для жестких условий эксплуатации для использования в разрабатываемом устройстве. Устройство отображения текстовой информации разрабатывается для условий эксплуатации УХЛ4 ГОСТ 15150–69 с учетом механических, климатических, термических ВВФ, а также ВВФ электромагнитных полей ГОСТ 26883–86, стойкостью и надежностью по группе М31 ГОСТ 30631–99.

Ключевые слова: отображающий элемент, жидкокристаллический дисплей, светодиод, газоразрядная лампа .

Следует уточнить, что индикационное поле может быть выполнено на различных элементах [6]:

1. На газоразрядных лампах.
2. На жидких кристаллах (ЖК дисплей).
3. На светодиодах.
4. На вакуумно-люминисцентных индикаторах.
5. На OLED индикаторах.

Далее будут рассматриваться только те характеристики, которые играют важную роль для разработки устройства оптической индикации текстовой информации.

1. Газоразрядная лампа — это источник света, излучающий энергию в видимом диапазоне. Свечение в лампе создается непосредственно или опосредованно от электрического разряда в газе, парах металла или в смеси пара и газа [1].

Рис. 1. Устройство газоразрядной лампы

Среднестатистические характеристики газоразрядных ламп:

– срок службы от 3000 до 20000 часов;

– яркость одной лампы от 40 до 220 кд/м2;

– цветопередача: хорошая;

– диапазон рабочих температур от -40 °C до +45 °C.

Достоинства:

Высокий КПД; длительный срок службы в непрерывном цикле эксплуатации; сила светового потока; различные цветовые температуры; неприхотливость в эксплуатации и простота ремонта.

Недостатки:

Малый срок службы в прерывистом цикле эксплуатации; линейчатый спектр обуславливает неправильную цветопередачу, а также повышенную усталость глаз пользователя; трудности работы при экстремально низких температурах; долгое время достижения максимального излучения (до 4 минут); неустойчивость к электромагнитным импульсам; наводки на частотах 30–100 кГц; заметное мигание при перепадах напряжения электросети; невозможность быстрой смены информации; большое потребление электроэнергии.

2. ЖК-дисплей — экран на основе жидких кристаллов. ЖК дисплей представляет собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации. Дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои, собственно, и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой [2].

Рис. 2. Устройство ЖК-дисплея

Среднестатистические характеристики ЖК экранов:

– яркость от 100 до 300 кд/м2;

– цветовая температура: от 0 до 10000 К;

– цветопередача: отличная;

– диапазон рабочих температур от -25 °C до +60 °C.

Преимущества:

Компактный, тонкий и легкий; низкое энергопотребление; малое тепловыделение ввиду низкого энергопотребления; отсутствие геометрических искажений; четкое изображение; отсутствие мерцания; может быть выполнен практически любого размера или формы; теоретическое разрешение не ограничено; не подвержен влиянию магнитных полей; ЖК-дисплей может изначально отображать цифровые сигналы.

Недостатки:

Ограниченный угол обзора; неравномерная подсветка на некоторых мониторах; уровни черного могут быть не такими темными, как требуется; только одно собственное разрешение; фиксированная разрядность; задержка ввода; битые или застрявшие пиксели могут появиться во время изготовления или после периода использования; подвержен эффекту выгорания; потеря яркости и значительно меньшее время отклика в условиях низких температур; потеря контрастности в условиях высокой температуры.

3. Светодиод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении [3].

Среднестатистические характеристики светодиодов:

– срок службы от 50000 до 60000 часов;

– яркость одного светодиода от 20 до 50 кд/м2;

– цветовая температура: от 2700 до 10000 К;

– цветопередача: отличная;

– диапазон рабочих температур от -50 °C до +70 °C.

Преимущества:

Энергетическая эффективность; надежность и время жизни; малый размер светодиода; быстрое время включения-выключения и возможность управления яркостью; механическая прочность и стойкость к ударам; стабильная работа при низких температурах.

Недостатки:

Малый световой поток от одного элемента; деградация параметров светодиодов со временем; повышенные требования к питающему источнику.

4. Вакуумно-люминисцентный индикатор — относится к активным индикаторам, преобразующим электрическую энергию в световую. По виду отображаемой информации вакуумно-люминисцентные индикаторы различают на единичные, цифровые, буквенно-цифровые, шкальные, мнемонические и графически [4].

Рис. 4. Устройство вакуумно-люминесцентного индикатора

Среднестатистические характеристики вакуумно-люминесцентного индикатора:

– срок службы от 2000 до 10000 часов;

– яркость одного индикатора 250 кд/м2;

– цветовая температура: от 2200 до 10000 К;

– цветопередача: хорошая;

– диапазон рабочих температур от -60 °C до +85 °C.

Преимущества:

Высокая яркость; хорошая видимость воспроизводимых знаков; низкие рабочие напряжения; малое потребление энергии.

Возможны блики, мешающие считыванию информации; необходимость в отдельном источнике питания для цепей накала индикаторов.

5. OLED-индикатор — устройство отображения информации, основанное на органических светоизлучающих диодах. OLED индикаторы являются самосветящимися, поэтому не требуют отдельной подсветки [5].

Рис. 5. Устройство OLED-индикатора

Среднестатистические характеристики OLED-индикатора:

– срок службы 50000 часов;

– яркость от 50 до 90 кд/м2;

– цветовая температура: от 0 до 10000 К;

– цветопередача: отличная;

– диапазон рабочих температур от -40 °C до +60 °C.

Компактный, тонкий и легкий; низкое энергопотребление; высокая контрастность; нет геометрических искажений; четкое изображение; высокий КПД; может быть выполнен практически любого размера или формы; теоретическое разрешение не ограничено.

Недостатки:

Сравнительно маленький срок службы диодов, обеспечивающих некоторые цвета; дороговизна технологии; возможность окисления органических материалов, применяемых для создания органических светодиодов; малая ударопрочность.

На основании проведённого анализа в качестве отображающего элемента был выбран светодиод. Основные параметры, которые повлияли на выбор, это больший срок службы, а также больший диапазон рабочих температур. Большое влияние оказал малый размер светодиода, что позволит обеспечить меньший размер устройства. Также использование светодиодов обеспечивает лучшую ремонтопригодность среди вышеперечисленных индикаторов.

По результатам проведенного исследования было разработано устройство индикации текстовой информации. В качестве отображающего элемента был выбран светодиод ИПД156Б9К. Данный компонент обладает углом излучения не менее 100°, длинами волн излучения от 450 нм до 630 нм, наработкой на отказ не менее 50000 ч., силой света от 0,2 кд до 1,0 кд, а также полностью удостоверяющими температурами от -60°C до +85 °C. Для разрабатываемого устройства, было использовано

288 светодиодов, то есть образовано индикационное поле 8х36, соответствующее экрану 8’’, которое обеспечивает непрерывную индикацию выводимой текстовой информации, поступающей по интерфейсу RS-232. Обработку информации обеспечивает 8-битный микроконтроллер К1887ВЕ7Т с достаточной для требуемых задач памятью. Устройство способно отображать и производить звуковую индикацию о возникновении проблемы или сообщении информации. Устройство предназначено для жестких условий эксплуатации и должно сохранять работоспособность при температурах от —40 °C до +60 °C, вибрационных и ударных воздействиях согласно вышеуказанных ГОСТов. Устройство предназначено для оптической индикации текстовой информации о технологическом, в том числе аварийном состоянии объекта с учётом жестких условий эксплуатации.

Литература:

1. Фугенфиров, М. И. Газоразрядные лампы / М. И. Фугенфиров — 2-е издание — Москва: Энергия, 1975–128 c.
2. Томилин, М. Г., Невская, Г. Е. Дисплеи на жидких кристаллах / М. Г. Томилин, Г. Е. Невская — учебное пособие — СПб: СПбГУ ИТМО, 2010–108 c.
3. В. Е. Бугров, К. А. Виноградова Оптоэлектроника светодиодов / В. Е. Бугров, К. А. Виноградова — учебное пособие. — СПб: НИУ ИТМО, 2012–174 c.
4. Вуколов, Н. И., Михайлов, А. Н. Знакосинтезирующие индикаторы / Н. И. Вуколов, А. Н. Михайлов — Москва: 1987–560 c.
5. Юрий Ревич, ЭЛЕКТРОНИКА / Юрий Ревич — 6-е издание. — СПб: БХВ-Петербург, 2021–689 c.
6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники / Хоровиц П., Хилл У. — 4-е издание. — Москва: Мир, 1993–604 c.