Виды индикаторов

Индикатор - здесь будем подразумевать устройство преобразования электрического сигнала в оптический. Чтобы сократить текст, будем рассматривать только индикаторы знакосинтезирующие - т.е. индицирующие буквы, цифры и специальные символы.

Индикаторы бывают различными по используемым в них физическим явлениям.

• Жидкокристалические - используют явление поворота оси поляризации света под действием электрического поля. Т.е. жидкокристалический управляемый поляризатор + статический неуправляемый поляризатор (обычно, пластинка, похожая на слюду) образуют ячейку (сегмент) с изменяемым коэффициентом пропускания видимой части спектра. Это единственные индикаторы, которые сами не являются источником света. Они имеют очень низкое энергопотребление, часто используются в портативных устройствах. Проблем у них несколько, но вроде бы не существенных: не любят холода, требуют знакопеременного питания (иначе со временем прозрачные электроды мутнеют).
• Светодиодные - излучение света в них происходит в толще полупроводникового перехода (диода) под действием проходящего в прямом направлении электрического тока. Хорошая контрастность, низкое энергопотребление (но больше чем у жидкокристалических), низкое питающее напряжение. Одно время их пробовали использовать даже в наручных часах, но потом как -то эта идея сошла на нет.
• Люминесцентные - излучающим элементом является анод электронной лампы, покрытый специальным составом (люминофором). Работает при приложении прямого тока (катод - минус, анод - плюс). Так же как и светодиод имеет относительно высокий КПД, сам по себе анод почти не нагревается, однако для работы требуется нагрев катода, т.е. косвенные потери энергии в люминесцентом индикаторе все таки выше, чем в светодиодном. Частными случаями люминесцентного индикатора являются специальные "непрерывные" индикаторы (использовались в старой ламповой аппаратуре вместо стрелочных приборов) и знакомые всем кинескопы. У люминесцентных индикаторов два неудобства: относительно высокое напряжение (десятки вольт и выше) и ограниченный срок службы (от года -двух до "как повезет").
• Механические индикаторы - редкий случай, но их можно увидеть на вокзалах, некоторых бензоколонках. Они не излучают свет, но управляются электрическими сигналами и отображают визуальную информацию. Предположительно дешевы (для того времени, когда были актуальны) и ненадежны. Больше никакой информации по ним у меня нет, но вы можете все додумать сами: мехнический индикатор - это железка, в которой пиксель или сегмент изменяют свое состояние с черного на белое под действием электрического двигателя или магнита. Т.е. это чем-то похоже на электромагнитное реле.
• Индикаторы накаливания - это очень похоже на лампочку накаливания, но с несколькими спиралями. Самое больше потребление энергии, самая высокая контрастность, как ни странно - большой срок службы (зависит от режима работы). Свет излучается сильно нагретой спиралью (сопротивлением). У таких индикаторов две проблемы - нельзя сделать сегмент слишком маленького размера - 2x2 мм - это то, что я видел. Наверное можно сократить до 1x1 мм, но вряд ли больше. Вторая проблема - потребляемая мощность. Вообще-то, сейчас, при наличии полевых транзисторов с сопротивлением канала в открытом состоянии десятые и тысячные ома это уже не сложно, но 20-ть лет назад все было не так просто.
• Газоразрядные (плазменные) - свечение идет в толще газа, излучающий элемент нагревается слабо. Все отлично, но со временем внутренняя стенка балона мутнеет и, соответственно, слегка падает яркость. Этот процесс не быстрый, и, пожалуй, единственное, где он досаждает - в плазменных панелях, где важна цветопередача. И другая проблема - газоразряд требует напряжения в десятки вольт. Проблемы с размером сегмента те же, что и у индикаторов накаливания, хотя это постепенно (но высокой ценой) решается.

В плейере я остановился на люминесцентном индикаторе, отчасти потому что именно его удалось приобрести, отчасти потому, что при невысокой стоимости у него хорошее разрешение, приемлимая сложность управления и хорошая видимость (яркость, контрастность...). Соотвественно, дальнейший текст только о таких индикаторах.

Методы управления люминесцентным индикатором

Люминесцентный индикатор представляет собой трехэлектродную электронную лампу. Катод, анод, сетка. Катод прямого накала - т.е. это проволочка, через которую проходит ток накала. Сетка - самая натуральная сетка из тонкой проволоки, анод - покрытая люминофором плоскость. Катод нужно разогреть (это процесс инерционный и занимает около нескольких секунд) после этого можно подать напряжение между анодом и катодом и анод будет светиться. Ток около мА, напряжение - 20-40 в. Если относительно катода подать отрицательное напряжение на сетку, ток между катодом и анодом прекращается, анод гаснет. Если же на сетке положительное напряжение - анод светиться ярче. Ток сетки при этом - мкА, напряжение - +-20-40 в.

Часто в многосегментных индикаторах делается несколько сеток, а часть анодов соединяется между собой. Такие индикаторы предназначены для мультиплексированного режима работы: сначала напряжение подается на одну сетку и одновременно на те катоды, которые находятся за этой сеткой и должны светиться. Потом напряжение переключается на другую сетку и на, соответственно, аноды, находящиеся за ней. Этот процесс происходит очень быстро и глаз перестает различать переключение анодов, вся картинка кажется статичной.

Индикатор, который я использовал (ИВЛ 1-16/5x7л) имеет 16 сеток, за каждой сеткой находится матрица 5x7 анодов. т.е. всего 35 точек на сетку или 560 точек на индикатор. Т.е. 0.00056 мегапикселей, если перевести в терминологию цифровых фотоаппаратов :).

560 отдельных управляющих линий - это весьма много. Поэтому индикатор предназначен для работы в режиме мультиплексирования, т.е. имеет параллельные аноды. Тогда получается 16 сеток + 35 точек. Но управляющий процессор с 51 линией - это тоже не мало и дорого. Мне видится четыре варианта решения этой проблемы:

• 35 точек - т.е. 35 линий легко преобразовать в 8 с помощью внешнего ПЗУ с прошитым знакогенератором (т.е. изображением символов). 35 / 8 + 1 восьмибитных микросхем ПЗУ - и всё работает.
• Можно последовательно соединить 35 / 8 + 1 восьмибитных сдвиговых регистров. У проца будет использовано всего две линии: сдвиг и данные. Выходы сдвиговых регистров будут уходить на аноды.
• Параллельно соединенные 35 / 8 + 1 восьмибитных защёлок дадут похожий эффект. Но лапок проца будет использовано больше.
• Режим двойного мультиплексирования: 35 точек делится на 5 групп по 7 точек в каждой. Сначала зажигаются точки одной группы, потом другой, третьей...пятой.

Но отдавать 16 линий на управление сетками, еще 5 - выбор группы и еще 7 - выбор точек - опять же много для at89c2051 - у него всего - смешно сказать - 15 линий. И часть из них мне еще пригодится для других целей. С другой стороны - сетки переключаются последовательно - для этого большого ума не надо: счетчик к555ие7 + дешифратор к555ид3 справятся с этим сами. 5 линий на выбор группы можно уменьшить до 3-х - для этого можно использовать дешифратор к555ид4. Заодно он же будет вырабатывать синхросброс для счетчика сеток.

С логикой разобрались. Теперь насчет уровней напряжения. Индикатор работает с напряжениями в десятки вольт, кроме того, с учетом двойного мультиплексирования, каждая точка светиться всего 1:(16*5) времени. Так что для приемлимой яркости ее неплохо питать даже чуть завышенным напряжением. В общем, 5-и вольт не хватит. Значит нужен преобразователь уровней. Теоретически, преобразование сигнала с уровнем 0..5в -> 0..40в при токах в ма легко выполнит почти любой современный транзистор, но я себе усложнил задачу и решил разработать схему под старые биполярные p-n-p транзисторы типа мп25, 26, 39, 41, 42. Их как раз еще с полсотни оставалось в закромах родины. Сразу говорю: не хотите приключений - не надо мп-шками пользоваться. Причины три: 1) они крупные, 2) их уже не найдешь (разве только на помойках), 3) у них допустимое напряжение К-Э 15 в (кроме мп25-26). Да и сочетать с TTL-логикой проще n-p-n. Но у меня они работают. По крайней мере если не жарко.

На этом рисунке изображена схема-пример коммутации отдельного пикселя:

Обведенный пунктиром резистор между базой и эмиттером может устанавливаться, если ток утечки тразистора (особенно после прогрева) слишком велик (т.е. К-Э переход открыт или приоткрыт в то время, когда должен быть закрыт). Возможно, их имеет смысл предусмотреть не только для сеточных каскадов. У меня из 16 сеточных транзисторов три имеют такой резистор.

Резисторы номиналом 10к в коллекторных цепях анодных и сеточных каскадов стоит попробовать сильно увеличить. 100к или 1М могут оказаться гораздо более удачным выбором. Просто у меня 10к было не много, а ОЧЕНЬ много :)

Если вариант с дискретными транзисторами вам не очень нравится: вот повод для размышлений: "Шестиразрядный контроллер цветных люминесцентных индикаторов кр1109кн15" ж. Радио 2008, # 5, стр. 54. Или вспомните о микросхеме к155ид1 - высоковольтный дешифратор. На выходе - открытые коллекторы с допустимым напряжением больше сотни вольт (предназаначены для управления неоновыми индикаторами). Есть и ещё более удобные интегральные решения. M35502, например.