Курсовая Расчет и конструирование газоразрядной индикаторной панели переменного тока
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Министерство образования Российской Федерации
Курсовая работа
по дисциплине: «Вакуумная и плазменная электроника»
Расчет и конструирование газоразрядной индикаторной панели переменного тока
2009 г.
Содержание
Введение
Описание принципа работы прибора
Выбор конструкции ячейки
Расчет габаритов элементарной ячейки. Выбор газового наполнения
Выбор люминофора
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Газоразрядная индикаторная панель (ГИП) (также широко применяется английская калька «плазменная панель») — устройство отображения информации, монитор, использующее в своей работе явления электрического разряда в газе и возбуждаемого им свечения люминофора.
В настоящее время ГИП находятся в лидирующем положении по критерию качества отображаемой картинки, угла обзора, неоспоримым достоинством данного устройства является отсутствие мерцания. Особенности технологии позволяют конструировать ГИП с большой диагональю, объединять несколько в одну, создавая гигантские видеоэкраны для отображения информации.
Практически каждый производитель плазменных панелей добавляет к классической технологии некоторые собственные разработки, улучшающие цветопередачу, контрастность и управляемость – прогресс не стоит на месте
Плазменные панели идеально подходят для просмотра видео высокого качества, презентаций, информационных табло в публичных местах, то есть там, где требуется передавать много динамической информации. Именно поэтому ГИП уверенно доминируют на рынке Hi-End бытовой техники для частных и корпоративных лиц.
1. Описание принципа работы прибора
Основной задачей ГИП является преображение информации из электрических импульсов в графический формат. Информационный экран состоит из матрицы газовых ячеек, скомпонованных в триады - три газовых ячейки с разным цветом люминофора – красный-синий-зеленый - для получения полноцветного изображения. При подаче напряжения на электроды зажигается тлеющий разряд, электроны бомбардируют люминофор – ячейка загорается. Таким образом, каждая триада отвечает за цвет одной точки на экране, а совокупность точек дает изображение. Развертка осуществляется построчно.
Первые плазменные панели работали исключительно на постоянном токе. Электроды располагались на противоположных сторонах ячейки. При подаче напряжения между ними возникал плазменный разряд, генерирующий ультрафиолетовое излучение, а нанесенный на боковые стенки люминофор начинал светиться одним из первичных цветов. Такая конструкция, невзирая на свою простоту, имела недостатки. Люминофор постоянно подвергался воздействию плазмы, и интенсивность его свечения снижалась довольно быстро, поэтому телевизоры были весьма недолговечны. Время отклика также было мало. К сожалению, мгновенно получить плазменный разряд сложно, но еще труднее его мгновенно погасить. Лишь создание ГИП переменного тока позволило решить эти две сложные проблемы. Кроме того, ГИП постоянного тока имеет существенный недостаток – нет возможности запоминать информацию, требуется применение запоминающих устройств. А с увеличением размеров, уменьшается яркость ГИП постоянного тока.
В ГИП переменного тока возможно запоминание информации. При специально подобранной форме и амплитуде напряжения на электродах индикаторной ячейки, она может находиться как в состоянии "включено" (в ячейке горит разряд), так и в состоянии "выключено" (в ячейке не горит разряд), т. е. обладает "памятью". Если зажечь каким-либо образом индикаторную ячейку в ГИП, то она будет продолжать гореть до тех пор, пока ее специально не погасят, ячейка как бы помнит, что ее "включили" или "выключили". Другим положительным отличием ГИП переменного тока от ГИП постоянного тока является повышенная в несколько раз долговечность и возможность работы при низких температурах.
Существует много конструкций ГИП переменного тока, одна из них приведена на рисунке (рис. 2.1).
В основу ГИП переменного тока положена трехэлектродная структура газоразрядной ячейки.
Рис. 2.1
Два так называемых дисплейных электрода (ионизирующий и развертки) - полупрозрачные, они нанесены на поверхность внешнего стекла, а от ячейки отделены тонким слоем диэлектрика. На них подается переменное напряжение, под воздействием которого возникает слабый тлеющий разряд без образования плазмы. Он-то и подготавливает ячейку для «поджига», чем позволяет существенно снизить время реакции. При подаче управляющего электрического сигнала на расположенный в глубине ячейки адресный электрод происходит инициация сильного разряда с образованием холодной плазмы между дисплейными электродами. Результат вышеописанной процедуры - долговечность и малое время отклика.
ГИП переменного тока состоит из лицевой и тыльной стеклопластины, на внутренних поверхностях которых расположены электродные системы индикации адресации. Пересечение электродов индикации и адресации образуют индикаторные элементы, аналогичные индикаторным элементам ГИП постоянного тока. Матричная диэлектрическая решетка задает одинаковый во всех индикаторных ячейках зазор между электродами и, помимо того предотвращает раздавливание индикатора под действием атмосферного давления. Стенки матричной решетки препятствуют проникновению излучения из одной ячейки в другую, что обеспечивает высокий детальный контраст газоразрядных индикаторов. На внутренней поверхности стеклопластины расположен тонкий слой люминофора, который преобразует ультрафиолетовое свечение газового разряда в видимое излучение. На слой диэлектрика наносятся эмитирующее и защитное покрытия, характеризуемые высоким значением коэффициента вторичной эмиссии под действием ударов положительных ионов. Зазор между пластинами заполняется газом под давлением, близким к атмосферному.
Принцип работы и диаграммы напряжений и токов подробнее исследованы в [5]. Между системами вертикальных и горизонтальных электродов приложено напряжение Еп, амплитуда которого недостаточна для возбуждения, но достаточна для поддержания разряда. Для возбуждения разряда в данной ячейке на соответствующую пару вертикальных и горизонтальных электродов подаются во временной интервал t1-t2 импульсы записи Езап, суммарная амплитуда которых достаточна для возникновения разряда. В результате прохождения разрядного тока Ip на конденсаторной структуре, состоящей из изолирующих слоев диэлектрика, покрывающего проводящие электроды, возникают электрические заряды, создающие напряжение Uc с полярностью, противоположенной напряжению Езап, возбудившему заряд. В результате возникновения напряжения Uc, напряжение на газовом промежутке уменьшается, что приводит к прекращению разряда, т.е. к импульсному характеру тока через промежуток.
Так как время стекания возникших на диэлектрике зарядов сравнительно велико, то в следующий временной интервал t2-t3 созданное ими напряжение Uс суммируется с изменившим знак поддерживающим напряжением, и напряжение, приложенное к ячейке, оказывается достаточным для возникновения разряда. Этот процесс повторяется в интервалах времени t3-t4, t5-t6, t6-t7. Таким образом, ячейка оказывается бистабильным элементом, так как при приложении одного и того же поддерживающего напряжения, она может быть как в проводящем, так и в непроводящем состоянии. Именно эта бистабильность, определяемая наличием или отсутствием заряда на диэлектрических слоях, позволяет получить запоминание информации на индикаторном поле. При этом одновременное прохождение тока через ячейки, соединенные с одной и той же шиной, оказывается возможным благодаря тому, что указанные диэлектрические слои игают роль токоограничивающего элемента. Для прекращения разряда во временном интервале t7-t8 на ячейку подают стирающий импульс Uст, который, вызывая частичный разряд емкости диэлектрических слоев, понижает напряжение на ней до величины Uc.ост, вследствие чего повторное возникновение разряда в ячейке становится невозможным.
Структурная схема дана на рисунке 2.2. Через блоки адресации 1 (по оси Y) и 4 (по оси Х) от блока 5 на все ячейки индикаторного поля 2 поступает поддерживающее напряжение, обеспечивающее работу ячеек панели в бистабильном режиме. Кроме того, блоки адресации обеспечивают формирование на выбранных электродах импульсов записи или стирания. Управление блоками адресации осуществляется информационной системой I, вырабатывающей коды координат, подаваемые на блоки 1 и 4., и код команды управления, подаваемый на синхронизатор 6. После прохождения команды, синхронизатор выдает на информационную систему сигнал, разрешающий смену информации. Кроме того, синхронизатор задает временную программу работы генератора поддерживающего напряжения 5 и генератора питания рамки 3. Блок адресации состоит из двух ступеней: дешифратора входного адреса и блока согласования цифровой части схемы с индикатором. В зависимости от способа сложения на электродах панели поддерживающего и управляющего напряжений различают блоки согласования последовательного и параллельного типа. А по типу связи – трансформаторные, резисторно-конденсаторные, диодно-резисторные, транзисторные (наиболее часто используемые блоки).
|
Управление яркостью PDP
Интересная технологическая особенность плазменной ячейки - принципиальная невозможность плавной регулировки яркости свечения пикселя. Все дело в том, что плазменный разряд либо есть, либо его нет, в то время как управлять интенсивностью потока нельзя. И здесь на помощь приходит методика импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Ее суть состоит в следующем.
Управление яркостью характеризуется числом градаций яркости (полутонов) на каждый из цветов. Для современных дисплеев стандартом de facto стало 256 градаций на цвет, что соответствует 16.777.216 цветовых оттенков.
Из нескольких возможных путей управления яркостью (по току, длительности, числу импульсов) в PDP получило распространение управление яркостью по числу импульсов. В простейшем случае такого управления кадр изображения с периодом Tk разбивается на N субкадров одинаковой длительности, число которых определяется выражением:
N = Tk/nTс
где n - число строк в панели, Tc - длительность строки. Для характерных значений Tk = 16 мс, n = 480, Tc = 3 мкс, получим N = 11. Так как этого количества явно недостаточно для получения качественного изображения, то во всех современных PDP для управления яркостью используется эффект памяти. В этом случае кадр изображения разбивается на 8 субкадров с различной длительностью поддержки, соответствующим 8 битовым плоскостям, как это показано на рис. 2.3
Рис. 2.3 Диаграмма управления яркостью PDP
Длительность периода записи равна 0,003х480 = 1,44 мс, а длительность поддержки меняется от 0,016 до 2,048 мс. Суммарная длительность кадра составляет около 16 мс.
2. Выбор конструкции ячейки
Рис. 3.1
А. Ячейка ГИП постоянного тока (DC PDP)
Проблема в такой конструкции заключается в ионной бомбардировке слоя люминофора, который из-за этого довольно быстро выгорает.
Б. Ячейка ГИП переменного тока (AC PDP) с поверхностным разрядом.
Принципиальная особенность этого варианта заключена в размещении дисплейных электродов на одной подложке. Ионные потоки, связывающие электроды, не достигают противоположной подложки с люминофорным покрытием и поэтому не разрушают его. В конструкции с поверхностным разрядом люминофор наносится непосредственно на стеклянную пластину. Нижние стеклянные пластины с внутренней стороны покрыты слоем проводника и диэлектрика (объемный разряд) или двумя слоями проводника и диэлектрика (поверхностный разряд). Назначение элементов описанных конструкций было описано в принципе работы, комментариев требует лишь присутствие слоя люминофора. Переход к поверхностному разряду существенно продлил время жизни люминофора, но не снял проблему, поскольку бомбардировка люминофора ионами ослабла, но не исчезла полностью
В. Ячейка с трехэлектродной структурой
Окончательное решение было найдено в трехэлектродной структуре, которая была впервые создана в
Г. «Перевернутая» ячейка с трехэлектродной структурой.
Атомы люминофора испускают фотоны в произвольном направлении. По условию задачи требуется, чтобы фотоны испускались преимущественно в сторону зрителя. По этой причине и было решено "перевернуть" ячейку, как показано на рис. г. Адресный электрод вместе с основной функцией проводника выполняет и вторую - зеркала, отражающего половину света, излучаемого люминофором, в сторону зрителя. Разрядные электроды приобрели выступы, более компактно локализующие разряд.
3. Расчет габаритов элементарной ячейки. Выбор газового наполнения
| ||||
| ||||
В связи с выше перечисленными фактами, а также опираясь на исследование [3] было решено взять за основу ячейку типа «Г», изображенную на рисунке 3.1.
Исходные данные – разрешение 853x480 (16:9), диагональ
Учитывая, что H=3*d (h принимаем = h’), найдем шаг пикселя H=0,95 мм, и межэлектродное расстояние d=0.32мм
Выберем газовое наполнение и давление газа. Согласно [4] для ГИП переменного тока при давлении около
Рис. 3.4
Учитывая приведенные выше факторы, выбираем газовое наполнение – Ne-He-Xe – c содержанием Хe около 5%. Задаемся давлением –
Рис. 3.5
Теперь требуется найти ширину электродов индикации а. Согласно [2],[3] ширина электродов влияет как на яркость ячейки, так и на ее напряжение зажигания. Пусть D мкм – оптимальная длина газоразрядного промежутка, тогда минимальное напряжение зажигания ячейки будет при описываться следующим уравнением [4]:
| |
(*)
Где а – ширина электрода мкм, L-толщина электрода мкм, A 1/(см*мм рт. ст) – постоянная в уравнении Таундсена для газа, γ - КВИИЭ диэлектрика, которым покрыты электроды. В качестве катодов могут использоваться материалы, отвечающие требованиям высокой эмиссионной способности и устойчивые к распылению В качестве материалов электродов выбирается керметное покрытие MgO-Ni, так как, согласно [4], применение такой смеси позволило снизить время запаздывания разряда на величину, эквивалентную снижению перенапряжения на 15-20%. Наилучшие параметры электрод приобретает после ионной обработки в плазме разряда с плотностью тока 15-20мА/см2 в течение 1.5-2часов. КВИЭЭ γ равен 0.2. Толщина электрода L выбирается исходя из имеющейся тонкопленочной технологии и варьируется 1-10мкм [2]. В настоящей работе L=8мкм.
Подставляя имеющиеся данные в (*) и решая с помощью пакета MathCad находим, что ширина электрода a=100мкм±3%.
В работе [4] установлено, что толщина М и диэлектрическая проницаемость ε диэлектрика, покрывающего поддерживающие электроды, обуславливает превышение внешнего напряжения, необходимого для возникновения разряда в ячейке над напряжением, необходимым для возникновения разряда в газовом промежутке. Следовательно при больших значениях М и ε ячейка будет потреблять большую мощность. С другой стороны при недостаточной толщине диэлектрика, заряда, накапливающегося в нем, будет недостаточно для пробоя. Эмпирически установлено, что при значениях ε<5 и M=40-50мкм разница не превысит 30%, что является допустимым значением. Потому выбираем среднюю толщину – M=45 мкм.
Остается рассчитать лишь ширину диэлектрических барьеров с. Сделать это можно по инженерной формуле, приведенной в [2]:
Где – ψ эмпирический коэффициент, зависящий от газового наполнения и находяшийся в пределах
Таким образом, для обеспечения заданной яркости в 500 Кд/м2, ширина диэлектрического барьера с = 50,2 мкм.
На стеклянные пластины накладывается несколько условий:
1. Быть непрозрачными для УФ света
2. Как можно более малая толщина но стекло должно выдерживать давление в 200 Торр.
3. Иметь малый коэффициент преломления.
Выберем кварцевое стекло типа КИ толщиной 15мм. [http://kvartzs.narod.ru/1.html] «Стекло кварцевое оптическое, прозрачное в видимой и инфракрасной областях спектра, без полосы поглощения в интервале длин волн 2600-2800 нм.»
На этом расчет габаритов ячейки завершается.
4. Выбор люминофора
Совершенствование люминесцентных ламп и плазменных цветных дисплеев в значительной мере зависит от выбора фотолюминофоров. Как правило, люминофорные экраны возбуждаются электронными или фотонными пучками соответствующих энергий. Отсюда следуют достаточно стандартные требования к подобным системам накачки, которые определяют эффективность светоизлучающих приборов в целом. Энергия бомбардирующих люминофор электронов или квантов света должна обладать определенной селективностью и соответствовать спектрам фотовозбуждения люминофоров, излучающих в заданных участках спектра для генерации света с определенными цветовыми характеристиками. Интенсивность высвечивания цветных люминофоров будет зависеть от эффективности выбранной системы накачки, квантового выхода люминофоров и геометрических характеристик нанесения люминофорных и технологических тонкопленочных покрытий, формирующих люминофорный экран для вывода излучения с заданными спектральными параметрами. При использовании R, G, B люминофоров в цветных плазменных дисплеях используется схема широтно-импульсной модуляции для кодирования уровня яркости при формировании полутоновых изображений. В этом случае требуется, чтобы люминофор успевал высветить всю вложенную в него энергию за период следования импульсов ультрафиолетовой накачки. Следовательно, важной характеристикой становится время высвечивания люминофоров.
В качестве люминофоров выберем стандартные отечественные:
ФГИ-455-2 (В-синий), состав:
ФГИ-528-1 (G-зеленый),
ФГИ-627/593-1 (R- красный).
Рис. 5.1.
Проведем расчет квантовой и спектральной эффективности. Квантовая эффективность фотолюминофора определяется тем, сколько фотонов видимого света возбуждает один фотон УФ спектра. Для обычных фотолюминофоров квантовый выход близок к единице, т.е. один фотон УФ спектра, достигший центра возбуждения люминофора, вызывает излучение одного фотона видимого света. Спектральная эффективность люминофора определяется соотношением длин волн возбуждения и излучения. Для рассмотренных ниже люминофоров, при длине волны УФ излучения 190 нм, квантовая эффективность составит:
· для красного люминофора Eqr= 190/593=0.327
· для зеленого люминофора Eqg=190/528=0.360
· для синего люминофора Eqb=190/455=0.418.
Спектры люминесценции получены [1] для этих марок люминофоров при возбуждении на длине волны 193 нм приведены на рис.. Спектр люминесценции для люминофоров ФГИ.455.2 (синий) и ФГИ.528.1(зеленый) представляет собой широкую полосу с максимумами на 457 нм и 523 нм соответственно. Спектр люминесценции люминофора ФГИ.627 (красный) представляет собой систему узких полос. Последнее обстоятельство накладывает повышенные ограничения на согласование спектра излучения разряда со спектром фотопоглощения люминофора с целью минимизации потерь при преобразовании энергии ультрафиолетового излучения разряда в видимое излучение, испускаемое люминофором. Следует отметить недостаточную яркость свечения зеленого люминофора. Интенсивности свечения, проинтегрированные по спектру излучения при одинаковых условиях накачки, соотносятся как 1:0.45:0.7 для синего, зеленого и красного люминофоров, соответственно.
Рис. 5.2 Спектр излучения синего люминофора ФГИ - 455. 2.
Рис. 5.3 Спектр излучения зеленого люминофора ФГИ - 428. 1.
Рис. 5.4 Спектр излучения красного люминофора ФГИ. 627.
Ниже представлен типичный вид зависимости интенсивности люминесценции от времени на разных временных шкалах. На них снята зависимость интенсивности люминесценции от времени для люминофора ФГИ.528.1 при накачке 12 нсек импульсом лазерного излучения на длине волны 193 нм.
Рис. 5.5 Временные характеристики люминесценции люминофоров ФГИ - 627, ФГИ. 528. 1 в разных временных масштабах.
Как можно видеть характерным является наличие трех постоянных времени высвечивания люминофора: to=0.047 мкс, t1=407 мкс и t2=6080 мкс. Мгновенное значение светового потока падает до 25% от максимальной интенсивности за первые 200 нс. Две последние постоянные времени определяют следующее распределение во времени высвечиваемой энергии: в течение первых 1.5 мсек выделяется 45% энергии, интенсивность светового потока падает до 10% от максимальной интенсивности; за следующие 8.5 мсек высвечивается остальные 55% и световой поток падает практически до нуля. Подобным образом ведет себя и красный люминофор ФГИ.628. Для него характерно наличие двух постоянных времени tо=42 нсек, связанной с быстрыми резонансными процессами, и t1 = 2.95 мсек, определяющей основные процессы, связанные с с высвечиванием световой энергии. Его характеристики сведены в следующую таблицу:
Рис. 5.6 Временные характеристики люминофора ФГИ.455.2.
Принципиально отличается временной спектр люминофора ФГИ.455-2. Видно, что практически вся световая энергия высвечивается в течение 20 мксек.
Одной из причин низкой световой отдачи светоизлучающих приборов может быть деградация люминофоров во время процессов технологической обработки с нагревом до 6000 С. Для оценки влияния этого фактора приведу зависимости яркости свечения люминофоров в максимуме полосы излучения для различных точек технологического цикла при производстве плазменных панелей. Максимально устойчивым является синий люминофор ФГИ-455-2. Для него падение яркости за время прохождения панели по технологическому циклу составило менее 10%. Люминофоры ФГИ-520 и ФГИ-627 с падением яркости на 35% и 23% соответственно, обладают пониженной термической стойкостью. При сравнении образцов панели на основе вышеперечисленных российских люминофоров и панели фирмы Fujitsu было обнаружено, что ФГИ.455.2 обеспечивает более чистый синий цвет, чем соответствующий японский люминофор, зеленые люминофоры одинакового качества, красный люминофор ФГИ-627/59-3-1 излучает красно-оранжевое свечение и проигрывает по чистоте света соответствующему японскому люминофору [5].
Световая эффективность люминофоров определяется т.н. кривой и спектрами излучения люминофоров Смоделированные спектры этих люминофоров (после балансировки по белому) показаны на рисунке. Модели спектров строились на базе справочных спектров и измеренных координат цветности в [4]
Рис. 5.7 Спектральная характеристика
Расчет оптических потерь в ячейке. Этот вид потерь связан с поглощением видимого излучения внутренней поверхностью ячейки и потерями при прохождении излучения через верхнее стекло. Такие потери можно сосчитать с помощью компьютерной программы «Graph Cell». Расчет дает цифру потерь α=15% для кварцевого стекла с коэффициентом преломления n=1.5 толщиной
Заключение
В настоящей работе были рассчитана структура, габариты, газовое наполнение и материалы для газоразрядной панели переменного тока. Основной сложностью в работе являлось нехватка, а вернее отсутствие доступной информации по принципам работы конструируемого прибора. Связано это со спецификой плазменной технологии, которую развивают, в основном, фирмы из Японии.
Рассчитанные параметры:
Газовое наполнение He-Ne+5%Xe
Давление Р=
Глубина газовой кюветы D=103 мкм
Шаг пикселя H=950мкм
Межэлектродное расстояние d=0.32мм
КВИЭЭ γ =0.2
Толщина электрода L=8мкм
Ширина электрода a =100мкм±3%.
Ширина диэлектрического барьера с = 50,2 мкм.
Толщина диэлектрического покрытия электродов M=45 мкм
Материал электродов MgO-Ni
Толщина стеклянных пластин –
Коэффициент потерь α=15%
Люминофоры
ФГИ-455-2 (В-синий), состав:
ФГИ-528-1 (G-зеленый),
ФГИ-627/593-1 (R- красный).
Список использованной литературы
1. Дамбраускас С.Г., Рахимов А.Т., Саенко В.Б. «Исследование спектральных и временных характеристик люминофоров» НИИЯФ МГУ, 2003
2. Лебедь, Виталий Николаевич «Исследование процессов генерации излучения в плазменных панелях»: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.27.02 / Ряз. гос. радиотехн. ун-т. - Рязань, 2006. - 16 с. - Библиогр.: с. 16
3. Ли Чун Ву «Исследование и проектирование полноцветных телевизионных газоразрядных индикаторных панелей»: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук : 05.27.02 / Рязан. гос. радиотехн. акад. - Рязань, 1997. - 12 с. - Библиогр.: с. 12
4. Чижиков, Алексей Егорович «Исследование и разработка путей повышения качества газоразрядных индикаторных панелей»: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук : 05.27.02 / Рязан. гос. радиотехн. акад. - Рязань, 1999. - 38 с. - Библиогр.: с. 32-38
5. http://www.elcp.ru/titles/elcomp/1999_01/10/ec_1999_01_10.zip Картинки с первого курсача
6. http://www.diagram.com.ua/info/art_video/10.shtml#top – введение и выбор типа ячейки
7. http://www.infor.sp.ru/index.htm - схема работы частотно-имульсной модуляции, расчет процента потерь
