Электротехнические материалы и изделия

Нематические жидкие кристаллы обладают хаотичным расположением молекул и непрозрачным для проходящего света дисплеем лишь до тех пор, пока молекулы не будут помещены в электрическое поле. Нематические жидкие кристаллы нашли широкое применение в одноцветных индикаторах и чёрно-белых дисплеях.

Холестерические жидкие кристаллы под воздействием электрического поля формируют слои, в которых  молекулы смещены на один и тот  же угол в пространстве. Это обстоятельство позволяет при наличии источника  белого света получать цветное изображение на экране дисплея. Таким образом, в цветных жидкокристаллических дисплеях применяют холестерические жидкие кристаллы.

По причине того, что  жидкие кристаллы не генерируют фотоны, для регистрации изображения  необходим внешний источник освещения. Его располагают либо за жидкокристаллическим дисплеем, либо перед ним, и тогда обычно можно полагать, что он работает на просвет, либо сбоку дисплея, и в этом случае иногда допустимо считать, что дисплей работает на отражение. Если по конструктивным соображениям источник света размещён сбоку от дисплея, то благодаря системе зеркал излучение попадает на его рабочую зону.

Электролюминесцентную подсветку жидкокристаллических дисплеев обеспечивают электролюминесцентные  лампы (EL), свет которых попадает на полупрозрачный отражатель, а затем на противоположную от стороны обзора пользователем сторону дисплея. Для питания электролюминесцентной лампы необходим источник питания, вырабатывающий переменное напряжение частотой в районе 400 Гц и величиной обычно от 80 В до 100 В.

Светодиодную подсветку  жидкокристаллических дисплеев обеспечивают наборы светодиодов (LED), излучение которых  поступает на специальное устройство, проводящее и рассеивающее свет. Поступающий  с него свет облучает заднюю сторону  дисплея.

Плазменные панели

Плазменной панелью  называют устройство, которое преобразует  видеосигнал в изображение на экране, синтез которого обусловлен свечением  люминофора под действием ионизации  разреженного газа, вызванной холодной плазмой. Пиксель цветной плазменной панели состоит из трёх герметичных отсеков. Каждый отсек заполнен инертным газом и покрыт специальным флюоресцирующим люминофором. В каждый отсек подведены электроды, при приложении к которым переменного напряжения прямоугольной формы амплитудой в несколько киловольт происходит ионизация инертного газа и возникает плазменный разряд. При электрическом пробое газа напряжение между электродами существенно уменьшается до 100 В … 250 В. Плазма порождает ультрафиолетовое излучение, подпадающее на люминофор, которым покрыта стенка отсека, и вызывает его свечение в видимом спектре. Свечение люминофоров в каждом пикселе плазменной панели возможно красного, синего и зелёного цветов. Шины питания и шины от электродов в отсеках, образуют прямоугольную сетку, а пиксели расположены в её перекрестиях. Выводы с той стороны отсеков, которую будет обозревать пользователь, должны быть прозрачными. Чтобы токопроводящие шины были не заметны пользователю, их выполняют из почти прозрачной медно-хромовой или оловянно-хромовой плёнки, нанесённой на стеклянную плиту.

Достоинства плазменных панелей: угол обзора до 170°, яркость  до 3000 кд / м², контрастность до 30000:1, диагональ до 500 дюймов, почти на порядок ниже вероятность возникновения брака во время изготовления по сравнению с электронно-лучевыми трубками, а также незначительное мерцание изображения. В течение первых нескольких лет эксплуатации плазменные панели обычно обладают более точной цветопередачей, чем жидкокристаллические дисплеи, но меньшей, чем у дисплеев с электронно-лучевыми трубками. Время отклика плазменной матрицы меньше, чем у жидкокристаллической матрицы. Плазменные матрицы, в отличие от электронно-лучевых трубок, не чувствительны к наличию магнитных полей, например, порождённых магнитными системами динамических головок акустических систем.

Недостатки: большая потребляемая мощность, выгорание люминофора после  нескольких лет непрерывной эксплуатации, невозможность выполнения пикселей меньше 0,2 × 0,2 × 0,1 мм из-за неустойчивого  возникновения плазмы. Время отклика  плазменной матрицы больше, чем у электронно-лучевой трубки.

Органические светодиодные дисплеи 

Органические светодиодные устройства (OLED) выполняют на основе многослойных токопроводящих люминесцирующих  сопряжённых полимеров, например, полифениленвинилена. На прозрачной подложке расположен анод, выполненный из In₄Sn₃O₁₂ обычно методом золь-гель технологии, к которому подсоединяют положительный полюс источника питания. Отрицательный полюс источника питания подключают к катоду, изготовленному из алюминия. Между анодом и катодом располагают эмиссионный материал. Между катодом и эмиссионным материалом возникают слои инжекции электронов и переноса электронов. Между анодом и эмиссионным материалом будут расположены слои переноса дырок и инжекции дырок. Протекание тока обусловлено движениями дырок из анода и электронов из катода в эмиссионный слой, где происходит рекомбинация, сопровождаемая эмиссией фотонов. Органические светодиоды объединяют в группы – пиксели, в которых излучения эмиссионных слоёв попадают на светофильтры красного, синего и зелёного цветов. При обратном включении источника питания не возникает выделения фотонов в эмиссионном слое.

Достоинства: отсутствие необходимости подсветки, угол обзора в 180°, весьма точная цветопередача, малые  масса и габариты. Также допустимо изготовление гибких дисплеев и дисплеев с толщиной всего в несколько миллиметров.

Недостатки: деградация пикселей при прямом попадании солнечного света, выход из строя люминофоров синего цвета через примерно тысячу часов непрерывной работы.

Дисплеи на углеродных нанотрубках

Углеродной  нанотрубкой именуют образование, имеющее длину от нескольких десятков нанометров до нескольких десятков миллиметров, похожее на полую трубу радиусом примерно в несколько нанометров, у которой стенки сформированы углеродом и обладают толщиной всего в один атом. Углеродные молекулы нанотрубок, имеющие сферическую форму, называют фуллеренами, а имеющие форму длинных трубок, концы которых имеют окончание в виде гладких полусфер, именуют тубеленами.Нанотрубки, кроме того, применяют для изготовления светодиодов, транзисторов, процессоров, прозрачных электродов, люминесцентных ламп и прочих, которые могут работать в условиях радиации. Теоретически возможно создание компонентов на нанотрубках, выдерживающих нагрев до температуры примерно в 1000 °C.

Сенсорные экраны

Сенсорным экраном называют устройство, монтируемое на обозреваемую пользователем поверхность дисплея, чувствительное к прикосновениям. При  поднесении пальца, указки, электронного пера и т.п. к выбранному изображению на поверхности дисплея, специальный контроллер считывает координаты точки прикосновения, и отправляет эти сведения на последующую обработку. Отслеживание места касания может быть реализовано согласно ёмкостной, резистивной, инфракрасной, тензометрической, на ПАВ, или электромагнитной технологиям. Сокращение «ПАВ» означает поверхностные акустические волны.

 Сенсорный экран, выполненный по ёмкостной технологии, состоит из стеклянной пластины, на которую сзади нанесена прямоугольная сетка из прозрачных токопроводящих электродов, к краям которой подсоединяют генераторы переменных напряжений. Достоинства: малое время отклика, составляющее обычно от 3 мс до 20 мс, число нажатий до выхода экрана из строя может превышать сотни миллионов, высокая механическая прочность. Недостаток: не реагирует на прикосновение непроводящим ток предметом.

Сенсорный экран, выполненный по резистивной технологии, имеет жёсткую пластину, покрытую резистивным веществом, перед которой располагают пластиковую мембрану, также покрытую резистивным веществом .Достоинства: низкая стоимость, чувствительность экрана к прикосновениям и проводящим, и диэлектрическим предметом. Недостатки: число нажатий до разрушения обычно на порядок меньше, чем у сенсорных экранов по ёмкостной технологии, а также ниже механическая прочность.

В сенсорном  экране, выполненном по инфракрасной технологии, сетка инфракрасных волн образована инфракрасными светодиодами, размещёнными с одной стороны экрана по вертикали и горизонтали, и принимаемая фототранзисторами, установленными с другой стороны экрана .Достоинства: чувствительность экрана к прикосновениям любым предметом, задерживающим инфракрасное излучение. Недостатки технологии: большое время отклика, высокая стоимость, возможность использования лишь для плоских дисплеев, низкая разрешающая способность.

 Сенсорный экран, выполненный по технологии ПАВ, обладает стеклянной плитой, по которой пропускают от источников к приёмникам колебаний поверхностно-акустические волны с частотой в несколько мегагерц. Достоинства: наработка на отказ сенсорного экрана на основе ПАВ обычно в несколько раз превышает наработку на отказ экрана по резистивной технологии. Недостатки: высокая стоимость, низкая разрешающая способность, ограниченная стоимостью изделия, чувствительность к механическим колебаниям, получение ошибочной информации при воздействии вибраций.

5.Фотоэлектрические  приборы

Как правило, все фотоэлектрические приборы - полупроводниковые. К полупроводниковым  относятся вещества, занимающие по величине удельного электронного сопротивления (или проводимости) промежуточное положения между проводниками (метал) и диэлектриками. характерным признаком полупроводников, выделяющим их электропроводности от концентрации примесей и электрических воздействий (температуры, света и др.). Например, даже при небольшом повышении температуры проводимость полупроводников резко возрастает (около5% на 1°С). Введения полупроводниках даже небольшого количества регулирующих примесей (около 10%) существенно увеличивается его проводимость. В электронике находят применения лишь органическое число известных полупроводников – германии, кремней, арсенид галлия. Бор, фосфор, мышьяк и другие используют в качестве легирующих примесей. Большинство полупроводниковых диодов изготавливаются на основе камня.

Полупроводники, применяются в электронике, имеют монокристаллическую структуру. Это значит, что по всему их объёму атомы размещены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. В такой идеальной кристаллической решетке все электроны связаны со своими атомами, потому такая структура не проводит электрический ток. Однако в полупроводниках сравнительно небольшие электрические воздействия (нагрев, облучение) приводят к отрыву некоторых электронов от своих атомов. Такие электроны называют электронными проводимости. Они перемещаются по кристаллической структуре и улучшают ее электропроводность. При уходе электрона связь (дырка). Ей присущ нескомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Это приводит к хаотическому возникновению дырок в связях других атомов, что эквивалентно хаотическому перемещению положительных зарядов. При наличии внешнего электрического поля дырка будет двигаться в направлении, определяемом силами поля, в кристалле возникает электрический ток. Движение электронов и дырок в полупроводнике обуславливает его собственную электропроводность. Она мала, ее можно улучшить, вводя в монокристалл легирующие примеси. Практически не существует полупроводников с чисто электронной или чисто дырочной проводимостью. Электропроводность полупроводников определяется основными носителями заряда, концентрация которых намного больше концентрации основных носителей. по функциональным возможностям полупроводниковые приборы можно разделить на три основных класса: диоды, транзисторы и тиристоры.

Излучающие полупроводниковые  приборы. Классификация фотоэлектрических  приборов и основные определения  Фотоэлектрическими называют приборы, в которых энергия оптического  излучения преобразуется в электрическую. Оптическим является электромагнитное излучение с длинами волн от 5 до 106 нм. В зависимости от длины волн оптическое излучение подразделяется на ультрафиолетовое (5… 400нм), видимое (400… 760нм),и инфракрасное (760… 106 нм). Действие фотоэлектрических приборов основано на явлении фотоэлектрического эффекта, которым называется процесс полного или частичного освобождения заряженных частиц в веществе в результате поглощения фотонов. Различают внутренний и внешний фотоэффект.

Внутренним фотоэффектом называются перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых телах и жидкостях в результате поглощения фотонов, которое сопровождается образованием дополнительных носителей зарядов или возникновением внутренней фото - эдс. Фото- эдс – электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике на p- n- переход под действием оптического излучения. Явления возникновения эдс в электронно-дырочном переходе или тока при включении фотоэлектрического прибора в электрическую цепь, происходящее в результате разделения электрических зарядов электрическим полем, обусловленным неоднородностью полупроводника и воздействием оптического излучения, называется фотогальваническим эффектом.

При воздействии светового  потока Ф на катод в цепи появляется фототок l ф. Если при Ф= const увеличивать напряжение между анодом и катодом U a, фототок сначала быстро возрастает до некоторого значения, а затем при дальнейшем увеличении U a остаётся практически неизменным

Внешним фотоэффектом называется явлением фотоэлектронной эмиссии, т. е. процесс электронной эмиссии, обусловленный энергией падающего оптического излучения.

Фотоэлектрические приборы обычно классифицируют по виду рабочей среды, типу фотоэлектрического эффекта, функциональному назначению и др. По виду рабочей среды фотоэлектрические приборы подразделяют на электровакуумные и полупроводниковые. В зависимости от типа фотоэффекта, лежащего в основе действия прибора, различают фотоэлектрические приборы с внешним фотоэффектом (электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители), фотоэлектрические приборы, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, полупроводниковые фотоэлементы). В зависимости от функционального назначения фотоэлектрические приборы подразделяются на фотоприёмники, фотодатчики и фотоэлектрические преобразователи энергии оптического излучения в электрическую. Фотоприёмники преобразуют световой сигнал в электрический и применяются, например, в аппаратуре факсимильной связи, устройствах считывания информации в вычислительной технике, киноаппаратуре. К особой группе фотоприёмников относят телевизионные передающие трубки. Фотодатчики предназначены для преобразования измеряемой величины (деформации, давления и т. д.) в электрический сигнал.  

Электровакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители 
Электровакуумные фотоэлементы. Принцип действия электровакуумных фотоэлементов основан на внешнем фотоэффекте. Для того чтобы электрон покинул поверхность катода, ему необходимо сообщить дополнительную энергию, достаточно для совершения работы выхода.