Индикаторы состояния

Ламповые индикаторы имеют широкую область применения. В некоторых случаях они указывают на наличие рабочих усло­вий, например на включение питания в различных приборах или на занятость линии в клавишном телефоне. В других случаях они служат предупреждающими сигналами, например в раз­личных указателях на приборной панели современного автомо­биля. Во всех перечисленных случаях необходимо, чтобы на­блюдатель сразу замечал момент включения лампы и чтобы включенное и выключенное состояния четко различались. Вы­полнение первого требования обычно обеспечивается соответ­ствующим оформлением индикатора, а выполнение второго тре­бования — конструкцией самой лампы. Обычно требуется, чтобы свет лампы был приятен для глаз, т. е. чтобы был обеспечен световой комфорт. Точные условия светового комфорта указать трудно; они определяются специальной системой тестов. Для достижения светового комфорта необходима оптимальная ком­бинация зрительного восприятия, размеров, яркости и кон­траста. На рис. 7.9 приведены некоторые из оптимальных усло­вий зрительного восприятия источника света заданной площади, при которых можно ожидать светового комфорта. Обычно раз­меры полупроводникового кристалла выбирают как можно ма­лыми при заданном световом выходе. Типичные габариты кри­сталла колеблются от 250 X 250 до 500 X 500 мкм. Видимый размер лампы определяется диаграммой распределения света рефлектором (рис. 7.6, г) или рассеиванием света покрытием. Если необходимость в широком угле наблюдения отсутствует, то видимое изображение лампы можно увеличить g помощью

20 П 10 7 5 3 2 1,4 1,0 0,7 0,5

Диаметр оВъекта, угм. мин.

Рис. 7.9. Примерная область оптимального соотношения между диаметром объекта, яркостью н контрастом, прн котором обеспечивается световой ком­форт (1 млб = 3,2 кд/м2).

пластмассовых линз (рис. 7.6,в). Линейное увеличение в зави­симости от угла наблюдения дается формулой

Увеличение = [1/(1—cos 0)]'/!. (7.1)

Графически эта зависимость представлена на рис. 7.10. Для многих применений достаточно угла наблюдения 60—90°, что позволяет использовать линейное увеличение в 1,8—2,7 раза и соответственно уменьшить потребляемую мощность в ~2— 4 раза.

Контраст изображения обычно достигается добавлением кра­сителя в пластмассовое покрытие или с помощью внешнего све­тофильтра. Идеальный светофильтр поглощает свет, падающий на него снаружи, так что выключенная лампа кажется темнее фона. Кроме отсутствия блеска (что будет рассмотрено при обсуждении цифровых индикаторов), основное требование, предъявляемое к светофильтру, состоит в том, чтобы пропуска­ние им окружающего света (за два прохождения через фильтр) было не больше, чем отражение этого света от поверхности, ок­ружающей индикатор.

Вместе с тем основная функция светофильтра состоит в уси­лении светового воздействия лампы в включенном СОСТОЯНИИ. Анализ требований к идеальному светофильтру для красных и желто-зеленых светодиодов из GaP можно провести следующим образом [5]. Рассмотрим конструкцию лампы, в которой боль­шая часть излучаемого света отражается от элементов, окру­жающих светодиод. Такой рефлектор, имеющий коэффициент отражения R(K), отражает также и окружающий свет, попа­дающий на лампу. Обозначим через /#(0, <р, К) спектральную

Индикаторы состояния

Угол наблюдения В, град

Рис. 7.10. Зависимость угла наблюдения от коэффициента линейного увели­чения

Необходимая яркость обратно пропорциональна квадрату линейного увеличения.

силу света лампы на длине волны X в направлении (0, <р); тогда световой поток Ф0(*, излучаемый в направлении наблюда­теля, равен

Фс*=5/ДЛЖЛ)/г(Я, М(Я,), (7.2)

если предположить, что свет диода (а также и окружающий свет) отражается от корпуса прибора только один раз. При на­личии светофильтра со спектром пропускания Г(Я) выходящий из лампы световой поток равен

Ф'ы = h W У (*) Я W Т (X) dX. (7.3)

Коэффициент пропускания светофильтра для излучения со спектральной силой 1е(Х) определяется выражением

Г = (7.4)

а величина 1 — Т представляет собой соответственно потери из­лучения, связанные с фильтром. Для идеального фильтра эти потери сведены до минимума.

Аналогичным образом можно определить величину Та, ко­торая характеризует вызванное светофильтром ослабление окру­жающего излучения, отраженного от лампы (учитывая, что ок­ружающий свет проходит через фильтр дважды). Наибольший интерес представляет величина яркостного контраста С между рключенным (излучение светодиода и окружающий свет) и вэд- ключенным (только окружающий свет) состояниями:

С = (Ф;, + Ф;'а)/Ф", ■ (7.5)

где Фса— световой поток, идущий от лампы в выключенном со-, стоянии (индекс а означает окружающий свет, а два штриха соответствуют двум прохождениям света через фильтр).

Показатель качества фильтра rjf можно определить как про­изведение воспринимаемого светового потока на контраст

^=сф;,. (7.6)

Если предположить, что отражение от корпуса лампы по­стоянно во всем видимом спектре и что Фей > Фиа, то уравнение (7.6) можно записать в виде

f2 (7 Ті

•* a ^va

Первый сомножитель в этом равенстве является мерой спек­тральной избирательности фильтра и называется индексом цве­товой корреляции [5] (см. также табл. 7.3). Для нейтрального светофильтра, для которого Т(Х)= const, эта величина равна 1. Таким образом, индекс цветовой корреляции определяется не абсолютным коэффициентом пропускания светофильтра, а спек­тральной согласованностью фильтра с излучением светодиода и окружающим светом.

Величины Т и Т'а можно легко рассчитать из данных по спектральному коэффициенту пропускания светофильтра. Если имеются образцы светофильтров, то проще всего измерить эти величины непосредственно с помощью фотоприемника, спек­тральная чувствительность которого совпадает с кривой чув­ствительности глаза. В этом случае величина Т равна просто от­ношению токов фотоприемника со светофильтром между диодом и приемником и без светофильтра. Аналогично величина Т' равна отношению тока фотоприемника, когда окружающий свет попадает на него, пройдя через двойной слой фильтра, к току при непосредственном падении окружающего света иа фото­приемник.

Кроме описанной спектральной избирательности, большое значение имеет общий «нейтральный» коэффициент ослабления фильтра. Он должен быть подобран так, чтобы обеспечить же­лаемый контраст при минимальном токе через светодиод. На­пример, при очень ярком освещении может понадобиться очень плотный фильтр (для уменьшения Т'а)г даже несмотря на умень­шение пропускания излучения светодиода и соответственно на Необходимость повышения тока через диод. Оптимальный фильтр

Индикаторы состояния

Л, нм

Рис, 7.11. Спектральное распределение светового потока желто-зеленого све­тодиода из GaP: N (световой поток на выходе равен 1 лм) и других искус­ственных источников света.

Заштрихованная область соответствует полосе пропускания идеального светофильтра.

всегда представляет собой компромисс между яркостью инди­катора и ослаблением окружающего света.

Для излучения, приходящегося на край видимой части спектра (красные светодиоды из GaAsi-xP* или GaP:Zn,0), наиболее эффективен красный светофильтр с резким краем по­лосы пропускания (рис. 7.4). С другой стороны, для излучения в середине видимой части спектра более эффективен свето­фильтр с узкой полосой пропускания (рис. 7.11). Из сравнения рис. 7.4 и 7.11 следует, что желто-зеленый светофильтр пропу­скает больше рассеянного света, чем красный, так что он прин­ципиально менее эффективен, чем красный светофильтр. (Этот недостаток в значительной степени устраняется, если светодиод располагается на поглощающем фоне, а для вывода света ис­пользуется полусферическая конструкция, рассмотренная в гл. 6.) В табл. 7.2 [5] приведены параметры красных и желто - зеленых светофильтров, определенные для двух различных источников рассеянного света: лампы накаливания мощностью 60 Вт и белой люминесцентной лампы мощностью 15 Вт. Для сравнения приведены параметры трех нейтральных (ND) свето­фильтров: экспериментально полученное отклонение величины Г2/Г' от 1 показывает, что эти фильтры не являются полностью нейтральными.

Фильтр «В» состоит из пластин плексигласа 2092 (толщиной 1 мм) и 2422 (толщиной 16,5 мм) и в настоящее время изве­стен под маркой «плексиглас 2695». Максимум пропускания этого фильтра почти точно совпадает с пиком излучения свето-

Таблица 7.2

Характеристики светофильтров для светодиодов из GaP [5]

Тип фильтра

Л)

Лампы

накаливания

Люминесцентные лампы

С

а і

тщт'а

К

г*/г'

Параметры светофильтров для красных светодиодов из

GaP

Корнинг 2-58

0,15

0,0032

6,6

0,0005

42

Красная пластмасса3)

0,24

0,0064

9,0

0,0017

х__ _Э4

Параметры светофильтров

для желто-зеленых сф&тодиодов

GaP:N

Корнинг 4-77

0,224

0,021

2,38

0,023

2,1

Корнинг 4-65 Фильтр „В“ (плекси­

0,61

0,27

1,38

0,31

1,17

глас 2695)

0,48

0,10

2,25

0,129

1,8

ND 0,1

0,79

1,0

1,0

ND 0,2

0,64

1,1

1,0

ND 0,3

0,82

1,2

1.1

Ч Т— коэффициент пропускания фильтром излучения светодиода.

2) Та~коэффициент пропускания фильтром окружающего излучения (за два прохож­дения).

3) Материал аналогичен плексигласу 2400.

диода; по своим характеристикам он довольно близок к идеаль­ному светофильтру, показанному на рис. 7.11. Большое разли­чие в значениях параметра Т2/Т'а у красных и зеленых филь­тров не является неожиданным, поскольку спектр излучения зе­леных светодиодов в значительной степени перекрывается со спектром внешнего, рассеянного света. Из величины этого па­раметра можно сделать вывод, что красные светофильтры на порядок эффективнее зеленых.

Кроме выполнения функций светофильтра, пластмассовое по­крытие может также формировать различные _ диаграммы на­правленности излучения. Ламбертовскую диаграмму направлен­ности, которую имеет открытый светодиод из прямозонного по­лупроводника, можно существенно изменить с помощью про­зрачных пластмассовых линз (рис. 7.6, в); при этом увеличение силы света в направлении оси линзы за счет уменьшения угла наблюдения равно приблизительно квадрату коэффициента ли­нейного увеличения (рис. 7.10). Включения частичек материала с высоким показателем преломления, например Si02 или TiOj, приводят к равномерному распределению света по пластмассо­вому покрытию, что увеличивает угол наблюдения и видимые размеры светодиода, но уменьшает аксиальную силу света.

Оставить комментарий