Позднее было обнаружено, что в электролюминесцентных приборах можно использовать различные типы светящихся материалов: порошки и пленки, излучающие при протекании переменного и постоянного тока. Однако по критерию “цена – потребительские свойства” безусловно лидируют ЭЛП на основе порошковых материалов переменного тока.
Этап бурного развития электролюминесценции как технического направления пришелся на 50–60 годы. К середине 70-х годов ЭЛП, имевшие в то время сравнительно небольшую яркость и срок службы, были вытеснены светодиодными, жидкокристаллическими и вакуумнолюминесцентными индикаторами и газоразрядными панелями. Однако уже с начала 80-х, благодаря появлению новых материалов с высокой стабильностью, на ЭЛП вновь стали смотреть с большей благосклонностью.
Спектр применения ЭЛ-приборов очень широк – от бытовой техники до специальных изделий. На панелях сегментного типа с динамическим управлением отдельными элементами строят знакосинтезирующие индикаторы высотой от 50 до 300 мм и толщиной от 1 до 5 мм, мнемосхемы технологических процессов, системы отображения информации для военной техники. Созданы и успешно используются матричные экраны с размерами пиксела 0,8 мм. Значительная доля ЭЛП предназначена для подсветки ЖК-индикаторов или шкал приборов.
ЭЛП незаменимы при создании светящихся поверхностей с низким потреблением и излучением энергии. Большой угол обзора в СОИ на ЭЛ-источниках света позволяет применять их в системах, где этот параметр критичен: в медицинской, промышленной и военной аппаратуре. ЭЛ-лампы идеально подходят для систем, эксплуатирующихся в экстремальных условиях. Они выдерживают удары, вибрацию, высокие и низкие температуры без разрушения. Полная герметизация делает ЭЛ-изделия стойкими к воздействиям морской соли и высокой влажности.
Крупные изображения на ЭЛП различимы на расстояниях до 5 км благодаря высокой контрастности. В ближайшем будущем возможно создание дисплея с габаритами 2 х 3 м для отображения любой информации, вплоть до телевизионного изображения.
ЭЛП, ИХ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Основной элемент конструкции ЭЛП – светящаяся часть. Обязательными элементами конструкции ЭЛ-прибора являются также электрические контактные пластины, герметизирующие элементы, корпус и электрический разъем . Светящаяся часть современных ЭЛП представляет собой плоский конденсатор, один из электродов которого прозрачен, а в качестве диэлектрика используется диспергированный в связующем материале порошковый люминофор на основе сульфида цинка. Светящаяся часть может быть выполнена на стеклянной подложке (толщина 3–8 мм), на полимерной пленке (толщина менее 1мм), на печатных платах и на основе алюминиевой фольги. Структуры на стекле и полимерной пленке представлены на рис.1.
В структурах на стекле и полимерной основе в качестве прозрачного электрода используют токопроводящие пленки оксида олова или индия, прозрачность которых превышает 80%. Слой органического диэлектрика с люминофором наносят на прозрачный электрод методом пульверизации или трафаретной печати. Непрозрачный электрод, как правило, изготавливают в виде тонкой пленки алюминия или меди методом магнетронного напыления. Реже в качестве непрозрачного электрода применяют пасту с порошком серебра (для дорогих и высоконадежных изделий) или с графитовым порошком.
Структуры ЭЛП с основой на печатной плате и на алюминиевой фольге отличаются тем, что роль непрозрачного электрода в этом случае играет сама основа. Электрические выводы могут быть размещены в любой удобной точке на периферии панели.
Цвет свечения ЭЛП зависит от типа люминофора – фактически, от активирующих добавок в сульфиде цинка – и может быть голубым (450–470 мм), зеленым (505–520 мм), желтым (580–585 мм), красным (600 нм). Яркость излучения ЭЛП прямо пропорциональна частоте питающего напряжения в рабочем диапазоне 50–2000 Гц и зависит от типа люминофора – ярче всего ЭЛП с зеленым или лимонно-желтым спектром излучения (см. табл.).
Величина питающего напряжения зависит от толщины слоя люминофора (толщины диэлектрика в плоском конденсаторе) и, как правило, составляет 100–250 В. Серийные панели выпускаются на структурах, работающих от напряжения 110 В.
Крайне важное эксплуатационное свойство ЭЛП – сохранение яркости свечения. Обычно в течение первых 100 часов работы яркость снижается на 10%, затем продолжает убывать по линейному закону. Ресурс ЭЛП чаще всего оценивают временем, за которое яркость по сравнению с начальной уменьшается в два раза. Для сохранения яркости электролюминофора уменьшают частоту возбуждающего напряжения.
Особые требования предъявляются к диэлектрическим связующим материалам в слое диэлектрика с люминофором – они должны обеспечивать необходимые градиенты напряженности при больших запасах электрической прочности. Для длительного сохранения свойств этого слоя применяют материалы с малой влагопроницаемостью, поскольку доминирующую роль в процессе старения играет именно влага. ЭЛ-изделия защищают от влаги и конструктивно – герметизируют.
Очень важно, что несмотря на небольшую толщину плоской равномерно светящейся панели (не более 1 мм для гибкой ЭЛП на основе органической пленки), ее можно изгибать, размещая на поверхности сложной формы.
Одно из основных преимуществ ЭЛП – малое потребление энергии. Типичное значение потребляемой мощности от 115-вольтового источника переменного тока с частотой возбуждения 60 Гц, достаточной для условий низкой освещенности, составляет 0,02 Вт/дм2. Когда необходима повышенная яркость – например, при более высокой внешней освещенности или для наружного применения – используют частоты порядка 400 Гц. Тогда потребление составит 0,14 Вт/дм2. Например, ЭЛП в качестве лампы подсветки пульта управления самолета будет рассеивать максимум 2 Вт, тогда как лампа накаливания аналогичной яркости – 7 Вт. Кроме того, содержание инфракрасного излучения в спектре ЭЛ-источников пренебрежимо мало, поэтому они с успехом применяются совместно с усилительными системами ночного видения.
ОСОБЕННОСТИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ЭЛП
Наиболее благоприятно для ЭЛП напряжение питания синусоидальной или близкой к ней формы. Крутые фронты и пиковые всплески в цепи питания нежелательны, поскольку они могут привести к пробою диэлектрического слоя и выходу ЭЛП из строя. Поскольку типовое напряжение питания, в зависимости от структуры ЭЛП, составляет 100–250 В (400–2000 Гц), панель можно запитывать от стандартных сетей питания (бытовых, бортовых и т.п.). Если же необходимо автономное питание, используют специальные источники – DC/AC-конвертеры с входным напряжением 3–12 В и мощностью 0,1–10 Вт. Такие источники питания строятся на основе различных генераторов или специальных микросхем.
Микросхемы для источников питания ЭЛП выпускают как зарубежные фирмы (Sipex и IMP), так и отечественные производители. Брянское предприятие "НТЦ схемотехники и интегральных технологий" выпускает специальную ИС – DC/AC-преобразователь К1224ПН5Р (ее ближайший функциональный аналог – SP4425Q фирмы Sipex). В схеме включения ЭЛП на ее основе (рис.2) напряжение повышается с помощью внешней индуктивности, на которой вырабатываются высоковольтные импульсы с частотой внутреннего генератора накачки. Фазой выходного напряжения управляет делитель частоты. Частота генератора определяется внешней емкостью. ИС содержит автогенератор частоты накачки; логические схемы для перевода ИС в дежурный режим с малым потреблением тока (до 100 нА); делитель частоты, задающий период переключения фазы выходного напряжения; высоковольтный транзисторный ключ накачки и два высоковольтных тиристорных ключа для изменения фазы выходного напряжения. Напряжение питания ИС – 2,2–5 В, выходное напряжение – до 220 В.
Наиболее экономичный режим работы обеспечивают резонансные схемы включения ЭЛП, когда панель используется как элемент емкости LC-генератора. В этом случае параметры элементов схемы рассчитываются на конкретную нагрузку (площадь панели).
ЭЛП КОМПАНИИ "ЭЛЛИПС-СЕРВИС"
Разработкой и производством приборов на основе ЭЛ-порошков сульфида цинка заняты известные зарубежные фирмы: Ball Engineering, Luminescent Systems, Lumenousfilm, EL Products (США), Sumitomi Chem (Япония), Sinel SpA (Италия), Phospor Products (Англия). Опыт создания СОИ на основе ЭЛП есть и у российской фирмы "Эллипс-сервис" (www.ellips-s.com). Эта компания разработала и произвела СОИ на основе ЭЛП для авиакосмической, военной промышленности и энергетики. Среди них: комплект бортовых ЭЛ-приборов индикации и сигнализации пилотируемых космических комплексов; знакосинтезирующие индикаторы для цифробуквенных табло коллективного пользования (командные пункты ПВО); мнемосхемы функционального контроля энергощитов атомных электростанций и др. Благодаря применению новых материалов и более совершеннх технологий фирме удалось заставить работать ЭЛП в бытовых устройствах. Освоено производство надежных аварийных светоуказателей, плоских рекламных панелей, использование ЭЛП в таких областях, как тюнинг автомобилей (подсветки в салонах, подсветки приборных панелей) и малой авиации, светящихся нагрудных знаков.
ЭЛП фирмы, при высокой контрастности, обеспечивают яркость свечения 30–50 кд/м2 при частоте 50 Гц, 200–350 кд/м2 – при частоте 1000 Гц; малое энергопотребление (0,1–0,3 Вт/дм2 при 50 Гц, 1,4–1,9 Вт/дм2 при 1000 Гц со специальными источниками питания для получения изображения повышенной яркости); равномерное по площади свечение и большой угол обзора (160–180°); высокую устойчивость к климатическим (температура – от -50 до 80 °С, влажность – до 100%) и механическим (до 5g) воздействиям. Для изделий, работающих на улице, отработана технология формирования специального ударопрочного покрытия панелей – триплекса. Сроки службы – до 30 тыс. ч (при питании 220 В и частоте 50 Гц) и до 15 тыс. ч (при питании 220 В и частотах 400–1000 Гц). При выработке ресурса панель не перегорает, а лишь уменьшается яркость ее свечения.
Напряжение питания – 100–250 В, 50–1000 Гц. Масса квадратного дециметра ЭЛП на основе гибкой полимерной пленки – не более 20 г. Размеры панелей – до 300 х 300 мм. Цены приборов – порядка 10 долл./дм2.
Типичный пример ЭЛП фирмы "Эллипс-сервис" – аварийный указатель "ВЫХОД", работающий от сети питания 220 В, 50 Гц. В структуре использован люминофор зеленого цвета серии ЭЛФ и нитрильный каучук или полимер на основе фторопласта в качестве связующего. Яркость ЭЛП – 10 кд/м2.
Среди типовой продукции "Эллипс-сервис":
· панели для подсветки ЖКИ и лицевых панелей приборов толщиной 0,8–1 мм с габаритными размерами до формата А4. Яркость свечения 50–150 кд/м2, ресурс – 10–30 тыс. ч., ориентировочная стоимость – 150–200 руб./дм2;
· цифробуквенные индикаторы и табло на их основе с высотой знака от 100 до 500 мм. Формат табло – одна строка, 20 символов. Цвет символов – зеленый, яркость элемента – не менее 50 кд/м2, гарантированный уровень допустимой внешней освещенности – не менее 30 лк. Управляющий интерфейс – RS-485. Рабочий диапазон температур – от -20 до 50 °С;
· аварийные светоуказатели, соответствующие нормам пожарной безопасности НПБ160-97.
Изделия поставляются с источниками питания. Фирма разрабатывает и изготавливает контроллеры для ЭЛП, обеспечивающие различные светодинамические эффекты. Программы коммутации пишутся в соответствии с желаниями заказчика.
Представляем автора статьи
Сушков Валерий Яковлевич. Технический директор фирмы "Эллипс-сервис", входящей в холдинг "Сантэл". Окончил факультет энергомашиностроения МВТУ им. Баумана. Долгое время работал на предприятиях ОПК. Сфера научных интересов – СОИ на базе электролюминесценции.
Тел. (095) 782-27-96. Email: ellips@hotbox.ru.