Способ управления плазменным дисплеем переменного тока

 

Разработан способ управления плазменным дисплеем переменного тока, обеспечивающий улучшенные эксплуатационные характеристики дисплея, а именно высокий КПД, повышенную яркость свечения и низкое рабочее напряжение, и не требующий для своей реализации сложных, громоздких и дорогостоящих конструктивных решений. В разработанном способе реализована подача на электроды ячеек высокочастотного поддерживающего напряжения, при котором амплитуда колебаний электронов в разряде меньше разрядного промежутка. Это позволяет поддерживать в ячейках дисплея высокочастотный разряд, характеризующийся малыми потерями и квазистационарностью, что обеспечивает высокий КПД и повышенную яркость свечения дисплея и позволяет использовать для избирательного гашения ячеек гасящие импульсы малой амплитуды, величина которой определяется условием распада плазмы в газе. 11 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к способам управления визуальными индикаторами, выполненными в виде газоразрядного прибора со скрещенными электродами, и может быть использовано, например, в информационных дисплеях, используемых в летательных аппаратах, телевидении, персональных компьютерах, рекламном деле и т.д.

В последние годы резко возрос интерес исследователей и разработчиков информационных дисплеев к плазменным дисплеям как к наиболее перспективному направлению в области производства дисплеев большого размера. Конструктивно плазменный дисплей, как правило, представляет собой две подложки, на которых размещены ряды электродов, при этом подложки ориентированы друг относительно друга таким образом, что ряды электродов, размещенных на подложках, взаимно ортогональны. Области пересечения ортогональных электродов образуют ячейки, которые заполнены газом или смесью газов. Возбуждение разряда в газе, заполняющем ячейки, в определенной последовательности позволяет осуществлять отображение информации. По виду электрического напряжения (постоянного или переменного), прикладываемого к электродам ячеек, плазменные дисплеи подразделяются на два больших класса: дисплеи постоянного тока и дисплеи переменного тока (в первом случае имеется в виду лишь однополярность напряжения, форма же может быть различной).

Широко известны дисплеи постоянного тока, в которых возбуждение разряда осуществляется постоянным напряжением, прикладываемым к неизолированным электродам [1-3].

Общей конструктивной особенностью дисплеев этого класса является то, что электроды находятся в электрическом контакте с газоразрядной плазмой, что само по себе является недостатком, поскольку под действием плазмы электроды распыляются, что приводит к изменению состава и давления газа в газоразрядной ячейке и, как следствие, к изменению ее электрических параметров. Другим недостатком дисплеев постоянного тока является трудность реализации свойства памяти - поддержание разряда в ячейке после зажигания - из-за отрицательной вольт-амперной характеристики тлеющего разряда. Для устранения этого недостатка применяют балластные сопротивления в ячейках, которые уменьшают КПД [4], либо используют в качестве поддерживающего напряжения последовательность однополярных импульсов [3], что не обеспечивает достаточной стабильности поддержания разряда в ячейках.

В классе дисплеев постоянного тока известно создание конструкций и способов управления ими, основанных на использовании положительного столба разряда в качестве источника ультрафиолетового излучения, который намного эффективнее отрицательного свечения (IEEЕ Trans, on Plasma Science, V. 19 (1991), N 6, p. 1042 - 1043).

Однако неизбежное при этом увеличение длины разряда приводит либо к увеличению рабочего напряжения, поскольку к катодному падению напряжения добавляется падение на положительном столбе разряда, либо к усложнению конструкции - введению дополнительных электродов и усложнению конфигурации ячейки.

Наилучшие параметры были достигнуты в дисплеях переменного тока, использующих для возбуждения разряда в ячейках импульсное напряжение переменной полярности с характерной частотой следования импульсов 10 - 100 кГц, которое подают на электроды, изолированные от плазмы слоем диэлектрика. При этом, как правило, наряду с защитой электродов от распыления решается задача повышения коэффициента вторичной эмиссии электронов [8, 5 и 6]. В этих дисплеях свойство памяти обеспечивается накоплением заряда на диэлектрической стенке в течение разряда при напряжении одной полярности и добавлении напряжения, создаваемого этим зарядом, к напряжению следующего импульса обратной полярности так, что суммарное напряжение оказывается выше пробойного в то время, как одного только напряжения поддерживающих импульсов недостаточно для пробоя ячейки. Таким образом, однажды зажженная ячейка будет пробиваться в каждом следующем импульсе поддерживающего напряжения, пока не будет погашена специальным гасящим импульсом.

Специфическим недостатком дисплеев такого типа является недостаточная яркость, обусловленная малой длительностью разряда (десятки наносекунд), по сравнению с периодом повторения импульсов, вследствие чего подавляющую часть времени разряд в ячейках отсутствует.

Известен способ управления дисплеем переменного тока [7], по которому в целях увеличения яркости, а также упрощения управления, используют сравнительно высокую частоту следования импульсов (до 8 МГц), отказываясь при этом от свойства памяти, поскольку при такой частоте следования импульсов заряд на стенке не успевает формироваться. Последнее обстоятельство, однако, существенно уменьшая максимальное время пребывания ячейки во включенном состоянии, практически ликвидирует выигрыш в яркости за счет увеличения частоты следования.

Ближайшим аналогом разработанного способа по совокупности сходных существенных признаков является способ управления плазменным дисплеем переменного тока [8]. По этому способу на изолированные электроды ячеек подают поддерживающее напряжение в виде последовательности импульсов переменной полярности с частотой следования 10 - 100 кГц. Избирательное управление состоянием ячеек - возбуждение и гашение разряда в них - осуществляется подачей на соответствующие электроды - ряды и колонны - поджигающих импульсов напряжения и гасящих импульсов напряжения.

Недостатками этого способа управления дисплеем так же, как и других известных, независимо от вида используемого напряжения (постоянного, либо переменного), являются низкий КПД, низкая интегральная яркость свечения дисплея и высокое рабочее напряжение, определяемое большой амплитудой импульсов, осуществляющих избирательное гашение ячеек. Одной из основных причин низкого КПД существующих способов управления дисплеем является низкая эффективность преобразования электрической энергии, поглощаемой в ячейке, в световое излучение разряда, не превышающая, как правило, 10%. Это обусловлено тем, что подавляющая часть электрической энергии расходуется на нагрев ионов в катодной области и ионизацию газа, необходимую для компенсации быстрого дрейфового выноса электронов из разряда. Причина низкой яркости свечения заключена, как указывалось выше, в большой скважности импульсов тока в ячейках или в низкой частоте следования импульсов поддерживающего напряжения. Необходимость использования импульсов большой амплитуды для избирательного гашения ячеек в известных способах связана с тем, что подача гасящих импульсов должна обеспечить пробой соответствующих ячеек, а минимальное пробойное напряжение, определяемое сортом газа и материалом электродов, для используемых в дисплеях газовых смесей составляет около 200 В.

Таким образом, задачей изобретения является разработка способа управления плазменным дисплеем переменного тока, обеспечивающего улучшенные эксплуатационные характеристики плазменного дисплея переменного тока, а именно высокий КПД, повышенную яркость свечения и низкое рабочее напряжение, и не требующего для своей реализации сложных, громоздких и дорогостоящих конструктивных решений.

Сущность разработанного способа управления плазменным дисплеем переменного тока заключается в том, что он так же, как и способ управления, являющийся ближайшим аналогом, включает подачу на электроды ячеек плазменного дисплея поддерживающего напряжения и поджигающих импульсов напряжения, возбуждая тем самым разряд в газе, заполняющем ячейки, с последующей подачей на электроды ячеек гасящих импульсов напряжения.

Новым в разработанном способе является то, что поддерживающее напряжение формируют высокочастотным и разряд в газе поддерживают высокочастотным, при этом амплитуда колебаний электронов в разряде меньше разрядного промежутка, а параметры гасящих импульсов напряжения выбирают из условия распада плазмы в газе.

В частном случае поджигающие импульсы напряжения подают на основные электроды.

В конкретной реализации этого частного случая поджигающие импульсы напряжения формируют в виде видеоимпульсов, амплитуда которых превышает критическое напряжение на электродах ячейки, при котором частота ν_i ионизации газа в ячейке определяется соотношением ν_i ≥ (2V_e/L)lnN_e/N_o, где V_e - скорость дрейфа электронов; L - расстояние между электродами; N_e - заданная концентрация электронов в ячейке в рабочем режиме; N₀ - начальная концентрация электронов в ячейке, при этом длительность τ₁ видеоимпульсов определяется соотношением В другой конкретной реализации поджигающие импульсы напряжения формируют в виде радиоимпульсов, амплитуда которых превышает пробойное напряжение ячейки, частота заполнения радиоимпульсов определяется условием поддержания амплитуды колебаний электронов в разряде меньшей разрядного промежутка, а их длительность τ₂ определяется соотношением τ₂>{1/(ν_i-ν_d)}lnN_e/N_o,
где
ν_d - частота диффузионных потерь.

В другом частном случае поджигающие импульсы напряжения подают на дополнительные электроды, при этом амплитуда поджигающих импульсов напряжения превышает пробойное напряжение ячейки.

В другом частном случае поджигающие импульсы напряжения подают на ячейки дисплея избирательно.

В другом частном случае поджигающие импульсы напряжения подают на все ячейки дисплея одновременно.

Целесообразно подавать гасящие импульсы напряжения на ячейки дисплея избирательно.

В конкретной реализации гасящие импульсы напряжения подают на основные электроды. В другой конкретной реализации гасящие импульсы напряжения подают на дополнительные электроды. При этом при выполнении электродов изолированными амплитуда U₁ и длительность t₁ гасящих импульсов определяются соотношением U₁ = L²/b_et₁, где b_e - подвижность электронов, а при выполнении электродов неизолированными амплитуда U₂ и длительность t₂ гасящих импульсов определяются соотношением U₂=L²/b_it₂, где b_i - подвижность ионов.

В разработанном способе управления плазменным дисплеем переменного тока подача на электроды ячеек высокочастотного поддерживающего напряжения, при котором амплитуда колебаний электронов в разряде меньше разрядного промежутка, позволяют реализовать в ячейках дисплея высокочастотный разряд, характеризующийся малыми потерями и квазистационарностью. Это обеспечивает высокий КПД и повышенную яркость свечения дисплея и позволяет использовать для избирательного гашения ячеек гасящие импульсы малой амплитуды, величина которой определяется условием распада плазмы в газе, и позволяет тем самым решить задачу, на решение которой направлено изобретение, а именно разработать способ управления, обеспечивающий улучшенные эксплуатационные характеристики плазменного дисплея переменного тока и не требующий для своей реализации сложных, громоздких и дорогостоящих конструктивных решений.

На чертеже приведен вариант структурной схемы устройства, с помощью которого может быть реализован предложенный способ управления плазменным дисплеем переменного тока.

Устройство содержит источник 1 поддерживающего напряжения, источник 2 поджигающих импульсов напряжения и источник 3 гасящих импульсов напряжения. Выходы источников 1, 2 и 3 соединены с электродами ячеек плазменного дисплея 4.

Источник 1 предназначен для формирования высокочастотного поддерживающего напряжения. В конкретной реализации в качестве источника 1 может быть использован стандартный ВЧ генератор, работающий в мегагерцевом частотном диапазоне. В общем случае параметры поддерживающего напряжения определяются условием поддержания амплитуды колебаний электронов в разряде меньшей разрядного промежутка и зависят от размеров ячеек дисплея, состава и давления газа, заполняющего ячейки, и др. Эти параметры могут быть вычислены, например, по методике (Райзер Ю.П. и др. Высокочастотный емкостной разряд. - М.: Наука-Физматлит, 1995, с. 30-37). Для типичных параметров ячеек целесообразно использовать поддерживающее напряжение с частотой более 20 МГц.

Источник 2 предназначен для формирования поджигающих импульсов напряжения. В одном частном случае источник 2 обеспечивает формирование видеоимпульсов, амплитуда которых превышает критическое напряжение на электродах ячейки, при котором частота ν_i ионизации газа в ячейке определяется соотношением
ν_i ≥(2N_e/L)lnN_у/N_o,
где
V_e - скорость дрейфа электронов;
L - расстояние между электродами;
N_e - заданная концентрация электронов в ячейке в рабочем режиме;
N₀ - начальная концентрация электронов в ячейке.

При этом длительность τ₁ видеоимпульсов определяется соотношением

В другом частном случае источник 2 обеспечивает формирование радиоимпульсов, амплитуда которых превышает пробойное напряжение ячейки. При этом частота заполнения радиоимпульсов определяется условием поддержания амплитуды колебаний электронов в разряде меньшей разрядного промежутка, а их длительность τ₂ определяется соотношением
τ₂>{1/(ν_i-ν_d)}lnN_e/N_o,
где
ν_d - частота диффузионных потерь.

Источник 3 предназначен для формирования гасящих импульсов напряжения в виде одиночных видеоимпульсов заданной длительности и амплитуды.

В качестве плазменного дисплея 4 может быть использован, например, плазменный дисплей переменного тока [8] или дисплей [6], или другой аналогичный.

Разработанный способ управления плазменным дисплеем переменного тока с помощью устройства, структурная схема которого приведена на чертеже, реализуется следующим образом.

На основные электроды ячеек плазменного дисплея 4 подают высокочастотное поддерживающее напряжение с помощью источника 1. Амплитуда этого напряжения меньше пробойного значения, поэтому разряд в газе, заполняющем ячейки, не возбуждается. Затем на основные либо на дополнительные электроды ячеек подают поджигающие импульсы напряженны с помощью источника 2.

При подаче поджигающих импульсов напряжения на основные электроды в одном частном случае эти импульсы формируют в виде видеоимпульсов, а в другом частном случае - в виде радиоимпульсов. В общем случае амплитуда этих импульсов превышает пробойное напряжение ячейки. Кроме того, при формировании поджигающих импульсов напряжения в виде видеоимпульсов в случае, когда электроды выполнены изолированными, амплитуду и длительность этих импульсов выбирают так, чтобы, с одной стороны, концентрация возникающей плазмы в течение импульса достигла величины, при которой диффузия заряженных частиц становится амбиполярной, а с другой стороны, на диэлектрическом покрытии катода не успел накопиться электрический заряд, который может помешать поддержанию высокочастотного разряда в ячейке. При этом в одном из вариантов способа поджигающие импульсы напряжения подают на все ячейки одновременно, а в другом - избирательно. В результате в газе, заполняющем ячейки, на которые поданы поджигающие импульсы напряжения, возбуждается разряд. После окончания поджигающего импульса разряд поддерживают высокочастотным с помощью высокочастотного поддерживающего напряжения, при этом амплитуда колебаний электронов в разряде поддерживается меньшей разрядного промежутка. Поддержание амплитуды колебаний электронов в ВЧ поле меньшей разрядного промежутка приводит к тому, что электроны остаются в плазме - их потери обусловлены в этом случае амбиполярной диффузией, которая намного меньше дрейфового выноса, имеющего место в низкочастотных разрядах. Поэтому затраты электрической энергии на ионизацию газа, призванную компенсировать потери заряженных частиц, в ВЧ разряде меньше, чем в НЧ разряде. Кроме того, падение напряжения на приэлектродных слоях меньше, поскольку в них ток в основном переносится током смещения, что уменьшает и потери энергии на нагрев ионов. Результатом является высокий КПД плазменного дисплея. Высокочастотный разряд квазистационарен, т. е. излучает непрерывно в течение всего времени, пока приложено поддерживающее напряжение. Поэтому максимальная яркость свечения ВЧ дисплея выше, чем в дисплеях переменного тока, когда излучение ячеек состоит из коротких импульсов, разделенных большими паузами.

Состояние разряда сохраняется в ячейках до подачи гасящих импульсов напряжения. Гасящие импульсы напряжения в одном частном случае подают на основные электроды, в другом - на дополнительные электроды, которые могут быть выполнены изолированными либо неизолированными. При подаче гасящих импульсов напряжения скорость дрейфовых потерь электронов в поле гасящего импульса превышает скорость ионизации газа в ВЧ поле, поскольку параметры импульсов, в частности амплитуда, выбраны из условия распада плазмы в газе. Для обеспечения указанного условия для типичных параметров ячейки амплитуда гасящих импульсов составляет несколько вольт, что намного меньше рабочего напряжения в известных способах. При избирательной подаче гасящих импульсов напряжения на ячейки дисплея при выполнении электродов изолированными амплитуда U₁ и длительность t₁ гасящих импульсов определяются соотношением U₁ = L²/b_et₁, где b_e - подвижность электронов, а при выполнении электродов неизолированными амплитуда U₂ и длительность t₂ гасящих импульсов определяются соотношением U₂ = L²/b_it₂, где b_i - подвижность ионов. Указанные соотношения параметров гасящих импульсов обеспечивают гашение выбранных ячеек, не изменяя состояния остальных ячеек.

Формула изобретения

1. Способ управления плазменным дисплеем переменного тока, по которому подают поддерживающее напряжение на основные электроды ячеек плазменного дисплея и подают поджигающие импульсы напряжения, возбуждая тем самым разряд в газе, заполняющем ячейки, с последующей подачей на электроды ячеек гасящих импульсов напряжения, отличающийся тем, что поддерживающее напряжение формируют высокочастотным и разряд в газе поддерживают высокочастотным, при этом амплитуда колебаний электронов в разряде меньше разрядного промежутка, а параметры гасящих импульсов напряжения выбирают из условия распада плазмы в газе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поджигающие импульсы напряжения подают на основные электроды.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что поджигающие импульсы напряжения формируют в виде видеоимпульсов, амплитуда которых превышает критическое напряжение на электродах ячейки, при котором частота ν_i ионизации газа в ячейке определяется соотношением:
ν_i≥ (2v_e/L)lnN_e/N_o,
где V_е - скорость дрейфа электронов;
L - расстояние между электродами;
N_e - заданная концентрация электронов в ячейке в рабочем режиме;
N₀ - начальная концентрация электронов в ячейке,
при этом длительность τ₁ видеоимпульсов определяется соотношением
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что поджигающие импульсы напряжения формируют в виде радиоимпульсов, амплитуда которых превышает пробойное напряжение ячейки, частота заполнения радиоимпульсов определяется условием поддержания амплитуды колебаний электронов в разряде меньшей разрядного промежутка, а их длительность τ₂ определяется соотношением
τ₂> {1/ν_i-ν_d)}lnN_e/N_o,
где ν_d - частота диффузионных потерь.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что поджигающие импульсы напряжения подают на дополнительные электроды, при этом амплитуда поджигающих импульсов напряжения превышает пробойное напряжение ячейки.

6. Способ по п.1, или 2, или 3, или 5, отличающийся тем, что поджигающие импуьльсы напряжения подают на ячейки дисплея избирательно.

7. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что поджигающие импульсы напряжения подают на все ячейки дисплея одновременно.

8. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что гасящие импульсы напряжения подают на ячейки дисплея избирательно.

9. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, отличающийся тем, что гасящие импульсы напряжения подают на основные электроды.

10. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, отличающийся тем, что гасящие импульсы напряжения подают на дополнительные электроды.

11. Способ по п.9, или 10, отличающийся тем, что при выполнении электродов изолированными амплитуда U₁ и длительность t₁ гасящих импульсов определяются соотношением
U₁=L²/b_et₁,
где b_e - подвижность электронов.

12. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что при выполнении электродов неизолированными амплитуда U₂ и длительность t₂ гасящих импульсов определяются соотношением
U₂=L²/b_it₂,
где b_i - подвижность ионов.

РИСУНКИ

Рисунок 1