Радиотехника и электроника, 2021, T. 66, № 3, стр. 309-312

Датчик оптического излучения на основе электролюминесцентной панели

А. М. Кабышев a, М. П. Маслаков a, В. В. Урумов ab, И. Н. Гончаров ab*

a Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
362021 Владикавказ, ул. Николаева, 44, Российская Федерация

b Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л. Хетагурова
362025 Владикавказ, ул. Ватутина, 44-46, Российская Федерация

* E-mail: goncharov-scgtu@mail.ru

Поступила в редакцию 06.03.2020
После доработки 06.03.2020
Принята к публикации 21.10.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрена возможность применения электролюминесцентных панелей в качестве датчиков оптического излучения. Отмечено наличие у них фотодиэлектрического эффекта. Показаны осциллограммы тока и напряжения электролюминесцентной панели. Получены зависимости величины электрической емкости электролюминесцентных панелей от уровня внешней освещенности. Разработана структурная схема системы, предназначенной для управления электролюминесцентной панелью, как датчиком излучения.

Электролюминесцентная панель (ЭЛП) представляет собой источник равномерного оптического излучения большой площади, способный генерировать световую энергию, длина волны которой зависит от вида люминофора, а также от величины, частоты и формы тока, подаваемого на структуру. Такие генераторы излучения находят применение в устройствах отображения информации, используются для подсветки панелей приборов транспортных средств, а также для сигнального и аварийного освещения [1].

Рис. 1.

Конструкция ЭЛП; 1 – лавсановая пленка; 2 – прозрачный проводящий слой ITO (10% SnO + 90% In2O3); 3 – люминесцентный слой (суспензия люминофор + диэлектрическое связующее в весовой пропорции 2 : 1); 4 – диэлектрический слой (порошок BaTiO3 + диэлектрическое связующее в весовой пропорции 2.5 : 1); 5 – непрозрачный электрод.

Электролюминесцентные панели характеризуются составом применяемых материалов и пространственным расположением рабочих слоев (см. рис. 1) [2]. Основным материалом для синтеза электролюминофоров, применяемых в ЭЛП, является ZnS, легированный активатором медью (люминофоры голубого и зеленого цветов свечения), марганцем (оранжево-желтое свечение). Люминесценция в красной области спектра получается при использовании в качестве основы люминофора полупроводниковых твердых растворов Zn1 –xCdxS и ZnS1 −xSex. Очевидно, что возможно комплексное использование активаторов. Цвет свечения ЭЛП в целом также зависит от частоты питающего напряжения, что объясняется перераспределением энергии возбуждения между центрами люминесценции различного типа, например, между центрами голубого и зеленого свечения, образуемых разными активаторами, характеризуемыми различной энергетикой возбуждения и рекомбинации.

В состав люминесцирующего и диэлектрического слоев входит материал с высокой относительной диэлектрической проницаемостью (более 1000) – титанат бария, обладающий фотодиэлектрическими свойствами. Вследствие этого, ЭЛП в целом способна изменять свои диэлектрические характеристики, например, электроемкость под действием внешнего оптического излучения. Электролюминофор, входящий в состав люминесцирующего слоя, излучает фотоны под влиянием переменного электрического поля высокой напряженности, поэтому для возбуждения свечения ЭПЛ требуется соответствующий источник питания переменного напряжения с амплитудой порядка 140 В и частотой около 1 кГц [3].

Яркость свечения ЭЛП, оптимальный температурный режим работы и долговечность в значительной степени обусловлены формой и величиной, протекающего через панель тока. При возбуждении переменным напряжением, люминофор ЭЛП излучает кванты света в течение обоих его полупериодов.

В состав люминесцентного слоя входят люминофор и полимерный диэлектрик, выполняющий функции связующего материала. Диэлектрик люминесцентного слоя создает барьерные области, и тем самым, концентрирует электрическое поле на границах зерен люминофора. Данный материал должен быть прозрачным для видимого света, а также обладать хорошей адгезией к соседним слоям и достаточным уровнем пробивного напряжения, химической инертностью по отношению к люминофору, стабильностью электрофизических и оптических характеристик. Связующее, образующее слой 4, (рис. 1), должно обладать высокой диэлектрической проницаемостью ε и малыми диэлектрическими потерями tg δ. Для этого, как отмечалось ранее, в его состав вводится до 40% сегнетоэлектрика – титаната бария.

Удельное сопротивление люминесцирующего слоя 3 в невозбужденном состоянии высокое и достигает 1010 Ом см. В сильном электрическом поле (Е = 106 В/см), необходимом для возбуждения люминофора, активное сопротивление люминесцентного слоя существенно снижается и тогда емкостью этого слоя можно пренебречь. Таким образом, эквивалентная схема ЭЛП при работе в сильных электрических полях может быть представлена в виде последовательной электрической цепи, состоящей из активного сопротивления (электродов и люминесцентного слоя) и электрического конденсатора образованного диэлектрическим слоем пластины (Сдиэл 1), параллельно которому включено активное сопротивление, учитывающее проводимость BaTiO3 [1, 4].

На рис. 2 представлена характеристика BaTiO3, с учетом которой следует выбирать толщину панели и величину питающего напряжения. Например, при температуре окружающей среды 22°C, максимум ε достигается при напряженности поля F около 10 кВ/см. Расчеты показывают, что при суммарной толщине люминесцентного и диэлектрического слоев панели в 100 мкм, напряжение питания ЭЛП, обеспечивающее максимальное значение ε, должно быть равно порядка 100 В.

Рис. 2.

Влияние напряженности поля на диэлектрическую проницаемость BaTiO3.

C ростом частоты f напряжения питания ЭЛП, значение tg δ диэлектрического слоя, в состав которого входит BaTiO3, уменьшается. Диэлектрические потери достигают минимума при 103…104 Гц. При дальнейшем повышении частоты происходит увеличение значений tg δ. Таким образом, для улучшения эксплуатационных параметров ЭЛП, источник питания панели должен формировать переменное напряжение величиной около 100 В с частотой 1000 Гц. Установлено, что на яркость свечения и температурный режим работы панели значительное влияние также оказывает форма тока, протекающего через ЭЛП [3].

Для источника питания, ЭЛП представляет собой нагрузку, в которой преобладает емкостная составляющая. Осциллограммы напряжения на ЭЛП и протекающего через панель тока, показаны на рис. 3. Видно, что протекающий через ЭЛП ток I опережает по фазе напряжение U, это говорит о емкостном характере сопротивления ЭПЛ. Зная значения действующих значений напряжения U и тока I, их частоту f и пренебрегая величинами активных сопротивлений эквивалентной схемы ЭЛП, можно определить электрическую емкость панели, воспользовавшись следующим выражением:

(1)
$C = \frac{I}{{2\pi fU}}.$
Рис. 3.

Осциллограммы тока и напряжения ЭЛП.

На величину электроемкости ЭПЛ, также оказывает влияние величина освещенности внешним источником света.

На рис. 4 показаны зависимости емкости С ЭПЛ формата А3 (297 × 420 мм) и А4 (210 × 297 мм) от величины освещенности панелей внешним источником рассеянного света. Видно, что на величину электрической емкости структуры ЭЛП оказывает влияние площадь поверхности панели и величина освещенности. При увеличении уровня освещенности растет относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя ЭЛП, содержащего титанат бария, что приводит к увеличению электроемкости панели в соответствии с уравнением:

(2)
$c = \frac{{{{\varepsilon }_{0}}\varepsilon S}}{d},$
Рис. 4.

Зависимости величины электрической емкости ЭЛП двух форматов от величины внешней освещенности.

где ε0 = 8.85 × 10–12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума; ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя ЭЛП; S – площадь поверхности ЭЛП; d – суммарная толщина слоев 3 и 4 структуры (см. рис. 1).

Наиболее значительное изменение электрической емкости происходит в диапазоне изменения освещенности от 0 до 150 лк. Таким образом, наличие у электролюминесцентной панели фотодиэлектрического эффекта позволяет использовать ЭЛП как датчик оптического излучения, работа которого основана на изменении величины электроемкости структуры при варьировании внешней освещенности.

На рис. 5 в качестве примера использования ЭЛП в данном качестве, показана схема генератора прямоугольных импульсов, у которого в состав времязадающей цепи входит электролюминесцентная панель. Генератор выполнен на основе логических элементов “НЕ” (DD1 – DD3). Диод VD1 и резисторы R1, R2 задают величину скважности прямоугольных импульсов:

(3)
$Q = {T \mathord{\left/ {\vphantom {T {{{t}_{{\text{и}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{t}_{{\text{и}}}}}},~$
Рис. 5.

Схема генератора прямоугольных импульсов.

где T – период; tи – длительность импульсов на выходе генератора.

Длительности импульсов и периода зависят от величины электрической емкости С1 ЭЛП и могут быть определены из выражений:

(4)
${{t}_{{\text{и}}}} = {{0.7С1R1R2} \mathord{\left/ {\vphantom {{0.7С1R1R2} {\left( {R1 + R2} \right)}}} \right. \kern-0em} {\left( {R1 + R2} \right)}},~$
(5)
$T = {{t}_{{\text{и}}}} + 0.7C1R2.~$

На рис. 6 показаны осциллограммы импульсов на выходе генератора, полученные при следующих уровнях освещенности ЭЛП: Е = 0 лк и Е = 100 лк. Из осциллограмм видно, что при увеличении освещенности уменьшается частота и увеличивается длительность импульсов на выходе генератора, это связано с увеличением электрической емкости электролюминесцентной панели.

Рис. 6.

Осциллограммы импульсов на выходе генератора: а – Е = 0 лк, б – Е = 100 лк.

Представленный генератор можно использовать как составную часть более сложной системы предназначенной для контроля уровня внешней освещенности. Регистрируя количество импульсов, генерируемых генератором в течение определенного интервала времени, система получает возможность оценивать уровень внешней освещенности и выполнять действия, предусмотренные алгоритмом ее работы.

На рис. 7 показана структурная схема системы, разработанной для управления работой ЭЛП. Система обеспечивает включение и выключение электролюминесцентной панели в зависимости от уровня внешней освещенности, при этом ЭЛП способна работать как в режиме источника оптического излучения, так и в режиме датчика уровня внешней освещенности. На рисунке приняты следующие обозначения: БП – блок питания; ЭК – электронный переключатель; ЭЛП – электролюминесцентная панель; ГИ – генератор импульсов; ПЧН – преобразователь частота – напряжение; К – компаратор; Т – таймер; Uупр – управляющее напряжение; tи – длительность импульса на выходе таймера.

Рис. 7.

Схема управления работой ЭЛП.

Электронный переключатель ЭК подключает ЭЛП или к блоку питания БП, при этом панель переводится в режим источника оптического излучения, или к генератору ГИ, если панель необходимо перевести в режим датчика внешнего оптического излучения. Работой ЭК управляет таймер Т, на выходе таймера формируется импульс длительностью tи, при этом ЭЛП подключается к БП. По заднему фронту импульса tи происходит переключение ЭК и ЭЛП подключается к времязадающей цепи ГИ. Преобразователь частота – напряжение ПЧН служит для преобразования частоты импульсов, поступающих с выхода генератора в уровень напряжения, чем меньше частота импульсов на входе преобразователя, тем выше уровень напряжения на его выходе. Компаратор К сравнивает уровень напряжения на выходе ПЧН с уровнем управляющего напряжения Uупр. Напряжение Uупр задает порог переключения компаратора. Если напряжение на выходе ПЧН становится ниже уровня Uупр, что имеет место при снижении внешней освещенности, происходит переключение компаратора, включается таймер и ЭЛП переводится в режим источника оптического излучения. В режиме источника оптического излучения ЭЛП работает в течение времени tи. При высоком уровне внешней освещенности не происходит включение таймера, при этом ЭЛП будет работать в режиме датчика.

Таким образом, фотодиэлектрический эффект, свойственный для электролюминесцентных панелей, позволяет использовать их не только как источник оптического излучения, но и в качестве датчика уровня освещенности, а также объединять эти функциональные возможности в одной общей системе.

Список литературы

  1. Гусев А.И., Самохвалов М.К. Электрические характеристики тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2006.

  2. Шубин Н.Е., Козырев Е.Н., Платова А.А. и др. // Вестн. Воронежского государственного технологического ун-та. 2013. Т. 9. № 6-2. С. 74–77.

  3. Гончаров И.Н., Козырев Е.Н., Аскеров Р.О., Малдзигати А.И. // РЭ. 2016. Т. 61. № 1. С. 89–92.

  4. Zhou Jia, Tong Ge, Linfei Guo, et al. // Procedia Engineering. 2016. V. 141. P. 91.

  5. Дедык А.И., Павлова Ю.В., Семенов А.А. и др. // ЖТФ. 2015. Т. 85. № 4. С. 148.

  6. Гончаров И.Н., Кабышев А.М., Козырев Е.Н., Малдзигати А.И. // Светотехника. 2016. № 6. С. 39.

Дополнительные материалы отсутствуют.