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Technical Documents - Documentos Técnicos: MINICALCULADORAS ELECTRÓNICAS - DIFERENTES TIPOS DE DISPLAY (INDICADORES LUMINOSOS).

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Con respecto a las tensiones de alimentación cabe destacar que los tubos de descarga gaseosa requieren tensiones relativamente elevadas, del orden de los 170 a 200volt, entre ambos electrodos. Como ya se mencionó se aplica entre los dos electrodos pulsos de amplitud positiva y negativa los cuales sumados forman la tensión de disparo o encendido. En el caso de no disponer de pulsos de esta amplitud suele aplicarse entre cátodo y ánodo una tensión de pre - polarización que por si sólo no es suficiente para iluminar el tubo, pero sumada a los pulsos de disparo llega a la tensión de ionización e ilumina el tubo. La obtención de la tensión elevada no ofrece problemas en calculadoras de mesa con alimentación de corriente, pero requiere la presencia de un conversor de corriente continua en los equipos portátiles. Como ventaja del tubo de descarga gaseosa debemos mencionar que no se requiere para su funcionamiento una tensión de filamento ya que trabaja con un cátodo frío.

Una variante importante en la construcción de los tubos de descarga gaseosa encontramos en los displays de tubos fluorescentes. Estos tubos posee un aspecto exterior muy parecido a los ilustrados en la figura 6 pero su construcción interna y principio de funcionamiento son completamente diferentes. Además su luminosidad es de un color azul - verdoso.

Fig. 7- El display de tipo fluorescente

En la figura 7 vemos el aspecto típico de su construcción interna. Se nota que el principio fundamental del funcionamiento del display fluorescente es el de una válvula termoiónica del tipo tríodo. El cátodo, de este tríodo es de calefacción directa con el filamento recubierto con el material activo para la emisión. El consumo del filamento varía de acuerdo al tamaño del display pero en líneas generales funciona, con tensiones de 0,7 a 1,5 voltios por dígito y una corriente del orden de 40 a 100 miliampére. En las calculadoras de mesa este consumo es suministrado generalmente por el transformador de poder y por lo tanto es de corriente alterna pero en las máquinas portátiles el filamento se alimenta desde la tensión continua de las pilas. En ambos casos se conectan los filamentos de todos los dígitos en serie y se refiere el negativo de la fuente de +B al centro de la serie de filamentos. Esto es conveniente para equilibrar la corriente de cátodo de todos los dígitos que en el cátodo de calentamiento directo circula por el filamento.

Delante del cátodo - filamento se encuentra una grilla de control compuesta de un tejido delgado de alambre, montado dentro de un marco cuyo tamaño es igual al del ánodo. Entre grilla y ánodo se encuentra un espaciador que mantiene la distancia interelectródica y confiere rigidez al conjunto. La placa aislante del ánodo, posee depósitos de material fluorescente aislados entre si y dispuestos en la conocida configuración de números de 7 segmentos y punto decimal. Al aplicar a la grilla de control un pulso positivo existe una atracción de electrones desde el cátodo y los electrones emitidos por este último llegan a la grilla por la atracción electrostática de su polaridad. Sin embargo debido a la naturaleza constructiva de la grilla los electrones no se depositan en la grilla sino por el contrario siguen su trayectoria más allá de la misma. Al aplicar ahora a los segmentos del ánodo sendos pulsos positivos, aquellos segmentos que tienen esta polaridad positiva atraen los electrones que impactan sobre el recubrimiento fluorescente. Este material posee la propiedad de emitir fotones bajo el impacto de los electrones con una intensidad lumínica que es proporcional a la corriente electrónica. Se transforma por lo tanto la energía eléctrica de los electrones en energía radiante de luz visible .

Los displays del tipo fluorescente poseen la virtud de usar pulsos positivos para la activación de segmentos (ánodo) y dígitos (grilla). Esto simplifica la excitación de estos displays por medio de pulsos de igual polaridad y amplitud provenientes del circuito integrado. Además por su carácter de tubos al vacío usan una tensión de ánodo de sólo 25 a 30 voltios con la consiguiente ventaja en la construcción de la fuente de alimentación. Especialmente en máquinas portátiles alimentadas a pilas. El régimen de pulsos reduce aún más los requisitos energéticos de alimentación.

EL DISPLAY DE DIODOS FOTOEMISIVOS.

1. Conceptos funcionales básicos.

Los diodos fotoemisivos, también llamados "LED" del inglés "light emitting diode" ("diodo emisor de luz") se basan en conceptos conocidos desde hace muchos años pero poco aprovechados hasta hace relativamente poco. Nos referimos a la emisión de la luz desde una juntura P - N que se observó por primera vez en el año 1923 en junturas naturales. Sin embargo debido a la baja eficiencia de este proceso no se logró ninguna aplicación práctica de este fenómeno. El efecto observado se debe al hecho de que en los diodos por junturas semiconductoras del tipo P - N se encuentran en cada material de la juntura portadores mayoritarios y minoritarios que al combinarse liberan energía. Los portadores mayoritarios de un material "N" son los electrones, empero en este mismo material existen también pequeñas cantidades de lagunas como portadores minoritarios. En el material "P" los portadores mayoritarios son las lagunas y las minoritarias son los electrones. Por su misma naturaleza de cargas opuestas es muy común que se produzcan recombinaciones de ambos en cada uno de los materiales P y N. Esta recombinación libera una cierta cantidad de energía hacia otros portadores y esta energía puede manifestarse como energía térmica, cinética o luminosa.

Fig. 8 - Los diodos fotoemisivos .

La forma más común de inyectar portadores en una juntura P - N es por medio de una polarización directa del diodo formado alrededor de esta juntura, tal como se ilustra en la figura 8. La figura 8A indica el diodo sin polarización externa con su barrera de juntura que impide la recombinación de portadores en escala apreciable a través de la barrera. Por tal motivo se considera esta barrera de la juntura como equivalente a una batería que otorga, una polarización inversa al diodo. Esta polarización inversa aleja los portadores mayoritarios de la juntura. Si se aplica ahora una polarización directa al diodo de la juntura P - N tal como vemos en la figura 8A podemos superar la barrera formada por la juntura si el potencial es de suficiente magnitud. En este aspecto debe recordarse que el potencial aplicado sufrirá una caída de tensión en el mismo material semiconductor del diodo que precisamente no es un buen conductor sino un "semiconductor" con una resistencia interna por unidad de volumen bastante elevada. Sin embargo generalmente es suficiente la aplicación de tensiones del orden de 1 voltio o poco más para lograr la superación de la barrera, compensar la caída de tensión interna y provocar una corriente de cierta intensidad en el diodo. Esta corriente directa introduce portadores minoritarios en ambos materiales y libera por el mecanismo ya mencionado de recombinación de portadores mayoritarios y minoritarios una fuente potencial de energía.

En el diodo fotoemisivo interesa desde luego que la energía liberada de esta manera sea energía lumínica y se manifieste como una emisi6n de luz. En principio podemos comprobar que esta condición se cumple en forma parcial en todas las junturas semiconductoras, pero a los efectos de obtener un rendimiento de luz de un valor razonable es necesario que se cumplan ciertos requisitos. De otra manera la eficiencia de la conversión - energética será muy baja y no podrá usarse para los fines específicos del diodo fotoemisivo.

Un factor de suma importancia para lograr un rendimiento aceptable es la selección del material adecuado con un grado de pureza muy bien controlado y con el agregado del porcentaje correcto de las impurezas más eficientes. En condiciones óptimas es factible lograr un rendimiento interno cercano al 100 % en lo referente al equivalente cuántico que consiste en la generación de fotones por cada evento de recombinación de portadores. La eficiencia de potencia lumínica que consiste en la conversión de energía eléctrica en energía lumínica de salida puede lograrse en el orden del 25 % o mayor.

2. Materiales usados en los diodos fotoemisivos.

Uno de los motivos por los cuales el descubrimiento y la utilización práctica del efecto fotoemisivo demoraron tanto en comparación con otras aplicaciones de semiconductores, es el hecho que los materiales semiconductores de uso más frecuente, el germanio y el silicio, son sumamente pobres en lo referente a eficiencia de conversión lumínica. Por este motivo no se y también materiales opacos con reflexión interna y salida concentrada de la luz. pueden usar como diodos fotoemisivos y recién el descubrimiento de otros materiales semiconductores permitió pensar seriamente en este tipo de semiconductor.

Los materiales de mayor uso en esta aplicaci6n son los compuestos de galio y de arsenio, por ejemplo el arseniuro - fosfuro de galio. La composición exacta es importante para determinar la frecuencia de la luz emitida, característica que indica su color. Se utilizan los materiales del grupo de los arseniuros de galio como emisores de luz roja y los fósfuros de galio para obtener luz verde. También pueden lograrse diodos fotoemisivos de color amarillo y combinaciones de todos estos colores, como rojo - verde, rojo - amarillo y verde - amarillo. La eficiencia lumínica de los materiales varía sin embargo y también interviene en este sentido la diferencia espectral de la respuesta del ojo humano. Esto influye en la eficiencia total en la siguiente manera: Un diodo fotoemisivo de fosfuro de galio tiene una eficiencia de potencia 10 veces mayor que uno de fósfuro - arsenuro de galio, pero debido a la diferencia cromática esta eficiencia queda reducida en definitiva a una relación de 3 a 1 o 4 a 1. En general se logra con los materiales mencionados rendimientos lumínicos entre 1,5 a 5 mililumen con una corriente directa del diodo LED de unos 20 miliamperes.

Se recurre en la construcción de los diodos fotoemisivos a ciertos artificios ópticos para reducir el consumo del material activo que es aún sumamente costoso. Para este fin se usan cristales ópticos adosados a los diodos para lograr un incremento lumínico por medios ópticos, lentes y también materiales opacos con reflexión interna y salida concentrada.

Se utilizan en la fabricación de los diodos fotoemisivos muchas veces técnicas de circuitos integrados con una pastilla de cristal de material activo de sólo 0,4 milímetros de lado, los cuales sin embargo pueden producir por los medios ópticos indicados una superficie iluminada de 4 por 0,6 milímetros. Se aprovecha en este caso la luz emitida por la parte superior del diodo y también la proveniente de los costados.

3. Características constructivas de los displays de diodos fotoemisivos.

En los displays alfanuméricos de siete segmentos que se necesitan para las minicalculadoras electrónicas, se recurre actualmente a construcciones monolíticas los cuales aumentan el rendimiento y reducen el costo de los displays. En la figura 9 vemos dos tipos de display de diodos

Fig. 9 - Displays de diodos fotoemisivos .

fotoemisivos para diferentes tipos de máquina. El display de la figura 9A es de un sólo dígito de tamaño grande, mientras que el display de la figura 9B es del tipo múltiple que consiste de 9 dígitos individuales, montados sobre un substrato común y con un conexionado interno que deja todos los segmentos equivalentes de cada dígito en paralelo. En el caso concreto de los 9 dígitos obtenemos 8 conexiones para los 72 segmentos del conjunto y 9 conexiones para los 9 dígitos, o sea un total de 17 conexiones para el display. En la figura 10 vemos un conexionado típico de este tipo.

Fig. 10 - Conexión de un display de 9 dígitos.

El substrato del display múltiple puede ser de material fenólico o también de material cerámico, utilizándose en ambos casos técnicas de circuito impreso de doble faz para lograr el interconexionado de los diodos fotoemisivos individuales. Con respecto al régimen de trabajo de los diodos fotoemisivos en las minicalculadoras cabe señalar que se usa también el método de pulsos que en el caso de los diodos LED es especialmente eficiente debido a la coincidencia de no - linealidad de la característica lumínica del diodo y del ojo humano. En efecto, el ojo humano se comporta como un sistema de respuesta logarítmica limitada en donde el tiempo de activación es mucho menor que el de la desactivación. Este comportamiento nos explica la persistencia visual y tiene como resultado que la salida lumínica promediada de un sistema pulsado es mayor que el efecto producido por un sistema de luminosidad constante de un nivel igual al promedio del pulsado. Por otra parte también el rendimiento propio del diodo fotoemisivo es mayor en el régimen de pulsos, sobre todo cuando se usa un pulso de corta duración y elevada corriente de cresta. Las máquinas calculadoras destinados al funcionamiento con diodos fotoemisivos suelen tener por este motivo una frecuencia de repetición mayor y una duración del pulso menor que las máquinas destinadas a funcionar sólo con displays del tipo gaseoso o fluorescente. No obstante existen valores de compromiso que permiten el uso de ambos.

 

 

 

 

 

 
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