Цветодинамические измерительные приборы

В электроизмерительных приборах непосредственной оценки чаще всего используются подвижные указатели, перемещение которых напрямую связано со значением измеряемой величины. Это приборы электромагнитной, электродинамической, электростатической, магнитоэлектрической, тепловой и т.п. систем. Весь диапазон измеряемых значений обычно укладывается в 30 — 100 делений шкалы измерительного механизма. Разрешающая способность электроизмерительного прибора, а также точность измерения зависит от его габаритов. Неустранимым недостатком подобных систем индикации является невозможность работы в темноте. В условиях тряски, при наличии ускорений, магнитных полей, при изменении угла наклона и т.д. точность показаний значительно ухудшаются.

Принцип действия цветодинамических измерительных приборов основан на визуальном представлении измеряемой величины в виде оттенка цвета [Рл 4/98-32, F 10/00-1085]. Известно, что глаз среднестатистического человека способен различать около 10 ступеней (градаций) серого цвета. Глаза жителей Крайнего Севера, где освещенность понижена, а цветовая палитра крайне бедна, могут различать до 200 оттенков серого. Существенно изменяется положение при переходе на цветовую гамму. Нетренированный глаз обычного человека способен безошибочно различать до 300 оттенков цвета, тренированный — до нескольких тысяч оттенков. Следовательно, изменяя окраску индикатора, включенного на выходе измерительного прибора, можно распознавать уже не 30 — 100 делений шкалы, а на порядок выше — более 300.

Простейшие приборы для цветодинамических измерений могут быть реализованы с использованием разноцветных све-тоизлучающих диодов (СИД) и общего светособирающего экрана (рис. 33.1, 33.2) [Рл 4/98-32]. При плавном изменении уровня входного сигнала происходит изменение коллекторного тока входного транзистора. Изменяется и ток, протекающий через СИД, включенный в его коллекторную цепь. Поскольку суммарный ток СИД НИ и HL2 (рис. 33.1) определяется генератором стабильного тока (в простейшем случае это может быть резистор R2), происходит перераспределение токов между СИД, изменяется соотношение цветовых составляющих в суммарном спектре свечения. Диод VD1 или их цепочка обеспечивает начальное смещение в точке А и предназначен для компенсации падения напряжения на открытом транзисторе VT1.

Рис. 33.1

В качестве СИД могут быть использованы светодиоды типа AJ1307 красного (HL1) и зеленого или желтого (HL2) цвета свечения. Можно применить двухцветный светодиод-матрицу АЛС331 с общим катодом, однако это потребует изменения полярности питания, включения диодов, использования транзистора р-п-р структуры (КТ361). Вместо диода VD1 может быть включен СИД, установленный отдельно (дополнительная яркостная ахроматическая индикация уровня сигнала), либо совместно с HL1 и HL2 под общим светособирающим экраном.

В измерительном приборе (рис. 33.2) уровень входного сигнала влияет на соотношение токов между светодиодами HL1 и HL2 [Рх 6/99-53]. В этой схеме может быть также использован генератор стабильного тока или его аналог, но поскольку для светодиодов разного цвета свечения напряжения прямого смещения для обеспечения требуемой яркости различаются, предпочтительнее использовать отдельные резисторы R2 и R3.

Изменение цветовой гаммы в измерительных приборах (рис. 33.1 и 33.2) происходит при подаче входного сигнала от О (зеленое или желтое свечение) до 0,75 В (красное свечение).

Для последовательного переключения трех СИД в зависимости от величины входного сигнала может быть использован модифицированный нуль-индикатор К. Мечкова (рис. 33.3, 33.4) [МК 8/83-3, Рл 4/98-32]. В схеме на рис. 33.3 плавное последовательное переключение СИД будет происходить при изменении уровня входного сигнала от 0,5 до 0,65 6, а в схеме на рис. 33.4 — от 0 до 1,5 В.

Рис. 33.2

Рис. 33.3

Основной проблемой управления разноцветными светодио-дами является выраженное неравенство значений прямых смещений (Unc), при которых наблюдается заметное свечение СИД: чем короче длина волны излучения светодиода — X, — тем больше это напряжение. Определить значение прямого смещения на свето-диоде можно по приближенной формуле: Unc(S)=1236A, (нм), см. также главу 1 [Рл 4/98-32]. Искусственно уравнять значения напряжений прямого смещения светодиодов в сторону их увеличения можно за счет включения дополнительных германиевых, кремниевых диодов или их цепочек последовательно с СИД. можно за счет включения дополнительных германиевых, кремниевых диодов или их цепочек последовательно с СИД.

Рис. 33.4

Для работы устройств (рис. 33.3 и 33.4) необходимо выполнение условий:

Так, экспериментально установлено, что ипс СИД АЛ307 красного свечения при 20 мА составляет 1,65 В, зеленого — около 2 В. Для цветовой индикации сигнала во всем видимом диапазоне длин волн в качестве HL2 необходимо использовать синий, HL3 — зеленый (желтый), HL1 — красный СИД (рис. 33.3) и, соответственно, HL2 — синий, HL3+HL4 — зеленый (желтый), НИ — красный СИД (рис. 33.4) с выполнением вышеприведенного условия.

Цветодинамический измерительный прибор с цифровым широтно-импульсным управлением может быть собран по схеме на рис. 33.5 [Рл 4/98-32]. Перераспределение суммарной окраски свечения СИД происходит при изменении входного сигнала от 0 до 1 В (рис. 33.6). Вместо полевого транзистора в схему можно включить термо-, фоторезистор или иной резистивный датчик с максимальным сопротивлением до 10 кОм. Ко входу (затвору) полевого транзистора можно подключить и антенну. Таким образом, цветодинамический измерительный прибор можно будет использовать для индикации электрических и неэлектрических величин.

Рис. 33.5

Рис. 33.6

На рис. 33.7 приведена схема, пригодная для цветодина-мической индикации величины входного сигнала. Устройство работает в широком диапазоне входных частот и может быть использовано для индикации настройки радиоприемника на частоту принимаемого сигнала [Р 1/88-53]. Этот же индикатор применим для балансировки измерительного моста; для оценки напряженности электрических или магнитных полей в составе приборов и индикаторов, рассмотренных в главе 20. Вход индикатора подключают к выходному каскаду индикатора поля.

Цветодинамические приборы без каких-либо переделок можно использовать в качестве устройств цветомузыкального сопровождения: индикатор (индикаторы) подключают к выходу (выходам) УНЧ магнитофона, электропроигрывателя, радиоприемника, телевизора, CD-плеера. Взамен СИД можно использовать разноцветные слаботочные лампы накаливания, однако при этом требуется подключение дополнительных усилителей тока. Баллоны ламп следует окрасить спиртовыми растворами паст шариковых ручек. Допустимо использовать пленочные или стеклянные светофильтры.

Рис. 33.7

Наиболее дефицитными элементами, ограничивающими применение цветодинамических измерительных приборов в области спектра от синего до красного цвета, являются СИД синего цвета свечения. Для синтеза цветовой гаммы в пределах от 470 до 660 нм могут быть использованы светодиоды синего (470 нм) свечения, поставляемые фирмой Conrad Electronic (Германия) — Unc=2,7...3,2 В при токе 20 мА трехцветные диоды той же фирмы: на основе GaAsP Unc=1,7 В при 20 мА — 660 нм (красный цвет), GaP — 2,2 В, 565 нм (зеленый цвет), S/'С — 3,0 В, 470 нм (синий цвет). Синие светодиоды (440 нм) производства США работают при токе 20 мА и напряжении 3,0...3,7 В (Ledtronics Inc., СА и Cree Research Inc., N.C.). Синие светодиоды (446 нм) российского производства КЛД901А на основе GaN имеют рабочее напряжение 12 В при токе 6 мА.

Для количественного определения входного напряжения (уровня измеряемого сигнала) рядом со светосуммирующим экраном прибора следует наклеить полоску цветовой гаммы со шкалой — указателем соответствия каждому напряжению оттенка цвета (типа лакмусовой бумаги). При этом получается своеобразный аналог мостового измерения: излучение неизвестного спектрального состава сопоставляется со шкалой эталонных значений цветовой гаммы. Полоску цветового спектра можно изготовить на цветном принтере. Растяжка переходов оттенков цвета и определение границ используемой цветовой гаммы может быть выполнена в графическом редакторе на ПЭВМ.

Цветомодулированные индицирующие приборы могут быть использованы для передачи данных по оптоволоконным линиям, открытым оптическим каналам связи, при дистанционном вводе информации в ПЭВМ, для обучения животных.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год