Próżniowy wyświetlacz fluorescencyjny - Vacuum fluorescent display

Pełny widok typowego próżniowego wyświetlacza fluorescencyjnego używanego w magnetowidzie
Zbliżenie na VFD uwydatniające liczne włókna , napięte przez blaszane sprężyny po prawej stronie obrazu
Próżniowy wyświetlacz fluorescencyjny z płyty CD i podwójnej kasety Hi-Fi. Wszystkie segmenty są widoczne dzięki zewnętrznemu oświetleniu ultrafioletowemu.
różne lampy VFD
7 segmentów 8 segmentów (Sharp EL-8) 16 segmentów
7 segmentów
0 		8 segmentów
( Sharp EL-8 )		 16 segmentów
0

Próżniowy wyświetlacz fluorescencyjny ( VFD ) to urządzenie wyświetlające kiedyś powszechnie stosowane w urządzeniach elektroniki użytkowej, takich jak magnetowidów kasetowych , radia samochodowe i kuchenki mikrofalowe . Wyświetlacze LCD , wyświetlacze OLED i wyświetlacze segmentowe LED w dużej mierze zastąpiły obecnie VFD.

VFD działa na zasadzie katodoluminescencji , z grubsza podobnej do lampy katodowej , ale działa przy znacznie niższych napięciach. Każda lampa VFD ma anodę węglową pokrytą luminoforem, która jest bombardowana elektronami emitowanymi z włókna katody . W rzeczywistości każda lampa w VFD jest triodową lampą próżniową, ponieważ ma również siatkę kontrolną.

W przeciwieństwie do wyświetlaczy ciekłokrystalicznych , VFD emituje bardzo jasne światło o wysokim kontraście i może obsługiwać elementy wyświetlacza o różnych kolorach. Standardowe postacie iluminacji falownikami wynosi około 640 cd / m 2 w VFD wysokiej jasności działających przy 4000 cd / m 2 i jednostek eksperymentalnych tak wysokie, jak 35000 cd / m 2 w zależności od napięcia napędowego i w odpowiednim momencie. Wybór koloru (który determinuje charakter luminoforu) i jasność wyświetlacza znacząco wpływa na żywotność lamp, która może wynosić od 1500 godzin dla żywego czerwonego VFD do 30 000 godzin dla bardziej popularnych zielonych. Kadm był w przeszłości powszechnie stosowany w luminoforach VFD, ale obecne VFD zgodne z RoHS wyeliminowały ten metal z ich konstrukcji, wykorzystując zamiast tego luminofory składające się z matrycy z ziem alkalicznych i bardzo małych ilości metali z grupy III, domieszkowanych bardzo małe ilości metali ziem rzadkich.

Przemienniki częstotliwości mogą wyświetlać siedmiosegmentowe cyfry, wielosegmentowe znaki alfanumeryczne lub mogą być wykonane w postaci matrycy punktowej, aby wyświetlać różne znaki alfanumeryczne i symbole. W praktyce kształt obrazu, który można wyświetlić, jest niewielki: zależy on wyłącznie od kształtu luminoforu na anodzie (anodach).

Pierwszym VFD było pojedyncze oznaczenie DM160 firmy Philips w 1959 roku. Pierwszym wielosegmentowym VFD było japońskie jednocyfrowe, siedmiosegmentowe urządzenie z 1967 roku. Wyświetlacze stały się powszechne w kalkulatorach i innych urządzeniach elektroniki użytkowej. Pod koniec lat 80-tych produkowano setki milionów sztuk rocznie.

Projekt

Obraz makro cyfry VFD z 3 poziomymi przewodami wolframowymi i siatką kontrolną.

Urządzenie składa się z gorącej katody ( żarniki ), siatek i anod ( luminofor ) zamkniętych w bańce szklanej w warunkach wysokiej próżni . Katoda składa się z cienkich drutów wolframowych pokrytych tlenkami metali ziem alkalicznych ( tlenkami baru, strontu i wapnia), które emitują elektrony po podgrzaniu do 650°C przez prąd elektryczny. Elektrony te są kontrolowane i rozpraszane przez siatki (wykonane przy użyciu obróbki fotochemicznej ), które są wykonane z cienkiej (50 mikronów) stali nierdzewnej. Jeśli elektrony zderzają się z pokrytymi fosforem płytkami anodowymi, fluoryzują , emitując światło. W przeciwieństwie do świecących na pomarańczowo katod tradycyjnych lamp próżniowych, katody VFD są wydajnymi emiterami w znacznie niższych temperaturach, a zatem są zasadniczo niewidoczne. Anoda składa się z płytki szklanej ze śladami przewodzącymi prąd elektryczny (każdy ślad jest połączony z pojedynczym segmentem wskaźnika), która jest pokryta izolatorem, który jest następnie częściowo trawiony w celu utworzenia otworów, które są następnie wypełniane przewodnikiem takim jak grafit , który w skręt pokryty jest luminoforem. Przenosi to energię ze śladu do segmentu. Kształt luminoforu będzie determinował kształt segmentów VFD. Najczęściej stosowanym luminoforem jest tlenek cynku aktywowany miedzią domieszkowany cynkiem , który generuje światło o szczytowej długości fali 505 nm.

Drut katodowy, na który nakładane są tlenki, jest wykonany z wolframu lub stopu rutenowo-wolframowego. Tlenki w katodach nie są stabilne w powietrzu, więc są one nakładane na katodę jako węglany, katody są montowane w VFD, a katody są podgrzewane przez przepuszczanie przez nie prądu, gdy znajdują się w próżni VFD, aby przekształcić węglany na tlenki.

Zasada działania jest identyczna jak w przypadku triody lampowej . Elektrony mogą dosięgnąć (i „oświetlić”) dany element płytki tylko wtedy, gdy zarówno siatka, jak i płytka mają potencjał dodatni w stosunku do katody. Pozwala to na zorganizowanie wyświetlaczy jako multipleksowanych wyświetlaczy, w których wiele siatek i płyt tworzy matrycę, minimalizując liczbę wymaganych pinów sygnałowych. Na przykładzie wyświetlacza magnetowidu pokazanego po prawej stronie siatki są rozmieszczone w taki sposób, że w danej chwili jest podświetlona tylko jedna cyfra. Wszystkie podobne tabliczki we wszystkich cyfrach (na przykład wszystkie lewe dolne tabliczki we wszystkich cyfrach) są połączone równolegle. Jeden po drugim, mikroprocesor jazdy umożliwia wyświetlanie cyfry przez umieszczenie dodatniego napięcia na siatkę cyfrę, a następnie umieszczenie dodatniego napięcia na odpowiednich płytkach. Elektrony przepływają przez siatkę tej cyfry i uderzają w płytki o dodatnim potencjale. Cykle mikroprocesorowe poprzez oświetlając cyfr w ten sposób w szybkim tempie wystarczy, aby stworzyć iluzję wszystkich cyfr świecące jednocześnie poprzez utrzymywanie wizji .

Dodatkowe wskaźniki (w naszym przykładzie „VCR”, „Hi-Fi”, „STEREO”, „SAP” itp.) są ułożone tak, jakby były segmentami dodatkowej cyfry lub dwoma lub dodatkowymi segmentami istniejących cyfr i są skanowane przy użyciu tej samej strategii multipleksowania, co prawdziwe cyfry. Niektóre z tych dodatkowych wskaźników mogą wykorzystywać luminofor emitujący inny kolor światła, na przykład pomarańczowy.

Światło emitowane przez większość VFD zawiera wiele kolorów i często może być filtrowane w celu zwiększenia nasycenia kolorów, zapewniając głęboki zielony lub ciemnoniebieski, w zależności od kaprysów projektantów produktu. Fosfory stosowane w VFD różnią się od tych w wyświetlaczach katodowych, ponieważ muszą emitować akceptowalną jasność przy zaledwie około 50 woltach energii elektronów, w porównaniu do kilku tysięcy woltów w CRT. Warstwa izolacyjna w VFD jest zwykle czarna, jednak można ją usunąć, aby wyświetlacz był przezroczysty. Wyświetlacze AMVFD z układem scalonym sterownika są dostępne do zastosowań wymagających wysokiej jasności obrazu i zwiększonej liczby pikseli. Luminofory w różnych kolorach można układać jeden na drugim, aby uzyskać gradacje i różne kombinacje kolorów. Hybrydowe VFD obejmują zarówno stałe segmenty wyświetlacza, jak i graficzny VFD w tej samej jednostce. VFD mogą mieć segmenty wyświetlacza, siatki i powiązane obwody na przednich i tylnych panelach z plastyku, przy użyciu centralnej katody dla obu paneli, co pozwala na zwiększenie gęstości segmentów. Segmenty można również umieścić wyłącznie z przodu zamiast z tyłu, poprawiając kąty widzenia i jasność.

Posługiwać się

Oprócz jasności, VFD mają zalety polegające na tym, że są wytrzymałe, niedrogie i łatwe w konfiguracji do wyświetlania szerokiej gamy dostosowanych komunikatów, aw przeciwieństwie do wyświetlaczy LCD, VFD nie są ograniczone czasem reakcji przestawiania ciekłych kryształów i dzięki temu mogą normalnie funkcjonować w niskich temperaturach. , nawet poniżej zera, co czyni je idealnymi do urządzeń zewnętrznych w zimnym klimacie. Na początku główną wadą takich wyświetlaczy było zużycie znacznie większej mocy (0,2 wata ) niż zwykły wyświetlacz LCD. Uznano to za znaczną wadę urządzeń zasilanych bateryjnie, takich jak kalkulatory, więc VFD były używane głównie w urządzeniach zasilanych prądem przemiennym lub akumulatorach o dużej wytrzymałości.

Cyfrowy klastra desce rozdzielczej w 1990 Mercury Grand Marquis , w amerykańskiej motoryzacji .

W latach 80. wyświetlacz ten zaczął być stosowany w samochodach, zwłaszcza tam, gdzie producenci samochodów eksperymentowali z wyświetlaczami cyfrowymi do przyrządów samochodowych, takich jak prędkościomierze i liczniki kilometrów. Dobrym przykładem były to high-end Subaru samochody wykonane w 1980 roku (określonych przez entuzjastów Subaru jako Digi-myślnikiem lub cyfrową deskę rozdzielczą ). Jasność VFD sprawia, że ​​dobrze nadają się do użytku w samochodach. Renault Espace i starsze modele Scenic wykorzystywały panele VFD do wyświetlania wszystkich funkcji na desce rozdzielczej, w tym radia i panelu z wieloma komunikatami. Są wystarczająco jasne, aby czytać w pełnym słońcu, a także można je przyciemniać do użytku w nocy. Ten panel wykorzystuje cztery kolory; zwykły niebieski / zielony, a także ciemnoniebieski, czerwony i żółto / pomarańczowy.

Ta technologia była również używana od 1979 do połowy lat 80. w przenośnych elektronicznych konsolach do gier . Gry te zawierały jasne, wyraźne wyświetlacze, ale rozmiar największych lamp próżniowych, które można było wyprodukować niedrogo, utrzymywał rozmiar wyświetlaczy dość mały, często wymagając użycia powiększających soczewek Fresnela . Podczas gdy późniejsze gry miały wyrafinowane wielokolorowe wyświetlacze, wczesne gry osiągały efekty kolorystyczne za pomocą przezroczystych filtrów, aby zmienić kolor (zwykle jasnoniebieski) światła emitowanego przez luminofory. Wysokie zużycie energii i wysokie koszty produkcji przyczyniły się do upadku VFD jako wyświetlacza do gier wideo. Gry LCD można było wyprodukować za ułamek ceny, nie wymagały częstej wymiany baterii (lub zasilaczy sieciowych) i były znacznie bardziej przenośne. Od późnych lat 90. podświetlane kolorowe wyświetlacze LCD z aktywną matrycą były w stanie tanio odtwarzać dowolne obrazy w dowolnym kolorze, co stanowi wyraźną przewagę nad VFD o stałych kolorach i stałych znakach. Jest to jeden z głównych powodów spadku popularności VFD, chociaż nadal się je wytwarza. Wiele tanich odtwarzaczy DVD nadal jest wyposażonych w VFD.

Od połowy lat 80. XX wieku VFD były używane w zastosowaniach wymagających mniejszych wyświetlaczy o wysokich parametrach jasności, chociaż obecnie przyjęcie organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) o wysokiej jasności wypycha VFD z tych rynków.

Próżniowe wyświetlacze fluorescencyjne były kiedyś powszechnie używane jako wskaźniki podłogowe w windach przez Otis Elevator Company na całym świecie i Montgomery Elevator Company w Ameryce Północnej (dawne od wczesnych lat 80. do połowy 2000 r. W postaci (zwykle dwóch) 16-segmentowych wyświetlaczy , oraz ten ostatni od połowy lat 80. do połowy lat 90. w postaci (zwykle 3) wyświetlaczy punktowych 10x14 ).

Oprócz szeroko stosowanego VFD o stałych znakach, dostępny jest również typ graficzny składający się z tablicy indywidualnie adresowalnych pikseli. Te bardziej wyrafinowane wyświetlacze oferują elastyczność wyświetlania dowolnych obrazów i nadal mogą być użytecznym wyborem w przypadku niektórych typów urządzeń konsumenckich.

Multipleksowanie może być stosowane w VFD w celu zmniejszenia liczby połączeń niezbędnych do sterowania wyświetlaczem.

Użyj jako wzmacniacza

Kilku radioamatorów eksperymentowało z możliwościami wykorzystania VFD jako wzmacniaczy triodowych . W 2015 roku Korg wypuścił Nutube , analogowy wzmacniacz audio oparty na technologii VFD. Nutube jest używany w aplikacjach takich jak wzmacniacze gitarowe firmy Vox i wzmacniacz słuchawkowy Apex Sangaku. Nutube jest sprzedawany przez Korga, ale produkowany przez Noritake Itron.

Blaknąć

Fading jest czasem problemem w przypadku VFD. Wydajność świetlna spada z upływem czasu z powodu spadającej emisji i zmniejszenia wydajności fosforu. Jak szybko i jak daleko to spadnie, zależy od konstrukcji i działania VFD. W niektórych urządzeniach utrata wyjścia VFD może spowodować, że urządzenie nie będzie działać. Zanikanie można spowolnić, używając układu sterownika wyświetlacza, aby obniżyć napięcia niezbędne do napędzania VFD. Blaknięcie może również wystąpić z powodu parowania i zanieczyszczenia katody. Fosfory zawierające siarkę są bardziej podatne na blaknięcie.

Emisja może być zwykle przywrócona przez podniesienie napięcia żarnika. Trzydzieści trzy procent podwyższenia napięcia może skorygować umiarkowany zanik, a 66% podwyższenia silnego zaniku. Może to sprawić, że żarniki będą widoczne podczas użytkowania, chociaż zwykły zielono-niebieski filtr VFD pomaga zredukować takie czerwone lub pomarańczowe światło z żarnika.

Historia

Spośród trzech dominujących technologii wyświetlania – VFD, LCD i LED – VFD był pierwszym, który został opracowany. Był używany we wczesnych kalkulatorach ręcznych. Wyświetlacze LED wyparły VFD w tym zastosowaniu, ponieważ bardzo małe diody LED wymagały mniej energii, wydłużając w ten sposób żywotność baterii, chociaż wczesne wyświetlacze LED miały problemy z osiągnięciem jednolitego poziomu jasności we wszystkich segmentach wyświetlacza. Później wyświetlacze LCD wyparły diody LED, oferując jeszcze mniejsze zapotrzebowanie na energię.

Pierwszy VFD był pojedynczym oznaczeniem DM160 firmy Philips w 1959 roku. Można go było łatwo napędzać tranzystorami, więc był przeznaczony do zastosowań komputerowych, ponieważ był łatwiejszy w obsłudze niż neon i miał dłuższą żywotność niż żarówka. 1967 Japońska pojedyncza cyfra 7-segmentowy wyświetlacz pod względem anody był bardziej podobny do Philips DM70 / DM71 Magic Eye, ponieważ DM160 ma anodę z drutu spiralnego. Japońskie siedmiosegmentowe VFD oznaczało, że nie trzeba było płacić tantiem patentowych na wyświetlaczach kalkulatorów biurkowych, jak miałoby to miejsce w przypadku neonowych cyfr Nixies lub Panaplex. W Wielkiej Brytanii projekty Philipsa były produkowane i sprzedawane przez firmę Mullard (prawie w całości należącą do Philipsa jeszcze przed II wojną światową).

Rosyjska lampa VFD IV-15 jest bardzo podobna do DM160. DM160, DM70/DM71 i rosyjski IV-15 mogą (jak panel VFD) być używane jako triody . DM160 jest więc najmniejszym VFD i najmniejszym zaworem triodowym. IV-15 jest nieco inny kształt (patrz zdjęcie DM160 i IV-15 dla porównania).

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne