Төзімді люминесценттік дисплейлер және олардың түрлері

Кіріспе

Тұтынушы электроникасында қолданылатын дисплей + Әр түрлі VFD түтіктері 7 сегмент 8 сегмент (Sharp EL 8) 16 сегмент

Вакуумдық флуоресцентті дисплей (VFD) – бұрын тұтынушы электроника жабдықтарында, мысалы, бейнекассета жазғыштарда, автомобиль радиоларында және микротолқынды пештерде жиі қолданылатын дисплей құрылғысы. VFD катодтық сәулелі түтік принципіне ұқсас катодолюминесценция принципі бойынша жұмыс істейді, бірақ әлдеқайда төмен кернеуде. VFD-дегі әрбір түтік катодтан шығарылатын электрондармен бомбаланған фосформен қапталған көміртек анодынан тұрады. Шындығында, VFD-дегі әрбір түтік триодты вакуумдық түтік болып табылады, себебі оның торлы басқару торы да бар. Сұйық кристалды дисплейлерден (ЖКД) айырмашылығы, VFD өте жарық сәуле шығарады, жоғары контрастқа ие және әртүрлі түстердегі дисплей элементтерін қолдай алады. VFD үшін стандартты жарықтандыру шамамен 640 кд/м² құрайды, ал жоғары жарықты VFD 4000 кд/м² жылдамдығымен жұмыс істейді, ал тәжірибелік үлгілер жетектеу кернеуіне және оның уақытына байланысты 35000 кд/м² дейін жетеді. VFD жеті сегментті сандарды, көп сегментті әріп-сандық символдарды көрсетуге болады немесе әртүрлі әріп-сандық символдар мен белгілерді көрсету үшін нүктелік матрица түрінде жасалуы мүмкін. Іс жүзінде, бейнеленетін сурет пішініне шектеу жоқ: ол тек анодтағы фосфор пішініне байланысты. Алғашқы VFD 1959 жылы Philips компаниясы жасаған DM160 бір индикаторлық құрылғысы болды. Алғашқы көп сегментті VFD 1967 жылы Ise Electronics Corporation жасаған жапондық бір цифрлы, жеті сегментті құрылғы болды. Бұл дисплейлер калькуляторларда және басқа тұтынушы электроника құрылғыларында кеңінен таралды. 1980 жылдардың соңында жыл сайын жүздеген миллион дана өндірілді.

Дизайн

Құрылғы жоғары вакуум жағдайында шыны корпусына орналастырылған ыстық катодтан (филаменттерден), торлардан және анодтардан (фосфордан) тұрады. Катод – 650°C-қа дейін қыздырылғанда электрондарды шығаратын сілтілік жер металл оксидтерімен (барий) қапталған ұсақ вольфрам сымдарынан құралған. Анод электр өткізгіш іздері бар шыны пластинадан тұрады (әрбір із бір индикатор сегментіне қосылған), ол изолятормен қапталған, содан кейін ішінара ойылып, графит сияқты өткізгішпен толтырылған тесіктер жасалады, бұл өз кезегінде фосформен қапталған. Бұл энергияны ізден сегментке жеткізеді. Фосфордың пішіні VFD сегменттерінің пішінін анықтайды. Ең көп қолданылатын фосфор – мырышпен қоспаланған, мыспен белсендірілген мырыш оксиді. Бұл дисплейлерді көптеген торлар мен пластиналар матрица құрайтын мультиплекстелген дисплейлер ретінде ұйымдастыруға мүмкіндік береді, соның арқасында сигналдық түйіндірлердің саны азаяды. Оң жақтағы бейнежазба құрылғысының мысалында торлар бір уақытта тек бір цифрды жарықтандыру үшін орналастырылған. Барлық цифрлардағы барлық ұқсас пластиналар (мысалы, барлық цифрлардағы барлық төменгі сол жақ пластиналар) параллель түрде қосылған. Дисплейді басқаратын микропроцессорлар бірінен соң бірі цифрлардың торына оң кернеу қойып, содан кейін тиісті пластиналарға оң кернеу орналастырады. Электрондар цифрлардың торы арқылы өтіп, оң потенциалы бар пластиналарға соқтығысады. Микропроцессор циклмен цифрларды осылайша жарықтандыру арқылы барлық цифрлардың бір уақытта жарқырап тұрғандай сезімін тудырады, бұл көрудің инерциясына байланысты. Қосымша индикаторлар (мысалы, "VCR", "Hi Fi", "STEREO", "SAP" және т.б.) қосымша цифрлардың сегменттері немесе екі немесе бірнеше қосымша сегменттері ретінде орналастырылған және нақты цифрлар сияқты мультиплекстелген стратегияны қолдана отырып сканерленеді. Бұл қосымша индикаторлардың кейбіреулері басқа түсті жарық шығаратын фосфорды пайдалана алады, мысалы, қызғылт сары. Көптеген VFD-лер шығаратын жарық көптеген түстерді қамтиды және көбінесе өнім дизайнерлерінің қалауына байланысты терең жасыл немесе терең көк түсті қамтамасыз ету үшін сүзгіленеді, бұл түстің қанықтығын арттырады. VFD-де қолданылатын фосфорлар катодты сәулелік дисплейдегілерден өзгеше, себебі олар тек 50 вольтқа жуық электрон энергиясымен қанағаттандырарлық жарықтылықты беруі керек, ал CRT-де бірнеше мың вольт қажет. VFD-дегі оқшаулағыш қабат әдетте қара түсті, бірақ дисплейді мөлдір етуге мүмкіндік беру үшін оны алып тастауға немесе мөлдір етуге болады. Драйверлік интегралды схемасы бар AMVFD дисплейлері жоғары кескін жарықтығы мен пикселдер санын талап ететін қолданулар үшін қол жетімді. Әр түрлі түстегі фосфорларды бір-бірінің үстіне қойып, әр түрлі түстердің комбинациясын жасауға болады. Гибридті VFD-лерде бір құрылғыда тұрақты дисплей сегменттері мен графикалық VFD болады. VFD-лерде экран сегменттері, торлары және олармен байланысты схемалар алдыңғы және артқы шыны панельдерінде орналасуы мүмкін, екі панель үшін де орталық катодты пайдалана отырып, сегменттердің тығыздығын арттыруға мүмкіндік береді. Сегменттерді артқы жағынан емес, тек алдыңғы жағынан орналастыруға болады, бұл көру бұрыштарын және жарықтылығын жақсартады.

The device consists of a hot cathode (filaments), grids and anodes (phosphor) encased in a glass envelope under a high vacuum condition. The cathode is made up of fine tungsten wires, coated by alkaline earth metal oxides (barium,), which emit electrons when heated to 650 °C The anode consists of a glass plate with electrically conductive traces (each trace is connected to a single indicator segment), which is coated with an insulator, which is then partially etched to create holes which are then filled with a conductor like graphite, which in turn is coated with phosphor. This transfers energy from the trace to the segment. The shape of the phosphor will determine the shape of the VFD's segments. The most widely used phosphor is Zinc doped copper activated Zinc oxide, This allows the displays to be organized as multiplexed displays where the multiple grids and plates form a matrix, minimizing the number of signal pins required. In the example of the VCR display shown to the right, the grids are arranged so that only one digit is illuminated at a time. All of the similar plates in all of the digits (for example, all of the lower left plates in all of the digits) are connected in parallel. One by one, the microprocessor driving the display enables a digit by placing a positive voltage on that digit's grid and then placing a positive voltage on the appropriate plates. Electrons flow through that digit's grid and strike those plates that are at a positive potential. The microprocessor cycles through illuminating the digits in this way at a rate high enough to create the illusion of all digits glowing at once via persistence of vision. The extra indicators (in our example, "VCR", "Hi Fi", "STEREO", "SAP", etc.) are arranged as if they were segments of an additional digit or two or extra segments of existing digits and are scanned using the same multiplexed strategy as the real digits. Some of these extra indicators may use a phosphor that emits a different color of light, for example, orange. The light emitted by most VFDs contains many colors and can often be filtered to enhance the color saturation providing a deep green or deep blue, depending on the whims of the product's designers. Phosphors used in VFDs are different from those in cathode ray displays since they must emit acceptable brightness with only around 50 volts of electron energy, compared to several thousand volts in a CRT. The insulating layer in a VFD is normally black, however it can be removed or made transparent to allow the display to be transparent. AMVFD displays that incorporate a driver IC are available for applications that require high image brightness and an increased number of pixels. Phosphors of different colors can be stacked on top of each other for achieving gradations and various color combinations. Hybrid VFDs include both fixed display segments and a graphic VFD in the same unit. VFDs may have display segments, grids and related circuitry on their front and rear glass panels, using a central cathode for both panels, allowing for increased segment density. The segments can also be placed exclusively on the front instead of on the back, improving viewing angles and brightness.

Қолдану

Жарықтығынан басқа, VFD-де беріктігі жоғары, арзан және түрлі-түрлі хабарларды көрсетуге оңай конфигурацияланатын қасиеттері бар. ЖЖК-дан айырмашылығы, VFD-де сұйық кристалдарды қайта реттеудің жауап беру уақыты шектеулі емес, сондықтан олар суық, тіпті нөлден төмен температурада да қалыпты жұмыс істей алады, бұл оларды суық климаттағы сыртқы құрылғылар үшін өте қолайлы етеді. Бастапқыда мұндай дисплейлердің басты кемшілігі қарапайым ЖЖК-ға қарағанда (0,2 Вт) әлдеқайда көп қуатты тұтынуы болды. Бұл батареямен жұмыс істейтін калькулятор сияқты құрылғылар үшін маңызды кемшілік саналды, сондықтан VFD көбінесе AC тогымен немесе қуатты қайта зарядталатын батареялармен жұмыс істейтін құрылғыларда қолданылды. 1980 жылдары бұл дисплейлер автомобильдерде, әсіресе жылдамдық көрсеткіші мен жүрілген қашықтық көрсеткіші сияқты көлік құралдарының цифрлық дисплейлерімен тәжірибе жасаған автомобиль өндірушілерде қолданыла бастады. Мұның жақсы мысалы – 1980 жылдардың басында жасалған Subaru автомобильдері (Subaru әуесқойлары оны «digi dash» немесе «цифрлық панель» деп атайды). VFD-нің жарықтығы оларды автомобильдерде пайдалануға өте ыңғайлы етеді. Renault Espace Mk4 және Scenic Mk2 VFD панельдерін радио және көп функциялы панельді қоса алғанда, барлық функцияларды көрсету үшін пайдаланды. Олар күн сәулесінде оқылуға жеткілікті жарықты және түнде пайдалану үшін ажыратылатын мүмкіндікке ие. Бұл панель төрт түспен жабдықталған: әдеттегі көк/жасыл, сондай-ақ терең көк, қызыл және сары/қоңыр. Бұл технология 1979 жылдан 1980 жылдардың ортасына дейін портативті электрондық ойын құрылғыларында да қолданылды. Бұл ойындар жарқын, айқын дисплейлерді ұсынды, бірақ ең үлкен вакуумдық түтіктердің өндіріс құны арзан болғандықтан дисплейлердің мөлшері өте кішкентай болды, көбінесе Френель линзаларын пайдалану қажет болды. Кейінгі ойындарда күрделі көп түсті дисплейлер болғанмен, алғашқы ойындарда түсті эффекттерге қол жеткізу үшін фосфорлар шығаратын жарықтың (әдетте ашық көк) түсін өзгерту үшін мөлдір сүзгілер қолданылды. Жоғары қуат тұтыну және өндіріс құнының жоғары болуы VFD-нің бейне ойын дисплейі ретінде қолдануын тоқтатуға себеп болды. ЖЖК ойындарын бағасының аз бөлігімен өндіруге болады, олар батареяларды (немесе АС адаптерлерін) жиі ауыстыруды қажет етпейді және әлдеқайда ыңғайлы. 1990 жылдардың соңынан бастап, артқы жарықтандырылған түсті белсенді матрицалы ЖЖК дисплейлер кез келген түсте кез келген бейнені арзан бағада шығара алады, бұл тұрақты түсті және тұрақты таңбалы VFD-ге қарағанда айқын артықшылық. Бұл VFD-нің танымалдылығының төмендеуіне себеп болған басты факторлардың бірі, бірақ олар әлі де өндірілуде. Көптеген арзан DVD ойнатқыштарда әлі де VFD қолданылады. 1980 жылдардың ортасынан бастап VFD жоғары жарықтығы бар дисплейлерді қажет ететін қолданулар үшін пайдаланылды, бірақ қазір жоғары жарықтығы бар органикалық жарықдиодтардың (OLED) пайда болуы VFD-ні осы нарықтардан ығыстыруда. Вакуумдық люминесцентті дисплейлер бұрын бүкіл әлемде Otis Elevator Company және Солтүстік Америкада Montgomery Elevator Company лифттерінің қабат көрсеткіштері ретінде кеңінен қолданылды (біріншісі 1980 жылдардың басынан 2000 жылдардың соңына дейін (әдетте екі) жасыл 16 сегментті дисплейлер түрінде, ал екіншісі 1980 жылдардың ортасынан 2000 жылдардың басына дейін (әдетте 3) жасыл немесе көк түсті 10x14 нүктелік матрицалық дисплейлер түрінде, біреуі бағыт көрсету үшін, ал қалған екеуі сандар үшін). Көптеген қолданыстарда қолданылатын тұрақты таңбалы VFD-ден басқа, жеке адрестелетін пиксельдер массивінен жасалған графикалық тип те қол жетімді. Бұл жетілдірілген дисплейлер кез келген бейнені көрсетуге мүмкіндік береді және кейбір тұтынушылық жабдықтар үшін пайдалы таңдау болуы мүмкін. Дисплейді басқару үшін қажетті қосылымдар санын азайту үшін VFD-де мультиплекстеу қолданылуы мүмкін. 2015 жылы Korg VFD технологиясына негізделген аналогтық дыбыс күшейткіш компоненті Nutube-ді шығарды. Nutube Vox гитара күшейткіштерінде және Apex Sangaku құлаққап күшейткішінде қолданылады. Nutube-ні Korg сатады, бірақ оны Noritake Itron өндіреді.

Besides brightness, VFDs have the advantages of being rugged, inexpensive, and easily configured to display a wide variety of customized messages, and unlike LCDs, VFDs are not limited by the response time of rearranging liquid crystals and are thus able to function normally in cold, even sub zero, temperatures, making them ideal for outdoor devices in cold climates. Early on, the main disadvantage of such displays was their use of significantly more power (0.2 watts) than a simple LCD. This was considered a significant drawback for battery operated equipment like calculators, so VFDs ended up being used mainly in equipment powered by an AC supply or heavy duty rechargeable batteries. During the 1980s, this display began to be used in automobiles, especially where car makers were experimenting with digital displays for vehicle instruments such as speedometers and odometers. A good example of these were the high end Subaru cars made in the early 1980s (referred to by Subaru enthusiasts as a digi dash, or digital dashboard). The brightness of VFDs makes them well suited for use in cars. The Renault Espace Mk4 and Scenic Mk2 used VFD panels to show all functions on the dashboard including the radio and multi message panel. They are bright enough to read in full sunlight as well as dimmable for use at night. This panel uses four colors; the usual blue/green as well as deep blue, red and yellow/orange. This technology was also used from 1979 to the mid 1980s in portable electronic game units. These games featured bright, clear displays but the size of the largest vacuum tubes that could be manufactured inexpensively kept the size of the displays quite small, often requiring the use of magnifying Fresnel lenses. While later games had sophisticated multi color displays, early games achieved color effects using transparent filters to change the color of the (usually light blue) light emitted by the phosphors. High power consumption and high manufacturing cost contributed to the demise of the VFD as a videogame display. LCD games could be manufactured for a fraction of the price, did not require frequent changes of batteries (or AC adapters) and were much more portable. Since the late 1990s, backlit color active matrix LCD displays have been able to cheaply reproduce arbitrary images in any color, a marked advantage over fixed color, fixed character VFDs. This is one of the main reasons for the decline in popularity of VFDs, although they continue to be made. Many low cost DVD players still feature VFDs. From the mid 1980s onwards, VFDs were used for applications requiring smaller displays with high brightness specifications, though now the adoption of high brightness organic light emitting diodes (OLEDs) is pushing VFDs out of these markets. Vacuum fluorescent displays were once commonly used as floor indicators for elevators by Otis Elevator Company worldwide and Montgomery Elevator Company in North America (the former from the early 1980s to the late 2000s in the form of (usually two) green 16 segment displays, and the latter from the mid 1980s to the early 2000s in the form of (usually 3) green or blue 10x14 dot matrix displays, one for the arrow and the other two for the digits). In addition to the widely used fixed character VFD, a graphic type made of an array of individually addressable pixels is also available. These more sophisticated displays offer the flexibility of displaying arbitrary images, and may still be a useful choice for some types of consumer equipment. Multiplexing may be used in VFDs to reduce the number of connections necessary to drive the display. In 2015, Korg released the Nutube, an analogue audio amplifier component based on VFD technology. The Nutube is used in applications such as guitar amplifiers from Vox and the Apex Sangaku headphone amplifier. The Nutube is sold by Korg but made by Noritake Itron.

Түсі кетеді

Кейде VFD дисплейлерде ақсыңқу мәселесі туындайды. Уақыт өте келе, эмиссияның төмендеуі және фосфордың тиімділігінің азаюы салдарынан жарық шығымы төмендейді. Бұл төмендеудің жылдамдығы мен мөлшері VFD құрылысына және оның жұмыс жағдайына байланысты. Кейбір құрылғыларда VFD шығысының жоғалуы құрылғыны пайдалануға жарамсыз етуі мүмкін. Дисплей драйвері чипін пайдаланып VFD-ні басқаруға қажетті кернеуді төмендету арқылы ақсыңқуды баяулатуға болады. Ақсыңқу катодтың булануы мен ластануынан да туындауы мүмкін. Көкірт қосқан фосфорлар ақсыңқуға көбірек бейім. Үш кең таралған дисплей технологиясы – VFD, LCD және LED – арасында VFD ең бірінші әзірленген. Ол алғашқы қолға ұсталатын калькуляторларда қолданылды. LED дисплейлер осы мақсатта VFD-ні ығыстырды, себебі қолданылған өте кішкентай LED-тер аз қуатты қажет етеді, соның арқасында батареяның қызмет ету мерзімі ұзартылды, бірақ ертедегі LED дисплейлерде барлық дисплей сегменттерінде біркелкі жарықтық деңгейіне қол жеткізу қиындықтар тудырды. Кейіннен LCD дисплейлер LED-терді ығыстырды, тіпті төмен қуатты талап етеді. Бірінші VFD 1959 жылы Philips компаниясы жасаған DM160 бір индикаторлық дисплейі болды. Оны транзисторлармен оңай басқаруға болады, сондықтан ол компьютерлік қолданбаларға арналған, өйткені оны басқару неонды шамнан оңай, ал шамнан ұзақ қызмет етеді. 1967 жылғы жапондық бір таңбалы жеті сегментті дисплей анод тұрғысынан Philips DM70 / DM71 Magic Eye-ға ұқсас, себебі DM160 спиральді сымнан жасалған анодқа ие. Жапондық жеті сегментті VFD дисплейі Nixie түтікшелерін немесе Panaplex неондық сандарды пайдаланғанда төленетін патенттік роялтилердің қажеті болмады. Ұлыбританияда Philips дизайнын Mullard жасап, сатты (Муллард Екінші дүниежүзілік соғыстан бұрын Philips компаниясына толыққанды тиесілі болған). Ресейлік IV 15 VFD түтігі DM160-қа өте ұқсас. DM160, DM70/DM71 және орыс IV 15 (VFD панелі сияқты) триодтар ретінде қолданылуы мүмкін. DM160 – ең кішкентай VFD және ең кішкентай триодты клапан. IV 15 пішіні сәл өзгеше (салыстыру үшін DM160 және IV 15 суретін қараңыз).