Вакуумно-флуоресцентные дисплеи: устройство и применение.

Введение

Вакуумный флуоресцентный дисплей (ВФД) – это устройство отображения, которое ранее широко использовалось в бытовой электронике, такой как видеомагнитофоны, автомобильные радиоприемники и микроволновые печи. ВФД работает по принципу катодолюминесценции, примерно аналогично катодной лучевой трубке, но при гораздо более низком напряжении. Каждая трубка в ВФД имеет углеродный анод, покрытый люминофором, который бомбардируется электронами, испускаемыми катодной нитью. Фактически, каждая трубка в ВФД является триодной вакуумной лампой, поскольку она также имеет управляющую сетку. В отличие от жидкокристаллических дисплеев (LCD), ВФД излучает очень яркий свет с высокой контрастностью и может поддерживать отображение элементов различных цветов. Типичные значения яркости для ВФД составляют около 640 кд/м², при этом ВФД высокой яркости работают при 4000 кд/м², а экспериментальные образцы достигают 35 000 кд/м² в зависимости от напряжения и времени управления. ВФД могут отображать семисегментные цифры, многосегментные буквенно-цифровые символы или могут быть выполнены в виде точечной матрицы для отображения различных буквенно-цифровых символов и знаков. Практически нет ограничений на форму отображаемого изображения: она зависит исключительно от формы люминофора на аноде (ах). Первым ВФД был одноразрядный DM160 производства Philips в 1959 году. Первым многосегментным ВФД было японское одноразрядное семисегментное устройство 1967 года, произведенное корпорацией Ise Electronics. Эти дисплеи стали широко использоваться в калькуляторах и других устройствах бытовой электроники. В конце 1980-х годов ежегодно производились сотни миллионов штук.

Дизайн

Устройство состоит из горячего катода (филаментов), сеток и анодов (фосфора), заключенных в стеклянную оболочку в условиях высокого вакуума. Катод состоит из тонких вольфрамовых проводов, покрытых оксидами щелочноземельных металлов (барием), которые излучают электроны при нагревании до 650 °C. Анод состоит из стеклянной пластины с электрически проводящими дорожками (каждая дорожка соединена с одним индикаторным сегментом), которая покрыта изолятором, который затем частично травят, чтобы создать отверстия, которые затем заполняются проводником, подобным графиту, который, в свою очередь, покрыт фосфором. Это передает энергию от дорожки к сегменту. Форма фосфора определяет форму сегментов VFD. Наиболее широко используемым фосфором является оксид цинка, активированный медью и легированный цинком. Это позволяет организовать дисплеи как мультиплексированные, где несколько сеток и пластин образуют матрицу, минимизируя количество необходимых сигнальных выводов. В примере дисплея видеомагнитофона, показанного справа, сетки расположены так, что одновременно освещается только одна цифра. Все аналогичные пластины во всех цифрах (например, все нижние левые пластины во всех цифрах) соединены параллельно. Микропроцессор, управляющий дисплеем, последовательно активирует каждую цифру, подавая положительное напряжение на сетку этой цифры, а затем на соответствующие пластины. Электроны проходят через сетку этой цифры и попадают на те пластины, которые находятся под положительным потенциалом. Микропроцессор циклически освещает цифры таким образом с достаточной частотой, чтобы создать иллюзию одновременного свечения всех цифр благодаря инерции зрения. Дополнительные индикаторы (в нашем примере "VCR", "Hi Fi", "STEREO", "SAP" и т.д.) расположены как сегменты дополнительной цифры или двух, либо как дополнительные сегменты существующих цифр и сканируются с использованием той же мультиплексной стратегии, что и основные цифры. Некоторые из этих дополнительных индикаторов могут использовать фосфор, излучающий другой цвет света, например, оранжевый. Свет, излучаемый большинством VFD, содержит множество цветов и часто может быть отфильтрован для повышения насыщенности цвета, обеспечивая глубокий зеленый или глубокий синий цвет, в зависимости от предпочтений дизайнеров продукта. Фосфоры, используемые в VFD, отличаются от фосфоров в кинескопных дисплеях, поскольку они должны излучать достаточную яркость при энергии электронов всего около 50 вольт, по сравнению с несколькими тысячами вольт в ЭЛТ. Изоляционный слой в VFD обычно черный, однако его можно удалить или сделать прозрачным, чтобы дисплей был прозрачным. Дисплеи AMVFD, включающие в себя драйвер IC, доступны для приложений, требующих высокой яркости изображения и увеличенного количества пикселей. Фосфоры разных цветов можно укладывать друг на друга для достижения градации и различных цветовых комбинаций. Гибридные VFD включают в себя как фиксированные сегменты дисплея, так и графический VFD в одном устройстве. VFD могут иметь сегменты дисплея, сетки и соответствующую схему на передней и задней стеклянных панелях, используя центральный катод для обеих панелей, что позволяет увеличить плотность сегментов. Сегменты также могут быть размещены исключительно на передней панели, а не на задней, что улучшает углы обзора и яркость.

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.

Использование

Помимо яркости, VFD обладают преимуществами прочности, невысокой стоимости и простоты настройки для отображения широкого спектра пользовательских сообщений. В отличие от ЖК-дисплеев, VFD не ограничены временем отклика, необходимым для перестройки жидких кристаллов, и поэтому способны нормально функционировать при низких, даже отрицательных, температурах, что делает их идеальными для наружных устройств в холодном климате. Изначально основным недостатком таких дисплеев было значительно более высокое энергопотребление (0,2 Вт) по сравнению с простым ЖК-дисплеем. Это считалось существенным недостатком для оборудования, работающего от батарей, например, калькуляторов, поэтому VFD стали использоваться преимущественно в оборудовании, питаемом от сети переменного тока или мощных перезаряжаемых аккумуляторов. В 1980-х годах этот тип дисплея начал применяться в автомобилях, особенно там, где автопроизводители экспериментировали с цифровыми дисплеями для приборных панелей, таких как спидометры и одометры. Хорошим примером служат автомобили Subaru высокого класса начала 1980-х годов, известные энтузиастам как "digi dash" или цифровая приборная панель. Яркость VFD делает их хорошо подходящими для использования в автомобилях. Renault Espace Mk4 и Scenic Mk2 использовали VFD-панели для отображения всех функций на приборной панели, включая радио и мультимедийную информацию. Они достаточно яркие для чтения при прямом солнечном свете и могут быть затемнены для использования в ночное время. Эта панель использует четыре цвета: обычный сине-зеленый, а также темно-синий, красный и желто-оранжевый. Эта технология также применялась с 1979 по середину 1980-х годов в портативных электронных игровых устройствах. Эти игры отличались яркими и четкими дисплеями, но размер самых больших вакуумных ламп, которые можно было недорого производить, ограничивал размер дисплеев, часто требуя использования увеличительных линз Френеля. В то время как более поздние игры имели сложные многоцветные дисплеи, ранние игры достигали цветовых эффектов с помощью прозрачных фильтров, изменяющих цвет (обычно светло-голубого) света, излучаемого люминофорами. Высокое энергопотребление и высокая стоимость производства способствовали упадку VFD как дисплеев для видеоигр. ЖК-игры можно было производить значительно дешевле, они не требовали частой замены батарей (или адаптеров переменного тока) и были гораздо более портативными. С конца 1990-х годов, подсветки цветные активные матричные ЖК-дисплеи стали способны недорого воспроизводить произвольные изображения в любом цвете, что является существенным преимуществом по сравнению с VFD с фиксированным цветом и символами. Это одна из основных причин снижения популярности VFD, хотя их производство продолжается. Многие недорогие DVD-плееры до сих пор оснащены VFD. Начиная с середины 1980-х годов, VFD использовались в приложениях, требующих небольших дисплеев с высокими характеристиками яркости, однако сейчас внедрение органических светодиодов высокой яркости (OLED) вытесняет VFD с этих рынков. Вакуумно-флуоресцентные дисплеи широко использовались в качестве индикаторов этажа для лифтов компанией Otis Elevator Company по всему миру и Montgomery Elevator Company в Северной Америке (первые – с начала 1980-х до конца 2000-х годов в виде (обычно двух) зеленых 16-сегментных дисплеев, а вторые – с середины 1980-х до начала 2000-х годов в виде (обычно 3) зеленых или синих 10x14 точечных матричных дисплеев, один для стрелки и два других для цифр). Помимо широко используемых VFD с фиксированными символами, доступен графический тип, состоящий из массива индивидуально адресуемых пикселей. Эти более сложные дисплеи обеспечивают гибкость отображения произвольных изображений и могут по-прежнему быть полезным выбором для некоторых типов потребительского оборудования. В VFD может использоваться мультиплексирование для уменьшения количества соединений, необходимых для управления дисплеем. В 2015 году Korg выпустила Nutube – аналоговый компонент звукоусилителя, основанный на технологии VFD. Nutube используется в таких приложениях, как гитарные усилители Vox и усилители для наушников Apex Sangaku. Nutube продается Korg, но производится компанией Noritake Itron.

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.

Угаснет .

Выцветание иногда является проблемой для VFD-дисплеев. Светоотдача со временем снижается из-за уменьшения эмиссии и снижения эффективности люминофора. Скорость и степень этого снижения зависят от конструкции и эксплуатации VFD. В некоторых устройствах потеря яркости VFD может привести к неработоспособности оборудования. Выцветание можно замедлить, используя драйвер дисплея для снижения напряжения, необходимого для управления VFD. Выцветание также может происходить из-за испарения и загрязнения катода. Люминофоры, содержащие серу, более подвержены выцветанию. Из трех распространенных технологий отображения – VFD, LCD и LED – VFD был первым разработанным. Он использовался в первых портативных калькуляторах. Светодиодные дисплеи вытеснили VFD в этом применении, поскольку очень маленькие светодиоды потребляли меньше энергии, тем самым увеличивая срок службы батареи, хотя ранние светодиодные дисплеи испытывали трудности с достижением равномерной яркости во всех сегментах дисплея. Позже LCD-дисплеи вытеснили светодиоды, предлагая еще более низкое энергопотребление. Первым VFD был одноразрядный DM160 от Philips в 1959 году. Он легко управлялся транзисторами, поэтому был предназначен для компьютерных приложений, поскольку его было легче управлять, чем неон, и он имел более длительный срок службы, чем лампы накаливания. Японский одноразрядный семисегментный дисплей 1967 года, с точки зрения анода, был больше похож на Philips DM70 / DM71 Magic Eye, поскольку DM160 имеет спиральный проволочный анод. Японский семисегментный VFD означал, что не нужно было платить роялти за патенты на дисплеи настольных калькуляторов, как это было бы в случае использования индикаторов Nixie или неоновых цифр Panaplex. В Великобритании дизайн Philips производился и продавался компанией Mullard (почти полностью принадлежавшей Philips еще до Второй мировой войны). Русская VFD-лампа IV 15 очень похожа на DM160. DM160, DM70/DM71 и русская IV 15 могут (как и VFD-панель) использоваться в качестве триодов. Таким образом, DM160 является самым маленьким VFD и самым маленьким триодом. IV 15 имеет немного другую форму (см. фото DM160 и IV 15 для сравнения).