Вакуумный флуоресцентный дисплей ( VFD ) – это устройство отображения, которое когда-то широко использовалось в оборудовании бытовой электроники, таком как видеомагнитофоны , автомобильные радиоприемники и микроволновые печи .
VFD работает по принципу катодолюминесценции , примерно аналогично электронно-лучевой трубке , но работает при гораздо более низком напряжении. Каждая трубка в VFD имеет покрытый люминофором угольный анод , который бомбардируется электронами, испускаемыми катодной нитью . [1] [2] Фактически, каждая лампа в ЧРП представляет собой триодную вакуумную лампу, поскольку она также имеет сетку управления. [3]
В отличие от жидкокристаллических дисплеев , VFD излучает очень яркий свет с высокой контрастностью и может поддерживать элементы дисплея различных цветов. Стандартные показатели освещенности для ЧРП составляют около 640 кд/м 2 , ЧРП высокой яркости работают при 4000 кд/м 2 , а экспериментальные устройства достигают 35 000 кд/м 2 в зависимости от напряжения возбуждения и его синхронизации. [3] Выбор цвета (который определяет природу люминофора) и яркость дисплея существенно влияют на срок службы ламп, который может варьироваться от 1500 часов для ярко-красных VFD до 30 000 часов для более распространенных зеленых ламп. . [3] Кадмий обычно использовался в люминофорах частотно-регулируемых приводов в прошлом, но нынешние преобразователи частоты, соответствующие требованиям RoHS , исключили этот металл из своей конструкции, используя вместо них люминофоры, состоящие из матрицы щелочноземельных металлов и очень небольшого количества металлов группы III. легированные очень небольшим количеством редкоземельных металлов. [4]
VFD могут отображать семисегментные цифры, многосегментные буквенно-цифровые символы или могут быть выполнены в виде точечной матрицы для отображения различных буквенно-цифровых символов и символов. На практике существует небольшое ограничение на форму отображаемого изображения: она зависит исключительно от формы люминофора на аноде(ах).
Первым VFD был одноразрядный семисегментный прибор Philips DM160, выпущенный в 1959 году. [5] Первым многосегментным VFD был японский одноразрядный семисегментный прибор 1967 года производства Ise Electronics Corporation. [6] Дисплеи стали обычным явлением в калькуляторах и других устройствах бытовой электроники. [7] В конце 1980-х годов ежегодно производились сотни миллионов единиц. [8]
Устройство состоит из горячего катода ( нитей накала ), сеток и анодов ( люминофора ), заключенных в стеклянную оболочку в условиях высокого вакуума . Катод состоит из тонких вольфрамовых проволок , покрытых оксидами щелочноземельных металлов (оксиды бария, [2] стронция и кальция [9] [10] ), которые испускают электроны при нагревании до 650 °C [2] электрическим током. . Эти электроны контролируются и рассеиваются сетками (сделанными с помощью фотохимической обработки ), которые изготовлены из тонкой (толщиной 50 микрон) нержавеющей стали. [2] Если электроны сталкиваются с анодными пластинами с люминофорным покрытием, они флуоресцируют , излучая свет. В отличие от катодов традиционных электронных ламп, светящихся оранжевым светом, катоды VFD являются эффективными эмиттерами при гораздо более низких температурах и поэтому практически невидимы. [11] Анод состоит из стеклянной пластины с электропроводящими дорожками (каждая дорожка соединена с одним сегментом индикатора), покрытой изолятором, который затем частично травится для создания отверстий, которые затем заполняются проводником, например графитом . , который в свою очередь покрыт люминофором. Это передает энергию от дорожки к сегменту. Форма люминофора будет определять форму сегментов VFD. Наиболее широко используемым люминофором является активированный медью оксид цинка, легированный цинком , [2] который генерирует свет с пиковой длиной волны 505 нм.
Катодная проволока, на которую нанесены оксиды, изготавливается из вольфрама или рутениевольфрамового сплава. Оксиды в катодах нестабильны на воздухе, поэтому они наносятся на катод в виде карбонатов, катоды собираются в ЧРП, а катоды нагреваются путем пропускания через них тока, находясь внутри вакуума ЧРП, для преобразования карбонаты в оксиды. [2] [10]
Принцип работы идентичен принципу лампового триода . Электроны могут достичь (и «осветить») данного элемента пластины только в том случае, если и сетка, и пластина имеют положительный потенциал по отношению к катоду. [12] Это позволяет организовать дисплеи как мультиплексированные дисплеи , где несколько решеток и пластин образуют матрицу, сводя к минимуму количество необходимых сигнальных контактов. В примере дисплея видеомагнитофона, показанном справа, сетки расположены так, что одновременно светится только одна цифра. Все одинаковые пластины во всех разрядах (например, все нижние левые пластины во всех разрядах) соединены параллельно. Один за другим микропроцессор , управляющий дисплеем, активирует цифру, подавая положительное напряжение на сетку этой цифры, а затем подавая положительное напряжение на соответствующие пластины. Электроны проходят через сетку этой цифры и попадают на те пластины, которые имеют положительный потенциал. Микропроцессор циклически освещает цифры таким образом с достаточно высокой скоростью, чтобы создать иллюзию одновременного свечения всех цифр за счет постоянства зрения . [ нужна цитата ]
Дополнительные индикаторы (в нашем примере «Видеомагнитофон», «Hi-Fi», «СТЕРЕО», «SAP» и т. д.) располагаются так, как если бы они были сегментами дополнительной цифры или двух или дополнительными сегментами существующих цифр и являются сканируются с использованием той же стратегии мультиплексирования, что и реальные цифры. В некоторых из этих дополнительных индикаторов может использоваться люминофор, излучающий свет другого цвета, например оранжевый.
Свет, излучаемый большинством VFD, содержит множество цветов и часто может быть отфильтрован для повышения насыщенности цвета , обеспечивая темно-зеленый или темно-синий цвет, в зависимости от прихотей дизайнеров продукта. Люминофоры, используемые в VFD, отличаются от люминофоров в электронно-лучевых дисплеях, поскольку они должны излучать приемлемую яркость при энергии электронов всего около 50 вольт по сравнению с несколькими тысячами вольт в ЭЛТ. [13] Изолирующий слой в VFD обычно черный, однако его можно удалить или сделать прозрачным, чтобы дисплей стал прозрачным. Дисплеи AMVFD со встроенной микросхемой драйвера доступны для приложений, требующих высокой яркости изображения и увеличенного количества пикселей. Люминофоры разных цветов можно накладывать друг на друга для достижения градаций и различных цветовых комбинаций. Гибридные VFD включают в себя как сегменты фиксированного дисплея, так и графический VFD в одном устройстве. VFD могут иметь сегменты дисплея, сетки и соответствующие схемы на передней и задней пластиковых панелях с использованием центрального катода для обеих панелей, что позволяет увеличить плотность сегментов. Сегменты также можно размещать исключительно спереди, а не сзади, что улучшает углы обзора и яркость. [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22]
Помимо яркости, VFD имеют преимущества, заключающиеся в том, что они прочные, недорогие и легко настраиваются для отображения широкого спектра индивидуальных сообщений. В отличие от ЖК-дисплеев, VFD не ограничены временем отклика при перестановке жидких кристаллов и, таким образом, могут нормально функционировать в холодную погоду. , даже при минусовой температуре, что делает их идеальными для наружных устройств в холодном климате. Вначале основным недостатком таких дисплеев было потребление значительно большей мощности (0,2 Вт ), чем у простого ЖК-дисплея. Это считалось существенным недостатком оборудования с батарейным питанием, такого как калькуляторы, поэтому частотно-регулируемые приводы в конечном итоге использовались в основном в оборудовании, питающемся от сети переменного тока или аккумуляторных батареях большой мощности.
В 1980-х годах этот дисплей начал использоваться в автомобилях, особенно там, где автопроизводители экспериментировали с цифровыми дисплеями для автомобильных приборов, таких как спидометры и одометры. Хорошим примером этого были автомобили Subaru высокого класса, выпущенные в начале 1980-х годов (энтузиасты Subaru называли их цифровой приборной панелью или цифровой приборной панелью ). Яркость VFD делает их пригодными для использования в автомобилях. В Renault Espace Mk4 и Scenic Mk2 использовались панели VFD для отображения всех функций на приборной панели, включая радио и панель мультисообщений. Они достаточно яркие, чтобы читать при ярком солнечном свете, а также регулируемую яркость для использования в ночное время. Эта панель использует четыре цвета; обычный синий/зеленый, а также темно-синий, красный и желтый/оранжевый.
Эта технология также использовалась с 1979 до середины 1980-х годов в портативных электронных игровых устройствах. В этих играх использовались яркие и четкие дисплеи, но размер самых больших электронных ламп, которые можно было изготовить недорого, сохранял размер дисплеев довольно маленьким, что часто требовало использования увеличительных линз Френеля . [ нужна цитация ] В то время как более поздние игры имели сложные многоцветные дисплеи, в ранних играх цветовые эффекты достигались с использованием прозрачных фильтров для изменения цвета (обычно светло-голубого) света, излучаемого люминофорами. Высокое энергопотребление и высокая стоимость производства способствовали упадку VFD как дисплея для видеоигр. Игры с ЖК-дисплеем можно было производить за небольшую цену, они не требовали частой замены батарей (или адаптеров переменного тока) и были гораздо более портативными. С конца 1990-х годов цветные ЖК-дисплеи с активной матрицей с подсветкой способны дешево воспроизводить произвольные изображения в любом цвете, что является заметным преимуществом перед VFD с фиксированным цветом и фиксированными символами. Это одна из основных причин снижения популярности ЧРП, хотя их продолжают производить. Многие недорогие DVD-плееры по-прежнему оснащены VFD.
С середины 1980-х годов VFD использовались в приложениях, требующих небольших дисплеев с высокими характеристиками яркости, хотя сейчас внедрение органических светодиодов высокой яркости (OLED) вытесняет VFD с этих рынков.
Вакуумные флуоресцентные дисплеи когда-то широко использовались в качестве индикаторов пола для лифтов компаниями 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 , и последний с середины 1980-х до начала 2000-х годов в виде (обычно 3) зеленых или синих матричных дисплеев 10x14 , один для стрелок и два других для цифр).
В дополнение к широко используемому VFD с фиксированными символами также доступен графический тип, состоящий из массива индивидуально адресуемых пикселей. Эти более сложные дисплеи обеспечивают гибкость отображения произвольных изображений и по-прежнему могут быть полезным выбором для некоторых типов потребительского оборудования.
Мультиплексирование может использоваться в VFD, чтобы уменьшить количество соединений, необходимых для управления дисплеем. [2]
Несколько радиолюбителей экспериментировали с возможностями использования ЧРП в качестве триодных усилителей . [23] [24] [25] В 2015 году Korg выпустила Nutube, компонент аналогового усилителя звука, основанный на технологии VFD. Nutube используется в таких приложениях, как гитарные усилители Vox [26] и усилитель для наушников Apex Sangaku. [27] Nutube продается компанией Korg, но производится Noritake Itron. [28]
Затухание иногда является проблемой VFD. Светоотдача со временем падает из-за падения излучения и снижения эффективности люминофора. Насколько быстро и насколько далеко это упадет, зависит от конструкции и эксплуатации ЧРП. В некотором оборудовании потеря выходного сигнала ЧРП может привести к выходу оборудования из строя. Затухание можно замедлить, используя микросхему драйвера дисплея для снижения напряжения, необходимого для управления VFD. Затухание может происходить также из-за испарения и загрязнения катода. Люминофоры, содержащие серу, более подвержены выцветанию. [2]
Эмиссию обычно можно восстановить, увеличив напряжение накала. Повышение напряжения на 33% может устранить умеренное затухание, а повышение напряжения на 66% — при сильном затухании. [ нужна цитация ] Это может сделать нити видимыми при использовании, хотя обычный зелено-синий фильтр VFD помогает уменьшить любой такой красный или оранжевый свет от нити.
Из трех распространенных технологий отображения — VFD, LCD и LED — VFD был разработан первым. Он использовался в первых портативных калькуляторах. Светодиодные дисплеи вытеснили VFD в этом использовании, поскольку используемые очень маленькие светодиоды требовали меньше энергии, тем самым продлевая срок службы батареи, хотя у ранних светодиодных дисплеев были проблемы с достижением одинаковых уровней яркости во всех сегментах дисплея. Позже ЖК-дисплеи вытеснили светодиоды, обеспечив еще более низкое энергопотребление.
Первым VFD был DM160 с единственной индикацией, выпущенный Philips в 1959 году. Он мог легко управляться транзисторами, поэтому был нацелен на компьютерные приложения, поскольку им было легче управлять, чем неоновым, и он имел более длительный срок службы, чем лампочка. Японский одноразрядный семисегментный дисплей 1967 года с точки зрения анода больше напоминал Philips DM70 / DM71 Magic Eye, поскольку DM160 имеет анод из спиральной проволоки. Японский семисегментный VFD означал, что за дисплеи настольных калькуляторов не нужно было платить патентные гонорары, как это было бы в случае с неоновыми цифрами Nixies или Panaplex. В Великобритании дизайн Philips производился и продавался компанией Mullard (почти полностью принадлежавшей Philips еще до Второй мировой войны).
Российская электронно-регулируемая лампа ИВ-15 очень похожа на ДМ160. ДМ160, ДМ70/ДМ71 и российский ИВ-15 можно (как и панель ЧРП) использовать в качестве триодов . Таким образом, DM160 является самым маленьким VFD и самым маленьким триодным клапаном. У ИВ-15 немного другая форма (для сравнения см. фото ДМ160 и ИВ-15).
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )