Вакуумный флуоресцентный дисплей ( VFD ) — это дисплейное устройство, которое когда-то широко использовалось в бытовой электронной технике, такой как видеомагнитофоны , автомобильные радиоприемники и микроволновые печи .
VFD работает по принципу катодолюминесценции , примерно как электронно-лучевая трубка , но работает при гораздо более низких напряжениях. Каждая трубка в VFD имеет покрытый фосфором угольный анод , который бомбардируется электронами, испускаемыми катодной нитью . [1] [2] Фактически, каждая трубка в VFD является триодной вакуумной трубкой, поскольку она также имеет сетчатую управляющую сетку. [3]
В отличие от жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев), VFD излучает очень яркий свет с высокой контрастностью и может поддерживать элементы отображения различных цветов. Стандартные показатели освещенности для VFD составляют около 640 кд/м 2 с VFD высокой яркости, работающими при 4000 кд/м 2 , и экспериментальных единиц до 35 000 кд/м 2 в зависимости от напряжения привода и его синхронизации. [3] Выбор цвета (который определяет природу люминофора) и яркость дисплея значительно влияют на срок службы трубок, который может варьироваться от всего лишь 1500 часов для ярко-красного VFD до 30 000 часов для более распространенных зеленых. [3] Кадмий обычно использовался в люминофорах VFD в прошлом, но современные VFD, соответствующие RoHS, исключили этот металл из своей конструкции, используя вместо этого люминофоры, состоящие из матрицы щелочноземельных и очень небольших количеств металлов III группы, легированных очень небольшими количествами 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 знаков. На практике существует мало ограничений на форму отображаемого изображения: она зависит исключительно от формы фосфора на аноде(ах).
Первым VFD был дисплей с одной индикацией DM160 производства Philips в 1959 году. [5] Первым многосегментным VFD был японский одноразрядный семисегментный дисплей 1967 года, изготовленный Ise Electronics Corporation. [6] Дисплеи стали обычным явлением на калькуляторах и других устройствах бытовой электроники. [7] В конце 1980-х годов ежегодно производились сотни миллионов единиц. [8]
Устройство состоит из горячего катода ( нитей ), сеток и анодов ( люминофора ), заключенных в стеклянную оболочку в условиях высокого вакуума . Катод состоит из тонких вольфрамовых проволок , покрытых оксидами щелочноземельных металлов (бария, [2] стронция и оксидов кальция [9] [10] ), которые испускают электроны при нагревании до 650 °C [2] электрическим током. Эти электроны контролируются и рассеиваются сетками (изготовленными с использованием фотохимической обработки ), которые изготовлены из тонкой (толщиной 50 микрон) нержавеющей стали. [2] Если электроны попадают на покрытые люминофором анодные пластины, они флуоресцируют , излучая свет. В отличие от оранжево-светящихся катодов традиционных вакуумных трубок, катоды VFD являются эффективными излучателями при гораздо более низких температурах и, следовательно, по существу, невидимы. [11] Анод состоит из стеклянной пластины с электропроводящими дорожками (каждая дорожка соединена с одним сегментом индикатора), которая покрыта изолятором, который затем частично протравлен для создания отверстий, которые затем заполняются проводником, таким как графит , который в свою очередь покрыт фосфором. Это переносит энергию от дорожки к сегменту. Форма фосфора будет определять форму сегментов VFD. Наиболее широко используемый фосфор - это активированный медью оксид цинка, легированный цинком , [2] , который генерирует свет на пиковой длине волны 505 нм.
Катодная проволока, на которую наносятся оксиды, изготовлена из вольфрама или сплава рутения и вольфрама. Оксиды в катодах нестабильны на воздухе, поэтому они наносятся на катод в виде карбонатов, катоды собираются в VFD, и катоды нагреваются путем пропускания тока через них, находясь внутри вакуума VFD, чтобы преобразовать карбонаты в оксиды. [2] [10]
Принцип работы идентичен принципу работы триода вакуумной лампы . Электроны могут достичь (и «осветить») заданный элемент пластины только в том случае, если и сетка, и пластина находятся под положительным потенциалом относительно катода. [12] Это позволяет организовать дисплеи как мультиплексные дисплеи , где несколько сеток и пластин образуют матрицу, минимизируя количество требуемых сигнальных контактов. В примере дисплея видеомагнитофона, показанном справа, сетки расположены так, что одновременно освещается только одна цифра. Все одинаковые пластины во всех цифрах (например, все нижние левые пластины во всех цифрах) соединены параллельно. По одной микропроцессор, управляющий дисплеем, включает цифру, помещая положительное напряжение на сетку этой цифры, а затем помещая положительное напряжение на соответствующие пластины. Электроны протекают через сетку этой цифры и ударяют по тем пластинам, которые находятся под положительным потенциалом. Микропроцессор циклически подсвечивает цифры таким образом с достаточно высокой скоростью, чтобы создать иллюзию одновременного свечения всех цифр посредством инерционности зрения . [ необходима цитата ]
Дополнительные индикаторы (в нашем примере "VCR", "Hi-Fi", "STEREO", "SAP" и т. д.) располагаются так, как если бы они были сегментами дополнительной цифры или двух или дополнительных сегментов существующих цифр, и сканируются с использованием той же мультиплексной стратегии, что и реальные цифры. Некоторые из этих дополнительных индикаторов могут использовать люминофор, который излучает другой цвет света, например, оранжевый.
Свет, излучаемый большинством VFD, содержит много цветов и часто может быть отфильтрован для повышения насыщенности цвета, обеспечивая глубокий зеленый или глубокий синий цвет, в зависимости от прихотей разработчиков продукта. Люминофоры, используемые в VFD, отличаются от люминофоров в электронно-лучевых дисплеях, поскольку они должны излучать приемлемую яркость всего лишь с около 50 вольт энергии электронов по сравнению с несколькими тысячами вольт в ЭЛТ. [13] Изолирующий слой в VFD обычно черный, однако его можно удалить или сделать прозрачным, чтобы дисплей был прозрачным. Дисплеи AMVFD, которые включают в себя микросхему драйвера, доступны для приложений, которым требуется высокая яркость изображения и увеличенное количество пикселей. Люминофоры разных цветов могут быть наложены друг на друга для достижения градаций и различных цветовых комбинаций. Гибридные VFD включают как фиксированные сегменты дисплея, так и графический VFD в одном блоке. VFD могут иметь сегменты дисплея, сетки и связанные с ними схемы на своих передних и задних стеклянных панелях, используя центральный катод 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 обладают такими преимуществами, как прочность, дешевизна и простота настройки для отображения широкого спектра настраиваемых сообщений, и в отличие от ЖК-дисплеев, VFD не ограничены временем отклика перестановки жидких кристаллов и, таким образом, могут нормально функционировать при низких, даже отрицательных температурах, что делает их идеальными для наружных устройств в холодном климате. Изначально основным недостатком таких дисплеев было потребление ими значительно большей мощности (0,2 Вт ), чем простым ЖК-дисплеем. Это считалось существенным недостатком для оборудования с батарейным питанием, такого как калькуляторы, поэтому VFD в конечном итоге стали использоваться в основном в оборудовании, работающем от сети переменного тока или сверхмощных аккумуляторных батарей.
В 1980-х годах этот дисплей начал использоваться в автомобилях, особенно там, где автопроизводители экспериментировали с цифровыми дисплеями для таких приборов, как спидометры и одометры. Хорошим примером этого были автомобили Subaru высокого класса , выпущенные в начале 1980-х годов (называемые энтузиастами Subaru digi-dash или цифровой приборной панелью ). Яркость VFD делает их хорошо подходящими для использования в автомобилях. Renault Espace Mk4 и Scenic Mk2 использовали панели VFD для отображения всех функций на приборной панели, включая радио и панель многофункциональных сообщений. Они достаточно яркие, чтобы читать при ярком солнечном свете, а также имеют функцию затемнения для использования ночью. Эта панель использует четыре цвета: обычный синий/зеленый, а также темно-синий, красный и желтый/оранжевый.
Эта технология также использовалась с 1979 по середину 1980-х годов в портативных электронных игровых приставках. Эти игры имели яркие, четкие дисплеи, но размер самых больших вакуумных трубок, которые можно было производить недорого, сохранял размер дисплеев довольно небольшим, часто требуя использования увеличительных линз Френеля . [ требуется цитата ] В то время как более поздние игры имели сложные многоцветные дисплеи, ранние игры достигали цветовых эффектов с помощью 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 на ЖК-дисплеях могли производиться за часть от цены, не требовали частой замены батареек (или адаптеров переменного тока) и были гораздо более портативными. С конца 1990-х годов подсвечиваемые цветные активно-матричные ЖК-дисплеи могли дешево воспроизводить произвольные изображения в любом цвете, что является заметным преимуществом по сравнению с VFD с фиксированным цветом и фиксированными символами. Это одна из главных причин снижения популярности VFD, хотя их продолжают производить. Многие недорогие DVD-плееры по-прежнему оснащены VFD-дисплеями. [ когда? ]
Начиная с середины 1980-х годов VFD использовались в приложениях, требующих дисплеев меньшего размера с высокими характеристиками яркости, хотя в настоящее время внедрение органических светодиодов высокой яркости (OLED) вытесняет VFD с этих рынков.
Вакуумные флуоресцентные дисплеи когда-то широко использовались в качестве напольных индикаторов для лифтов компаниями Otis Elevator Company по всему миру и Montgomery Elevator Company в Северной Америке (первая с начала 1980-х до конца 2000-х годов в виде (обычно двух) зеленых 16-сегментных дисплеев , а вторая с середины 1980-х до начала 2000-х годов в виде (обычно трех) зеленых или синих 10x14 матричных дисплеев , один для стрелки и два других для цифр).
В дополнение к широко используемому VFD с фиксированным символом, также доступен графический тип, состоящий из массива индивидуально адресуемых пикселей. Эти более сложные дисплеи предлагают гибкость отображения произвольных изображений и могут по-прежнему быть полезным выбором для некоторых типов потребительского оборудования.
Мультиплексирование может использоваться в VFD-дисплеях для сокращения количества соединений, необходимых для управления дисплеем. [2]
Несколько радиолюбителей экспериментировали с возможностями использования VFD в качестве триодных усилителей . [23] [24] [25] В 2015 году Korg выпустила Nutube, компонент аналогового аудиоусилителя, основанный на технологии VFD. Nutube используется в таких приложениях, как гитарные усилители от Vox [26] и усилитель для наушников Apex Sangaku. [27] Nutube продается компанией Korg, но производится компанией Noritake Itron. [28]
Иногда проблема с VFD заключается в выцветании. Световой поток падает со временем из-за снижения эмиссии и снижения эффективности люминофора. Насколько быстро и насколько сильно это падает, зависит от конструкции и работы VFD. В некотором оборудовании потеря выходного сигнала VFD может сделать оборудование неработоспособным. Выцветание можно замедлить, используя микросхему драйвера дисплея для снижения напряжений, необходимых для управления VFD. Выцветание также может происходить из-за испарения и загрязнения катода. Люминофоры, содержащие серу, более подвержены выцветанию. [2]
Эмиссия обычно может быть восстановлена путем повышения напряжения нити накала. Повышение напряжения на тридцать три процента может исправить умеренное выцветание, а повышение на 66% — сильное выцветание. [ необходима цитата ] Это может сделать нити накала видимыми при использовании, хотя обычный зелено-синий фильтр VFD помогает уменьшить любой такой красный или оранжевый свет от нити накала.
Из трех распространенных технологий отображения — VFD, LCD и LED — VFD был разработан первым. VFD и светодиодные дисплеи использовались в ранних карманных калькуляторах. Светодиодные дисплеи были альтернативой VFD в этом использовании, поскольку у них были более простые требования к питанию, не требующие высокого напряжения. Выбор технологии отображения варьировался в зависимости от коммерческих решений производителя, при этом такие компании, как Casio, Canon и Sharp, отказались от светодиодных дисплеев в пользу VFD и ранних ЖК-дисплеев, в то время как Texas Instruments и Hewlett Packard, оба производителя светодиодных дисплеев, продолжали использовать светодиодную технологию гораздо дольше. Позже, когда технология ЖК-дисплеев хорошо зарекомендовала себя, она вытеснила светодиодные дисплеи и VFD в карманных калькуляторах, предлагая более низкие требования к питанию по более низкой цене. Совсем недавно, за пределами сектора образования, приложения-калькуляторы на мобильных телефонах для многих заменили карманные калькуляторы, и наблюдается переход от ЖК-дисплеев со светодиодной подсветкой обратно к полностью светодиодным дисплеям в виде дисплеев на органических светодиодах (OLED).
Первым VFD был дисплей с одной индикацией DM160 от 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 больший срок службы, чем лампочка. Японский одноразрядный семисегментный дисплей 1967 года с точки зрения анода был больше похож на Philips DM70 / DM71 Magic Eye, поскольку у DM160 был спиральный проволочный анод. Японский семисегментный VFD означал, что не нужно было платить патентные отчисления за дисплеи настольных калькуляторов, как это было бы в случае использования трубок Nixie или неоновых цифр Panaplex или для светодиодных дисплеев на карманных калькуляторах. В Великобритании разработки Philips производились и продавались компанией Mullard (почти полностью принадлежавшей Philips даже до Второй мировой войны).
Российская лампа VFD ИВ-15 очень похожа на DM160. DM160, DM70/DM71 и российская ИВ-15 могут (как панель VFD) использоваться как триоды . Таким образом, DM160 является самой маленькой лампой VFD и самой маленькой триодной лампой. ИВ-15 немного отличается по форме (см. фото DM160 и ИВ-15 для сравнения).
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )