Wyświetlacze VFD (z ang. Vacuum Fluorescent Display) czyli Próżniowe Wyświetlacze Fluorescencyjne że tak powiem "cieszą oko" swoim urokiem. W cyklu artykułów chciałbym przybliżyć ich budowę a także omówić sposób zasilania i sterowania. Wyświetlacze te przypominają zasadą działania zwykłe lampy próżniowe (np. kineskop czy tzw. magiczne oko) jednak różnią się zasadniczo budową. Choć dość łatwo je pozyskać (np. ze złomowanego sprzętu RTV) to wielu rezygnuje z uruchomienia i wykorzystania tych wyświetlaczy. Okazuje się jednak że jest to dość proste do zrealizowania dla amatora.
• Budowa.
Wyświetlacz VFD składa się z kilku rzeczy. Najważniejszymi są; katoda (grzałka), anoda/y, siatka/siatki oraz dość nietypowa "bańka" szklana;
• Katoda
Grzałka pełni także rolę katody a składa się z kilku-kilkunastu (zależnie od wielkości wyświetlacza) bardzo cienkich wolframowych drucików pokrytych mieszanką baru (Ba), strontu (Sr) oraz tlenku wapnia (CaO). Przepływający przez grzałkę prąd podgrzewa ją do ok. 600 °C co umożliwia emisję elektronów.
• Siatka
Siatka jest wykonywana ze stali nierdzewnej metodą fotochemiczną (podobnie jak PCB), dodatni potencjał siatki względem katody przyśpiesza elektrony które po przejściu przez "oczka" siatki uderzają w powierzchnię anod. Potencjał ujemny siatki blokuje przejście dla elektronów.
• Anoda
Anoda to odpowiednio ukształtowane segmenty ( mogą to być też znaki graficzne) z przewodzącego materiału (np. grafitu) pokrytego tzw. luminoforem (materiał emitujący światło pod wpływem padających na niego elektronów). Dodatni potencjał anody umożliwia zderzanie elektronów z powierzchnią luminoforu i emisję światła widzialnego. Jednym z najczęściej używanych luminoforów ze względu na niskie napięcie pracy jest tlenek cynku (ZnO) dający zielone światło o długości fali około 505nm.
• Budowa typowego wyświetlacza VFD
Kilka słów wyjaśnienia do powyższego rysunku, getter to tzw. pochłaniacz szczątkowych zanieczyszczeń powstałych w procesie produkcji i po odpompowaniu powietrza z wnętrza wyświetlacza. Rolą napinaczy jest kompensacja rozszerzalności cieplnej grzałek(katody) ponieważ zmieniają swoją długość pod wpływem temperatury. Korek, to po prostu metalowa zatyczka uszczelniająca wyświetlacz. We wcześniejszych konstrukcjach zostawiano na etapie produkcji wystającą cienką szklaną rurkę którą po odpompowaniu zatapiano w wysokiej temperaturze. Po zatopieniu z wyświetlacza wystawała końcówka która często powodowała uszkodzenie ze względu na ułamanie (rozszczelnienie wyświetlacza).
Są też wyświetlacze o nieco odmiennej konstrukcji gdzie segmenty są napylone bezpośrednio na szklane podłoże i nie są widoczne siatki ani katoda. Poniżej jeden tego typu z mojej kolekcji;
Jeszcze inną odmianą są wyświetlacze w technologii CIG (ang. Chip In Glass czyli układ w szkle) które zawierają wewnątrz szklanej "bańki" zainstalowany kontroler/driver. Na poniższych zdjęciach wyświetlacz w tej technologii firmy Futaba który podarowała mi nasza forumowa koleżanka Justyna (@Justyniunia);
Przy lewej krawędzi widać miejsce w którym jest driver;
Ze względów praktycznych wyświetlacze nie są budowane jako pojedyńcze dla każdej cyfry/znaku i przeważnie jest to kilka,kilkanaście czy kilkadziesiąt cyfr/znaków w jednej szklanej "bańce". Oczywiście znaki mogą być dowolne np. 7-mio segmentowe 14 czy 16-to segmentowe a nawet (coraz częściej) jako matryce np. 5x7 punktów (najbardziej popularne), lub też całkowicie graficzne. Można też manipulując składem chemicznym luminoforu uzyskać różne kolory.
Na poniższym zdjęciu wyświetlacz firmy Futaba dedykowany do licznika samochodowego;
Wyświetlacz graficzny VFD GU128x64-800B firmy Noritake-Intron;
Oraz typowy wyświetlacz stosowany w magnetowidach, wyraźnie widoczne siatki i podział na sekcje;
Wyświetlacze o większej zawartości elementów są produkowane głównie jako tzw. multipleksowane (podobnie jak wyświetlacze LED), proste natomiast mają wyprowadzone wszystkie połączenia anod (segmentów) i siatek;
Wyświetlacze statyczne posiadają jedną, wspólną siatkę oraz wyprowadzone wszystkie segmenty. Umożliwia to sterowanie ich stosunkowo niskim napięciem rzędu 12V i można tu wykorzystać typowe układy serii CMOS 4XXX. Mimo zastosowań w prostych urządzeniach typu zegar/timer zostały wyparte przez wyświetlacze LED. Wraz ze wzrostem komplikacji wyświetlacza wymaga on więcej wyprowadzeń, takie wyświetlacze produkowane są jako tzw. multipleksowane;
Sterowanie wyświetlaczem multipleksowanym wymaga bardziej rozbudowanego układu sterującego oraz większego napięcia zasilającego rzędu 30-35V a także odpowiednich zależności czasowych sygnałów siatek i anod (segmentów). Poniżej przykładowe przebiegi sygnałów;
W takcie T2 podawane jest napięcie siatki G2 oraz napięcia anod (segmentów) dla drugiej cyfry (G2), analogicznie dla kolejnych pozycji wyświetlacza. Widoczne krótkie przerwy w zasilaniu kolejnych siatek i anod (segmentów) to tzw. "wygaszanie między-cyfrowe" i ma zapobiegać prześwitom (duchom) treści na kolejną pozycję wyświetlacza;
Częstotliwość "przemiatania" siatek to kilkadziesiąt-kilkaset Hz i oko ludzkie odbiera to jako światło ciągłe (nie widzimy zapalających się i gasnących kolejno cyfr/znaków). Wykorzystując regulację czasu podawania napięcia na anody (segmenty) dla każdej siatki możemy regulować jasność wyświetlacza (PWM);
Osobną kwestią jest napięcie żarzenia. W większości jest realizowane prądem przemiennym poprzez transformator z odczepem na środku uzwojenia choć bywa też zasilanie prądem stałym. Punkt "umasowienia" grzałek ma jednak znaczenie dla pracy wyświetlacza, na rysunku poniżej żarzenie prądem stałym;
Pomimo swej prostoty ma jedną wadę, ponieważ grzałki pełnią funkcję katody to w jednym punkcie powinny być połączone z masą. Przyłożenie napięcia żarzenia do drugiego wyprowadzenia powoduje różnicę potencjałów między anodami i katodą zależnie od miejsca wyświetlacza co widać na powyższym rysunku. Skutkuje to w praktyce nierównomierną jasnością wyświetlacza. Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem jest zasilanie grzałek prądem przemiennym. Na poniższych rysunkach pokazano ten sposób w wersji z masą połączoną do środkowego odczepu lub skrajnego oraz rozkład napięć;
Takie rozwiązania stosowane są głównie w urządzeniach stacjonarnych gdzie uzwojenie żarzenia jest zaimplementowane w transformatorze sieciowym. W urządzeniach zasilanych bateryjnie często jest wykorzystywane żarzenie przy pomocy przetwornic DC/AC;
Przetwornice w tym zastosowaniu pracują z dużą częstotliwością (zalecane to 10-200kHz) i zalecany jest współczynnik wypełnienia 50%. Ponieważ jasność wyświetlacza silnie zależy od różnicy potencjałów anody i siatki;
W celu wyeliminowania przebić z sąsiednich cyfr dla wygaszonych segmentów wymagane jest podanie napięcia ujemnego względem katody(grzałki) na anody i siatki (tzw. pływająca katoda). To właśnie realizuje dioda Zenera;
Oczywiście chcąc wykorzystać wyświetlacz VFD we własnej konstrukcji nie musimy budować całego sterowania od zera. Istnieją specjalne układy scalone nazywane driverami VFD które "załatwiają" wszystkie zależności czasowe a nawet zawierają wbudowany generator znaków np. PT6302 dla wyświetlaczy alfanumerycznych 16x1 czy też STM86312 dla wyświetlaczy 7-16-to segmentowych oraz obsługą kilku innych przydatnych funkcji.
W kolejnej części przedstawię sposoby uruchomienia wyświetlaczy oraz ich praktyczne wykorzystanie we własnych konstrukcjach.
Artykuł powstał na bazie materiałów producentów wyświetlaczy VFD a także własnych doświadczeń.
Noritake-Intron;
https://www.noritake-elec.com/technology/general-technical-information/vfd-operation
Futaba;
http://www.futaba.co.jp/en/display/vfd/
Elektronika Praktyczna;
Część pierwsza; https://ep.com.pl/files/4420.pdf
Część druga; https://ep.com.pl/files/4454.pdf
Część druga o wyświetlaczach VFD; https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3762233.html
• Budowa.
Wyświetlacz VFD składa się z kilku rzeczy. Najważniejszymi są; katoda (grzałka), anoda/y, siatka/siatki oraz dość nietypowa "bańka" szklana;

• Katoda
Grzałka pełni także rolę katody a składa się z kilku-kilkunastu (zależnie od wielkości wyświetlacza) bardzo cienkich wolframowych drucików pokrytych mieszanką baru (Ba), strontu (Sr) oraz tlenku wapnia (CaO). Przepływający przez grzałkę prąd podgrzewa ją do ok. 600 °C co umożliwia emisję elektronów.
• Siatka
Siatka jest wykonywana ze stali nierdzewnej metodą fotochemiczną (podobnie jak PCB), dodatni potencjał siatki względem katody przyśpiesza elektrony które po przejściu przez "oczka" siatki uderzają w powierzchnię anod. Potencjał ujemny siatki blokuje przejście dla elektronów.
• Anoda
Anoda to odpowiednio ukształtowane segmenty ( mogą to być też znaki graficzne) z przewodzącego materiału (np. grafitu) pokrytego tzw. luminoforem (materiał emitujący światło pod wpływem padających na niego elektronów). Dodatni potencjał anody umożliwia zderzanie elektronów z powierzchnią luminoforu i emisję światła widzialnego. Jednym z najczęściej używanych luminoforów ze względu na niskie napięcie pracy jest tlenek cynku (ZnO) dający zielone światło o długości fali około 505nm.
• Budowa typowego wyświetlacza VFD

Kilka słów wyjaśnienia do powyższego rysunku, getter to tzw. pochłaniacz szczątkowych zanieczyszczeń powstałych w procesie produkcji i po odpompowaniu powietrza z wnętrza wyświetlacza. Rolą napinaczy jest kompensacja rozszerzalności cieplnej grzałek(katody) ponieważ zmieniają swoją długość pod wpływem temperatury. Korek, to po prostu metalowa zatyczka uszczelniająca wyświetlacz. We wcześniejszych konstrukcjach zostawiano na etapie produkcji wystającą cienką szklaną rurkę którą po odpompowaniu zatapiano w wysokiej temperaturze. Po zatopieniu z wyświetlacza wystawała końcówka która często powodowała uszkodzenie ze względu na ułamanie (rozszczelnienie wyświetlacza).
Są też wyświetlacze o nieco odmiennej konstrukcji gdzie segmenty są napylone bezpośrednio na szklane podłoże i nie są widoczne siatki ani katoda. Poniżej jeden tego typu z mojej kolekcji;

Jeszcze inną odmianą są wyświetlacze w technologii CIG (ang. Chip In Glass czyli układ w szkle) które zawierają wewnątrz szklanej "bańki" zainstalowany kontroler/driver. Na poniższych zdjęciach wyświetlacz w tej technologii firmy Futaba który podarowała mi nasza forumowa koleżanka Justyna (@Justyniunia);

Przy lewej krawędzi widać miejsce w którym jest driver;

Ze względów praktycznych wyświetlacze nie są budowane jako pojedyńcze dla każdej cyfry/znaku i przeważnie jest to kilka,kilkanaście czy kilkadziesiąt cyfr/znaków w jednej szklanej "bańce". Oczywiście znaki mogą być dowolne np. 7-mio segmentowe 14 czy 16-to segmentowe a nawet (coraz częściej) jako matryce np. 5x7 punktów (najbardziej popularne), lub też całkowicie graficzne. Można też manipulując składem chemicznym luminoforu uzyskać różne kolory.
Na poniższym zdjęciu wyświetlacz firmy Futaba dedykowany do licznika samochodowego;

Wyświetlacz graficzny VFD GU128x64-800B firmy Noritake-Intron;

Oraz typowy wyświetlacz stosowany w magnetowidach, wyraźnie widoczne siatki i podział na sekcje;

Wyświetlacze o większej zawartości elementów są produkowane głównie jako tzw. multipleksowane (podobnie jak wyświetlacze LED), proste natomiast mają wyprowadzone wszystkie połączenia anod (segmentów) i siatek;

Wyświetlacze statyczne posiadają jedną, wspólną siatkę oraz wyprowadzone wszystkie segmenty. Umożliwia to sterowanie ich stosunkowo niskim napięciem rzędu 12V i można tu wykorzystać typowe układy serii CMOS 4XXX. Mimo zastosowań w prostych urządzeniach typu zegar/timer zostały wyparte przez wyświetlacze LED. Wraz ze wzrostem komplikacji wyświetlacza wymaga on więcej wyprowadzeń, takie wyświetlacze produkowane są jako tzw. multipleksowane;

Sterowanie wyświetlaczem multipleksowanym wymaga bardziej rozbudowanego układu sterującego oraz większego napięcia zasilającego rzędu 30-35V a także odpowiednich zależności czasowych sygnałów siatek i anod (segmentów). Poniżej przykładowe przebiegi sygnałów;

W takcie T2 podawane jest napięcie siatki G2 oraz napięcia anod (segmentów) dla drugiej cyfry (G2), analogicznie dla kolejnych pozycji wyświetlacza. Widoczne krótkie przerwy w zasilaniu kolejnych siatek i anod (segmentów) to tzw. "wygaszanie między-cyfrowe" i ma zapobiegać prześwitom (duchom) treści na kolejną pozycję wyświetlacza;

Częstotliwość "przemiatania" siatek to kilkadziesiąt-kilkaset Hz i oko ludzkie odbiera to jako światło ciągłe (nie widzimy zapalających się i gasnących kolejno cyfr/znaków). Wykorzystując regulację czasu podawania napięcia na anody (segmenty) dla każdej siatki możemy regulować jasność wyświetlacza (PWM);

Osobną kwestią jest napięcie żarzenia. W większości jest realizowane prądem przemiennym poprzez transformator z odczepem na środku uzwojenia choć bywa też zasilanie prądem stałym. Punkt "umasowienia" grzałek ma jednak znaczenie dla pracy wyświetlacza, na rysunku poniżej żarzenie prądem stałym;

Pomimo swej prostoty ma jedną wadę, ponieważ grzałki pełnią funkcję katody to w jednym punkcie powinny być połączone z masą. Przyłożenie napięcia żarzenia do drugiego wyprowadzenia powoduje różnicę potencjałów między anodami i katodą zależnie od miejsca wyświetlacza co widać na powyższym rysunku. Skutkuje to w praktyce nierównomierną jasnością wyświetlacza. Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem jest zasilanie grzałek prądem przemiennym. Na poniższych rysunkach pokazano ten sposób w wersji z masą połączoną do środkowego odczepu lub skrajnego oraz rozkład napięć;

Takie rozwiązania stosowane są głównie w urządzeniach stacjonarnych gdzie uzwojenie żarzenia jest zaimplementowane w transformatorze sieciowym. W urządzeniach zasilanych bateryjnie często jest wykorzystywane żarzenie przy pomocy przetwornic DC/AC;

Przetwornice w tym zastosowaniu pracują z dużą częstotliwością (zalecane to 10-200kHz) i zalecany jest współczynnik wypełnienia 50%. Ponieważ jasność wyświetlacza silnie zależy od różnicy potencjałów anody i siatki;

W celu wyeliminowania przebić z sąsiednich cyfr dla wygaszonych segmentów wymagane jest podanie napięcia ujemnego względem katody(grzałki) na anody i siatki (tzw. pływająca katoda). To właśnie realizuje dioda Zenera;

Oczywiście chcąc wykorzystać wyświetlacz VFD we własnej konstrukcji nie musimy budować całego sterowania od zera. Istnieją specjalne układy scalone nazywane driverami VFD które "załatwiają" wszystkie zależności czasowe a nawet zawierają wbudowany generator znaków np. PT6302 dla wyświetlaczy alfanumerycznych 16x1 czy też STM86312 dla wyświetlaczy 7-16-to segmentowych oraz obsługą kilku innych przydatnych funkcji.
W kolejnej części przedstawię sposoby uruchomienia wyświetlaczy oraz ich praktyczne wykorzystanie we własnych konstrukcjach.
Artykuł powstał na bazie materiałów producentów wyświetlaczy VFD a także własnych doświadczeń.
Noritake-Intron;
https://www.noritake-elec.com/technology/general-technical-information/vfd-operation
Futaba;
http://www.futaba.co.jp/en/display/vfd/
Elektronika Praktyczna;
Część pierwsza; https://ep.com.pl/files/4420.pdf
Część druga; https://ep.com.pl/files/4454.pdf
Część druga o wyświetlaczach VFD; https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3762233.html
Cool? Ranking DIY