VAKUOVÁ TECHNIKA NÁZEV PROJEKTU: VFD ZOBRAZOVAČE AUTOR: BC. DANIEL MITÁŠ ROK: 2010
Obsah 1. Popis funkce a historie... 3 2. Konstrukční uspořádání... 3 3. Napájení a ovládání VFD zobrazovačů... 4 4. Druhy VFD zobrazovačů... 5 4.1. Jednoznakové 7/16segmentové zobrazovače ( ITRON )... 5 4.2. Maticově zapojené znakové VFD... 6 4.3. Moduly se znakovým VFD... 7 4.4. Grafické VFD moduly... 8 4.5. Grafické VFD moduly typu CIG (Chip In Glass)... 9 4.6. VFD s aktivní maticí... 10 5. Závěr... 11 6. Literatura... 11 2
1. Popis funkce a historie Vakuový elektroluminescenční zobrazovač (Vacuum Fluorescent Display) je ve své podstatě přímo žhavená trioda s více anodami potaženými vrstvou luminoforu. Po přiložení záporného napětí mezi -20 až -40V bude žhavená katoda emitovat elektrony, které jsou přitahovány k anodě. Tak nízkého potřebného anodového napětí je dosaženo malou vzdáleností anody a katody. Při dopadu elektronů na luminoforem potaženou anodu dojde k vyzáření viditelného světla. Mezi anodou a katodou je mřížka sloužící k nastavení anodového proudu. Hlavní využití mřížky je u maticového zapojení, kde slouží k zatemňování neaktivních znaků zobrazovače. VFD zobrazovač byl vynalezen v roce 1967 v Japonsku, toto datum je ale sporné, neboť tento princip byl znán již koncem 19. století. VFD zobrazovač se také podobá indikátorům vyladění známých jako magické oko, používaných v elektronkových radiopřijímačích. Ze začátku se tyto zobrazovače používaly výhradně ve vojenské technice, avšak za relativně krátkou dobu došlo ke značnému rozšíření hlavně do oblasti spotřební elektroniky. Se velkým rozšířením LCD v poslední době upadá použití VFD zobrazovačů ve spotřební elektronice kvůli jejich vyšší ceně. Protože je každý segment samostatným zdrojem světla, mají VFD zobrazovače velmi vysoký kontrast, proto se nadále využívají v aplikacích kde je kladen důraz na vysokou čitelnost, případně spolehlivost, jako je průmyslová automatizace, měřící technika, zdravotnické vybavení, pokladny a další. 2. Konstrukční uspořádání Obr. 1 - Struktura VFD Prostor v pouzdru zobrazovače je vyčerpán na vysoké vakuum. Pouzdrem může být buďto baňka jako u klasických elektronek nebo může být slepeno z několika kusů rovného skla. Druhá varianta se typicky používá u víceznakových a grafických zobrazovačů. V tomto případě je trubice pro vyčerpání vyvedena z některé úzké strany pouzdra a po vyčerpání je zatavena. Systém elektrod je obvykle osazen na plošném spoji napařeném na zadní skleněnou desku (v případě konstrukce typu baňka je použita keramická destička). Přes plošný spoj je umístěna maska, sloužící jako izolant a jako tmavá kontrastní vrstva. Na masku je dále nanesena vrstva elektricky vodivého materiálu sloužícího jako anody, které jsou přes otvory v masce spojeny s napařeným motivem plošného spoje. Na anody je nanesen motiv elektroluminescenčního materiálu. Nejčastěji používaným materiálem jako luminofor je sulfid zinečnatý s obsahem měďi 3
(modrozeleně svítící) nebo manganu (žluťe svítící). Existují i další materiály s jiným spektrem, ale nemají takovou účinnost jako předchozí a proto se pro tento účel používají jen vyjímečně. Mřížky mohou být tvořeny buďto tenkými dráty (obr. 4,5) nebo plechem vyleptaným na potřebných místech do podoby mřížky. Mohou být osazeny přímo na plošném spoji (obr. 2) nebo mohou procházet celým pouzdrem a být upevněny přímo jako ostatní vývody z obou stran pouzdra v lepeném spoji mezi jednotlivými vrstvami pouzdra (obr. 6). Podobně jako mřížky jsou osazeny také napínací pružiny katod / žhavících vláken. Napínání je zde nutné kvůli značné tepelné roztažnosti zhavících vláken. Vlákna jsou vyrobena z wolframu. Při provozu jsou vlákna žhavena na teplotu jen kolem 800 C, takže se předpokládá jejich dlouhá životnost. Obr. 2 Detail napínacích pružin žhavívích vlíken Pro správnou funkčnost je zapotřebí, aby bylo pouzdro vyčerpáno na vysoké vakuum. Proto se po vyčerpání se ještě provádí getrování. Miska s getrem je obvykle součástí některého vývodu katody a k jejímu zahřátí se používá indukční ohřev. 3. Napájení a ovládání VFD zobrazovačů Žhavící proud je závislý na počtu katod / žhavících vláken. Typicky je to kolem 20mA na 1 vlákno. Pro rozsvícení segmentu je na příslušnou anodu přiváděno kladné napětí mezi 20 až 40V. Podmínkou je také kladné napětí kolem 15V na příslušné mřížce. Další zvyšování napětí na mřížkách nemá účinek, proto je možné pro zjednodušení napájecích obvodů ovládat mřížky stejným způsobem jako anody. Každá anoda je ovládána tranzistorem připojujícím anodové napětí. Mřížky jsou ovládány obdobně, ale je třeba zajistit i jejich vypnutý stav pomocí dalších tranzistorů proti 0V. Zapojení ke možné dále značně zjednodušit na úkor spotřeby- pro mřížky i anody pouzít pull-up rezistory proti anodovému napětí a pomocí tranzistorů je jen připojovat na 0V. Všechny tranzistory mohou být řízeny proti nulovému potenciálu a odpadá tím komplikace s posunutím napěťových úrovní k anodovému napětí. Kvůli úbytku napětí na žhavících vláknech může docházet k nehomogenitě jasu v délce zobrazovače. Proto je stejnosměrné žhavení vhodné používat jen u menších VFD. To lze eliminovat použitím střídavého proudu pro žhavení. Nevýhodou je nutnost použít transformátor namísto pouhého zdroje konstantního proudu, a také je třeba zabránit vzniku modulace s obnovovací frekvencí mřížek. Modulace se projeví jako viditelné pohybující se změny jasu. 4
Obr. 3a stejnosměrné žhavení Obr. 3b střídavé žhavení 4. Druhy VFD zobrazovačů 4.1. Jednoznakové 7/16segmentové zobrazovače ( ITRON ) Jednoznakové zobrazovače byly nejčastěji provedeny jako baňky a používaly se hlavně ve východním bloku, nejznámějšími typy jsou IV-11 (7seg.) a IV-17 (16seg.). Výhodou provedení jako jeden znak je univerzálnost, nicméně v každé známé aplikaci byla použita řada několika těchto zobrazovačů a tímto provedením se značně zvýšila prostorová náročnost. Obr. 4 - IV-11 Obr. 5 - IV-17 5
4.2. Maticově zapojené znakové VFD V jednom pouzdře je umístěno několik maticově zapojených 7/16 segmentových znaků. Zobrazovač může být vyroben jako ploché lepené pouzdro nebo jako baňka (používaná nejčastěji ji ve východním bloku, např. IV-18). První provedení je nejznámější jší ze spotřební elektroniky. Tyto zobrazovače jsou obvykle vyráběny zakázkově a obsahují kromě segmentových znaků také texty a symboly provedené jako jeden en segment. Zobrazovač má vyvedenu katodu/žhavení, mřížky a paralelně spojené anody. Kromě 7/16segmentů mohou být znaky tvořeny také maticí bodů, typicky 5*7 (obr. 10). Samotné body ale nejsou zapojeny maticově- jsou propojeny s body na stejné pozici mezi jednotlivými znaky. Obraz je nutné periodicky obnovovat (současně může svítit pouze jeden znak). Obr. 6 - konstrukční uspořádání znakového VFD Obr. 7 - Schéma zapojení znakového VFD Obr. 8a - Zakázkový znakový VFD 6
Obr. 8b - Zakázkový znakový VFD Obr. 9 - IV-18 4.3. Moduly se znakovým VFD Pokud je v předchozím případě nutné doplnit zobrazovač relativně složitou ovládací elektronikou, je takový zobrazovač často proveden již jako hotový modul. Zobrazovač je osazen na desce plošných spojů obsahující napájecí obvody doplněnými elektronickou regulací jasu, zesilovače pro napájení jednotlivých anod a mřížek, paměť RAM a případně znakovou paměť EEPROM. Takovýto modul se pak ovládá pomocí nějakého druhu sériové nebo paralelní sběrnice a obraz již není nutné periodicky obnovovat, to má na starosti řídící elektronika. Sběrnice jsou často kompatibilní s LCD moduly. Nejčastějšími druhy jsou viceznakové 16segmentové moduly a znakové maticové moduly, typ. 1*16, 2*16 a 4*16 znaků. Obr. 10 - VFD modul 4*16 znaků 7
4.4. Grafické VFD moduly Grafický VFD zobrazovač je ekvivalentem maticového znakového, kde jsou jedním znakem typicky 2 celé sloupce bodů. Každé 2 sloupce mají jednu mřížku. Tento typ zobrazovače je kvůli složitému ovládání a velkému počtu vývodů vždy osazen do modulu obsahujícího všechny potřebné řídící a napájecí obvody. Obr. 11 Struktura grafického VFD Obr. 12 Grafický VFD modul 8
4.5. Grafické VFD moduly typu CIG (Chip In Glass) Umístěním ovládacích obvodů přímo dovnitř pouzdra VFD se výrazně sníží potřebný počet jeho vývodů a ovládací obvod se zjednoduší o velké množství výstupních zesilovačů pro anody a mřížky, pracujících s pro logiku nestandardním napětím. Integrované budiče jsou ovládány sériovým rozhraním. Obraz je ale nutné i nadále periodicky obnovovat, takže je stále zapotřebí řídící logika obsahující časovací obvody a paměť RAM. Obr. 13 - Struktura VFD zobrazovače typu CIG Obr. 14 - Zapojení VFD zobrazovače typu CIG Obr. 15 - Grafický VFD modul typu CIG 9
4.6. VFD s aktivní maticí Tato technologie vznikla kolem roku 2000 je ekvivalentem TFT-LCD. Má odstranit nepříjemné blikání obrazu a zvýšit pořet bodů na jednotku plochy. Protože zde není možné použít technologii TFT, jsou pod maticí bodů umístěny celé polovodičové čipy obsahující posuvné registry a výstupní zesilovače. Zobrazovač je na rozdíl od TFT-LCD plně statický. Rozlišení stávajících VFD bylo omezeno konstrukcí mřížek, zde je jediná mřížka přes celou grafickou matici, která pouze reguluje jas. Jednotlivé body jsou ovládány separátně. Nevýhodou tohoto řešení je kvůli značné spotřebě polovodičového materiálu enormní cena, a také omezené rozměry zobrazovací oblasti, protože použité polovodičové čipy mají rozměry jen kolem 5*5mm a ovládají matici 16*16 bodů. Čipy je možné umisťovat vedle sebe pouze v jedné ose, druhá osa je omezena na 2 čipy proti sobě kvůli prostoru potřebnému pro kontaktování jejich vývodů. Obr. 16 Struktura VFD s aktivní maticí 10
5. Závěr Technologie VFD zobrazovačů se i přes své stáří stále vyvíjí a je stále hojně používaná. V aplikacích kritických na dobrou čitelnost a vysokou životnost je dokonce i dnes obtížné najít za VFD náhradu, takže je pravděpodobné, že v některých oblastech se bude tato technologie používat ještě velmi dlouhou dobu. Jedinou dostupnou náhradou jsou zatím jen zobrazovače typu OLED, které ale nemají zdaleka tak dlouhou životnost jako VFD. Protože jsou VFD v kusovém množství špatně sehnatelné a relativně drahé, je výhodné je pro různé jednorázové amatérské konstrukce např. měřících přístrojů recyklovat z vyřazené spotřební elektroniky. Pravděpodobnost nalezení vhodného typu je díky množství elektroodpadu vysoká (obr. 8). Přestože k zakázkovým VFD neexistuje žádná dostupná dokumentace, je možné zapojení relativně snadno určit zpětným inženýrstvím, případně rovnou využít existující napájecí a řídící obvody, ke kterým je již obvykle dokumentace existuje. Kvůli evakuovanému pouzdru mohou mít VFD jen omezené rozměry, proto nemohlo dojít k jejich rozvoji v oblasti monitorů a televizních obrazovek. Z toho důvodu a také z důvodu poměrně nízkého počtu bodů na jednotku plochy mají v grafických verzích pouze jednu barvu. Tomu pomohly také vlnové délky používaných luminoforů, které nejsou vhodné pro aditivní skládání barev. Teprve nedávno byly vynalezeny nové podobné technologie jako SED a FED, využívající emisi elektronů z matice studených katod buď na hrotovém nebo magnetickém principu. Luminofor je zde nanesen na rozdíl od VFD na transparentních elektrodách na čelní skleněné desce, takže je možné použít barevné filtry. Protože je pro celý systém zapotřebí jen velmi úzký evakuovaný prostor, mohou být po celé ploše rozmístěny vymezovací body, řešící problém s omezenými rozměry pouzdra kvůli tlaku působícímu na pouzdro. Bohužel, společnosti zabývající se vývojem z pochopitelných důvodů mnoho informací o svých technologiích nezveřejňují. 6. Literatura http://www.noritake-elec.com/vfd_technology_an.htm http://en.wikipedia.org/wiki/vacuum_fluorescent_display http://hackaday.com/ http://www.tubeclockdb.com/ http://home.people.net.au/~technics/img_8135.jpg http://hem.passagen.se/communication/vfd.html 11