VFD显示技术-tanzhanao.pdf

真空荧光显示（VFD）华北电力大学谭占鳌一、什么是VFD•真空荧光显示屏（VACUUM FLUORESCENT DISPLAY）是从真空电子管发展而来的显示器件，由发射电子的阴极（直热式，统称灯丝）、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极及栅网和玻盖构成它利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是一种自身发光显示器件由于它可以做多色彩显示，亮度高，又可以用低电压来驱动，易与集成电路配套，所以被广泛应用在家用电器、办公自动化设备、工业仪器仪表及汽车等各种领域中分类•VFD 根据结构一般可分为2 极管和3 极管两种；•根据显示内容可分为：数字显示、字符显示、图案显示、点阵显示；•根据驱动方式可分为：静态驱动（直流）和动态驱动（脉冲）二、VFD 的结构及工作原理•VFD是由三个基本电极组成的：阴极（灯丝），阳极（荧光粉）和栅极（光刻法制造）这三各电极被封在高真空环境的玻璃管子里构成了VFD显示器•阳极灯丝是由覆盖由碱土和金属氧化物粉末的极细钨丝阳极能够发射电子，金属氧化物粉末的功能是要降低灯丝的最小电子溢出功，从而降低灯丝的温度，提高寿命•栅极是由金属栅网薄膜制成的，起到控制和分散阳极发射的电子的作用。

•阴极是导电极，用荧光粉印刷出图样•阳极溢出的电子经栅极和阴极的正向电场加速后冲向阴极打在有荧光粉的图样上产生光通过调节栅极或阴极上的正负电压就可以显示不同的图案这个电压可以低至10V直流电压•灯丝是在不妨碍显示的极细钨丝蕊线上，涂覆上钡（Ba）、锶（Sr）、钙（Ca）的氧化物（三元碳酸盐），再以适当的张力安装在灯丝支架（固定端）与弹簧支架（可动端）之间，在两端加上规定的灯丝电压，使阴极温度达到6000C 左右而放射热电子•栅极也是在不妨碍显示的原则下，将不锈钢等的薄板予以光刻蚀（PHOTO-ETHING）后成型的金属网格（MESH），在其上加上正电压，可加速并扩散自灯丝所放射出来的电子，将之导向阳极；相反地，如果加上负电压，则能拦阻游向阳极的电子，使阳极消光•阳极是指在形成大致显示图案的石墨等导体上，依显示图案的形状印刷荧光粉，於其上加上正电压后，因前述栅极的作用而加速，扩散的电子将会互相冲击而激发荧光粉，使之发光图3 即表示其基本工作原理发光色为绿色（峰值波长505nm），低工作电压的氧化锌：锌(ZnO：Zn)荧光粉则是目前最被广为使用的荧光粉三、灯丝及驱动方法灯丝电压与灯丝电流的关系如图4 所示。

图5 则是灯丝电压与栅极及阳极电流的关系其与亮度的关系则如图6 所示在此例中，灯丝电压标准值是3.0Vac，灯丝电压值的设定，对保证显示品质及寿命有重要的影响如果灯丝电压过高，电流或亮度并不随之增加，反而因阴极温度上升，而加速钨丝蕊线上氧化物的蒸发，同时也会污染荧光粉表面，使发光效率及亮度提早下降，而缩短寿命相反，如果灯丝电压过低，因阴极温度下降，便无法获得充分而稳定的热电子发射，致使显示品质劣化或灯丝电压变动而使亮度不稳定其次，灯丝长时间在低的电压条件下使用，会引起可靠性下降，必须特别留意•为了让阴极加热到设定的温度值，以获得良好的热电子发射，需要对灯丝通电加热，灯丝电压（Ef）的施加方法有以下几种，但为达到规定的阴极温度，所施加的灯丝电压的有效值，必须与规格中心值一致•驱动方法可以采用交流驱动、直流驱动和脉冲驱动四、栅极与阳极动态驱动是每个栅极各自独立引出，阳极则是每个栅极所对应的笔划共同连接、共同引出，因此即使位数多，阳极引出脚也无须随之增加在多位数显示时，一边对各栅极加上栅极扫描电压（Gird-scan），同时也适时地对选择各阳极施加ON（正）或OFF（负）的脉冲电压，以快到肉眼无法觉察其间断的扫描速度，进行分时的动态驱动。

静态驱动用则如图14 所示，栅极是电气性的单独引出，与位数多少无关，阳极则是除了同时显示的笔段以外，应分别单独引出一般而言，栅极可始终施加直流正电压，而阳极则根据显示要求分别加上直流正或负电压，以显示指定的笔段如上所述，驱动方式不同电极连接及施加电压波形也不一样，但在正常显示下，无论何种方式，都是对阳极与栅极施加上正电压五、荧光粉的特性•图21 为目前可供使用的多种荧光粉发光频谱，从短波长的蓝色开始至长波长的红橙色止，有多种荧光粉可供选择通常用得最多的是低电压高亮度的绿色荧光粉，其它彩色荧光粉可同时并用荧光粉的发光效率一般与使用温度成反比，周围温度高、其相对亮度就下降图22 所示即是各种荧光粉以室温（25nullC）为基准的相对亮度的变化六、滤色板的选择原则•通常，VFD 的显示都需要采用滤色板，其作用有二：一是拦阻环境光线影响VFD 的发光，使图案的背景纯净，发光效果更加清晰夺目；二是利用滤色板的作用，使荧光粉的发光加以选择通过，从而获得其它的颜色与LED 不同，一般荧光粉的发光波谱较宽如绿粉的频谱可涵盖从红到蓝的范围，但是由于对于存在峰值波长505nm（λp），视觉上仍表现出绿色如果采用一个光学带陷的滤色镜，滤除峰值波长的频率，那么其它频谱顺利通过的综合即为白色。

绿色的荧光粉发光强度很大（高于其它荧光粉数倍以上），为了获得较好的亮度平衡，或者为了取得特定的视觉效果（如白色）通常采用酒红色滤色板来作为绿色峰值带陷，使用在室内电器上可取得良好的视觉效果但是在其它场合，如周围环境光线较强或者要求高亮度显示（如汽车、加油机），这时候不能采用酒红色滤色板，因为酒红色滤色板将最大程度阻碍绿光频率通过，事实上是牺牲了荧光粉的最大能谱范围，在这种情况下，绿色（单色通过）滤色板成为最佳选择如果同时存在其它颜色的荧光粉，必须也考虑这些颜色荧光粉的通过无碍（采用多路带通滤波），甚至在某些场合，采用多片不同颜色滤色板拼接来取得最佳的使用效果VFD控制原理•首先，将第一个栅网置＋14v，其余的置0v，再将需要点亮的段置＋14v，我们需要的图样就点亮了然后将第一个栅网置0v，将第二个栅网置＋14v，其余置0v，再将要点亮的段置＋14v这种扫描将持续到最后一个栅网被激活，然后进行循环的扫描，由于扫描时间很短，所以不会看到每次只点亮显示器的一段，而是看到闪烁活动的图案•如果要检测VFD，只要将3v（额定的灯丝电压）加到灯丝上，然后将＋14v加到栅极上，负极接到灯丝上再将＋14v加到段的引脚上（不能碰到灯丝的引脚，否则会烧掉），就能将整个显示器点亮。

在工厂里面检测的办法是，用两个加上3v电压的夹子夹住灯丝引脚，再用一个加上电压的梳子状引脚板去接触引脚，将整个管子点亮检测的次品问题有：是否发生暗、发光不均匀、黑点、断丝等等阴极驱动方式•交流驱动•普遍作为被音响和大型VFD的驱动方式[交流驱动连接方式][交流驱动的电势图]•灯丝电位的振幅较小，可降低对截止偏压（CUT-OFF BIAS VOLTAGE）的要求，因此推荐尽可能使用中心抽头的方式其次，如选用有中心抽头的脉冲变压器的DC-DC 变换器（CONVERTER）时，要注意不能有极端的直流成分、或尖峰脉冲（SPIKE），而且有效值要与标准值一致，振荡频率则建议在30KHz 以上•直流驱动•通常用于小型VFD，比如由汽车电池作为电源车用音响VFD等栅极和阳极的电压会因为图案末端对应的灯丝电压的不同而变得不同，所以就需要对灯丝的结构进行修正，因而直流驱动并不适用于大型VFD[直流驱动连接方式][直流驱动电势图]•由于灯丝加热电压在灯丝上有一个电位分布，存在左高右低梯度亮度近似与电位差的二分之五次幂成比例，也就同样会产生右高左低的现象为了获得均匀的亮度，必须对荧光显示屏的栅极和灯丝间的实际距离进行设计补偿。

在使用中，灯丝工作电压必须按照规定的正负极性连接，否则，亮度差异反而会更大•鉴于设计补偿的范围是有限的，直流灯丝的构造设计，一般只限于灯丝较短的荧光显示屏七、VFD的应用这个VFD显示器是从录像机上取下来的左右两边的宽引脚是连接灯丝的这个显示器的灯丝的电压大约2～3v，电流在100mA左右这个显示器有11个栅网每一个栅网都有一个从玻璃基片引出的引脚另外9个引脚是用来连接显示器的段节的这个VFD显示器是点阵式的，能够显示中文现在部分地铁二号线入口刷卡处的显示器正是一种双列的点阵显示器，其他使用的地方还有，超市收银机的显示器等等。