真空荧光显示器
真空荧光显示器,日文称蛍光表示管,英文称VFD(Vaccum Fluorescent Display),中国大陆也称荧光数码管,是一种自发光显示装置。
概要和简史
VFD诞生于1966年的日本,发明人为伊势电子的中村正。最初这种器件被用于早期数字设备,比如计算器,仪表,电子钟和工业显示之类。后来随着成本下降和大规模商业化生产,被广泛用于家电(如录像机,音响),在1980年代左右开始被汽车厂家用作数字化仪表板。以小型显示装置居多,也可制作到中型(比如字板,红绿灯)乃至巨大的商用尺寸(比如索尼的Jumbotron户外显示系统)。进入2000年代后,由于替代品 - 彩色带背光LED和OLED的普及,使用率逐渐减少。
技术原理
真空荧光管的基本原理就是电子管的原理[1]:灯丝加热到摄氏600度左右,发出电子由阴极吸收,电子在栅极的吸引下加速射向阳极,轰击阳极上涂覆的荧光粉后发出可见光,因此控制栅极的电压就可以控制显示。真空荧光管在一定程度上类似于阴极射线管,也是封装在抽真空的玻璃之中。但区别在于,VFD发出电子对应只固定靶位,因而不需要偏转。因电子行程很短,阳极也不需要高压。很大程度上,VFD是作为辉光管(Nixie Tube)的替代品出现。VFD比之辉光管,无须高压(后者的阳极电压通常达到170V左右),显示内容和色彩相对灵活,可以一定规模集成(制成多段位的显示面板)而且成本低(无需填充稀有气体)。VFD有分单色和多色版本,前者的成本更低,多数为祖母绿色,可以通过外部的遮罩镀膜改变总体显示颜色。多色的版本在不同段位上使用不同的荧光粉,但一旦成形,颜色是不可控制的。
实际使用中,多段荧光数码管是每个段位对应一个栅极引脚。多位且重复的显示(例如计算器)可以采取共栅极,以扫描(快速轮流导通)的方式工作减少总引脚数目。
主要生产厂家
日本是VFD的发明者,也是最主要的供应商。在这类元件的鼎盛时期,全球最主要的供应商有两家,分别是双叶(Futaba)和日本电气(NEC)。日本以外,苏联[2]和中华人民共和国[3]等也掌握VFD的制造技术,VFD生产国的普遍特点是都有制造真空器件的通用经验和设备。
主要优点
- 亮度高
- 色域广,颜色鲜活悦目
- 没有可视角度限制
- 可靠性高(耐温性,机械可靠性)
- 寿命长(平均5万小时,长寿品可达10万小时)
- 成本相对低(特别是,和早期同时代的液晶显示有比较优势)
主要缺点
- 电源比较复杂(需要负电源,一般必须配合定制变压器,增加了实施成本)
- 功耗相对高(不适合电池设备使用。例如,使用VFD的计算器功耗可能比黑白LCD型号高出4-5个数量级)
- 显示内容相对固定而不灵活(多数为段位而非点阵驱动,因此一般是规模客制,不具有通用性)
- 可能产生较强电磁干扰(包括段位间,和对设备其他器件的影响)
- 生产线固定设备投入大
正因这些缺点,VFD在商业上不断被较新的技术取代。
老化问题
VFD虽然寿命较长,但也存在老化问题。主要是长时间使用后,发光效率会衰减。很多使用VFD的设备都是事实上常年不断电的,而且配件不通用难于更换,因此老化问题有较大的影响。 长期不使用的VFD有可能会产生阴极中毒的现象,即越不经常使用的段位,反而亮度越差。这种老化可能藉由正常的通电得以“激活”。 通过提高灯丝电压的方法,可提高发射电子的能力从而提高衰减后VFD的整体亮度。但这种方法最直观的缺陷是会让灯丝更热,以至灯丝的本底橘红色显现到显示上,也会缩短组件的整体寿命。