真空熒光顯示器
真空熒光顯示器,日文稱蛍光表示管,英文稱VFD(Vaccum Fluorescent Display),中國大陸也稱熒光數碼管,是一種自發光顯示裝置。
概要和簡史
VFD誕生於1966年的日本,發明人為伊勢電子的中村正。最初這種器件被用於早期數字設備,比如計算器,儀表,電子鐘和工業顯示之類。後來隨着成本下降和大規模商業化生產,被廣泛用於家電(如錄像機,音響),在1980年代左右開始被汽車廠家用作數字化儀錶板。以小型顯示裝置居多,也可製作到中型(比如字板,紅綠燈)乃至巨大的商用尺寸(比如索尼的Jumbotron戶外顯示系統)。進入2000年代後,由於替代品 - 彩色帶背光LED和OLED的普及,使用率逐漸減少。
技術原理
真空熒光管的基本原理就是電子管的原理[1]:燈絲加熱到攝氏600度左右,發出電子由陰極吸收,電子在柵極的吸引下加速射向陽極,轟擊陽極上塗覆的熒光粉後發出可見光,因此控制柵極的電壓就可以控制顯示。真空熒光管在一定程度上類似於陰極射線管,也是封裝在抽真空的玻璃之中。但區別在於,VFD發出電子對應只固定靶位,因而不需要偏轉。因電子行程很短,陽極也不需要高壓。很大程度上,VFD是作為輝光管(Nixie Tube)的替代品出現。VFD比之輝光管,無須高壓(後者的陽極電壓通常達到170V左右),顯示內容和色彩相對靈活,可以一定規模集成(製成多段位的顯示面板)而且成本低(無需填充稀有氣體)。VFD有分單色和多色版本,前者的成本更低,多數為祖母綠色,可以通過外部的遮罩鍍膜改變總體顯示顏色。多色的版本在不同段位上使用不同的熒光粉,但一旦成形,顏色是不可控制的。
實際使用中,多段熒光數碼管是每個段位對應一個柵極引腳。多位且重複的顯示(例如計算器)可以採取共柵極,以掃描(快速輪流導通)的方式工作減少總引腳數目。
主要生產廠家
日本是VFD的發明者,也是最主要的供應商。在這類元件的鼎盛時期,全球最主要的供應商有兩家,分別是雙葉(Futaba)和日本電氣(NEC)。日本以外,蘇聯[2]和中華人民共和國[3]等也掌握VFD的製造技術,VFD生產國的普遍特點是都有製造真空器件的通用經驗和設備。
主要優點
- 亮度高
- 色域廣,顏色鮮活悅目
- 沒有可視角度限制
- 可靠性高(耐溫性,機械可靠性)
- 壽命長(平均5萬小時,長壽品可達10萬小時)
- 成本相對低(特別是,和早期同時代的液晶顯示有比較優勢)
主要缺點
- 電源比較複雜(需要負電源,一般必須配合定製變壓器,增加了實施成本)
- 功耗相對高(不適合電池設備使用。例如,使用VFD的計算器功耗可能比黑白LCD型號高出4-5個數量級)
- 顯示內容相對固定而不靈活(多數為段位而非點陣驅動,因此一般是規模客制,不具有通用性)
- 可能產生較強電磁干擾(包括段位間,和對設備其他器件的影響)
- 生產線固定設備投入大
正因這些缺點,VFD在商業上不斷被較新的技術取代。
老化問題
VFD雖然壽命較長,但也存在老化問題。主要是長時間使用後,發光效率會衰減。很多使用VFD的設備都是事實上常年不斷電的,而且配件不通用難於更換,因此老化問題有較大的影響。 長期不使用的VFD有可能會產生陰極中毒的現象,即越不經常使用的段位,反而亮度越差。這種老化可能藉由正常的通電得以「激活」。 通過提高燈絲電壓的方法,可提高發射電子的能力從而提高衰減後VFD的整體亮度。但這種方法最直觀的缺陷是會讓燈絲更熱,以至燈絲的本底橘紅色顯現到顯示上,也會縮短組件的整體壽命。