Una pantalla fluorescente de vacío ( VFD ) es un dispositivo de visualización que alguna vez se utilizó comúnmente en equipos electrónicos de consumo, tales como grabadoras de video , radios de automóviles y hornos microondas .
Un VFD funciona según el principio de catodoluminiscencia , de forma similar a un tubo de rayos catódicos , pero operando a voltajes mucho más bajos. Cada tubo de un VFD tiene un ánodo de carbono recubierto de fósforo que es bombardeado por electrones emitidos desde el filamento del cátodo . [1] [2] De hecho, cada tubo de un VFD es un tubo de vacío de triodo porque también tiene una rejilla de control de malla. [3]
A diferencia de las pantallas de cristal líquido (LCD), un VFD emite una luz muy brillante con un alto contraste y puede admitir elementos de visualización de varios colores. Las cifras de iluminación estándar para los VFD son de alrededor de 640 cd/m2 , con VFD de alto brillo que funcionan a 4000 cd/m2 y unidades experimentales de hasta 35 000 cd/m2 dependiendo del voltaje de control y su sincronización. [3] La elección del color (que determina la naturaleza del fósforo) y el brillo de la pantalla afectan significativamente la vida útil de los tubos, que puede variar desde tan solo 1500 horas para un VFD rojo intenso hasta 30 000 horas para los verdes más comunes. [3] El cadmio se usaba comúnmente en los fósforos de los VFD en el pasado, pero los VFD actuales que cumplen con RoHS han eliminado este metal de su construcción, utilizando en su lugar fósforos que consisten en una matriz de tierras alcalinas y cantidades muy pequeñas de metales del grupo III, dopados con cantidades muy pequeñas de metales de tierras raras. [4]
Los VFD pueden mostrar números de siete segmentos , caracteres alfanuméricos de varios segmentos o pueden fabricarse en una matriz de puntos para mostrar diferentes caracteres alfanuméricos y símbolos. En la práctica, no hay muchos límites para la forma de la imagen que se puede mostrar: depende únicamente de la forma del fósforo en el ánodo o los ánodos.
El primer VFD fue el DM160 de indicación única de Philips en 1959. [5] El primer VFD multisegmento fue un dispositivo japonés de siete segmentos y un solo dígito de 1967 fabricado por Ise Electronics Corporation. [6] Las pantallas se volvieron comunes en calculadoras y otros dispositivos electrónicos de consumo. [7] A fines de la década de 1980, se fabricaron cientos de millones de unidades al año. [8]
El dispositivo consta de un cátodo caliente ( filamentos ), rejillas y ánodos ( fósforo ) encerrados en una envoltura de vidrio bajo una condición de alto vacío . El cátodo está formado por finos alambres de tungsteno , recubiertos por óxidos de metales alcalinotérreos (bario, [2] estroncio y óxidos de calcio [9] [10] ), que emiten electrones cuando se calientan a 650 °C [2] mediante una corriente eléctrica. Estos electrones son controlados y difundidos por las rejillas (fabricadas mediante mecanizado fotoquímico ), que están hechas de acero inoxidable delgado (50 micrones de espesor). [2] Si los electrones inciden en las placas del ánodo recubiertas de fósforo, fluorescen y emiten luz. A diferencia de los cátodos de color naranja brillante de los tubos de vacío tradicionales, los cátodos VFD son emisores eficientes a temperaturas mucho más bajas y, por lo tanto, son esencialmente invisibles. [11] El ánodo consiste en una placa de vidrio con trazas conductoras de electricidad (cada traza está conectada a un solo segmento indicador), que está recubierta con un aislante, que luego se graba parcialmente para crear agujeros que luego se rellenan con un conductor como el grafito , que a su vez está recubierto con fósforo. Esto transfiere energía de la traza al segmento. La forma del fósforo determinará la forma de los segmentos del VFD. El fósforo más utilizado es el óxido de zinc activado con cobre dopado con zinc , [2] que genera luz a una longitud de onda máxima de 505 nm.
El cable del cátodo al que se aplican los óxidos está hecho de tungsteno o aleación de rutenio-tungsteno. Los óxidos de los cátodos no son estables en el aire, por lo que se aplican al cátodo como carbonatos, los cátodos se ensamblan en el VFD y los cátodos se calientan haciendo pasar una corriente a través de ellos mientras están dentro del vacío del VFD para convertir los carbonatos en óxidos. [2] [10]
El principio de funcionamiento es idéntico al de un triodo de tubo de vacío . Los electrones solo pueden alcanzar (e "iluminar") un elemento de placa determinado si tanto la rejilla como la placa están a un potencial positivo con respecto al cátodo. [12] Esto permite que las pantallas se organicen como pantallas multiplexadas donde las múltiples rejillas y placas forman una matriz, lo que minimiza el número de pines de señal necesarios. En el ejemplo de la pantalla de VCR que se muestra a la derecha, las rejillas están dispuestas de modo que solo se ilumina un dígito a la vez. Todas las placas similares en todos los dígitos (por ejemplo, todas las placas inferiores izquierdas en todos los dígitos) están conectadas en paralelo. Uno por uno, el microprocesador que controla la pantalla habilita un dígito colocando un voltaje positivo en la rejilla de ese dígito y luego colocando un voltaje positivo en las placas apropiadas. Los electrones fluyen a través de la rejilla de ese dígito y golpean aquellas placas que están a un potencial positivo. El microprocesador ilumina los dígitos de esta manera a una velocidad lo suficientemente alta como para crear la ilusión de que todos los dígitos brillan a la vez mediante la persistencia de la visión . [ cita requerida ]
Los indicadores adicionales (en nuestro ejemplo, "VCR", "Hi-Fi", "STEREO", "SAP", etc.) están dispuestos como si fueran segmentos de un dígito adicional o dos o segmentos adicionales de dígitos existentes y se escanean utilizando la misma estrategia de multiplexación que los dígitos reales. Algunos de estos indicadores adicionales pueden utilizar un fósforo que emite un color de luz diferente, por ejemplo, naranja.
La luz emitida por la mayoría de los VFD contiene muchos colores y, a menudo, se puede filtrar para mejorar la saturación del color y proporcionar un verde intenso o un azul intenso, según los caprichos de los diseñadores del producto. Los fósforos utilizados en los VFD son diferentes de los de las pantallas de rayos catódicos, ya que deben emitir un brillo aceptable con solo alrededor de 50 voltios de energía de electrones, en comparación con varios miles de voltios en un CRT. [13] La capa aislante en un VFD normalmente es negra, sin embargo, se puede quitar o hacer transparente para permitir que la pantalla sea transparente. Las pantallas AMVFD que incorporan un IC de controlador están disponibles para aplicaciones que requieren un alto brillo de imagen y una mayor cantidad de píxeles. Los fósforos de diferentes colores se pueden apilar uno sobre otro para lograr gradaciones y varias combinaciones de colores. Los VFD híbridos incluyen segmentos de pantalla fijos y un VFD gráfico en la misma unidad. Los VFD pueden tener segmentos de visualización, rejillas y circuitos relacionados en sus paneles de vidrio frontal y posterior, utilizando un cátodo central para ambos paneles, lo que permite una mayor densidad de segmentos. Los segmentos también se pueden colocar exclusivamente en la parte frontal en lugar de en la parte posterior, lo que mejora los ángulos de visión y el brillo. [14] [15] [16] [17 ] [18] [19] [20] [21] [22]
Además del brillo, los VFD tienen las ventajas de ser resistentes, económicos y fáciles de configurar para mostrar una amplia variedad de mensajes personalizados y, a diferencia de las pantallas LCD, los VFD no están limitados por el tiempo de respuesta de la reorganización de los cristales líquidos y, por lo tanto, pueden funcionar normalmente en temperaturas frías, incluso bajo cero, lo que los hace ideales para dispositivos de exterior en climas fríos. Al principio, la principal desventaja de estas pantallas era que utilizaban mucha más energía (0,2 vatios ) que una simple pantalla LCD. Esto se consideró un inconveniente importante para los equipos que funcionaban con baterías, como las calculadoras, por lo que los VFD terminaron utilizándose principalmente en equipos alimentados por una fuente de alimentación de CA o baterías recargables de alta resistencia.
Durante la década de 1980, esta pantalla comenzó a usarse en automóviles, especialmente donde los fabricantes de automóviles estaban experimentando con pantallas digitales para instrumentos de vehículos como velocímetros y odómetros. Un buen ejemplo de esto fueron los autos Subaru de alta gama fabricados a principios de la década de 1980 (denominados por los entusiastas de Subaru como digi-dash o tablero digital ). El brillo de los VFD los hace muy adecuados para su uso en automóviles. El Renault Espace Mk4 y el Scenic Mk2 usaron paneles VFD para mostrar todas las funciones en el tablero, incluida la radio y el panel de mensajes múltiples. Son lo suficientemente brillantes para leer a plena luz del sol y también regulables para su uso por la noche. Este panel usa cuatro colores; el azul/verde habitual, así como azul oscuro, rojo y amarillo/naranja.
Esta tecnología también se utilizó desde 1979 hasta mediados de la década de 1980 en unidades de juegos electrónicos portátiles . Estos juegos presentaban pantallas brillantes y claras, pero el tamaño de los tubos de vacío más grandes que se podían fabricar de forma económica mantenía el tamaño de las pantallas bastante pequeño, lo que a menudo requería el uso de lentes Fresnel de aumento . [ cita requerida ] Si bien los juegos posteriores tenían sofisticadas pantallas multicolor, los primeros juegos lograron efectos de color utilizando filtros transparentes para cambiar el color de la luz (generalmente azul claro) emitida por los fósforos. El alto consumo de energía y el alto costo de fabricación contribuyeron a la desaparición del VFD como pantalla de videojuegos. Los juegos LCD se podían fabricar por una fracción del precio, no requerían cambios frecuentes de baterías (o adaptadores de CA) y eran mucho más portátiles. Desde fines de la década de 1990, las pantallas LCD de matriz activa a color retroiluminadas han podido reproducir de manera económica imágenes arbitrarias en cualquier color, una marcada ventaja sobre los VFD de color fijo y caracteres fijos. Esta es una de las principales razones de la disminución de la popularidad de los VFD, aunque continúan fabricándose. Muchos reproductores de DVD de bajo coste todavía incorporan VFD. [ ¿Cuándo? ]
Desde mediados de la década de 1980 en adelante, los VFD se utilizaron para aplicaciones que requerían pantallas más pequeñas con especificaciones de alto brillo, aunque ahora la adopción de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) de alto brillo está empujando a los VFD fuera de estos mercados.
Las pantallas fluorescentes de vacío alguna vez fueron utilizadas comúnmente como indicadores de piso para ascensores por Otis Elevator Company en todo el mundo y Montgomery Elevator Company en Norteamérica (la primera desde principios de la década de 1980 hasta fines de la década de 2000 en forma de (generalmente dos) pantallas verdes de 16 segmentos , y la segunda desde mediados de la década de 1980 hasta principios de la década de 2000 en forma de (generalmente 3) pantallas de matriz de puntos de 10x14 verdes o azules , una para la flecha y las otras dos para los dígitos).
Además de las pantallas de visualización de caracteres fijos, ampliamente utilizadas, también se encuentran disponibles pantallas gráficas compuestas por una matriz de píxeles direccionables individualmente. Estas pantallas más sofisticadas ofrecen la flexibilidad de mostrar imágenes arbitrarias y pueden seguir siendo una opción útil para algunos tipos de equipos de consumo.
La multiplexación se puede utilizar en VFD para reducir la cantidad de conexiones necesarias para controlar la pantalla. [2]
Varios radioaficionados han experimentado con las posibilidades de utilizar VFD como amplificadores de triodo . [23] [24] [25] En 2015, Korg lanzó Nutube, un componente amplificador de audio analógico basado en tecnología VFD. El Nutube se utiliza en aplicaciones como amplificadores de guitarra de Vox [26] y el amplificador de auriculares Apex Sangaku. [27] El Nutube lo vende Korg pero lo fabrica Noritake Itron. [28]
El desvanecimiento es a veces un problema con los VFD. La salida de luz disminuye con el tiempo debido a la disminución de la emisión y la reducción de la eficiencia del fósforo. La rapidez y la magnitud de esta disminución dependen de la construcción y el funcionamiento del VFD. En algunos equipos, la pérdida de la salida del VFD puede dejar el equipo inoperativo. El desvanecimiento se puede ralentizar utilizando un chip controlador de pantalla para reducir los voltajes necesarios para accionar un VFD. El desvanecimiento también puede ocurrir debido a la evaporación y la contaminación del cátodo. Los fósforos que contienen azufre son más susceptibles al desvanecimiento. [2]
La emisión se puede restaurar generalmente aumentando el voltaje del filamento. Un aumento de voltaje del 33 % puede rectificar un desvanecimiento moderado, y un aumento del 66 % un desvanecimiento severo. [ cita requerida ] Esto puede hacer que los filamentos sean visibles durante el uso, aunque el filtro VFD verde-azul habitual ayuda a reducir cualquier luz roja o naranja del filamento.
De las tres tecnologías de visualización predominantes (VFD, LCD y LED), la VFD fue la primera en desarrollarse. Las pantallas VFD y LED se utilizaron en las primeras calculadoras portátiles. Las pantallas LED eran una alternativa a las VFD en este uso, ya que tenían requisitos de energía más simples y no requerían altos voltajes. La elección de la tecnología de visualización variaba según las decisiones comerciales del fabricante: empresas como Casio, Canon y Sharp abandonaron las pantallas LED en favor de las VFD y las primeras LCD, mientras que Texas Instruments y Hewlett Packard, ambos fabricantes de pantallas LED, continuaron con la tecnología LED durante mucho más tiempo. Más tarde, una vez que la tecnología LCD estaba bien establecida, desplazó a las pantallas LED y VFD en las calculadoras portátiles, ofreciendo menores requisitos de energía a un menor costo. Más recientemente, fuera del sector educativo, las aplicaciones de calculadora en teléfonos móviles han reemplazado a la calculadora de bolsillo para muchos, y se está progresando desde las LCD retroiluminadas por LED hasta las pantallas LED completas en forma de pantallas de diodos orgánicos emisores de luz (OLED).
El primer VFD fue el DM160 de indicación simple de Philips en 1959. Podía ser controlado fácilmente por transistores, por lo que estaba destinado a aplicaciones informáticas, ya que era más fácil de controlar que un neón y tenía una vida útil más larga que una bombilla. La pantalla de siete segmentos de un solo dígito japonesa de 1967 en términos de ánodo era más similar al Philips DM70 / DM71 Magic Eye, ya que el DM160 tiene un ánodo de alambre en espiral. El VFD japonés de siete segmentos significaba que no era necesario pagar regalías por patentes en las pantallas de calculadoras de escritorio, como habría sido el caso con los tubos Nixie o los dígitos de neón Panaplex o para las pantallas LED en las calculadoras de bolsillo. En el Reino Unido, los diseños de Philips fueron fabricados y comercializados por Mullard (casi en su totalidad propiedad de Philips incluso antes de la Segunda Guerra Mundial).
La válvula rusa IV-15 es muy similar a la DM160. La DM160, la DM70/DM71 y la rusa IV-15 pueden utilizarse (como un panel VFD) como triodos . Por lo tanto, la DM160 es la válvula VFD y triodo más pequeña. La IV-15 tiene una forma ligeramente diferente (consulte la foto de la DM160 y la IV-15 para comparar).
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