Una pantalla fluorescente de vacío ( VFD ) es un dispositivo de visualización que alguna vez se usó comúnmente en equipos electrónicos de consumo, como grabadoras de video , radios de automóviles y hornos microondas .
Un VFD funciona según el principio de catodoluminiscencia , más o menos similar a un tubo de rayos catódicos , pero funciona a voltajes mucho más bajos. Cada tubo de un VFD tiene un ánodo de carbono recubierto de fósforo que es bombardeado por electrones emitidos por el filamento del cátodo . [1] [2] De hecho, cada tubo en un VFD es un tubo de vacío triodo porque también tiene una rejilla de control de malla. [3]
A diferencia de las pantallas de cristal líquido , un VFD emite una luz muy brillante con 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/m 2 con VFD de alto brillo que funcionan a 4.000 cd/m 2 y unidades experimentales de hasta 35.000 cd/m 2 dependiendo del voltaje del variador 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 1.500 horas para un VFD de color rojo vivo 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 alcalinotérreo y cantidades muy pequeñas de metales del grupo III. dopado con cantidades muy pequeñas de metales de tierras raras. [4]
Los VFD pueden mostrar números de siete segmentos , caracteres alfanuméricos de múltiples segmentos o pueden fabricarse en una matriz de puntos para mostrar diferentes caracteres y símbolos alfanuméricos. En la práctica, hay pocos límites a la forma de la imagen que se puede mostrar: depende únicamente de la forma del fósforo en 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 finales de la década de 1980 se fabricaban 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 en condiciones de alto vacío . El cátodo está formado por finos alambres de tungsteno , recubiertos por óxidos de metales alcalinotérreos (óxidos de bario, [2] estroncio y 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 (realizadas mediante mecanizado fotoquímico ), que están hechas de acero inoxidable delgado (de 50 micras de espesor). [2] Si los electrones inciden en las placas del ánodo recubiertas de fósforo, emiten fluorescencia 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 pistas eléctricamente conductoras (cada pista está conectada a un único segmento indicador), que está recubierta con un aislante, que luego se graba parcialmente para crear agujeros que luego se llenan con un conductor como el grafito. , que a su vez está recubierto de 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 por cobre dopado con zinc , [2] que genera luz a una longitud de onda máxima de 505 nm.
El alambre catódico al que se aplican los óxidos está hecho de tungsteno o de una 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 pasando una corriente a través de ellos mientras están dentro del vacío del VFD para convertir el carbonatos en óxidos. [2] [10]
El principio de funcionamiento es idéntico al de un triodo de válvulas de vacío . Los electrones sólo pueden alcanzar (e "iluminar") un elemento de placa determinado si tanto la rejilla como la placa tienen 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, minimizando la cantidad de pines de señal necesarios. En el ejemplo de la pantalla del VCR que se muestra a la derecha, las cuadrículas están dispuestas de modo que sólo 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 cuadrícula 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 chocan contra las placas que tienen 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 a través de la persistencia de la visión . [ cita necesaria ]
Los indicadores adicionales (en nuestro ejemplo, "VCR", "Hi-Fi", "STEREO", "SAP", etc.) están organizados como si fueran segmentos de un dígito adicional o dos o segmentos adicionales de dígitos existentes y se escaneados utilizando la misma estrategia multiplexada 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 proporcionando un verde 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 sólo alrededor de 50 voltios de energía electrónica, 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 controlador IC están disponibles para aplicaciones que requieren un alto brillo de imagen y una mayor cantidad de píxeles. Se pueden apilar fósforos de diferentes colores uno encima del otro para lograr gradaciones y diversas combinaciones de colores. Los VFD híbridos incluyen segmentos de visualización fijos y un VFD gráfico en la misma unidad. Los VFD pueden tener segmentos de visualización, rejillas y circuitos relacionados en sus paneles de plástico delantero y trasero, 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 delantera en lugar de en la parte trasera, mejorando 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 los LCD, los VFD no están limitados por el tiempo de respuesta de reorganizar los cristales líquidos y, por lo tanto, pueden funcionar normalmente en temperaturas frías. Incluso temperaturas bajo cero, lo que los hace ideales para dispositivos exteriores en climas fríos. Al principio, la principal desventaja de este tipo de pantallas era que consumían mucha más energía (0,2 vatios ) que una simple pantalla LCD. Esto se consideró un inconveniente importante para los equipos que funcionan con baterías, como las calculadoras, por lo que los VFD terminaron utilizándose principalmente en equipos alimentados por un suministro de CA o baterías recargables de alta resistencia.
Durante la década de 1980, esta pantalla comenzó a usarse en automóviles, especialmente cuando los fabricantes de automóviles estaban experimentando con pantallas digitales para instrumentos de vehículos como velocímetros y odómetros. Un buen ejemplo de ellos fueron los automóviles Subaru de alta gama fabricados a principios de la década de 1980 (a los que los entusiastas de Subaru se refieren 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 utilizaron paneles VFD para mostrar todas las funciones en el tablero, incluida la radio y el panel de mensajes múltiples. Son lo suficientemente brillantes como para leer a plena luz del sol y regulables para usarlos por la noche. Este panel utiliza cuatro colores; el azul/verde habitual, así como el azul intenso, el rojo y el 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 podían fabricarse de manera económica mantenía el tamaño de las pantallas bastante pequeño, requiriendo a menudo el uso de lentes de aumento Fresnel . [ cita necesaria ] Si bien los juegos posteriores tenían sofisticadas pantallas multicolores, 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 videojuego. Los juegos LCD podían fabricarse por una fracción del precio, no requerían cambios frecuentes de baterías (o adaptadores de CA) y eran mucho más portátiles. Desde finales de la década de 1990, las pantallas LCD de matriz activa en color retroiluminadas han podido reproducir de forma económica imágenes arbitrarias en cualquier color, una marcada ventaja sobre los VFD de colores y caracteres fijos. Esta es una de las principales razones de la disminución de la popularidad de los VFD, aunque se siguen fabricando. Muchos reproductores de DVD de bajo costo todavía cuentan con VFD.
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 expulsando a los VFD 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 América del Norte (la primera desde principios de la década de 1980 hasta finales de la década de 2000 en forma de (generalmente dos) pantallas verdes de 16 segmentos . y este último 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 del ampliamente utilizado VFD de caracteres fijos, también está disponible un tipo de gráfico formado por una serie de píxeles direccionables individualmente. Estas pantallas más sofisticadas ofrecen la flexibilidad de mostrar imágenes arbitrarias y aún pueden ser 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 triodos . [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 producción de luz disminuye con el tiempo debido a la caída de las emisiones y la reducción de la eficiencia del fósforo. La rapidez y la magnitud de esta caída depende de la construcción y el funcionamiento del VFD. En algunos equipos, la pérdida de salida del VFD puede dejar el equipo inoperable. El desvanecimiento se puede retardar usando un chip controlador de pantalla para reducir los voltajes necesarios para controlar un VFD. El desvanecimiento también puede ocurrir debido a la evaporación y la contaminación del cátodo. Los fósforos que contienen azufre son más susceptibles a decolorarse. [2]
Por lo general, la emisión se puede restaurar aumentando el voltaje del filamento. Un aumento de voltaje del treinta y tres por ciento puede rectificar el desvanecimiento moderado y un 66% puede aumentar el desvanecimiento severo. [ cita necesaria ] Esto puede hacer que los filamentos sean visibles en uso, aunque el filtro VFD verde-azul habitual ayuda a reducir la luz roja o naranja del filamento.
De las tres tecnologías de visualización predominantes (VFD, LCD y LED), el VFD fue el primero en desarrollarse. Se utilizó en las primeras calculadoras portátiles. Las pantallas LED desplazaron a los VFD en este uso, ya que los LED muy pequeños utilizados requerían menos energía, lo que prolongaba la vida útil de la batería, aunque las primeras pantallas LED tenían problemas para lograr niveles de brillo uniformes en todos los segmentos de la pantalla. Más tarde, las pantallas LCD desplazaron a las LED, ofreciendo requisitos de energía aún más bajos.
El primer VFD fue el DM160 de indicación única de Philips en 1959. Podía funcionar fácilmente con transistores, por lo que estaba destinado a aplicaciones informáticas, ya que era más fácil de manejar que un neón y tenía una vida útil más larga que una bombilla. La pantalla japonesa de un solo dígito y siete segmentos de 1967 en términos de ánodo se parecía más 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 derechos de patente por las pantallas de las calculadoras de escritorio, como habría sido el caso con los dígitos de neón Nixies o Panaplex. En el Reino Unido, los diseños de Philips fueron fabricados y comercializados por Mullard (propiedad casi total de Philips incluso antes de la Segunda Guerra Mundial).
El tubo ruso IV-15 VFD es muy similar al DM160. El DM160, DM70/DM71 y el Russian IV-15 se pueden utilizar (como un panel VFD) como triodos . La DM160 es, por tanto, la válvula triodo y VFD más pequeña. El IV-15 tiene una forma ligeramente diferente (ver foto del DM160 y el IV-15 para comparar).
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