Ansteuerschaltung für Vakuum Fluoreszenz Displays

Im Gegensatz zu LCDs sind VFD Anzeigen selbstleuchtend, und haben daher einen höheren Kontrast.
Außerdem sehe sie durch ihre meist türkisfarbene Anzeige besser aus. Hier zeige ich eine einfache Schaltung um VFDs sinnvoll ohne großen Aufwand verwenden zu können.

 

Hier die das Prinzip der Ansteuerung als Blockschaltbild am Beispiel der FV648 Anzeige. Über den Gittertreiber wird jeweils ein Gitter angesteuert und somit werden die dahinterliegenden Segmente azugewählt. Da immer nur eines der Segmente gleichzeitig aktiv sein muss, verwende ich meistens einfache Dezimaldekoder wie den 4017. So benötigt man nur einen Impuls um zur nächsten Stellen weiterzuschalten. Alternativ eignen sich auch Schieberegister die mit einem High Impuls geladen werden, der dann der Reihe nach durch das Register wandert.
Die Ansteuerung der Aoden/Segmente ist schon komplizierter, denn alle Segmente müssen unabhängig steuerbar sein. Um die Anzahl der benötigten Leitungen gering zu halten verwende ich dafür gerne Schieberegister mit eingebautem Latch wie den 4094. So benötigt man nur 3 Leitungem um (theoretisch) unendlich viele Segmente ansteuern zu können.
Die Heizung wird per Z-Diode auf einen positiven Wert gelegt, der etwa dem Spitzenwert der Heizspannung, hier 2,3V*1,4=3,2V, denn die Segmente leuchten sobald sie positiver sind als die Heizspannung.

 

Weitere Informationen zum Thema VFD Anzeige findet man hier.

 

So sieht das ganze dann in der Praxis aus:
Wenn die Helligkeit nicht besonders groß sein muss, dann kann man normale CMOS ICs als Treiber verwenden. Diese sind für 18V ausgelegt (einige auch für 20V), was bei bis zu 1/16 Muliplexraten eine außreichende Helligkeit liefert. Die Schieberegister mit Latch stellen auch gleichzeitig die Treiber dar. Wenn man es wirklich gut machen will, dann schaltet man bei den Gittern noch je eine Transistorstufe dazwischen, denn je nach Gittergröße kann schon ein (relativ) großer Strom fließen. In der Praxis (aus Faulheit und aus Platzgründen) kann man aber eigentlich darauf verzichten, denn bei 18V hält sich der Strom in Grenzen. Außerdem begrenzen die CMOS ICs mit ihrem Innenwiderstand den Strom.
Um die mit 18V betriebenen ICs mit den normalen 5V Pegeln ansteuern zu können, verwende ich einen Levelshifter wie den 40109. Dieser hebt die 5V Pegel auf 18V an und gibt die Signale an die Schieberegister und den 4017 Zähler weiter. Um Leitungen zu sparen und da der Levelshifter nur 4 Ein/Ausgänge hat, verwende ich das Latch Signal (hier als Strobe bezeichnet) auch gleichzeitig als Taktsignal für den Stellenzähler, so wie es auch bei LCDs gemacht hier: Hier ist auch das Latchsignal LP(=Latch Pulse) mit dem Zeilentreiber YSCL(=Y Shift Clock) verbunden.
Der Reset Anschluss wird bei LCDs als Frame Start Signal oder First Line Marker bezeichnet. Ob man dafür jetzt einen 4017 einsetzt, oder zwei Schieberegister ohne Latch (bzw. das Latchsignal dauerhaft an High legen) ist egal, die Ansteuerung bleibt gleicht. Bei Verwendung eines Schieberegisters als Gittertreiber ist der Clock Anschluss das mit dem Latch Puls verbundene Taktsignal und der Dateneingang dient als Reset. Wird ein High Puls angelegt, wird beim nächsten Taktsignal wieder bei Stelle 0 begonnen.
Verwendet man einen 4017, dann kann man bei diesem VFD zwei Stellen nicht ansteuern, was bei vielen Displays nicht weiter schlimm ist, da einige oft mit nicht brauchbaren Sonderzeichen belegt sind. Hier reichen die 10 Ausgänge für die 5 Alphanumerischen Stellen und die 5x 11-Segment Bargraph Anzeigen. Das VFD gibt es für 75Cent bei Pollin

 

 

Ein weiteres Problem ist auch die Heizung. Trafos mit 2x 2-5V sind selten und schwer erhältlich.Außerdem dürfen keine Gitter oder Segmente die ausgeschaltet sind positiver sein als die Heizung, denn dann leuchten sie auf. Daher muss die Heizung meist positiv vorgespannt werden, was nochmalerweise etwas von der kostbaren Anodenspannung wegnimmt. Weiterhin muss die Multiplexfrequenz mindestens um 30Hz höher liegen als die Heizfrequenz, sonst erkennt man ein Flackern im Display. Heizt man dagegen mit Gleichspannung ist ein Ende der Heizdrähte positiver und leuchtet daher dunkler.
All diese Probleme lassen sich mit dieser Schaltung beheben. Das 10 stellige Displays läuft im 1/11 Multiplex. In der 11. Taktperiode werden alle Segmente abgeschaltet und 16,5V an die Heizung gelegt. Dies reicht aus, damit die Heizung im Mittel den normalen Wert von 4,7V sieht, oder was wichtiger ist: die Heizleistung von 4,7V*175mA=0,823W. Hier beträgt die Leistung 16,5V* 50mA=0,825W.
Man muss bei dieser Methode aber sicher stellen, dass die Heizung nicht länger eingeschaltet ist, sonst brennt sie sofort durch ! Daher schließt auch ein Transistor das Steuersignal für die Heizung kurz, bis der Mikrocontroller bereit ist und die Heizungssteuerung übernimmt.
Alle 16ms wir die Heizung für 1,6ms eingeschaltet. In dieser Zeit fließt ein Strom von rund 0,6A, der viel zu stark für den LM317L ist, der nur 100mA liefern kann (und so die eventuell zu lange eingeschaltete Heizung schützt). Daher muss C4 die gesamte Leistung liefern. R5 entkoppelt diesen von der Rest der Schaltung, sonst hat man 2Vss auf dem 18V Signal, gefährliche Spannungsspitzen die die 18V CMOS ICs zerstören können. Daher auch das C-R-C Filter C5-R5-C4. Immerhin beträgt die kurzzeitige Leistung fast 10W. Die gesamte Stromaufnahme liegt somit bei rund 150mA, einschließlich Mikrocontroller. So spart man sich ganz leicht den Heiztrafo und kommt mit einer stabilisierten Spannung aus. Aber man muss absolut sicherstellen können, dass die Heizung nie länger eingeschaltet ist, dann das führt zu deren sofortiger Zerstörung !
Durch die kurzen Rechteckimpulse mit der die Heizung betrieben wird, werden die Heizfäden zum Schwingen angeregt. Dies führt zu einem nervigen Pfeifen. Dies kann man dadurch umgehen, indem man vor den Schalttransistor der Heizung mit einem RC Glied den Rechteckimpuls etwas abflacht.

Die Spannungsversorgung von +5V und +12-18V mag auf den ersten Blich einfach erscheinen, aber spätestens bei der Suche nach einem passenden Steckernetzteil wird man auf ein Problem stoßen:
Steckernetzteile sind meist nur bis 12V erhältlich. Für stabilisierte 18V sind aber mindestens 20V erforderlich, was einen 15V Trafo voraussetzt.
Weiterhin wird im Spannungsregler für die 12-18V einiges an Leistung verbraten, wenn man diesen z.B. an 24V betriebt.
Um diese Probleme zu umgehen verwende ich für mein Display einen Step-Up Wandler, der auf 7-15V Eingangsspannung eine stabilisierte Spannung von 16,6V erzeugt. Für diesen Eingangsspannungsbereich bekommt man problemlos billige Steckernetzteile (z.B. 9V 300mA.)
Je nach Eingangsspannung liegt die Stromaufnahme bei 100-200mA und der Wirkungsgrad zwischen 70 und 80%.
Bei der Eingangsspannung muss man aber darauf achten, dass diese im Leerlauf 19V nie überschreitet, sonst gehen die 4094 Schieberegister/Treiber kaputt.

 


 

 

 

Das ganze ist übrigends ein Display für ein Winamp Plugin, das per RS232 gesteuert wird.
Leider lässt sich das Display schlecht fotografieren oder filmen aufgrund der hohen Helligkeit der einzelnen Segmente und der Mutliplexfrequenz.
Hier gibt es die passende Software dazu. Das Winamp Plugin findet man auf
http://www.markuszehnder.ch
Einstellungen: Crystalfontz serial LCD, 2 Zeilen, 10 Spalten, Textbereich: ersten 5 Zeichen in der 1. Zeile, die nächsten 5 Zeichen beider Zeilen sind die Spektrumanzeige. Baudrate: 9600

Zu dem 10 stelligen VFD FG651 (das ebenfalls bei Pollin erhältlich ist), gibt es auch die passende Software. Anschluss wie beim FV648, nur das P17 und G1 frei bleiben, die Reihenfolge von G2-11 ist umgekehrt, d.h. G11 ist links die erste Stelle. Das ganze emuliert ein serielles Crystalfontz LCD.

 

Dies ist eine weitere Version einer Ansteuerung für das FV651 Display. Diesmal wird ein AVR verwendet, da dieser schneller ist. Im Prinzip ist die Schaltung genauso aufgebaut wie die anderen:
Oben befindet sich der Spannungswandler der die notwendigen Spannungen von 5V und 16,5V liefert. Möchte man mehr Helligkeit kann man auch die Werte in Klammern einsetzen, dann erhält man 18V. Die ICs laufen dann aber an der Belastungsgrenze.
Links befindet sich der uC der die Daten einer RS232 Schnittstelle empfängt und auf dem VFD anzeigt.
Rechts befindet sich die Anzeige samt Treiberschaltung.

Da der Mikrocontroller nun mehr Rechenleistung hat, kann man das Display mit einer höheren Frequenz angetsteuern (1000fps). Dadurch ist die Anzeige absolut flimmerfrei und kann zusätzlich noch digital gedimmt werden, indem einzelne Bilder dunkelgeschaltet werden.

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Wenn man die Bauteile einigermaßen durchdacht anordnet, ist die Verdrahtung auch auf einer Locgrasterplatine kein Problem.
Diese Anordnung ermöglicht kürzeste Verbindungen zwischen den Treiber ICs und dem Display.

 

 

 

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