Ansteuerung von Vakuum Fluoreszenz Displays

In fast jedem Videorekorder werden Vakuumfluorezenz Displays (VFD) verwendet. Die Ansteuerung erscheind auf den ersten Blick wegen der Heizung und der vielen Anoden und Gitter kompliziert. Mit ein paar Tricks ist es aber ganz leicht.

 

Hier sind zwei typische VFDs aus Videorekordern zu sehen. Neben der normalen Uhrzeit lassen sich noch andere Sondersymbole oder auch ein Text darstellen (unteres Display: 7 Stellen mit je 14 Segmente). Hier gibt es auch zwei Unterschiede bei der Anschlussbelegung. Beim oberen sind die Segmente und die Gitter sauber geordnet, während beim unteren die Anschlüsse einfach da rausgeführt werden wo sie gerade sind.

Bei der Ansteuerung gibt es zwei Probleme:
a) Das Display wird gemultiplext, d.h. man benötigt einen Mikrocontroller oder einen speziellen Displaycontroller.
b) Die Betriebsspannung liegt je nach Multiplexrate bei 10 bis 50V. Bei solch kleinen Displays reichen meist 10-20V für eine ausreichende Helligkeit.
Für weitere (beeindruckende) Bilder von VFDs sollte man sich www.futaba.com anschauen. Eine weitere interessante Seite mit Grundlagen zum Thema VFD ist www.noritake-itron.com

 

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 entspricht. Dies ist notwendig weil die Segmente leuchten sobald deren Spannung positiver ist als die Heizspannung. Je nach Display reicht manchmal alleine die thermische Energie aus um Elektronen aus dem Heizfaden auf die Segmente zu schießen und so ein schwaches Leuchten zu erzeugen.

 

 

Daten zu einem unbekannten Display bestimmen:

Da die meisten Displays warscheinlich aus alten Videorekordern usw. stammen, und speziell für diese angefertigt wurden wird man kaum ein Datenblatt dafür bekommen. Aber das ist auch nicht schlimm, denn die Daten sind schnell gefunden. Dazu legt man als erstes eine variable Spannung im Bereich 1-15V an die Heizung an. Das sind die beiden äußeren oder machmal auch mehrer parallel geschaltete Pins wie beim Display ganz oben. Bei leicht abgedunkeltem Raum dreht man die Spannung langsam hoch bis die Drähte anfangen schwach zu glühen. Bei Displays in dieser Größe liegt die Spannung bei etwa 2-6V. Jetzt verbindet man eine weitere Spannungsquelle von etwa 10-15V mit der Heizung (negativer Anschluss) und tastet mit dem Pluspol (am besten einen 1k Widerstand zur Strombegrenzung in jede Leitung) gleichzeitig an zwei verschiedenen Pins das Display ab. Iregendwann sollte ein Segment aufleuchten.
Nun behält man den einen Pin bei, und verändert nur den anderen. Ändern sich nun die Segmente in der selben Gegend, hat man ein Gitter gefunden. Bleibt allerdings das Segment dasselbe und nur die angezeigte Stelle ändert sich, handelt es sich um ein Segmentanschluss.

Für einfache Tests reichen 10V Betriebsspannung. Wird das Display aber gemultiplext (d.h. es werden alle Gitter nacheinander angesteuert, so dass immer nur eine Stelle gleichzeitig leuchtet) dann wird eine höhere Spannung benötigt, da jedes Segment nur einen Bruchteil der Zeit eingeschaltet ist. Bei solch kleinen Displays reichen meist 10-20V, aber größere (z.B. mit 1/40 Multiplex Rate) benötigen über 50V.

Um diese Spannung bei einem nicht ganz unerheblichen Strom problemlos mit normalen 5V CMOS Pegeln steuern zu können benötigt man spezielle VFD Treiber. Das ist allerdings ein Problem, denn in Europa werden solche Displays außer in Videorekordern selten ingesetzt, also bekommt man dafür auch keine Treiber. Im asiatischen Raum oder in den USA sind diese Displays viel stärker verbreitet, aber das hilft auch nicht weiter. Die orginalen Treiberbausteine aus den Geräten lassen sich auch selten verwenden, da es sich dabei um speziell programmierte Mikrocontroller handelt die spezielle VFD Ausgangstreiber besitzen. Bleibt nur der Aufbau eines diskreten Treibers, der zwei Transistoren und 3 Widerstände je Stelle benötigt, oder man verwendet so wie ich, normale CMOS ICs die mit bis zu 20V betrieben werden können.

 

Hier noch eine kleine Gallerie mit ein paar VFDs:

Zu diesen Displays ist nicht viel zu sagen. Die obere Reihe ist aus Videorekordern ausgebaut und besitzt daher die typischen Symbole wie Rec, Play, Timer, Wochentage, Uhrzeit usw.
Die untere Reihe sind alle neu. Das linke stammt von Pollin und war anscheinend für einen DVD Player oder ähnliches gedacht. Immerhin hat es 10 alphanumerische Stellen und kostet nur 50 Cent.
Das Display in der Mitte war für Taschenrechner gedacht und hat daher nur Segmente zur Darstellung von 9 Zahlen. Der weiße Fleck auf der rechten Seite ist das oxidierte Getter, das Gase aus dem Display enfernt und so das Vakkuum rein hält. Hier ist der Pumpstutzen abgebrochen (oben in der Mitte). Das ist das empfindlichste Teil an einem VFD und sollte deshalb besondere Beachtung bekommen, so wie oben rechts, wo dieser von der Kunstoffhalterung geschützt wird.
Das rechte Display gefällt mir ganz besonderes. Es ist ein Dot-Matrix Display, das auf je 5x7 Punkten Buchstaben, Zahlen und Sonderzeichen darstellen kann. Und zwar 2x 40 Zeichen ! Zum Glück ist auf der Platine der passende Treiber schon drauf, denn 36 Segmente (5*7 Punke + Cursor) und 40 Stellen brauchen eine Menge Leitungen. Da das Display mit 1/40 gemultiplext wird, benötigt es über 50V Betriebsspannung, die mit einem Spannungswandler aus 5V erzeugt werden. Die Stromaufnahme liegt daher bei bis zu 750mA. Es sind VFD Grafikdisplays mit Auflösunungen von bis zu 256x128Pixel erhältlich. Diese benötigen dann bis zu 50W an Leistung !!!

Es gab solche Anzeigen aber auch als einstellige Zahlenanzeigen.
Heizspannung 1,5V, Anodenspannung 10V wenn die Anzeige nicht gemultiplext wird. Heutzutage wird sowas aber aus Kostengründen nichtmehr gebaut. Die Produktion von flachen Displays mit mehreren Stellen ist einfacher und billiger.

 

 

 

 

 

 

 

Eine Ansteuerschaltung für einige der gezeigten VFDs findet man hier.

 

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