真空荧光显示器(VFD).ppt

1、2009.8.5,8.1 概述 定义： VFD-是将阴极、栅极和阳极封装在真空管壳内的一种三极电子管式的真空显示器件， -利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是一种自身发光显示器件。 -是一种低能电子发光显示器件，利用氧化锌(ZnO：Zn)类的荧光粉在低能电子(几十eV以下)轰击下发光制成的 -呈现彩色画面的平板技术 是从真空电子管发展而来的显示器件。,2009.8.5,VFD的特点： 自发光，体积小，显示清晰，亮度高 容易实现多色显示，色彩艳丽(可有绿、红、黄和蓝多色)、视角宽， 显示图案灵活，图形设计自由度大 具有低压驱动、响应速度快、易与集成电路配套， 功耗小、寿命长，可靠性高（环境适应性

2、好） 有高亮度的绿色VFD和蓝绿色发光的单色VFD。 平板多位管的产生，增加了形状、显示图形的自由度、发光色的品种，应用范围得到拓宽。,2009.8.5,VFD产品的应用领域： 教学仪器 汽车VFD面板（时钟、仪表盘） 家电VFD面板（空调器） 音响、VTR-Video Tape Recorder磁带录像机 、视频VFD面板（影碟机、音响的功率放大器） 事务机用VFD面板（收款机、办公自动化设备） 工业仪器仪表、计量仪器用VFD面板 通信设备用VFD面板 用来显示数字信息如温度，字符信息 如：名称和一些标记指示信息。,2009.8.5,VFD的发展简况 1967年日本最早制作了荧光数码管。 经

3、过了三大阶段：先开发的是只有一位的圆型真空管显示的单管VFD，可应于计算器的数字显示和符号的显示，多位显示时要将多个单管排列，会使设备体积增大。 当在PC机键盘的固定位置上使用多位单管显示时，要增加许多电极焊接引线，且要按单管亮度来分类使用，较为复杂。 单管VFD图：,2009.8.5,1972年使用圆型真空玻璃管，开发了显示6-13位的圆型多位管，这是VFD第二代产品，圆型多位管方便。 圆型多位管与PC机键盘连接示意图a，不需要每一位的VFD引出线，也不需要亮度分类使用。单管、多位管都是在陶瓷基板上安装电极引线，成本太贵。 1974 年VFD实现了平板多位显示，即第三代产品，图b是在玻璃基板

4、上用厚膜印制和薄膜技术的混合制作各主要电极，然后用玻璃进行密封构成真空腔，它在形状上有一定的自由度，且还能派生许多显示图形。又实现了大面积、高亮度显示及字符和图形显示和电视图象显示。,2009.8.5,由三个基本电极组成的：阴极（灯丝），阳极（荧光粉）和栅极（光刻法制造）。这三个电极被封在高真空环境的玻璃管子里构成了VFD显示器。 阴极灯丝是由覆盖有碱土金属氧化物粉末的极细钨丝。 栅极是由金属栅网薄膜制成的，起到控制和分散阳极发射的电子的作用。 阳极是导电极，用荧光粉印刷出图样。,8.2 VFD的结构,2009.8.5,1. Glass Substrate (Anode Plate) 玻璃基板

5、（阳极板）， 2. Conductive Layer 导电层， 3. Anode (Base) 阳极（基极）， 4. Insulation Layer 绝缘层， 5. phosphor (Display Pattern) ， 6. Conductive Paste 导电胶， 7. Grid Mesh 栅极网孔， 8. Conductive Frit Glass 导电玻璃 ， 9. Filament (cathode) 灯丝（阴极） ，10. Getter （吸气剂）， 11. Face Glass (Cover Glass) 玻璃面板， 12. Spacer Glass 间隔用玻璃， 13.

6、Evacuation Tube 排气管 14. NESA (or ITO) coating 导电膜 ， 15. Lead Pin 引脚， 16. Mold Resin 填充树脂， 17. Solder 焊料， 18. Frit Glass,Basic VFD Structure,2009.8.5,VFD显示器左右两边的宽引脚是连接灯丝的。 灯丝的电压大约23v，电流在100mA左右。 有11个栅网。每一个栅网都有一个从玻璃基片引出的引脚。另外9个引脚是用来连接显示器的段节的。,2009.8.5,VFD显示器-是点阵式的，能够显示中文。 现在部分地铁二号线入口刷卡处的显示器正是一种双列的点阵显示

7、器，其他使用的地方还有，超市收银机的显示器等等。,2009.8.5,平板多位管VFD的剖面结构：如图。 将阴极灯丝、栅极板、涂敷了荧光粉的阳极封入真空容器内 由上下两块平板玻璃(面玻璃内侧涂有导电膜)，四周用玻璃粉进行密封，并留有一个排气管部分的真空腔。 1-玻璃基板 2-玻璃粉（密封） 3-面玻璃(内侧涂有导电膜6) 4-网状栅极 5-直热式阴极灯丝 7-导电胶 8-排气管 9-树脂膜 10-引线端子 11-布线端子(引出管外) 12-荧光粉层 13-阳极 14-布线(厚膜印刷) 15-绝缘层,2009.8.5,2009.8.5,平板多位VFD-与真空三极管相似，是由玻璃基板、面玻璃(内侧涂

8、有导电膜)、排气管所构成的真空容器，由发射电子的阴极、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极和玻盖构成。 阴极-是一种丝状直热式氧化物阴极(统称灯丝) 栅极-网状或丝状，或蜂窝结构 阳极-表面涂覆有发光粉的电极。 为控制灯丝上(阴极)发射出的热电子，管子的功率大部分消耗在加热阴极灯丝上，使应用受到了一定的限制。 阴极灯丝在真空腔中的占空系数大小对用于发光空间有限制。最好使用更细的灯丝和改善表面盖玻璃状态。,2009.8.5,1阳极玻璃基扳 -是VFD的重要部件之一，-是由在玻璃板上电极布线、绝缘层、VFD的阳极(笔划电极)组成。 阳极：采用厚膜印制、或薄膜技术和厚膜印制混合方式

9、在玻璃基板上制作大致显示图案，采用金属铝薄膜、石墨等导体。 对于不太复杂的显示图形电极布线可采用厚膜印制技术制作 反复厚膜印制和烧制，把绝缘层、阳极电极层矗加在玻璃板上。 导电材料是银浆， 绝缘材料用加有少量黑色素的低熔点玻璃粉。 对于复杂的显示图形，在一定尺寸的玻璃板上进行多层布线会造成制作成本高以及驱动电路复杂化，采用薄膜技术和厚膜印制混合方式制作阳极玻璃基板。,VFD的主要部件、材料,2009.8.5,2阴极 -灯丝是在不妨碍显示的极细钨丝蕊线上，其表面涂覆上碱土类金属钡（Ba）、锶（Sr）、钙（Ca）的三元碳酸盐，再以适当的张力安装在灯丝支架（固定端）与弹簧支架（可动端）之间，在两端加

10、上规定的灯丝电压，使阴极加热 碳酸盐在真空状态下加热分解成氧化钡、氧化锶和氧化钙，形成三元的碱土金属氧化物阴极，构成电子源。 BaCO3+SrCO3+CaCO3BaO+SrO+CaO+3CO2 金属氧化物粉末的功能：是要降低灯丝的最小电子溢出功，从而降低灯丝的温度，提高寿命。,2009.8.5,3栅极 -是在不妨碍显示的原则下，将不锈钢等的薄板予以光刻蚀（PHOTO-ETHING）后成型的金属网格(MESH) 或将不锈钢薄板加工成龟背纹形状（正六边形周期排列） 或网格形状的金属网。 栅极的透射率对VFD的电流分配、发光亮度、显示品质等都有影响。,2009.8.5,4. 荧光粉 -指在形成大致显

11、示图案的石墨等导体上，依显示图案的形状印刷荧光粉， 早期的VFD大都是蓝绿色发光的荧光管， 荧光材料中只有ZnO：Zn荧光粉（电阻率在103-104cm）在低能电子束的轰击下能够发出蓝绿色光，是目前最被广为使用的荧光粉，发光色为绿色（峰值波长505nm） 因常规荧光粉材料的电阻率非常高在102-1012cm左右，为降低电阻率，在荧光粉中添加一定重量百分比的氧化钡进行导电处理，把电阻率下降到104-107cm 。 同一电压下激励这些荧光粉和ZnOZn荧光粉，其发光亮度只有ZnOZn亮度的1545 ZnOZn发光亮度高，但发光色是低纯度。,2009.8.5,5面玻璃 -用平板玻璃进行热成形加工，或

12、用带有横挡玻璃条和平板玻璃粘接组合成玻璃盒。 用玻璃粉将面玻璃、玻璃基板、排气管进行密封成真空容器。 在玻璃盖内表面形成透明导电膜（NESA），且接上灯丝电位或正电位形成静电屏蔽层，以保持阴极电位与外部电场屏蔽，可防止因外部的静电影响而降低显示品质。,2009.8.5,6. 吸气器-消气剂（GETTER） -是真空电子管常用一种零部件，是维持真空的重要零件，能使真空管内保持一定真空度而工作稳定。 在沟槽中填入了消气剂（BaAl4和Ni粉末）并被粘接住， 在排气工程的最后阶段，可利用高频产生的涡流损耗对消气剂加热蒸发，在玻璃盖的内、侧表面上形成钡的蒸发膜，可进一步吸收管内的残留气体（GAS）。,

13、2009.8.5,用金属支架来支撑并固定阴极灯丝，使灯丝具有一定的张力。 用导电胶与玻璃基板上的阴极配线相粘接 用有机溶剂将玻璃粉（有与玻璃基板以及面玻璃的膨胀系数相一致的低熔点）调和成膏状固定接点（各种电极、引线端子），密封真空腔。 用环氧树脂固定和防潮保护,2009.8.5,一、工作原理 基本原理-是通过电极引线施加驱动电压使之工作，阴极发射的电子经栅极和阳极所加的正电压而加速，并激励涂覆于阳极上的荧光粉而发光的，通过VFD上面的各个亮点的组合一起发亮来显示字符，数字，特定的图标等等。 首先在各个电极上施加额定电压时，阴极灯丝加热至650，则从阴极上释放出热电子 栅极位于阴极和阳极之间，热

14、电子获得加速并均匀地向阳极方向扩散，能否扩散到阳极决定于栅极电位相对于阴极是正电位还是负电位。 由于热电子扩散运动，自阴极-栅极产生的栅极电流，使热电子通过栅极而达到阳极，从而激励荧光粉发光而成为阳极电流， 必要条件是在阳极上施加正向电压。 即栅极和阳极同时施加正向电压时才能产生发光显示。,8.3 VFD工作原理和特性,2009.8.5,原理图：,2009.8.5,阴极溢出的电子经栅极和阴极的正向电场加速后冲向阴极打在有荧光粉的图样上产生光。 栅极上加上正电压，可加速并扩散自灯丝所放射出来的电子，将之导向阳极；相反地，如果加上负电压，则能拦阻游向阳极的电子，使阳极消光。 阳极上加上正电压后，因

15、栅极的作用而加速、扩散的电子将会互相冲击而激发荧光粉，使之发光。 通过调节栅极或阴极上的正负电压就可以显示不同的图案。这个电压可以低至10V直流电压。,2009.8.5,在栅极、阳极象素点加负电压时,就不会产生发光显示。 偏置电动势EA通过栅极阻抗Rg及阳极阻抗RP施加在栅极和阳极上。 因为VFD真空三极管，施加的电压和各个电极电流的关系在实用电压范围内可用下式表示； Ik-阴极电流，K-电子管的导电系数（与电极结构有关的常数)；eb、ec为阳极电势和栅极电势(一般同)； n-常数(对理想平板电极为32，而VFD为1.52.0),2009.8.5,ik是阳极电流ib和栅极电流ic的和，其关系式

16、如下： 式中，d=ic/ib称作电流分配率，是与电极的结构有关的值，0.83。 另一方面，ec、eb与亮度L之间关系为： 式中，是荧光粉的发光效率，Dn是占空系数；KK(1十d)；一般L是（ec，eb）的2.5-3.0次方。,2009.8.5,二、VFD的特性 具有类似真空三极管的各种特性，如下： 1，阴极上升特性 在VFD的阴极上加热升至一定温度后，阴极上将会释放出热电子。为了能够充分地辐射热电子，对阴极的加热温度要求要适当。 随着阴极灯丝电压Uf的上升，灯丝电流Jf，发光亮度L、阳极电流jb和栅极电流ic都将上升。其中亮度L、jb、ic对于灯丝Uf的上升会反映出饱和特性，而If随Uf上升不

17、会出现这一现象。另外阴极灯丝温度Tf随灯丝Uf上升而上升。 当Uf低于饱和的电压时随着电源电压上升荧光显示管的发光亮度L的变化比jb、ic上升速率大。但它的显示品质有所下降。如果Uf过高，则发光亮度L不再增加，而功耗增加，灯丝温度也增高，从而影响到VFD的寿命。因此，设定Uf的大小应尽量选择比饱和区域略低的电压值。,2009.8.5,2电压特性 影响发光亮度的主要因素是阳极电势eb和栅极电势ec。因此选择适当电压值，就能够获得良好的驱动效率。 如图。阳极电势eb和栅极电势ec使用同一电压位(对于点阵的VFD除外)。在实用电压范围内，随着ec，eb上升发光亮度L、阳极电流和栅极电流也上升，不出现

18、饱和特性。因此阴极电流 也随之增加。 当ec，eb过高时，超过了阴极的热电子辐射的极限，会使阴极损伤而缩短寿命。因此，为了获得高亮度，应给予ec，eb合理的设定。,2009.8.5,3占空系数Dn和亮度L 在动态驱动VFD中决定发光亮度和显示品质的重要条件是脉冲电压的占空系数，这是除了VFD的位数和荧光粉上脉冲电压上升、下降特性影响之外，根据熄灭时间所决定的一个系数。 式中tp为脉冲宽度，T为脉冲周期。 4关断特性 在实际使用过程中，有发光显示的位及阳极段电极、不发光显示的位及阳极段电极。在不发光显示的位及阳极段电极上，施加脉冲电压时，其栅极关断特性和阳极关断特性。,2009.8.5,三、VF

19、D的驱动条件 在驱动条件中阴极加热方式和栅极扫描频率： 1阴极加热方式 在阴极上施加Uf，对阴极加热使其温度上升到规定的值(约650)。有直流和交流的方脉冲电压两种加热方式，所施加的交流电压值为有效值。 (1) 直流加热方式 使用直流电压加热阴极的原理如图。各电极之间的电位关系不同。 阳极Ub和栅极Uc，在阴极灯丝A、B两端施加Uf作用，使B点电位高于A点电位，A、B与阳极、栅极间产生的电位差不相等，导致发光亮度的不均匀。发光亮度与阳极Ub和栅极Uc成2.53次方的关系。所以在阴极两端上发生了较大的亮度差。,2009.8.5,进一步说明如下：设由阴极和栅极之间形成真空二极管，从阴极上发射出的电

20、流i e和电极间间隔d的关系为 式中ie是ik，K是与电极结构有关的常数；n是系数，其值为32。 与阴极和栅极间隔d的平方成反比例。,2009.8.5,(2) 交流加热方式 VFD一般多采用交流加热方式。 图a中灯丝变压器带中心抽头接地时，在阴极上的位置从A到E各点的电位随时间而变化的波形不同。因此，在各自的位置上阳极电位Ub和栅极电位Uc都有相应的变化，亮度也必然有变化。但亮度的变化用眼睛看不出来。 用点划线表示的灯丝变压器一端接地，阴极电位随时间的变化波形如图b。它和直流加热方式一样，有明显的亮度差没有实用价值。,2009.8.5,交流加热时，阴极加热电源频率和栅极扫描频率发生拍差时，会引

21、起阴极振动，产生发光显示闪烁，应当注意。 (3) 高频加热 使用DCDC变压器时，电源频率为20kHz，这个频率和栅极扫描频率100-1000Hz相差颇大，不会产生拍差，故能够防止阴极振动而产生的亮度闪烁。脉冲加热阴极时，同样也使用灯丝电源变压器一端接地。,2009.8.5,2栅极扫描频率 各种原因产生的显示闪烁会影响到显示色品质， 由于阴极振动产生阴极和栅极间的间隔变化，使发光亮度随时间而发生变化之故。 阴极灯丝使用极细的纯金属钨丝，灯丝的粗细决定了抗拉强度，用弹簧材料的固定器固定，并给予适当的张力，灯丝和栅极之间间隔由金属支架调节确定。 因此，阴极灯丝是一种两端固定的弦，通过外力作用将产生

22、振动。 振动的固有频率下式： 式中，l是阴极长度；T为阴极的张力；是阴极单位长度上的质量。 为了提高频率，有必要使阴极长度l和尽量小些，张力T增大些。和T在设计上有一定的比例，因此只有把阴极长度取短些，一般在阴极的中部配置中间支架，使阴极长度实际上成为12。,2009.8.5,它的振动振幅a为： 式中，A为常数，它是由VFD上受力大小与阴极的质量所决定的常数。 阴极振动的固有频率大时，振幅就会小。频率增加2倍使振幅大幅度地减小。 阴极的振动不仅只通过外力作用而产生，还有各种各样的原因而引起，其中主要的一种是由于阴极加热的电源频率fF和栅极扫描频率fG之间的频率拍差。当fF和fG间满足下式关系时

23、，将不会产生频率拍差： or (单位Hz，n2，3，4，) 一般fF最低值为90或80Hz，为了安全起见使用110Hz以上的电源频率。另外，如果附加一个电路把fF调节在50Hz，使fG成为fF的整数分之一，即使发生了闪烁，则通过调整这个电路也能消除。,2009.8.5,影响VFD显示效果的基本要素 1、灯丝（阴极）构成 灯丝是在不妨碍显示的极细钨丝蕊线上，涂覆上钡（Ba）、锶 （Sr）、钙（Ca）的氧化物（三元碳酸盐），再以适当的张力安装 在两弹簧支架（可动端）之间，在两端加上规定的灯丝电压，使阴 极温度达到650左右而放射热电子。 2、空间电荷效应 VFD的工作原理 是以灯丝为阴极， 以图案

24、端为阳极构 成的空间在真空中 放电、得电。 右图为二极管的工作原 理。,：初速度电流领域 ：空间电荷限制领域 ：温度限制领域,2009.8.5,从负极放出的电子流向正极，加在阳极上的电压越大，从负极跑出来的电子速度就越快，电子布满整个阴极和阳极的空间，电子又不断的跑入阳极，从而保持平衡。这一现象叫做空间电荷效应。 图中的区，因阳极没有电压，故阴极与阳极间没有形成电场，故阳极没有电流。 图中的区为空间电荷限制区域，这时的电流遵循如下公式： Ib=GVb3/2 Ib-阳极电流；Vb-阳极电压； G-电子管导电参数，由电极的面积决定。,2009.8.5,图中的区为温度限制区域，由阴极材料、阴极温度和

25、电极面积决定阳极电流与阳极电压无关，这个电流叫饱和电流。 这时的电流遵循如下公式： Is=SAT5/4e (-e/KT) Is-饱和阳极电流；S-阴极电子放出面积；A-热电子放出定值； T-阴极温度； -工作函数eV；K-1.38X10-23J/K)； 如果Is较小-空间电荷限制区域较窄-灯丝的低电压导致温度不高-阳极电流减少-造成电子放出不稳定-产品亮度偏低或亮度不匀 通常把阴极电压设定在让灯丝温度达到650左右，温度过低，灯丝粉层的蒸发速度会变慢，残留的气体回污染内部使放电能力下降。 工作温度过高，蒸发过于激烈使产品寿命变短。 以上从VFD工作原理中空间电荷效应的角度来介绍灯丝电压（影响灯

26、丝温度）及阳极电压对电子流量的影响，从而决定着VFD的发光效果。,2009.8.5,VFD控制原理如下： 首先，将第一个栅网置14v，其余的置0v，再将需要点亮的段置14v，需要的图样就点亮了。 然后将第一个栅网置0v，将第二个栅网置14v，其余置0v，再将要点亮的段置14v。 这种扫描将持续到最后一个栅网被激活，然后进行循环的扫描，由于扫描时间很短，所以不会看到每次只点亮显示器的一段，而是看到闪烁活动的图案。 如果要检测VFD，只要将3v（额定的灯丝电压）加到灯丝上，然后将14v加到栅极上，负极接到灯丝上。再将14v加到段的引脚上（不能碰到灯丝的引脚，否则会烧掉），就能将整个显示器点亮。 在

27、工厂里面检测的办法是，用两个加上3v电压的夹子夹住灯丝引脚，再用一个加上电压的梳子状引脚板去接触引脚，将整个管子点亮。 检测的次品问题有：是否发生暗、发光不均匀、黑点、断丝等等。,2009.8.5,3、灯丝驱动方式 交流驱动，中心抽头,普遍作为被音响和大型 VFD的驱动方式 交流驱动，单侧接地,2009.8.5,直流驱动 通常用于小型 VFD，比如由汽车电池作为电源车用音响VFD等。 栅极和阳极的电压会因为图案末端对应的灯丝电压的不同而变得不同，所以就需要对灯丝的结构进行修正，因而直流驱动并不适用于大型VFD。,2009.8.5,直流驱动，单侧接地 以上几种灯丝驱动方案中， 可以看到采用交流中

28、心抽头的驱动方式使灯丝两端的电位振幅较小，有效的阳极电位变化也小， 从而保证了VFD显示亮度的均匀性。 故，将此方式推荐为VFD灯丝驱动的标准方式！,2009.8.5,4、灯丝电压对亮度的影响,2009.8.5,5、亮度调整 a)灯丝电压的调整 b)阳、栅电压的调整 c)截止电压的调整 d)脉冲的调整,2009.8.5,8.4 VFD分类及驱动,VFD种类繁多， 根据结构一般可分为2极管和3极管两种；最被广泛应用的是3极管。 根据显示内容可分为：数字显示、字符显示、图案显示、点阵显示； 根据驱动方式可分为：静态驱动（直流）和动态驱动（脉冲）。 荧光显示管的驱动方式 VFD的基本驱动方式有静态驱

29、动和动态驱动。不同结构的VFD使用不同的驱动方式。近年来开发的矩阵驱动VFD已进入实用。 一、静态驱动 如图。栅极使用各个位数的公共电极并施加额定直流电压，阳极的各个段用独立的引线端子。因此，给阳极段电极施加信号电压时就能选择不同的位显示和图形显示。适用于位数少的显示，因为位数增多时阳极段的引线端子就急剧增加。,2009.8.5,静态驱动电路如图， 周边电路简单，驱动电压为10-15VDC，各个位数上具有阳极段的选择电路。多使用于车载用时钟驱动显示。,2009.8.5,二、动态驱动 使用于位数较多的VFD。 如图，位于各个位数的相同位置上的阳极段电极与管内相连接，接在公共通用的接线端子上。因此

30、，段电极引线端子的个数与位数无关，只需要用一位数的段电极数目，栅极按位数分别引出接线端子即可。 图为动态驱动电路示例。该电路是由一个与位数无关的段电极选通电路和栅极扫描电路所组成。进行驱动显示时，将选通的阳极段信号与位信号(栅极扫描信号)产生同步，从而实现选通段的数字显示。,2009.8.5,三、有源矩阵驱动 随着象素密度和象素数的增加，驱动电压将高压化，使包括周边电路在内的成本提高，成为不容易解决的问题。1970年以来，开始研究有源矩阵驱动方式。 1、基本工作原理 VFD的各个象素点是在MOSFET场效应晶体管的漏极上涂敷了荧光粉层所构成，在整个象素点的公共面阴极上释放出热电子，热电子通过栅

31、极后获得加速而激励荧光粉发光。 2、有源矩阵驱动VFD的特点： 1) 低电压(15V)，高发光效率(7-8 1mw)。 2) 它是利用低能电子束激励而发光，可以直接使用Si-LSI芯片。因此，在各象素上有可能附加存储电路，以消除由于占空因素的驱动高压化和亮度下降等问题。 3) 结构上，单晶芯片面积可做得很小，并可使用多个小面积芯片，可望降低显示管的成本。 4) 芯片处于高真空中，不易受环境影响而具有高可靠性。 5) 附有内藏驱动电路，可简化周边电路，使整个系统小型化。,2009.8.5,8.5 VFD的种类和应用 VFD从7段、8段数字显示、符号显示，14段、16段的英文和各种符号显示。57、512个象素的英文和汉字及各种符号显示。通过增加显示的位和行数到显示接近A4整页纸的显示，显示面积不断增加。用矩阵显示屏实现了英文、汉字等显示及图形图象显示。 一、段显示 7段显示(SG；Segument)。它是根据一定图形的数字和简单的符号进行显示，像计算器、ECR、电子秤、手表等各种仪