Aplikacja wyświetlacza VFD.pdf

http://www.easy-soft.tsnet.pl

Aplikacja wyświetlacza VFD.

W związku z dużym zainteresowaniem jaki wywołał artykuł

na temat modułów wyświetlaczy VFD, zdecydowałem

kontynuować temat w następnym tego rodzaju artykule.

Tym razem sięgnąłem jednak nie tyle do gotowych

modułów wyświetlaczy z wbudowanym kontrolerem, ile do

samego wyświetlacza, rzecz by można – nagiej lampy, bez

żadnego oprzyrządowania. W tym miejscu chciałbym podziękować również firmie FUTABA, jednemu z

największych producentów wyświetlaczy VFD, za udostępnienie próbek wyświetlacza 7-LT-109 do testów.

Aplikacja powstała bardziej z myślą o tych wszystkich, którzy zastanawiają się w jaki sposób użyć posiadanego

VFD niż jako kit oferowany dla elektroników amatorów.

Zasilanie wyświetlacza VFD.

W poprzednim artykule na temat modułów VFD

opisywałem w zarysach zasadę działania tego

rodzaju wyświetlacza. Przypomnę najważniejsze

moim zdaniem szczegóły, które pozwolą zrozu-

mieć zachodzące zjawiska fizyczne. Wyświetlacz

VFD to rodzaj trójelektrodowej lampy próżnio-

wej. Typowo zbudowany jest z anody wykonanej

na przykład z grafitu, pokrytej substancją będącą

związkiem fosforu i zwaną luminoforem. Nad

anodą umieszczona jest siatki oraz bezpośrednio

żarzona katoda (brak jest osobnego żarnika: drut

żarnika pełni jednocześnie funkcję katody).

Zgromadzone wokół katody elektrony, wybite ze

swych orbit na skutek bardzo wysokiej tempera-

tury, przyspieszane są w kierunku anody przez

dodatnie napięcie na siatce. Elektrony bombar-

dujące anodę są powodem świecenia luminoforu.

Obecnie wytwarzane są wyświetlacze o różnych

kolorach świecenia, zależnych od rodzaju

użytego luminoforu. Najpopularniejsze są te, o

kolorze zielonym ale można również spotkać się z

kolorem świecenia białym, pomarańczowym czy

niebieskim. Na rysunku 1 przedstawiono schemat

budowy typowego wyświetlacza VFD.

Wyświetlacz VFD charakteryzuje się bardzo

dobrą widocznością wyświetlanych znaków. Są

one doskonale czytelne nawet w złych warunków

oświetlenia. Dodatkowo możliwa jest regulacja

jasności świecenia znaków. Jest ona realizowana

bądź to przez zmianę wartości napięcia

anodowego, bądź to przez zmianę czasu

świecenia znaku. Będzie o tym mowa w dalszej

części artykułu. Wadą tego rodzaju wyświetlacza jest bardzo duży pobór energii, który praktycznie umożliwia

stosowanie go jedynie w urządzeniach stacjonarnych, zasilanych z sieci energetycznej. Energia prądu

zasilającego konsumowana jest głównie przez żarnik, który w bardzo dużym wyświetlaczu pobiera nawet i 20W

mocy prądu zasilającego.

Napięcie anodowe.

Wartość napięcia anodowego jak i maksymalnego prądu dla pojedynczego segmentu znaku, podana jest w

karcie katalogowej konkretnego modelu wyświetlacza. Najczęściej, dla nowoczesnych wyświetlaczy VFD,

wartość napięcia anodowego waha się w okolicach 18 do 24V a prąd anodowy to kilka miliamper. Oczywiście

J.Bogusz 'Aplikacja wyświetlacza VFD'

- STRONA 1/13 -

rys.1 Uproszczony schemat budowy wyświetlacza VFD

http://www.easy-soft.tsnet.pl

wartość prądu zależy od takich czynników jak chociażby wielkość wyświetlanych znaków i jasność ich

świecenia. Elektronik konstruktor łatwo zorientuje się, że nie jest trudno zbudować źródło napięcia zasilania o

podanych wyżej parametrach, przeznaczone do zasilania anody VFD.

rys.2 Sekwencja załączenia segmentu wyświetlacza VFD

Napięcie siatki.

Segment wyświetlacza VFD świeci, gdy przyłożone jest napięcie żarzenia o odpowiedniej wartości, przyłożone

jest dodatnie napięcie anodowe oraz dodatnie napięcie siatki. W praktyce nie wytwarza się osobnych źródeł

napięcia zasilającego dla siatki oraz dla anody. Najczęściej napięcie siatki jest równe napięciu anodowemu.

Można oczywiście zmieniać wartość napięcia anodowego w celu regulacji jasności świecenia, jednak najczęściej

stosowane jest rozwiązanie, w którym jasność świecenia VFD regulowana jest za pomocą zmiany czasu

załączenia świecenia segmentu. Zasadę tę ilustruje rysunek 3. Jest to uzasadnione zarówno od strony

ekonomicznej (tańsze źródło napięcia) jak też zbieżne z zasadami działania kontrolerów wyświetlaczy. Przy

okazji opisu cech charakterystycznych dla napięcia siatki jedna bardzo ważna uwaga. Sekwencja załączająca

wyświetlacza, pod groźbą uszkodzenia drivera wyjściowego, powinna wyglądać tak, jak przedstawiono to na

rysunku 2: przy załączeniu świecenia jako pierwsze musi być przyłożone napięcie anodowe, dopiero później

może się pojawić napięcie siatki. Odwrotnie postępujemy gasząc segment: najpierw musi zostać odłączone

napięcie siatki dopiero później wolno nam wyłączyć napięcie anodowe.

Rys 3. Regulacja jasności świecenia wyświetlacza VFD.

J.Bogusz 'Aplikacja wyświetlacza VFD'

- STRONA 2/13 -

http://www.easy-soft.tsnet.pl

Napięcie żarzenia.

Napięcie żarzenia ma ogromy wpływ na jakość funkcjonowania wyświetlacza VFD. Brak zasilania żarzenia

uniemożliwia pracę wyświetlacza. Jego niewłaściwa wartość lub kształt (!) mogą doprowadzić do sytuacji, gdy

nie będzie możliwe uzyskanie poprawnego i równomiernego świecenia segmentów znaku. W praktyce może się

to objawiać na przykład migotaniem lub „widmowym” świeceniem segmentów, które powinny być wyłączone.

W związku z tym, że napięcie żarzenia to tak ważny czynnik, chciałbym przedyskutować tutaj kilka różnych

metod jego wytwarzania do których przystosowana jest większość wyświetlaczy VFD. Do analizy

występujących zjawisk musimy przypomnieć sobie fakt, że żarnik to bardzo długi drut oporowy rozciągnięty

ponad segmentami VFD pełniący jednocześnie rolę katody. Producenci stosują równoległe połączenie kilku

drutów w celu zapewnienia równomierności świecenia całego znaku.

Żarnik zasilany napięciem stałym.

Rzadko stosowaną techniką jest zasilanie żarnika napięciem stałym. W praktyce rozwiązanie te stosowane jest

dla bardzo małych wyświetlaczy o niewielkich znakach. Z kilku stosowanych przez mnie modeli różnych firm

tylko jeden, bardzo stary, używał tego rodzaju napięcia żarzenia. Rozwiązanie to wydaje się więc zanikać

aczkolwiek jest bardzo wygodne w stosowaniu. Na rysunku 4 ukazano symboliczny układ połączeń.

Rys.4 Zasilanie żarnika VFD napięciem stałym

Żarnik będący jednocześnie katodą, wykonany jest z drutu oporowego. Zmiana rezystancji takiego drutu jest

stała na jednostkę długości i przez to rozkład potencjału jest liniowy, wzdłuż całego żarnika: najwyższy od

strony przyłożenia napięcia dodatniego (prawa strona rysunku), najniższy od strony podłączenia potencjału

ziemi. Dla szerokich pól odczytowych owocuje to zmianą jasności świecenia najczęściej wszerz pola

odczytowego. W praktyce zmiana świecenia kompensowana jest umieszczeniem końców żarnika na różnych

J.Bogusz 'Aplikacja wyświetlacza VFD'

- STRONA 3/13 -

http://www.easy-soft.tsnet.pl

wysokościach – innej dla końca pozytywnego, innej dla uziemionego jak również zmianą rozmiarów oczek

siatki. Czasami stosowane jest zasilanie żarnika prądem stałym o modulowanej szerokości impulsów (PWM).

Żarnik zasilany napięciem przemiennym.

Najczęściej stosowaną techniką zasilania żarnika VFD jest przyłożenie napięcie przemiennego. Na rysunkach 5 i

6 ukazano sposób połączenia żarnika – katody.

Rys. 5 Zasilanie żarnika prądem przemiennym, jeden z końców źródła napięcia uziemiony.

W układzie z rysunku 5 występują problemy zbliżone do układu zasilanego prądem stałym. Podczas gdy po

jednej stronie żarnika wyświetlacza przyłożone jest napięcie E a , po drugiej panuje napięcie E a – 2x  2 E f . Może

to powodować zmiany jasności świecenia i wymaga podobnej kompensacji jak w przypadku zasilania napięciem

stałym. Znacznie mniejsze zmiany napięcia występują, gdy środek uzwojenia transformatora zasilającego

żarnik zostanie uziemiony. Te drobną modyfikację ilustruje rysunek 6. Układ taki z drobnymi modyfikacjami

jest preferowanym i najczęściej stosowanym. Łatwo jest również skompensować ewentualne

nierównomierności świecenia, ponieważ rozkład napięcia na żarniku jest symetryczny i niezależny od strony

podłączenia potencjału ziemi. Kompensację można więc przeprowadzić przez zwykłą zmianę wielkości oczek

elektrody siatki. W przypadku zasilania prądem przemiennym najczęściej stosowane są układy przetwornic z

transformatorem wyjściowym. Należy zadbać o to aby napięcie wyjściowe z takiej przetwornicy zawierało

minimalną ilość zniekształceń. Nie jest to trudne, ponieważ żarnik ma stosunkowo małą rezystancję

(kilkadziesiąt – kilkaset Ohm), jednak trzeba pamiętać, że wszelkiego rodzaju impulsy szpilkowe mogą

powodować miejscowe zmiany jasności świecenia oraz efekt „wędrującego” obrazu.

J.Bogusz 'Aplikacja wyświetlacza VFD'

- STRONA 4/13 -

http://www.easy-soft.tsnet.pl

Rys.6 Zasilanie żarnika prądem przemiennym, środek uzwojenia transformatora uziemiony.

Pewna sprzeczność występuje pomiędzy notami aplikacyjnymi różnych producentów. Jedni z nich zalecają aby

częstotliwość napięcia wyjściowego przetwornicy zasilającej żarzenie była niższa niż 30kHz, inni aby mieściła

się w granicach od 10 do 100kHz. Moim zdaniem powinna być co najmniej 20kHz, ponieważ czasami żarniki

niektórych wyświetlaczy na skutek zmian płynącego prądu funkcjonują jak... głośnik. Źle wykonany układ

zasilania żarzenia owocuje cichym ale słyszalnym i niezbyt miłym dla ucha piskiem. W wykonanej aplikacji

dostarczane z przetwornicy napięcie żarzenia ma częstotliwość aż 300kHz i nie zauważyłem żadnego wpływu

na jakość pracy układu. Świadczy to o tym, że parametr ten nie jest krytycznym dla pracy VFD.

Napięcie odcięcia.

Opis warunków zasilania nie byłby pełny bez omówienia tzw. napięcia odcięcia prądu anodowego. Jak

omawiano to wcześniej, segmenty znaku świecą, gdy do siatki oraz anody zostanie niemal jednocześnie

przyłożone pozytywne napięcie (pamiętajmy o warunkach załączenia!). Gdy napięcie siatki lub anody jest

niższe od napięcia katody (żarzenia), wówczas świecenie segmentu może być zupełnie przypadkowe. W

związku z tym aby z całą pewnością wyłączyć prąd anodowy, napięcie anodowe musi być niższe niż napięcie

żarzenia. Ten negatywny potencjał zwany jest napięciem odcięcia. W statycznie sterowanych wyświetlaczach

wyłącznie anoda wymaga napięcia odcięcia, natomiast w wyświetlaczach sterowanych dynamicznie jest to

warunek konieczny dla prawidłowej pracy zarówno siatki jak i anody.

Typowo wartość napięcia odcięcia to 0 do –4V. Napięcie to dla anody zależy od właściwości fizycznych

pokrywających ją związków fosforu, natomiast dla siatki od energii elektronów emitowanych przez katodę.

Zazwyczaj napięcie odcięcia siatki jest niższe od napięcia odcięcia anody. Upraszczając można powiedzieć, że

temperatura i sposób wykonania katody limitują wartość napięcia odcięcia. W praktycznych zastosowaniach,

J.Bogusz 'Aplikacja wyświetlacza VFD'

- STRONA 5/13 -

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: