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1、VFD原理及应用一、VFD基础（一）、什么是VFD 真空荧光显示屏（VACUUM FLUORESCENT DISPLAY）是从真空电子管发展而来的显示器件，由发射电子的阴极（直热式，统称灯丝）、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及栅网和玻盖构成。它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。由于它可以做多色彩显示，亮度高，又可以用低电压来驱动，易与集成电路配套，所以被广泛应用在家用电器、办公自动化设备、工业仪器仪表及汽车等各种领域中。 VFD根据结构一般可分为2极管和3极管两种；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
2、态驱动（直流）和动态驱动（脉冲）。 （二）、VFD的结构及工作原理 VFD种类繁多，以其中最被广泛应用的3极管构造为例说明其基本构造与原理。 图1是VFD结构的分解斜视图，图2为剖面图，其构造以玻盖和基板形成一真空容器，在真空容器内以阴极CATHODE（灯丝FILAMENT）、栅极GRID及阳极ANODE为基本电极，还有一些其它的零件（如消气剂等）。 图1.VFD的分解斜视图 图2.VFD的剖面图 图3.VFD的基本工作原理 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灯丝支架（固定端）与弹簧支架（可动端）之间，在两端
3、加上规定的灯丝电压，使阴极温度达到6000C左右而放射热电子。 栅极也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），在其上加上正电压，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。 阳极是指在形成大致显示图案的石墨等导体上，依显示图案的形状印刷荧光粉，於其上加上正电压后，因前述栅极的作用而加速，扩散的电子将会互相冲击而激发荧光粉，使之发光。图3即表示其基本工作原理。发光色为绿色（峰值波长505nm），低工作电压的氧化锌：锌(ZnO：Zn)荧光粉则是目前最被广为使用的荧光
4、粉。 另外，通过改变荧光粉种类，可以获得自红橙色到蓝色的各种不同颜色。 除了以上3种基本电极之外，如图2所示，在玻璃盖内表面形成透明导电膜（NESA），并且接上灯丝电位或正电位，形成静电屏蔽层可以防止因外部的静电影响而降低显示品质。 图1的消气剂（GETTER）是维持真空的重要零件。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，在玻璃盖的内表面形成钡的蒸发膜，可用来进一步吸收管内的残留气体（GAS）。3.1.灯丝 灯丝电压与灯丝电流的关系如图4所示。图5则是灯丝电压与栅极及阳极电流的关系。其与亮度的关系则如图6所示。在此例中，灯丝电压标准值是3.0Vac，灯丝电压值的设定，对保证
5、显示品质及寿命有重要的影响。如果灯丝电压过高，电流或亮度并不随之增加，反而因阴极温度上升，而加速钨丝蕊线上氧化物的蒸发，同时也会污染荧光粉表面，使发光效率及亮度提早下降，而缩短寿命。相反，如果灯丝电压过低，因阴极温度下降，便无法获得充分而稳定的热电子发射，致使显示品质劣化或灯丝电压变动而使亮度不稳定。其次，灯丝长时间在低的电压条件下使用，会引起可靠性下降，必须特别留意。 因此，重要的是灯丝电压设定应在标准值10%的范围内使用。 在实际使用中，绝对不可只着重在图6的特性而用调整灯丝电压来调整亮度。 图4.灯丝电压与灯丝电流（Ef-IF）特性 图5.灯丝电压与阳极栅极电流 图6.灯丝电压与亮度（E
6、f-L)特性 (ef-ib,ic)特性3.2.灯丝电源 为了让阴极加热到设定的温度值，以获得良好的热电子发射，需要对灯丝通电加热，灯丝电压（Ef）的施加方法有以下几种，但为达到规定的阴极温度，所施加的灯丝电压的有效值，必须与规格中心值一致。 3.2.1交流驱动 交流灯丝电压的基本连接图如图7及图9所示，其各自的电位关系则如图8及图10所示。图7是与灯丝的单侧（该图的左侧）接地，图9是与灯丝变压器的中心抽头接地，图7的例子中，灯丝的接地侧，阳极端所加的电压相当于Eb，栅极端所加的电压相当于Ec，另一侧的阳极、栅极电压则在（Eb、Ec）-2Ef与（Eb、Ec）+2Ef间变动，通常能得到均匀的亮度。
7、而在图9的例子中，灯丝电位的振幅较小，可降低对截止偏压（CUT-OFF BIAS VOLTAGE）的要求，因此推荐尽可能使用中心抽头的方式。其次，如选用有中心抽头的脉冲变压器的DC-DC变换器（CONVERTER）时，要注意不能有极端的直流成分、可闻频率成分或尖峰脉冲（SPIKE），而且有效值要与标准值一致，振荡频率则建议在30KHz以上。 3.2.2直流驱动 灯丝电压加上直流电压时的基本连接图如图11，其电位关系则如图12所示。由于灯丝加热电压在灯丝上有一个电位分布，存在左高右低梯度。亮度近似与电位差的二分之五次幂成比例，也就同样会产生右高左低的现象。为了获得均匀的亮度，必须对荧光显示屏的栅
8、极和灯丝间的实际距离进行设计补偿。在使用中，灯丝工作电压必须按照规定的正负极性连接，否则，亮度差异反而会更大。 签于设计补偿的范围是有限的，直流灯丝的构造设计，一般只限于灯丝较短的荧光显示屏。 图7.交流驱动连接图（1)（单侧接地） 图8.图7的电位关系 图11.直流驱动连接图 图12.图11的电位关系3.2.3脉冲驱动 以上是一般灯丝电压的施加方法，在实际应用中（如汽车、户外用便携式仪表），还可采是用DC-AC变换电路获得脉冲电压给灯丝提供电源。但为了使有效值与标准电压保持一致，必须对工作周期进行调整。另外要谨慎设定电路振荡频率，避免因机械性共振或电磁波的干扰而发生杂音，可以在暗室内将已加上
9、标准直流电压灯丝与热红色做比较，以确认有效电压的施加是否正确。（四）、栅极与阳极 4.1. 栅极与阳极 图13.动态驱动方式荧光显示屏的电极连接 栅极和阳极的内部电极连接与导线的引出因驱动方式而异，在此先做简单的说明。 图13和图14所示是动态驱动方式和静态驱动方式荧光显示屏的基本电极连接图。图13可以清楚看到动态驱动是每个栅极各自独立引出，阳极则是每个栅极所对应的笔划共同连接、共同引出，因此即使位数多，阳极引出脚也无须随之增加。在多位数显示时，一边对各栅极加上栅极扫描电压（Gird-scan），同时也适时地对选择各阳极施加ON（正）或OFF（负）的脉冲电压，以快到肉眼无法觉察其间断的扫描速度
10、，进行分时的动态驱动。 另一方面，静态驱动用则如图14所示，栅极是电气性的单独引出，与位数多少无关，阳极则是除了同时显示的笔段以外，应分别单独引出。一般而言，栅极可始终施加直流正电压，而阳极则根据显示要求分别加上直流正或负电压，以显示指定的笔段。 图14.静态驱动方式荧光显示屏的笔划电极连接 如上所述，驱动方式不同电极连接及施加电压波形也不一样，但在正常显示下，无论何种方式，都是对阳极与栅极施加上正电压，以下即就其特性做说明。 4.2.栅极与阳极的特性 图15及图16是阳极与栅极电压对电流特性图，图17及图18则是亮度特性图。工作时间阳极及栅极几乎使用同一电压，故阳极、栅极的电流特性可参照2极
11、管的特性。 简而言之，阳极电流ib的计算式如下： ib=（Gen）/（1+K）（1）表示 G：电子管电导系数（PERVEANCE）（依据电极间尺寸所决定的系数） e：阳极（栅极）电压 n：1.7 K：电流分配率（ic/ib） 而阳极、栅极电压与亮度的关系则为阳极的消耗功率乘以发光效率及占空比（Du）之积，亮度L的计算式如下： L=eGenDu/（1+K）=Aen+1Du（2）（A：常数） 如前所述n值约为1.7左右，如果Du值固定，则无论采用何种驱动方式，荧光显示屏的亮度将与阳极、栅极电压呈2.7次方的关系（参照图17，18） 图17. Eb、Ec-L特性（直流驱动） 图18. eb、ec-L
12、特性（动态驱动） 如图所示，阳极、栅极的电流与阳极、栅极电压的1.7次方、亮度的2.7 次方呈正比。同样地，阳极及栅极的损耗功率比例也约是为2.7次方倍，所以使用时要注意避免让栅极过载引起热变形，甚至与其它电极短路，或是因阳极温度上升过骤而导致特性恶化。另外考虑到灯丝热电子发射能力的限制，阳栅极电压不能超过规定的最大值。 4.3.阳极、栅极电压的设定 阳极与栅极电压是决定亮度的重要因素，在设定时要考虑到使用环境的亮度、滤色板的色调、透过率及显示屏差异等因素的影响。为获得一定的亮度，静态驱动的阳极、栅极可通过改变电压对亮度进行调整。而动态驱动除阳极、栅极电压外，占空比（Du）也会影响亮度，可根据
13、Du-eb、ec工作领域特性（如图19所示）来设定工作条件。 图19.动态驱动用荧光显示屏的工作领域特性 4.4.截止（CUT-OFF）特性 如前所述，在阳极、栅极上相对灯丝电位加上正电压，笔段（SEGMENT）就会被点亮。若要完全消除显示，必须使阳极或栅极的任何一方相对灯丝为零电位或更负的电位。消除显示的电压称为截止电压，为了完全消除漏光，必须施加截止偏压。截止方法有两个：一为施加阳极截止电压消除漏光；一为施加栅极截止电压消除漏光。前者以静态驱动为主、后者以动态驱动为主，由于存在荧光粉发光的临界值，若灯丝电压不是特别高，则阳极截止电压可以是零伏特（0V）或相当小的负电压。相对地，栅极截止电压
14、因灯丝所放射的热电子的最初速度或灯丝的标准电压、灯丝本身的电位倾斜等原因，比阳极截止电压更大，必须加上比灯丝电位低数伏特左右的偏压。而前图7图10已显示出，灯丝单端接地的方式所需的截止偏压，比灯丝变压器中心抽头接地方式更大。 图20. Eb-Ecco特性（灯丝单侧接地） 4.5.透明导电膜 荧光显示屏若在结构上无屏蔽，会受外部静电场的影响，干扰电子束的走向，致发光状态不稳定。为防止这种现象发生，通常在玻璃盖的内表面涂覆形成一层透明导电膜（GTO），在其上加上一定的电位，使成为一电气性的防护层（SHIELD），免于受到外界的干扰。 4.6.特别说明 在叙述中，我们使用了正电位（正电压）和负电位（
15、负电压）的术语，其正负是指对于灯丝为参照点的相对值。在使用荧光显示屏的电路中，荧光显示屏正常工作电路的设置参照点是灯丝，与总体电路的参照地电位没有直接的关系。通常只要正确保持荧光显示屏电极间的相对电位，就能保证它的正常工作。（五）、荧光粉的特性 5.1.荧光粉的发光频谱 图21为目前可供使用的多种荧光粉发光频谱，从短波长的蓝色开始至长波长的红橙色止，有多种荧光粉可供选择。通常用得最多的是低电压高亮度的绿色荧光粉，其它彩色荧光粉可同时并用。 图21.各种色彩荧光粉的发光频谱5.2.荧光粉的温度特性 荧光粉的发光效率一般与使用温度成反比，周围温度高、其相对亮度就下降。图22所示即是各种荧光粉以室温（25C）为基准的相对亮度的变化 图22.各种荧光粉的温度特性（六）、驱动6.1.静态驱动 图23是静态驱动（static）的基本电路。 灯丝电路施加与图9，10相同的交流电压，灯丝
