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Nixie & VFD 技术

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辉光管 | Nixie® Tube

在这十几年的创作过程中,一直不停的有人问我什么是 辉光管?它是怎么工作的?它会很烫吗?它会很耗电吗?相信很多人第一次听说它的时候都会问这样一些问题,那么在这里我由浅入深,用通俗易懂的方法来慢慢向大家介绍这种古老却极具特色的物件。

概念和历史

辉光管(英文名:Nixie Tube),又名“阴冷极辉光放电指示管”,“辉光数码管”,属于电子管家族的成员之一。它诞生于上个世纪50年代,最早由海顿兄弟实验室(Haydu Brothers Laboratories)创造,而后在1955年海顿兄弟实验室被美国宝来公司(Burroughs Corporation)收购,并将这种“阴冷极辉光放电指示管”正式命名为 Nixie并注册了Nixie商标,使Nixie Tube成为大家称谓这一类器件的名称。在1950-1990年间,宝来公司和世界上其他的电子管制造商开始大量生产各种各样形状和尺寸的Nixie Tube并得到了广泛的应用。

现如今,已经没有任何厂家在大规模制造辉光管,我见过的最年轻的辉光管是1991年前苏联生产的IN-14型号辉光管,也就是说辉光管在全世界范围内停产已经将近30年时间,如果幸运的话,我们仍然可以在一些老旧的测量设备上见到它们。当然,辉光管停产的原因是因为它被更先进更廉价的技术所取代了,比如在上世纪70年代诞生的VFD技术(真空荧光显示技术)和LED技术。这些新技术和新应用进入市场以后,辉光管的应用在逐步的减少。然而,有很多电子爱好者被辉光管特殊的光芒和复古的优美字形所吸引(比如我),进而热衷于使用这些辉光管来制作钟表或者其他的电子设备,让这些古董重新焕发光芒。

功能和应用

辉光管的作用其实很简单,就是用来显示数字和常用的符号。在那个年代,Nixie Tube是唯一能显示数字和符号的电子器件,所以我们能在很多1950-1990年代的电子仪器设备上见到它们。比如早期的电梯用它来显示楼层,早期的计算器用它来显示数字,早期的电子实验仪器比如频率计、电压表、电流表等等。而且它还经常出现在一些电影镜头里,极具代表性的说明了故事发生的年代。

计时器

计数器

计算器

从上图的一些照片可以看出,只要是需要显示数字的地方,几乎都可以看到辉光管的身影,而且根据应用的需要,辉光管的尺寸和形状也是各种各样。而且它们还出现于一些研究机构及军事机构的设备中,甚至于后来还出现了十四段位显示的辉光管,用于机场起飞/到达的信息显示,以及股票行情显示。

型号与规格

辉光管作为当时主流的显示器件在各个领域的应用非常广泛,从显示方式上来分主要分为两类:侧显(Side view)和 顶显(Top view/End view)。

侧显辉光管顾名思义是将管子树立起来以后,数字是从管子的圆柱面也就是侧面来读取识别;而顶显辉光管则是从管子顶部的平面读取和识别。

下图是两个典型的侧显和顶显辉光管(更多顶显和侧显的辉光管图片资料请转到「NIXIE/VFD博物馆」查看)

侧显辉光管 IN-18

顶显辉光管 CD12

由于应用非常广泛,所以在当时包括中国在内的很多国家都慢慢掌握了辉光管的生产技术和应用技术,在世界范围内出现了众多型号和规格的辉光管,我在这里主要以产地来划分,介绍一下主要的辉光管规格与型号。

中国产 主要品牌:风光,南昌,新光,宇宙,井冈山,衡阳,宁波 等等。
中国产 代表型号:QS30-1, QS27-1, SZ-2, SZ-4, SZ-J2, QS18-12, QS16-12, QS16-1, QS18C 等等。

美国产 主要品牌:Burroughs Corporation, National Electronics, Richardson Electronics, Amperex Electronic Corp 等等
美国产 代表型号:B-6844, B-7153, B-7011, B-8091, B-5440, NL-841, NL-5440, NL-900, NL-8421, NL-8422, NL-8423, NL-807, NL-5870, NL-5560, ZM1000 等等。

前苏联产 代表品牌:МЭЛЗ Factory 等等。
前苏联产 代表型号:IN-1, IN-4, IN-12, IN-14, IN-16, IN-17, IN-18 等等。

日本产 代表品牌:HITACHI, MATSUSHITA, RODAN, NEC, JRC 等等。
日本产 代表型号:CD27,CD47, CD66, CD71, CD72, CD78, CD79, CD81, CD88, LD-866, B-5870 等等。

德国产 代表品牌:Telefunken, Valvo, Siemens, RTF 等等。
德国产 代表型号:Z560M, Z566M, Z568M, Z570M, ZM1000, ZM1020, ZM1040, ZM1080, ZM1180 等等。

英国产 代表品牌:Mullard, ITT 等等。
英国产 代表型号:ZM1080, 5870S, GNP-7A 等等。

除了以上品牌外,还有荷兰、法国也都有厂家生产过辉光管,在此就不一一列举。我在设计 世界线变动仪 | Divergence Meter 作品的时候曾经拍摄了一些不同型号辉光管的照片,在此奉上:

各种各样的 辉光管
来自不同国家,不同品牌的 辉光管
各种各样的辉光管
来自不同国家,不同品牌的 辉光管
Previous
Next

从尺寸上来看,最小的辉光管直径只有13mm,如日本Hitachi的CD71, CD79和日本Matsushita的CD78等等,直径最大的有直径72mm,如日本的CD27, CD47。虽然它们大小不一,显示的数字风格也各有不同,但是它们显示的数字颜色都是一样的橘红色,下面列举了若干不同型号的辉光管显示数字的效果,大家可以对比一下:

更多辉光管图片和资料请移步「NIXIE/VFD博物馆」查看

ZM1240
ZM1082T
ZM1080
ZM1042
CD-90P
B-5750
Previous
Next

结构与组成部分

首先我想告诉大家的是,辉光管内部并不是真空的,而是充满了氖气(Ne)和氩气(Ar),并且有一些型号的辉光管内部还有水银蒸汽(汞蒸气 Hg)。最常见的辉光管是用来显示0-9一共10个阿拉伯数字,还有一些辉光管不仅能显示数字,还能显示小数点,另外也有一些辉光管专门用来显示符号等等,但他们的结构和组成部分都是一样的,那么我们拿显示阿拉伯数字的辉光管来说明一下内部的结构和组成部分:

大多数辉光管有若干个阴极,每一个阴极都做成了一个独立的特定形状,如果是一个显示0-9阿拉伯数字的辉光管,那么他就有10个阴极,每个阴极是一片独立数字形状的金属片。大多数辉光管只有一个阳极,阳极在管内将所有阴极包裹起来,侧显辉光管会在侧面前部将阳极做成网状(顶显辉光管会在顶部将阳极做成网状),网状部分则是为了能够通过网孔看到阴极数字所发出的亮光。

下图中,我们拆解了一颗前苏联产的 IN-14 型号的辉光管,大家可以清晰的看到由10个数字形状的金属片阴极,和一个前面是网孔形状的阳极网,还有一些紫色的陶瓷环。并且,IN-14 辉光管有一个非常有意思的特点,就是他的数字5非常特别,仔细看它其实就是颠倒过来的数字2,我认为这并不是搞错了,而是制造过程中出于节省成本的考虑直接使用了数字2来颠倒过来当做数字5来用。

除了主要的数字形状的阴极金属片和网状的阳极金属以外,辉光管内还有用于支撑整体结构用的云母片,云母片的特性是半透明,且耐高温,所以在电子管加工过程中不会发生特性的变化,这些阳极和阴极金属片基本上都是固定在顶端和底部的云母片上。另外辉光管内部还有一些环形的像金属垫圈一样的物质,一般是由陶瓷做成的瓷环,由于陶瓷也是耐高温的一种物质,且绝缘,所以这些陶瓷环是用来隔离并固定管内的这些阴极金属片。

被拆解的 IN-14 辉光管
可以看到10个数字形状的阴极金属片和一个阳极金属网罩
被拆解的 IN-14 辉光管
可以看到10个数字形状的阴极金属片和一个阳极金属网罩
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另外,有一些细心的朋友也发现了,对于侧显的辉光管,有一些辉光管顶上有一个尖尖,有一些却是平的,没有尖尖。其实这是生产工艺所决定的。这个尖尖的玻璃顶在辉光管的生产制造过程中是用来抽真空和充装气体用的,在制造完成后会将这个细细的气孔烧结密封,而形成这样一个玻璃尖顶。但平顶的辉光管并不是没有抽气口,而是它的抽气口被放在了管子的底部,所以我们在外观上看不到这个抽气口而已。

带顶部抽气口的侧显辉光管 ZM1042

顶部没有抽气口的侧显辉光管 ZM1042

除了白色透明玻璃的辉光管以外,还有一种看起来外观通体红色的辉光管,我们常常叫它“红皮辉光管”,例如 ZM1040 和 Z566M。这个红色其实并不是玻璃的颜色,它是在辉光管密封以后涂上一层红色透明油漆,这层油漆的作用主要是过滤掉由于充装了汞蒸气而在管内产生的蓝紫色余光,让橘红色的字体看起来更加清晰,如下图所示:

工作原理

下面来讲一下重点,也就是辉光管的工作原理,为什么它能够发光并显示数字。我们都知道,有一种物理现象叫做辉光放电现象(glow discharge),简单来说它是指在密闭的容器内放置两个电极,通电后利用阴极所产生的的电子将中性原子或分子激发,而被激发的粒子由激发态降回基态时会以光的形势释放出能量。而天然存在的稀有气体有六种,即氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和具放射性的氡(Rn),除了氡(Rn)以外,其他五种稀有气体的辉光放电效应发出的光颜色各不相同。例如氦气在辉光放电效应时会发出粉红色的光,氖气能发出橘红色的光,氩气能发出紫蓝色的光,氪气能发出蓝白色的光,而氙气能发出纯白色的光,我们常说的汽车上使用的氙气大灯就是利用这个氙气的放电特性来实现的,下图分别是氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)辉光放电效应的实际效果图:

从上图中我们可以看到,氖气辉光放电效应时所发出的光芒是橘红色的,而橘红色的光波长较长,穿透力强,容易被识别,所以氖气被选择用来制作辉光管。

辉光放电效应有一个特点,在密闭容器内发光的部分总是围绕在阴极电极的周围,也就是释放电子的阴极周围,所以只要将阴极电极制作成一个数字或者图案,那么我们就能够看到这个数字或图案在发光,这就是我们利用辉光放电原理来显示数字的方法。

由于玻璃管内封装有10个数字,所以需要有10个阴极,而且这些阴极必须彼此绝缘排列在一起,为了易于辨认,避免前面的阴极尽可能的不遮挡住后面的阴极,所以要将这些数字按照一定的顺序进行排列,常见的排列顺序从前到后为6, 7, 5, 8, 4, 3, 9, 2, 0, 1 而前苏联的辉光管比较特殊,排列顺序是 3, 8, 9, 4, 0, 5, 7, 2, 6, 1。

寿命和影响因素

和其他电子零件一样,辉光管也有其工作寿命,而辉光管的寿命通常跟他的材料、生产工艺及使用情况等等有关。早期的辉光管寿命可能只有几千小时,而随着生产工艺的提高,某些辉光管寿命已经能达到200,000小时以上,如美国Burroughs的B-5440/5441系列的管子,在官方资料里可以查看到:

通过这些年对辉光管的接触,除了正常的使用以外,还有一些因素会影响辉光管的寿命,甚至造成辉光管的失效,我总结了一下这些因素包括:

1. 破损,即玻璃开裂或者破碎,导致产生辉光放电效应的密闭氖气环境消失,无法正常进行辉光放电。
2. 有细小的裂缝或者由于密封不良导致缓慢的漏气,使空气进入管内(正常情况下管内气体压力小于1标准大气压)致使管内气体环境发生变化,进而无法产生辉光放电效应或者辉光放电效应效果变差。
3. 阴极中毒现象,由于通电的阴极向外辐射电子,这种现象叫做溅射,而溅射现象会将阴极的金属离子转移到周围其他的阴极上,致使周围的阴极部分表面无法正常的产生辉光放电效应,而导致这些阴极无法发光或者只能部分发光。
4. 金属阴极由于溅射现象将电极上的金属溅射到玻璃管外壳的内壁上,造成内部发黑,遮挡住了显示,这也就是为什么辉光管用久了就会发黑。
5. 辉光管内部机械性损伤,造成短路或者断路,无法正常工作。

所以为了尽可能的延长辉光管的使用寿命,我们除了避免碰撞以外,还可以通过一些手段来降低这些因素对寿命的影响,例如:

1. 在辉光管内充装汞蒸气,汞是一种金属,会在一定程度上阻挡发光的阴极溅射到周围的阴极上。
2. 在辉光管正常工作电流范围内,尽量降低辉光管的工作电流使其低于最大额定值,减轻阴极中毒现象。
3. 通过定期的控制辉光管的所有阴极进行循环显示,将很少显示的阴极数字激活,减轻阴极中毒的影响。

驱动方式

使辉光管工作起来其实非常简单,只需要给辉光管通电即可。每种型号的辉光管都有相应的电气规格表,上面会说明相关的电气参数,包括阳极电压、阴极电流、启辉电压、建议限流电阻阻值等等,通常辉光管的建议工作电压为DC170V。

举例来讲,我们要使辉光管显示数字0,我们只需要将辉光管的阳极连接到限流电阻的一端,将限流电阻的另一端连接到DC170V的正极,然后将数字0对应的阴极连接到DC170V的负极,此时数字0就亮起了。

我们首先来看 图1,这张图是一个比较典型的控制辉光管显示不同数字的电路原理图,整个电路有四个部分组成:1. DC170V电源。2. 20K限流电阻。3. 切换开关。4. QS30-1辉光管。当我们把这四个部分按照图1连接好以后,只需要旋转切换开关,将DC170V的负极连接到辉光管不同的阴极上,阴极所对应的数字就会显示出来了。

所以,让辉光管来显示数字并不难,而我们真正需要去设计的是如何让辉光管按照我们的要求去显示我们想要显示的数字,也就是说如何设计一套控制电路,来控制我们需要显示的数字对应的阴极与DC170V的负极相连。

我们再来看 图2,对于图1来讲,我们将一个旋转开关换成10个物理开关,连接在辉光管的10个阴极和DC170V电源负极之间。此时,现将所有开关全部断开,辉光管出于关闭状态,没有电流流过辉光管。然后我们闭合某一个开关,此时辉光管所对应的阴极就形成了闭合回路,对应的数字就会被点亮,想显示某一个数字,就闭合某一个开关即可实现对辉光管显示数字的控制。

当然,用物理开关来控制每一个数字的亮与不亮并不是我们的最终目的,我们的最终目的是要通过数字电路的高低电平来控制相应数字的亮与不亮,所以此时我们常用的做法是采用一颗NPN的晶体三极管来充当这个物理开关的作用,请大家看 图3

在 图3 中,我们在辉光管的10个阴极上连接了10组控制电路,每一个控制电路由一颗NPN型的晶体三极管和一颗电阻组成。将三极管的集电极接到辉光管的阴极,发射极接到DC170V的负极,基极连接电阻,这样,我们就能利用三极管的特性,是其工作在截止区和饱和区,相当于让这颗晶体三极管替代之前的物理开关来使用,具体原理如下:

大家都知道,晶体三极管最基本的作用是电流放大作用,当加在三极管发射极的电压小于PN结的导通电压时,基极电流为零,集电极的电流和发射极的电流都为零,三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极之间相当于开关的断开状态,即三极管的截止状态。当加在三极管发射极的电压大于PN结的导通电压时,并且当基极的电流增大到一定程度时,集电极电流不再随着基极电流的增大而增大,而是处于某一定值附近不再怎么变化,此时三极管失去了电流放大作用,集电极和发射极之间的电压很小,集电极和发射极之间相当于开关的导通状态,即为三机关的导通状态。

利用这个特性,我们可以通过在Input输入端加载高低电平,即可控制相对应的三极管工作在截止状态(关)和饱和状态(开)。当Input输入端加载高电平时,由于有基极电流流动,因此使集电极流过更大的放大电流,因此当前三极管所连接的辉光管阴极成为了一个闭合回路,该阴极数字被点亮。

图 1

图 2

图 3

以上我们通过简单的方法实现了通过数字电路的高低电平控制辉光管显示不同的数字,在实际应用中,我们可以通过单片机或者Arduino的I/O端口来直接连接三极管的放大电路来直接驱动辉光管,但是我们通常的应用是使用好几颗辉光管,例如我们采用6颗辉光管来制作一台时钟,那么我们一共需要60个I/O端口来控制60个三极管放大电路,但是通常的单片机或者Arduino并没有提供这么多的I/O端口,所以此时我们需要使用到译码器、串行状态存储器或者I/O扩展芯片。他们的作用很简单,都是为了使用少量的系统I/O端口来控制更多的输出端口的状态。

下面我们来看一下在制作6位辉光管显示的辉光钟所用到的端口扩展电路。最常用也是成本最低的方案就是采用74HC595芯片,一颗8位串如、串/并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。每颗74HC595有8个端口,如果我们驱动6颗辉光管,则需要60个端口,我们可以像 图4 那样把8颗74HC595连接起来得到64个端口,并只使用3条数据线来控制着64个端口的输出状态,具体原理如下:

数据从DATA端口送入最右边的第一课74HC595,在每个SHCP的上升沿,DATA端口的数据移入寄存器,在SHCP的第九个上升沿,数据开始从第9脚移出。如果把第一个74HC595的第9脚和第二个74HC595的第14脚相连接,数据即移入第二个74HC595中,照此一个一个连接下去,理论上可以连接任意多个。数据全部发送完毕以后,均移入相应的寄存器内,此时给STCP一个上升沿,寄存器中的数据即置入锁存器。此时如果OE端口为低电平,数据便会从Q0-Q7端口输出。

至此,有关 辉光管 | Nixie Tube 的相关内容就简单介绍到这里,小伙伴们如果有任何疑问或者想更深入的了解辉光管的应用,请给我留言或者发邮件给我,我很乐意为大家解答 …

以上内容(包括文字、图片、图表等)为作者本人整理并发布,未经作者本人书面授权,任何人不得转载、引用、复制。   作者:严泽远(yan@nixieclock.org)

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荧光管 | VFD Tube/Displays

什么是 荧光管?它和辉光管有什么区别,他的颜色能变吗?他的寿命有多长?就像辉光管一样,第一次见到它的人都会提出类似的一些问题,在这里我也会像介绍辉光管一样,用一些通俗易懂的方法来向大家介绍这种诞生于上世纪,并且目前还正在广泛应用的技术。

概念和历史

荧光显示(VFD | Vacuum Fluorescent Display)技术诞生于上世纪50年代,在目前常见的VFD, LCD, LED这三种显示技术中,VFD是第一个被开发出来的。1959年Philips做出了第一个荧光显示器件,1962年日本用荧光显示技术做出了第一个单数字的显示元件。在VFD技术普及的早期,他被大量应用于手持式或台式计算器上,但没过多久LED显示器在中途取代了VFD,因为LED显示技术需要较小的功率,这样能大大延长电池的使用寿命,直到后来LCD技术的出现,提供了更低功耗的应用方案。

功能和应用

VFD技术在现如今仍旧在大量应用,只不过已经不是这种真空电子管的外观,而是做成扁平且高分辨率、多样化的显示屏,由于VFD显示无需背光、亮度高、色彩独特、显示内容可任意定制,多用在汽车、高端仪器仪表、音响、智能终端上面,比如我们常用的汽车音响显示屏、蓝光播放器、台式万用表、超市收银机等等上面,都可以见到它的身影。

早期的汽车仪表板

超市收银机显示屏

高档音响功放显示屏

高档仪器仪表

早期的计算器

显示技术虽然已经经过了一系列的变迁,从 Nixie, VFD 到 LED, LCD, OLED 等等,但VFD荧光显示技术却为何还在大放异彩?我们来简单了解一下各种主流显示技术的特点:辉光管荧光管以及 LED数码管都只能显示简单的数字和字符,不能用于显示内容日趋复杂的场合。普通LCD液晶显示器虽然显示内容丰富,但它自身存在一些缺点:1. 温度范围不够宽。2. 被动型显示,本身不发光,在黑暗的环境下必须配备外光源或者背景光源。3.响应速度慢、对比度较差。普通的LED显示器虽然有视角广、温度范围宽等优点,但通用型图像显示的LED显示器并不多见。相比较而言,VFD显示器则具有亮度高、温度范围宽、抗干扰能力强等优点,所以还能够在各类家电、衡器、电子仪器仪表、军工等很多领域得到广泛的应用。

型号与规格

由于现代使用的 VFD 显示器件已经呈扁平化、小型化、多样化的特点,可以根据客户显示内容的要求和使用场合的需要来定制,所以我们回归到 VFD 荧光管上来,暂时不讨论现代应用的VFD显示屏。

同样从显示方式上来分,还是主要分为两大类:侧显(Side view)和顶显(Top view/End view),我们来看两个典型的侧显和顶显荧光管:

侧显荧光管 中国产 YS18-3

顶显荧光管 中国产 YS27-3

在荧光显示技术慢慢普及以后,各种应用相继出现,对荧光管的需求也日益旺盛,包括中国在内的很多国家都开始生产荧光数码管,我在这里主要以产地来划分,介绍一下主要的荧光管规格与型号。

中国产 主要品牌:风光,南昌,绍兴,广州,新光 等等。
中国产 代表型号:YS-9, YS-13, YS-18, YS-22, YS-27 等等。

美国产 主要品牌:General Electric, Tung-Sol 等等
美国产 代表型号:DT-1704, Y-1938, Y-1939 等等。

前苏联产 代表品牌:Reflector Factory, Gazotron Factory 等等。
前苏联产 代表型号:IV-3, IV-4, IV-6, IV-11, IV-15, IV-17, IV-18, IV-22, IV-27 等等。

日本产 代表品牌:ISEDEN, Panasonic, NEC, Futaba, HITACHI, JRC 等等。
日本产 代表型号:DG8, DG10, DG12, DG19,LD8063 等等。

相对于辉光管来讲,荧光管的种类更是多种多样,而且还有很多符号管甚至都找不到相关资料,例如中国还有很多带有中文汉字的符号管“时”,“分”,“秒”,“度”,“次”,“斤”,“两”等等。下面借用一张方老师拍摄的荧光管合影照片:

从尺寸上来看,最小的辉光管直径只有8mm,如日本的DG8R(Futaba),直径最大的圆柱形辉光管有22mm,如前苏联的IV-11。很多朋友可能会有疑问,上图那个巨大的长方形荧光管是什么型号?它是前苏联的ILC1-1/7型荧光管,由于字符巨大,所以它已经没有办法被封装在圆柱形的玻璃管内,采用了平面封装的制造技术,和现在的VFD平面显示器非常接近。下图是ILC1-1/7的照片,IV-18的照片和前苏联IV-11型号的荧光管的显示效果图:

前苏联产 ILC1-1/7

前苏联产 IV-19

前苏联产 IV-11

结构与组成部分

从外形上来看已经可以看得出来,辉光管和荧光管长得差别很大,荧光管顶部像是有一顶亮黑色的帽子,而且管身内部看起来并不像辉光管那么复杂,没有那么多层的阴极数字,而是一个陶瓷基板,上面有像LED数码管一样的8个段位,包括一个小数点。

首先我们要了解的是,荧光管内部是真空的,管子顶部的黑色物质叫做吸气剂,在荧光管抽真空并封闭以后,顶部此时还是透明的。在荧光管顶部安装有一个环形的蒸散型消气剂载体,通过涡流加热装置加热顶部的吸气剂以后,吸气剂会蒸散出来,当遇到冷的玻璃管身以后会凝结在玻璃管内壁上,形成一层亮黑色的薄膜。吸气剂的作用非常重要,在荧光管被抽真空并封闭以后,内部还有极少量的残余气体,吸气剂在被蒸散出来以后,会与残余气体产生化学作用,消耗掉这些残余气体,会大大提高荧光管内部的真空度。并且在荧光管存储和工作过程中,即便有少量的漏气,这些气体进入荧光管后依然会和吸气剂产生化学反应而被消除,荧光管内仍然可以维持高真空度。这也就是为什么当荧光管破碎以后,顶部的黑色物质迅速就消失了,因为吸气剂与空气发生了化学反应而不再呈现亮黑色。而且我们还注意到一个现象,有些荧光管在存放很长时间或者使用很长时间以后,黑色的吸气剂部分会缩小,这其实就是在存放或使用过程中,荧光管有缓慢的漏气,空气在进入管身以后会与吸气剂产生化学反应,这些空气被消耗掉,管内依然会维持良好的真空度,但吸气剂也会被消耗掉一部分,亮黑色的面积缩小了。

荧光管顶部的黑色吸气剂

辉光管内用于释放消气剂的金属环

去除玻璃管身后,我们可以看到荧光管内部的构造,如下图所示。在我看来,荧光管的结构其实要比辉光管复杂很多。首先位于荧光管最前部的是两条细细的金属丝,也就是荧光管的阴极。这两条细细的金属丝一般是由极细的钨丝涂上钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)的氧化物(三元碳酸盐),然后再安装在灯丝支架与弹簧支架之间,弹簧支架的作用是拉扯住灯丝,使其保持被拉直的状态,并且无论是未通电状态还是通电后的高热状态,均能被拉直。

位于灯丝后面的是一层金属网格,它一般是采用金属薄板经过光蚀刻后制作而成。这一层金属薄板叫做荧光管的栅极,栅极将覆盖着整个荧光管的显示区域。

在栅极网格后面是一块陶瓷基板,有些荧光管还会采用玻璃基板。在基板上是一个由7个类似长方形的线条和一个圆点组成的8字形的图案,每一个线条或者圆点区域都涂有荧光粉,并且由导线连接到荧光管的管脚,这些区域称为荧光管的阳极。

不同的荧光管可能有不同的内部构造,但基本上都会有灯丝(阴极)、金属网罩(栅极)和荧光粉显示区域(阳极)这三个组成部分。

灯丝(阴极)、金属网(栅极)、承载阳极的陶瓷基板

用于支撑和拉直灯丝的弹簧装置

覆盖显示区域的栅极金属网

还有一种比较特殊的荧光管,在一颗管内封装了很多个字符,每个字符有一个独立的栅极,如果将每个字符的阳极全部引出管外将需要很多很多个引脚,所以管内的每一个字符的同一个段位是连接在一条引脚上的,这是为了采用动态扫描的驱动方式而准备的,后面讲到动态扫描的驱动原理时我们会详细介绍。下图是这种应光管的拆解照片,可以明显看到每一个字符都有自己独立的栅极:

工作原理

VFD 荧光管的工作原理其实并不复杂,在这里做一个简单的说明,相信大家都能听得懂。在荧光管工作时,首先要给阴极通电,也就是灯丝,一般灯丝的电压比较低,通常在1V-5V之间,根据荧光管的型号不同电压也有所不同。在阴极通电之后温度可高达600℃左右,此时阴极会向外放射热电子。这个过程我们不注意观察似乎看不出来,但在黑暗的环境下,我们可以用肉眼或者照相机镜头捕捉到灯丝此时其实是微微发红的状态。在阴极通电之后,我们需要给栅极加上正电压,此时,灯丝释放出来的热电子将会被栅极吸引,加速并扩散穿过栅极网导向阳极。而阳极是涂有荧光粉的显示图案,在阳极上也加上正电压后,扩散的电子会被吸引并加速扩散到阳极,在这一过程中电子会轰击到荧光粉而激发荧光粉使其发光,这样以来,涂有荧光粉的图案部分就会发光显现出来。

反之,如果有很多个阳极组成的组合图案,需要控制某些发光某些不发光,则需要用控制电路来控制这些阳极的电压,给需要发光的阳极加正电压,给不需要发光的阳极加负电压,这样电子就不会被吸引并扩散到阳极上,荧光粉也就不会被电子轰击而被激发出亮光。

还有一点非常重要,如果我们在同一个荧光管或者荧光显示屏内有非常多个阳极,我们需要用动态扫描的方式来控制他们,此时我们需要将显示图案分为很多个区域,每个区域需要一个独立的栅极来覆盖整个显示区域,在动态扫描过程中,如果需要该区域的阳极发光,则将该区域的栅极加正电压,其他区域的栅极加负电压,此时即便其他区域的阳极也加了正电压,但由于其他区域的栅极是加了负电压,阴极释放出来的热电子不会被吸引和加速扩散到阳极上,所以也不会发出亮光。我们根据三种不同的情况绘制了三个不同状态的VFD显示原理图,请大家查看下图:

还有很多细心的朋友们会发现,大多数荧光管的颜色是特有的蓝绿色(峰值波长505nm),但是也有一些荧光管或者荧光显示屏能显示出其他颜色,这是因为荧光粉的种类不同。常见的蓝绿色的荧光粉是掺杂有锌的氧化锌(ZnO:Zn)荧光粉,但同时还有其他成分的荧光粉可以发出红色、橙色、蓝色甚至白色。

寿命和影响因素

VFD 荧光管的寿命已经不是 NIXIE 辉光管的几千小时或者几万小时的数量级,由于它不存在阴极中毒现象,所以寿命会大大延长,日本 Noritake 生产的VFD显示器件寿命标称已经达到了300,000小时以上。但荧光管的确也有寿命,在使用时间久了以后会发生老化现象,直到完全失效,下面我简单归纳一下影响荧光管寿命的一些因素:

1. 和辉光管一样,荧光管也是玻璃封装的器件,破损将导致真空环境的小时,荧光管将无法正常进行工作。
2. 阳极的荧光粉在长时间被轰击点亮以后,会发生老化,荧光粉老化的显著特征就是亮度会变暗,直到无法被激活不再发光。
3. 灯丝(更确切的说是电子发射涂层)随着时间的流逝也会失去发射电子的能力,也是所谓的灯丝老化现象,而且频繁的开启和关闭显示也会使灯丝由于热循环而导致其加速老化。
4. 强烈或高频的震动也会造成VFD荧光管的损坏,因为灯丝是靠内部的弹簧机构支撑拉直的,而整个灯丝基本上贯穿于荧光管的整个长度,强烈的震动会使灯丝发生晃动,严重情况下会造成灯丝断裂或脱落。

驱动方式

荧光管的驱动方法相对于辉光管要稍微复杂一点,辉光管只需要一组电源即可,即DC170V,但荧光管需要两组电压,一组是供灯丝(阴极),一组是供栅极和阳极。

我们先说一下灯丝驱动,每一种型号的荧光管都有额定的灯丝电压值,这个电压的高低,会严重影响显示效果和荧光管的寿命。如果加在灯丝两段的电压过高,则灯丝的温度会上升,从而加速了钨丝芯线上的氧化胡的蒸发,也就加速了阴极的老化,以至于无法有效的释放热电子,同时氧化物的蒸发也会污染荧光粉表面,使其发光的效率及亮度很快下降而缩短其寿命。为了让阴极加热到最佳状态,从而获得良好的热电子发射,我们需要对灯丝进行通电加热,灯丝电压 (Ef) 的施加方法有以下几种,但为了达到规定的阴极温度,所施加的灯丝电压有效值必须与规格中心值保持一致。

1. 单侧接地的交流灯丝驱动
如下图所示,灯丝电压为交流,其中一侧接地,在接地侧,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、栅极电压相当于在 [(Eb、Ec)-√2Ef] 与 [(Eb、Ec)+√2Ef] 之间变动,通常能得到均匀的电子发射,也就能得到均匀的亮度。

2. 中心抽头的交流灯丝驱动
如下图所示,我们将零电位至于交流灯丝电位的中点,也就是交流变压器的中心抽头位置,这样灯丝电位的振幅较小,可降低对截止偏压的要求,因此我推荐尽可能使用中心抽头的方式来设计灯丝驱动。

3. 直流灯丝驱动
如下图所示,我们将直流灯丝的负极与栅极、阳极的负极连接在一起,但由于灯丝加热电压在灯丝上有一个电位分布,存在左高右低的梯度,亮度近似值与电位差的分二至五次幂成比例,也就是说亮度同样会产生右高左低的现象。为了获得均匀的亮度,必须对荧光管的栅极和灯丝间的实际距离进行设计补偿,这个取决于荧光管本身,如果荧光管在设计生产的时候没有对栅极和灯丝间的距离进行补偿,那么这种直流驱动方式就可能会产生亮度差异。但往往这种亮度差异在灯丝较长的荧光管或荧光显示屏上看起来比较明显,对普通的荧光管来说并不明显。

再来看栅极和阳极的驱动,前面说过,荧光管的栅极和阳极要加正电压或负电压来控制亮与不亮,所以我们需要一个控制电路来准确控制栅极和阳极的电压,这个控制电路我们一般叫做驱动电路(Driver)。对于荧光管来说,每一颗管子有8个阳极,那么我们驱动一颗荧光管至少要有8个端口输出,这个端口需要能输出正电压和负电压,对于中心抽头的交流灯丝驱动电路来说,就相当于需要驱动电路能够将荧光管的栅极、阳极连接到Eb. Ec或者GND。我们在介绍辉光管的驱动方式时讲过,可以采用常见串入并出的移位寄存器锁存器来扩展主控芯片的控制端口,但在这里驱动荧光管时,我们不仅需要扩展端口,而且还需要端口能输出相应较高的电压,电压需要满足Eb. Ec的要求,而往往这个栅极和阳极的高压高达20v-60v,例如IV-11的静态驱动时的阳极和栅极电压需要25v,动态扫描时的阳极电压需要50v。所以我们会采用具备高电压输出的驱动芯片,例如MAX6920,他可以输出高达76v的阳极、栅极电压,并且由12个输出端口,而最少只需要3条I/O端口就可以实现与主控芯片之间的连接和控制。

如果按照常规的方式,我们将6颗荧光管的阳极始终连接到正电压,靠控制每一个阳极的电压来选择那些阳极亮起哪些阳极不亮,这叫做静态驱动 (Static Drive)。我们需要制作一台6管的荧光管时钟的话就可以采用6颗这类的控制芯片按下图来驱动6颗荧光管:

上图中这样的驱动方式优点是需要的阳极电压并不高,对于IV-11来讲只需要DC25V即可,但是缺点是我们需要6颗驱动芯片,而且布线较为复杂,需要将这6颗芯片全部连接器来。

除了静态驱动方式以外,我们还有一种驱动方式叫做 动态扫描驱动 (Dynamic scanning),这种驱动方式常见于VFD荧光屏的驱动,也是LED数码管的常见驱动方式,他的主要原理是:使用驱动将每一颗荧光管的栅极独立控制器来,而荧光管的阳极则每一位都连接在一起,再连接到驱动上。比如6颗荧光管的阳极a都连接在一起,再接到驱动芯片上。这样一来,我们只需要一个驱动芯片能连接6个栅极和8个阳极,即只需要有14个驱动端口的驱动电路即可。例如MAX6921,它是一颗具有20个输出端口的高压驱动芯片,每个端口可输出高达76V的电压,这样一来我们就可以仅使用1颗MAX6921来驱动6颗荧光管连接方式如下:

我们将MAX6921的Out0连接到荧光管1的栅极,Out1连接到荧光管2的栅极,以此类推将六颗荧光管的栅极全部连接好。我们然后将六颗荧光管的阳极1全部连接起来然后再连接到MAX6921的Out6,将六颗荧光管的阳极2全部连接起来然后再连接到MAX6921的Out7,以此类推将8个阳极全部连接好。

可能有朋友要问了,每个荧光管的阳极1都连在一起,阳极2都连在一起,这样如何才能让不同的荧光管显示不同的内容?那么我在下图画了一个时序图,来帮助大家理解动态扫描的过程:

在扫描过程刚开始时,驱动芯片的Out0-Out5全部输出低电平,此时6颗荧光管的栅极全部为低电平,6颗荧光管全部熄灭。进入扫描第一阶段,先将驱动芯片的Out6-Out13按照需要显示的内容调整好,也就是将需要亮起的荧光管阳极电压输出为高电平,但此时依然没有荧光管亮起,因为6颗荧光管的栅极都是低电平,然后驱动芯片的Out0输出高电平,荧光管1的栅极此时为高电平,荧光管2-6的栅极此时为低电平,则荧光管1的阳极为高电平的部分会亮起,显示出需要显示的内容;间隔一定时间以后扫描第一阶段结束,Out0输出低电平,荧光管1的栅极为低电平,关闭显示,然后按照需要显示的内容调节驱动芯片Out6-Out13的电平,在将驱动芯片的Out1输出为高电平,此时荧光管2的栅极为高电平被点亮;以此类推,一共经过6个阶段为一个周期,每一颗荧光管都会显示一段时间。如果我们将这个周期的时间控制在几十毫秒甚至于几毫秒内,那么由于人眼的视觉暂留效应,我们将看到的是每个荧光管都会显示不同的内容,这也就是动态扫描驱动的原理。

由此可见,在驱动六颗IV-11荧光管的应用中,动态扫描和静态驱动相比,有着很大的成本优势,因为我们只需要14个输出端口,使用一颗有14个输出端口的驱动芯片即可,而静态驱动需要48个输出端口,也就是说需要6颗8输出端口的芯片,另外动态扫描布线简单,每一颗荧光管的阳极都连接在一起,无需较大的PCB板面积,所以动态扫描驱动应用非常广泛,甚至于IV-18荧光管在被制造的时候就注定了它必须使用动态扫描的方式来驱动,因为它内部封装了8个数字,这8个数字的每一个相同位置的阳极已经连接在了一起,并连接了一根管脚引出荧光管外部。

但荧光管动态扫描驱动方式也有它的缺点,比如由于每一颗荧光管在一个周期以内,只亮了1/6个周期的时间,所以我们用肉眼观察时它的亮度就会很低,我们必须让它比静态驱动时候的亮度更高,才能让它在动态扫描过程中看起来和静态驱动时一样亮,这就必须提高阳极电压。比如IV-11静态驱动的时候阳极电压只需要25v,动态扫描时需要50v,IV-18荧光管也需要50v的阳极电压;还有一个问题就是闪烁的问题,如果我们没有将扫描周期控制好,我们就会感觉到闪烁,尤其是使用摄像机拍摄的时候,摄像机的快门和动态扫描的周期成倍数关系时,能明显看出显示的数字在闪烁。所以这也是为什么我在设计六位IV-11荧光电子管时钟的时候采用了静态驱动的方式,这样会让显示效果更佳完美。

荧光管 | VFD Tube 的相关介绍我就讲到这里,如果小伙伴们有其他问题或者想更佳了解驱动的方法,可以给我留言或者发邮件给我,我很乐意和大家一起交流 …

以上内容(包括文字、图片、图表等)为作者本人整理并发布,未经作者本人书面授权,任何人不得转载、引用、复制。   作者:严泽远(yan@nixieclock.org)

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