Pantalla fluorescente de vacío

Una pantalla fluorescente de vacío ( VFD , por sus siglas en inglés) es un dispositivo de visualización que antes se utilizaba comúnmente en equipos electrónicos de consumo, como grabadoras de vídeo , radios de coche y hornos microondas .

Un VFD funciona según el principio de catodoluminiscencia , similar a un tubo de rayos catódicos , pero operando a voltajes mucho más bajos. Cada tubo en un VFD tiene un ánodo de carbono recubierto de fósforo que es bombardeado por electrones emitidos desde el filamento del cátodo . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Cada tubo en un VFD es un tubo de vacío triodo porque también tiene una rejilla de control de malla. ^{[ 3 ]}

A diferencia de las pantallas de cristal líquido (LCD), una pantalla VFD emite una luz muy brillante con alto contraste y puede admitir elementos de visualización de varios colores. Las cifras de iluminación estándar para las pantallas VFD rondan los 640 cd/m², ^con pantallas VFD de alto brillo que operan a 4000  cd/m² ^, y unidades experimentales de hasta 35 000  cd/m² ^dependiendo del voltaje de excitación y su temporización. ^{[ 3 ]} La elección del color (que determina la naturaleza del fósforo) y el brillo de la pantalla afectan significativamente la vida útil de los tubos, que puede variar desde tan solo 1500 horas para una pantalla VFD roja brillante hasta 30 000 horas para las verdes más comunes. ^{[ 3 ]} El cadmio se usaba comúnmente en los fósforos de los VFD en el pasado, pero los VFD actuales que cumplen con RoHS han eliminado este metal de su construcción, utilizando en su lugar fósforos que consisten en una matriz de metales alcalinotérreos y cantidades muy pequeñas de metales del grupo III, dopados con cantidades muy pequeñas de metales de tierras raras. ^{[ 4 ]}

Las pantallas VFD pueden mostrar números de siete segmentos , caracteres alfanuméricos de varios segmentos o bien, mediante una matriz de puntos, mostrar diferentes caracteres y símbolos alfanuméricos. En la práctica, la forma de la imagen que se puede mostrar tiene pocas limitaciones: depende únicamente de la forma del fósforo en el ánodo o los ánodos.

El primer VFD fue el DM160 de indicación única de Philips en 1959. ^{[ 5 ]} El primer VFD multisegmento fue un dispositivo japonés de siete segmentos y un solo dígito de 1967 fabricado por Ise Electronics Corporation . ^{[ 6 ]} Las pantallas se hicieron comunes en calculadoras y otros dispositivos electrónicos de consumo. ^{[ 7 ]} A finales de la década de 1980 se fabricaban cientos de millones de unidades anualmente. ^{[ 8 ]}

El dispositivo consta de un cátodo caliente ( filamentos ), rejillas y ánodos ( fósforo ) encapsulados en una envoltura de vidrio bajo condiciones de alto vacío . El cátodo está compuesto por finos hilos de tungsteno , recubiertos con óxidos de metales alcalinotérreos (bario, ^{[ 2 ]} óxidos de estroncio y calcio ^{[ 9 ] [ 10 ]} ), que emiten electrones al calentarse a 650 °C ^{[ 2 ]} mediante una corriente eléctrica. Estos electrones son controlados y difundidos por las rejillas (fabricadas mediante mecanizado fotoquímico ), que están hechas de acero inoxidable delgado (50 micras de espesor). ^{[ 2 ]} Si los electrones inciden sobre las placas del ánodo recubiertas de fósforo, fluorescen , emitiendo luz. A diferencia de los cátodos de brillo naranja de los tubos de vacío tradicionales, los cátodos de VFD son emisores eficientes a temperaturas mucho más bajas y, por lo tanto, son prácticamente invisibles. ^{[ 11 ]} El ánodo consiste en una placa de vidrio con pistas conductoras (cada pista está conectada a un único segmento indicador), que está recubierta con un aislante, que luego se graba parcialmente para crear agujeros que luego se rellenan con un conductor como el grafito , que a su vez está recubierto con fósforo. Esto transfiere energía de la pista al segmento. La forma del fósforo determinará la forma de los segmentos del VFD. El fósforo más utilizado es el óxido de zinc activado con cobre dopado con zinc , ^{[ 2 ]} que genera luz con una longitud de onda pico de 505 nm.  

El alambre del cátodo al que se aplican los óxidos está hecho de tungsteno o aleación de rutenio-tungsteno. Los óxidos en los cátodos no son estables en el aire, por lo que se aplican al cátodo en forma de carbonatos. Los cátodos se ensamblan en el VFD y se calientan haciendo pasar una corriente a través de ellos dentro del vacío del VFD para convertir los carbonatos en óxidos. ^{[ 2 ] [ 10 ]}

El principio de funcionamiento es idéntico al de un triodo de tubo de vacío . Los electrones solo pueden alcanzar (e "iluminar") un elemento de placa determinado si tanto la rejilla como la placa están a un potencial positivo con respecto al cátodo. ^{[ 12 ]} Esto permite que las pantallas se organicen como pantallas multiplexadas donde las múltiples rejillas y placas forman una matriz, minimizando el número de pines de señal necesarios. En el ejemplo de la pantalla de la videograbadora que se muestra a la derecha, las rejillas están dispuestas de manera que solo se ilumina un dígito a la vez. Todas las placas similares en todos los dígitos (por ejemplo, todas las placas inferiores izquierdas en todos los dígitos) están conectadas en paralelo. Uno por uno, el microprocesador que controla la pantalla habilita un dígito colocando un voltaje positivo en la rejilla de ese dígito y luego colocando un voltaje positivo en las placas correspondientes. Los electrones fluyen a través de la rejilla de ese dígito e inciden en las placas que están a un potencial positivo. El microprocesador ilumina los dígitos de forma cíclica a una velocidad lo suficientemente alta como para crear la ilusión de que todos los dígitos brillan a la vez mediante la persistencia de la visión .

Los indicadores adicionales (en nuestro ejemplo, "VCR", "Hi-Fi", "STEREO", "SAP", etc.) se organizan como si fueran segmentos de uno o dos dígitos adicionales, o segmentos extra de dígitos existentes, y se escanean utilizando la misma estrategia de multiplexación que los dígitos reales. Algunos de estos indicadores adicionales pueden usar un fósforo que emite un color de luz diferente, por ejemplo, naranja.

La luz emitida por la mayoría de las pantallas VFD contiene muchos colores y a menudo se puede filtrar para mejorar la saturación del color, proporcionando un verde o azul intenso, según las preferencias de los diseñadores del producto. Los fósforos utilizados en las pantallas VFD son diferentes de los de las pantallas de rayos catódicos, ya que deben emitir un brillo aceptable con solo unos 50 voltios de energía electrónica, en comparación con los varios miles de voltios de un CRT. ^{[ 13 ]} La capa aislante en una pantalla VFD normalmente es negra, sin embargo, se puede quitar o hacer transparente para permitir que la pantalla sea transparente. Existen pantallas AMVFD que incorporan un circuito integrado controlador para aplicaciones que requieren un alto brillo de imagen y un mayor número de píxeles. Se pueden apilar fósforos de diferentes colores para lograr gradaciones y diversas combinaciones de colores. Las pantallas VFD híbridas incluyen segmentos de pantalla fijos y una pantalla VFD gráfica en la misma unidad. Las pantallas VFD pueden tener segmentos de pantalla, rejillas y circuitos relacionados en sus paneles de vidrio frontal y posterior, utilizando un cátodo central para ambos paneles, lo que permite una mayor densidad de segmentos. Los segmentos también pueden colocarse exclusivamente en la parte frontal en lugar de en la parte posterior, mejorando los ángulos de visión y el brillo. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

Además de su brillo, las pantallas VFD ofrecen la ventaja de ser robustas, económicas y fáciles de configurar para mostrar una amplia variedad de mensajes personalizados. A diferencia de las pantallas LCD, las VFD no están limitadas por el tiempo de respuesta de los cristales líquidos, por lo que pueden funcionar con normalidad a bajas temperaturas, incluso bajo cero, lo que las hace ideales para dispositivos en exteriores en climas fríos. Inicialmente, la principal desventaja de estas pantallas era su consumo de energía significativamente mayor (0,2 vatios ) que el de una simple pantalla LCD. Esto se consideró un inconveniente importante para equipos alimentados por batería, como las calculadoras, por lo que las VFD terminaron utilizándose principalmente en equipos alimentados por corriente alterna o baterías recargables de alta capacidad.

Durante la década de 1980, esta pantalla comenzó a utilizarse en automóviles, especialmente donde los fabricantes de automóviles experimentaban con pantallas digitales para instrumentos del vehículo como velocímetros y odómetros. Un buen ejemplo de esto fueron los automóviles Subaru de gama alta fabricados a principios de la década de 1980 (conocidos por los entusiastas de Subaru como digi-dash o tablero digital ). El brillo de las pantallas VFD las hace muy adecuadas para su uso en automóviles. El Renault Espace Mk4 y el Scenic Mk2 utilizaban paneles VFD para mostrar todas las funciones en el tablero, incluyendo la radio y el panel de mensajes múltiples. Son lo suficientemente brillantes como para leerse a plena luz del sol, además de ser regulables para su uso nocturno. Este panel utiliza cuatro colores: el azul/verde habitual, así como azul oscuro, rojo y amarillo/naranja.

Esta tecnología también se utilizó desde 1979 hasta mediados de la década de 1980 en consolas de videojuegos portátiles . Estos juegos presentaban pantallas brillantes y nítidas, pero el tamaño de los tubos de vacío más grandes que se podían fabricar a bajo costo limitaba el tamaño de las pantallas, lo que a menudo requería el uso de lentes Fresnel de aumento . Si bien los juegos posteriores contaban con sofisticadas pantallas multicolor, los primeros juegos lograban efectos de color mediante filtros transparentes que modificaban el color de la luz (generalmente azul claro) emitida por los fósforos. El alto consumo de energía y el elevado costo de fabricación contribuyeron a la desaparición de las pantallas VFD como pantallas de videojuegos. Los juegos LCD se podían fabricar por una fracción del precio, no requerían cambios frecuentes de baterías (ni adaptadores de CA) y eran mucho más portátiles. Desde finales de la década de 1990, las pantallas LCD de matriz activa a color retroiluminadas han podido reproducir imágenes arbitrarias en cualquier color a bajo costo, una ventaja notable sobre las pantallas VFD de color y caracteres fijos. Esta es una de las principales razones del declive en la popularidad de las pantallas VFD, aunque aún se fabrican. Muchos reproductores de DVD de bajo coste todavía incorporan pantallas VFD.

Desde mediados de la década de 1980, las pantallas VFD se utilizaron en aplicaciones que requerían pantallas más pequeñas con altas especificaciones de brillo, aunque ahora la adopción de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) de alto brillo está desplazando a las pantallas VFD de estos mercados.

Las pantallas fluorescentes de vacío fueron utilizadas comúnmente como indicadores de piso para ascensores por Otis Elevator Company en todo el mundo y Montgomery Elevator Company en Norteamérica (la primera desde principios de la década de 1980 hasta finales de la década de 2000 en forma de (generalmente dos) pantallas verdes de 16 segmentos , y la segunda desde mediados de la década de 1980 hasta principios de la década de 2000 en forma de (generalmente tres) pantallas de matriz de puntos verdes o azules de 10x14 , una para la flecha y las otras dos para los dígitos).

Además de las pantallas VFD de caracteres fijos, ampliamente utilizadas, también existen pantallas gráficas compuestas por una matriz de píxeles direccionables individualmente. Estas pantallas más sofisticadas ofrecen la flexibilidad de mostrar imágenes arbitrarias y pueden seguir siendo una opción útil para algunos tipos de equipos de consumo.

La multiplexación puede utilizarse en los VFD para reducir el número de conexiones necesarias para controlar la pantalla. ^{[ 2 ]}

El desvanecimiento es a veces un problema con los VFD. La salida de luz disminuye con el tiempo debido a la reducción de la emisión y la eficiencia del fósforo. La rapidez y la magnitud de esta disminución dependen de la construcción y el funcionamiento del VFD. En algunos equipos, la pérdida de salida del VFD puede dejarlos inoperables. El desvanecimiento se puede ralentizar utilizando un chip controlador de pantalla para reducir los voltajes necesarios para alimentar el VFD. El desvanecimiento también puede ocurrir debido a la evaporación y la contaminación del cátodo. Los fósforos que contienen azufre son más susceptibles al desvanecimiento. ^{[ 2 ]}

La emisión generalmente se puede restablecer aumentando el voltaje del filamento. Un aumento del 33 % en el voltaje puede corregir una atenuación moderada, y un aumento del 66 % una atenuación severa. Esto puede hacer que los filamentos sean visibles durante su uso, aunque el filtro verde-azul habitual de la pantalla VFD ayuda a reducir cualquier luz roja o naranja que emita el filamento.

De las tres tecnologías de visualización predominantes (VFD, LCD y LED), la VFD fue la primera en desarrollarse. Las pantallas VFD y LED se utilizaron en las primeras calculadoras de mano. Las pantallas LED representaron una alternativa a las VFD en este ámbito, ya que requerían menos energía y no necesitaban altos voltajes. La elección de la tecnología de visualización varió según las decisiones comerciales de cada fabricante: empresas como Casio, Canon y Sharp abandonaron las pantallas LED en favor de las VFD y las primeras LCD, mientras que Texas Instruments y Hewlett Packard, ambos fabricantes de pantallas LED, continuaron utilizando esta tecnología durante mucho más tiempo. Posteriormente, una vez consolidada la tecnología LCD, reemplazó a las pantallas LED y VFD en las calculadoras de mano, ofreciendo menor consumo de energía a menor coste. Más recientemente, fuera del sector educativo, las aplicaciones de calculadora en teléfonos móviles han sustituido para muchos a la calculadora de bolsillo, y se observa una evolución desde las pantallas LCD retroiluminadas por LED hasta las pantallas LED completas, como las pantallas de diodos orgánicos emisores de luz (OLED).

El primer VFD fue el DM160 de Philips, de un solo indicador, lanzado en 1959. Podía ser controlado fácilmente por transistores, por lo que se diseñó para aplicaciones informáticas, ya que era más fácil de controlar que un neón y tenía una vida útil más larga que una bombilla. El VFD japonés de siete segmentos de un solo dígito de 1967, en cuanto al ánodo, se parecía más al Philips DM70/DM71 Magic Eye, ya que el DM160 tenía un ánodo de hilo en espiral. El VFD japonés de siete segmentos significó que no era necesario pagar regalías por patentes en las pantallas de calculadoras de escritorio, como habría ocurrido con los tubos Nixie o los dígitos de neón Panaplex, o con las pantallas LED en las calculadoras de bolsillo. En el Reino Unido, los diseños de Philips fueron fabricados y comercializados por Mullard (propiedad casi total de Philips incluso antes de la Segunda Guerra Mundial).

La válvula VFD soviética IV-15 es muy similar a la DM160. Las válvulas DM160, DM70/DM71 y la soviética IV-15 pueden utilizarse como triodos (al igual que un panel VFD) . Por lo tanto, la DM160 es la VFD y la válvula triodo más pequeñas. La IV-15 tiene una forma ligeramente diferente (véase la foto comparativa de la DM160 y la IV-15 ).

• Nutube
• Pantalla LED
• Pantalla de dieciséis segmentos

• Guía de Noritake para el funcionamiento de los variadores de frecuencia
• Pantalla fluorescente de vacío (VFD) (incluyendo cómo accionar el filamento )
• Fotos y especificaciones de tubos VFD soviéticos antiguos. Archivado el 28/03/2017 en Wayback Machine.
• Circuito de prueba simple para variador de frecuencia
• El sensor VFD DM70 relacionado con Magic Eye
• El triodo más pequeño y el primer VFD, el DM160, con comparaciones de tamaño.
• El indicador VFD soviético como un DM160