Die Vakuum-Fluoreszenzanzeige

Sogenannte Vakuumfluoreszenzanzeigen werden in vielen elektronischen Geräten als Anzeigeeinheiten eingesetzt. Videorekorder beispielsweise enthalten oft diese Anzeigen oder auch elektronische Uhren. Früher wurden die Vakuumfluoreszenzanzeigen oft auch in Taschenrechnern eingesetzt. Die Vakuumfluoreszenzanzeige unten rechts im Bild beispielsweise stammt aus einem Taschenrechner. Später hat man diese jedoch durch Flüssigkristallanzeigen ersetzt, die wesentlich stromsparender sind und auch mit wesentlich geringeren elektrischen Spannungen arbeiten. Die Displays werden in der Regel mit Farbfilterscheiben versehen, um den Kontrast zu erhöhen.

Vakuumfluoreszenzanzeigen funktionieren ähnlich wie Anzeige-Elektronenröhren (sogenannte magische Augen) oder auch Bildröhren. Sie bestehen aus einem Glaskörper mit einem Vakuum. Die Leuchtsegmente bestehen aus einer speziellen Leuchtstoffschicht. Treffen auf diese Leuchtstoffschicht Elektronen auf, so gibt diese Schicht Licht ab. Die Elektronen stammen von einem speziell beschichteten Heizdraht aus Wolfram, welcher sich direkt vor den Leuchtsegmenten befindet. Zwischen dem Glühdraht und den Leuchtsegmenten befindet sich noch ein Steuergitter, mit dessen Hilfe der Elektronenstrom beeinflusst werden kann. Die Leuchtsegmente leuchten auf, sobald sowohl Gitter als auch Anode (quasi die Elektrode mit der Leuchtschicht) positiv gegenüber der Kathode (dem Glühdraht) aufgeladen sind. Je nach Ausführung der Vakuumfluoreszenzanzeige (VFD) wird eine Betriebsspannung von ca. 10 bis 50 Volt benötigt. Zusätzlich benötigt ein solches Display eine Heizspannung für den Glühdraht, damit von diesem eine Elektronenemission ausgeht. Die Heizspannung ist in der Regel deutlich geringer als die Anodenspannung. Sie beträgt nur wenige Volt. In der Regel wird der Heizdraht mit einer Wechselspannung betrieben.

Häufig erfolgt die Ansteuerung eines solchen Displays mithilfe spezieller integrierter Schaltungen. Allerdings können die Displays auch mithilfe gewöhnlicher Mikrocontroller angesteuert werden. Häufig müssen in diesem Fall allerdings zusätzliche Spannungswandler eingesetzt werden, da die Ausgänge eines Mikrocontrollers meistens nur mit geringen Spannungen arbeiten. Um eine Ziffer bzw. ein Segment auf dem Display zum Leuchten zu bringen, müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein:

• Der Heizdraht muss zunächst mit einer elektrischen Spannung versorgt werden, damit dieser Elektronen abgibt. In der Regel beträgt die Heizspannung nur wenige Volt. Der Heizdraht darf nur gerade so sichtbar aufleuchten. Sinnvoll ist es auch, wenn der Heizdraht mit einer Wechselspannung betrieben wird. Dies hat folgenden Grund: Würde man eine Gleichspannung verwenden, läge der Heizdraht an beiden Enden auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Helligkeit des Displays führen. Die an einem Ende des Heizdrahtes liegenden Ziffern beispielsweise leuchten dann stärker auf als die am anderen Ende. Verwendet man eine Wechselspannung, tritt dieses Phänomen nicht auf.
• Die Anode, bestehend aus der Elektrode mit der Leuchtschicht, muss mit der entsprechenden (positiven) Betriebsspannung für das Display versehen werden. Die Leuchtschicht ist also quasi der Pluspol des Displays.
• Der Minuspol ist die Kathode, welche aus dem Heizdraht besteht. Ähnlich wie bei einer gewöhnlichen Elektronenröhre muss hier Massepotenzial anliegen.
• Damit die Elektronen von der Kathode auch zur Anode gelangen können, muss das Steuergitter ebenfalls positiv aufgeladen sein. Liegt es auf Massepotenzial, werden die Elektronen von ihm abgestoßen und gelangen nicht zur Leuchtschicht (Anode). Vakuumfluoreszenzanzeigen mit mehreren Ziffern oder Anzeigebereichen beispielsweise besitzen oft mehrere Gitter, mit denen die einzelnen Ziffern separat aktiviert oder deaktiviert werden können. Benötigt werden die separaten Gitter beispielsweise für eine Ansteuerung der Displays im sogenannten Zeitmultiplexverfahren.

Wahrscheinlich werden Sie jetzt fragen, was Zeitmultiplexverfahren bedeutet. Im Grunde ist es eine ganz einfache Sache:

• Das Zeitmultiplexverfahren wird eingesetzt, um die Anzahl der Anschlüsse zum Display zu reduzieren. Auf dem Display wird praktisch jede Ziffer nur für einen ganz kurzen Moment angezeigt. Für das menschliche Auge sieht es aber so aus, als wenn alle Ziffern gleichzeitig leuchten würden.
• Die Anoden aller gleichen Segmente der Ziffern (beispielsweise der Mittelstrich bei der Acht) sind jeweils alle miteinander verbunden. Beim Zeitmultiplexverfahren wird nun zuerst das Gitter für die erste für einen ganz kurzen Moment auf eine positive Spannung gelegt, sodass die entsprechende Ziffer aufleuchten kann.
• Während dieser Zeit werden alle Anoden der betroffenen Ziffer angesteuert, damit die gewünschte Ziffer auf dem Display zu sehen ist.
• Die restlichen Ziffern des Displays sind während dieser Zeit dunkel, da deren Gitter negativ geschaltet sind. Um nun die nächste Ziffer darzustellen, wird deren Gitter für einen kurzen Moment auf ein positives Potenzial geschaltet.
• Gleichzeitig werden die entsprechenden Segmente ebenfalls auf die Betriebsspannung geschaltet.
• Das Gleiche erfolgt nun auch bei den restlichen Ziffern des Displays solange, bis die komplette Zahl bzw. Zeile dargestellt wurde. Das Ganze beginnt nun wieder aufs Neue.
• Die Darstellung der Ziffern nacheinander erfolgt natürlich in einer sehr schnellen Abfolge. Für das menschliche Auge sieht es so aus, als wenn die einzelnen Ziffern alle gleichzeitig leuchten würden.

Ohne das Zeitmultiplexverfahren bräuchte man beispielsweise für eine Siebensegmentanzeige mit zehn Ziffern und Dezimalpunkten 80 Leitungen (eine für jedes Segment sowie eine für den Dezimalpunkt).

Verwendet man das Zeitmultiplexverfahren, sind nur acht Leitungen für die entsprechenden Segmente und den Dezimalpunkt notwendig plus eine Leitung für das Gitter jeder einzelnen Ziffer. Bei einer zehnstelligen Anzeige kommt man hier auf 8 + 10 Leitungen und somit deutlich weniger als ohne das Zeitmultiplexverfahren. Die Anschlüsse für die Heizung usw. habe ich hierbei außer Acht gelassen. Diese werden natürlich auf jeden Fall benötigt.