Gros plan d un afficheur fluorescent sur

Voici une suite d'articles portant sur les afficheurs fluorescents, en anglais Vacuum Fluorescent Display (VFD). Nous verrons leur fonctionnement puis comment les réutiliser dans des projets d'électronique faisant appel à des contrôleurs comme les Arduino.

Sommaire

Qu'est-ce qu'un afficheur fluorescent ?

Un Vacuum Fluorescent Display (VFD), est un type d'écran présent dans de nombreux appareils domestiques (fours, lecteurs DVD, chaines Hi-fi, etc.). Il faut noter que ces écrans font progressivement place aux écrans à LED voire OLED.

Ils sont constitués d'un tube en verre dans lequel règne un vide poussé. À l'intérieur de ce tube on trouve au minimum une cathode (source "chaude"), une grille et une anode (source "froide").

Gros plan d un afficheur fluorescent sur Gros plan d'un afficheur fluorescent : On y retrouve une série de filaments tendus par des ressorts, des grilles, et des segments éclairés.
Source: Wikipédia.

La cathode est composée quelques filaments de tungstène recouverts d'oxydes de métaux alcalino-terreux (Ba, Sr et Ca) susceptibles d'émettre des électrons lorsqu'ils sont chauffés suite au passage d'un courant électrique. Les cathodes en fonctionnement sont quasiment invisibles ou à la limite du rougeoiement contrairement aux cathodes des tubes Nixie qui elles sont dites "froides" et sont entourées d'un halo orange dû uniquement au passage des électrons dans un gaz proche.

L'anode est recouverte de phosphore. Elle est multiple et constituée des segments des caractères ou symboles à afficher, prévus par le constructeur. Lorsque les électrons émis par la cathode frappent les surfaces des segments, ceux-ci s'illuminent par fluorescence.

La grille est un métal fin grillagé qui est intercalé entre la cathode et des groupes d'anodes.

Schéma d un afficheur VFD Schéma d un afficheur VFD. On y retrouve la cathode, les anodes (segments) et la grille au milieu.
Les électrons émis par la cathode rejoignent les anodes.

Fonctionnement

David L. Jones d'EEVblog a fait une vidéo très instructive sur ces écrans : Voir #717 - How To Hack Vacuum Fluorescent Displays.

Deux situations de fonctionnement sont à distinguer sachant que les électrons passent de la cathode à l'anode et que les charges opposées s'attirent (c.-à-d. que l'anode doit être à un potentiel/tension positif par rapport à la cathode) :

  • Si la grille est au même potentiel que l'anode et qu'il est plus haut que la cathode, alors les électrons passent. La grille attire (et accélère) puis diffuse les électrons qui du fait de leur vitesse la traverse. Les segments en dessous sont susceptibles de s'allumer.
  • Si la grille est au même potentiel (ou plus bas) que la cathode alors les électrons rebondissent et ne traversent pas. Les segments restent éteints.

Les grilles et segments sont en général multiplexés pour simplifier le circuit de commande (i.e. le nombre de broches). Par exemple les segments de l'écran sont répartis en zones gérées chacune par une grille. Chaque zone dispose d'une numérotation des segments indépendante (Ex : Si nous avons 4 grilles avec 16 segments par grille, nous avons donc 4 segments numéro 1, 4 segments numéro 2, etc.).

Tous les segments ayant un numéro identique sont reliés à une même broche. Leur sélection ne se fait qu'en activant la bonne grille.

À n'importe quel instant t, seuls les segments d'une seule grille sont actifs. Le changement de grille est si rapide que l'œil humain ne perçoit pas de variation et interprète un écran globalement éclairé (cf. persistance rétinienne).

La luminosité globale devient un paramètre réglable : le rapport cyclique (duty cycle), c.-à-d. la fraction d'une unité de temps dédiée à l'alimentation d'une grille spécifique.

chronogramme d afficheur fluorescent multiplexé Exemple de chronogramme d'afficheur fluorescent multiplexé.
À l'instant T2, la grille G2 est sous tension supérieure à la cathode. Au même moment les segments a, b, d, e, g sont placés à ce même potentiel. Source : noritake

Circuits de commande

Des circuits de commande dédiés (drivers/contrôleurs) sont utilisés pour réaliser le travail de sélection des grilles et segments.

Vous pouvez concevoir vous-même ce genre de circuit sans contrôleur dédié ; certains s'y amusent mais de nombreux composants (transistors ou shift-registers) sont requis et augmentent la complexité de la chose (cf. Serial to Parallel Shifting-Out with a 74HC595).

Quelques exemples :

Le plus simple étant de récupérer la carte électronique complète de l'appareil donneur (comme la façade d'un lecteur de DVD obsolète).

La connexion, l'alimentation et la programmation d'un tel circuit fera l'objet d'un article distinct.

Sources