Arduino-basierter VFD-Ansteuerungs-Controller (Vacuum Fluorescent Display)

Komponenten und Materialien

Bauteil	Menge	Hinweise
Arduino UNO (oder beliebiger 8-Bit-Arduino)	1
VFD-Display	1	Ziel-Display
CD4094 (Schieberegister, 8-Stufig)	2	Für Anoden (Segmente)
CD4017 (Dezimalzähler/Decoder)	2	Für Gitter (Grids)
BC557 (PNP-Transistor)	17	oder 2N3906, 2SA733, höhere Spannung möglich
BC547 (NPN-Transistor)	2	oder 2N3904, 2SC945
PC817 (Optokoppler)	1	Für Grid-Spannungsebene
1N4007 Diode	4	Hochspannung
Elko (verschiedene Werte/Spannungen)	4	Siehe Schaltplan
470 nF Kondensator	1	Beliebig
Lochrasterplatine	1
1/4 W Widerstände	24	Siehe Schaltplan
Dupont-Jumper / Draht	1 Set	Für Verbindungen

Benötigte Werkzeuge

• Lötkolben
• Lötzinn (0,5 mm, gute Qualität)
• Seitenschneider

Projektübersicht

Wozu dient das?

VFD-Röhren (Vacuum Fluorescent Displays) sind zwar nicht mehr State-of-the-Art, aber faszinierend: Glasgehäuse, Glühfaden, Vakuum, extrem helle, oft farbige Anzeige. Meist benötigt man dedizierte Treiber-ICs (I²C/SPI). Fehlt dieser, ist der direkte Anschluss nicht trivial. Dieses Design bietet eine universelle, diskrete Ansteuerung für fast jedes VFD – auch vintage „Röhren“-Typen. Matrix-Displays mit sehr vielen Segmente sind jedoch weniger geeignet.

Vor- & Nachteile

Pro	Contra
Fast kostenlos (Standardbauteile)	Benötigt mehrere Spannungen (typisch für VFD)
Bauteile leicht beschaffbar	Keine Dimm-Funktion (außer über Anodenspannung)
Hohe Anodenspannung möglich (bis ~50 V bei BC557)	Belegt SPI & Timer1 am Arduino
Unabhängige Grid-/Anoden-Spannungen	Mikrocontroller darf nicht hängen (Einfrieren = Segment-Brennen)
Nur 3 digitale Datenleitungen nötig	Etwas Aufwand (kein Plug-&-Play)
Erweiterbar (mehr CD4094/4017)
Code für alle 8-Bit-Arduinos fertig

Funktionsprinzip

VFDs arbeiten multiplex: Kathode (Glühfaden) wird geheizt und auf GND gelegt. Ein Grid (Steuergitter, X-Achse) und ein Anoden-Pin (Segment, Y-Achse) erhalten positive Spannung → ein Segment leuchtet. Durch schnelles sequentielles Auswählen der Grids und gleichzeitiges Setzen der zugehörigen Anoden entsteht über Persistence of Vision (POV) ein stehendes Bild.

Dieser Schaltkreis nutzt:

• 2× CD4094 für Anoden – speichern High/Low-Zustände, gut für Segmente.
• 2× CD4017 für Grids – 10 sequenzielle Ausgänge, ideal für Grid-Multiplexing.

Nach Laden der CD4094 wird per Strobe-Signal die Konfiguration übernommen und gleichzeitig der CD4017 um einen Schritt weitergeschaltet (automatisches Sequenzieren).

Leistungsteil

• BC557 ziehen Anoden auf Anodenspannung (höher als 5 V).
• 100 kΩ an den Basen lassen Spannung abfallen, wenn Segment aus.
• CD4017 treiben Grids direkt; Optokoppler PC817 ermöglicht höhere Grid-Spannung (>5 V) und Pegeltrennung zu CD4094.

Arduino-Software

Timer1-Interrupt (~1000 Hz) lädt die CD4094 bei jedem Grid-Wechsel neu. Bei 10 Grids ergibt sich 100 Hz Bildwiederholrate. Ein Datenarray segments[gridAmount] hält die Segmentmuster; der Interrupt überträgt sie per SPI (hardwarenah, ohne Arduino-SPI-Lib, da innerhalb ISR).

Spannungsversorgung

• Grid-Spannung (CD4017): 5–18 V DC, ≥50 mA, ungeregelt. 12 V meist ausreichend.
• Anoden-Spannung: 0–50 V DC (max. BC557), typisch 20–30 V, ungeregelt, ≥50 mA.
• Digitalversorgung: 5 V (oder 3,3 V), ~100 mA. Bei Problemen SPI-Takt reduzieren.
• Filament (Heizung): ≥5 V, 200–300 mA. Nicht mit Arduino-Versorgung teilen! Brückengleichrichter + 1000 µF Elko bei AC-Quelle. Typisch ~3 V, 150 mA.

Tipps & Hinweise

• Pinbelegung des VFD vorab testen: 2× AA für Filament, 2× 9 V Block in Reihe für Grid/Anoden.
• „Anode 0“ finden (meist erstes Segment), um Software-Reihenfolge zu matchen.
• Filamentstrom langsam steigern, bis Drähte schwach glühen – dann leicht zurücknehmen.
• Grid/Anoden-Spannungen vorsichtig erhöhen; Phosphor kann einbrennen.
• Ein einziger Trafo für alle Spannungen ideal; Schaltnetzteile (geerdet) können stören.
• Erweiterbar: weitere CD4094 (Anoden) oder CD4017 (Grids). Weniger Grids → Jumper auf CD4017-Ausgang nach letztem Grid setzen.
• Keine Basiswiderstände an BC557 → schnell, aber CD4094 liefern ~4 mA/Pin. Strom prüfen.
• Alte, dunkle Displays: Filament kurzzeitig überlasten („Current Shock“) – riskant, Drähte können reißen.

Code

/* Versatile VFD Display Hardware Interface
   Copyright (C) 2019 Genny A. Carogna – GPL v3 */
#define ledLed     13
#define strobePin  4
#define strobeHold 10  // µs

// Display-spezifisch (Beispiele) – anpassen oder löschen, nur gridAmount/anodeAmount definieren
#define JVC
#define mitsubishiGrids 10
#define mitsubishiAnodes 9
#define marantzGrids 9
#define marantzAnodes 14
#define JVCGrids 11
#define JVCAnodes 19

#if defined mitsubishi
  #define gridAmount mitsubishiGrids
  #define anodeAmount mitsubishiAnodes
#elif defined marantz
  #define gridAmount marantzGrids
  #define anodeAmount marantzAnodes
#elif defined JVC
  #define gridAmount JVCGrids
  #define anodeAmount JVCAnodes
#endif

// Segment-Datenarray (automatisch 8/16/32 Bit je nach anodeAmount)
#if anodeAmount > 16
  volatile uint32_t segments[gridAmount] = {0};
#elif anodeAmount > 8
  volatile uint16_t segments[gridAmount] = {0};
#else
  volatile uint8_t segments[gridAmount] = {0};
#endif

void setup() {
  // SPI-Pins & Strobe direkt als Output
  *portModeRegister(digitalPinToPort(PIN_SPI_SS))  |= digitalPinToBitMask(PIN_SPI_SS);
  *portModeRegister(digitalPinToPort(PIN_SPI_MOSI)) |= digitalPinToBitMask(PIN_SPI_MOSI);
  *portModeRegister(digitalPinToPort(PIN_SPI_SCK))  |= digitalPinToBitMask(PIN_SPI_SCK);
  *portModeRegister(digitalPinToPort(strobePin))    |= digitalPinToBitMask(strobePin);
  *portOutputRegister(digitalPinToPort(strobePin))  &= ~digitalPinToBitMask(strobePin); // Low
  *portModeRegister(digitalPinToPort(ledLed))       |= digitalPinToBitMask(ledLed);
  *portOutputRegister(digitalPinToPort(ledLed))     &= ~digitalPinToBitMask(ledLed);
  delay(800); // CD4017 Reset abwarten

  cli(); // Interrupts sperren
  // Timer1: Interrupt bei (160000 / gridAmount) → gesamt 100 Hz
  TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TCNT1 = 0;
  OCR1A = 160000 / gridAmount;
  TCCR1B |= (1 << WGM12) | (1 << CS10);
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);

  // SPI: Master, 1 MHz (SPR0), keine Interrupts
  SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << SPR0);
  // SPSR |= (1 << SPI2X); // Halbieren falls CD4094 zu langsam
  sei(); // Interrupts frei

  // Weitere Setup-Codes hier...
}

void loop() {
  show(); // Demo-Screensaver – löschen/ersetzen
}

// Timer1 ISR – wird bei jedem Grid-Schritt aufgerufen
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  static uint8_t turn = 1; // Start bei 1 (siehe Kommentar im Code)
  // 32/16/8 Bit je nach anodeAmount per SPI senden (invertiert wegen PNP)
  #if anodeAmount > 24
    SPDR = ~uint8_t(segments[turn] >> 24); while (!(SPSR & (1 << SPIF)));
  #endif
  #if anodeAmount > 16
    SPDR = ~uint8_t(segments[turn] >> 16); while (!(SPSR & (1 << SPIF)));
  #endif
  #if anodeAmount > 8
    SPDR = ~uint8_t(segments[turn] >> 8);  while (!(SPSR & (1 << SPIF)));
  #endif
  SPDR = ~uint8_t(segments[turn]);         while (!(SPSR & (1 << SPIF)));

  // Strobe: Daten übernehmen & CD4017 weiterschalten
  *portOutputRegister(digitalPinToPort(strobePin)) |= digitalPinToBitMask(strobePin);
  delayMicroseconds(strobeHold);
  *portOutputRegister(digitalPinToPort(strobePin)) &= ~digitalPinToBitMask(strobePin);

  turn++; if (turn == gridAmount) turn = 0;
}

// Demo-Funktionen (show, mitsubishiPrintNum, marantzPrintNum, JVCPrintNum) – siehe Original.

Schaltplan