Arduinoベースの蛍光表示管（VFD）コントローラーキット

必要な部品と材料

Arduino UNO	×1
VFDディスプレイ	×1
CD4094 (DIP IC)	×2
CD4017 (DIP IC)	×2
BC557トランジスタ（または同等品：2N3906, 2SA733等、または高電圧PNP）	×17
BC547トランジスタ（または同等品：2N3904, 2SC945等）	×2
PC817 オプトカプラ	×1
1N4007 ダイオード	×4
電解コンデンサ	×4
470nF コンデンサ	×1
ユニバーサル基板	×1
1/4W 抵抗	×24
デュポンコネクタ/ジャンパー	×1
配線用ワイヤー	×1

必要な工具と機器

• はんだごて（汎用）
• はんだ線（0.5mm推奨、安物は避ける）
• ニッパー

このプロジェクトについて

何の役に立つのか？

VFD（蛍光表示管）はガラス製で白熱フィラメントを持ち、真空管の一種です。非常に明るく、時にはカラー発光し、暗色フィルターが必要なほどです。現在はトレンドではありませんが、独特の魅力があります。

通常、VFDを駆動するには専用チップが必要で、多くのモジュール/機器にはI2CやSPIで制御可能な専用チップが搭載されています。しかし、そのチップがないVFDを入手した場合、「つないですぐ動く」わけではありません。理想は専用チップを購入することですが（通常SMD）、この回路はArduinoのようなマイコンとVFDの間にかなり良いインターフェースを提供します。かなりの種類のVFD、大型の「チューブ型」ビンテージVFDにも対応可能ですが、セグメント数が非常に多いマトリックス表示には向きません（拡張は可能ですが、数千セグメントは現実的ではありません）。

メリットとデメリット

メリット

• ほぼゼロコスト（部品が揃っていれば）
• 部品が入手しやすい
• 高電圧対応（アノード側で数百Vまで）
• グリッドとアノードの電圧を独立制御可能
• デジタルデータ線はわずか3本で済む
• 拡張可能（CPU負荷は増えるが）
• 全8ビットArduinoで動作するコードが完成済み

デメリット

• 複数の異なる電圧/電源が必要（VFDでは一般的）
• 調光機能なし（電圧駆動による調整のみ）
• ArduinoのSPIとタイマー1リソースを使用
• マイコンがハングするとスキャンが1グリッドで止まり、セグメント焼損の恐れ
• 単なる抵抗とLEDではないため、それなりの工作が必要

動作原理

VFDは通常、多重化（マルチプレクス）方式で動作します。X-Yマトリックスのような構造で、フィラメント（カソード、前面の細いワイヤー）を加熱し、そこにグラウンドを接続。グリッド（制御グリッド、X軸の一点）に正電圧、セグメントピン（アノード、Y軸の一点）に正電圧をかけると、1セグメントだけが発光します。

任意のセグメント組み合わせを少ない配線で点灯させるため、多重化では1度に1グリッドを選択し、同時にそのグリッド配下のセグメントに対応するアノードを設定します。少し後に次のグリッドを選択し、アノードをそのグリッド用に再設定。この連続スキャンを高速化すると、残像効果（POV：Persistence Of Vision）により全グリッドが同時に駆動されているように見えます。

本回路では同系のICを2種類使用します：CD4094を2個（アノード駆動用）、CD4017を2個（グリッド駆動用）。CD4094は出力にハイ/ロー設定を保持できるためアノード側に適し、CD4017は10段のシーケンシャル出力を持つためグリッド側に最適です。CD4094に瞬間的なアノード設定をロードし、「ストローブ」信号で適用と同時にCD4017を1ステップ進めることで、自動シーケンシングを実現しています。

電力部は基本的にBC557トランジスタ（または同等品）のみで、アノード側の電圧スイングを広げています。VFDはArduinoの5Vより高い電圧を必要とするためです。グリッドはCD4017が直接駆動し、PC817オプトカプラによりCD4017周りにより高い電圧（5V以上）を扱えるほか、CD4094とは異なる電圧レベルも可能で、回路が大幅に簡素化されています。

Arduinoが全オーケストレーションを担当します。全セグメント設定を記憶し、グリッド切り替えごとにアノード設定を回路にロードし続ける必要があり、ユーザー操作以外のバックグラウンドで賢いコードが動作し続ける必要があります。作成したコードはタイマー割り込みベースで、約1000回/秒の頻度でCD4094をリロードします。10グリッドならリフレッシュレート100Hzとなり、十分実用的です。セグメント設定を格納するデータ配列があり、これをコード内で変更するだけで、特別な手順なしに割り込みルーチンが自動的にデータをアップロードします。

電源

グリッド電圧（CD4017側）: 5V〜18V DC、最低50mA。安定化不要。通常12Vで十分。電圧を上げても輝度はそれほど向上しない（真空管ならグリッドに巨大電圧は不要）。

アノード電圧: 0V〜トランジスタ耐圧まで（BC557なら50V DC）。通常、完好なVFDなら20〜30V DCで完璧。安定化不要。通常セットアップなら50mA以上で十分。

デジタル電源: 5V DC（3.3V Arduino/MCUなら3.3V DCも可、未検証）。約100mA必要。CD4094の動作が怪しい場合、コードでSPIクロックを下げるか、最初の4094の「Q'S」出力を使ってより安定した通信にできます。

フィラメント電源: 最低5V 200〜300mA。既にDC電源があるならブリッジ整流器と1000μFコンデンサは省略可能。ただし、Arduino用デジタル電源とは共用不可。実際のフィラメントは小型機器のVFDで約3V、150mA程度で動作します。

ヒントと注意点

• 配線前にピン配置が不明な場合、まずVFD単体でテストを。単3電池2本直列でフィラメント（通常は側面端子）、9V電池2本直列でグリッドとアノードに正極性を与えると良い。グリッドとアノードはグループ化されていることが多い。「アノード0」を見つけると良い（多くの場合、数字/英数字部分の最初のセグメントで、全グリッドで同一順序のことが多い）。誤って逆順に配線するとソフトウェアが面倒になる。グリッドはピン順に並んでいる傾向あり。
• フィラメント電流は少しずつ上げる。暗所でフィラメントがわずかに白熱し始めたら少し戻す。パワーポテンショメーターが理想的（古いテレビにあったが、今は入手困難）。
• グリッド/アノード電圧は慎重に上げる。蛍光体は焼損すると修復不能。回路はスキャン駆動なので、システムがハングすると単一グリッドに継続的に過電力がかかる。
• グリッド/アノード電圧の妥協点を探る。グリッドも電流を消費するため、無理に上げずアノード側を重視。
• プロジェクト全体で単一トランスを使うのが理想。スイッチング電源、特にアース付きはトラブルの元。実験ではクラシックなトランス電源が安全。
• CD4094と/or CD4017を追加して拡張可能。8アノード以下なら2個目の4094は不要。グリッドも同様。でも手元に置くならフル構成で作るのが無難。
• アノード側トランジスタのベース抵抗はなし。超高速駆動が可能で部品点数削減だが、CD4094が多少電力を消費。発熱はほぼないが、チップによっては出力が強すぎる場合あり。電流消費を確認のこと。チップは破損しない（許容範囲内）。5V電源でピンあたり4mA程度。
• 古く暗くなったVFDは、フィラメントに電流ショックを与えると復活することがある。全体が暗い場合（セグメント焼損でない場合）、フィラメントを肉眼で白熱（黄色）レベルまで5回、各数秒間行うとクリーニング効果あり。定格電圧の2倍必要な場合も。非常に古い/アンティーク向け。リスクあり（ワイヤー切断の恐れ）。

コード

Arduino code with working routine (Arduino)

/* Versatile VFD Display Hardware Interface Arduino Program
   Copyright (C) 2019 Genny A. Carogna
   GNU GPL v3 license */
   
// このコードはArduinoのリソースを「裏方」で使用：
// タイマー1とSPIモジュールの両方を占有するため、
// SPI、SPIピン、タイマー1依存の機能と併用すると問題発生の可能性大
// 提案回路にオンボードメモリがないため、セグメント設定を
// Arduinoのセグメント配列から毎グリッド、毎秒100回「スキャン」し続ける必要あり
// これは「オーバーヘッド」CPU作業だが、通常のマイコン使用レベルで約3%程度

#define ledLed 13
#define strobePin 4
#define strobeHold 10 // マイクロ秒

// 表示デバイスごとのグリッド/アノード数定義例
#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

// セグメントビット格納配列
// segments[0] = グリッド0、LSB = そのグリッドのセグメント0
// この配列をどこからでもアクセス/変更可能。効果は即座に表示に反映
#if anodeAmount > 16
volatile uint32_t segments[gridAmount] = {0}; // 16超セグメント（32bit必要）
#elif anodeAmount > 8
volatile uint16_t segments[gridAmount] = {0}; // 8超セグメント（16bit、二重転送）
#else
volatile uint8_t segments[gridAmount] = {0};  // 8以下セグメント（8bit）
#endif

void setup() {
  // SPIピンと機能ピンを高速/直接に出力設定
  *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); // LOW
  delay(800); // CD4017リセット完了待ち（4017通電後にコード実行必要、一括通電時自動化）

  cli(); // 割り込み無効化

  // タイマー1設定：「グリッド数 × 100」回/秒の割り込み = 総リフレッシュ100Hz
  TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TCNT1 = 0;
  OCR1A = 160000 / gridAmount;
  TCCR1B |= (1 << WGM12);
  TCCR1B |= (1 << CS10);
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);

  // SPI設定：Arduino SPIツールは割り込み依存のため使用不可
  // 割り込み内で通信する必要あり
  SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << SPR0); // 1MHz標準SCK
  // SPSR = (1 << SPI2X); // 半分クロックにする場合はこちらを有効化

  sei(); // 割り込み有効化
  // 追加のsetup()コードはここから
}

void loop() {
  show(); // デモ表示、削除可
}

// 割り込みサービスルーチン：グリッド切り替えごと、秒100回実行
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  static uint8_t turn = 1; // 現在のグリッド位置
  
  #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))) ;
  
  // ストローブ（ついに！）これもCD4017のグリッド切り替え
  *portOutputRegister(digitalPinToPort(strobePin)) |= digitalPinToBitMask(strobePin);
  delayMicroseconds(strobeHold);
  *portOutputRegister(digitalPinToPort(strobePin)) &= ~digitalPinToBitMask(strobePin);
  
  turn++;
  if (turn == gridAmount) turn = 0;
}

// 以下、デモ用コード（削除可能）
void show() {
  // 数字フリップ、セグメントフリップ、全点滅などのデモパターン
  // 実装詳細は元コード参照
}

回路図

すべてのBC557トランジスタは描画を省略（CD4094出力すべてに同一接続）。

ジャンパーセレクター（赤線上）をCD4017チップで設定必須。2個の4017をグリッドスキャン完了でリセットするため、最後のグリッドの次の出力ピンにフライングジャンパーを接続（またはハンダ付け）。例：10グリッドなら11番目出力にジャンパー。

Arduino接続は赤線で示す。ArduinoにはUSB電源可だが、残り電源には古いタイプのトランス使用を強く推奨（PCのようなアース付き電源を使っている場合）。これら電源はすべてDC（フィラメント電源のみACの可能性あり、ダイオードを追加）。フィラメント電源は通常3V 150mA程度、5V ACトランスで十分。「バラスト」は100Ω程度の巻線パワーポテンショメーター、固定抵抗、または1N4007ダイオードで電圧降下。

BC557トランジスタがアノードをアノード電圧までプルアップ、100kΩ抵抗でセグメントOFF時に電圧を落とす。CD4094は通常5Vのまま。

CD4017はグリッド電圧で駆動、追加トランジスタ不要。「ゲットー」リセット回路（約0.1秒）で4017をリセット、落ち着くまでコード実行不可。カスケード接続の「正統」回路はロジックゲートIC必要だが、NPNトランジスタとオプトカプラでANDゲートを模倣、クローズは十分高速、リリースは遅いが問題なし（4017クロック入力はシュミットトリガー、要求速度は「怖くない」）。

チップ類のグラウンドが複数あるので注意深く確認を。