Tecnologías de displays de calculadoras

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Displays de Calculadoras


Artículo original en inglés: Nigel Tout
Traducción al español: GC

El tipo de displays que se han usado en las calculadoras ha dependido de la tecnología disponible en su tiempo, el costo del display, el consumo de energía si es para una maquina portatil, y de la legibilidad.

Principio de los 1960s - (1) Lámparas numéricas de cátodo frío, tal como las lámparas "Nixie", (2) tubos de rayos catódicos (CRTs), y (3) lámparas de filamento incandescente eran las únicas tecnologías de display disponibles.

Alrededor de 1967 - (4) Lámparas de vacío fluorescentes (VFDs) fueron introducidas por Sharp.

1971 - (5) Diodos emisores de luz (LEDs) se usaron por primera vez en una calculadora comercial - la Busicom LE-120 "Handy".

1971 - (6) Primera-generación de displays de cristal líquido (LCDs) se usaron en una calculadora comercial - Rockwell.

1973 - (7) se introdujo la Segunda-generación de displays de cristal líquido (LCDs)

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1) Indicadores numéricos de cátodo frío Comunmente denominados lámparas "Nixie"

Cold Cathode Tube Display
El display de lámparas de cátodo frío de una Anita 1011LSI en uso.
Notense las pequeñas lámparas de neón usadas para indicar el punto decimal
(la tercera desde la derecha está encendida).

Las lámparas de cátodo frío fueron desarrolladas a principios de los 1950s y fueron usadas en la primer calculadora electrónica de escritorio, la Anita Mk VII de 1961. Requiriendo alta tensión y teniendo un alto consumo, continuaron usandose hasta principios de los 1970s in calculadoras alimentadas con CA. Su uso es raro en calculadoras alimentadas con baterías, ver Anita 1011B LSI .

Las lámparas de cátodo frío y las lámparas de neón operan bajo el mismo principio.
La simple lámpara indicadora de neón consiste en un bulbo de vidrio sellado con dos electrodos no calentados muy cerca uno de otro, un ánodo y un cátodo. La lámpara contiene gas neón a muy baja presión junto con un pequeño porcentaje de vapor de mercurio. Son comunmente usadas en interruptores de electricidad como lámparas indicadoras de sistema energizado.
El gas en la lámpara inicialmente actúa como aislante y a medida que la tensión entre ánodo y cátodo es aumentada practicamente no hay corriente. Sin embargo, un poco del gas será estará ionizado por efecto natural de rayos cósmicos, radioactividad, o luz ambiental, en iones positivos y electrones negativos. El campo electrico que se aplique a los electrodos causará que los iones positivos se muevan hacia el cátodo y los electrones hacia el ánodo. A medida que la tensión se incremente los iones comenzarán a moverse más y más rápido, colisionando con otros átomos del gas e ionizándolos al quitarle sus electrones.
A la tensión de "ignición" los iones y electrones se mueven a tal velocidad que las colisiones producen una avalancha de más iones y electrones. Esto lleva a que se eleve la corriente, que es limitada por una resistencia externa en serie, y un resplandor ambar brilla en el cátodo.

El display de cátodo frío es una lámpara de neón con múltiples cátodos. Los cátodos tienen la forma de los dígitos del 0 al 9, y son montados muy cerca uno de otro formando una pila.
En frente de la pila de cátodos está el ánodo, hecho de una malla abierta visible en la fotografía de arriba. Cuando la tensión de ignición es aplicada entre el ánodo y cualquiera de los cátodos una descarga se forma y el gas alrededor del cátodo resplandece. Dado que el cátodo tiene la forma de un dígito, el resplandor tambien tiene esa forma - ver las fotografías.
En uso puede verse que los números están formando una pila dado que algunos números aparecen más atrás que otros.

La vida útil de la lámpara display depende en gran medida del tiempo en que la descarga es mantenida en un mismo cátodo. Esto es debido a que en cualquier dispositivo de descarga en gas el cátodo está sometido a un constante bombardeo de iones que remueve material y lo deposita en cualquier otro lugar de la lámpara. Este efecto es inevitable, pero puede limitarse manteniendo la corriente pico lo más baja posible, de acuerdo con la visibilidad del display.
Si la lámpara es mantenida con un cátodo constantemente encendido (ej. se muestra todo el tiempo un mismo número) entonces el material es removido de ese cátodo. Esto sólo afecta un poco a la descarga de ese cátodo, pero el material removido es depositado en otros cátodos y afecta la corriente necesaria para hacerlos resplandecer, y puede llevar a una iluminación despareja.
Si las descargas alternan regularmente entre los distintos caracteres, esto brinda una mayor vida útil dado que cada cátodo, si bien recibe ciertos depósitos de material, está sujeto a una acción de limpieza del bombardeo.
Los datos normales indicados en información publicada para la vida útil de una lámpara indicadora de cátodo frío es de 5.000 horas mostrando continuamente el mismo caracter, y 30.000 horas cuando se cambia secuencialmente de un dígito al siguiente cada 100 horas o menos.

Las lámparas display de cátodo frío son comunmente denominadas lámparas "Nixie" debido a que ese fue el nombre registrado por Burroughs Corporation que fue un pionero en el desarrollo de esta tecnología. Otros nombres usados son lámparas Pixie and lámparas Numicator.
Para más información ver las páginas de Tom Jenning "Nixie Indicators and Decimal Counting Tubes" en http://fido.wps.com/texts/decimal-tubes/index.html.

El costo de una lámpara Nixie de Burroughs en 1971 era cercano a los u$s 2 por un lote de 10.000, que las hacía muy competitivas. Sin embargo su tamaño y requerimientos de alta tensión y alto consumo eran una desventaja.
Por ese tiempo Burroughs introdujo el display "Panaplex" disponiendo múltiples dígitos en un único tubo aplastado. También basado en la tecnología de cátodo frío, usaba la disposición familiar de 7 segmentos para producir cada dígito, y requería mucho menos ensamblado manual durante la fabricación y era entonces más barato por dígito. También tenía un mejor aprovechamiento del espacio de modo que más dígitos podían ser enpaquetados en un tamaño menor. Si bien él Panaplex es más común en calculadoras de escritorio, también fue usado en algunas calculadoras de mano. Ver la Compucorp 324G y la Keystone 88.


Display Panaplex en uso en una calculadora de mano Keystone 88 de
alrededor de 1974. Los dígitos son más grandes que los de LEDs de aquella época.


Las placas de vidrio en "sandwich" de un display Panaplex.
La parte de atrás tiene un tubo de salida sellado por dónde se realizó
vacío durante la fabricación.
Esta fotografía ilustra cómo dependiendo de la forma en que la luz
ambiente incide sobre un display Panaplex apagado, se ven los 7 segmentos
o la celda de cada dígito.

2) Tubos de Rayos Catódicos (CRT)

Friden EC-132 CRT calculator
Una calculadora Friden EC-132 mostrando el tubo de rayos catódicos (CRT) y
cuatro lineas de cálculo.

El tubo de rayos catódicos ha estado en uso desde los años 1920s y fue usado en televisores, radares y osciloscopios. Las primeras calculadoras de escritorio en usar CRT fueron la Friden EC-130 (1963) y la EC-132 (con raíz cuadrada).
Si bien el CRT puede mostrar varias líneas de cálculo, es voluminoso y tiene altos requerimientos de energía, lo cual restringió su uso a unas pocas calculadoras de escritorio alimentadas con corriente alterna de mediados a finales de los años 1960s.


Las cuatro líneas en el CRT de una EC-132.

CRT in Friden EC-132

La fotografía de arriba muestra la típica forma de botella de los primeros CRT usados en instrumentos, y su blindaje metálico. Cualquiera que haya visto dentro de un televisor o monitor de computadora moderno (peligro - poseen muy alta tensión cuando están en uso) habrá visto versiones mucho más anchas y cuadradas que son los hoy usados.

A la derecha del tubo está el cañón de electrones, dónde un filamento caliente produce una nube de electrones. Los electrones son enfocados en un haz y acelerados hacia la pantalla fluorescente a la izquierda por un ánodo con una alta tensión positiva. El haz es deflectado para escribir en la pantalla fluorescente y así producir números visibles.

Estos tubos de rayos catódicos fueron usados en unas pocas calculadoras a mediados y finales de los 1960s, incluyendo la Friden EC-130, la Friden EC-132, y la Hewlett Packard HP9100A.

3) Displays de lámparas incandescentes

Las lámparas de filamentos incandescentes fueron usadas de acuerdo a dos métodos

Método 1 - Displays de 7 segmentos.
cada dígito hace uso de 7 filamentos separados acomodados en la forma conocida de modo que todos los números del 0 al 9 puedan mostrarse.

Método 2 - Tubos de luz.
cada dígito consiste en una pila transparente, de hojas plásticas cada una con un dígito (0 to 9) inscripto. Cuando una hoja es iluminada en uno de sus bordes por un pequeño filamento la luz es conducida a lo largo de la hoja y deja ver el número grabado.

Las lámparas de filamento incandescente tienen un alto consumo de energía y fueron usadas en algunas calculadoras de escritorio alimentadas con corriente alterna a finales de los 1960s y principios de los 1970s.

4) Lámparas de vacío fluorescentes (VFD)

1st generation VFD display
Primera generación de VFD usando una lámpara separada para cada dígito.
Cada lámpara muestra los ánodos fluorescentes formando la forma estándar
de 7 segmentos, junto al punto decimal, y a un segmento adicional para
que el "4" luzca mejor.

Los displays de lámparas de vacío fluorescentes fueron desarrollados en Japón a finales de los años 1960 y usados inicialmente en calculadoras Sharp.
La revista "Electronics" reportó en junio de 1967 que fabricantes japoneses de calculadoras estaban tratando de negociar los altos Royalties que la corporación Burrougs les estaba solicitando para que puedan producir copias de sus lámparas Nixie. Esta fue una de las razones por las cuales ellos desarrollaron los displays VFD.
Su uso continúa hasta hoy en calculadoras, videograbadoras, sistemas de audio, y otros equipos en los cuales los displays brillan. Estos displays son muy brillantes y tienen moderados requerimientos de tensión/consumo de modo que fureon usados ampliamente en calculadoras alimentadas a pila, pero ahora están confinados casi exclusivamente a calculadoras alimentadas con CA.

Los displays de lámparas de vacío fluorescentes pueden ser considerados como tubos de rayos catódicos aplastados (ver sección anterior).
En su diseño original cada dígito requería una lámpara separada. En el frente dos finos cables paralelos cruzando la altura de la lámpara formaban el cátodo y son calentados al punto justo en que emiten electrónes pero no brillan. Tipicamente hay siete ánodos que forman el patrón de 7 segmentos de modo que todos los múmeros de 0 a 9 puedan ser mostrados.
Aplicando tensión entre cualquier ánodo y el cátodo, los electrónes son atraídos hacia el ánodo y acelerados a alta velocodad. Los ánodos están cubiertos con un revestimiento fluorescente que brillacuando es bombardeado por electrones. El color producido es tipicamente verde o azul, si bien modernos displays para equipos de audio producen otros colores como blanco, rojo y amarillo.
Entre el ánodo y el cátodo hay una grilla abierta. Al aplicar una tensión negativa a la grilla el dígito se apaga completamente.

Originalmente cada dígito del display requería una lámpara separada.
El paso siguiente en el desarrollo fue reducir costos comprimiendo todos los dígitos en un único tubo cilíndrico horizontal. Finalmente se paso a un empaquetado de vidrio achatado.


Algunos displays VFD de calculadoras japonesas hechas alrededor de 1970
tienen dígitos estilizados y ceros de media altura. Este muestra 1234567.0.

2nd generation VFD display
Segunda generación de VFD con todos los dígitos en un solo tubo.

3rd generation VFD display
Tercera generación de VFD con los dígitos ensamblados
en sandwich entre placas de vidrio.

4th generation VFD display
Cuarta generación de VFD en un paquete achatado hecho
soldando una pieza de vidrio abovedada sobre una placa plana.

5) Diodos emisores de luz (LED)

LED display
Un diplay de LEDs con su color rojo intenso.

Los displays de LEDs (Diodos Emisores de Luz) aparecieron comercialmente a finales de los años 1960s. American Calculator Corp., de Dallas, anunció el primer uso de displays de LEDs en una calculadora a finales de 1970. La revista "Electronics" sentenció que "emplea ocho diodos emisores de luz de galio-arsenico-fósforo en el display"". Sin embargo en abril de 1971 se anunció que la compañia cayó en bancarrota, de modo que nunca pudo comercializarlos. La primer claculador acon display de LEDs que salió exitosamente al mercado fue la pequeña Busicom LE-120 "Handy" a principios de 1971.

Basada en materiales de semiconductores es muy compatible con los circuitos integrados de las calculadoras y tiene un consumo moderado.
Los problemas iniciales fueron el alto costo y el pequeño tamaño. Con la producción en masa el precio rapidamente se redujo. El problema del tamaño fue aliviado usando lentes moldeados en plástico frente a cada dígito, como puede verse abajo, sin embargo esto achica el algulo de visión. Debido a su pequeño tamaño los displays de LEDs fueron raramente usados en las calculadoras de escritorio de los años 1970s.

El LED fue luego reemplazado por los displays de cristal líquido (LCD, ver más abajo) dado su bajo consumo (es pasivo y no emite luz) y su mayor tamaño a muy bajo costo extra.

LED display
Módulo de LEDs mostrando los típicos lentes de aumento moldeados en plástico.

LED display
Módulo de LEDs mostrando los arreglos de 7 segmentos
vistos a través de los lentes de aumento.

LED display
Módulo de LEDs mostrando el número 12345678.
El arreglo de la izquierda es usado para mostrar el signo
menos y otros caracteres, como el indicador de error.

6) Displays de cristal líquido (LCDs)

1st generation LCD display
Primera generación de LCD con dígitos plateados sobre fondo oscuro.

Los displays de Cristal Líquido (LCDs) fueron desarrollados a finales de los años 1960s y principios de los 1970s. La compañía Thomson-CSF de Francia estuvo involucrada en su desarrollo y presentó una calculadora con un display LCD de 16 dígitos a principios de 1971 (fotografía en "Electronics", 24 de Mayo de 1971). Sin embargo ellos ofrecían el display al precio de u$s10 por dígito en ese momento de modo que seguramente era demasiado caro u probablemente no se vendió comercialmente. Busicom anunció una versión de LCD de la LE-120 (la primer calculadora de LED exitosa) en 1971, pero también parece no haberse vendido comercialmente.
El primer uso exitoso del LCD en calculadoras parece haber sido en modelos hechos por Rockwell para Lloyds (Accumatic 100) y Sears en 1972. Esas usaban displays que operaban en el modo transmisivo y requerían una luz desde atrás, perdiendo mucho de la ventaja del bajo consumo.
Sharp también fue pionero.

El LCD tiene la gran ventaja del bajo consumo debido a que son dispositivos pasivos, que alteran la reflexión de la luz ambiente en vez de generar su propia luz.

Ha habido mucha discusión acerca de la estabilidad de los primeros displays de cristal líquido, que fue justificado dado que muchas calculadoras de esa época ya no muestran los números adecuadamente.

Display LCD de segunda generación
LCD de segunda generación con dígitos negros sobre fondo amarillo.
El amarillo es en realiadad un filtro delante del display que absorbe
los rayos ultravioletas dañinos y prolongan la vida útil del display.

Avances en los materiales de los displays de cristal líquido mejoraron en gran medida su estabilidad, eliminando la necesidad del filtro ultravioleta de color amarillo. Estos son usados como display en todas las calculadoras de mano modernas que combinado con el uso de circuitos integrados modernos resultan en calculadoras que pueden funcionar por años alimentadas por una misma batería o bien con energía solar.

7) La guerra de los Displays

La tecnología de display usada en los años 1960s fue de forma aplastante la lámpara de descarga de cátodo frío, tipificada por los indicadores "Nixie" de Burroughs, con su color ambar. Hacia 1971 estas lámparas podían comprarse al por mayor a u$s1 o u$s2 por dígito 1.

Unas pocas calculadoras, principalmente marca Friden, usaban tubos de rayos catódicos (CRTs) que permitian disponer de varias lineas de dígitos a un precio económico.

A finales de los 1960s los displays de vacío fluorescente (VFDs), con su color verde/azul, fueron introducidos por Sharp. dado su bajo requerimiento de tensión y consumo, pronto reemplazaron a las lámparas de cátodo frío, especialmente entre los fabricantes japoneses en los años 1970s. También fueron ampliamente usados en calculadoras de mano hasta finales de los años 1970s y actualmente son el único tipo de display emisor de luz que todavía se usa en ciertas calculadoras de escritorio alimentadas con CA.

Los displays de LED fueron introducidos comercialmente en 1967, pero inicialmente eran muy caros, costando alrededor de u$s60 por dígito. Hacia 1971, en cantidades de 1.000, los displays de LED de 1/8 de pulgada de alto podían comprarse por u$s3,95 cada uno1.
Si bien eran más caros que las lámparas de cátodo frío, los LED tenían sus ventajas de tamaño pequeño, baja tensión, y muy bajo consumo, lo que los hacía muy apropiados para las nuevas mini-calculadoras de mano. Si bien los displays de LED eran caros al principio, los precios bajaron rapidamente a medida que las cantidades en producción crecieron y los competidores entraron en el mercado. A un año o dos de su introducción en calculadoras en 1971 se usaron ampliamente en calculadoras de bolsillo hasta finales de los años 1970s cuando fueron masivamente reemplazados por los displays de cristal líquido (LCD).

Todos los displays que emiten luz tienen la desventaja de que son dificiles de leer ante una luz ambiantal intensa. Además requieren energía para generar la luz, pero el consumo puede reducirse mediante pulsaciones, que permite dar el mismo brillo aparente a menor corriente promedio.

El display de cristal líquido (LCD), también ntroducido en calculadoras en 1971, es más barato de producir que los LEDs y usa materiales también más baratos. Además tiene muy bajos requerimientos de potencia, y al ser reflectivo se puede leer facilmente al nivel de iluminación de una oficina como del sol directo. Sin embargo, problemas de producción iniciales, su baja velocidad de respuesta en los primeros modelos, y temas acerca de su vida util y estabilidad con la temperatura, los dejó fuera de la aceptación masiva hasta mediados de los años 1970s. A partir de allí no tuvieron reemplazo, y hacia 1978/9 dominaban el mercado de las calculadoras y permitieron la creación y producción de calculadoras del tamaño de una tarjeta de crédito.

1) Electronics, Mayo de 1971.

8) Identificando el tipo de display a través de su color

A) Si los dígitos brillan (son luminosos) -

  • Rojo intenso -> Diodos emisores de luz (LED).
  • Ambar delicado -> Descarga de Gas (Nixie, Panaplex, etc).
  • Verde brillante -> Display Fluorescent (VFD).
  • Azul brillante -> Display Fluorescent (VFD).

No se conoce ninguna calculadora con display de LED verdes - los LEDs verdes fueron desarrollados posteriormente a los rojos y resultan más caros.

Los displays de LEDs fueron poco usados en calculadoras de escritorio.

B) Si los dígitos no brillan (no son luminosos) entonces la calculadora tiene display de cristal líquido (LCD).

 

El texto original en inglés y las fotografías son propiedad de Vintage Calculators de Nigel Tout ©copyright 2000, 2001, 2002, excepto dónde se indique otra cosa.
La traducción realizada con permiso del autor, fue realizada por GC ©copyright 2002.