Un afișaj cu cristale lichide este un tip de imagine generată electric pe un panou plat subțire. Primele LCD-uri, care au apărut în anii 1970, erau ecrane minuscule utilizate în principal în calculatoare și ceasuri digitale care afișau numere negre pe un fundal alb. LCD-urile pot fi găsite peste tot în sistemele electronice de acasă, telefoanele mobile, camerele foto și monitoarele de computer, precum și ceasurile și televizoarele. Televizoarele cu ecran plat LCD de ultimă generație de astăzi au înlocuit în mare măsură CRT-urile tradiționale voluminoase din televizoare și pot produce imagini color de în altă definiție de până la 108 inchi în diagonală pe ecran.
Istoria cristalelor lichide
Cristale lichide au fost descoperite accidental în 1888 de botanistul F. Reinitzer din Austria. El a descoperit că benzoatul de colesteril are două puncte de topire, transformându-se într-un lichid tulbure la 145 ° C, iar la temperaturi peste 178,5 ° C, lichidul devine transparent. Lapentru a găsi o explicație pentru acest fenomen, și-a dat mostrele fizicianului Otto Lehmann. Folosind un microscop echipat cu încălzire în trepte, Lehman a arătat că substanța are proprietăți optice caracteristice unor cristale, dar este încă un lichid și, prin urmare, a fost inventat termenul „cristal lichid”.
În anii 1920 și 1930, cercetătorii au studiat efectele câmpurilor electromagnetice asupra cristalelor lichide. În 1929, fizicianul rus Vsevolod Frederiks a arătat că moleculele lor dintr-o peliculă subțire cuprinsă între două plăci și-au schimbat alinierea atunci când a fost aplicat un câmp magnetic. A fost precursorul afișajului modern cu cristale lichide de tensiune. Ritmul dezvoltării tehnologice de la începutul anilor 1990 a fost rapid și continuă să crească.
Tehnologia LCD a evoluat de la alb-negru pentru ceasuri și calculatoare simple la multicolor pentru telefoane mobile, monitoare de computer și televizoare. Piața globală a LCD-urilor se apropie acum de 100 de miliarde de dolari pe an, față de 60 de miliarde de dolari în 2005 și, respectiv, de 24 de miliarde de dolari în 2003. Producția de LCD este concentrată la nivel global în Orientul Îndepărtat și în creștere în Europa Centrală și de Est. Firmele americane sunt lider în tehnologia de producție. Ecranele lor domină acum piața și este puțin probabil ca acest lucru să se schimbe în viitorul apropiat.
Fizica procesului de cristalizare
Majoritatea cristalelor lichide, cum ar fi benzoatul de colesteril, sunt formate din molecule cu structuri lungi asemănătoare tijei. Această structură specială a moleculelor lichidecristalele dintre două filtre polarizante pot fi sparte prin aplicarea de tensiune la electrozi, elementul LCD devine opac și rămâne întunecat. În acest fel, diferitele elemente de afișare pot fi comutate fie în culori deschise, fie întunecate, afișând astfel numere sau caractere.
Această combinație de forțe atractive existente între toate moleculele asociate cu o structură asemănătoare tijei determină formarea unei faze de cristal lichid. Cu toate acestea, această interacțiune nu este suficient de puternică pentru a menține moleculele în permanență. De atunci, au fost descoperite multe tipuri diferite de structuri cu cristale lichide. Unele dintre ele sunt aranjate în straturi, altele sub formă de disc sau formează coloane.
Tehnologie LCD
Principiul de funcționare al unui afișaj cu cristale lichide se bazează pe proprietățile materialelor sensibile la electricitate numite cristale lichide, care curg ca lichidele, dar au o structură cristalină. În solidele cristaline, particulele constitutive - atomi sau molecule - se află în rețele geometrice, în timp ce în stare lichidă sunt libere să se miște aleatoriu.
Dispozitivul de afișare cu cristale lichide este format din molecule, adesea sub formă de tijă, care se organizează într-o singură direcție, dar se pot mișca în continuare. Moleculele de cristale lichide reacţionează lao tensiune electrică care le modifică orientarea și modifică caracteristicile optice ale materialului. Această proprietate este utilizată pe ecrane LCD.
În medie, un astfel de panou este format din mii de elemente de imagine („pixeli”), care sunt alimentate individual de la tensiune. Sunt mai subțiri, mai ușoare și au o tensiune de funcționare mai mică decât alte tehnologii de afișare și sunt ideale pentru dispozitivele alimentate cu baterii.
Matrice pasivă
Există două tipuri de afișaj: pasiv și activ. Cele pasive sunt controlate de doar doi electrozi. Sunt benzi de ITO transparente care se rotesc cu 90 una față de ceal altă. Aceasta creează o matrice încrucișată care controlează fiecare celulă LC în mod individual. Adresarea se face prin logică și drivere separate de LCD-ul digital. Deoarece nu există nicio sarcină în celula LC în acest tip de control, moleculele de cristale lichide revin treptat la starea lor inițială. Prin urmare, fiecare celulă trebuie monitorizată la intervale regulate.
Pasive au un timp de răspuns relativ lung și nu sunt potrivite pentru aplicații de televiziune. De preferință, pe substratul de sticlă nu sunt montate drivere sau componente de comutare, cum ar fi tranzistoarele. Pierderea luminozității din cauza umbririi de către aceste elemente nu are loc, așa că funcționarea LCD-urilor este foarte simplă.
Pasive sunt utilizate pe scară largă cu cifre segmentate și simboluri pentru citirea mică în dispozitive precumcalculatoare, imprimante și telecomenzi, dintre care multe sunt monocrome sau au doar câteva culori. Ecranele grafice pasive monocrome și color au fost folosite la primele laptopuri și sunt încă folosite ca alternativă la matricea activă.
Afișaje TFT active
Matricea activă afișează fiecare folosește un tranzistor pentru a conduce și un condensator pentru a stoca încărcarea. În tehnologia IPS (In Plane Switching), principiul de funcționare al unui indicator cu cristale lichide folosește un design în care electrozii nu se stivuiesc, ci sunt amplasați unul lângă celăl alt în același plan pe un substrat de sticlă. Câmpul electric pătrunde orizontal în moleculele LC.
Sunt aliniate paralel cu suprafața ecranului, ceea ce mărește foarte mult unghiul de vizualizare. Dezavantajul IPS este că fiecare celulă are nevoie de doi tranzistori. Acest lucru reduce zona transparentă și necesită o lumină de fundal mai strălucitoare. VA (Alinierea verticală) și MVA (Alinierea verticală multi-domeniu) folosesc cristale lichide avansate care se aliniază vertical fără câmp electric, adică perpendicular pe suprafața ecranului.
Lumina polarizată poate trece, dar este blocată de polarizatorul frontal. Astfel, o celulă fără activare este neagră. Deoarece toate moleculele, chiar și cele situate la marginile substratului, sunt uniform aliniate vertical, valoarea neagră rezultată este astfel foarte mare la toate colțurile. Spre deosebire de matricea pasivăafișajele cu cristale lichide, afișajele cu matrice activă au câte un tranzistor în fiecare sub-pixel roșu, verde și albastru care le menține la intensitatea dorită până când acel rând este abordat în cadrul următor.
Timp de schimbare a celulei
Timpul de răspuns al afișajelor a fost întotdeauna o mare problemă. Datorită vâscozității relativ ridicate a cristalului lichid, celulele LCD comută destul de lent. Datorită mișcărilor rapide din imagine, acest lucru duce la formarea dungilor. Cristalele lichide cu vâscozitate scăzută și controlul celulelor cu cristale lichide modificate (overdrive) rezolvă de obicei aceste probleme.
Timpul de răspuns al LCD-urilor moderne este în prezent de aproximativ 8 ms (cel mai rapid timp de răspuns este de 1 ms), schimbând luminozitatea unei zone de imagine de la 10% la 90%, unde 0% și 100% sunt luminozitate la starea de echilibru, ISO 13406 -2 este suma timpului de comutare de la luminos la întunecat (sau invers) și invers. Cu toate acestea, din cauza procesului de comutare asimptotică, este necesar un timp de comutare de <3 ms pentru a evita benzile vizibile.
Tehnologia Overdrive reduce timpul de comutare al celulelor cu cristale lichide. În acest scop, se aplică temporar celulei LCD o tensiune mai mare decât este necesar pentru valoarea reală a luminozității. Datorită creșterii scurte de tensiune a afișajului cu cristale lichide, cristalele lichide inerte ies literalmente din poziția lor și se nivelează mult mai repede. Pentru acest nivel de proces, imaginea trebuie să fie stocată în cache. Împreună cu special concepute pentru valorile corespunzătoarecorectarea afișajului, înălțimea tensiunii corespunzătoare depinde de gamma și este controlată de tabelele de căutare de la procesorul de semnal pentru fiecare pixel și se calculează ora exactă a informațiilor despre imagine.
Componentele principale ale indicatorilor
Rotația în polarizarea luminii produsă de cristalul lichid este baza pentru modul în care funcționează un LCD. Practic, există două tipuri de LCD-uri, transmisive și reflectorizante:
- Transmisiv.
- Transmisie.
Transmisie funcționarea afișajului LCD. În partea stângă, iluminarea de fundal LCD emite lumină nepolarizată. Când trece prin polarizatorul din spate (polarizator vertical), lumina va deveni polarizată vertical. Această lumină lovește apoi cristalul lichid și va răsuci polarizarea dacă este pornită. Prin urmare, atunci când lumina polarizată vertical trece prin segmentul de cristal lichid ON, aceasta devine polarizată orizontal.
Next - polarizatorul frontal va bloca lumina polarizată orizontal. Astfel, acest segment va părea întunecat pentru observator. Dacă segmentul de cristale lichide este oprit, acesta nu va modifica polarizarea luminii, așa că va rămâne polarizat vertical. Deci polarizatorul frontal transmite această lumină. Aceste afișaje, denumite în mod obișnuit LCD-uri cu iluminare din spate, folosesc ca sursă lumina ambientală:
- Ceas.
- LCD reflectorizant.
- De obicei, calculatoarele folosesc acest tip de afișaj.
Segmente pozitive și negative
O imagine pozitivă este creată de pixeli sau segmente întunecate pe un fundal alb. În ele, polarizatoarele sunt perpendiculare între ele. Aceasta înseamnă că dacă polarizatorul frontal este vertical, atunci polarizatorul din spate va fi orizontal. Deci OFF și fundalul vor lăsa lumina să treacă, iar ON o va bloca. Aceste afișaje sunt utilizate de obicei în aplicații în care este prezentă lumină ambientală.
Este, de asemenea, capabil să creeze afișaje în stare solidă și cu cristale lichide cu diferite culori de fundal. O imagine negativă este creată de pixeli sau segmente deschise pe un fundal întunecat. În ele, polarizatoarele din față și din spate sunt combinate. Aceasta înseamnă că, dacă polarizatorul frontal este vertical, spatele va fi și vertical și invers.
Deci segmentele OFF și fundalul blochează lumina, iar segmentele ON lasă lumina să treacă, creând un afișaj deschis pe un fundal întunecat. LCD-urile cu iluminare din spate folosesc de obicei acest tip, care este folosit acolo unde lumina ambientală este slabă. De asemenea, este capabil să creeze diferite culori de fundal.
Memorie de afișare RAM
DD este memoria care stochează caracterele afișate pe ecran. Pentru a afișa 2 rânduri de 16 caractere, adresele sunt definite după cum urmează:
| Linie | Vizibil | Invizibil |
| Sup | 00H 0FH | 10H 27H |
| Scăzut | 40H - 4FH | 50H 67H |
Vă permite să creați maximum 8 caractere sau 5x7 caractere. Odată ce caracterele noi sunt încărcate în memorie, acestea pot fi accesate ca și cum ar fi caractere normale stocate în ROM. CG RAM folosește cuvinte late de 8 biți, dar numai cei 5 biți mai puțin semnificativi apar pe LCD.
Deci D4 este punctul cel mai din stânga și D0 este polul din dreapta. De exemplu, încărcarea unui octet RAM CG la 1Fh apelează toate punctele acestei linii.
Controlul modului biți
Există două moduri de afișare disponibile: 4 biți și 8 biți. În modul pe 8 biți, datele sunt trimise pe afișaj prin pinii D0 la D7. Șirul RS este setat la 0 sau 1, în funcție de dacă doriți să trimiteți o comandă sau date. Linia R/W trebuie de asemenea setată la 0 pentru a indica afișajul care urmează să fie scris. Rămâne să trimiteți un impuls de cel puțin 450 ns la intrarea E pentru a indica faptul că sunt prezente date valide pe pinii D0 la D7.
Afișajul va citi date pe marginea descendentă a acestei intrări. Dacă este necesară o citire, procedura este identică, dar de data aceasta linia R/W este setată la 1 pentru a solicita o citire. Datele vor fi valabile pe liniile D0-D7 în starea de linie superioară.
Mod 4 biți. În unele cazuri, poate fi necesar să se reducă numărul de fire utilizate pentru a conduce afișajul, cum ar fi atunci când microcontrolerul are foarte puțini pini I/O. În acest caz, poate fi utilizat modul LCD pe 4 biți. În acest mod, pentru a transmitedate și citirea acestora, sunt utilizați doar cei 4 biți cei mai semnificativi (D4 la D7) ai afișajului.
4 biți semnificativi (D0 la D3) sunt apoi conectați la masă. Datele sunt apoi scrise sau citite prin trimiterea celor patru biți cei mai semnificativi în secvență, urmați de cei patru biți cei mai puțin semnificativi. Un puls pozitiv de cel puțin 450 ns trebuie trimis pe linia E pentru a testa fiecare ciugulire.
În ambele moduri, după fiecare acțiune de pe afișaj, vă puteți asigura că poate procesa următoarele informații. Pentru a face acest lucru, trebuie să solicitați o citire în modul de comandă și să verificați indicatorul Busy BF. Când BF=0, afișajul este gata să accepte noi comenzi sau date.
Dispozitive digitale de tensiune
Indicatoarele digitale cu cristale lichide pentru testere constau din două foi subțiri de sticlă, pe suprafețele față cărora au fost aplicate piste conductoare subțiri. Când sticla este privită din dreapta sau aproape în unghi drept, aceste urme nu sunt vizibile. Cu toate acestea, la anumite unghiuri de vizualizare, acestea devin vizibile.
Schema circuitului electric.
Testerul descris aici constă dintr-un oscilator dreptunghiular care generează o tensiune alternativă perfect simetrică fără nicio componentă CC. Majoritatea generatoarelor logice nu sunt capabile să genereze o undă pătrată, ele generează forme de undă pătrate al căror ciclu de lucru fluctuează în jur de 50%. 4047 folosit în tester are o ieșire scalară binară care garantează simetria. Frecvențăoscilatorul este de aproximativ 1 kHz.
Se poate alimenta cu o sursă de 3-9 V. De obicei va fi o baterie, dar o sursă de alimentare variabilă are avantajele ei. Arată la ce tensiune funcționează satisfăcător indicatorul de tensiune cu cristale lichide și există, de asemenea, o relație clară între nivelul de tensiune și unghiul la care afișajul este clar vizibil. Testerul nu consumă mai mult de 1 mA.
Tensiunea de testare trebuie să fie întotdeauna conectată între borna comună, adică planul din spate, și unul dintre segmente. Dacă nu se știe care terminal este backplane, atunci conectați o sondă a testerului la segment și ceal altă sondă la toate celel alte terminale până când segmentul este vizibil.
