Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи

11 0 Новини високих технологій

Рідкокристалічний індикатор являє собою тип електрично згенерованого зображення на тонкої плоскої панелі. Перші РК-дисплеї, що вийшли у світ у 1970-х роках, були крихітними екранами, що використовуються в основному в калькуляторах і цифрових годинниках, відображають чорні цифри на білому тлі. РК-дисплеї можна знайти скрізь в системах домашньої електроніки, мобільних телефонах, камерах і комп'ютерних моніторах, а також у годинах і телевізорах. Сьогодні найсучасніші РК-телевізори з плоскою панеллю значною мірою замінили в телевізорах традиційні громіздкі електронно-променеві трубки і можуть створювати кольорові зображення високої чіткості до 108 дюймів по діагоналі екрану.

Історія рідких кристалів

Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи
Рідкі кристали були виявлені випадково в 1888 році ботаніком Ф. Рейниццером з Австрії. Він встановив, що холестерилбензоат, має дві точки плавлення, перетворюючись в каламутну рідину при 145 °С, а при температурі вище 1785 °C рідина стає прозорою. Щоб знайти пояснення цьому явищу, він передав свої зразки фізикові Отто Леманну. Використовуючи мікроскоп, обладнаний ступінчастим нагріванням, Леман показав, що речовина має оптичні властивості, характерні для деяких кристалів, але все ж є рідиною і тому з'явився термін «рідкий кристал».


Протягом 1920-х і 1930-х років дослідники вивчали вплив електромагнітних полів на рідкі кристали. У 1929 році російський фізик Всеволод Фредерікс показав, що їх молекули в тонкій плівці, затиснутою між двома пластинами, змінили своє вирівнювання при накладанні магнітного поля. Це був попередник сучасного рідкокристалічного індикатора з напругою. Темп технологічного розвитку з початку 1990-х років був швидким і продовжує зростати. Технологія еволюції РК-дисплеїв пройшла шлях від чорно-білих для простих годин і калькуляторів до багатобарвних для мобільних телефонів, комп'ютерних моніторів і телевізорів. Глобальний ринок РК-дисплеїв в даний час наближається до 100 млрд дол. у рік, збільшившись з 60 млрд дол. в 2005 р. і 24 млрд дол. 2003 р. відповідно. Виробництво LCD глобально сконцентровано на Далекому Сході росте в Центральній і Східній Європі. Американські фірми лідирують у виробничих технологіях. Їх дисплеї тепер займають домінуюче становище на ринку, і це навряд чи зміниться в найближчому майбутньому.


Фізика процесу кристалізації

Більшість рідких кристалів, наприклад, холестерилбензоат, складаються з молекул з довгими стержнеподобными структурами. Ця спеціальна структура молекул рідких кристалів між двома поляризаційними фільтрами може бути порушена застосуванням напруги на електродах, елемент рідкокристалічного індикатора стає непрозорим і залишається темним. Таким чином, різні елементи дисплея можуть бути переключені на світлі або темні кольори, тим самим відображаючи числа або символи.
Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи
Це поєднання сил тяжіння, існуючих між усіма молекулами, пов'язаними з стержнеподобной структурою, викликає формування рідкокристалічної фази. Однак ця взаємодія не достатньо сильне, щоб постійно утримувати молекули на місці. З тих пір було виявлено багато різних типів рідкокристалічних структур. Деякі з них впорядковуються в шари, інші — у формі диска або утворюють стовпці.
Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи

Технологія виготовлення РК-дисплеїв

Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи
Принцип роботи рідкокристалічного індикатора заснований на властивостях электрочувствительных матеріалів, званих рідкими кристалами, які течуть подібно до рідин, але мають кристалічну структуру. У кристалічних твердих тілах складові частинки - атоми або молекули знаходяться в геометричних масивах, тоді як у рідкому стані вони можуть вільно пересуватися у випадковому порядку. Пристрій рідкокристалічного індикатора складається з молекул, часто стержневидных, які організовуються в одному напрямку, але все ще можуть рухатися. Молекули рідкого кристала реагують на електрична напруга, яке змінює їх орієнтацію і змінює оптичні характеристики матеріалу. Саме ця властивість використовується на ЖК-дисплеях. В середньому така панель складається з тисяч елементів зображення («пікселів»), які індивідуально живляться напругою. Вони тонше, легше і мають більш низьку напругу роботи, ніж інші технології відображення і ідеально підходять для пристроїв з батарейним живленням.

Пасивна матриця

Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи
Є два типи дисплеїв: пасивна і активна матриця. Пасивні управляються тільки двома електродами. Вони являють собою смужки прозорого ITO, які повертаються на 90 один до одного. Це створює крос-матрицю, керуючу кожної LC-осередком індивідуально. Адресація виконується логічною схемою і драйверами окремо від цифрового рідкокристалічного індикатора. Оскільки в цьому типі управління немає заряду в комірці LC, молекули рідких кристалів поступово повертаються в початковий стан. Тому кожну клітку треба контролювати через рівні проміжки часу.
Пасивні мають відносно великий час відгуку і не підходять для телевізійних програм. Бажано, щоб на скляну підкладку не встановлювалися ніякі драйвери або перемикаючі компоненти, такі як транзистори. Втрата яскравості через затінення цими елементами не виникає, тому управління рідкокристалічними індикаторами дуже просте. Пасивні широко використовуються з сегментованими цифрами та символами для невеликого зчитування в таких пристроях, як калькулятори, принтери і пульти дистанційного управління, багато з яких монохромні або мають лише кілька кольорів. Пасивні монохромні та кольорові графічні дисплеї використовувалися в перших ноутбуках, і вони як і раніше використовуються в якості альтернативи активній матриці.

Активні TFT-дисплеї

Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи
В активних матричних дисплеїв кожен з них використовує один транзистор для управління і, як зберігання заряду, конденсатор. У технології IPS (In Plane Switching) принцип роботи рідкокристалічного індикатора використовує конструкцію, коли електроди не складаються, а розташовані поряд один з одним в одній площині на скляній підкладці. Електричне поле проникає в молекули РК по горизонталі.

Вони вирівнюються паралельно поверхні екрана, що значно збільшує кут огляду. Недоліком IPS є те, що для кожної клітинки потрібні два транзистора. Це зменшує прозору область і вимагає більш яскравого підсвічування. VA (вертикальне вирівнювання) і MVA (многодоменное вертикальне вирівнювання) використовують передові рідкі кристали, які вирівнюються вертикально без електричного поля, тобто перпендикулярно поверхні екрана. Поляризоване світло може проходити, але блокується переднім поляризатором. Таким чином, клітина без активації чорна. Оскільки всі молекули, навіть ті, що розташовані на краях підкладки, рівномірно вертикально выровняны, яке,таким чином, чорне значення дуже велике по всіх кутках. На відміну від пасивних матричних рідкокристалічних індикаторів, дисплеї з активною матрицею мають транзистор в кожному червоному, зеленому і синьому субпикселях, який утримує їх в бажаної інтенсивності, поки цей рядок не буде адресована в наступному кадрі.

Час перемикання осередків

Час відгуку дисплеїв завжди було великою проблемою. З-за відносно високої в'язкості рідкого кристала РК-комірки перемикаються досить повільно. Завдяки швидким рухам в зображенні це призводить до утворення смуг. Маловязкий рідкокристалічний та модифікований контроль рідкокристалічних комірок (overdrive) зазвичай вирішують ці проблеми.
Час реакції сучасних ЖК-дисплеїв складає в даний час близько 8 мс (швидкий час реакції складає 1 мс) зміна яскравості області зображення з 10% до 90%, де 0% та 100% яскравості стаціонарного стану, ISO 13406-2 - це сума часу перемикання від яскравого до темного (або навпаки) і назад. Однак з-за процесу асимптотичного перемикання потрібен час перемикання <3 мс, чтобы избежать видимых полос. Технологія Overdrive скорочує час перемикання рідкокристалічних комірок. Для цієї цілі на РК-комірку тимчасово застосовується більш високу напругу, ніж це необхідно для фактичного значення яскравості. З-за короткого перенапруги харчування рідкокристалічного індикатора, інертні рідкі кристали буквально вириваються з свого положення і вирівнюються набагато швидше. Для цього рівня процесу зображення повинно бути кешованим. Разом зі спеціально призначеними для відповідних значень корекції дисплея відповідна висота напруги залежить від гами і управляється за допомогою переглядових таблиць з процесора сигналів для кожного пікселя, а також обчислюють точний час інформації про зображення.

Основні компоненти індикаторів

Поворот в поляризації світла, створюваний рідким кристалом, є основою роботи ЖК-дисплея. В основному є два типу РК-дисплеїв, Transmissive і Reflective:
  • Трансмісивні.
  • Трансмісійні.
  • Робота трансмісійного РК-дисплея. З лівого боку підсвітка рідкокристалічного індикатора випромінює неполяризоване світло. Коли він пройде через задній поляризатор (вертикальний поляризатор), світло стане вертикально поляризованим. Потім цей світ потрапляє в рідкий кристал і буде скручувати поляризацію, якщо він включений. Тому, коли вертикально поляризований світло проходить через сегмент рідкого кристала ON, він стає горизонтально поляризованим. Далі - фронтальний поляризатор буде блокувати горизонтально поляризований світло. Таким чином, цей сегмент буде здаватися темним для спостерігача. Якщо сегмент рідкого кристала вимкнений, він не змінить поляризацію світла, тому він залишиться вертикально поляризованою. Таким чином, передній поляризатор передає цей світ. Ці дисплеї, зазвичай звані РК-дисплеями з підсвічуванням, використовують навколишній світло в якості джерела:
  • Годинник.
  • Світловідбиваючий РК-дисплей.
  • Зазвичай калькулятори використовують цей тип відображення.
  • Позитивні і негативні сегменти

    Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи
    Позитивне зображення створюється темними пікселями або сегментами на білому тлі. У них поляризатори перпендикулярні відносно один одного. Це означає, що якщо фронтальний поляризатор вертикальний, то задній буде горизонтальним поляризатором. Таким чином OFF і фон будуть пропускати світло, а ON блокувати. Ці дисплеї зазвичай застосовуються у пристроях, у яких присутня навколишній світ. Він також здатний створювати напівпровідникові і рідкокристалічні індикатори з різними кольорами фону. Негативне зображення створюється світлими пікселями або сегментами на темному тлі. У них передній і задній поляризатори суміщені. Це означає, що якщо фронтальний поляризатор є вертикальним, задній також буде вертикальним і навпаки. Таким чином, сегменти OFF і фон блокують світло, а сегменти ON пропускають світло, створюючи світловий дисплей на темному тлі. РК-дисплеї з підсвічуванням зазвичай використовують цей вид, який використовується там, де навколишній світ слабкий. Він також здатний створювати різні кольори фону.

    Дисплейне пам'ять ОЗП

    DD — це пам'ять, у якій зберігаються символи, які відображаються на екрані. Для відображення 2 рядків з 16 символів адреси визначаються наступним чином:

    Лінія



    Видимий



    Невидимий



    Топ



    00H 0FH



    10H 27H



    Низький



    40H - 4FH



    50H 67H

    Він дозволяє створювати максимум 8 символів або 5x7 символів. Як тільки нові символи завантажуються в пам'ять, до них можна отримати доступ, як якщо б вони були звичайними символами, що зберігаються в ПЗП. ОЗП CG використовує слова шириною 8 біт, але на РК-дисплеї з'являються тільки 5 найменш значущих біт. Таким чином, D4 являє собою саму ліву точку, а D0 - полюс праворуч. Наприклад, завантаження байта ОЗП CG при 1Fh викликає всі точки цієї рядка.

    Управління бітним режимом

    Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи
    Доступні два режими роботи дисплея: 4-бітний і 8-бітний. В 8-бітному режимі, дані посилають на дисплей штифти D0 до D7. Рядок RS встановлена в 0 або 1 залежно від того, чи ви хочете передати команду або дані. Рядок R /W також повинна бути встановлена в 0 щоб вказати на дисплей, який потрібно записати. Залишається послати імпульс, щонайменше 450 нс на вхідний Е, щоб вказати, що дійсні дані присутні на штифтах D0 до D7. Дисплей буде зчитувати дані по падаючому фронту цього входу. Якщо потрібно виконати читання, процедура ідентична, але на цей раз для рядка R /W встановлено значення 1 щоб запросити читання. Дані будуть дійсні на лініях D0-D7 на високому стані лінії. 4-бітний режим. У деяких випадках може знадобитися зменшити кількість проводів, що використовуються для управління дисплеєм, наприклад, коли на мікроконтролері є дуже мало контактів вводу-виводу. В цьому випадку можна використовувати чотирьохбітний режим РК-дисплею. У цьому режимі для передачі даних і читання їх використовуються тільки 4 найбільш значущих біта (від D4 до D7) дисплея. 4 значущих біта (від D0 до D3) потім з'єднуються з землею. Потім дані записуються або зчитуються шляхом послідовної відправки чотирьох найбільш значущих біт, за якими ідуть чотири молодших значущих біта. Позитивний імпульс не менше 450 нс повинен бути відправлений по лінії E для перевірки кожного полубайта. В обох режимах після кожної дії на дисплеї можна переконатися, що воно може обробляти наступну інформацію. Для цього необхідно запросити читання в командному режимі і перевірити прапор Busy BF. Коли BF = 0 дисплей готовий прийняти нову команду або дані.

    Цифрові пристрої напруги

    Цифрові рідкокристалічні індикатори для тестерів складаються з двох тонких листів скла, на облицювальні поверхні яких були нанесені тонкі провідні доріжки. Коли скло проглядається праворуч або майже під прямим кутом, ці доріжки не видно. Однак при певних кутах огляду вони стають видимими. Принципова електрична схема.
    Рідкокристалічний індикатор: визначення, призначення і принцип роботи
    Описаний тут тестер складається з прямокутного генератора, який генерує абсолютно симетричне змінну напругу без будь-якої компоненти постійного струму. Більшість логічних генераторів не здатні генерувати прямокутний сигнал, вони генерують прямокутні форми сигналів, чий робочий цикл коливається близько 50%. 4047 використовуваний в тестері, має двійковий скаляр на виході, який гарантує симетрію. Частота осцилятора становить близько 1 кГц. Він може харчуватися від джерела 3-9 Ст. Зазвичай це буде батарея, але змінний джерело живлення має свої переваги. Він показує, при якій напрузі індикатор напруги рідкокристалічний працює задовільно, а також існує чіткий зв'язок між рівнем напруги і кутом, на якому дисплей чітко помітний. Тестер споживає струм, що не перевищує 1 мА. Випробувальна напруга завжди повинно бути підключено між загальною клемою, тобто задній площиною, і одним із сегментів. Якщо невідомо, який з терміналів є задній площиною, то підключають один зонд тестера до сегмента, а інший - до всіх інших терміналів, поки сегмент не стане видимим.