Дисплей с течни кристали е вид електрически генерирано изображение върху тънък плосък панел. Първите LCD дисплеи, които излязоха през 70-те години на миналия век, бяха малки екрани, използвани предимно в калкулатори и цифрови часовници, които показват черни числа на бял фон. LCD дисплеите могат да бъдат намерени навсякъде в системите за домашна електроника, мобилни телефони, камери и компютърни монитори, както и часовници и телевизори. Днешните модерни LCD телевизори с плосък панел до голяма степен замениха традиционните обемисти CRT в телевизорите и могат да произвеждат цветни изображения с висока разделителна способност до 108 инча по диагонал на екрана.
История на течните кристали
Течните кристали са открити случайно през 1888 г. от ботаника F. Reinitzer от Австрия. Той откри, че холестерил бензоатът има две точки на топене, превръщайки се в мътна течност при 145 ° C, а при температури над 178,5 ° C течността става прозрачна. Да сенамери обяснение за това явление, той даде своите проби на физика Ото Леман. Използвайки микроскоп, оборудван със стъпаловидно нагряване, Lehman показа, че веществото има оптични свойства, характерни за някои кристали, но все пак е течност и оттук е въведен терминът „течен кристал“.
През 20-те и 30-те години на миналия век изследователите изучават ефектите на електромагнитните полета върху течните кристали. През 1929 г. руският физик Всеволод Фредерикс показа, че техните молекули в тънък филм, затиснат между две плочи, променят подравняването си при прилагане на магнитно поле. Той беше предшественикът на съвременния течнокристален дисплей за напрежение. Темпът на технологичното развитие от началото на 90-те години на миналия век е бърз и продължава да расте.
LCD технологията еволюира от черно-бяло за прости часовници и калкулатори до многоцветно за мобилни телефони, компютърни монитори и телевизори. Глобалният LCD пазар сега се доближава до 100 милиарда долара годишно, съответно от 60 милиарда долара през 2005 г. и 24 милиарда долара през 2003 г. Производството на LCD е глобално концентрирано в Далечния изток и нараства в Централна и Източна Европа. Американските фирми са водещи в производствените технологии. Техните дисплеи сега доминират на пазара и това е малко вероятно да се промени в близко бъдеще.
Физика на процеса на кристализация
Повечето течни кристали, като холестерил бензоат, са изградени от молекули с дълги пръчковидни структури. Тази специална структура на течни молекуликристалите между два поляризиращи филтъра могат да бъдат счупени чрез прилагане на напрежение към електродите, LCD елементът става непрозрачен и остава тъмен. По този начин различни елементи на дисплея могат да бъдат превключени към светли или тъмни цветове, като по този начин се показват цифри или знаци.
Тази комбинация от привличащи сили, съществуващи между всички молекули, свързани с пръчковидна структура, причинява образуването на течна кристална фаза. Това взаимодействие обаче не е достатъчно силно, за да задържи молекулите на място за постоянно. Оттогава са открити много различни видове течни кристални структури. Някои от тях са подредени на слоеве, други под формата на диск или образуват колони.
LCD технология
Принципът на работа на дисплея с течни кристали се основава на свойствата на електрически чувствителни материали, наречени течни кристали, които текат като течности, но имат кристална структура. В кристалните твърди вещества съставните частици - атоми или молекули - са в геометрични масиви, докато в течно състояние те са свободни да се движат произволно.
Устройството за дисплей с течни кристали се състои от молекули, често с пръчковидна форма, които се организират в една посока, но все пак могат да се движат. Молекулите на течните кристали реагират наелектрическо напрежение, което променя тяхната ориентация и променя оптичните характеристики на материала. Това свойство се използва на LCD дисплеи.
Средно такъв панел се състои от хиляди елементи на изображението („пиксели“), които се захранват поотделно от напрежение. Те са по-тънки, по-леки и имат по-ниско работно напрежение от другите технологии на дисплея и са идеални за устройства, захранвани от батерии.
Пасивна матрица
Има два вида дисплеи: пасивни и активни матрици. Пасивните се управляват само от два електрода. Те са ленти от прозрачен ITO, които се въртят на 90 една спрямо друга. Това създава кръстосана матрица, която контролира всяка LC клетка поотделно. Адресирането се извършва чрез логика и драйвери отделно от цифровия LCD. Тъй като при този тип контрол няма заряд в LC клетката, течните кристални молекули постепенно се връщат в първоначалното си състояние. Следователно всяка клетка трябва да се наблюдава на редовни интервали.
Пасивите имат относително дълго време за реакция и не са подходящи за телевизионни приложения. За предпочитане е да не се монтират драйвери или превключващи компоненти като транзистори върху стъклената подложка. Загуба на яркост поради засенчване от тези елементи не се получава, така че работата с LCD дисплеите е много проста.
Пасивните са широко използвани със сегментирани цифри и символи за малко четене в устройства катокалкулатори, принтери и дистанционни управления, много от които са монохромни или имат само няколко цвята. Пасивни монохромни и цветни графични дисплеи са били използвани в ранните лаптопи и все още се използват като алтернатива на активната матрица.
Активни TFT дисплеи
Активната матрица показва, че всеки използва един транзистор за задвижване и кондензатор за съхраняване на заряд. При IPS (In Plane Switching) технологията, принципът на действие на индикатора с течни кристали използва дизайн, при който електродите не се подреждат, а са разположени един до друг в една и съща равнина върху стъклена подложка. Електрическото поле прониква хоризонтално в LC молекулите.
Те са подравнени успоредно на повърхността на екрана, което значително увеличава ъгъла на гледане. Недостатъкът на IPS е, че всяка клетка се нуждае от два транзистора. Това намалява прозрачната област и изисква по-ярка подсветка. VA (Vertical Alignment) и MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) използват усъвършенствани течни кристали, които се подравняват вертикално без електрическо поле, тоест перпендикулярно на повърхността на екрана.
Поляризираната светлина може да премине, но е блокирана от предния поляризатор. Така клетка без активиране е черна. Тъй като всички молекули, дори тези, разположени в краищата на субстрата, са равномерно вертикално подравнени, получената стойност на черното е много голяма във всички ъгли. За разлика от пасивната матрицадисплеите с течни кристали, дисплеите с активна матрица имат транзистор във всеки червен, зелен и син субпиксел, който ги поддържа с желания интензитет, докато този ред не бъде адресиран в следващия кадър.
Време за превключване на клетки
Времето за реакция на дисплеите винаги е било голям проблем. Поради относително високия вискозитет на течния кристал, LCD клетките се превключват доста бавно. Поради бързите движения в изображението това води до образуване на ивици. Течните кристали с нисък вискозитет и модифицираното управление на течнокристалните клетки (овърдрайв) обикновено решават тези проблеми.
Времето за реакция на съвременните LCD дисплеи в момента е около 8ms (най-бързото време за реакция е 1ms), променяйки яркостта на областта на изображението от 10% до 90%, където 0% и 100% са яркостта в стационарно състояние, ISO 13406 -2 е сумата от времето за превключване от светло към тъмно (или обратно) и обратно. Въпреки това, поради асимптотичния процес на превключване, е необходимо време за превключване от <3 ms, за да се избегнат видими ленти.
Технологията Overdrive намалява времето за превключване на клетките с течни кристали. За тази цел към LCD клетката временно се прилага по-високо напрежение, отколкото е необходимо за действителната стойност на яркостта. Поради краткото напрежение на дисплея с течни кристали, инертните течни кристали буквално излизат от позицията си и се изравняват много по-бързо. За това ниво на процеса изображението трябва да се кешира. Заедно със специално проектирани за съответните стойностикорекция на дисплея, съответната височина на напрежението зависи от гамата и се контролира от таблици за търсене от сигналния процесор за всеки пиксел и се изчислява точното време на информацията за изображението.
Основни компоненти на индикаторите
Въртенето в поляризацията на светлината, произведена от течни кристали, е основата за това как работи LCD. Основно има два типа LCD дисплеи, предавателни и отразяващи:
- Преносно.
- Трансмисия.
Работа с LCD дисплей за предаване. От лявата страна LCD подсветката излъчва неполяризирана светлина. Когато премине през задния поляризатор (вертикален поляризатор), светлината ще стане вертикално поляризирана. След това тази светлина удря течния кристал и ще изкриви поляризацията, ако е включена. Следователно, когато вертикално поляризирана светлина преминава през ON течнокристален сегмент, тя става хоризонтално поляризирана.
Напред - предният поляризатор ще блокира хоризонтално поляризирана светлина. По този начин този сегмент ще изглежда тъмен за наблюдателя. Ако течнокристалният сегмент е изключен, той няма да промени поляризацията на светлината, така че ще остане вертикално поляризиран. Така че предният поляризатор предава тази светлина. Тези дисплеи, обикновено наричани LCD с подсветка, използват околна светлина като източник:
- Часовник.
- Отражателен LCD.
- Обикновено калкулаторите използват този тип дисплей.
Положителни и отрицателни сегменти
Положително изображение се създава от тъмни пиксели или сегменти на бял фон. При тях поляризаторите са перпендикулярни един на друг. Това означава, че ако предният поляризатор е вертикален, тогава задният поляризатор ще бъде хоризонтален. Така че OFF и фонът ще пропусне светлината, а ON ще го блокира. Тези дисплеи обикновено се използват в приложения, където има околна светлина.
Той също така е в състояние да създава дисплеи в твърдо състояние и течни кристали с различни цветове на фона. Отрицателно изображение се създава от светли пиксели или сегменти на тъмен фон. В тях предният и заден поляризатор са комбинирани. Това означава, че ако предният поляризатор е вертикален, задният също ще бъде вертикален и обратно.
Така че сегментите OFF и фонът блокират светлината, а сегментите ON пропускат светлината, създавайки светъл дисплей на тъмен фон. LCD дисплеите с подсветка обикновено използват този вид, който се използва, когато околната светлина е слаба. Освен това е в състояние да създава различни цветове на фона.
Дисплейна памет RAM
DD е паметта, която съхранява символите, показани на екрана. За показване на 2 реда от 16 знака, адресите се дефинират, както следва:
| линия | Видим | Невидимо |
| Връх | 00H 0FH | 10H 27H |
| Ниско | 40H - 4FH | 50H 67H |
Позволява ви да създадете максимум 8 знака или 5x7 знака. След като новите знаци се заредят в паметта, те могат да бъдат достъпни, сякаш са нормални знаци, съхранени в ROM. CG RAM използва думи с ширина 8 бита, но само 5-те най-малко значими бита се появяват на LCD дисплея.
Значи D4 е най-лявата точка, а D0 е полюсът отдясно. Например, зареждането на RAM байт CG при 1Fh извиква всички точки на този ред.
Управление на битов режим
Налични са два режима на показване: 4-битов и 8-битов. В 8-битов режим данните се изпращат на дисплея чрез щифтове D0 до D7. RS низът е настроен на 0 или 1, в зависимост от това дали искате да изпратите команда или данни. Редът R/W също трябва да бъде настроен на 0, за да посочи дисплея, който трябва да бъде написан. Остава да изпратите импулс от най-малко 450 ns към вход E, за да покаже, че има валидни данни на щифтове D0 до D7.
Дисплеят ще прочете данни на падащия ръб на този вход. Ако се изисква четене, процедурата е идентична, но този път R/W линията е настроена на 1, за да поиска четене. Данните ще бъдат валидни на линии D0-D7 в състояние на висока линия.
4-битов режим. В някои случаи може да се наложи да се намали броят на проводниците, използвани за задвижване на дисплея, като например когато микроконтролерът има много малко I/O щифтове. В този случай може да се използва 4-битов LCD режим. В този режим за предаванеданни и четенето им, се използват само 4-те най-значими бита (D4 до D7) на дисплея.
След това 4 значими бита (D0 до D3) се свързват към земята. След това данните се записват или четат чрез изпращане на четирите най-значими бита последователно, последвани от четирите най-малко значими бита. Положителен импулс от най-малко 450 ns трябва да бъде изпратен по линия E, за да се тества всяка хапка.
И в двата режима, след всяко действие на дисплея, можете да се уверите, че той може да обработва следната информация. За да направите това, трябва да поискате четене в команден режим и да поставите отметка на флага Зает BF. Когато BF=0, дисплеят е готов да приеме нова команда или данни.
Устройства за цифрово напрежение
Цифровите индикатори с течни кристали за тестери се състоят от два тънки листа стъкло, върху чиито лицеви повърхности са поставени тънки проводими писти. Когато стъклото се гледа отдясно или почти под прав ъгъл, тези следи не се виждат. Въпреки това, при определени ъгли на видимост, те стават видими.
Електрическа схема.
Тестерът, описан тук, се състои от правоъгълен осцилатор, който генерира перфектно симетрично променливо напрежение без DC компонент. Повечето логически генератори не са в състояние да генерират квадратна вълна, те генерират квадратни вълни, чийто работен цикъл се колебае около 50%. Използваният в тестера 4047 има двоичен скаларен изход, който гарантира симетрия. Честотаосцилаторът е около 1 kHz.
Може да се захранва от захранване 3-9 V. Обикновено ще бъде батерия, но променливото захранване има своите предимства. Той показва при какво напрежение индикаторът за напрежение работи задоволително, а също така има ясна връзка между нивото на напрежение и ъгъла, под който дисплеят се вижда ясно. Тестерът черпи не повече от 1 mA.
Тестовото напрежение трябва винаги да бъде свързано между общия извод, т.е. задната равнина, и един от сегментите. Ако не е известно кой терминал е задната платка, свържете едната сонда на тестера към сегмента, а другата сонда към всички останали терминали, докато сегментът се вижда.
