Жидкокристаллический индикатор: определение, назначение и принцип работы

Жидкокристаллический индикатор представляет собой тип электрически сгенерированного изображения на тонкой плоской панели. Первые ЖК-дисплеи, вышедшие в свет в 1970-х годах, были крошечными экранами, используемыми в основном в калькуляторах и цифровых часах, отображающих черные цифры на белом фоне. ЖК-дисплеи можно найти везде в системах домашней электроники, мобильных телефонах, камерах и компьютерных мониторах, а также в часах и телевизорах. Сегодня самые современные ЖК-телевизоры с плоской панелью в значительной степени заменили в телевизорах традиционные громоздкие электронно-лучевые трубки и могут создавать цветные изображения высокой четкости до 108 дюймов по диагонали экрана.

История жидких кристаллов

Жидкие кристаллы были обнаружены случайно в 1888 году ботаником Ф.Рейниццером из Австрии. Он установил, что холестерилбензоат, имеет две точки плавления, превращаясь в мутную жидкость при 145 °С, а при температуре выше 178,5 °C жидкость становится прозрачной. Чтобы найти объяснение этому явлению, он передал свои образцы физику Отто Леманну. Используя микроскоп, оборудованный ступенчатым нагревом, Леман показал, что вещество имеет оптические свойства, характерные для некоторых кристаллов, но все же является жидкостью и поэтому появился термин «жидкий кристалл».

В течение 1920-х и 1930-х годов исследователи изучали влияние электромагнитных полей на жидкие кристаллы. В 1929 году российский физик Всеволод Фредерикс показал, что их молекулы в тонкой пленке, зажатой между двумя пластинами, изменили свое выравнивание при приложении магнитного поля. Это был предшественник современного жидкокристаллического индикатора с напряжением. Темп технологического развития с начала 1990-х годов был быстрым и продолжает расти.

Технология эволюции ЖК-дисплеев прошла путь от черно-белых для простых часов и калькуляторов до многоцветных для мобильных телефонов, компьютерных мониторов и телевизоров. Глобальный рынок ЖК-дисплеев в настоящее время приближается к 100 млрд долл. в год, увеличившись с 60 млрд долл. в 2005 г. и 24 млрд долл. 2003 г. соответственно. Производство LCD глобально сконцентрировано на Дальнем Востоке и растет в Центральной и Восточной Европе. Американские фирмы лидируют в производственных технологиях. Их дисплеи теперь занимают доминирующее положение на рынке, и это вряд ли изменится в ближайшем будущем.

Физика процесса кристаллизации

Большинство жидких кристаллов, например, холестерилбензоат, состоят из молекул с длинными стержнеподобными структурами. Эта специальная структура молекул жидких кристаллов между двумя поляризационными фильтрами может быть нарушена применением напряжения на электродах, элемент жидкокристаллического индикатора становится непрозрачным и остается темным. Таким образом, различные элементы дисплея могут быть либо переключены на светлые, либо на темные цвета, тем самым отображая числа или знаки.

Это сочетание сил притяжения, существующих между всеми молекулами, связанными со стержнеподобной структурой, вызывает формирование жидкокристаллической фазы. Однако это взаимодействие не достаточно сильное, чтобы удерживать постоянно молекулы на месте. С тех пор было обнаружено много различных типов жидкокристаллических структур. Некоторые из них упорядочиваются в слои, другие — в форме диска или образуют столбцы.

Технология изготовления ЖК-дисплеев

Принцип работы жидкокристаллического индикатора основан на свойствах электрочувствительных материалов, называемых жидкими кристаллами, которые текут подобно жидкостям, но имеют кристаллическую структуру. В кристаллических твердых телах составляющие частицы - атомы или молекулы - находятся в геометрических массивах, тогда как в жидком состоянии они могут свободно перемещаться в случайном порядке.

Устройство жидкокристаллического индикатора состоит из молекул, часто стержневидных, которые организуются в одном направлении, но все еще могут двигаться. Молекулы жидкого кристалла реагируют на электрическое напряжение, которое меняет их ориентацию и изменяет оптические характеристики материала. Именно это свойство используется на ЖК-дисплеях.

В среднем такая панель состоит из тысяч элементов изображения («пикселей»), которые индивидуально подпитываются напряжением. Они тоньше, легче и имеют более низкое напряжение работы, чем другие технологии отображения и идеально подходят для устройств с батарейным питанием.

Пассивная матрица

Есть два типа дисплеев: пассивная и активная матрица. Пассивные управляются только двумя электродами. Они представляют собой полоски прозрачного ITO, которые поворачиваются на 90 друг к другу. Это создает кросс-матрицу, управляющую каждой LC-ячейкой индивидуально. Адресация выполняется логической схемой и драйверами отдельно от цифрового жидкокристаллического индикатора. Поскольку в этом типе управления нет заряда в ячейке LC, молекулы жидких кристаллов постепенно возвращаются в исходное состояние. Поэтому каждую клетку нужно контролировать через равные промежутки времени.

Пассивные имеют относительно большое время отклика и не подходят для телевизионных приложений. Предпочтительно, чтобы на стеклянную подложку не устанавливались никакие драйверы или переключающие компоненты, такие как транзисторы. Потеря яркости из-за затенения этими элементами не возникает, поэтому управление жидкокристаллическими индикаторами очень простое.

Пассивные широко используются с сегментированными цифрами и символами для небольшого считывания в таких устройствах, как калькуляторы, принтеры и пульты дистанционного управления, многие из которых монохромны или имеют только несколько цветов. Пассивные монохромные и цветные графические дисплеи использовались в первых ноутбуках, и они по-прежнему используются в качестве альтернативы активной матрице.

Активные TFT-дисплеи

В активных матричных дисплеях каждый из них использует один транзистор для управления и, в качестве хранения заряда, конденсатор. В технологии IPS (In Plane Switching) принцип работы жидкокристаллического индикатора использует конструкцию, когда электроды не складываются, а расположены рядом друг с другом в одной плоскости на стеклянной подложке. Электрическое поле проникает в молекулы ЖК по горизонтали.

Они выравниваются параллельно поверхности экрана, что значительно увеличивает угол обзора. Недостатком IPS является то, что для каждой ячейки нужны два транзистора. Это уменьшает прозрачную область и требует более яркой подсветки. VA (вертикальное выравнивание) и MVA (многодоменное вертикальное выравнивание) используют передовые жидкие кристаллы, которые выравниваются вертикально без электрического поля, то есть перпендикулярно поверхности экрана.

Поляризованный свет может проходить, но блокируется передним поляризатором. Таким образом, клетка без активации черная. Поскольку все молекулы, даже те, что расположены на краях подложки, равномерно вертикально выровняны, получившееся,таким образом, черное значение очень большое по всем углам. В отличие от пассивных матричных жидкокристаллических индикаторов, дисплеи с активной матрицей имеют транзистор в каждом красном, зеленом и синем субпикселях, который удерживает их в желаемой интенсивности, пока эта строка не будет адресована в следующем кадре.

Время переключения ячеек

Время отклика дисплеев всегда было большой проблемой. Из-за относительно высокой вязкости жидкого кристалла ЖК-ячейки переключаются довольно медленно. Благодаря быстрым движениям в изображении это приводит к образованию полос. Маловязкий жидкокристаллический и модифицированный контроль жидкокристаллических ячеек (overdrive) обычно решают эти проблемы.

Время реакции современных ЖК-дисплеев составляет в настоящее время около 8 мс (самое быстрое время реакции составляет 1 мс) изменение яркости области изображения с 10% до 90%, где 0% и 100% - яркости стационарного состояния, ISO 13406-2 - это сумма времени переключения от яркого до темного (или наоборот) и обратно. Однако из-за процесса асимптотического переключения требуется время переключения <3 мс, чтобы избежать видимых полос.

Технология Overdrive сокращает время переключения жидкокристаллических ячеек. Для этой цели на ЖК-ячейку временно применяется более высокое напряжение, чем это необходимо для фактического значения яркости. Из-за короткого перенапряжения питания жидкокристаллического индикатора, инертные жидкие кристаллы буквально вырываются из своего положения и выравниваются намного быстрее. Для этого уровня процесса изображение должно быть кэшировано. Вместе со специально предназначенными для соответствующих значений коррекции дисплея соответствующая высота напряжения зависит от гаммы и управляется с помощью просмотровых таблиц из процессора сигналов для каждого пикселя, а также вычисляют точное время информации об изображении.

Основные компоненты индикаторов

Поворот в поляризации света, создаваемый жидким кристаллом, является основой работы ЖК-дисплея. В основном есть два типа ЖК-дисплеев, Transmissive и Reflective:

1. Трансмиссивные.
2. Трансмиссионные.

Работа трансмиссионного ЖК-дисплея. С левой стороны подсветка жидкокристаллического индикатора излучает неполяризованный свет. Когда он пройдет через задний поляризатор (вертикальный поляризатор), свет станет вертикально поляризованным. Затем этот свет попадает в жидкий кристалл и будет скручивать поляризацию, если он включен. Поэтому, когда вертикально поляризованный свет проходит через сегмент жидкого кристалла ON, он становится горизонтально поляризованным.

Далее - фронтальный поляризатор будет блокировать горизонтально поляризованный свет. Таким образом, этот сегмент будет казаться темным для наблюдателя. Если сегмент жидкого кристалла выключен, он не изменит поляризацию света, поэтому он останется вертикально поляризованным. Таким образом, передний поляризатор передает этот свет. Эти дисплеи, обычно называемые ЖК-дисплеями с подсветкой, используют окружающий свет в качестве источника:

1. Часы.
2. Светоотражающий ЖК-дисплей.
3. Обычно калькуляторы используют этот тип отображения.

Положительные и отрицательные сегменты

Положительное изображение создается темными пикселями или сегментами на белом фоне. В них поляризаторы перпендикулярны относительно друг друга. Это означает, что если фронтальный поляризатор вертикален, то задний будет горизонтальным поляризатором. Таким образом OFF и фон будут пропускать свет, а ON блокировать. Эти дисплеи обычно применяются в устройствах, в которых присутствует окружающий свет.

Он также способен создавать полупроводниковые и жидкокристаллические индикаторы с разными цветами фона. Отрицательное изображение создается светлыми пикселями или сегментами на темном фоне. В них передний и задний поляризаторы совмещены. Это означает, что если фронтальный поляризатор является вертикальным, задний также будет вертикальным и наоборот.

Таким образом, сегменты OFF и фон блокируют свет, а сегменты ON пропускают свет, создавая световой дисплей на темном фоне. ЖК-дисплеи с подсветкой обычно используют этот вид, который используется там, где окружающий свет слабый. Он также способен создавать разные цвета фона.

Дисплейная память ОЗУ

DD — это память, в которой хранятся символы, отображаемые на экране. Для отображения 2 строк из 16 символов адреса определяются следующим образом:

Он позволяет создавать максимум 8 символов или 5x7 символов. Как только новые символы загружаются в память, к ним можно получить доступ, как если бы они были обычными символами, хранящимися в ПЗУ. ОЗУ CG использует слова шириной 8 бит, но на ЖК-дисплее появляются только 5 наименее значимых бит.

Таким образом, D4 представляет собой самую левую точку, а D0 - полюс справа. Например, загрузка байта ОЗУ CG при 1Fh вызывает все точки этой строки.

Управление битным режимом

Доступны два режима работы дисплея: 4-битный и 8-битный. В 8-битном режиме, данные посылают на дисплей штифты D0 до D7. Строка RS установлена в 0 или 1, в зависимости от того, хотите ли вы передать команду или данные. Строка R / W также должна быть установлена в 0, чтобы указать на дисплей, который требуется записать. Остается послать импульс, по меньшей мере 450 нс на входной Е, чтобы указать, что действительные данные присутствуют на штифтах D0 до D7.

Дисплей будет считывать данные по падающему фронту этого входа. Если требуется выполнить чтение, процедура идентична, но на этот раз для строки R / W установлено значение 1, чтобы запросить чтение. Данные будут действительны на линиях D0-D7 на высоком состоянии линии.

4-битный режим. В некоторых случаях может потребоваться уменьшить количество проводов, используемых для управления дисплеем, например, когда на микроконтроллере имеется очень мало контактов ввода-вывода. В этом случае можно использовать четырехбитный режим ЖК-дисплея. В этом режиме для передачи данных и чтения их используются только 4 наиболее значимых бита (от D4 до D7) дисплея.

4 значащих бита (от D0 до D3) затем соединяются с землей. Затем данные записываются или считываются путем последовательной отправки четырех наиболее значимых бит, за которыми следуют четыре младших значащих бита. Положительный импульс не менее 450 нс должен быть отправлен по линии E для проверки каждого полубайта.

В обоих режимах после каждого действия на дисплее можно убедиться, что оно может обрабатывать следующую информацию. Для этого необходимо запросить чтение в командном режиме и проверить флаг Busy BF. Когда BF = 0, дисплей готов принять новую команду или данные.

Цифровые устройства напряжения

Цифровые жидкокристаллические индикаторы для тестеров состоят из двух тонких листов стекла, на облицовочные поверхности которых были нанесены тонкие проводящие дорожки. Когда стекло просматривается справа или почти под прямым углом, эти дорожки не видны. Однако при определенных углах обзора они становятся видимыми.

Принципиальная электрическая схема.

Описанный здесь тестер состоит из прямоугольного генератора, который генерирует абсолютно симметричное переменное напряжение без какой-либо компоненты постоянного тока. Большинство логических генераторов не способны генерировать прямоугольный сигнал, они генерируют прямоугольные формы сигналов, чей рабочий цикл колеблется около 50%. 4047, используемый в тестере, имеет двоичный скаляр на выходе, который гарантирует симметрию. Частота осциллятора составляет около 1 кГц.

Он может питаться от источника 3–9 В. Обычно это будет батарея, но переменный источник питания имеет свои преимущества. Он показывает, при каком напряжении индикатор напряжения жидкокристаллический работает удовлетворительно, а также существует четкая связь между уровнем напряжения и углом, на котором дисплей четко различим. Тестер потребляет ток, не превышающий 1 мА.

Испытательное напряжение всегда должно быть подключено между общей клеммой, то есть задней плоскостью, и одним из сегментов. Если неизвестно, какой из терминалов является задней плоскостью, то подключают один зонд тестера к сегменту, а другой - ко всем другим терминалам, пока сегмент не станет видимым.