Wyświetlacz ciekłokrystaliczny to rodzaj elektrycznie generowanego obrazu na cienkim płaskim panelu. Pierwsze wyświetlacze LCD, które pojawiły się w latach 70., były małymi ekranami używanymi głównie w kalkulatorach i zegarkach cyfrowych, które wyświetlały czarne cyfry na białym tle. Wyświetlacze LCD można znaleźć wszędzie w systemach elektroniki domowej, telefonach komórkowych, aparatach fotograficznych i monitorach komputerowych, a także w zegarkach i telewizorach. Dzisiejsze najnowocześniejsze płaskie telewizory LCD w dużej mierze zastąpiły tradycyjne, nieporęczne kineskopy w telewizorach i mogą wyświetlać kolorowe obrazy w wysokiej rozdzielczości do 108 cali po przekątnej ekranu.
Historia ciekłych kryształów
Ciekłokrystaliczne kryształy zostały przypadkowo odkryte w 1888 roku przez botanika F. Reinitzera z Austrii. Odkrył, że benzoesan cholesterylu ma dwie temperatury topnienia, zamieniając się w mętną ciecz w 145°C, a w temperaturach powyżej 178,5°C ciecz staje się przezroczysta. Doznaleźć wyjaśnienie tego zjawiska, oddał swoje próbki fizykowi Otto Lehmannowi. Używając mikroskopu wyposażonego w ogrzewanie schodkowe, Lehman wykazał, że substancja ma właściwości optyczne charakterystyczne dla niektórych kryształów, ale nadal jest cieczą, i dlatego ukuto termin „ciekłokrystaliczny”.
W latach 20. i 30. XX wieku naukowcy badali wpływ pól elektromagnetycznych na ciekłe kryształy. W 1929 roku rosyjski fizyk Wsiewołod Frederiks wykazał, że ich cząsteczki w cienkiej warstwie umieszczonej pomiędzy dwiema płytkami zmieniły swoje ustawienie po przyłożeniu pola magnetycznego. Był prekursorem nowoczesnego wyświetlacza ciekłokrystalicznego napięcia. Tempo rozwoju technologicznego od początku lat 90. było szybkie i wciąż rośnie.
Technologia LCD ewoluowała od czarno-białego dla prostych zegarków i kalkulatorów do wielokolorowego dla telefonów komórkowych, monitorów komputerowych i telewizorów. Globalny rynek LCD zbliża się obecnie do 100 miliardów dolarów rocznie, w porównaniu z odpowiednio 60 miliardami dolarów w 2005 roku i 24 miliardami dolarów w 2003 roku. Produkcja LCD jest globalnie skoncentrowana na Dalekim Wschodzie i rośnie w Europie Środkowo-Wschodniej. Amerykańskie firmy przodują w technologii produkcji. Ich wyświetlacze dominują teraz na rynku i jest mało prawdopodobne, aby miało się to zmienić w najbliższej przyszłości.
Fizyka procesu krystalizacji
Większość ciekłych kryształów, takich jak benzoesan cholesterylu, składa się z cząsteczek o długich strukturach przypominających pręciki. Ta specjalna struktura cząsteczek cieczykryształy pomiędzy dwoma filtrami polaryzacyjnymi mogą zostać rozbite przez przyłożenie napięcia do elektrod, element LCD staje się nieprzezroczysty i pozostaje ciemny. W ten sposób różne elementy wyświetlacza można przełączyć na jasne lub ciemne kolory, wyświetlając w ten sposób cyfry lub znaki.
Ta kombinacja sił przyciągania występujących pomiędzy wszystkimi cząsteczkami związanymi ze strukturą przypominającą pręcik powoduje tworzenie się fazy ciekłokrystalicznej. Jednak ta interakcja nie jest wystarczająco silna, aby trwale utrzymać cząsteczki na swoim miejscu. Od tego czasu odkryto wiele różnych rodzajów struktur ciekłokrystalicznych. Niektóre z nich są ułożone warstwami, inne w formie dysku lub kolumny.
Technologia LCD
Zasada działania wyświetlacza ciekłokrystalicznego opiera się na właściwościach materiałów wrażliwych elektrycznie zwanych ciekłymi kryształami, które płyną jak ciecze, ale mają strukturę krystaliczną. W krystalicznych ciałach stałych cząstki składowe - atomy lub molekuły - znajdują się w układach geometrycznych, podczas gdy w stanie ciekłym mogą się swobodnie poruszać dookoła.
Wyświetlacz ciekłokrystaliczny składa się z cząsteczek, często w kształcie prętów, które organizują się w jednym kierunku, ale wciąż mogą się poruszać. Cząsteczki ciekłokrystaliczne reagują nanapięcie elektryczne, które zmienia ich orientację i zmienia właściwości optyczne materiału. Ta właściwość jest używana na wyświetlaczach LCD.
Średnio taki panel składa się z tysięcy elementów obrazu („pikseli”), które są indywidualnie zasilane napięciem. Są cieńsze, lżejsze i mają niższe napięcie robocze niż inne technologie wyświetlania i są idealne do urządzeń zasilanych bateryjnie.
Matryca pasywna
Istnieją dwa rodzaje wyświetlaczy: matryca pasywna i aktywna. Te pasywne są kontrolowane tylko przez dwie elektrody. Są to paski przezroczystego ITO, które obracają się o 90 względem siebie. Tworzy to macierz krzyżową, która kontroluje każdą komórkę LC indywidualnie. Adresowanie odbywa się za pomocą logiki i sterowników oddzielonych od cyfrowego wyświetlacza LCD. Ponieważ ogniwo LC nie ma ładunku w tego typu kontroli, cząsteczki ciekłokrystaliczne stopniowo powracają do swojego pierwotnego stanu. Dlatego każda komórka musi być monitorowana w regularnych odstępach czasu.
Elementy pasywne mają stosunkowo długi czas reakcji i nie nadają się do zastosowań telewizyjnych. Korzystnie na szklanym podłożu nie są montowane żadne sterowniki ani elementy przełączające, takie jak tranzystory. Utrata jasności spowodowana zacienieniem przez te elementy nie występuje, więc obsługa wyświetlaczy LCD jest bardzo prosta.
Pasywne są szeroko stosowane z segmentowanymi cyframi i symbolami do małych odczytów w urządzeniach takich jakkalkulatory, drukarki i piloty, z których wiele jest monochromatycznych lub ma tylko kilka kolorów. Pasywne wyświetlacze monochromatyczne i kolorowe wyświetlacze graficzne były używane we wczesnych laptopach i nadal są używane jako alternatywa dla aktywnej matrycy.
Aktywne wyświetlacze TFT
Aktywne wyświetlacze matrycowe wykorzystują jeden tranzystor do sterowania i kondensator do przechowywania ładunku. W technologii IPS (In Plane Switching) zasada działania wskaźnika ciekłokrystalicznego wykorzystuje konstrukcję, w której elektrody nie układają się w stos, ale znajdują się obok siebie w tej samej płaszczyźnie na szklanym podłożu. Pole elektryczne penetruje cząsteczki LC poziomo.
Są one wyrównane równolegle do powierzchni ekranu, co znacznie zwiększa kąt widzenia. Wadą IPS jest to, że każda komórka potrzebuje dwóch tranzystorów. Zmniejsza to przezroczysty obszar i wymaga jaśniejszego podświetlenia. VA (Vertical Alignment) i MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) wykorzystują zaawansowane ciekłe kryształy, które wyrównują się w pionie bez pola elektrycznego, czyli prostopadle do powierzchni ekranu.
Spolaryzowane światło może przejść, ale jest blokowane przez przedni polaryzator. Tak więc komórka bez aktywacji jest czarna. Ponieważ wszystkie cząsteczki, nawet te znajdujące się na krawędziach podłoża, są równomiernie ustawione pionowo, wynikowa wartość czerni jest zatem bardzo duża we wszystkich rogach. W przeciwieństwie do pasywnej matrycywyświetlacze ciekłokrystaliczne, wyświetlacze z aktywną matrycą mają tranzystor w każdym czerwonym, zielonym i niebieskim subpikselu, który utrzymuje je z pożądaną intensywnością, dopóki ten wiersz nie zostanie zaadresowany w następnej ramce.
Czas przełączania komórek
Czas reakcji wyświetlaczy zawsze był dużym problemem. Ze względu na stosunkowo dużą lepkość ciekłokrystalicznego, ogniwa LCD przełączają się dość wolno. Ze względu na szybkie ruchy obrazu prowadzi to do powstawania pasków. Ciekłokrystaliczne urządzenia o niskiej lepkości i zmodyfikowana kontrola ogniwa ciekłokrystalicznego (nadbieg) zwykle rozwiązują te problemy.
Czas reakcji nowoczesnych wyświetlaczy LCD wynosi obecnie około 8 ms (najszybszy czas reakcji to 1 ms), zmieniając jasność obszaru obrazu od 10% do 90%, gdzie 0% i 100% to jasność w stanie ustalonym, ISO 13406 -2 to suma czasu przełączania z jasnego na ciemny (lub odwrotnie) i odwrotnie. Jednak ze względu na asymptotyczny proces przełączania wymagany jest czas przełączania wynoszący <3 ms, aby uniknąć widocznych pasm.
Technologia Overdrive skraca czas przełączania ogniw ciekłokrystalicznych. W tym celu do ogniwa LCD jest chwilowo przykładane napięcie wyższe, niż jest to konieczne dla rzeczywistej wartości jasności. Ze względu na krótki skok napięcia wyświetlacza ciekłokrystalicznego, obojętne ciekłe kryształy dosłownie wyłamują się ze swojej pozycji i znacznie szybciej wyrównują się. Na tym poziomie procesu obraz musi być buforowany. Wraz ze specjalnie zaprojektowanymi dla odpowiednich wartościkorekcja wyświetlania, odpowiednia wysokość napięcia zależy od gamma i jest kontrolowana przez tabele przeglądowe z procesora sygnału dla każdego piksela i oblicza dokładny czas informacji o obrazie.
Główne elementy wskaźników
Obrót polaryzacji światła wytwarzanego przez ciekły kryształ jest podstawą działania wyświetlacza LCD. Zasadniczo istnieją dwa rodzaje wyświetlaczy LCD, transmisyjny i odblaskowy:
- Przepuszczalny.
- Transmisja.
Działanie wyświetlacza LCD transmisji. Po lewej stronie podświetlenie LCD emituje światło niespolaryzowane. Po przejściu przez tylny polaryzator (polaryzator pionowy) światło zostanie spolaryzowane pionowo. To światło następnie uderza w ciekły kryształ i skręca polaryzację, jeśli jest włączone. Dlatego, gdy pionowo spolaryzowane światło przechodzi przez segment ciekłokrystaliczny ON, staje się ono spolaryzowane poziomo.
Dalej - przedni polaryzator zablokuje światło spolaryzowane poziomo. W ten sposób ten segment będzie wydawał się ciemniejszy dla obserwatora. Jeśli segment ciekłokrystaliczny jest wyłączony, nie zmieni on polaryzacji światła, więc pozostanie spolaryzowane pionowo. Więc przedni polaryzator przepuszcza to światło. Te wyświetlacze, powszechnie określane jako podświetlane wyświetlacze LCD, wykorzystują światło otoczenia jako źródło:
- Zegar.
- Odblaskowy wyświetlacz LCD.
- Zwykle kalkulatory używają tego typu wyświetlacza.
Segmenty dodatnie i ujemne
Pozytywny obraz tworzą ciemne piksele lub segmenty na białym tle. W nich polaryzatory są do siebie prostopadłe. Oznacza to, że jeśli przedni polaryzator jest ustawiony w pionie, to tylny polaryzator będzie ustawiony poziomo. Tak więc OFF i tło przepuszczają światło, a ON je blokuje. Wyświetlacze te są zwykle używane w aplikacjach, w których obecne jest światło otoczenia.
Można również tworzyć wyświetlacze półprzewodnikowe i ciekłokrystaliczne z różnymi kolorami tła. Negatyw tworzą jasne piksele lub segmenty na ciemnym tle. W nich połączone są polaryzatory przednie i tylne. Oznacza to, że jeśli przedni polaryzator jest ustawiony w pionie, tylny również będzie pionowy i na odwrót.
Tak więc segmenty OFF i tło blokują światło, a segmenty ON przepuszczają światło, tworząc jasny obraz na ciemnym tle. Podświetlane wyświetlacze LCD zwykle używają tego rodzaju, który jest używany tam, gdzie światło otoczenia jest słabe. Jest również zdolny do tworzenia różnych kolorów tła.
Wyświetl pamięć RAM
DD to pamięć, w której przechowywane są znaki wyświetlane na ekranie. Aby wyświetlić 2 linie po 16 znaków, adresy są definiowane w następujący sposób:
| Linia | Widoczny | Niewidoczny |
| Najlepszy | 00H 0FH | 10H 27H |
| Niski | 40H - 4FH | 50H 67H |
Pozwala na utworzenie maksymalnie 8 znaków lub 5x7 znaków. Po załadowaniu nowych znaków do pamięci można uzyskać do nich dostęp tak, jakby były zwykłymi znakami przechowywanymi w pamięci ROM. CG RAM używa słów o szerokości 8 bitów, ale na wyświetlaczu LCD pojawia się tylko 5 najmniej znaczących bitów.
Więc D4 jest skrajnym lewym punktem, a D0 jest biegunem po prawej stronie. Na przykład ładowanie CG bajtu RAM w 1Fh wywołuje wszystkie kropki w tej linii.
Sterowanie trybem bitowym
Dostępne są dwa tryby wyświetlania: 4-bitowy i 8-bitowy. W trybie 8-bitowym dane są przesyłane do wyświetlacza pinami D0 do D7. Ciąg RS jest ustawiony na 0 lub 1, w zależności od tego, czy chcesz wysłać polecenie, czy dane. Wiersz R/W musi być również ustawiony na 0, aby wskazać, że wyświetlacz ma być zapisany. Pozostaje wysłać impuls o długości co najmniej 450 ns do wejścia E, aby wskazać, że prawidłowe dane są obecne na pinach D0 do D7.
Wyświetlacz odczyta dane na opadającym zboczu tego wejścia. Jeśli wymagany jest odczyt, procedura jest identyczna, ale tym razem wiersz R/W jest ustawiony na 1, aby zażądać odczytu. Dane będą ważne na liniach D0-D7 w stanie wysokim linii.
Tryb 4-bitowy. W niektórych przypadkach może być konieczne zmniejszenie liczby przewodów używanych do sterowania wyświetlaczem, na przykład gdy mikrokontroler ma bardzo mało pinów I/O. W takim przypadku można użyć 4-bitowego trybu LCD. W tym trybie, aby transmitowaćdanych i ich odczytywanie, wykorzystywane są tylko 4 najbardziej znaczące bity (D4 do D7) wyświetlacza.
4 znaczące bity (D0 do D3) są następnie podłączane do masy. Dane są następnie zapisywane lub odczytywane przez wysłanie kolejno czterech najbardziej znaczących bitów, po których następują cztery najmniej znaczące bity. Pozytywny impuls o długości co najmniej 450 ns musi być wysłany na linii E w celu przetestowania każdego kęsa.
W obu trybach, po każdej akcji na wyświetlaczu, możesz upewnić się, że może on przetworzyć następujące informacje. Aby to zrobić, musisz zażądać odczytu w trybie poleceń i sprawdzić flagę Busy BF. Gdy BF=0, wyświetlacz jest gotowy do przyjęcia nowego polecenia lub danych.
Cyfrowe urządzenia napięciowe
Cyfrowe wskaźniki ciekłokrystaliczne do testerów składają się z dwóch cienkich tafli szkła, na których powierzchnie czołowe nałożono cienkie ścieżki przewodzące. Gdy szkło jest oglądane z prawej strony lub prawie pod kątem prostym, tory te nie są widoczne. Jednak pod pewnymi kątami patrzenia stają się widoczne.
Schemat obwodu elektrycznego.
Opisany tutaj tester składa się z prostokątnego oscylatora, który generuje idealnie symetryczne napięcie AC bez żadnej składowej DC. Większość generatorów logicznych nie jest w stanie wygenerować fali prostokątnej, generują one przebiegi prostokątne, których cykl pracy oscyluje wokół 50%. Zastosowany w testerze 4047 ma binarne wyjście skalarne, które gwarantuje symetrię. Częstotliwośćoscylator ma około 1 kHz.
Może być zasilany z zasilacza 3-9 V. Zwykle będzie to bateria, ale zmienne zasilanie ma swoje zalety. Pokazuje, przy jakim napięciu ciekłokrystaliczny wskaźnik napięcia pracuje w sposób zadowalający, a ponadto istnieje wyraźna zależność między poziomem napięcia a kątem, pod jakim wyświetlacz jest dobrze widoczny. Tester pobiera nie więcej niż 1 mA.
Napięcie testowe musi być zawsze podłączone między wspólnym zaciskiem, tj. tylną płaszczyzną, a jednym z segmentów. Jeśli nie wiadomo, który zacisk jest płytą montażową, podłącz jedną sondę testera do segmentu, a drugą sondę do wszystkich pozostałych zacisków, aż segment będzie widoczny.
