Šķidro kristālu displejs ir elektriski ģenerēts attēls uz plāna plakana paneļa. Pirmie LCD, kas iznāca 1970. gados, bija mazi ekrāni, kurus galvenokārt izmantoja kalkulatoros un digitālajos pulksteņos, kuros uz b alta fona tika attēloti melni skaitļi. LCD var atrast visur mājas elektronikas sistēmās, mobilajos tālruņos, kamerās un datoru monitoros, kā arī pulksteņos un televizoros. Mūsdienu mūsdienīgie LCD plakanā paneļa televizori lielā mērā ir aizvietojuši tradicionālos apjomīgos CRT televizoros un var radīt augstas izšķirtspējas krāsu attēlus līdz 108 collu diagonāli pāri ekrānam.
Šķidro kristālu vēsture
Šķidros kristālus 1888. gadā nejauši atklāja botāniķis F. Reinicers no Austrijas. Viņš atklāja, ka holesterilbenzoātam ir divi kušanas punkti, kas 145 ° C temperatūrā pārvēršas duļķainā šķidrumā, un temperatūrā virs 178,5 ° C šķidrums kļūst caurspīdīgs. Uzatrast izskaidrojumu šai parādībai, viņš savus paraugus iedeva fiziķim Otto Lehmanam. Izmantojot mikroskopu, kas aprīkots ar pakāpenisku karsēšanu, Lemāns parādīja, ka vielai ir dažiem kristāliem raksturīgas optiskās īpašības, bet tā joprojām ir šķidrums, un tāpēc tika izveidots termins "šķidrie kristāli".
20. gadsimta 20. un 30. gados pētnieki pētīja elektromagnētisko lauku ietekmi uz šķidrajiem kristāliem. 1929. gadā krievu fiziķis Vsevolods Frederiks parādīja, ka to molekulas plānā plēvē, kas iestiprināta starp divām plāksnēm, mainīja to izlīdzinājumu, kad tika pielietots magnētiskais lauks. Tas bija mūsdienu sprieguma šķidro kristālu displeja priekštecis. Tehnoloģiju attīstības temps kopš 90. gadu sākuma ir bijis straujš un turpina augt.
LCD tehnoloģija ir attīstījusies no melnb alta vienkāršiem pulksteņiem un kalkulatoriem līdz daudzkrāsainiem mobilajiem tālruņiem, datoru monitoriem un televizoriem. Globālais LCD tirgus šobrīd tuvojas 100 miljardiem dolāru gadā, salīdzinot ar 60 miljardiem dolāru 2005. gadā un 24 miljardiem dolāru 2003. gadā. LCD ražošana ir globāli koncentrēta Tālajos Austrumos un aug Centrālajā un Austrumeiropā. Amerikas uzņēmumi ir vadošie ražošanas tehnoloģiju jomā. Viņu displeji tagad dominē tirgū, un maz ticams, ka tas tuvākajā nākotnē mainīsies.
Kristalizācijas procesa fizika
Lielākā daļa šķidro kristālu, piemēram, holesterilbenzoāta, sastāv no molekulām ar garām stieņveida struktūrām. Šī īpašā šķidruma molekulu struktūrakristālus starp diviem polarizācijas filtriem var salauzt, pieliekot elektrodiem spriegumu, LCD elements kļūst necaurspīdīgs un paliek tumšs. Tādā veidā dažādus displeja elementus var pārslēgt uz gaišām vai tumšām krāsām, tādējādi parādot ciparus vai rakstzīmes.
Šī pievilcīgo spēku kombinācija, kas pastāv starp visām molekulām, kas saistītas ar stieņveida struktūru, izraisa šķidro kristālu fāzes veidošanos. Tomēr šī mijiedarbība nav pietiekami spēcīga, lai molekulas pastāvīgi noturētu vietā. Kopš tā laika ir atklāti daudz dažādu šķidro kristālu struktūru veidi. Daži no tiem ir sakārtoti slāņos, citi diska vai formas kolonnu veidā.
LCD tehnoloģija
Šķidro kristālu displeja darbības princips ir balstīts uz elektriski jutīgu materiālu, ko sauc par šķidrajiem kristāliem, īpašībām, kas plūst kā šķidrumi, bet kuriem ir kristāliska struktūra. Kristāliskās cietās vielās to veidojošās daļiņas - atomi vai molekulas - atrodas ģeometriskos blokos, savukārt šķidrā stāvoklī tās var brīvi pārvietoties nejauši.
Šķidro kristālu displeja ierīce sastāv no molekulām, bieži vien stieņa formas, kas sakārtotas vienā virzienā, bet joprojām var kustēties. Šķidro kristālu molekulas reaģē uzelektriskais spriegums, kas maina to orientāciju un maina materiāla optiskās īpašības. Šis rekvizīts tiek izmantots LCD ekrānos.
Vidēji šāds panelis sastāv no tūkstošiem attēla elementu (“pikseļu”), kurus atsevišķi darbina spriegums. Tie ir plānāki, vieglāki un ar zemāku darba spriegumu nekā citām displeja tehnoloģijām, un tie ir ideāli piemēroti ierīcēm ar akumulatoru.
Pasīvā matrica
Ir divu veidu displeji: pasīvā un aktīvā matrica. Pasīvās kontrolē tikai divi elektrodi. Tās ir caurspīdīga ITO sloksnes, kas griežas viena pret otru par 90. Tādējādi tiek izveidota krusteniskā matrica, kas kontrolē katru LC šūnu atsevišķi. Adresēšanu veic loģika un draiveri, kas ir atsevišķi no digitālā LCD. Tā kā šāda veida kontrolē LC šūnā nav lādiņa, šķidro kristālu molekulas pakāpeniski atgriežas sākotnējā stāvoklī. Tāpēc katra šūna ir regulāri jāuzrauga.
Pasīvajām ierīcēm ir salīdzinoši ilgs reakcijas laiks, un tās nav piemērotas televīzijas lietojumprogrammām. Vēlams, lai uz stikla pamatnes nebūtu uzstādīti draiveri vai komutācijas komponenti, piemēram, tranzistori. Spilgtums nezaudē šo elementu ēnojumu, tāpēc LCD darbība ir ļoti vienkārša.
Pasīvie tiek plaši izmantoti ar segmentētiem cipariem un simboliem mazai lasīšanai tādās ierīcēs kākalkulatori, printeri un tālvadības pultis, no kurām daudzas ir vienkrāsainas vai ir tikai dažas krāsas. Pasīvie vienkrāsaini un krāsu grafiskie displeji tika izmantoti agrīnajos klēpjdatoros un joprojām tiek izmantoti kā alternatīva aktīvajai matricai.
Aktīvie TFT displeji
Aktīvās matricas displejos katrs izmanto vienu tranzistoru, lai vadītu, un kondensatoru, lai saglabātu uzlādi. IPS (In Plane Switching) tehnoloģijā šķidro kristālu indikatora darbības princips izmanto konstrukciju, kurā elektrodi nesakraujas, bet atrodas viens otram blakus vienā plaknē uz stikla pamatnes. Elektriskais lauks iekļūst LC molekulās horizontāli.
Tie ir izlīdzināti paralēli ekrāna virsmai, kas ievērojami palielina skata leņķi. IPS trūkums ir tāds, ka katrai šūnai ir nepieciešami divi tranzistori. Tas samazina caurspīdīgo laukumu un prasa spilgtāku fona apgaismojumu. VA (Vertical Alignment) un MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) izmanto uzlabotus šķidros kristālus, kas izlīdzinās vertikāli bez elektriskā lauka, tas ir, perpendikulāri ekrāna virsmai.
Polarizēta gaisma var iziet cauri, bet to bloķē priekšējais polarizators. Tādējādi šūna bez aktivizācijas ir melna. Tā kā visas molekulas, pat tās, kas atrodas substrāta malās, ir vienmērīgi vertikāli izlīdzinātas, tādējādi iegūtā melnā vērtība visos stūros ir ļoti liela. Atšķirībā no pasīvās matricasšķidro kristālu displejos, aktīvās matricas displejos katrā sarkanajā, zaļajā un zilajā apakšpikselī ir tranzistors, kas saglabā tos vēlamajā intensitātē, līdz šī rinda tiek risināta nākamajā kadrā.
Šūnu pārslēgšanas laiks
Displeju reakcijas laiks vienmēr ir bijis liela problēma. Salīdzinoši augstās šķidro kristālu viskozitātes dēļ LCD šūnas pārslēdzas diezgan lēni. Attēlā notiekošo straujo kustību dēļ tas noved pie svītru veidošanās. Zemas viskozitātes šķidro kristālu un modificēto šķidro kristālu šūnu kontrole (overdrive) parasti atrisina šīs problēmas.
Mūsdienu LCD reakcijas laiks pašlaik ir aptuveni 8 ms (ātrākais reakcijas laiks ir 1 ms), mainot attēla apgabala spilgtumu no 10% līdz 90%, kur 0% un 100% ir vienmērīga stāvokļa spilgtums, ISO 13406 -2 ir pārslēgšanās laika summa no gaišas uz tumšu (vai otrādi) un otrādi. Tomēr asimptotiskā pārslēgšanās procesa dēļ ir nepieciešams pārslēgšanās laiks <3 ms, lai izvairītos no redzamām joslām.
Overdrive tehnoloģija samazina šķidro kristālu elementu pārslēgšanās laiku. Šim nolūkam LCD elementam īslaicīgi tiek pieslēgts lielāks spriegums, nekā nepieciešams faktiskajai spilgtuma vērtībai. Šķidro kristālu displeja īsa sprieguma pārsprieguma dēļ inertie šķidrie kristāli burtiski izlaužas no savas pozīcijas un izlīdzinās daudz ātrāk. Šim procesa līmenim attēlam jābūt kešatmiņā. Kopā ar speciāli paredzētajām atbilstošām vērtībāmdispleja korekcija, atbilstošais sprieguma augstums ir atkarīgs no gamma un tiek kontrolēts ar uzmeklēšanas tabulām no signāla procesora katram pikselim, un aprēķina precīzu attēla informācijas laiku.
Rādītāju galvenās sastāvdaļas
Šķidro kristālu radītās gaismas polarizācijas rotācija ir LCD darbības pamatā. Pamatā ir divu veidu LCD - caurlaidīgie un atstarojošie:
- Transmisīvs.
- Transmisija.
Transmisijas LCD displeja darbība. Kreisajā pusē LCD fona apgaismojums izstaro nepolarizētu gaismu. Kad tas iziet cauri aizmugurējam polarizatoram (vertikālajam polarizatoram), gaisma kļūs vertikāli polarizēta. Pēc tam šī gaisma skar šķidro kristālu un, ja tā tiks ieslēgta, izmainīs polarizāciju. Tāpēc, kad vertikāli polarizēta gaisma iziet cauri IESLĒGTA šķidro kristālu segmentam, tā kļūst horizontāli polarizēta.
Tālāk - priekšējais polarizators bloķēs horizontāli polarizētu gaismu. Tādējādi šis segments novērotājam šķitīs tumšs. Ja šķidro kristālu segments ir izslēgts, tas nemainīs gaismas polarizāciju, tāpēc tas paliks vertikāli polarizēts. Tātad priekšējais polarizators pārraida šo gaismu. Šie displeji, ko parasti dēvē par LCD ekrāniem ar aizmugurgaismojumu, kā avotu izmanto apkārtējo gaismu:
- Pulkstenis.
- Atstarojošs LCD.
- Parasti kalkulatori izmanto šāda veida displeju.
Pozitīvie un negatīvie segmenti
Pozitīvu attēlu veido tumši pikseļi vai segmenti uz b alta fona. Tajos polarizatori atrodas perpendikulāri viens otram. Tas nozīmē, ka, ja priekšējais polarizators ir vertikāls, tad aizmugurējais polarizators būs horizontāls. Tātad IZSLĒGTS un fons ļaus gaismai cauri, un IESLĒGTS to bloķēs. Šos displejus parasti izmanto lietojumprogrammās, kur ir apkārtējā gaisma.
Tā arī spēj izveidot cietvielu un šķidro kristālu displejus ar dažādām fona krāsām. Negatīvu attēlu veido gaiši pikseļi vai segmenti uz tumša fona. Tajos ir apvienoti priekšējie un aizmugurējie polarizatori. Tas nozīmē, ka, ja priekšējais polarizators ir vertikāls, arī aizmugurējais būs vertikāls un otrādi.
Tātad segmenti IZSLĒGTS un fons bloķē gaismu, bet IESLĒGTIE segmenti laiž cauri gaismu, radot gaišu displeju uz tumša fona. LCD ekrāni ar aizmugurgaismojumu parasti izmanto šo veidu, ko izmanto, ja apkārtējā gaisma ir vāja. Tas spēj arī izveidot dažādas fona krāsas.
Displeja atmiņa RAM
DD ir atmiņa, kurā tiek saglabātas ekrānā redzamās rakstzīmes. Lai parādītu 2 rindiņas pa 16 rakstzīmēm, adreses tiek definētas šādi:
| Line | Redzams | Neredzams |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Zems | 40H - 4FH | 50H 67H |
Tas ļauj izveidot ne vairāk kā 8 rakstzīmes vai 5x7 rakstzīmes. Kad jaunas rakstzīmes ir ielādētas atmiņā, tām var piekļūt tā, it kā tās būtu parastas rakstzīmes, kas saglabātas ROM. CG RAM izmanto 8 bitu platus vārdus, bet LCD ekrānā tiek parādīti tikai 5 mazāk nozīmīgie biti.
Tātad D4 ir galējais kreisais punkts un D0 ir pols labajā pusē. Piemēram, ielādējot RAM baitu CG ar ātrumu 1Fh, tiek izsaukti visi šīs rindas punkti.
Bitu režīma vadība
Ir pieejami divi displeja režīmi: 4 bitu un 8 bitu. 8 bitu režīmā dati uz displeju tiek nosūtīti ar tapām D0 līdz D7. RS virkne ir iestatīta uz 0 vai 1 atkarībā no tā, vai vēlaties nosūtīt komandu vai datus. R/W līnijai arī jābūt iestatītai uz 0, lai norādītu uz rakstāmo displeju. Atliek nosūtīt vismaz 450 ns impulsu uz ieeju E, lai norādītu, ka uz tapām D0 līdz D7 ir derīgi dati.
Displejs nolasīs datus par šīs ievades krītošo malu. Ja ir nepieciešama nolasīšana, procedūra ir identiska, taču šoreiz R/W līnija ir iestatīta uz 1, lai pieprasītu nolasīšanu. Dati būs derīgi līnijās D0-D7 augstākās līnijas stāvoklī.
4 bitu režīms. Dažos gadījumos var būt nepieciešams samazināt displeja darbināšanai izmantoto vadu skaitu, piemēram, ja mikrokontrolleram ir ļoti maz I/O kontaktu. Šajā gadījumā var izmantot 4 bitu LCD režīmu. Šajā režīmā, lai pārraidītudatus un to nolasīšanu, tiek izmantoti tikai 4 displeja nozīmīgākie biti (D4 līdz D7).
4 nozīmīgi biti (D0 līdz D3) tiek savienoti ar zemējumu. Pēc tam dati tiek ierakstīti vai nolasīti, secīgi nosūtot četrus visnozīmīgākos bitus, kam seko četri vismazāk nozīmīgie biti. Lai pārbaudītu katru nibu, uz līnijas E jānosūta pozitīvs impulss vismaz 450 ns.
Abos režīmos pēc katras darbības displejā varat pārliecināties, vai tas spēj apstrādāt tālāk norādīto informāciju. Lai to izdarītu, jums jāpieprasa lasīšana komandu režīmā un jāatzīmē karodziņa Busy BF. Kad BF=0, displejs ir gatavs pieņemt jaunu komandu vai datus.
Digitālās sprieguma ierīces
Digitālie šķidro kristālu indikatori testeriem sastāv no divām plānām stikla loksnēm, uz kurām pretējās virsmas tika uzliktas plānas vadošas sliedes. Ja stiklu skatās no labās puses vai gandrīz taisnā leņķī, šīs pēdas nav redzamas. Tomēr noteiktos skata leņķos tie kļūst redzami.
Elektriskās ķēdes shēma.
Šeit aprakstītais testeris sastāv no taisnstūrveida oscilatora, kas ģenerē perfekti simetrisku maiņstrāvas spriegumu bez līdzstrāvas komponentiem. Lielākā daļa loģisko ģeneratoru nespēj ģenerēt kvadrātveida vilni, tie rada kvadrātveida viļņu formas, kuru darba cikls svārstās ap 50%. Testerī izmantotajam 4047 ir bināra skalāra izvade, kas garantē simetriju. Biežumsoscilators ir aptuveni 1 kHz.
To var darbināt no 3-9V barošanas. Parasti tas būs akumulators, bet mainīgajam barošanas blokam ir savas priekšrocības. Tas parāda, pie kāda sprieguma sprieguma indikators šķidro kristālu darbojas apmierinoši, kā arī ir skaidra saistība starp sprieguma līmeni un leņķi, kurā displejs ir skaidri redzams. Testeris patērē ne vairāk kā 1 mA.
Pārbaudes spriegumam vienmēr jābūt savienotam starp kopējo spaili, t.i., aizmugurējo plakni, un vienu no segmentiem. Ja nav zināms, kura spaile ir aizmugurējā plakne, pievienojiet vienu testera zondi segmentam un otru zondi visiem pārējiem spailēm, līdz segments ir redzams.
