Displej z tekutých kryštálov je typ elektricky generovaného obrazu na tenkom plochom paneli. Prvé LCD, ktoré vyšli v sedemdesiatych rokoch, boli malé obrazovky používané predovšetkým v kalkulačkách a digitálnych hodinkách, ktoré zobrazovali čierne čísla na bielom pozadí. LCD možno nájsť všade v systémoch domácej elektroniky, mobilných telefónoch, fotoaparátoch a počítačových monitoroch, ako aj v hodinkách a televízoroch. Dnešné najmodernejšie LCD televízory s plochým panelom vo veľkej miere nahradili tradičné objemné CRT v televízoroch a dokážu produkovať farebný obraz s vysokým rozlíšením až do uhlopriečky 108 palcov cez obrazovku.
História tekutých kryštálov
Tekuté kryštály objavil náhodou v roku 1888 botanik F. Reinitzer z Rakúska. Zistil, že cholesterylbenzoát má dva body topenia, pri 145 °C sa mení na zakalenú kvapalinu a pri teplotách nad 178,5 °C sa kvapalina stáva priehľadnou. Komunájsť vysvetlenie tohto javu, dal svoje vzorky fyzikovi Ottovi Lehmannovi. Pomocou mikroskopu vybaveného stupňovitým ohrevom Lehman ukázal, že látka má optické vlastnosti charakteristické pre niektoré kryštály, ale je stále kvapalina, a preto vznikol termín „tekutý kryštál“.
Počas 20. a 30. rokov 20. storočia výskumníci študovali účinky elektromagnetických polí na tekuté kryštály. V roku 1929 ruský fyzik Vsevolod Frederiks ukázal, že ich molekuly v tenkom filme vloženom medzi dve platne zmenili svoje zarovnanie, keď bolo aplikované magnetické pole. Bol to predchodca moderného napäťového displeja z tekutých kryštálov. Tempo technologického rozvoja od začiatku 90. rokov bolo rýchle a neustále rastie.
Technológia LCD sa vyvinula z čiernej a bielej pre jednoduché hodinky a kalkulačky na viacfarebnú pre mobilné telefóny, počítačové monitory a televízory. Globálny trh LCD sa v súčasnosti blíži k 100 miliardám USD ročne, čo je nárast zo 60 miliárd USD v roku 2005 a 24 miliárd USD v roku 2003. Výroba LCD je globálne sústredená na Ďalekom východe a rastie v strednej a východnej Európe. Americké firmy vedú vo výrobnej technológii. Ich displeje teraz dominujú na trhu a je nepravdepodobné, že by sa to v blízkej budúcnosti zmenilo.
Fyzika procesu kryštalizácie
Väčšina tekutých kryštálov, ako napríklad cholesterylbenzoát, sa skladá z molekúl s dlhými tyčinkovitými štruktúrami. Táto špeciálna štruktúra molekúl kvapalinykryštály medzi dvoma polarizačnými filtrami je možné rozbiť privedením napätia na elektródy, prvok LCD sa stane nepriehľadným a zostane tmavý. Týmto spôsobom je možné rôzne prvky displeja prepínať na svetlé alebo tmavé farby, čím sa zobrazujú čísla alebo znaky.
Táto kombinácia príťažlivých síl existujúcich medzi všetkými molekulami spojenými s tyčinkovou štruktúrou spôsobuje tvorbu fázy tekutých kryštálov. Táto interakcia však nie je dostatočne silná, aby udržala molekuly na mieste trvalo. Odvtedy bolo objavených mnoho rôznych typov štruktúr tekutých kryštálov. Niektoré z nich sú usporiadané vo vrstvách, iné vo forme disku alebo vo forme stĺpcov.
LCD technológia
Princíp činnosti displeja z tekutých kryštálov je založený na vlastnostiach elektricky citlivých materiálov nazývaných tekuté kryštály, ktoré prúdia ako kvapaliny, ale majú kryštalickú štruktúru. V kryštalických tuhých látkach sú častice - atómy alebo molekuly - v geometrických poliach, zatiaľ čo v kvapalnom stave sa môžu voľne pohybovať náhodne.
Zobrazovacie zariadenie z tekutých kryštálov pozostáva z molekúl, často v tvare tyče, ktoré sa organizujú jedným smerom, no stále sa môžu pohybovať. Molekuly tekutých kryštálov reagujú naelektrické napätie, ktoré mení ich orientáciu a mení optické vlastnosti materiálu. Táto vlastnosť sa používa na LCD.
V priemere takýto panel pozostáva z tisícok obrazových prvkov („pixelov“), ktoré sú jednotlivo napájané napätím. Sú tenšie, ľahšie a majú nižšie prevádzkové napätie ako iné zobrazovacie technológie a sú ideálne pre zariadenia napájané z batérie.
Pasívna matica
Existujú dva typy displejov: pasívna a aktívna matica. Pasívne sú riadené len dvomi elektródami. Sú to pásy priehľadného ITO, ktoré sa navzájom otáčajú o 90. To vytvára krížovú maticu, ktorá riadi každú LC bunku individuálne. Adresovanie sa vykonáva pomocou logiky a ovládačov oddelených od digitálneho LCD. Keďže pri tomto type riadenia nie je v LC článku žiadny náboj, molekuly tekutých kryštálov sa postupne vracajú do pôvodného stavu. Preto musí byť každá bunka v pravidelných intervaloch monitorovaná.
Pasíva majú relatívne dlhú dobu odozvy a nie sú vhodné pre televízne aplikácie. Výhodne nie sú na sklenenom substráte namontované žiadne budiče alebo spínacie komponenty, ako sú tranzistory. Nedochádza k strate jasu v dôsledku zatienenia týmito prvkami, takže obsluha LCD je veľmi jednoduchá.
Pasívne sú široko používané so segmentovanými číslicami a symbolmi na malé čítanie v zariadeniach ako napr.kalkulačky, tlačiarne a diaľkové ovládače, z ktorých mnohé sú čiernobiele alebo majú len niekoľko farieb. Pasívne monochromatické a farebné grafické displeje sa používali v prvých prenosných počítačoch a stále sa používajú ako alternatíva k aktívnej matici.
Aktívne TFT displeje
Aktívne maticové displeje, každý používa jeden tranzistor na riadenie a kondenzátor na uloženie náboja. V technológii IPS (In Plane Switching) princíp činnosti indikátora z tekutých kryštálov využíva konštrukciu, kde sa elektródy nehromadia, ale sú umiestnené vedľa seba v rovnakej rovine na sklenenom substráte. Elektrické pole preniká LC molekulami horizontálne.
Sú zarovnané rovnobežne s povrchom obrazovky, čo výrazne zväčšuje pozorovací uhol. Nevýhodou IPS je, že každá bunka potrebuje dva tranzistory. To znižuje priehľadnú oblasť a vyžaduje jasnejšie podsvietenie. VA (Vertical Alignment) a MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) používajú pokročilé tekuté kryštály, ktoré sa zarovnávajú vertikálne bez elektrického poľa, teda kolmo na povrch obrazovky.
Polarizované svetlo môže prechádzať, ale je blokované predným polarizátorom. Bunka bez aktivácie je teda čierna. Pretože všetky molekuly, dokonca aj tie, ktoré sa nachádzajú na okrajoch substrátu, sú rovnomerne vertikálne zarovnané, výsledná hodnota čiernej je teda vo všetkých rohoch veľmi veľká. Na rozdiel od pasívnej maticedispleje z tekutých kryštálov, displeje s aktívnou maticou majú v každom červenom, zelenom a modrom subpixeli tranzistor, ktorý ich udržiava na požadovanej intenzite, kým sa daný riadok neosloví v ďalšom rámci.
Čas prepnutia bunky
Doba odozvy displejov bola vždy veľkým problémom. V dôsledku relatívne vysokej viskozity tekutého kryštálu sa články LCD spínajú pomerne pomaly. V dôsledku rýchlych pohybov v obraze to vedie k tvorbe pruhov. Tieto problémy zvyčajne riešia nízkoviskózne tekuté kryštály a modifikované riadenie buniek tekutých kryštálov (overdrive).
Doba odozvy moderných LCD je v súčasnosti približne 8 ms (najrýchlejšia doba odozvy je 1 ms), čím sa mení jas obrazovej oblasti z 10 % na 90 %, pričom 0 % a 100 % predstavuje jas v ustálenom stave, ISO 13406 -2 je súčet doby prepnutia zo svetlej do tmavej (alebo naopak) a naopak. Kvôli asymptotickému procesu prepínania je však potrebný spínací čas <3 ms, aby sa predišlo viditeľným pásom.
Technológia Overdrive skracuje čas spínania článkov tekutých kryštálov. Na tento účel sa na článok LCD dočasne privedie vyššie napätie, ako je potrebné pre skutočnú hodnotu jasu. V dôsledku krátkeho napäťového rázu displeja z tekutých kryštálov sa inertné tekuté kryštály doslova vylomia zo svojej polohy a vyrovnajú sa oveľa rýchlejšie. Pre túto úroveň procesu musí byť obrázok uložený do vyrovnávacej pamäte. Spolu so špeciálne navrhnutými pre zodpovedajúce hodnotykorekcia zobrazenia, zodpovedajúca výška napätia závisí od gama a je riadená vyhľadávacími tabuľkami zo signálového procesora pre každý pixel a vypočíta sa presný čas informácie o obrázku.
Hlavné zložky ukazovateľov
Rotácia polarizácie svetla produkovaného tekutými kryštálmi je základom fungovania LCD. V zásade existujú dva typy LCD, priepustné a reflexné:
- Transmisívne.
- Prevodovka.
Prevádzka LCD displeja prevodovky. Na ľavej strane podsvietenie LCD vyžaruje nepolarizované svetlo. Keď svetlo prechádza cez zadný polarizátor (vertikálny polarizátor), bude vertikálne polarizované. Toto svetlo potom dopadá na tekutý kryštál a ak je zapnuté, skrúti polarizáciu. Preto, keď vertikálne polarizované svetlo prechádza cez segment tekutých kryštálov ON, stáva sa horizontálne polarizovaným.
Ďalej - predný polarizátor bude blokovať horizontálne polarizované svetlo. Tento segment sa teda bude javiť ako tmavý. Ak je segment tekutých kryštálov vypnutý, nezmení polarizáciu svetla, takže zostane vertikálne polarizovaný. Takže predný polarizátor toto svetlo prepúšťa. Tieto displeje, bežne označované ako podsvietené LCD, využívajú ako zdroj okolité svetlo:
- Hodiny.
- Reflexný LCD.
- Tento typ zobrazenia zvyčajne používajú kalkulačky.
Pozitívne a negatívne segmenty
Pozitívny obrázok tvoria tmavé pixely alebo segmenty na bielom pozadí. V nich sú polarizátory navzájom kolmé. To znamená, že ak je predný polarizátor vertikálny, tak zadný polarizátor bude horizontálny. Takže OFF a pozadie prepustí svetlo a ON ho zablokuje. Tieto displeje sa zvyčajne používajú v aplikáciách, kde je prítomné okolité svetlo.
Je tiež schopný vytvárať displeje v pevnej fáze a displeje z tekutých kryštálov s rôznymi farbami pozadia. Negatívny obraz je vytvorený svetlými pixelmi alebo segmentmi na tmavom pozadí. V nich sú kombinované predné a zadné polarizátory. To znamená, že ak je predný polarizátor vertikálny, zadný bude tiež vertikálny a naopak.
Segmenty OFF a pozadie teda blokujú svetlo a segmenty ON prepúšťajú svetlo, čím vytvárajú svetlé zobrazenie na tmavom pozadí. Podsvietené LCD zvyčajne používajú tento typ, ktorý sa používa tam, kde je slabé okolité svetlo. Je tiež schopný vytvárať rôzne farby pozadia.
Pamäť displeja RAM
DD je pamäť, do ktorej sa ukladajú znaky zobrazené na obrazovke. Na zobrazenie 2 riadkov po 16 znakoch sú adresy definované takto:
| Line | Viditeľné | Invisible |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Nízke | 40H – 4FH | 50H 67H |
Umožňuje vám vytvoriť maximálne 8 znakov alebo 5x7 znakov. Po načítaní nových znakov do pamäte k nim možno pristupovať, ako keby to boli normálne znaky uložené v pamäti ROM. CG RAM používa 8-bitové slová, ale na LCD sa zobrazuje iba 5 najmenej významných bitov.
Takže D4 je najľavejší bod a D0 je pól vpravo. Napríklad načítanie bajtu CG RAM pri 1Fh vyvolá všetky bodky tohto riadku.
Ovládanie bitového režimu
K dispozícii sú dva režimy zobrazenia: 4-bitový a 8-bitový. V 8-bitovom režime sú dáta odosielané na displej pinmi D0 až D7. Reťazec RS je nastavený na 0 alebo 1 v závislosti od toho, či chcete odoslať príkaz alebo údaje. R/W riadok musí byť tiež nastavený na 0, aby sa označil displej, ktorý sa má zapísať. Zostáva odoslať impulz aspoň 450 ns na vstup E, aby sa indikovalo, že na kolíkoch D0 až D7 sú platné údaje.
Displej načíta údaje na zostupnej hrane tohto vstupu. Ak sa vyžaduje čítanie, postup je rovnaký, ale tentoraz je riadok R/W nastavený na 1, aby sa vyžiadalo čítanie. Údaje budú platné na riadkoch D0-D7 v stave vysokej čiary.
4-bitový režim. V niektorých prípadoch môže byť potrebné znížiť počet vodičov používaných na ovládanie displeja, napríklad keď má mikrokontrolér veľmi málo I/O pinov. V tomto prípade je možné použiť 4-bitový LCD režim. V tomto režime vysielaťdáta a ich čítanie, používajú sa iba 4 najvýznamnejšie bity (D4 až D7) displeja.
4 platné bity (D0 až D3) sú potom pripojené k zemi. Dáta sa potom zapisujú alebo čítajú odoslaním štyroch najvýznamnejších bitov v poradí, po ktorých nasledujú štyri najmenej významné bity. Na otestovanie každého hryznutia musí byť na linke E odoslaný pozitívny impulz aspoň 450 ns.
V oboch režimoch sa po každej akcii na displeji môžete uistiť, že dokáže spracovať nasledujúce informácie. Ak to chcete urobiť, musíte požiadať o čítanie v príkazovom režime a skontrolovať príznak Busy BF. Keď BF=0, displej je pripravený prijať nový príkaz alebo údaje.
Zariadenia s digitálnym napätím
Digitálne indikátory z tekutých kryštálov pre testery pozostávajú z dvoch tenkých sklenených tabúľ, na ktorých čelné plochy boli nanesené tenké vodivé dráhy. Pri pohľade na sklo sprava alebo takmer v pravom uhle tieto stopy nie sú viditeľné. Pri určitých uhloch pohľadu sa však stanú viditeľnými.
Schéma elektrického obvodu.
Tu popísaný tester pozostáva z pravouhlého oscilátora, ktorý generuje dokonale symetrické striedavé napätie bez akejkoľvek jednosmernej zložky. Väčšina logických generátorov nie je schopná generovať štvorcovú vlnu, generuje štvorcové priebehy, ktorých pracovný cyklus kolíše okolo 50 %. 4047 použitý v testeri má binárny skalárny výstup, ktorý zaručuje symetriu. Frekvenciaoscilátor je asi 1 kHz.
Môže byť napájaný napájaním 3-9 V. Väčšinou to bude batéria, ale variabilné napájanie má svoje výhody. Ukazuje, pri akom napätí indikátor napätia tekutý kryštál uspokojivo funguje a existuje tiež jasný vzťah medzi úrovňou napätia a uhlom, pod ktorým je displej jasne viditeľný. Tester odoberá maximálne 1 mA.
Testovacie napätie musí byť vždy pripojené medzi spoločnú svorku, t. j. zadnú rovinu, a jeden zo segmentov. Ak nie je známe, ktorý terminál je základná doska, potom pripojte jednu sondu testera k segmentu a druhú sondu ku všetkým ostatným svorkám, kým segment nebude viditeľný.
