Zaslon s tekočimi kristali je vrsta električno ustvarjene slike na tanki ravni plošči. Prvi LCD-ji, ki so izšli v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so bili majhni zasloni, ki so se uporabljali predvsem v kalkulatorjih in digitalnih urah, ki so prikazovali črne številke na belem ozadju. LCD-je lahko najdemo povsod v sistemih domače elektronike, mobilnih telefonih, kamerah in računalniških monitorjih, pa tudi v urah in televizorjih. Današnji najsodobnejši LCD televizorji z ravnim zaslonom so v veliki meri nadomestili tradicionalne obsežne CRT v televizorjih in lahko ustvarijo barvne slike visoke ločljivosti do 108 palcev diagonalno po zaslonu.
Zgodovina tekočih kristalov
Tekoče kristale je leta 1888 po naključju odkril botanik F. Reinitzer iz Avstrije. Ugotovil je, da ima holesteril benzoat dve tališči, ki se pri 145 ° C spremeni v motno tekočino, pri temperaturah nad 178,5 ° C pa tekočina postane prozorna. Zanašli razlago za ta pojav, je svoje vzorce dal fiziku Ottu Lehmannu. Lehman je z mikroskopom, opremljenim s stopenjskim segrevanjem, pokazal, da ima snov optične lastnosti, značilne za nekatere kristale, vendar je še vedno tekočina, zato je bil skovan izraz "tekoči kristal".
V dvajsetih in tridesetih letih prejšnjega stoletja so raziskovalci preučevali učinke elektromagnetnih polj na tekoče kristale. Leta 1929 je ruski fizik Vsevolod Frederiks pokazal, da so njihove molekule v tankem filmu, stisnjenem med dve plošči, spremenile svojo poravnavo, ko je bilo uporabljeno magnetno polje. Bil je predhodnik sodobnega napetostnega zaslona s tekočimi kristali. Hitrost tehnološkega razvoja od zgodnjih devetdesetih let prejšnjega stoletja je hitra in še naprej raste.
LCD tehnologija se je razvila od črno-bele za preproste ure in kalkulatorje do večbarvne za mobilne telefone, računalniške monitorje in televizorje. Svetovni trg LCD se zdaj približuje 100 milijardam USD na leto, kar je več od 60 milijard USD v letu 2005 in 24 milijard USD v letu 2003. Proizvodnja LCD-jev je globalno koncentrirana na Daljnem vzhodu in raste v Srednji in Vzhodni Evropi. Ameriška podjetja so vodilna v proizvodni tehnologiji. Njihovi zasloni zdaj prevladujejo na trgu in to se verjetno ne bo spremenilo v bližnji prihodnosti.
Fizika kristalizacijskega procesa
Večina tekočih kristalov, kot je holesteril benzoat, je sestavljena iz molekul z dolgimi paličastimi strukturami. Ta posebna struktura tekočih molekulkristali med dvema polarizacijskima filtroma se lahko razbijejo z dovajanjem napetosti na elektrode, LCD element postane neprozoren in ostane temen. Na ta način lahko različne elemente zaslona preklopite na svetle ali temne barve, s čimer se prikažejo številke ali znaki.
Ta kombinacija privlačnih sil, ki obstajajo med vsemi molekulami, povezanimi s paličasto strukturo, povzroči nastanek tekoče kristalne faze. Vendar ta interakcija ni dovolj močna, da bi molekule trajno obdržale na mestu. Od takrat je bilo odkritih veliko različnih vrst tekočih kristalnih struktur. Nekateri od njih so razporejeni v plasteh, drugi v obliki diska ali tvorijo stolpce.
LCD tehnologija
Načelo delovanja zaslona s tekočimi kristali temelji na lastnostih električno občutljivih materialov, imenovanih tekoči kristali, ki tečejo kot tekočine, vendar imajo kristalno strukturo. V kristaliničnih trdnih snoveh so sestavni delci - atomi ali molekule - v geometrijskih nizih, medtem ko se v tekočem stanju prosto gibljejo naključno.
Prikazovalna naprava s tekočimi kristali je sestavljena iz molekul, pogosto v obliki palice, ki se organizirajo v eno smer, vendar se lahko še vedno premikajo. Molekule tekočih kristalov reagirajo naelektrična napetost, ki spremeni njihovo orientacijo in spremeni optične lastnosti materiala. Ta lastnost se uporablja na zaslonih LCD.
Ta plošča je v povprečju sestavljena iz na tisoče slikovnih elementov (»pikslov«), ki jih posamezno napaja napetost. So tanjši, lažji in imajo nižjo delovno napetost kot druge zaslonske tehnologije in so idealni za naprave na baterije.
Pasivna matrika
Obstajata dve vrsti prikazov: pasivni in aktivni matriki. Pasivne nadzirata le dve elektrodi. So trakovi iz prozornega ITO, ki se med seboj vrtijo za 90. To ustvari navzkrižno matriko, ki nadzoruje vsako LC celico posebej. Naslavljanje poteka z logiko in gonilniki, ločenimi od digitalnega LCD-ja. Ker pri tej vrsti nadzora v LC celici ni naboja, se molekule tekočih kristalov postopoma vrnejo v prvotno stanje. Zato je treba vsako celico spremljati v rednih intervalih.
Pasivci imajo razmeroma dolg odzivni čas in niso primerni za televizijske aplikacije. Zaželeno je, da gonilniki ali preklopne komponente, kot so tranzistorji, niso nameščeni na stekleno podlago. Izguba svetlosti zaradi senčenja teh elementov ne pride, zato je delovanje LCD-jev zelo preprosto.
Pasivni se pogosto uporabljajo s segmentiranimi številkami in simboli za majhno branje v napravah, kot je npr.kalkulatorji, tiskalniki in daljinski upravljalniki, od katerih so mnogi enobarvni ali imajo le nekaj barv. Pasivni enobarvni in barvni grafični zasloni so bili uporabljeni v zgodnjih prenosnih računalnikih in se še vedno uporabljajo kot alternativa aktivni matriki.
Aktivni TFT zasloni
Aktivna matrika prikazuje, da vsak uporablja en tranzistor za pogon in kondenzator za shranjevanje naboja. V tehnologiji IPS (In Plane Switching) princip delovanja indikatorja s tekočimi kristali uporablja zasnovo, pri kateri se elektrode ne zlagajo, ampak so nameščene ena poleg druge v isti ravnini na stekleni podlagi. Električno polje prodre skozi molekule LC vodoravno.
Poravnani so vzporedno s površino zaslona, kar močno poveča vidni kot. Pomanjkljivost IPS je, da vsaka celica potrebuje dva tranzistorja. To zmanjša prosojno območje in zahteva svetlejšo osvetlitev ozadja. VA (Vertical Alignment) in MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) uporabljata napredne tekoče kristale, ki se poravnajo navpično brez električnega polja, to je pravokotno na površino zaslona.
Polarizirana svetloba lahko prehaja skozi, vendar jo blokira sprednji polarizator. Tako je celica brez aktivacije črna. Ker so vse molekule, tudi tiste, ki se nahajajo na robovih substrata, enakomerno navpično poravnane, je tako nastala črna vrednost na vseh vogalih zelo velika. Za razliko od pasivne matrikezasloni s tekočimi kristali, zasloni z aktivno matrico imajo v vsaki rdeči, zeleni in modri podpiksli tranzistor, ki jih ohranja na želeni intenzivnosti, dokler ta vrstica ni naslovljena v naslednjem sličici.
Čas preklopa celic
Odzivni čas zaslonov je bil vedno velik problem. Zaradi relativno visoke viskoznosti tekočih kristalov se LCD celice preklapljajo precej počasi. Zaradi hitrih premikov na sliki to vodi do nastanka črt. Tekoči kristal z nizko viskoznostjo in modificiran nadzor celic s tekočimi kristali (overdrive) običajno rešujeta te težave.
Odzivni čas sodobnih LCD-jev je trenutno približno 8 ms (najhitrejši odzivni čas je 1 ms), spreminjanje svetlosti območja slike od 10 % do 90 %, kjer sta 0 % in 100 % svetlost v stabilnem stanju, ISO 13406 -2 je vsota preklopnega časa iz svetlega v temno (ali obratno) in obratno. Vendar pa je zaradi asimptotičnega preklopnega procesa potreben preklopni čas <3 ms, da se izognemo vidnim pasom.
Tehnologija Overdrive skrajša preklopni čas celic s tekočimi kristali. V ta namen se na celico LCD začasno uporabi višja napetost, kot je potrebna za dejansko vrednost svetlosti. Zaradi kratke napetosti zaslona s tekočimi kristali inertni tekoči kristali dobesedno izstopijo iz svojega položaja in se izravnajo veliko hitreje. Za to raven postopka mora biti slika predpomnjena. Skupaj s posebej zasnovanimi za ustrezne vrednostipopravek zaslona, ustrezna višina napetosti je odvisna od gama in jo nadzorujejo iskalne tabele iz signalnega procesorja za vsako slikovno piko ter izračunajo točen čas informacij o sliki.
Glavne komponente kazalnikov
Rotacija v polarizaciji svetlobe, ki jo proizvajajo tekoči kristali, je osnova za delovanje LCD-ja. V bistvu obstajata dve vrsti LCD-jev, transmisivni in odsevni:
- transmisivni.
- prenos.
Delovanje LCD zaslona prenosa. Na levi strani osvetlitev ozadja LCD oddaja nepolarizirano svetlobo. Ko gre skozi zadnji polarizator (navpični polarizator), bo svetloba postala navpično polarizirana. Ta svetloba nato zadene tekoči kristal in ob vklopu zasuka polarizacijo. Zato, ko navpično polarizirana svetloba prehaja skozi ON segment tekočih kristalov, postane vodoravno polarizirana.
Naprej - sprednji polarizator bo blokiral vodoravno polarizirano svetlobo. Tako se bo ta segment opazovalcu zdel temen. Če je segment tekočih kristalov izklopljen, ne bo spremenil polarizacije svetlobe, zato bo ostal navpično polariziran. Torej sprednji polarizator prenaša to svetlobo. Ti zasloni, ki jih običajno imenujemo LCD-ji z osvetlitvijo ozadja, uporabljajo svetlobo okolice kot vir:
- ura.
- Odsevni LCD.
- Običajno kalkulatorji uporabljajo to vrsto prikaza.
Pozitivni in negativni segmenti
Pozitivno sliko ustvarijo temni piksli ali segmenti na belem ozadju. V njih so polarizatorji pravokotni drug na drugega. To pomeni, da če je sprednji polarizator navpičen, bo zadnji polarizator vodoravno. Torej OFF in ozadje bo prepustilo svetlobo, ON pa jo bo blokiralo. Ti zasloni se običajno uporabljajo v aplikacijah, kjer je prisotna ambientalna svetloba.
Prav tako lahko ustvari polprevodniške zaslone in zaslone s tekočimi kristali z različnimi barvami ozadja. Negativno sliko ustvarijo svetli piksli ali segmenti na temnem ozadju. V njih so kombinirani sprednji in zadnji polarizatorji. To pomeni, da če je sprednji polarizator navpičen, bo tudi zadnji navpičen in obratno.
Torej, segmenti OFF in ozadje blokirajo svetlobo, segmenti ON pa prepuščajo svetlobo in ustvarijo svetel prikaz na temnem ozadju. LCD-ji z osvetlitvijo ozadja običajno uporabljajo to vrsto, ki se uporablja tam, kjer je svetloba okolice šibka. Prav tako lahko ustvari različne barve ozadja.
Prikazni pomnilnik RAM
DD je pomnilnik, ki shranjuje znake, prikazane na zaslonu. Za prikaz 2 vrstici po 16 znakov so naslovi definirani na naslednji način:
| vrstica | Vidno | Nevidno |
| Na vrh | 00H 0FH | 10H 27H |
| Nizka | 40H - 4FH | 50H 67H |
Omogoča vam, da ustvarite največ 8 znakov ali 5x7 znakov. Ko so novi znaki naloženi v pomnilnik, je do njih mogoče dostopati, kot da bi bili običajni znaki, shranjeni v ROM-u. CG RAM uporablja 8-bitne besede, vendar se na LCD-prikazovalniku prikaže samo 5 najmanj pomembnih bitov.
Torej je D4 skrajna leva točka, D0 pa pol na desni. Na primer, nalaganje bajta RAM CG pri 1Fh pokliče vse pike te vrstice.
Nadzor bitnega načina
Na voljo sta dva načina prikaza: 4-bitni in 8-bitni. V 8-bitnem načinu se podatki pošiljajo na zaslon preko nožic D0 do D7. Niz RS je nastavljen na 0 ali 1, odvisno od tega, ali želite poslati ukaz ali podatke. Črta R/W mora biti nastavljena tudi na 0, da označuje prikaz, ki ga želite vpisati. Ostaja še, da pošljete impulz vsaj 450 ns na vhod E, da pokažete, da so veljavni podatki prisotni na nožicah D0 do D7.
Zaslon bo prebral podatke na padajočem robu tega vnosa. Če je potrebno branje, je postopek enak, vendar je tokrat vrstica R/W nastavljena na 1, da zahteva branje. Podatki bodo veljavni na vrsticah D0-D7 v stanju visoke črte.
4-bitni način. V nekaterih primerih bo morda treba zmanjšati število žic, ki se uporabljajo za pogon zaslona, na primer, ko ima mikrokrmilnik zelo malo V/I zatičev. V tem primeru je mogoče uporabiti 4-bitni LCD način. V tem načinu za prenospodatke in njihovo branje, se uporabljajo samo 4 najpomembnejši biti (D4 do D7) zaslona.
4 pomembni biti (D0 do D3) so nato povezani z ozemljitvijo. Podatki se nato zapišejo ali preberejo s pošiljanjem štirih najpomembnejših bitov zaporedoma, ki jim sledijo štirje najmanj pomembni. Pozitiven impulz najmanj 450 ns je treba poslati na linijo E, da se preizkusi vsak grižljaj.
V obeh načinih se lahko po vsakem dejanju na zaslonu prepričate, da lahko obdela naslednje informacije. Če želite to narediti, morate zahtevati branje v ukaznem načinu in preveriti zastavico Zasedeno BF. Ko je BF=0, je zaslon pripravljen sprejeti nov ukaz ali podatke.
Digitalne napetostne naprave
Digitalni indikatorji s tekočimi kristali za testerje so sestavljeni iz dveh tankih steklenih listov, na katerih so obrnjene površine nanesene tanke prevodne sledi. Ko gledamo steklo z desne ali skoraj pod pravim kotom, te sledi niso vidne. Vendar pa pod določenimi zornimi koti postanejo vidni.
Električna shema.
Tu opisani tester je sestavljen iz pravokotnega oscilatorja, ki generira popolnoma simetrično izmenično napetost brez enosmerne komponente. Večina logičnih generatorjev ni sposobna generirati kvadratnega vala, generira kvadratne valovne oblike, katerih delovni cikel niha okoli 50%. 4047, uporabljen v testerju, ima binarni skalarni izhod, ki zagotavlja simetrijo. Frekvencaoscilator je približno 1 kHz.
Napaja se lahko z napajalnikom 3-9 V. Običajno bo to baterija, vendar ima spremenljivo napajanje svoje prednosti. Prikazuje, pri kateri napetosti indikator napetosti tekoči kristal deluje zadovoljivo, obstaja pa tudi jasna povezava med nivojem napetosti in kotom, pod katerim je zaslon jasno viden. Tester ne porabi več kot 1 mA.
Preskusna napetost mora biti vedno povezana med skupno sponko, to je zadnjo ravnino, in enim od segmentov. Če ni znano, kateri terminal je hrbtna plošča, priključite eno sondo testerja na segment in drugo sondo na vse druge terminale, dokler segment ni viden.
