Displej z tekutých krystalů je druh elektricky generovaného obrazu na tenkém plochém panelu. První LCD, které vyšly v 70. letech 20. století, byly malé obrazovky používané především v kalkulačkách a digitálních hodinkách, které zobrazovaly černá čísla na bílém pozadí. LCD lze nalézt všude v systémech domácí elektroniky, mobilních telefonech, fotoaparátech a počítačových monitorech, stejně jako v hodinkách a televizorech. Dnešní moderní LCD televizory s plochým panelem do značné míry nahradily tradiční objemné CRT v televizorech a mohou produkovat barevný obraz s vysokým rozlišením až 108 palců úhlopříčně přes obrazovku.
Historie tekutých krystalů
Tekuté krystaly objevil v roce 1888 náhodou botanik F. Reinitzer z Rakouska. Zjistil, že cholesterylbenzoát má dva body tání, při 145 °C se mění v zakalenou kapalinu a při teplotách nad 178,5 °C se kapalina stává průhlednou. Nanajít vysvětlení tohoto jevu, dal své vzorky fyziku Otto Lehmannovi. Pomocí mikroskopu vybaveného stupňovitým ohřevem Lehman ukázal, že látka má optické vlastnosti charakteristické pro některé krystaly, ale je stále kapalná, a proto byl vytvořen termín „tekutý krystal“.
V průběhu dvacátých a třicátých let minulého století výzkumníci studovali účinky elektromagnetických polí na tekuté krystaly. V roce 1929 ruský fyzik Vsevolod Frederiks ukázal, že jejich molekuly v tenkém filmu vloženém mezi dvě desky změnily své zarovnání, když bylo aplikováno magnetické pole. Byl to předchůdce moderního napěťového displeje z tekutých krystalů. Tempo technologického rozvoje od počátku 90. let bylo rychlé a stále roste.
Technologie LCD se vyvinula z černobílé pro jednoduché hodinky a kalkulačky na vícebarevnou pro mobilní telefony, počítačové monitory a televize. Globální trh LCD se nyní blíží 100 miliardám dolarů ročně, což je nárůst z 60 miliard dolarů v roce 2005 a 24 miliard dolarů v roce 2003. Výroba LCD je celosvětově soustředěna na Dálném východě a roste ve střední a východní Evropě. Americké firmy vedou ve výrobní technologii. Jejich displeje nyní dominují trhu a je nepravděpodobné, že se to v blízké budoucnosti změní.
Fyzika procesu krystalizace
Většina tekutých krystalů, jako je cholesterylbenzoát, se skládá z molekul s dlouhými tyčinkovitými strukturami. Tato speciální struktura molekul kapalinykrystaly mezi dvěma polarizačními filtry lze rozbít přivedením napětí na elektrody, prvek LCD se stane neprůhledným a zůstane tmavý. Tímto způsobem lze různé prvky displeje přepnout na světlé nebo tmavé barvy, a tím zobrazit čísla nebo znaky.
Tato kombinace přitažlivých sil existujících mezi všemi molekulami spojenými s tyčovitou strukturou způsobuje tvorbu fáze tekutých krystalů. Tato interakce však není dostatečně silná, aby udržela molekuly na místě trvale. Od té doby bylo objeveno mnoho různých typů struktur tekutých krystalů. Některé z nich jsou uspořádány ve vrstvách, jiné ve formě disku nebo ve formě sloupců.
LCD technologie
Funkční princip displeje z tekutých krystalů je založen na vlastnostech elektricky citlivých materiálů zvaných tekuté krystaly, které tečou jako kapaliny, ale mají krystalickou strukturu. V krystalických pevných látkách jsou základní částice - atomy nebo molekuly - v geometrických polích, zatímco v kapalném stavu se mohou volně pohybovat náhodně.
Zobrazovací zařízení z tekutých krystalů se skládá z molekul, často ve tvaru tyče, které se organizují jedním směrem, ale stále se mohou pohybovat. Molekuly tekutých krystalů reagují naelektrické napětí, které mění jejich orientaci a mění optické vlastnosti materiálu. Tato vlastnost se používá na LCD.
V průměru se takový panel skládá z tisíců obrazových prvků („pixelů“), které jsou jednotlivě napájeny napětím. Jsou tenčí, lehčí a mají nižší provozní napětí než jiné zobrazovací technologie a jsou ideální pro zařízení napájená bateriemi.
Pasivní matice
Existují dva typy displejů: pasivní a aktivní matice. Pasivní jsou ovládány pouze dvěma elektrodami. Jsou to proužky průhledného ITO, které se navzájem otáčejí o 90. To vytváří křížovou matici, která řídí každou LC buňku samostatně. Adresování se provádí logikou a ovladači oddělenými od digitálního LCD. Vzhledem k tomu, že u tohoto typu řízení není v LC článku žádný náboj, molekuly tekutých krystalů se postupně vracejí do původního stavu. Proto musí být každá buňka v pravidelných intervalech sledována.
Pasivní prvky mají relativně dlouhou dobu odezvy a nejsou vhodné pro televizní aplikace. Výhodně nejsou na skleněném substrátu namontovány žádné ovladače nebo spínací součásti, jako jsou tranzistory. Nedochází ke ztrátě jasu v důsledku zastínění těmito prvky, takže obsluha LCD je velmi jednoduchá.
Pasivní se široce používají se segmentovanými číslicemi a symboly pro malé čtení v zařízeních, jako je např.kalkulačky, tiskárny a dálkové ovladače, z nichž mnohé jsou monochromatické nebo mají pouze několik barev. Pasivní monochromatické a barevné grafické displeje se používaly u prvních notebooků a stále se používají jako alternativa k aktivní matici.
Aktivní TFT displeje
Aktivní maticové displeje, každý používá jeden tranzistor k řízení a kondenzátor k uložení náboje. V technologii IPS (In Plane Switching) využívá princip činnosti indikátoru z tekutých krystalů konstrukci, kdy se elektrody neskládají na sebe, ale jsou umístěny vedle sebe ve stejné rovině na skleněném substrátu. Elektrické pole proniká LC molekulami horizontálně.
Jsou zarovnány rovnoběžně s povrchem obrazovky, což výrazně zvyšuje pozorovací úhel. Nevýhodou IPS je, že každá buňka potřebuje dva tranzistory. To snižuje průhlednou oblast a vyžaduje jasnější podsvícení. VA (Vertical Alignment) a MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) používají pokročilé tekuté krystaly, které se zarovnávají vertikálně bez elektrického pole, tedy kolmo k povrchu obrazovky.
Polarizované světlo může procházet, ale je blokováno předním polarizátorem. Buňka bez aktivace je tedy černá. Protože všechny molekuly, dokonce i ty, které se nacházejí na okrajích substrátu, jsou rovnoměrně vertikálně zarovnány, výsledná hodnota černé je tak ve všech rozích velmi velká. Na rozdíl od pasivní maticedispleje z tekutých krystalů, displeje s aktivní maticí mají v každém červeném, zeleném a modrém subpixelu tranzistor, který je udržuje na požadované intenzitě, dokud nebude tento řádek adresován v dalším snímku.
Čas přepnutí buňky
Doba odezvy displejů byla vždy velkým problémem. Vzhledem k relativně vysoké viskozitě tekutých krystalů se články LCD spínají poměrně pomalu. Díky rychlým pohybům v obraze to vede k tvorbě pruhů. Tyto problémy obvykle řeší nízkoviskózní tekuté krystaly a modifikované řízení buněk tekutých krystalů (overdrive).
Doba odezvy moderních LCD je v současné době asi 8 ms (nejrychlejší doba odezvy je 1 ms), čímž se jas obrazové oblasti mění z 10 % na 90 %, kde 0 % a 100 % představuje jas v ustáleném stavu, ISO 13406 -2 je součet doby přepnutí ze světlé do tmavé (nebo naopak) a naopak. Kvůli asymptotickému procesu přepínání je však vyžadována doba přepínání <3 ms, aby se zabránilo viditelným pásmům.
Technologie Overdrive zkracuje dobu přepínání článků z tekutých krystalů. Za tímto účelem je na článek LCD dočasně přivedeno vyšší napětí, než je nutné pro skutečnou hodnotu jasu. Kvůli krátkému napěťovému rázu displeje z tekutých krystalů se inertní tekuté krystaly doslova vylomí ze své pozice a mnohem rychleji se vyrovnají. Pro tuto úroveň procesu musí být obrázek uložen do mezipaměti. Společně se speciálně navrženými pro odpovídající hodnotykorekce zobrazení, odpovídající výška napětí závisí na gama a je řízena vyhledávacími tabulkami ze signálového procesoru pro každý pixel a vypočítává přesný čas obrazové informace.
Hlavní součásti indikátorů
Rotace v polarizaci světla produkovaného tekutými krystaly je základem pro fungování LCD. V zásadě existují dva typy LCD, transmisivní a reflexní:
- Transmisivní.
- Převodovka.
Přenosový LCD displej. Na levé straně podsvícení LCD vydává nepolarizované světlo. Když světlo prochází zadním polarizátorem (vertikálním polarizátorem), bude vertikálně polarizováno. Toto světlo pak dopadá na tekutý krystal a pokud je zapnuto, zkroutí polarizaci. Proto, když vertikálně polarizované světlo prochází segmentem tekutých krystalů ON, stává se horizontálně polarizovaným.
Další – přední polarizátor bude blokovat horizontálně polarizované světlo. Tento segment se tedy bude pozorovateli jevit jako tmavý. Pokud je segment tekutých krystalů vypnutý, nezmění polarizaci světla, takže zůstane vertikálně polarizován. Přední polarizátor tedy toto světlo propouští. Tyto displeje, běžně označované jako podsvícené LCD, využívají jako zdroj okolního světla:
- Hodiny.
- Reflexní LCD.
- Tento typ zobrazení obvykle používají kalkulačky.
Pozitivní a negativní segmenty
Pozitivní obrázek je tvořen tmavými pixely nebo segmenty na bílém pozadí. V nich jsou polarizátory na sebe kolmé. To znamená, že pokud je přední polarizátor vertikální, pak zadní polarizátor bude horizontální. Takže OFF a pozadí propustí světlo a ON ho zablokuje. Tyto displeje se obvykle používají v aplikacích, kde je přítomno okolní světlo.
Je také schopen vytvářet displeje v pevné fázi a tekuté krystaly s různými barvami pozadí. Negativní obraz je vytvořen světlými pixely nebo segmenty na tmavém pozadí. V nich se kombinují přední a zadní polarizátory. To znamená, že pokud je přední polarizátor vertikální, zadní bude také vertikální a naopak.
Takže OFF segmenty a pozadí blokují světlo a ON segmenty propouštějí světlo a vytvářejí světlý displej na tmavém pozadí. Podsvícené LCD obvykle používají tento typ, který se používá tam, kde je okolní světlo slabé. Je také schopen vytvářet různé barvy pozadí.
Paměť displeje RAM
DD je paměť, do které se ukládají znaky zobrazené na obrazovce. Pro zobrazení 2 řádků po 16 znacích jsou adresy definovány následovně:
| Řádek | Viditelné | Neviditelný |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Nízký | 40H – 4FH | 50H 67H |
Umožňuje vám vytvořit maximálně 8 znaků nebo 5x7 znaků. Jakmile jsou nové znaky načteny do paměti, lze k nim přistupovat, jako by to byly normální znaky uložené v paměti ROM. CG RAM používá slova o šířce 8 bitů, ale na LCD se zobrazí pouze 5 nejméně významných bitů.
Takže D4 je bod nejvíce vlevo a D0 je pól vpravo. Například načtení bajtu CG RAM rychlostí 1Fh vyvolá všechny tečky tohoto řádku.
Ovládání bitového režimu
K dispozici jsou dva režimy zobrazení: 4bitový a 8bitový. V 8bitovém režimu jsou data odesílána na displej pomocí pinů D0 až D7. Řetězec RS je nastaven na 0 nebo 1 v závislosti na tom, zda chcete odeslat příkaz nebo data. R/W řádek musí být také nastaven na 0, aby indikoval displej, do kterého se má zapisovat. Zbývá odeslat puls o délce alespoň 450 ns na vstup E, aby bylo indikováno, že na pinech D0 až D7 jsou platná data.
Displej přečte data na sestupné hraně tohoto vstupu. Pokud je vyžadováno čtení, postup je identický, ale tentokrát je R/W linka nastavena na 1 pro vyžádání čtení. Data budou platná na řádcích D0-D7 ve stavu horního vedení.
4bitový režim. V některých případech může být nutné snížit počet vodičů používaných k ovládání displeje, například když má mikrokontrolér velmi málo I/O pinů. V tomto případě lze použít 4bitový LCD režim. V tomto režimu vysílatdat a jejich čtení, jsou použity pouze 4 nejvýznamnější bity (D4 až D7) displeje.
4 platné bity (D0 až D3) jsou poté připojeny k zemi. Data jsou poté zapsána nebo čtena odesláním čtyř nejvýznamnějších bitů v pořadí, po kterých následují čtyři nejméně významné bity. K otestování každého kousnutí musí být na lince E odeslán pozitivní puls alespoň 450 ns.
V obou režimech se po každé akci na displeji můžete ujistit, že dokáže zpracovat následující informace. Chcete-li to provést, musíte požádat o čtení v příkazovém režimu a zkontrolovat příznak Busy BF. Když BF=0, displej je připraven přijmout nový příkaz nebo data.
Zařízení s digitálním napětím
Digitální indikátory z tekutých krystalů pro testery se skládají ze dvou tenkých skleněných tabulí, na jejichž čelní plochy byly naneseny tenké vodivé dráhy. Při pohledu na sklo zprava nebo téměř pod pravým úhlem tyto stopy nejsou vidět. Při určitých pozorovacích úhlech se však stanou viditelnými.
Schéma elektrického obvodu.
Zde popsaný tester se skládá z obdélníkového oscilátoru, který generuje dokonale symetrické střídavé napětí bez jakékoli stejnosměrné složky. Většina logických generátorů není schopna generovat obdélníkovou vlnu, generují obdélníkové průběhy, jejichž pracovní cyklus kolísá kolem 50 %. 4047 použitý v testeru má binární skalární výstup, který zaručuje symetrii. Frekvenceoscilátor je asi 1 kHz.
Může být napájen zdrojem 3-9 V. Obvykle to bude baterie, ale variabilní napájení má své výhody. Ukazuje, při jakém napětí indikátor napětí tekutý krystal uspokojivě funguje, a existuje také jasný vztah mezi úrovní napětí a úhlem, pod kterým je displej jasně viditelný. Tester odebírá maximálně 1 mA.
Zkušební napětí musí být vždy připojeno mezi společnou svorku, tj. zadní rovinu, a jeden ze segmentů. Pokud nevíte, která svorka je základní deska, připojte jednu sondu testeru k segmentu a druhou sondu ke všem ostatním svorkám, dokud nebude segment viditelný.
