A folyadékkristályos kijelző egyfajta elektromosan generált kép egy vékony lapos panelen. Az első LCD-k, amelyek az 1970-es években jelentek meg, apró képernyők voltak, amelyeket elsősorban számológépekben és digitális órákban használtak, és fehér alapon fekete számokat jelenítettek meg. Az LCD-k mindenhol megtalálhatók otthoni elektronikai rendszerekben, mobiltelefonokban, fényképezőgépekben és számítógép-monitorokban, valamint órákban és televíziókban. A mai korszerű LCD síkképernyős TV-k nagyrészt felváltották a hagyományos nagyméretű CRT-ket a televíziókban, és akár 108 hüvelyk átlós nagyfelbontású színes képeket is képesek előállítani a képernyőn.
A folyékony kristályok története
A folyadékkristályokat 1888-ban F. Reinitzer osztrák botanikus fedezte fel véletlenül. Azt találta, hogy a koleszteril-benzoátnak két olvadáspontja van, 145 ° C-on zavaros folyadékká alakul, és 178,5 ° C feletti hőmérsékleten a folyadék átlátszóvá válik. Nak nekmagyarázatot találni erre a jelenségre, mintáit Otto Lehmann fizikusnak adta át. Lehman egy lépcsőzetes melegítéssel felszerelt mikroszkóp segítségével kimutatta, hogy az anyag bizonyos kristályokra jellemző optikai tulajdonságokkal rendelkezik, de mégis folyadék, ezért találták ki a „folyadékkristály” kifejezést.
Az 1920-as és 1930-as években a kutatók az elektromágneses terek folyadékkristályokra gyakorolt hatását tanulmányozták. 1929-ben Vszevolod Frederiks orosz fizikus kimutatta, hogy a két lemez közé szendvicsezett vékony filmben lévő molekuláik megváltoztatták az elrendezésüket, amikor mágneses mezőt alkalmaztak. Ez volt a modern feszültségű folyadékkristályos kijelző előfutára. A technológiai fejlődés üteme az 1990-es évek eleje óta gyors és folyamatosan növekszik.
Az LCD-technológia az egyszerű órák és számológépek fekete-fehérétől a mobiltelefonok, számítógép-monitorok és televíziók többszínűvé fejlődött. A globális LCD-piac jelenleg megközelíti az évi 100 milliárd dollárt, szemben a 2005-ös 60, illetve a 2003-as 24 milliárd dollárral. Az LCD-gyártás globálisan a Távol-Keleten koncentrálódik, és Közép- és Kelet-Európában növekszik. Az amerikai cégek élen járnak a gyártástechnológiában. Jelenleg a kijelzőik uralják a piacot, és ez valószínűleg nem fog változni a közeljövőben.
A kristályosodási folyamat fizikája
A legtöbb folyadékkristály, mint például a koleszteril-benzoát, hosszú, rúdszerű szerkezetű molekulákból áll. Ez a speciális szerkezete a folyékony molekuláknakA két polarizáló szűrő közötti kristályok az elektródák feszültségének hatására törhetők, az LCD elem átlátszatlanná válik és sötét marad. Ily módon a különböző kijelzőelemek világos vagy sötét színűre válthatók, és ezáltal számok vagy karakterek jelennek meg.
A rúdszerű szerkezethez kapcsolódó összes molekula között létező vonzó erők kombinációja folyadékkristályos fázis kialakulását idézi elő. Ez a kölcsönhatás azonban nem elég erős ahhoz, hogy a molekulákat tartósan a helyükön tartsa. Azóta sokféle folyadékkristály-szerkezetet fedeztek fel. Némelyikük rétegekbe, mások lemez vagy űrlaposzlopok formájában vannak elrendezve.
LCD technológia
A folyadékkristályos kijelző működési elve az elektromosan érzékeny, folyadékkristályoknak nevezett anyagok tulajdonságain alapul, amelyek folyadékként áramlanak, de kristályos szerkezetűek. A kristályos szilárd anyagokban az alkotó részecskék - atomok vagy molekulák - geometriai tömbökben vannak, míg folyékony halmazállapotban szabadon, véletlenszerűen mozoghatnak.
A folyadékkristályos megjelenítő eszköz gyakran rúd alakú molekulákból áll, amelyek egy irányba szerveződnek, de mozoghatnak. A folyadékkristály molekulák reagálnakolyan elektromos feszültség, amely megváltoztatja a tájolásukat és megváltoztatja az anyag optikai jellemzőit. Ezt a tulajdonságot az LCD-k használják.
Egy ilyen panel átlagosan több ezer képelemből ("pixelből") áll, amelyeket külön-külön feszültség táplál. Vékonyabbak, könnyebbek és alacsonyabb üzemi feszültséggel rendelkeznek, mint más kijelzőtechnológiák, és ideálisak akkumulátoros eszközökhöz.
Passzív Mátrix
Kétféle megjelenítés létezik: passzív és aktív mátrix. A passzívakat csak két elektróda vezérli. Ezek átlátszó ITO-csíkok, amelyek 90-kal elforgatják egymást. Ez egy keresztmátrixot hoz létre, amely minden egyes LC cellát külön-külön vezérel. A címzést a logika és a digitális LCD-től elkülönített illesztőprogramok végzik. Mivel ebben a típusú kontrollban nincs töltés az LC cellában, a folyadékkristály molekulák fokozatosan visszatérnek eredeti állapotukba. Ezért minden egyes cellát rendszeres időközönként ellenőrizni kell.
A passzív anyagok viszonylag hosszú válaszidővel rendelkeznek, és nem alkalmasak televíziós alkalmazásokhoz. Előnyösen nem szerelnek fel meghajtókat vagy kapcsolóelemeket, például tranzisztorokat az üveghordozóra. Ezeknek az elemeknek az árnyékolása miatt a fényerő nem csökken, így az LCD-k kezelése nagyon egyszerű.
A passzív széles körben használatos szegmentált számjegyekkel és szimbólumokkal kis olvasáshoz olyan eszközökön, mint pl.számológépek, nyomtatók és távirányítók, amelyek közül sok monokróm vagy csak néhány színű. Passzív monokróm és színes grafikus kijelzőket használtak a korai laptopokban, és még mindig az aktív mátrix alternatívájaként használják.
Aktív TFT-kijelzők
Az aktív mátrix kijelzők mindegyike egy tranzisztort használ a meghajtáshoz és egy kondenzátort a töltés tárolására. Az IPS (In Plane Switching) technológiában a folyadékkristályos indikátor működési elve olyan kialakítást alkalmaz, ahol az elektródák nem egymásra helyezkednek, hanem egy síkban egymás mellett helyezkednek el egy üveghordozón. Az elektromos tér vízszintesen hatol be az LC molekulákba.
A képernyő felületével párhuzamosan vannak elrendezve, ami jelentősen megnöveli a látószöget. Az IPS hátránya, hogy minden cellához két tranzisztor szükséges. Ez csökkenti az átlátszó területet, és erősebb háttérvilágítást igényel. A VA (Vertical Alignment) és MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) fejlett folyadékkristályokat használ, amelyek függőlegesen, elektromos tér nélkül, azaz a képernyő felületére merőlegesen igazodnak el.
Polarizált fény áthaladhat, de az elülső polarizátor blokkolja. Így az aktiválás nélküli sejt fekete. Mivel minden molekula, még azok is, amelyek a szubsztrát szélein helyezkednek el, egyenletesen függőlegesen elhelyezkednek, így a kapott fekete érték minden sarokban nagyon nagy. A passzív mátrixszal ellentétbenA folyadékkristályos kijelzők esetében az aktív mátrixos kijelzők mindegyik piros, zöld és kék alpixelében egy-egy tranzisztor található, amely a kívánt intenzitáson tartja őket mindaddig, amíg az adott sort a következő képkockában meg nem címezzük.
Cellaváltási idő
A kijelzők válaszideje mindig is nagy probléma volt. A folyadékkristály viszonylag magas viszkozitása miatt az LCD cellák meglehetősen lassan kapcsolnak. A kép gyors mozgása miatt ez csíkok kialakulásához vezet. Az alacsony viszkozitású folyadékkristályos és módosított folyadékkristályos cellavezérlés (túlhajtás) általában megoldja ezeket a problémákat.
A modern LCD-k válaszideje jelenleg körülbelül 8 ms (a leggyorsabb válaszidő 1 ms), ami a képterület fényerejét 10%-ról 90%-ra változtatja, ahol 0% és 100% az állandósult fényerő, ISO 13406 -2 a világosról sötétre (vagy fordítva) és fordítva eltelt idő összege. Az aszimptotikus kapcsolási folyamat miatt azonban <3 ms kapcsolási idő szükséges a látható sávok elkerülése érdekében.
Az Overdrive technológia csökkenti a folyadékkristályos cellák kapcsolási idejét. Ebből a célból átmenetileg nagyobb feszültséget kapcsolunk az LCD cellára, mint amennyi a tényleges fényerő értékéhez szükséges. A folyadékkristályos kijelző rövid feszültséglökése miatt az inert folyadékkristályok szó szerint kiszakadnak a helyükről és sokkal gyorsabban szinteződnek ki. Ehhez a folyamatszinthez a képet gyorsítótárban kell tárolni. Együtt kifejezetten a megfelelő értékekhez tervezettKijelzéskorrekció esetén a megfelelő feszültségmagasság a gammától függ, és a jelfeldolgozó minden egyes pixelre kikereső táblázatai vezérlik, és kiszámítják a képinformáció pontos idejét.
A mutatók fő összetevői
A folyadékkristályok által keltett fény polarizációjának forgása az LCD működésének alapja. Alapvetően kétféle LCD létezik, áteresztő és tükröző:
- Transmissive.
- Sebességváltó.
Sebességváltó LCD kijelző működése. A bal oldalon az LCD háttérvilágítás polarizálatlan fényt bocsát ki. Amikor áthalad a hátsó polarizátoron (függőleges polarizátor), a fény függőlegesen polarizált lesz. Ez a fény ezután eléri a folyadékkristályt, és ha be van kapcsolva, elcsavarja a polarizációt. Ezért amikor a függőlegesen polarizált fény áthalad a BE folyadékkristály szegmensen, az vízszintesen polarizált lesz.
Következő - az elülső polarizátor blokkolja a vízszintesen polarizált fényt. Így ez a szegmens sötétnek tűnik a megfigyelő számára. Ha a folyadékkristály szegmenst kikapcsoljuk, az nem változtatja meg a fény polarizációját, így függőlegesen polarizált marad. Tehát az elülső polarizátor továbbítja ezt a fényt. Ezek a kijelzők, amelyeket általában háttérvilágítású LCD-nek neveznek, a környezeti fényt használják forrásként:
- Óra.
- Fényvisszaverő LCD.
- A számológépek általában ezt a típusú megjelenítést használják.
Pozitív és negatív szegmensek
Pozitív képet a sötét képpontok vagy szegmensek hoznak létre fehér alapon. Ezekben a polarizátorok merőlegesek egymásra. Ez azt jelenti, hogy ha az elülső polarizátor függőleges, akkor a hátsó polarizátor vízszintes lesz. Tehát KI és a háttér átengedi a fényt, a BE pedig blokkolja. Ezeket a kijelzőket jellemzően olyan alkalmazásokban használják, ahol környezeti fény is jelen van.
Képes szilárdtest és folyadékkristályos kijelzők létrehozására is, különböző háttérszínekkel. A negatív képet világos képpontok vagy szegmensek hozzák létre sötét háttéren. Bennük az első és a hátsó polarizátor kombinálva van. Ez azt jelenti, hogy ha az elülső polarizátor függőleges, a hátsó is függőleges lesz, és fordítva.
Tehát az OFF szegmensek és a háttér blokkolja a fényt, az ON szegmensek pedig átengedik a fényt, így világos kijelzőt hoznak létre sötét háttér előtt. A háttérvilágítású LCD-k általában ezt a típust használják, amelyet gyenge környezeti megvilágítás esetén használnak. Különböző háttérszínek létrehozására is képes.
Kijelző memória RAM
A DD az a memória, amely a képernyőn megjelenő karaktereket tárolja. A 2, 16 karakterből álló sor megjelenítéséhez a címek a következők:
| Vonal | Látható | Láthatatlan |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Alacsony | 40H – 4FH | 50H 67H |
Lehetővé teszi legfeljebb 8 karakter vagy 5x7 karakter létrehozását. Amint az új karakterek betöltődnek a memóriába, úgy érhetők el, mintha a ROM-ban tárolt normál karakterek lennének. A CG RAM 8 bit széles szavakat használ, de csak az 5 legkisebb jelentőségű bit jelenik meg az LCD-n.
Tehát D4 a bal szélső pont, és D0 a jobb oldali pólus. Például egy RAM bájt CG betöltése 1Fh-nál hívja ennek a sornak az összes pontját.
Bit mód vezérlése
Két megjelenítési mód áll rendelkezésre: 4 bites és 8 bites. 8 bites módban az adatokat a D0-D7 érintkezők küldik a kijelzőre. Az RS karakterlánc 0-ra vagy 1-re van állítva, attól függően, hogy parancsot vagy adatot szeretne küldeni. Az R/W sort is 0-ra kell állítani, hogy jelezze az írandó kijelzőt. Marad egy legalább 450 ns-os impulzus küldése az E bemenetre, jelezve, hogy érvényes adatok vannak a D0-D7 érintkezőkön.
A kijelző ennek a bemenetnek a lefutó élén fogja olvasni az adatokat. Ha kiolvasásra van szükség, az eljárás megegyezik, de ezúttal az R/W sor 1-re van állítva az olvasás kéréséhez. Az adatok a D0-D7 vonalakon lesznek érvényesek a magas vonal állapotában.
4 bites mód. Bizonyos esetekben szükség lehet a kijelző meghajtásához használt vezetékek számának csökkentésére, például amikor a mikrokontrollernek nagyon kevés I/O érintkezője van. Ebben az esetben a 4 bites LCD mód használható. Ebben az üzemmódban az átvitelhezadatok és kiolvasásuk során csak a kijelző 4 legjelentősebb bitje (D4-D7) kerül felhasználásra.
4 szignifikáns bit (D0-tól D3-ig) ezután a földre van kötve. Ezután az adatok írása vagy olvasása úgy történik, hogy egymás után elküldik a négy legjelentősebb bitet, majd a négy legkevésbé jelentős bitet. Egy legalább 450 ns-os pozitív impulzust kell küldeni az E vonalon minden egyes rágcsálás teszteléséhez.
Mindkét módban a kijelzőn megjelenő minden egyes művelet után meggyőződhet arról, hogy képes feldolgozni a következő információkat. Ehhez parancs módban olvasást kell kérni, és ellenőrizni kell a Busy BF jelzőt. Ha BF=0, a kijelző készen áll az új parancs vagy adat fogadására.
Digitális feszültségű eszközök
A teszterekhez készült digitális folyadékkristály-indikátorok két vékony üveglapból állnak, amelyek egymással szemben lévő felületére vékony vezető sávokat helyeztek el. Ha az üveget jobbról, vagy majdnem derékszögben nézzük, ezek a nyomok nem látszanak. Bizonyos látószögeknél azonban láthatóvá válnak.
Elektromos kapcsolási rajz.
Az itt leírt teszter egy téglalap alakú oszcillátorból áll, amely tökéletesen szimmetrikus váltakozó feszültséget hoz létre DC komponens nélkül. A legtöbb logikai generátor nem képes négyszöghullámot generálni, négyszöghullámokat generálnak, amelyek kitöltési tényezője 50% körül ingadozik. A teszterben használt 4047 bináris skaláris kimenettel rendelkezik, amely garantálja a szimmetriát. Frekvenciaaz oszcillátor körülbelül 1 kHz.
Tápellátása 3-9V-os, általában akkumulátoros, de a változtatható tápnak megvannak az előnyei. Megmutatja, hogy milyen feszültség mellett működik kielégítően a feszültségjelző folyadékkristály, valamint egyértelmű összefüggés van a feszültségszint és a kijelző jól látható szöge között is. A teszter legfeljebb 1 mA-t vesz fel.
A tesztfeszültséget mindig a közös kapocs, azaz a hátsó sík és az egyik szegmens közé kell kötni. Ha nem ismert, hogy melyik terminál a hátlap, csatlakoztassa a teszter egyik szondáját a szegmenshez, a másik szondát pedig az összes többi csatlakozóhoz, amíg a szegmens láthatóvá nem válik.
