Skystųjų kristalų ekranas yra elektra generuojamas vaizdas ploname plokščiame ekrane. Pirmieji skystųjų kristalų ekranai, išleisti aštuntajame dešimtmetyje, buvo maži ekranai, daugiausia naudojami skaičiuotuvuose ir skaitmeniniuose laikrodžiuose, kuriuose buvo rodomi juodi skaičiai b altame fone. Skystųjų kristalų ekranus galima rasti visur namų elektronikos sistemose, mobiliuosiuose telefonuose, fotoaparatuose ir kompiuterių monitoriuose, taip pat laikrodžiuose ir televizoriuose. Šiuolaikiniai modernūs LCD plokščiaekraniai televizoriai iš esmės pakeitė tradicinius didelių gabaritų kineskopinius televizorius ir gali sukurti aukštos raiškos spalvotus vaizdus iki 108 colių įstrižainės per visą ekraną.
Skystųjų kristalų istorija
Skystuosius kristalus 1888 m. atsitiktinai atrado botanikas F. Reinitzeris iš Austrijos. Jis nustatė, kad cholesterolio benzoatas turi dvi lydymosi temperatūras, 145 ° C temperatūroje virsdamas drumstu skysčiu, o aukštesnėje nei 178,5 ° C temperatūroje skystis tampa skaidrus. Įrasti šio reiškinio paaiškinimą, jis atidavė savo pavyzdžius fizikui Otto Lehmannui. Naudodamas mikroskopą su pakopiniu kaitinimu, Lehmanas parodė, kad medžiaga turi kai kuriems kristalams būdingų optinių savybių, tačiau ji vis dar yra skysta, todėl buvo sukurtas terminas „skystieji kristalai“.
XX amžiaus trečiajame ir trečiajame dešimtmečiuose mokslininkai tyrė elektromagnetinių laukų poveikį skystiesiems kristalams. 1929 m. rusų fizikas Vsevolodas Frederiksas parodė, kad jų molekulės plonoje plėvelėje, įterptoje tarp dviejų plokščių, pakeitė jų išsidėstymą, kai buvo veikiamas magnetinis laukas. Tai buvo šiuolaikinio įtampos skystųjų kristalų ekrano pirmtakas. Nuo dešimtojo dešimtmečio pradžios technologijų plėtros tempas buvo spartus ir toliau auga.
LCD technologija tapo nespalvota paprastiems laikrodžiams ir skaičiuotuvams iki daugiaspalvių mobiliųjų telefonų, kompiuterių monitorių ir televizorių. Pasaulinė LCD rinka šiuo metu artėja prie 100 milijardų dolerių per metus, palyginti su atitinkamai 60 milijardų dolerių 2005 m. ir 24 milijardais dolerių 2003 m. LCD gamyba visame pasaulyje yra sutelkta Tolimuosiuose Rytuose ir auga Vidurio ir Rytų Europoje. Amerikos įmonės pirmauja gamybos technologijų srityje. Jų ekranai dabar dominuoja rinkoje ir greičiausiai tai nepasikeis artimiausiu metu.
Kristalizacijos proceso fizika
Dauguma skystųjų kristalų, pvz., cholesterilbenzoatas, yra sudaryti iš molekulių, turinčių ilgas lazdeles primenančias struktūras. Ši ypatinga skysčio molekulių struktūratarp dviejų poliarizacinių filtrų esantys kristalai gali sulaužyti elektrodams įjungus įtampą, LCD elementas tampa nepermatomas ir lieka tamsus. Tokiu būdu įvairius ekrano elementus galima perjungti į šviesias arba tamsias spalvas ir taip rodyti skaičius arba simbolius.
Šis patrauklių jėgų, egzistuojančių tarp visų molekulių, susijusių su lazdele panašia struktūra, derinys sukelia skystųjų kristalų fazės susidarymą. Tačiau ši sąveika nėra pakankamai stipri, kad molekulės nuolat išliktų savo vietoje. Nuo tada buvo atrasta daug skirtingų skystųjų kristalų struktūrų tipų. Kai kurie iš jų yra išdėstyti sluoksniais, kiti - disko arba formos stulpelių pavidalu.
LCD technologija
Skystųjų kristalų ekrano veikimo principas pagrįstas elektrai jautrių medžiagų, vadinamų skystaisiais kristalais, kurios teka kaip skysčiai, bet turi kristalinę struktūrą, savybėmis. Kristalinėse kietosiose medžiagose sudedamosios dalelės – atomai arba molekulės – yra geometrinėse matricose, o skystoje būsenoje jos gali laisvai judėti atsitiktinai.
Skystųjų kristalų ekrano įrenginį sudaro molekulės, dažnai lazdelės formos, kurios susiskirsto viena kryptimi, bet vis tiek gali judėti. Skystųjų kristalų molekulės reaguoja įelektros įtampa, kuri keičia jų orientaciją ir keičia medžiagos optines charakteristikas. Ši savybė naudojama LCD ekranuose.
Tokį skydelį vidutiniškai sudaro tūkstančiai vaizdo elementų („pikselių“), kurie atskirai maitinami įtampa. Jie yra plonesni, lengvesni ir turi mažesnę darbinę įtampą nei kitos ekrano technologijos ir idealiai tinka akumuliatoriams maitinamiems įrenginiams.
Pasyvioji matrica
Yra dviejų tipų ekranai: pasyvioji ir aktyvioji matrica. Pasyviuosius valdo tik du elektrodai. Tai skaidraus ITO juostelės, kurios viena į kitą sukasi 90 kampu. Taip sukuriama kryžminė matrica, kuri kontroliuoja kiekvieną LC elementą atskirai. Adresavimas atliekamas naudojant logiką ir tvarkykles atskirai nuo skaitmeninio LCD. Kadangi tokio tipo kontrolėje LC elemente nėra krūvio, skystųjų kristalų molekulės palaipsniui grįžta į pradinę būseną. Todėl kiekviena ląstelė turi būti reguliariai stebima.
Pasyvūs įrenginiai turi gana ilgą reakcijos laiką ir netinka televizijos programoms. Pageidautina, kad ant stiklo pagrindo nebūtų montuojami tvarkyklės ar perjungimo komponentai, tokie kaip tranzistoriai. Ryškumas dėl šių elementų šešėliavimo neprarandamas, todėl LCD valdymas yra labai paprastas.
Pasyvūs yra plačiai naudojami su segmentuotais skaitmenimis ir simboliais, kad būtų galima nuskaityti mažus įrenginius, pvz.,skaičiuotuvai, spausdintuvai ir nuotolinio valdymo pultai, kurių daugelis yra vienspalviai arba turi tik keletą spalvų. Pasyvūs vienspalviai ir spalvoti grafiniai ekranai buvo naudojami ankstyvuosiuose nešiojamuosiuose kompiuteriuose ir vis dar naudojami kaip alternatyva aktyviajai matricai.
Aktyvūs TFT ekranai
Aktyviosios matricos ekranuose naudojamas vienas tranzistorius vairuoti ir kondensatorius įkrovimui laikyti. IPS (In Plane Switching) technologijoje pagal skystųjų kristalų indikatoriaus veikimo principą naudojama konstrukcija, kai elektrodai nesikrauna, o yra vienas šalia kito toje pačioje plokštumoje ant stiklo pagrindo. Elektrinis laukas prasiskverbia į LC molekules horizontaliai.
Jie išlygiuoti lygiagrečiai ekrano paviršiui, o tai labai padidina žiūrėjimo kampą. IPS trūkumas yra tas, kad kiekvienai ląstelei reikia dviejų tranzistorių. Tai sumažina permatomą plotą ir reikalauja ryškesnio foninio apšvietimo. VA (Vertical Alignment) ir MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) naudoja pažangius skystuosius kristalus, kurie išsilygiuoja vertikaliai be elektrinio lauko, ty statmenai ekrano paviršiui.
Poliarizuota šviesa gali prasiskverbti pro ją, tačiau ją blokuoja priekinis poliarizatorius. Taigi ląstelė be aktyvacijos yra juoda. Kadangi visos molekulės, net ir esančios substrato kraštuose, yra tolygiai vertikaliai išlygiuotos, todėl gauta juoda reikšmė visuose kampuose yra labai didelė. Skirtingai nuo pasyviosios matricosskystųjų kristalų ekranai, aktyviosios matricos ekranai turi tranzistorių kiekviename raudoname, žaliame ir mėlyname subpikselyje, kuris palaiko norimą intensyvumą, kol ta eilutė bus pažymėta kitame kadre.
Ląstelės perjungimo laikas
Ekranų reakcijos laikas visada buvo didelė problema. Dėl palyginti didelio skystųjų kristalų klampumo LCD elementai persijungia gana lėtai. Dėl greitų judesių vaizde susidaro juostelės. Mažo klampumo skystųjų kristalų ir modifikuotų skystųjų kristalų elementų valdymas (overdrive) paprastai išsprendžia šias problemas.
Šiuolaikinių skystųjų kristalų ekranų atsako laikas šiuo metu yra apie 8 ms (greičiausias atsako laikas yra 1 ms), keičiant vaizdo srities ryškumą nuo 10 % iki 90 %, kur 0 % ir 100 % yra pastovios būsenos šviesumas, ISO 13406 -2 yra perjungimo iš šviesaus į tamsų (arba atvirkščiai) ir atvirkščiai laiko suma. Tačiau dėl asimptotinio perjungimo proceso, norint išvengti matomų juostų, reikalingas <3 ms perjungimo laikas.
Overdrive technologija sumažina skystųjų kristalų elementų perjungimo laiką. Šiuo tikslu LCD elementui laikinai įjungiama aukštesnė įtampa, nei reikia faktinei šviesumo vertei. Dėl trumpo skystųjų kristalų ekrano įtampos šuolių, inertiniai skystieji kristalai tiesiogine prasme išsiveržia iš savo padėties ir daug greičiau išsilygina. Šiam proceso lygiui vaizdas turi būti talpykloje. Kartu su specialiai sukurta atitinkamoms vertybėmsekrano korekcija, atitinkamas įtampos aukštis priklauso nuo gama ir yra valdomas kiekvieno pikselio signalo procesoriaus paieškos lentelėmis ir apskaičiuoja tikslų vaizdo informacijos laiką.
Pagrindiniai rodiklių komponentai
Skystųjų kristalų sukuriamos šviesos poliarizacijos sukimasis yra LCD veikimo pagrindas. Iš esmės yra dviejų tipų skystųjų kristalų ekranai, praleidžiantys ir atspindintys:
- Praleidžiantis.
- Perdavimas.
Perdavimo LCD ekrano veikimas. Kairėje pusėje esantis LCD foninis apšvietimas skleidžia nepoliarizuotą šviesą. Kai ji praeina per galinį poliarizatorių (vertikalus poliarizatorius), šviesa taps vertikaliai poliarizuota. Tada ši šviesa patenka į skystąjį kristalą ir, jei ji įjungta, išsuks poliarizaciją. Todėl, kai vertikaliai poliarizuota šviesa praeina per ĮJUNGTO skystųjų kristalų segmentą, ji tampa horizontaliai poliarizuota.
Kitas – priekinis poliarizatorius blokuos horizontaliai poliarizuotą šviesą. Taigi šis segmentas stebėtojui atrodys tamsus. Jei skystųjų kristalų segmentas yra išjungtas, jis nepakeis šviesos poliarizacijos, todėl jis liks vertikaliai poliarizuotas. Taigi priekinis poliarizatorius perduoda šią šviesą. Šie ekranai, paprastai vadinami apšviestais LCD, naudoja aplinkos šviesą kaip š altinį:
- Laikrodis.
- Atspindintis LCD.
- Paprastai skaičiuotuvai naudoja šio tipo ekraną.
Teigiami ir neigiami segmentai
Teigiamas vaizdas sukuriamas tamsiais pikseliais arba segmentais b altame fone. Juose poliarizatoriai yra statmeni vienas kitam. Tai reiškia, kad jei priekinis poliarizatorius yra vertikalus, tai galinis poliarizatorius bus horizontalus. Taigi IŠJUNGTA ir fonas leis šviesai, o ĮJUNGTA – užblokuos. Šie ekranai paprastai naudojami programose, kuriose yra aplinkos šviesos.
Jis taip pat gali sukurti kietojo kūno ir skystųjų kristalų ekranus su skirtingomis fono spalvomis. Neigiamas vaizdas sukuriamas šviesiais pikseliais arba segmentais tamsiame fone. Juose priekinis ir galinis poliarizatoriai yra sujungti. Tai reiškia, kad jei priekinis poliarizatorius yra vertikalus, galinis taip pat bus vertikalus ir atvirkščiai.
Taigi, OFF segmentai ir fonas blokuoja šviesą, o ON segmentai praleidžia šviesą ir sukuria šviesų ekraną tamsiame fone. Skystųjų kristalų ekranai su foniniu apšvietimu paprastai naudoja šį tipą, kuris naudojamas ten, kur aplinkos apšvietimas yra silpnas. Taip pat galima sukurti skirtingas fono spalvas.
Ekrano atmintis RAM
DD yra atmintis, kurioje saugomi ekrane rodomi simboliai. Kad būtų rodomos 2 eilutės iš 16 simbolių, adresai apibrėžiami taip:
| Eilutė | Matomas | Nematomas |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Žemas | 40H – 4FH | 50H 67H |
Jis leidžia sukurti daugiausia 8 simbolius arba 5x7 simbolius. Kai nauji simboliai įkeliami į atmintį, juos galima pasiekti taip, lyg tai būtų įprasti ROM saugomi simboliai. CG RAM naudojami 8 bitų pločio žodžiai, tačiau LCD ekrane rodomi tik 5 mažiausiai reikšmingi bitai.
Taigi D4 yra kairiausias taškas, o D0 yra polius dešinėje. Pavyzdžiui, įkeliant RAM baito CG 1Fh greičiu, iškviečiami visi šios eilutės taškai.
Bitinio režimo valdymas
Galimi du rodymo režimai: 4 bitų ir 8 bitų. 8 bitų režimu duomenys į ekraną siunčiami kontaktais D0–D7. RS eilutė nustatoma į 0 arba 1, atsižvelgiant į tai, ar norite siųsti komandą, ar duomenis. R/W eilutė taip pat turi būti nustatyta į 0, kad būtų rodomas rašomas ekranas. Belieka nusiųsti bent 450 ns impulsą į įvestį E, kad būtų parodyta, kad kaiščiuose D0–D7 yra tinkami duomenys.
Ekranas nuskaitys duomenis apie krentantį šios įvesties kraštą. Jei reikia nuskaityti, procedūra yra identiška, tačiau šį kartą R/W eilutė nustatoma į 1, kad būtų reikalaujama nuskaityti. Duomenys galios eilutėse D0–D7, esant aukštai linijai.
4 bitų režimas. Kai kuriais atvejais gali prireikti sumažinti laidų, naudojamų ekranui valdyti, skaičių, pavyzdžiui, kai mikrovaldiklis turi labai mažai įvesties / išvesties kontaktų. Tokiu atveju galima naudoti 4 bitų LCD režimą. Šiuo režimu perduotiduomenis ir juos nuskaitant, naudojami tik 4 reikšmingiausi ekrano bitai (D4–D7).
Tada 4 reikšmingi bitai (D0–D3) prijungiami prie žemės. Tada duomenys įrašomi arba nuskaitomi iš eilės siunčiant keturis svarbiausius bitus, po kurių siunčiami keturi mažiausiai reikšmingi bitai. Norint patikrinti kiekvieną įkandimą, E linija turi būti išsiųstas bent 450 ns teigiamas impulsas.
Abiejuose režimuose po kiekvieno veiksmo ekrane galite įsitikinti, kad jis gali apdoroti toliau nurodytą informaciją. Norėdami tai padaryti, turite paprašyti skaitymo komandų režimu ir pažymėti vėliavėlę Busy BF. Kai BF=0, ekranas yra paruoštas priimti naują komandą arba duomenis.
Skaitmeniniai įtampos įrenginiai
Skaitmeniniai skystųjų kristalų indikatoriai testeriams susideda iš dviejų plonų stiklo lakštų, ant kurių vienas kito paviršiai buvo padengti plonais laidžiais takeliais. Žiūrint į stiklą iš dešinės arba beveik stačiu kampu, šių pėdsakų nesimato. Tačiau tam tikrais žiūrėjimo kampais jie tampa matomi.
Elektros grandinės schema.
Čia aprašytas testeris susideda iš stačiakampio osciliatoriaus, kuris generuoja tobulai simetrišką kintamąją įtampą be jokio nuolatinės srovės komponento. Dauguma loginių generatorių nesugeba generuoti kvadratinės bangos, jie generuoja kvadratines bangos formas, kurių darbo ciklas svyruoja apie 50%. Testeryje naudojamas 4047 turi dvejetainę skaliarinę išvestį, kuri garantuoja simetriją. Dažnisosciliatorius yra apie 1 kHz.
Jis gali būti maitinamas iš 3-9V maitinimo. Paprastai tai bus baterija, bet kintamasis maitinimo š altinis turi savo privalumų. Jis parodo, kokiai įtampai esant įtampos indikatoriaus skystasis kristalas veikia patenkinamai, taip pat yra aiškus ryšys tarp įtampos lygio ir kampo, kuriuo ekranas aiškiai matomas. Testeris naudoja ne daugiau kaip 1 mA.
Bandymo įtampa visada turi būti prijungta tarp bendro gnybto, t. y. galinės plokštumos, ir vieno iš segmentų. Jei nežinote, kuris gnybtas yra galinė plokštė, vieną testerio zondą prijunkite prie segmento, o kitą zondą prie visų kitų gnybtų, kol segmentas bus matomas.
