Ekran sa tečnim kristalima je vrsta slike generisane električnom energijom na tankom ravnom panelu. Prvi LCD-i, koji su izašli 1970-ih, bili su sićušni ekrani koji su se prvenstveno koristili u kalkulatorima i digitalnim satovima koji su prikazivali crne brojeve na bijeloj pozadini. LCD-i se mogu naći svuda u sistemima kućne elektronike, mobilnih telefona, kamera i kompjuterskih monitora, kao i na satovima i televizorima. Današnji najmoderniji LCD televizori s ravnim ekranom uvelike su zamijenili tradicionalne glomazne CRT u televizorima i mogu proizvesti slike u boji visoke definicije do 108 inča dijagonalno preko ekrana.
Istorija tečnih kristala
Tečne kristale je slučajno otkrio 1888. botaničar F. Reinitzer iz Austrije. Otkrio je da holesterol benzoat ima dve tačke topljenja, pretvarajući se u mutnu tečnost na 145°C, a na temperaturama iznad 178,5°C tečnost postaje prozirna. Topronašao objašnjenje za ovaj fenomen, dao je svoje uzorke fizičaru Ottu Lehmannu. Koristeći mikroskop opremljen stepenastim grijanjem, Lehman je pokazao da supstanca ima optička svojstva karakteristična za neke kristale, ali je i dalje tečnost, pa je otuda i skovan termin "tečni kristal".
Tokom 1920-ih i 1930-ih, istraživači su proučavali efekte elektromagnetnih polja na tečne kristale. Godine 1929. ruski fizičar Vsevolod Frederiks pokazao je da su njihovi molekuli u tankom filmu u sendviču između dvije ploče promijenili svoje poravnanje kada je primijenjeno magnetsko polje. Bio je to preteča modernog naponskog displeja sa tečnim kristalima. Tempo tehnološkog razvoja od ranih 1990-ih bio je brz i nastavlja da raste.
LCD tehnologija je evoluirala od crno-bijele za jednostavne satove i kalkulatore do višebojne za mobilne telefone, kompjuterske monitore i televizore. Globalno LCD tržište se sada približava 100 milijardi dolara godišnje, u odnosu na 60 milijardi dolara u 2005. i 24 milijarde u 2003. godini. Proizvodnja LCD-a je globalno koncentrisana na Dalekom istoku i raste u Centralnoj i Istočnoj Evropi. Američke kompanije prednjače u proizvodnoj tehnologiji. Njihovi displeji sada dominiraju tržištem i malo je vjerovatno da će se to promijeniti u bliskoj budućnosti.
Fizika procesa kristalizacije
Većina tečnih kristala, kao što je holesteril benzoat, sastoji se od molekula sa dugim štapićastim strukturama. Ova posebna struktura tečnih molekulakristali između dva polarizirajuća filtera mogu se razbiti primjenom napona na elektrode, LCD element postaje neproziran i ostaje taman. Na ovaj način se različiti elementi prikaza mogu prebaciti na svijetle ili tamne boje, čime se prikazuju brojevi ili znakovi.
Ova kombinacija privlačnih sila koje postoje između svih molekula povezanih sa štapićastom strukturom uzrokuje formiranje faze tečnog kristala. Međutim, ova interakcija nije dovoljno jaka da zadrži molekule na mjestu trajno. Od tada su otkrivene mnoge različite vrste struktura tečnih kristala. Neki od njih su raspoređeni u slojevima, drugi u obliku diska ili formiraju kolone.
LCD tehnologija
Princip rada displeja sa tečnim kristalima zasniva se na svojstvima električno osetljivih materijala zvanih tečni kristali, koji teku poput tečnosti, ali imaju kristalnu strukturu. U kristalnim čvrstim materijama, sastavne čestice - atomi ili molekule - nalaze se u geometrijskim nizovima, dok se u tečnom stanju mogu slobodno kretati nasumično.
Uređaj za displej sa tečnim kristalima sastoji se od molekula, često u obliku štapa, koji se organizuju u jednom pravcu, ali se i dalje mogu kretati. Molekuli tečnih kristala reaguju naelektrični napon koji mijenja njihovu orijentaciju i mijenja optičke karakteristike materijala. Ovo svojstvo se koristi na LCD-ima.
U prosjeku, takav panel se sastoji od hiljada elemenata slike („piksela“), koji se pojedinačno napajaju naponom. Tanji su, lakši i imaju niži radni napon od ostalih tehnologija prikaza i idealni su za uređaje na baterije.
Pasivna matrica
Postoje dvije vrste displeja: pasivni i aktivni matrični. Pasivne kontroliraju samo dvije elektrode. To su trake prozirnog ITO-a koje se rotiraju za 90 jedna prema drugoj. Ovo stvara unakrsnu matricu koja kontrolira svaku LC ćeliju pojedinačno. Adresiranje se vrši logikom i drajverima odvojenim od digitalnog LCD-a. Pošto u ovoj vrsti kontrole nema naelektrisanja u LC ćeliji, molekuli tečnih kristala se postepeno vraćaju u prvobitno stanje. Stoga se svaka ćelija mora pratiti u redovnim intervalima.
Pasivi imaju relativno dugo vrijeme odziva i nisu prikladni za televizijske aplikacije. Poželjno je da na staklenoj podlozi ne budu montirani drajveri ili komutacione komponente kao što su tranzistori. Gubitak svjetline zbog zasjenjenja ovim elementima ne dolazi, tako da je rad LCD-a vrlo jednostavan.
Pasivni se široko koriste sa segmentiranim ciframa i simbolima za malo očitavanje u uređajima kao što sukalkulatori, štampači i daljinski upravljači, od kojih su mnogi jednobojni ili imaju samo nekoliko boja. Pasivni monohromatski i grafički displeji u boji korišćeni su u ranim laptop računarima i još uvek se koriste kao alternativa aktivnoj matrici.
Aktivni TFT displeji
Aktivna matrica prikazuje da svaki koristi jedan tranzistor za pogon i kondenzator za skladištenje naboja. U IPS (In Plane Switching) tehnologiji, princip rada indikatora s tekućim kristalima koristi dizajn gdje se elektrode ne slažu, već se nalaze jedna pored druge u istoj ravni na staklenoj podlozi. Električno polje prodire kroz LC molekule horizontalno.
Poravnani su paralelno sa površinom ekrana, što značajno povećava ugao gledanja. Nedostatak IPS-a je što su svakoj ćeliji potrebna dva tranzistora. Ovo smanjuje prozirnu površinu i zahtijeva svjetlije pozadinsko osvjetljenje. VA (Vertical Alignment) i MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) koriste napredne tečne kristale koji se poravnavaju okomito bez električnog polja, odnosno okomito na površinu ekrana.
Polarizovana svjetlost može proći, ali je blokirana prednjim polarizatorom. Dakle, ćelija bez aktivacije je crna. Budući da su svi molekuli, čak i oni koji se nalaze na rubovima supstrata, jednoliko vertikalno poređani, rezultirajuća vrijednost crne boje je vrlo velika na svim uglovima. Za razliku od pasivne matricedispleji sa tečnim kristalima, displeji sa aktivnom matricom imaju tranzistor u svakom crvenom, zelenom i plavom podpikselu koji ih održava na željenom intenzitetu dok se taj red ne adresira u sledećem kadru.
Vrijeme promjene ćelije
Vrijeme odziva displeja je uvijek bilo veliki problem. Zbog relativno visokog viskoziteta tečnog kristala, LCD ćelije se prilično sporo mijenjaju. Zbog brzih kretanja na slici, to dovodi do stvaranja pruga. Tečni kristal niskog viskoziteta i modificirana kontrola ćelija tečnih kristala (overdrive) obično rješavaju ove probleme.
Vrijeme odziva modernih LCD-a je trenutno oko 8ms (najbrže vrijeme odziva je 1ms) mijenjajući svjetlinu područja slike sa 10% na 90%, gdje su 0% i 100% svjetlina u stabilnom stanju, ISO 13406 -2 je zbir vremena prebacivanja sa svijetlog na tamno (ili obrnuto) i obrnuto. Međutim, zbog asimptotičkog procesa prebacivanja, potrebno je vrijeme prebacivanja od <3 ms kako bi se izbjegle vidljive trake.
Overdrive tehnologija smanjuje vrijeme prebacivanja ćelija tečnih kristala. U tu svrhu, na LCD ćeliju se privremeno primjenjuje viši napon nego što je potrebno za stvarnu vrijednost svjetline. Zbog kratkog napona displeja sa tečnim kristalima, inertni tečni kristali bukvalno izbijaju iz svog položaja i niveliraju se mnogo brže. Za ovaj nivo procesa, slika mora biti keširana. Zajedno sa posebno dizajniranim za odgovarajuće vrijednostikorekcija prikaza, odgovarajuća visina napona zavisi od gama i kontroliše se tabelama traženja iz procesora signala za svaki piksel i izračunava tačno vreme informacija o slici.
Glavne komponente indikatora
Rotacija u polarizaciji svjetlosti koju proizvodi tečni kristal je osnova za funkcioniranje LCD-a. U osnovi postoje dvije vrste LCD-a, transmisivni i reflektirajući:
- Transmissive.
- Prijenos.
Rad prijenosa na LCD displeju. Sa leve strane, LCD pozadinsko osvetljenje emituje nepolarizovano svetlo. Kada prođe kroz stražnji polarizator (vertikalni polarizator), svjetlost će postati vertikalno polarizirana. Ovo svjetlo tada udara u tečni kristal i izvrće polarizaciju ako se uključi. Stoga, kada vertikalno polarizirana svjetlost prođe kroz ON segment tekućih kristala, postaje horizontalno polarizirana.
Sljedeće - prednji polarizator će blokirati horizontalno polarizirano svjetlo. Tako će ovaj segment posmatraču izgledati mračno. Ako je segment tekućih kristala isključen, neće promijeniti polarizaciju svjetlosti, tako da će ostati vertikalno polariziran. Dakle, prednji polarizator prenosi ovu svjetlost. Ovi displeji, koji se obično nazivaju LCD-i sa pozadinskim osvetljenjem, koriste ambijentalno svetlo kao izvor:
- Sat.
- Reflektivni LCD.
- Obično kalkulatori koriste ovu vrstu prikaza.
Pozitivni i negativni segmenti
Pozitivnu sliku stvaraju tamni pikseli ili segmenti na bijeloj pozadini. Kod njih su polarizatori okomiti jedan na drugi. To znači da ako je prednji polarizator okomit, onda će zadnji polarizator biti horizontalan. Dakle, OFF i pozadina će propuštati svjetlo, a ON će ga blokirati. Ovi displeji se obično koriste u aplikacijama gdje je prisutno ambijentalno svjetlo.
Također je sposoban da kreira čvrste i tečne kristalne displeje sa različitim bojama pozadine. Negativnu sliku stvaraju svijetli pikseli ili segmenti na tamnoj pozadini. U njima su kombinirani prednji i stražnji polarizatori. To znači da ako je prednji polarizator okomit, zadnji će također biti okomit i obrnuto.
Tako da OFF segmenti i pozadina blokiraju svjetlo, a ON segmenti propuštaju svjetlost, stvarajući svjetlosni prikaz na tamnoj pozadini. LCD-i sa pozadinskim osvjetljenjem obično koriste ovu vrstu, koja se koristi tamo gdje je ambijentalno svjetlo slabo. Također je sposoban kreirati različite boje pozadine.
Display memory RAM
DD je memorija koja pohranjuje znakove prikazane na ekranu. Za prikaz 2 reda od 16 karaktera, adrese se definiraju na sljedeći način:
| Linija | Vidljivo | Nevidljivo |
| Vrh | 00H 0FH | 10H 27H |
| Nisko | 40H - 4FH | 50H 67H |
Omogućava vam da kreirate maksimalno 8 karaktera ili 5x7 karaktera. Kada se novi znakovi učitaju u memoriju, njima se može pristupiti kao da su normalni znakovi pohranjeni u ROM-u. CG RAM koristi riječi širine 8 bita, ali samo 5 najmanjih bitova se pojavljuju na LCD-u.
Dakle, D4 je krajnja lijeva tačka, a D0 je pol na desnoj strani. Na primjer, učitavanje RAM bajta CG na 1Fh poziva sve tačke ove linije.
Kontrola bitnog načina rada
Dostupna su dva načina prikaza: 4-bitni i 8-bitni. U 8-bitnom režimu, podaci se šalju na displej preko pinova D0 do D7. RS niz je postavljen na 0 ili 1, ovisno o tome želite li poslati naredbu ili podatke. R/W linija također mora biti postavljena na 0 kako bi se naznačilo prikaz koji će biti upisan. Ostaje poslati impuls od najmanje 450 ns na ulaz E da bi se pokazalo da su validni podaci prisutni na pinovima D0 do D7.
Ekran će očitati podatke na padajućoj ivici ovog unosa. Ako je potrebno čitanje, postupak je identičan, ali ovaj put je R/W linija postavljena na 1 kako bi se zatražilo čitanje. Podaci će biti važeći na linijama D0-D7 u stanju visoke linije.
4-bitni način rada. U nekim slučajevima može biti potrebno smanjiti broj žica koje se koriste za upravljanje displejom, kao što je kada mikrokontroler ima vrlo malo I/O pinova. U ovom slučaju može se koristiti 4-bitni LCD mod. U ovom modu, za prijenospodataka i njihovo čitanje, koriste se samo 4 najznačajnija bita (D4 do D7) ekrana.
4 značajna bita (D0 do D3) se zatim povezuju na masu. Podaci se zatim zapisuju ili čitaju slanjem četiri najznačajnija bita u nizu, nakon čega slijede četiri najmanja bita. Pozitivan impuls od najmanje 450 ns mora biti poslan na liniju E da se testira svaki grickanje.
U oba načina, nakon svake radnje na ekranu, možete se uvjeriti da može obraditi sljedeće informacije. Da biste to učinili, trebate zatražiti čitanje u komandnom modu i provjeriti oznaku Zauzet BF. Kada je BF=0, ekran je spreman da prihvati novu komandu ili podatke.
Digitalni naponski uređaji
Digitalni indikatori s tekućim kristalima za testere sastoje se od dva tanka stakla na čijoj su obloženoj površini nanesene tanke provodne trake. Kada se staklo gleda sa desne strane ili skoro pod pravim uglom, ovi tragovi se ne vide. Međutim, pod određenim uglovima gledanja, oni postaju vidljivi.
Šema električnog kola.
Ovdje opisani tester se sastoji od pravokutnog oscilatora koji generiše savršeno simetričan AC napon bez ikakve istosmjerne komponente. Većina logičkih generatora nije sposobna da generiše kvadratni talas, oni generišu kvadratne talase čiji ciklus rada varira oko 50%. 4047 koji se koristi u testeru ima binarni skalarni izlaz koji garantuje simetriju. Frekvencijaoscilator je oko 1 kHz.
Može se napajati putem napajanja od 3-9 V. Obično će to biti baterija, ali varijabilno napajanje ima svoje prednosti. Pokazuje na kojem naponu tečni kristal indikatora napona radi zadovoljavajuće, a postoji i jasna veza između nivoa napona i ugla pod kojim je displej jasno vidljiv. Tester ne troši više od 1 mA.
Ispitni napon mora uvijek biti povezan između zajedničkog terminala, tj. stražnje ravnine, i jednog od segmenata. Ako nije poznato koji terminal je stražnja ploča, spojite jednu sondu testera na segment, a drugu sondu na sve ostale terminale dok se segment ne vidi.
