Vedelkristallekraan on õhukesel lameekraanil elektriliselt genereeritud kujutis. Esimesed LCD-d, mis tulid välja 1970. aastatel, olid väikesed ekraanid, mida kasutati peamiselt kalkulaatorites ja digitaalkellades, mis kuvasid musti numbreid valgel taustal. LCD-ekraane võib leida kõikj alt koduelektroonika süsteemides, mobiiltelefonides, kaamerates ja arvutimonitorides, aga ka kellades ja telerites. Tänapäeva tipptasemel LCD lameekraantelerid on suures osas asendanud telerites traditsioonilised suuremahulised CRT-d ja suudavad toota kõrglahutusega värvilisi kujutisi kuni 108-tollise diagonaaliga üle ekraani.
Vedelkristallide ajalugu
Vedelkristallid avastas 1888. aastal kogemata Austria botaanik F. Reinitzer. Ta leidis, et kolesterüülbensoaadil on kaks sulamistemperatuuri, muutudes 145 ° C juures häguseks vedelikuks ja temperatuuril üle 178,5 ° C muutub vedelik läbipaistvaks. Toleida sellele nähtusele seletuse, andis ta oma proovid füüsik Otto Lehmannile. Astmelise kuumutamisega varustatud mikroskoobi abil näitas Lehman, et ainel on mõnele kristallile iseloomulikud optilised omadused, kuid see on siiski vedelik, ja sellest tulenev alt võetigi kasutusele termin "vedelkristall".
1920. ja 1930. aastatel uurisid teadlased elektromagnetväljade mõju vedelkristallidele. 1929. aastal näitas vene füüsik Vsevolod Frederiks, et nende molekulid kahe plaadi vahele jäävas õhukeses kiles muutsid magnetvälja rakendamisel oma joondust. See oli kaasaegse pingega vedelkristallkuvari eelkäija. Tehnoloogilise arengu tempo on alates 1990. aastate algusest olnud kiire ja kasvab jätkuv alt.
Lihtsate kellade ja kalkulaatorite jaoks mõeldud mustvalgest LCD-tehnoloogia on arenenud mitmevärviliseks mobiiltelefonide, arvutimonitoride ja telerite jaoks. Globaalne LCD-turg läheneb praegu 100 miljardile dollarile aastas, võrreldes 60 miljardi dollariga 2005. aastal ja 24 miljardi dollariga 2003. aastal. LCD tootmine on globaalselt koondunud Kaug-Itta ning kasvab Kesk- ja Ida-Euroopas. Ameerika ettevõtted juhivad tootmistehnoloogias teed. Nende kuvarid domineerivad praegu turul ja see tõenäoliselt lähitulevikus ei muutu.
Kristalisatsiooniprotsessi füüsika
Enamik vedelkristalle, nagu kolesterüülbensoaat, koosnevad pikkade vardataoliste struktuuridega molekulidest. See vedelate molekulide eriline struktuurKahe polariseeriva filtri vahel olevaid kristalle saab elektroodidele pinge andmisel purustada, LCD element muutub läbipaistmatuks ja jääb tumedaks. Sel viisil saab erinevaid kuvaelemente lülitada heledatele või tumedatele värvidele, kuvades seeläbi numbreid või märke.
See kõigi vardataolise struktuuriga seotud molekulide vahel eksisteerivate külgetõmbejõudude kombinatsioon põhjustab vedelkristallfaasi moodustumist. See interaktsioon ei ole aga piisav alt tugev, et molekule püsiv alt paigal hoida. Sellest ajast alates on avastatud palju erinevat tüüpi vedelkristallstruktuure. Mõned neist on paigutatud kihtidena, teised ketta või vormiveergude kujul.
LCD-tehnoloogia
Vedelkristallkuvari tööpõhimõte põhineb elektriliselt tundlike materjalide, mida nimetatakse vedelkristallideks, omadustel, mis voolavad nagu vedelikud, kuid millel on kristalne struktuur. Kristallilistes tahketes ainetes on osakesed – aatomid või molekulid – geomeetrilistes massiivides, samas kui vedelas olekus võivad nad vab alt juhuslikult ringi liikuda.
Vedelkristallkuvaseade koosneb molekulidest, sageli vardakujulistest molekulidest, mis organiseeruvad ühes suunas, kuid võivad siiski liikuda. Vedelkristallide molekulid reageerivadelektripinge, mis muudab nende orientatsiooni ja muudab materjali optilisi omadusi. Seda omadust kasutatakse LCD-ekraanidel.
Keskmiselt koosneb selline paneel tuhandetest pildielementidest (“pikslitest”), mis saavad eraldi pinget. Need on õhemad, kergemad ja madalama tööpingega kui muud ekraanitehnoloogiad ning sobivad ideaalselt akutoitega seadmete jaoks.
Passiivmaatriks
Ekraate on kahte tüüpi: passiivne ja aktiivne maatriks. Passiivseid juhitakse ainult kahe elektroodi abil. Need on läbipaistva ITO ribad, mis pöörlevad üksteise suhtes 90. See loob ristmaatriksi, mis juhib iga LC-rakku eraldi. Adresseerimine toimub loogika ja digitaalsest LCD-ekraanist eraldi olevate draiverite abil. Kuna seda tüüpi kontrolli puhul LC-elemendis laeng puudub, naasevad vedelkristalli molekulid järk-järgult oma algsesse olekusse. Seetõttu tuleb iga lahtrit korrapäraste ajavahemike järel jälgida.
Passiividel on suhteliselt pikk reageerimisaeg ja need ei sobi televisioonirakenduste jaoks. Eelistatav alt ei ole klaasalusele paigaldatud draivereid ega lülituskomponente, nagu transistorid. Nende elementide varjutuse tõttu heleduse kadu ei toimu, seega on LCD-ekraanide kasutamine väga lihtne.
Passiivseid kasutatakse laialdaselt segmenteeritud numbrite ja sümbolitega väikese lugemise jaoks sellistes seadmetes nagukalkulaatorid, printerid ja kaugjuhtimispuldid, millest paljud on ühevärvilised või ainult mõne värviga. Varasemates sülearvutites kasutati passiivseid ühevärvilisi ja värvilisi graafilisi ekraane ning neid kasutatakse endiselt aktiivse maatriksi alternatiivina.
Aktiivsed TFT-ekraanid
Aktiivmaatrikskuvarid kasutavad juhtimiseks ühte transistori ja laengu salvestamiseks kondensaatorit. IPS (In Plane Switching) tehnoloogias kasutatakse vedelkristallindikaatori tööpõhimõttel konstruktsiooni, kus elektroodid ei virna, vaid asetsevad klaasalusel samas tasapinnas üksteise kõrval. Elektriväli tungib läbi LC molekulide horisontaalselt.
Need on joondatud ekraani pinnaga paralleelselt, mis suurendab oluliselt vaatenurka. IPS-i puuduseks on see, et iga rakk vajab kahte transistorit. See vähendab läbipaistvat ala ja nõuab eredamat taustvalgustust. VA (Vertical Alignment) ja MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) kasutavad täiustatud vedelkristalle, mis joonduvad vertikaalselt ilma elektriväljata, st ekraani pinnaga risti.
Polariseeritud valgus võib läbida, kuid eesmine polarisaator blokeerib selle. Seega on aktiveerimata rakk must. Kuna kõik molekulid, isegi need, mis asuvad substraadi servades, on ühtlaselt vertikaalselt joondatud, on tulemuseks olev must väärtus seega kõigis nurkades väga suur. Erinev alt passiivsest maatriksistvedelkristallkuvarite puhul on aktiivmaatrikskuvaritel igas punases, rohelises ja sinises alampikslis transistor, mis hoiab neid soovitud intensiivsusega, kuni seda rida järgmises kaadris käsitletakse.
Kärgi lülitusaeg
Ekraanide reageerimisaeg on alati olnud suur probleem. Vedelkristallide suhteliselt kõrge viskoossuse tõttu lülituvad LCD-elemendid üsna aeglaselt. Pildi kiirete liikumiste tõttu põhjustab see triipude moodustumist. Madala viskoossusega vedelkristall ja modifitseeritud vedelkristallide juhtimine (overdrive) lahendavad need probleemid tavaliselt.
Kaasaegsete LCD-ekraanide reageerimisaeg on praegu umbes 8 ms (kiireim reageerimisaeg on 1 ms), muutes pildiala heleduse 10%-lt 90%-le, kus 0% ja 100% on püsioleku heledus, ISO 13406 -2 on heledast tumedaks (või vastupidi) ja vastupidi lülitusaja summa. Kuid asümptootilise lülitusprotsessi tõttu on nähtavate ribade vältimiseks vajalik lülitusaeg <3 ms.
Overdrive tehnoloogia vähendab vedelkristallelementide lülitusaega. Sel eesmärgil rakendatakse LCD-elemendile ajutiselt kõrgem pinge, kui on tegeliku heleduse väärtuse jaoks vajalik. Vedelkristallkuvari lühikese pinge hüppe tõttu murduvad inertsed vedelkristallid sõna otseses mõttes oma positsioonist välja ja nivelleeruvad palju kiiremini. Selle protsessitaseme jaoks peab pilt olema vahemällu salvestatud. Koos spetsiaalselt vastavate väärtuste jaoks loodudkuva parandus, vastav pinge kõrgus sõltub gammast ja seda juhitakse iga piksli jaoks signaaliprotsessori otsingutabelite abil ning arvutatakse pilditeabe täpne aeg.
Näitajate põhikomponendid
Vedelkristallide tekitatud valguse polarisatsiooni pöörlemine on LCD töö aluseks. Põhimõtteliselt on kahte tüüpi LCD-ekraane, läbilaskvad ja peegeldavad:
- Läbilaskev.
- Külakanne.
Käigukasti LCD-ekraani töö. Vasakul küljel kiirgab LCD taustvalgus polariseerimata valgust. Kui see läbib tagumist polarisaatorit (vertikaalne polarisaator), muutub valgus vertikaalselt polariseerituks. Seejärel tabab see tuli vedelkristalli ja keerab sisselülitamisel polarisatsiooni. Seega, kui vertikaalselt polariseeritud valgus läbib ON vedelkristallide segmenti, muutub see horisontaalselt polariseeritud.
Edasi – eesmine polarisaator blokeerib horisontaalselt polariseeritud valguse. Seega tundub see segment vaatleja jaoks tume. Kui vedelkristallsegment on välja lülitatud, ei muuda see valguse polarisatsiooni, seega jääb see vertikaalselt polariseerituks. Seega edastab eesmine polarisaator seda valgust. Need ekraanid, mida tavaliselt nimetatakse taustvalgustusega LCD-ekraanideks, kasutavad allikana ümbritsevat valgust:
- Kell.
- Peegeldav LCD.
- Tavaliselt kasutavad kalkulaatorid seda tüüpi kuva.
Positiivsed ja negatiivsed segmendid
Positiivse pildi loovad tumedad pikslid või segmendid valgel taustal. Nendes on polarisaatorid üksteisega risti. See tähendab, et kui eesmine polarisaator on vertikaalne, siis tagumine polarisaator on horisontaalne. Nii et VÄLJAS ja taust laseb valgust läbi ja ON blokeerib selle. Neid kuvareid kasutatakse tavaliselt rakendustes, kus on ümbritsev valgus.
Samuti on see võimeline looma erinevate taustavärvidega tahkis- ja vedelkristallkuvareid. Negatiivse pildi loovad heledad pikslid või segmendid tumedal taustal. Nendes on esi- ja tagumised polarisaatorid ühendatud. See tähendab, et kui eesmine polarisaator on vertikaalne, on ka tagumine vertikaalne ja vastupidi.
Nii et VÄLJAS segmendid ja taust blokeerivad valguse ning ON segmendid lasevad valgust läbi, luues tumedal taustal heleda kuva. Taustvalgustusega LCD-ekraanid kasutavad tavaliselt seda tüüpi, mida kasutatakse siis, kui ümbritsev valgus on nõrk. Samuti on see võimeline looma erinevaid taustavärve.
Ekraanimälu RAM
DD on mälu, mis salvestab ekraanil kuvatavad märgid. Kahe 16 tähemärgi pikkuse rea kuvamiseks määratletakse aadressid järgmiselt:
| Line | Nähtav | Nähtamatu |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Madal | 40H – 4FH | 50H 67H |
See võimaldab teil luua maksimaalselt 8 tähemärki või 5x7 tähemärki. Kui uued märgid on mällu laaditud, pääseb neile juurde nii, nagu oleksid need tavalised ROM-i salvestatud tähemärgid. CG RAM kasutab 8-bitise laiusega sõnu, kuid LCD-ekraanil kuvatakse ainult 5 vähimat tähtsust omavat bitti.
Seega D4 on kõige vasakpoolsem punkt ja D0 on poolus paremal. Näiteks RAM-baidi CG laadimine kiirusega 1Fh kutsub esile kõik selle rea punktid.
Bittirežiimi juhtimine
Saadaval on kaks kuvarežiimi: 4-bitine ja 8-bitine. 8-bitises režiimis saadavad andmed ekraanile kontaktide D0 kuni D7 kaudu. RS-string on seatud väärtusele 0 või 1, olenev alt sellest, kas soovite saata käsku või andmeid. Kirjutatava kuva näitamiseks tuleb ka R/W rida seada 0-le. Jääb üle saata vähem alt 450 ns pikkune impulss sisendisse E, mis näitab, et kontaktidel D0 kuni D7 on kehtivad andmed.
Ekraan loeb andmeid selle sisendi langeva serva kohta. Kui lugemine on vajalik, on protseduur identne, kuid seekord on lugemise taotlemiseks R/W rida seatud väärtusele 1. Andmed kehtivad ridadel D0-D7 kõrge joone olekus.
4-bitine režiim. Mõnel juhul võib osutuda vajalikuks vähendada kuvari juhtimiseks kasutatavate juhtmete arvu, näiteks kui mikrokontrolleril on väga vähe I/O kontakte. Sel juhul saab kasutada 4-bitist LCD-režiimi. Selles režiimis edastamiseksandmeid ja nende lugemist kasutatakse ainult kuva 4 kõige olulisemat bitti (D4 kuni D7).
4 olulist bitti (D0 kuni D3) ühendatakse seejärel maandusega. Seejärel kirjutatakse või loetakse andmed, saates järjestikku neli kõige olulisemat bitti, millele järgneb neli kõige väiksema tähtsusega bitti. Iga näksimise testimiseks tuleb liinile E saata vähem alt 450 ns positiivne impulss.
Mõlemas režiimis saate pärast iga toimingut ekraanil veenduda, et see suudab töödelda järgmist teavet. Selleks peate taotlema lugemist käsurežiimis ja kontrollima lippu Busy BF. Kui BF=0, on ekraan valmis uue käsu või andmete vastuvõtmiseks.
Digitaalsed pingeseadmed
Testerite digitaalsed vedelkristallindikaatorid koosnevad kahest õhukesest klaasist, mille vastaspindadele on kantud õhukesed juhtivad rajad. Kui klaasi vaadata parem alt või peaaegu täisnurga all, pole neid jälgi näha. Teatud vaatenurkade korral muutuvad need siiski nähtavaks.
Elektriskeem.
Siin kirjeldatud tester koosneb ristkülikukujulisest ostsillaatorist, mis genereerib täiesti sümmeetrilise vahelduvpinge ilma ühegi alalisvoolukomponendita. Enamik loogikageneraatoreid ei ole võimelised tekitama ruutlainet, nad genereerivad ruutlainekujusid, mille töötsükkel kõigub umbes 50%. Testeris kasutataval 4047-l on binaarne skalaarväljund, mis tagab sümmeetria. Sagedusostsillaator on umbes 1 kHz.
Seda saab toita 3-9 V toitest. Tavaliselt on see aku, kuid muutuva toiteallikal on oma eelised. See näitab, millisel pingel pingeindikaator vedelkristall töötab rahuldav alt, samuti on selge seos pingetaseme ja ekraani selgelt nähtava nurga vahel. Tester ei võta rohkem kui 1 mA.
Testipinge peab alati olema ühendatud ühise klemmi, st tagumise tasapinna ja ühe segmendi vahel. Kui pole teada, milline klemm on tagaplaat, siis ühendage üks testeri sond segmendiga ja teine sond kõigi teiste klemmidega, kuni segment on nähtav.
