Эспо электроникс-библиотека-жидкокристаллические индикаторы. Что такое жидкокристаллические индикаторы и их назначение
В настоящее время жидкокристаллические индикаторы являются наиболее распространённым видом индикаторов. Хотя сами жидкие кристаллы (ЖК) были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960-х годов началось их практическое использование. В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию жидких молекулярных кристаллов.
Принципы работы жидкокристаллических индикаторов
Термином жидкий кристалл обозначается мезофаза между твердым состоянием и изотропным жидким состоянием, при этом мезофаза сохраняет фундаментальные свойства присущие двум состояниям материи. Жидкие кристаллы, с одной стороны, обладает текучестью как изотропная жидкость, с другой стороны, сохраняет определенный порядок в расположении молекул (как кристалл).
В отдельных случаях мезофаза оказывается стабильной в широкой области температур, включая комнатную, тогда говорят о жидких кристаллах. Большинство жидких кристаллов образуются стержневыми молекулами.
Обычно жидкокристаллический дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен жидкий кристалл. Направление молекул жидкого кристалла может быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в определенном направлении – параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней. Один из способов обработки поверхности заключается в нанесении на нее тонкого слоя твердого полимера и последующего «натирания» его в одном направлении.
Используя различные ориентации направления молекул жидкого кристалла первоначально с помощью поверхностного упорядочения, а затем с помощью электрического поля, можно сконструировать простейший дисплей. Жидкокристаллический дисплей состоит из несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные панели, между которыми помещён жидкий кристалл.
На панели наносятся бороздки. Бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны бороздкам соседней панели. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково по всей поверхности. В результате направление ориентации молекул жидкого кристалла поворачивается от верхней панели к нижней на 90°, вращая, таким образом, плоскость поляризации света, как это изображено на рисунке 1. Изображение формируется при помощи поляризационных плёнок, размещённых над и под жидкокристаллическим дисплеем. Если оси поляризации этих плёнок перпендикулярны друг другу, то дисплей будет прозрачным.
Рисунок 1. Вращение поляризации света жидким кристаллом
На стеклянные панели наносится тонкий слой металла, образующий электроды. Если теперь к электродам подвести напряжение, то молекулы жидкого кристалла развернутся вдоль электрического поля, вращение плоскости поляризации исчезнет, и свет не сможет пройти через поляризационные плёнки, как это показано на рисунке 2. Рисунок 2а соответствует отсутствию электрического поля, а рисунок 2б – приложенному к электродам напряжению.
Напряжение, необходимое для поворота директора составляет обычно 2В-5В. Важно, что действие электрического поля не связано с дипольным моментом молекулы и поэтому не зависит от направления поля. Это позволяет использовать для управления индикатором переменное поле. Постоянное поле может приводить к электролизу жидкого кристалла и, в конечном итоге, выходу прибора из строя.
Рисунок 2. Вращение поляризации света жидким кристаллом
Электроды на жидкокристаллический индикатор наносятся в виде точек, пиктограмм или сегментов для отображения различных видов информации, как это уже обсуждалось ранее.
Режимы работы жидкокристаллических индикаторов
Жидкокристаллические индикаторы используются в двух режимах работы: в режиме отражения света и в режиме просвечивания. Наиболее экономичный режим использования ЖКИ — это режим отражения. В этом режиме используются внешние источники света, такие как солнце или осветительные лампы помещения. Сами индикаторы в этом режиме ток практически не потребляют.
При использовании режима отражения прозрачным оставляют весь дисплей. Информация же формируется непрозрачными участками жидкого кристалла, образующимися между электродами при подаче на них переменного напряжения.
В режиме просвечивания возможны два вида использования жидкокристаллического дисплея: формирование обычного изображения как и в режиме отражения и формирование негативного изображения. В режиме негативного изображения весь дисплей остаётся непрозрачным, а свет проходит только через участки изображения, которые в этом случае кажутся нарисованными краской. Негативный режим формируется поляризационными плёнками с совпадающей поляризацией.
Для подсветки ЖКИ дисплея обычно используется газоразрядные лампы или светодиоды, так как эти источники света не выделяют тепла, способного вывести его из строя. Для равномерного распределения света от светодиодов или ламп дневного света используются светопроводы, выполненные из рассеивающих свет материалов.
Параметры жидкокристаллических индикаторов
Важным параметром индикатора является время релаксации — время, необходимое для возвращения молекул жидкого кристалла в исходное состояние после выключения поля. Оно определяется поворотом молекул и составляет 30 ... 50 мс. Такое время достаточно для работы различных индикаторов, но на несколько порядков превышает время, необходимое для работы компьютерного монитора.
Время релаксации резко зависит от температуры ЖК индикатора. Именно временем релаксации определяется минимальная температура использования жидкокристаллических дисплеев. Время релаксации современных ЖКИ индикаторов при температуре –25°C достигает нескольких секунд. Это время смены информации неприемлемо для большинства практических приложений.
Не менее важным параметром жидкокристаллического индикатора является контрастность изображения. При нормальной температуре контрастность изображения достигает нескольких сотен. При повышении температуры контрастность изображения падает и при температуре порядка +50°C изображение становится практически неразличимым.
Следующий параметр, характеризующий жидкокристаллический индикатор — это угол обзора. Угол его обзора существенно зависит от скважности динамического режима индикации. Чем больше скважность – тем меньше получается угол обзора ЖКИ индикатора.
В современных жидкокристаллических компьютерных мониторах используется специальный метод формирования статического формирования изображения при динамическом способе его подачи на дисплей. Это TFT технология. При использовании этой технологии около каждого элемента изображения формируется запоминающий конденсатор и ключевой транзистор, который подключает этот конденсатор к цепям формирования изображения только в момент подачи информации именно для этого элемента изображения.
Формирование цветного изображения
Цветные жидкокристаллические индикаторы обычно выполняют в виде матрицы, то есть на них можно сформировать любые изображения. Для формирования цветного изображения в основном используется режим просвечивания. При этом один пиксель изображения состоит из трёх элементов, напротив каждого из них располагается свой светофильтр: синий, красный и зеленый.
Формирование напряжения для работы жидкокристаллического индикатора
Особенностью работы жидкокристаллического индикатора является то, что на него следует подавать переменное напряжение. Это связано с тем, что при подаче на ЖКИ дисплей постоянного напряжения происходит электролиз жидкого кристалла и индикатор выходит из строя.
Напряжение для работы жидкокристаллического индикатора формируется логическими элементами, поэтому обычно используется прямоугольное колебание со скважностью равной двум. Его легко можно получить на выходе делителя частоты на два.
Теперь вспомним, что логические сигналы содержат постоянную составляющую. Ее можно убрать, подав сигнал на выводы жидкокристаллической ячейки в противофазе друг другу. Временная диаграмма такого напряжения приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Временная диаграмма напряжения на выводах ячейки ЖКИ индикатора
Если ячейку жидкокристаллического индикатора следует оставить прозрачной, то на ее выводы подаются синфазные напряжения. В результате разность потенциалов получается равной нулю.
В результате контроллер ЖКИ дисплея можно собрать с использованием схем "исключающего ИЛИ". Подобная схема приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Принципиальная схема контроллера семисегментного жидкокристаллического индикатора
В этой схеме скважность прямоугольного колебания, равную двум, обеспечивает делитель частоты, собранный на . Если на вход сегмента подается единичный потенциал, то логический элемент "исключающее ИЛИ" инвертирует колебание, подаваемое на подложку жидкокристаллического индикатора COM. Этот сегмент становится непрозрачным.
Если же на вход сегмента поступает нулевой потенциал, то на выходе элемента "исключающее ИЛИ" колебание не инвертируется. Тем самым на соответствующий сегмент подается нулевая разность потенциалов. Этот сегмент остается прозрачным.
Литература:
Вместе со статьей "Жидкокристаллические индикаторы" читают:
Индикаторы предназначены для отображения различных видов информации для человека. Простейший вид информации - это...
http://сайт/digital/Indic.php
Газоразрядные индикаторы используются как для индикации битовой информации, так и для отображения десятичной информации.
При построении десятичных индикаторов катод...
http://сайт/digital/GazIndic/
В настоящее время практически везде для отображения двоичной информации используются светодиоды. Это обусловлено тем...
http://сайт/digital/LED.php
Количество соединительных проводников можно уменьшить,
если заставить индикаторы работать в импульсном режиме. Человеческий глаз обладает инерционностью...
http://сайт/digital/DinInd.php
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) управляют отражением и пропусканием света для создания изображений цифр, букв, символов и т.д. В отличии от светодиодов (Light-Emitting Diodes, LEDs), жидкокристаллические индикаторы не излучают свет.
Основу ЖКИ составляют жидкие кристаллы (ЖК), молекулы которых упорядоченны послойно определенным образом между двумя стеклянными пластинами. В каждом слое сигарообразные молекулы ЖК выстраиваются в одном направлении, их оси становятся параллельны (рис.1).
рис. 1
Один слой молекул ЖК. Все молекулы параллельны друг другу.
Стеклянные пластины имеют специальное покрытие, такое что направленность молекул в двух крайних слоях перпендикулярна. Ориентация каждого слоя ЖК плавно изменяется от верхнего к нижнему слою, формируя спираль (рис.2). Эта спираль "скручивает" поляризацию света по мере его прохождения через дисплей.
рис. 2
Несколько слоев молекул ЖК, упорядоченные так,
что поляризованный свет "скручивается", проходя через них.
Молекулы в разных слоях выстраиваются по спирали.
Под действием электрического поля молекулы ЖК переориентируются параллельно полю. Этот процесс называется твист-нематическим полевым эффектом (twisted nematic field effect, TNFE). При такой ориентации поляризация света не скручивается при прохождении через слой ЖК (рис. 3а и 3б). Если передний поляризатор ориентирован перпендикулярно заднему, свет пройдет через включенный дисплей, но заблокируется задним поляризатором. В этом случае ЖКИ действует как заслонка свету.
Отображение различных символов достигается избирательным травлением проводящей поверхности, предварительно созданной на стекле. Не вытравленные области становятся символами, а вытравленные - фоном дисплея.
рис. 3а
"Выключенное" состояние ЖКИ.
ЖК молекулы формируют спираль, скручивая поляризацию света.
рис. 3б
"Включенное" состояние.
Электрическое поле переориентирует ЖК молекулы так
что они не изменяют поляризацию света.
Символы создаются из одного или нескольких сегментов. Каждый сегмент может быть адресован (запитан) идивидуально, чтобы создать отдельное электрическое поле. Таким образом прохождение света управляется электрически, включая и отключая необходимые сегменты. В неактивной части дисплея направленность молекул остается спиральной, формируя фон. Запитанные сегменты составляют символы, контрастирующие с фоном.
В зависимости от ориентации поляризатора, ЖКИ может отображать позитивное или негативное изображение. В дисплее с позитивным изображением передний и задний поляризатор перпендикулярны друг другу, так что незапитанные сегменты и фон пропускают свет с измененной поляризацией, а запитанные препятствуют прохождению света. В результате - темные символы на светлом фоне.
В дисплее с негативным изображением поляризаторы параллельны, "в фазе", препятствуют прохождению света с повернутой поляризацией, так что незапитанные символы и фон темные, а запитанные - светлые.
Рефлективный ЖКИ (reflective LCD) имеет отражатель (рефлектор) за задним поляризатором, который отражает свет, прошедший через незапитанные сегменты и фон. В негативных рефлективных дисплеях свет отражается через запитанные, "включенные" сегменты. Трансмиссивные дисплеи (transmissive LCD) используют те же принципы, но фон или сегменты становятся ярче за счет использования задней подсветки.
рис. 4 Основные компоненты и конструкция рефлективного ЖКИ.
Режимы отображения ЖКИ определяют то, как индикатор управляет светом для создания изображения. Чтобы выбрать оптимальный режим для конкретного приложения необходимо рассмотреть типичные условия освещения индикатора (см. таблицу 1).
Таблица 1. Режимы отображения ЖКИ
|
Рефлективные (работающие на отражение) индикаторы
Обычно рефлективные ЖКИ используют режим отображения с темными символами на светлом фоне (так называемое позитивное изображение).
В индикаторе с позитивным изображением передний и задний поляризаторы находятся в противофазе, или перекрестно поляризованы на 90°.
Если сегмент "выключен", внешний свет идет по слелующему пути: проходит через вертикальный поляризатор, через прозрачный электрод сегмента, через ЖК молекулы которые скручивают его на 90 °, через прозрачный общий электрод, через горизонтальный поляризатор, и попадает на рефлектор, который посылает свет обратно по тому же пути (рис. 5а).
рис. 5а
Рефлективный индикатор в выключенном состоянии.
Свет проходит через горизонтальный поляризатор и отражается обратно.
Если сегмент "включен", внешний свет не изменяет своей поляризации при проходе через слой жидких кристаллов. Таким образом поляризация света противоположна заднему поляризатору, что не дает свету пройти к отражателю. Так как свет не отражается, получается темный сегмент (рис. 5б).
рис. 5б
с горизонтальным поляризатором, так что он не доходит до рефлектора.
Рефлективные индикаторы очень яркие, с отличным контрастом и имеют широкий угол обзора. Они требуют хорошего внешнего освещения и не исползуют искуственной задней подсветки (хотя в некоторых моделях применяют подсветку сверху). Благодаря малым токам потребления рефлективные индикаторы часто используются в устройствах с питанием от батареек.
Трансмиссивные (работающие на пропускание) индикаторы
Трансмиссивные ЖКИ не отражают свет. Напротив, они создают изображение, управляя светом искуственного источника освещения, расположенного позади индикатора.
В трансмиссивных индикаторах передний и задний поляризаторы находятся "в фазе" друг с другом (параллельны). В выключенным сегменте поляризованый свет подсветки скручивается на 90° молекулами ЖК и оказывается в противофазе с передним поляризатором. Поляризатор блокирует свет, создавая темный сегмент.
рис. 6а
В выключенном состоянии свет не проходит
сквозь трансмиссивный дисплей.
Если сегмент включен, свет не скручивается, оказываясь в фазе с передним поляризатором, и проходит через него, создавая световой рисунок. Таким образом трансмиссивный дисплей создает светлое изображение на темном фоне (негативное изображение).
рис. 6б
Во включенном состоянии свет находится в противофазе
с горизонтальным поляризатором, та что он не доходит до рефлектора.
Трансмиссивные индикаторы должны иметь заднюю подсветку, чтобы гарантировать равномерное свечение сегментов. Они хороши для использования в условиях приглушенного или слабого освещения. В условиях прямого солнечного света подсветка не может преодолеть солнечных лучей и изображение не заметно.
Трансрефлективные (работающие на пропускание и отражение) индикаторы
Трансрефлективные индикаторы используют белый или серебрянный полупрозрачный материал, который отражает часть внешнего света, а также пропускает свет задней подсветки. Поскольку эти индикаторы как отражают, так и пропускают свет, они могут использоваться в широком диапазоне яркостей освещения. Примером могут служить индикаторы мобильных телефонов - они читаемы как при ярком свете, так и в полной темноте. Трансфлективные дисплеи имеют более низкую контрастность по сравнению с рефлективными, так как часть света проходит сквозь отражатель.
Варианты подсветки (backlight)
Ниже представлены варианты подсветки ЖКИ.
рис. 7
Таблица 2. Сравнение методов подсветки
| Свойство | Светодиодный | Лампами накаливания | Электролюминесцентный |
| Яркость | Средняя | Высокая | Малая - Средняя |
| Цвет | Красный - Янтарный - Зеленый | Белый | Белый |
| Размер | Малый | Малый - Средний | Тонкий |
| Крепление | SMD - Радиальный | Радиальный - Осевой | Осевой |
| Напряжение | 5 Вольт | 1,5 В - 28 В | 45 В - 100 В |
| Ток при 5 В (на кв. дюйм) | 10 - 30 мА | 20 мА | 1 - 10 мА |
| Температура | Теплый | Горячий | Холодный |
| Стоимость (на кв. дюйм) | 0,10 - 1,00 долл. | 0,10 - 0,80 долл. | 0,50 - 2,00 долл. |
| Распространение света | Направленное | Сферическое | Ламбертское |
| Ударопрочность | Отличная | Низкая | Отличная |
| Срок службы (часов) | 100 000 | 150 - 10 000 | 500 -15 000 |
Температура использования и хранения
Анализ температурного диапазона очень важен при описании ЖКИ.
Все ЖК материалы имеют строго определенный верхний предел рабочей температуры, или изотропический предел. Выше этого предела молекулы ЖК принимают произвольную ориентацию. Изотропические условия делают позитивное изображение полностью темным, а негативное - прозрачным. Изотропическая температура называется температурой нематическо-изотропического перехода, или N-I перехода.
ЖКИ могут восстанавливаться после короткого воздействия изотропической температуры, хотя температуры свыше 110°C разрушают внутреннее покрытие индикатора.
Нижний предел температурного диапазона ЖКИ не так хорошо определен, как верхний. При низких температурах время срабатывания индикатора увеличивается, так как замедляется движение молекул и возрастает вязкозть ЖК вещества.
При очень низких температурах ЖК вещество переходит в твердое, или кристаллическое состояние. Эта температура называется температурой кристаллическо-нематического перехода, или C-N перехода. Однако ЖК материал "суперхолодный", воспринимает температуры ниже C-N предела, фактически поворачивая кристаллы вещества. (Обычно при воздействиях до -60°C). В результате ЖКИ часто работоспособны при температурах ниже их C-N перехода.
Эффект низких температур обычно обратим. К примеру, ЖКИ опущенный в жидкий азот возвращается в нормальное состояние после короткого периода нагрева.
В добавление, ЖК материалы имеют низкий температурный коэффициент. Этот коэффициент важен для мультиплексных индикаторов по причине низкого значения действущего напряжения управления. За пределами температурного диапазона может потребоваться температурная компенсация.
Нагреватели
Индикаторы с интегральными нагревателями могут работать при температурах до -55°C. Нагреватели требуют температурно-управляемого источника питания. При использовании нагревателями время отклика индикатора при низких температурах остается таким же, как и при 0°C. Увеличение мощности нагревателя уменьшает время нагрева. Обычно требуется мощность между 2 и 3 ваттами на квадратный дюйм поверхности индикатора.
Внешнее освещение
Как уже обсуждалось, яркость внешнего освещения индикатора очень важна. Выбор типа индикатора осуществляется именно исходя из условий внешнего освещения.
Внешние воздействия
Существует множество модификаций ЖКИ, стойких к различного рода внешним воздействиям, так как этого требуют военные стандарты. К примеру существует "высокостабильное" покрытие для защиты от высокой температуры и влажности. Покрытие - "барьер" препятствует загрязнению проводящими веществами, могущими вызвать короткое замыкание в индикаторе. Тонкопленочные нагреватели могут использоваться в низкотемпературных приложениях. Правильный выбор соединителя также помогает преодолеть внешние воздействия.
Угол и направление обзора
рис. 8
Конус обзора описывает область,
в пределах которой наблюдатель может прочитать информацию на дисплее.
При выборе ЖКИ следует определить как наблюдатель будет смотреть на индикатор: Будет ли он сидеть или стоять? Под каким углом расположен дисплей? Какая требуется ширина угла обзора? Дело в том, что контрастность изображения на индикаторе зависит от относительного расположения дисплея и наблюдателя.
Обычно направление зрения описывается аналогично циферблату часов. Если наблюдатель смотрит сверху, это называется 12 часов, снизу - 6 часов, справа - 3 часа, слева - 9 часов. Критические углы зрения (наклона индикатора) зависят от направления обзора и могут быть проиллюстрированы изоконтрастными кривыми на графике в полярной системе координат (рис. 9).
Угол обзора зависит также от толщины слоя ЖК. Большинство ЖКИ изготавливаются по второму классу с толщиной от 6 до 8 микрон. Первый класс имеет толщину от 3 до 4 микрон. Наиболее широкий угол обзора (до165°) достигается при 4-х микронной технологии. При этом также уменьшается время отклика (срабатывания) ЖКИ.
рис. 9
Изоконтрастная кривая ЖКИ.
Объективное измерение контрастности изображения под разными углами.
Контраст изображения
Контрастность главным образом определяется условиями внешнего освещения и правильностью выбора позитивного или негативного изображения. При повышении действующего среднеквадратического напряжения контрастность увеличиваетвя. Эффективность поляризатора и ЖК жидкости также способствуют лучшей контрастности.
Сегменты ЖКИ
Части ЖКИ, работающие как заслонки, включаясь и выключаясь для формирования изображений, называются сегментами.
Сегменты создаются прозрачными электродами из оксидов индия и олова, нанесенными на стекло ЖКИ. Цифры от 0 до 9 и некоторые буквы могут быть отображены на семисегментном индикаторе. Шестнадцатисегментный индикатор может отобразить цифры, все латинские и почти все русские буквы (кроме Й,Ц,Щ). Для того чтобы символы были менее угловатыми и более натуральными, используют матричные индикаторы. С их помощью можно также отображать небольшие изображения. Количество сегментов индикатора влияет на метод управления им.
рис. 10
Семисегментный дисплей,
шестнадцатисегментный дисплей
матричный дисплей 5х7
В добавление к алфавитно-цифовым символам, ЖКИ может отображать небольшие картинки, или иконки. К примеру дисплей на рис.11 отображает функции копира. Эти изображения не изменяются - они могут только вкючатся или отключатся.
рис. 11 Функциональный дисплей копировального аппарата.
Время срабатывания
ЖКИ обычно имеет время срабатывания 50 мс при 20°C, а лучшие модели - до 10 мс. Стандартный ЖКИ может отображать сигнал до 10 Гц, если требуется; невооруженным глазом тяжело отследить данные с такой частотой.
Цветные изображения
Существует несколько методов создать цветное изображение в ЖКИ (таблица 3).
Таблица 3. Цвет в ЖКИ
Двухрядное расположение выводов (Dual-In-Line, DIL)
Двухрядное расположение выводов удобно для использования в суровых условиях. DIL обеспечивает быструю, ровную установку индикатора. Выводы могут быть впаяны в печатную плату или вставлены в разъем. Эти хорошо проводящие, нержавеющие выводы обеспечивают жесткое крепление, даже при ударе или вибрации.
рис. 12 DIL выводы
Резиновый соединитель (Elastomeric, rubber connector)
Резиновый проводник представляет из себя гибкий резиновый брусочек с большим количеством поперечных проводящих прожилок (как гребенка) с очень малым шагом. Он обеспечивает быстрый монтаж / демонтаж без паянных соединений или абразивных контактов, самовыравнивание. Это соединение часто используется в небольших инструментах, где размер ограничен. Хотя оно стойко к ударам и вибрациям, резиновое соединение не стоит применять в особо арессивных средах без повышенного внимания к защите ЖКИ.
рис. 13 Резиновый соединитель
Гибкий соединитель (Flex, heat seal connector)
Как печатная плата, так и ЖКИ присоединяются к гибкому шлейфу посредством нагревания под давлением. Это соединение используется в наиболее подвижных устройствах, где смещения могут вызвать поломку жестких выводов. Гибкое соединение часто используется в очень больших ЖКИ или устройствах требующих отдельную установку платы контроллера. Популярность этого метода соединения растет и разработчики находят ему все новые применения.
рис. 14 Гибкое соединение
Общие принципы
Существует два типа контроллеров ЖКИ: прямой и мультиплексный. Оба типа имеют свои преимущества и недостатки.
Таблица 4. Сравнение прямых и мультиплексных контроллеров
Мультиплексное управление
Мультиплексное (MUX) управление уменьшает количество необходимых выводов ЖКИ. Мультиплексные дисплеи имеют более одного общего вывода (COM). Мультиплексность означает, что каждый вывод сегментов (SEG) адресует сегмент на каждом из выводов COM. Количество общих выводов называется значением мультиплексности ЖКИ.
рис. 15 Вариант организации выводов COM и SEG
Энергопотребление
Обычно ЖКИ требует очень небольшой энергии для работы - от 5 до 25 мкА при 5 В (на кв. дюйм) для TN индикатора. Искуственная подсветка или нагрев требуют дополнительной энергии.
Все ЖКИ тебуют чистого переменного управляющего напряжения. Случайное постоянное напряжение, как например постоянная составляющая в сигнале, может значительно уменьшить срок службы индикатора и должно быть ограниченно 50 мВ.
И так. Недавно пришли из Китая, через eBay заказанные и купленные, жидкокристаллические алфавитно-цифровые индикаторы на платформе контроллеров HD44780 или KS0066
Они давно уже пользуются большой популярностью у радиолюбителей. Марку сих девайсов определить не удалось. Смотрим фото. Кроме того, что они имеют две строки и в каждой по 16 символов – больше ничего. Такие ЖКИ имеют простую схему управления, например, для отображения информация на таком дисплее достаточно всего шести линий микроконтроллера, а так же они имеют относительно небольшую стоимость. Большинство таких индикаторов имеют подсветку, что позволяет использовать их в условиях плохой видимости или в полной темноте.
Индикаторы имеют однорядную или двух рядную разводку выводов при строго определённой последовательности их нумерации (рис. 2). Но из практического опыта использования ЖКИ-индикаторов необходимо констатировать, что выводы 1 и 2 (питание) зачастую могут иметь обратную полярность. Поэтому перед подключением обязательно убедитесь, как в вашем индикаторе разведено питание. Сделать это очень просто – вывод питания «минус» соединён с металлической рамкой, которая прижимает собственно сам дисплей к печатной плате. При неправильной полярности можно вывести индикатор из строя.
ЖКИ — индикаторы позволяют отображать символы латинского алфавита, цифры, при наличии соответствующего знакогенератора – кириллические (русские буквы), а так же специальные символы. Существуют знакогенераторы и с символами других алфавитов. Таблица знакогенератора «двуязычного» индикатора, или как её называют «Epson раскладка Russian» приведена в таблице ниже.
Для того что бы отобразить, допустим символ русской буквы Ш, необходимо указать позицию символа на индикаторе (например, для моего 2-х строчного 16-ти символьного индикатора первая строка имеет адресацию в интервале 80h – 8Fh, вторая строка С0h-CFh), а затем код отображаемого символа Ш – AСh (А – «координата» по горизонтали, С – по вертикали таблицы знакогенератора).
Все это хорошо, но в купленных мною индикаторах, мало того, что нет знакогенератора русских букв, но в нем нет значка градуса, часто необходимого при разработке термометров и т.п. Но в этих LCD предусмотрена запись в знакогенератор семи своих «самодельных» символов. Как это сделать я расскажу. Для начала, чтобы лишить себя удовольствия определения кода каждой точки в матрице, состоящей из 5×8 точек, скачайте программу скачали раз:, она свободно распространяется в сети. Смотрим скриншот этой программы.
Нажатием на ячейки матрицы, мы рисуем нужный символ, в данном случае это символьный значок градуса. Внизу нам программа сразу пишет коды выбранных точек матрицы. Теперь нам необходимо эти коды записать в контроллер индикатора. Для этого нам надо написать небольшую программку. Что бы не путать рубрики сайта эту программу я выложу в статье «Программа взаимодействия PIC16 и ЖК дисплея». Еще документацию на LCD можно прочитать здесь.
Русак С.В. 09-гео-1
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет. Они обладают рядом достоинств, к числу которых относятся:
· малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист-эффекта удельная мощность потребления несколько единиц мкВт/см 2)
· низкие рабочие напряжения (1,5-5 В) и хорошая совместимость с КМОП-микросхемами
· удобное конструктивное исполнение - плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм);
· возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки;
· большая долговечность (около 10-12 лет непрерывной работы).
Основные недостатки - сравнительно низкое быстродействие, ограниченный угол обзора и необходимость внешнего освещения.
Жидкие кристаллы (ЖК) называют также анизотропными жидкостями электрические и оптические свойства которых, зависят от направления их наблюдения. Плотность ЖК близка к плотности воды и незначительно отличается от единицы. Жидкие кристаллы - диамагнитный материал; ЖК выталкиваются из магнитного поля; ЖК относятся к диэлектрикам; удельное сопротивление составляет 10 6 – 10 10 Ом-см и зависит от наличия и концентрации проводящих примесей. Теплопроводность ЖК в направлении вдоль молекул отличается от теплопроводности в поперечном по отношению к молекулам направлении
Работа ЖКИ основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.
В ЖКИ наблюдаются электрооптические эффекты, связанные с движением вещества - динамическое рассеяние (ДР), а также с поворотом молекул в электрическом поле -твист-эффект (ТЭ) и эффект гость -хозяин (Г -X). Конструктивные схемы простых ЖКИ показаны на рис. 1.
Основой простейшего индикаторного элемента с использованием ЖК являются две стеклянные пластины. Вне зависимости от используемого электрооптического эффекта ЖКИ разделяются на два класса: индикаторы, работающие на просвет, и индикаторы, работающие на отражение. У первых (рис..1,а) обе стеклянные пластины прозрачны; электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и яркость индикатора определяются цветом и яркостью источника света. У вторых (рис. 1,б) «задний» электрод изготовлен в виде зеркала; на соответствующую пластину наносится прозрачная, проводящая, отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля, золота). Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).
В ЖКИ, работающем на основе ДР, при приложении электрического поля напряженностью около 5 кВ/см (примерно 30 В - к пленке ЖК толщиной 0,25 мм) молекулы переориентируются, возникают турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствие поля, становится непрозрачным. В таком ЖКИ, работающем на отражение, задний электрод представляет собой зеркало, на котором при подаче напряжения появляются участки молочно-белого цвета, форма которых соответствует конфигурации электродов. Для повышения однородности и четкости изображения, а также срока службы на поверхность проводящих слоев наносится тонкое химически инертное по отношению к ЖК оптически прозрачное покрытие. Материалом таких покрытий служат винилацетатные смолы, смолы"на основе этилена, эпоксидные компаунды и т. п.
В ЖКИ с использованием ТЭ, работающем на отражение, стеклянные пластины расположены между двумя скрещенными поляризаторами, за задним из которых помещен диффузный отражатель. Поверхности пластин, обращенные к ЖК, полируются, чтобы молекулы ЖК в слоях, прилегающих jc ним, ориентировались во взаимно перпендикулярных направлениях; в промежуточных слоях осуществляется постепенный поворот направлений ориентации.
В отсутствие электрического поля свет в индикаторе следует за вращением молекул и на выходе индикатора плоскость его поляризация оказывается повернутой на 90°; свет проходит через индикатор. При наличии электрического поля ориентация молекул изменяется, плоскость поляризации света, проходящего через индикатор, не вращается и свет не проходит через индикатор. Так как отражатель диффузный, на слабоокрашенном сером фоне отображаются темные знаки.
Опыт практического применения ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ выявил достоинства индикаторов этих типов, показал их конкурентоспособность с другими классами индикаторов. К" числу достоинств таких ЖКИ относится высокая эффективность. Индикаторы на эффекте ДР характеризуются уровнем потребляемой мощности 5... 10 мкВт/см 2 для постоянного тока (0,5... 1,0 мкА/см 2) и 50... 200 мкВт/см для переменного тока (2... 10 мкА/см). Для индикаторов на основе ТЭ удельная потребляемая мощность составляет не более 20 мкВт/ см 2 (менее 2 мкА/см 2). К достоинствам ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ можно отнести способность сохранять и увеличивать контраст изображения при повышении уровня внешней освещенности, прямую совместимость с КМОП-микросхемами, обеспечивающую возможность низковольтного управления ЖКИ; рабочее напряжение ЖКИ на эффекте ДР не превышает 20, а на ТЭ - 5 В. Они имеют удобное конструктивное оформление. Индикаторы плоские; толщина индикатора практически определяется толщиной двух стекол и может составлять 0,6... 0,8 мм. Велика их долговечность при эксплуатации на переменном токе - более 40 тыс. ч.
Индикаторы на эффекте ДР и ТЭ преимущественно применяются там, где экономичность играет решающую роль: в электронных наручных часах, микрокалькуляторах с автономным питанием, портативных многофункциональных измерительных приборах
В индикаторах на эффекте Г-X тонкий слой ЖК - «хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя». Слой ЖК - хозяина за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает характерную для красителя (гостя) окраску; под воздействием электрического поля он обесцвечивается. Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г-X хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте.
Жидкокристаллические индикаторы, предназначенные для работы в условиях низкой освещенности- (менее 35 кд/м 2) работают с подсветкой. Для подсветки используются лампы накаливания со средней мощностью примерно 0,5 Вт для знака высотой 2,5 см. Подсветка может быть создана различными
Рис. 3. Конструкции ЖКИ с подсветкой:
1 - ЖК; 2,6 - лампа подсветки; 3 - рефлектор; 4 - жалюзи; 5 - направление излучения лампы (сплошными линиями со стрелками показано оптимальное направление наблюдения-изображения)
способами, например с использованием лампы накаливания, свет которой проходит через жалюзи, что обеспечивает удобство наблюдения изображения в направлении, перпендикулярном поверхности индикации (рис..3,а). Для увеличения угла обзора можно попользовать две лампы накаливания (рис. 3,б). Сверхминиатюрную лампу накаливания можно встроить непосредственно между пластинами ЖК (рис.3,в).
Для повышения механической прочности ЖКИ изготовляют с металлическими крышками, которые закрывают заднюю стеклянную пластину, слой ЖК и герметически соединяются с лицевой пластиной. Такое конструктивное решение повышает влагостойкость индикатора. Для этого же ЖКИ размещают в пластмассовых корпусах. Источник опорного напряжения U 0 n подключен к выводам оптически прозрачного электрода, имеющего высокое сопротивление. Измеряемое напряжение U из подано - между одним из концов этого же электрода и электродом с низким сопротивлением. Распределение потенциала по длине индикатора при трех значениях измеряемого напряжения (U из =0, 0< U из
Участок невозбужденного жидкого кристалла; соответствующий отрезку длины индикатора, на котором выполняется условие |U 3 an+U 0 n| Управление ЖКИ
Способы управления индикаторными панелями на основе ЖК материалов определяются особенностями их физических эффектов. При работе на постоянном токе долговечность примерно на порядок ниже, чем на переменном. Это обусловлено миграцией примесей к электродам под действием постоянной составляющей управляющего сигнала, что ведет к снижению контрастности изображения. На рис 9 приведена схема импульсов управления напряжениями сдвинутыми по фазе так что на пары электродов подается биполярный сигнал не имеющий постоянной составляющей. Время запаздывания включения и выключения ячеек ЖК индикатора показывает, что время выключения на порядок превосходит время включения. Известны способы уменьшения времени выключения путем подачи короткого импульса с высокой амплитудой или возбуждающего напряжения частотой 10 – 40 кгц в течение нескольких миллисекунд ©2015-2019 сайт Жидкокристаллическими называют такие индикаторы, в которых используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллические индикаторы применяют для визуального отображения информации. Классификация.
Жидкокристаллические индикаторы классифицируют за материалами, электрооптическими эффектами, характером работы, за разрядностью. Различают жидкокристаллические индикаторы, изготовленные на основе нематических (нитевидных) смесей МББА (н-(п-метоксибензилиден)-п-(н-буталанилин)) и ЭББА (н-(п-этоксибензилиден)-(н-бутиланилин)) и др. За электрооптическими эффектами выделяют индикаторы, которые используют эффект динамического рассеяния или твист-эффект. Первый из них наблюдается в жидких кристаллах с отрицательной диэлектрической анизотропией и небольшой электропроводностью (преимущественно созданной искусственно). Он заключается в разрушении ранее упорядоченной молекулярной структуры жидкого кристалла ионным током проводимости, вследствие чего в разрушенных местах возникает состояние динамической турбулентной изменения показателя преломления. Поэтому раньше прозрачный жидкий кристалл в разрушенных местах начинает рассеивать свет, то есть становится непрозрачным. Твист-эффект наблюдается в жидких кристаллах с положительной диэлектрической анизотропией, отсутствующей электропроводностью и предварительно подготовленным «Скрученным» состоянием (состоянием, в котором большие оси молекул становятся параллельными к ограничительным плоскостям, а их направления взаимноперпендикулярнымы). Если на такой жидкий кристалл подействовать электрическим полем, то эффект скручивания исчезает, так как все молекулы жидкого кристалла ориентируются вдоль поля. В результате участки, которые ранее возвращали плоскость поляризации света, перестают ее возвращать. С помощью поляризационных пластин фазовую поляризацию превращают в амплитудную. А это значит, что раньше непрозрачный «скрученный» жидкий кристалл в местах действия поля становится прозрачным. Классификация.
По характеру работы предусматривают разделение жидкокристаллических индикаторов на две группы: те, которые работают на отражение света, и такие, что работают на его пропускания. За разрядностью жидкокристаллические индикаторы делятся на одноразрядные и многоразрядные. Первые из них способны отображать на экране только одну цифру, вторые — больше одной. Строение.
Прежде всего необходимо отметить, что жидкие кристаллы представляют собой большую группу органических веществ, которые одновременно обладают свойствами жидкостей (текучесть) и твердых тел (оптическую и электрическую анизотропию). Есть несколько разновидностей жидких кристаллов. Для жидкокристаллических индикаторов используют преимущественно нематичные жидкие кристаллы, которые имеют нитевидные молекулы с определенной ориентацией и слабым межмолекулярным взаимодействием. Жидкие кристаллы сами не излучают света, поэтому их используют вместе с источниками света. Рис. 1. Конструкция жидкокристаллической ячейки, построенной на эффекте динамического рассеяния: 1 — жидкий кристалл; 2 — стеклянные пластины; 3 — прозрачный электрод; 4 — изоляционная прокладка;
5 — прозрачный или отражающий электрод
Конструкция элементарной жидкокристаллической ячейки, построенной на эффекте динамического рассеяния, приведенная на рис. 1. Она состоит из двух пластин 2, покрытых изнутри слоем электропроводящего материала 3 и 5 и расположенного между ними слоя жидкого кристалла, толщина которого 8 … 25 мкм. Один из электродов (3) прозрачный, второй прозрачный, если индикатор работает на пропускание света, или зеркальный, если индикатор работаеть на отражение. Электроды 3 и 5 разделяет изоляционная прокладка 4. Подобную конструкцию имеют жидкокристаллические Рис. 2. Конструкция жидкокристаллической ячейки, построенной на твист-эффекте (а) и многоразрядного жидкокристаллического индикатора (б) 1 — стеклянные обкладки; 2 — прозрачные электроды;
3 — ограничитель-фиксатор; 4 — поляроидные пластины; 5 — жидкий кристалл
Источники света (миниатюрные лампы накаливания или люминесцентные излучатели) можно размещать перед индикаторами или за ними. В первом случае с цифровыми сегментами ставят зеркало, а во втором — матово-черную пластину (рис. 3). Рис. 3. Схемы размещения различных элементов жидкокристаллических индикаторов: а — при работе на отражение; б — при работе на прохождение
Рис. 4. Жидкокристаллическая панель вместе с оптической системой: 1, 2 — стеклянные пластины; 3, 4 — полупрозрачные электроды; 5 — источник света; 6 — рефлектор; 7,8, 9 — дихроичные
Сегодня промышленность производит устройства отображения информации на жидких кристаллах. Последние представляют собой органические жидкости, которые имеют кристаллическое строение. В этих устройствах вместо кинескопов используют плоские жидкокристаллические панели. Жидкокристаллические панели (рис. 4) состоят из стеклянных пластин 1, 2, одна из которых имеет полусферические выемки, и нанесенных на их внешнюю поверхность полупрозрачных электродов 3, 4. При соединении пластин в процессе изготовления панелей выемки создают ячейки, которые заполняют жидкими Существует три вида жидкокристаллических устройств:
В устройствах с пассивной матрицей каждой ячейкой руководит напряжение, которое передается через транзисторную схему в соответствии с расположением ячеек в строках и столбцах матрицы экрана. Работа.
Работа жидкокристаллических индикаторов основывается на электрооптических эффектах жидких кристаллов, то есть на их способности изменять свои оптические свойства под действием электрического тока или напряженности электрического поля. Чтобы на экране получить определенное изображение, используют сегментные электроды, к которым с помощью специальных схем управления подводится питание (Рис. 5). Рис. 5. Схема управления жидкокристаллическим индикатором
Питание на сегмент подается только тогда, когда соответствующий управляющий транзистор открыт (На рис. 5 приведен только один транзистор седьмого сегмента). Между общим электродом и плюсом источника питания включен ограничительный резистор. При помощи высокоомных резисторов нагрузки Rн
задают необходимую для работы сегментов напряжение (≈5 В). При отпирании транзистора соответствующий сегмент заземляют, на кристаллическую жидкость действует полное напряжение питания, и она под сегментом становится прозрачной или непрозрачной в зависимости от того, какой электрооптический эффект используют. При одновременной работе всех сегментов на экране высвечивается тот или иной знак или символ. Все жидкокристаллические индикаторы работают на переменном токе (на постоянном токе через электрооптические эффекты срок службы приборов уменьшается). Используют приборы, которые работают как на отраженном, так и на проходящем свете. Во время работы в отраженных лучах источниками света может служить освещения из окружающей среды. Жидкокристаллические панели работают так. Световой поток от источника света 5 (рис. 4, а), которым служат ксеноновые или галогенные лампы, делится дихроичними зеркалами 7, 8, 9 на три световые потоки (красный, синий, зеленый), которые направляют их на жидкокристаллическую панель (в других конструкциях — на три простые жидкокристаллические панели). Одновременно на полупрозрачные электроды ячеек с системы управления, которая на рисунке не показана, поступают усиленные детектируемые видеосигналы, которые модулируют прозрачность жидких кристаллов. В результате на выходе жидкокристаллической панели появляются промоделированые по интенсивности синий, красный и зеленый световые потоки, которые линзой Френеля 10 направляются на экран 11, где смешиваются, образуя многоцветное изображение. Свойства.
Жидкокристаллические индикаторы имеют малые весогабаритных показатели, высокую контрастность, высокую технологичность. Они потребляют малую мощность (≤100 мкВт), используют низкое напряжение питания (≈ 5 В). Основные их недостатки обусловлены низким быстродействием, из-за которой усложняются схемы управления. Основные преимущества жидкокристаллических панелей — это безбликовый экран и низкая потребляемая мощность (≈ 5 Вт поровну с ЭЛТ, которая потребляет ≈ 100 Вт), низкая стоимость и высокая технологичность. В устройствах с активной матрицей каждая ячейка оснащена отдельным транзисторным ключом. Это обеспечивает более высокую яркость изображения, чем в устройствах с пассивной матрицей, поскольку каждая ячейка находится под действием постоянного, а не импульсного электрического поля. Но активная матрица потребляет больше энергии. Кроме того, необходимость отдельного транзисторного ключа для каждой ячейки усложняет производство, что, в свою очередь, увеличивает их цену. Применение.
Жидкокристаллические индикаторы применяют в информационных табло повышенной информационной емкости, экранах малокадрового телевидения, электронных часах, микрокалькуляторах, в пространственно-временных транспарантах, оптических заслонах, светлоклапанных устройствах, мониторах и тому подобное. Распространены жидкокристаллические индикаторы на твист-эффекте, поскольку они не требуют пропускания тока через структуру, что дает выигрыш в энергопотреблении. Жидкокристаллические панели используют в телевизорах вместо кинескопов.
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27
ячейки, построенные на твист-эффекте (рис. 2). Для индикации цифр используют сегменты, состоящие из восьми элементов, каждый из которых представляет собой элементарную жидкокристаллическую ячейку. Семь из них необходимо для воспроизведения десяти цифр, а восьмой предназначен для индикации комы, которая отделяет целую часть от дробной (рис. 3).
зеркала; 10-линза Френеля; 11 — экран
кристаллами. В результате этого образуется своеобразная жидкокристаллическая матрица — панель.
— Монохроматические с пассивной матрицей;
— Цветные с пассивной матрицей;
— Цветные с активной матрицей.
В устройствах с активной матрицей каждой ячейкой руководит отдельный транзисторный ключ. Жидкокристаллические панели могут входить в состав проекторов и заменять кинескопные проекторы, или выполнять свои функции в составе плоских дисплеев.