Una pantalla de cristall líquid és un tipus d'imatge generada elèctricament en un panell prim i pla. Els primers LCD, que van sortir a la dècada de 1970, eren petites pantalles utilitzades principalment en calculadores i rellotges digitals que mostraven números negres sobre fons blanc. Els LCD es poden trobar a tot arreu en sistemes electrònics domèstics, telèfons mòbils, càmeres i monitors d'ordinador, així com rellotges i televisors. Els televisors de pantalla plana LCD d'última generació han substituït en gran mesura els CRT voluminosos tradicionals als televisors i poden produir imatges en color d' alta definició de fins a 108 polzades en diagonal a través de la pantalla.
Història dels cristalls líquids
Els cristalls líquids van ser descoberts per accident l'any 1888 pel botànic F. Reinitzer d'Àustria. Va trobar que el benzoat de colesterol té dos punts de fusió, convertint-se en un líquid tèrbol a 145 ° C, i a temperatures superiors a 178,5 ° C, el líquid es torna transparent. ATrobar una explicació a aquest fenomen, va donar les seves mostres al físic Otto Lehmann. Utilitzant un microscopi equipat amb escalfament escalonat, Lehman va demostrar que la substància té propietats òptiques característiques d'alguns cristalls, però encara és un líquid, i per tant es va encunyar el terme "cristall líquid"..
Durant les dècades de 1920 i 1930, els investigadors van estudiar els efectes dels camps electromagnètics sobre els cristalls líquids. El 1929, el físic rus Vsevolod Frederiks va demostrar que les seves molècules en una pel·lícula fina entre dues plaques canviaven la seva alineació quan s'aplicava un camp magnètic. Va ser el precursor de la moderna pantalla de cristall líquid de tensió. El ritme de desenvolupament tecnològic des de principis de la dècada de 1990 ha estat ràpid i continua creixent.
La tecnologia LCD ha evolucionat des del blanc i negre per a rellotges i calculadores senzills fins a multicolor per a telèfons mòbils, monitors d'ordinador i televisors. El mercat global de LCD s'acosta ara als 100.000 milions de dòlars anuals, enfront dels 60.000 milions de dòlars el 2005 i els 24.000 milions de dòlars el 2003, respectivament. La fabricació de LCD es concentra globalment a l'Extrem Orient i creix a Europa central i oriental. Les empreses nord-americanes lideren el camí en la tecnologia de fabricació. Ara les seves pantalles dominen el mercat i és poc probable que això canviï en un futur proper.
Física del procés de cristal·lització
La majoria dels cristalls líquids, com el benzoat de colesterol, estan formats per molècules amb estructures llargues en forma de bastons. Aquesta estructura especial de molècules líquidesels cristalls entre dos filtres polaritzadors es poden trencar aplicant tensió als elèctrodes, l'element LCD es torna opac i es manté fosc. D'aquesta manera, es poden canviar diversos elements de visualització a colors clars o foscos, mostrant així números o caràcters.
Aquesta combinació de forces atractives existents entre totes les molècules associades a una estructura semblant a una vareta provoca la formació d'una fase de cristall líquid. Tanmateix, aquesta interacció no és prou forta per mantenir les molècules al seu lloc permanentment. Des de llavors, s'han descobert molts tipus diferents d'estructures de cristall líquid. Alguns d'ells estan disposats en capes, d' altres en forma de disc o en columnes.
Tecnologia LCD
El principi de funcionament d'una pantalla de cristall líquid es basa en les propietats de materials sensibles a l'electricitat anomenats cristalls líquids, que flueixen com els líquids però tenen una estructura cristal·lina. En els sòlids cristal·lins, les partícules constitutives (àtoms o molècules) es troben en matrius geomètriques, mentre que en estat líquid són lliures de moure's aleatòriament.
El dispositiu de visualització de cristall líquid consta de molècules, sovint en forma de vareta, que s'organitzen en una direcció però encara es poden moure. Les molècules de cristall líquid reaccionenuna tensió elèctrica que canvia la seva orientació i modifica les característiques òptiques del material. Aquesta propietat s'utilitza a les pantalles LCD.
De mitjana, aquest panell consta de milers d'elements d'imatge ("píxels"), que s'alimenten individualment per tensió. Són més prims, lleugers i tenen una tensió de funcionament més baixa que altres tecnologies de visualització i són ideals per a dispositius amb bateria.
Matriu passiva
Hi ha dos tipus de pantalles: passiva i matriu activa. Els passius només estan controlats per dos elèctrodes. Són tires d'ITO transparent que giren 90 entre si. Això crea una matriu creuada que controla cada cel·la LC individualment. L'adreçament es fa per lògica i controladors separats de la pantalla LCD digital. Com que no hi ha càrrega a la cèl·lula LC en aquest tipus de control, les molècules de cristall líquid tornen gradualment al seu estat original. Per tant, cada cel·la s'ha de controlar a intervals regulars.
Els passius tenen un temps de resposta relativament llarg i no són adequats per a aplicacions de televisió. Preferiblement, no hi ha controladors ni components de commutació, com ara transistors, muntats al substrat de vidre. No es produeix la pèrdua de brillantor a causa de l'ombrejat per aquests elements, per la qual cosa el funcionament de les LCD és molt senzill.
Passiu s'utilitzen àmpliament amb dígits segmentats i símbols per a petites lectures en dispositius com aracalculadores, impressores i comandaments a distància, molts dels quals són monocroms o només tenen uns quants colors. Les pantalles gràfiques passives monocromes i en color es van utilitzar als primers ordinadors portàtils i encara s'utilitzen com a alternativa a la matriu activa.
Pantalles TFT actives
La matriu activa mostra que cada una utilitza un transistor per conduir i un condensador per emmagatzemar la càrrega. En la tecnologia IPS (In Plane Switching), el principi de funcionament d'un indicador de cristall líquid utilitza un disseny on els elèctrodes no s'apilen, sinó que es troben un al costat de l' altre en el mateix pla sobre un substrat de vidre. El camp elèctric penetra horitzontalment a les molècules LC.
S'alineen paral·lelament a la superfície de la pantalla, la qual cosa augmenta molt l'angle de visió. El desavantatge de l'IPS és que cada cèl·lula necessita dos transistors. Això redueix l'àrea transparent i requereix una llum de fons més brillant. VA (alineació vertical) i MVA (alineació vertical multidomini) utilitzen cristalls líquids avançats que s'alineen verticalment sense camp elèctric, és a dir, perpendiculars a la superfície de la pantalla.
La llum polaritzada pot passar, però està bloquejada pel polaritzador frontal. Així, una cèl·lula sense activació és negra. Com que totes les molècules, fins i tot les que es troben a les vores del substrat, estan alineades verticalment de manera uniforme, el valor negre resultant és, per tant, molt gran a totes les cantonades. A diferència de la matriu passivaLes pantalles de cristall líquid, les pantalles de matriu activa tenen un transistor a cada subpíxel vermell, verd i blau que els manté a la intensitat desitjada fins que aquesta fila s'aborda al fotograma següent.
Temps de canvi de cel·la
El temps de resposta de les pantalles sempre ha estat un gran problema. A causa de la viscositat relativament alta del cristall líquid, les cèl·lules LCD canvien bastant lentament. A causa dels moviments ràpids de la imatge, això condueix a la formació de ratlles. El cristall líquid de baixa viscositat i el control de cèl·lules de cristall líquid modificat (overdrive) solen resoldre aquests problemes.
El temps de resposta de les pantalles LCD modernes és actualment d'uns 8 ms (el temps de resposta més ràpid és d'1 ms) canviant la brillantor d'una àrea d'imatge del 10% al 90%, on el 0% i el 100% són la brillantor en estat estacionari, ISO 13406 -2 és la suma del temps de canvi de clar a fosc (o viceversa) i viceversa. Tanmateix, a causa del procés de commutació asimptòtic, cal un temps de commutació de <3 ms per evitar bandes visibles.
La tecnologia Overdrive redueix el temps de commutació de les cèl·lules de cristall líquid. Amb aquest propòsit, s'aplica temporalment a la cèl·lula LCD un voltatge més alt del necessari per al valor de brillantor real. A causa de la curta pujada de tensió de la pantalla de cristall líquid, els cristalls líquids inerts literalment surten de la seva posició i s'anivellen molt més ràpidament. Per a aquest nivell de procés, la imatge s'ha d'emmagatzemar a la memòria cau. Juntament amb dissenyats especialment per als valors corresponentscorrecció de visualització, l'alçada de tensió corresponent depèn de la gamma i es controla mitjançant taules de cerca del processador de senyal per a cada píxel i calculeu l'hora exacta de la informació de la imatge.
Components principals dels indicadors
La rotació en la polarització de la llum produïda pel cristall líquid és la base del funcionament d'un LCD. Bàsicament hi ha dos tipus de LCD, transmissius i reflectants:
- Transmissiu.
- Transmissió.
Operació de la pantalla LCD de transmissió. Al costat esquerre, la retroil·luminació LCD emet llum no polaritzada. Quan passa pel polaritzador posterior (polaritzador vertical), la llum es polaritzarà verticalment. Aleshores, aquesta llum colpeja el cristall líquid i retorçarà la polarització si està activada. Per tant, quan la llum polaritzada verticalment travessa el segment de cristall líquid ON, es polaritza horitzontalment.
Següent: el polaritzador frontal bloquejarà la llum polaritzada horitzontalment. Així, aquest segment semblarà fosc per a l'observador. Si s'apaga el segment de cristall líquid, no canviarà la polarització de la llum, de manera que romandrà polaritzat verticalment. Així, el polaritzador frontal transmet aquesta llum. Aquestes pantalles, comunament anomenades LCD retroil·luminades, utilitzen la llum ambiental com a font:
- Rellotge.
- LCD reflectant.
- Normalment les calculadores utilitzen aquest tipus de pantalla.
Segments positius i negatius
Una imatge positiva es crea amb píxels foscos o segments sobre un fons blanc. En ells, els polaritzadors són perpendiculars entre si. Això vol dir que si el polaritzador frontal és vertical, el polaritzador posterior serà horitzontal. Així que OFF i el fons deixarà passar la llum, i ON la bloquejarà. Aquestes pantalles s'utilitzen normalment en aplicacions on hi ha llum ambiental.
També és capaç de crear pantalles d'estat sòlid i de cristall líquid amb diferents colors de fons. Una imatge negativa es crea amb píxels clars o segments sobre un fons fosc. En ells, es combinen els polaritzadors davanter i posterior. Això vol dir que si el polaritzador frontal és vertical, la part posterior també serà vertical i viceversa.
Per tant, els segments OFF i el fons bloquegen la llum, i els segments ON deixen passar la llum, creant una pantalla clara sobre un fons fosc. Les LCD retroil·luminades solen utilitzar aquest tipus, que s'utilitza quan la llum ambiental és feble. També és capaç de crear diferents colors de fons.
Memòria de visualització RAM
DD és la memòria que emmagatzema els caràcters que es mostren a la pantalla. Per mostrar 2 línies de 16 caràcters, les adreces es defineixen de la següent manera:
| Línia | Visible | Invisible |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Baix | 40H - 4FH | 50H 67H |
Us permet crear un màxim de 8 caràcters o 5x7 caràcters. Un cop carregats nous caràcters a la memòria, s'hi pot accedir com si fossin caràcters normals emmagatzemats a la ROM. CG RAM utilitza paraules de 8 bits d'ample, però només els 5 bits menys significatius apareixen a la pantalla LCD.
Així que D4 és el punt més esquerre i D0 és el pal de la dreta. Per exemple, carregar un byte de RAM CG a 1Fh crida a tots els punts d'aquesta línia.
Control del mode de bits
Hi ha dos modes de visualització disponibles: 4 bits i 8 bits. En mode de 8 bits, les dades s'envien a la pantalla mitjançant els pins D0 a D7. La cadena RS s'estableix a 0 o 1, depenent de si voleu enviar una ordre o dades. La línia R/W també s'ha de posar a 0 per indicar la pantalla que s'ha d'escriure. Queda per enviar un pols d'almenys 450 ns a l'entrada E per indicar que hi ha dades vàlides als pins D0 a D7.
La pantalla llegirà dades a la vora descendent d'aquesta entrada. Si cal una lectura, el procediment és idèntic, però aquesta vegada la línia R/W s'estableix a 1 per sol·licitar una lectura. Les dades seran vàlides a les línies D0-D7 a l'estat de la línia alta.
Mode 4 bits. En alguns casos, pot ser necessari reduir el nombre de cables utilitzats per conduir la pantalla, com ara quan el microcontrolador té molt pocs pins d'E/S. En aquest cas, es pot utilitzar el mode LCD de 4 bits. En aquest mode, transmetredades i llegint-les, només s'utilitzen els 4 bits més significatius (D4 a D7) de la pantalla.
A continuació, es connecten 4 bits significatius (D0 a D3) a terra. A continuació, les dades s'escriuen o llegeixen enviant els quatre bits més significatius en seqüència, seguits dels quatre bits menys significatius. S'ha d'enviar un pols positiu d'almenys 450 ns a la línia E per provar cada mossegada.
En ambdós modes, després de cada acció a la pantalla, podeu assegurar-vos que pot processar la informació següent. Per fer-ho, heu de sol·licitar una lectura en mode d'ordres i comprovar la marca Busy BF. Quan BF=0, la pantalla està preparada per acceptar noves ordres o dades.
Dispositius de tensió digital
Els indicadors digitals de cristall líquid per a provadors consisteixen en dues làmines primes de vidre, a les superfícies enfrontades de les quals s'han aplicat pistes conductores primes. Quan el vidre es veu des de la dreta, o gairebé en angle recte, aquestes pistes no són visibles. Tanmateix, en determinats angles de visió, es fan visibles.
Esquema del circuit elèctric.
El provador que es descriu aquí consta d'un oscil·lador rectangular que genera una tensió alterna perfectament simètrica sense cap component de corrent continu. La majoria de generadors lògics no són capaços de generar una ona quadrada, generen formes d'ona quadrades el cicle de treball de les quals oscil·la al voltant del 50%. El 4047 utilitzat al provador té una sortida escalar binària que garanteix la simetria. Freqüèncial'oscil·lador és d'aproximadament 1 kHz.
Es pot alimentar amb una font de 3-9 V. Normalment serà una bateria, però una font d'alimentació variable té els seus avantatges. Mostra a quina tensió funciona satisfactòriament l'indicador de tensió de cristall líquid i també hi ha una relació clara entre el nivell de tensió i l'angle en què la pantalla és clarament visible. El provador no consumeix més d'1 mA.
La tensió de prova s'ha de connectar sempre entre el terminal comú, és a dir, el pla posterior, i un dels segments. Si no se sap quin terminal és el pla posterior, connecteu una sonda del tester al segment i l' altra sonda a tots els altres terminals fins que el segment sigui visible.
