En flytande kristallskärm är en typ av elektriskt genererad bild på en tunn platt panel. De första LCD-skärmarna, som kom ut på 1970-talet, var små skärmar som främst användes i miniräknare och digitala klockor som visade svarta siffror på en vit bakgrund. LCD-skärmar finns överallt i hemelektroniksystem, mobiltelefoner, kameror och datorskärmar, såväl som klockor och tv-apparater. Dagens toppmoderna platta LCD-TV-apparater har till stor del ersatt traditionella skrymmande CRT-apparater i tv-apparater och kan producera högupplösta färgbilder upp till 108 tum diagon alt över skärmen.
History of liquid crystals
Flytande kristaller upptäcktes av en slump 1888 av botanikern F. Reinitzer från Österrike. Han fann att kolesterylbensoat har två smältpunkter, förvandlas till en grumlig vätska vid 145 ° C, och vid temperaturer över 178,5 ° C, blir vätskan genomskinlig. Tillhitta en förklaring till detta fenomen, gav han sina prover till fysikern Otto Lehmann. Med hjälp av ett mikroskop utrustat med stegvis uppvärmning visade Lehman att ämnet har optiska egenskaper som är karakteristiska för vissa kristaller, men är fortfarande en vätska, och därför myntades termen "flytande kristall".
Under 1920- och 1930-talen studerade forskare effekterna av elektromagnetiska fält på flytande kristaller. 1929 visade den ryske fysikern Vsevolod Frederiks att deras molekyler i en tunn film inklämd mellan två plattor ändrade sin inriktning när ett magnetfält applicerades. Det var föregångaren till den moderna spänningsvätskekristallskärmen. Takten i den tekniska utvecklingen sedan början av 1990-talet har varit snabb och fortsätter att växa.
LCD-tekniken har utvecklats från svartvitt för enkla klockor och miniräknare till flerfärgat för mobiltelefoner, datorskärmar och tv-apparater. Den globala LCD-marknaden närmar sig nu 100 miljarder dollar per år, upp från 60 miljarder 2005 respektive 24 miljarder 2003. LCD-tillverkning är glob alt koncentrerad till Fjärran Östern och växer i Central- och Östeuropa. Amerikanska företag leder vägen inom tillverkningsteknik. Deras skärmar dominerar nu marknaden och det är osannolikt att detta kommer att förändras inom en snar framtid.
Kristallisationsprocessens fysik
De flesta flytande kristaller, som kolesterylbensoat, är uppbyggda av molekyler med långa stavliknande strukturer. Denna speciella struktur av flytande molekylerkristaller mellan två polariserande filter kan brytas genom att lägga spänning på elektroderna, LCD-elementet blir ogenomskinligt och förblir mörkt. På detta sätt kan olika visningselement antingen växlas till ljusa eller mörka färger och därigenom visa siffror eller tecken.
Denna kombination av attraktionskrafter som finns mellan alla molekyler associerade med en stavliknande struktur orsakar bildandet av en flytande kristallfas. Denna interaktion är dock inte tillräckligt stark för att hålla molekylerna på plats permanent. Sedan dess har många olika typer av flytande kristallstrukturer upptäckts. Vissa av dem är ordnade i lager, andra i form av en skiva eller formkolumner.
LCD-teknik
Arbetsprincipen för en flytande kristallskärm är baserad på egenskaperna hos elektriskt känsliga material som kallas flytande kristaller, som flyter som vätskor men har en kristallin struktur. I kristallina fasta ämnen finns de ingående partiklarna - atomer eller molekyler - i geometriska grupperingar, medan de i flytande tillstånd är fria att röra sig slumpmässigt.
Den flytande kristalldisplayen består av molekyler, ofta stavformade, som organiserar sig i en riktning men som fortfarande kan röra sig. Flytande kristallmolekyler reagerar påen elektrisk spänning som ändrar deras orientering och ändrar materialets optiska egenskaper. Den här egenskapen används på LCD-skärmar.
I genomsnitt består en sådan panel av tusentals bildelement ("pixlar") som drivs individuellt av spänning. De är tunnare, lättare och har en lägre driftsspänning än andra skärmtekniker och är idealiska för batteridrivna enheter.
Passive Matrix
Det finns två typer av displayer: passiv och aktiv matris. Passiva styrs av endast två elektroder. De är remsor av transparent ITO som roterar 90 till varandra. Detta skapar en korsmatris som styr varje LC-cell individuellt. Adressering görs av logik och drivrutiner separerade från den digitala LCD-skärmen. Eftersom det inte finns någon laddning i LC-cellen i denna typ av kontroll, återgår flytande kristallmolekylerna gradvis till sitt ursprungliga tillstånd. Därför måste varje cell övervakas med jämna mellanrum.
Passiv har en relativt lång svarstid och är inte lämpliga för tv-applikationer. Företrädesvis är inga drivenheter eller omkopplingskomponenter såsom transistorer monterade på glassubstratet. Förlust av ljusstyrka på grund av skuggning av dessa element inträffar inte, så driften av LCD-skärmarna är mycket enkel.
Passiv används ofta med segmenterade siffror och symboler för små läsningar i enheter som t.ex.miniräknare, skrivare och fjärrkontroller, varav många är monokroma eller bara har ett fåtal färger. Passiva monokroma och färggrafiska skärmar användes i tidiga bärbara datorer och används fortfarande som ett alternativ till aktiv matris.
Aktiva TFT-skärmar
Aktiva matrisskärmar använder var och en en transistor för att driva och en kondensator för att lagra laddning. I IPS-teknologin (In Plane Switching) använder principen för driften av en flytande kristallindikator en design där elektroderna inte staplas, utan är placerade bredvid varandra i samma plan på ett glassubstrat. Det elektriska fältet penetrerar LC-molekylerna horisontellt.
De är inriktade parallellt med skärmens yta, vilket avsevärt ökar betraktningsvinkeln. Nackdelen med IPS är att varje cell behöver två transistorer. Detta minskar det genomskinliga området och kräver en starkare bakgrundsbelysning. VA (Vertical Alignment) och MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) använder avancerade flytande kristaller som riktar sig vertik alt utan ett elektriskt fält, det vill säga vinkelrätt mot skärmens yta.
Polariserat ljus kan passera igenom men blockeras av den främre polarisatorn. Således är en cell utan aktivering svart. Eftersom alla molekyler, även de som är belägna vid substratets kanter, är likformigt vertik alt inriktade, är det resulterande svarta värdet således mycket stort i alla hörn. Till skillnad från passiv matrisLCD-skärmar, aktiva matrisskärmar har en transistor i varje röd, grön och blå delpixel som håller dem vid önskad intensitet tills den raden adresseras i nästa bildruta.
Cellbytestid
Skärmarnas svarstid har alltid varit ett stort problem. På grund av den flytande kristallens relativt höga viskositet växlar LCD-celler ganska långsamt. På grund av de snabba rörelserna i bilden leder detta till att det bildas ränder. Lågviskösa flytande kristaller och modifierad flytande kristallcellkontroll (överväxling) löser vanligtvis dessa problem.
Svarstiden för moderna LCD-skärmar är för närvarande cirka 8ms (den snabbaste svarstiden är 1ms), vilket ändrar ljusstyrkan för ett bildområde från 10 % till 90 %, där 0 % och 100 % är konstant ljusstyrka, ISO 13406 -2 är summan av växlingstiden från ljust till mörkt (eller vice versa) och vice versa. På grund av den asymptotiska växlingsprocessen krävs dock en växlingstid på <3 ms för att undvika synliga band.
Overdrive-teknik minskar växlingstiden för flytande kristallceller. För detta ändamål läggs tillfälligt en högre spänning på LCD-cellen än vad som är nödvändigt för det faktiska ljusstyrkevärdet. På grund av den korta spänningsstöten hos LCD-skärmen bryter de inerta flytande kristallerna bokstavligen ur sin position och planar ut mycket snabbare. För denna processnivå måste bilden cachelagras. Tillsammans med specialdesignade för motsvarande värdenvisningskorrigering, motsvarande spänningshöjd beror på gamma och styrs av uppslagstabeller från signalprocessorn för varje pixel, och beräknar den exakta tiden för bildinformationen.
Huvudkomponenter av indikatorer
Rotationen i polariseringen av ljus som produceras av flytande kristaller är grunden för hur en LCD-skärm fungerar. Det finns i princip två typer av LCD-skärmar, transmissiv och reflekterande:
- Transmissive.
- Transmission.
Sändning LCD-display funktion. På vänster sida avger LCD-bakgrundsbelysningen opolariserat ljus. När det passerar genom den bakre polarisatorn (vertikal polarisator), kommer ljuset att bli vertik alt polariserat. Detta ljus träffar sedan den flytande kristallen och kommer att vrida polarisationen om den slås på. Därför, när vertik alt polariserat ljus passerar genom ON-vätskekristallsegmentet, blir det horisontellt polariserat.
Nästa - den främre polarisatorn blockerar horisontellt polariserat ljus. Således kommer detta segment att se mörkt ut för betraktaren. Om det flytande kristallsegmentet är avstängt kommer det inte att ändra ljusets polarisering, så det förblir vertik alt polariserat. Så den främre polarisatorn sänder detta ljus. Dessa skärmar, vanligtvis kallade bakgrundsbelysta LCD-skärmar, använder omgivande ljus som sin källa:
- Clock.
- Reflekterande LCD.
- Kalkylatorer använder vanligtvis den här typen av display.
Positiva och negativa segment
En positiv bild skapas av mörka pixlar eller segment på en vit bakgrund. I dem är polarisatorerna vinkelräta mot varandra. Detta betyder att om den främre polarisatorn är vertikal, kommer den bakre polarisatorn att vara horisontell. Så OFF och bakgrunden kommer att släppa igenom ljuset, och ON kommer att blockera det. Dessa displayer används vanligtvis i applikationer där omgivande ljus finns.
Den kan också skapa bildskärmar i fast tillstånd och flytande kristaller med olika bakgrundsfärger. En negativ bild skapas av ljusa pixlar eller segment på en mörk bakgrund. I dem är de främre och bakre polarisatorerna kombinerade. Det betyder att om den främre polarisatorn är vertikal kommer den bakre också att vara vertikal och vice versa.
Så OFF-segmenten och bakgrunden blockerar ljuset, och ON-segmenten släpper igenom ljuset och skapar en ljus visning mot en mörk bakgrund. Bakgrundsbelysta LCD-skärmar använder vanligtvis denna typ, som används där omgivningsljuset är svagt. Den kan också skapa olika bakgrundsfärger.
Displayminne RAM
DD är minnet som lagrar tecknen som visas på skärmen. För att visa 2 rader med 16 tecken definieras adresser enligt följande:
| Line | Visible | Osynlig |
| Bästa | 00H 0FH | 10H 27H |
| Low | 40H - 4FH | 50H 67H |
Det låter dig skapa maxim alt 8 tecken eller 5x7 tecken. När nya tecken väl har laddats in i minnet kan de nås som om de vore normala tecken lagrade i ROM. CG RAM använder 8-bitars breda ord, men bara de 5 minst signifikanta bitarna visas på LCD-skärmen.
D4 är alltså punkten längst till vänster och D0 är polen till höger. Om t.ex. laddar en RAM-byte CG vid 1Fh anropas alla punkter på denna linje.
Bitlägeskontroll
Det finns två tillgängliga visningslägen: 4-bitars och 8-bitars. I 8-bitarsläge skickas data till displayen med stift D0 till D7. RS-strängen är satt till 0 eller 1, beroende på om du vill skicka ett kommando eller data. R/W-raden måste också ställas in på 0 för att indikera vilken display som ska skrivas. Det återstår att skicka en puls på minst 450 ns till ingång E för att indikera att giltig data finns på stift D0 till D7.
Skärmen kommer att läsa data på den fallande kanten av denna ingång. Om en läsning krävs är proceduren identisk, men den här gången är R/W-linjen satt till 1 för att begära en läsning. Uppgifterna kommer att vara giltiga på linjerna D0-D7 i höglinjetillståndet.
4-bitarsläge. I vissa fall kan det vara nödvändigt att minska antalet ledningar som används för att driva skärmen, till exempel när mikrokontrollern har väldigt få I/O-stift. I detta fall kan 4-bitars LCD-läge användas. I detta läge för att sändadata och läsning av dem används endast de 4 mest signifikanta bitarna (D4 till D7) på displayen.
4 signifikanta bitar (D0 till D3) kopplas sedan till jord. Data skrivs eller läses sedan genom att de fyra mest signifikanta bitarna skickas i följd, följt av de fyra minst signifikanta bitarna. En positiv puls på minst 450 ns måste skickas på linje E för att testa varje napp.
I båda lägena, efter varje åtgärd på displayen, kan du se till att den kan behandla följande information. För att göra detta måste du begära en läsning i kommandoläge och kontrollera flaggan Busy BF. När BF=0 är displayen redo att acceptera nytt kommando eller data.
Digitala spänningsenheter
Digitala flytande kristallindikatorer för testare består av två tunna glasskivor, på vars motstående ytor tunna ledande spår applicerades. När glaset ses från höger, eller nästan i rät vinkel, är dessa spår inte synliga. Men vid vissa betraktningsvinklar blir de synliga.
Elektriskt kretsschema.
Testern som beskrivs här består av en rektangulär oscillator som genererar en perfekt symmetrisk AC-spänning utan någon DC-komponent. De flesta logikgeneratorer är inte kapabla att generera en fyrkantvåg, de genererar fyrkantvågformer vars arbetscykel fluktuerar runt 50 %. 4047:an som används i testaren har en binär skalär utgång som garanterar symmetri. Frekvensoscillatorn är cirka 1 kHz.
Den kan drivas av en 3-9V-källa. Vanligtvis är det ett batteri, men en variabel strömförsörjning har sina fördelar. Den visar vid vilken spänning spänningsindikatorn flytande kristaller fungerar tillfredsställande, och det finns också ett tydligt samband mellan spänningsnivån och vinkeln som displayen är tydligt synlig i. Testaren drar inte mer än 1 mA.
Testspänningen måste alltid kopplas mellan den gemensamma terminalen, dvs det bakre planet, och ett av segmenten. Om det inte är känt vilken terminal som är bakplanet, anslut sedan en sond på testaren till segmentet och den andra proben till alla andra terminaler tills segmentet är synligt.
