Un display a cristalli liquidi è un tipo di immagine generata elettricamente su uno schermo piatto sottile. I primi LCD, usciti negli anni '70, erano minuscoli schermi utilizzati principalmente nelle calcolatrici e negli orologi digitali che mostravano numeri neri su sfondo bianco. Gli LCD possono essere trovati ovunque nei sistemi elettronici domestici, nei telefoni cellulari, nelle fotocamere e nei monitor dei computer, nonché negli orologi e nei televisori. Gli odierni televisori a schermo piatto LCD all'avanguardia hanno ampiamente sostituito i tradizionali ingombranti CRT nei televisori e possono produrre immagini a colori ad alta definizione fino a 108 pollici in diagonale sullo schermo.
Storia dei cristalli liquidi
I cristalli liquidi furono scoperti per caso nel 1888 dal botanico F. Reinitzer dall'Austria. Ha scoperto che il benzoato di colesterolo ha due punti di fusione, trasformandosi in un liquido torbido a 145 ° C e a temperature superiori a 178,5 ° C, il liquido diventa trasparente. Pertrovare una spiegazione per questo fenomeno, diede i suoi campioni al fisico Otto Lehmann. Utilizzando un microscopio dotato di riscaldamento a gradini, Lehman ha mostrato che la sostanza ha proprietà ottiche caratteristiche di alcuni cristalli, ma è ancora un liquido, e da qui è stato coniato il termine "cristallo liquido".
Durante gli anni '20 e '30, i ricercatori hanno studiato gli effetti dei campi elettromagnetici sui cristalli liquidi. Nel 1929, il fisico russo Vsevolod Frederiks dimostrò che le loro molecole in una pellicola sottile racchiusa tra due piastre cambiavano il loro allineamento quando veniva applicato un campo magnetico. È stato il precursore del moderno display a cristalli liquidi a voltaggio. Il ritmo dello sviluppo tecnologico dall'inizio degli anni '90 è stato rapido e continua a crescere.
La tecnologia LCD si è evoluta dal bianco e nero per semplici orologi e calcolatrici al multicolore per telefoni cellulari, monitor di computer e televisori. Il mercato globale degli LCD si sta avvicinando ai 100 miliardi di dollari l'anno, rispetto ai 60 miliardi di dollari del 2005 e ai 24 miliardi di dollari del 2003, rispettivamente. La produzione di LCD è concentrata a livello globale nell'Estremo Oriente e in crescita nell'Europa centrale e orientale. Le aziende americane sono all'avanguardia nella tecnologia di produzione. I loro display ora dominano il mercato ed è improbabile che questo cambi nel prossimo futuro.
Fisica del processo di cristallizzazione
La maggior parte dei cristalli liquidi, come il benzoato di colesterolo, sono costituiti da molecole con lunghe strutture a bastoncino. Questa speciale struttura di molecole liquidei cristalli tra due filtri polarizzatori possono essere rotti applicando tensione agli elettrodi, l'elemento LCD diventa opaco e rimane scuro. In questo modo, vari elementi di visualizzazione possono essere commutati in colori chiari o scuri, visualizzando così numeri o caratteri.
Questa combinazione di forze attrattive esistenti tra tutte le molecole associate a una struttura a bastoncino provoca la formazione di una fase di cristalli liquidi. Tuttavia, questa interazione non è abbastanza forte da mantenere le molecole in posizione permanentemente. Da allora sono stati scoperti molti diversi tipi di strutture a cristalli liquidi. Alcuni sono disposti a strati, altri sotto forma di disco o colonne.
Tecnologia LCD
Il principio di funzionamento di un display a cristalli liquidi si basa sulle proprietà di materiali elettricamente sensibili chiamati cristalli liquidi, che scorrono come liquidi ma hanno una struttura cristallina. Nei solidi cristallini, le particelle costituenti - atomi o molecole - sono in schieramenti geometrici, mentre allo stato liquido sono libere di muoversi in modo casuale.
Il display a cristalli liquidi è costituito da molecole, spesso a forma di bastoncino, che si organizzano in una direzione ma possono comunque muoversi. Le molecole di cristalli liquidi reagisconouna tensione elettrica che cambia il loro orientamento e cambia le caratteristiche ottiche del materiale. Questa proprietà viene utilizzata sugli LCD.
In media, un tale pannello è composto da migliaia di elementi dell'immagine ("pixel"), che sono alimentati individualmente dalla tensione. Sono più sottili, più leggeri e hanno una tensione operativa inferiore rispetto ad altre tecnologie di visualizzazione e sono ideali per dispositivi alimentati a batteria.
Matrice passiva
Ci sono due tipi di display: a matrice passiva e attiva. Quelli passivi sono controllati da due soli elettrodi. Sono strisce di ITO trasparente che ruotano di 90 l'una rispetto all' altra. Questo crea una matrice incrociata che controlla ciascuna cella LC individualmente. L'indirizzamento avviene tramite logica e driver separati dall'LCD digitale. Poiché non c'è carica nella cella LC in questo tipo di controllo, le molecole di cristalli liquidi tornano gradualmente al loro stato originale. Pertanto, ogni cellula deve essere monitorata a intervalli regolari.
I passivi hanno un tempo di risposta relativamente lungo e non sono adatti per applicazioni televisive. Preferibilmente, sul substrato di vetro non sono montati driver o componenti di commutazione come i transistor. La perdita di luminosità dovuta all'ombreggiatura di questi elementi non si verifica, quindi il funzionamento degli LCD è molto semplice.
I passivi sono ampiamente utilizzati con cifre e simboli segmentati per piccole letture in dispositivi comecalcolatrici, stampanti e telecomandi, molti dei quali sono monocromatici o hanno solo pochi colori. I display grafici passivi monocromatici e a colori sono stati utilizzati nei primi laptop e sono ancora utilizzati come alternativa alla matrice attiva.
Visualizza il TFT attivo
I display a matrice attiva utilizzano ciascuno un transistor per pilotare e un condensatore per immagazzinare la carica. Nella tecnologia IPS (In Plane Switching), il principio di funzionamento di un indicatore a cristalli liquidi utilizza un design in cui gli elettrodi non si impilano, ma si trovano uno accanto all' altro sullo stesso piano su un substrato di vetro. Il campo elettrico penetra orizzontalmente nelle molecole LC.
Sono allineati parallelamente alla superficie dello schermo, il che aumenta notevolmente l'angolo di visione. Lo svantaggio dell'IPS è che ogni cella necessita di due transistor. Ciò riduce l'area trasparente e richiede una retroilluminazione più brillante. VA (Vertical Alignment) e MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) utilizzano cristalli liquidi avanzati che si allineano verticalmente senza un campo elettrico, cioè perpendicolarmente alla superficie dello schermo.
La luce polarizzata può passare ma è bloccata dal polarizzatore anteriore. Pertanto, una cella senza attivazione è nera. Poiché tutte le molecole, anche quelle situate ai bordi del substrato, sono allineate verticalmente in modo uniforme, il valore del nero risultante è quindi molto grande a tutti gli angoli. A differenza della matrice passivai display a cristalli liquidi, i display a matrice attiva hanno un transistor in ogni sub-pixel rosso, verde e blu che li mantiene all'intensità desiderata fino a quando quella riga non viene indirizzata nel frame successivo.
Tempo di commutazione cella
Il tempo di risposta dei display è sempre stato un grosso problema. A causa della viscosità relativamente alta dei cristalli liquidi, le celle LCD cambiano abbastanza lentamente. A causa dei rapidi movimenti nell'immagine, ciò porta alla formazione di strisce. I cristalli liquidi a bassa viscosità e il controllo delle celle a cristalli liquidi modificati (overdrive) di solito risolvono questi problemi.
Il tempo di risposta dei moderni LCD è attualmente di circa 8 ms (il tempo di risposta più veloce è di 1 ms) modificando la luminosità di un'area dell'immagine dal 10% al 90%, dove 0% e 100% sono luminosità allo stato stazionario, ISO 13406 -2 è la somma del tempo di commutazione da chiaro a scuro (o viceversa) e viceversa. Tuttavia, a causa del processo di commutazione asintotica, è necessario un tempo di commutazione di <3 ms per evitare bande visibili.
La tecnologia Overdrive riduce il tempo di commutazione delle celle a cristalli liquidi. A tale scopo, alla cella LCD viene temporaneamente applicata una tensione maggiore di quella necessaria per il valore di luminosità effettivo. A causa del breve aumento di tensione del display a cristalli liquidi, i cristalli liquidi inerti si staccano letteralmente dalla loro posizione e si livellano molto più velocemente. Per questo livello di processo, l'immagine deve essere memorizzata nella cache. Insieme appositamente progettato per i valori corrispondenticorrezione del display, l' altezza della tensione corrispondente dipende dalla gamma ed è controllata dalle tabelle di ricerca del processore di segnale per ciascun pixel e calcola l'ora esatta delle informazioni sull'immagine.
Componenti principali degli indicatori
La rotazione nella polarizzazione della luce prodotta dai cristalli liquidi è alla base del funzionamento di un LCD. Esistono fondamentalmente due tipi di LCD, trasmissivi e riflettenti:
- Trasmissivo.
- Trasmissione.
Operazione del display LCD di trasmissione. Sul lato sinistro, la retroilluminazione LCD emette luce non polarizzata. Quando passa attraverso il polarizzatore posteriore (polarizzatore verticale), la luce diventa polarizzata verticalmente. Questa luce colpisce quindi il cristallo liquido e torcerà la polarizzazione se attivata. Pertanto, quando la luce polarizzata verticalmente passa attraverso il segmento di cristalli liquidi ON, diventa polarizzata orizzontalmente.
Avanti: il polarizzatore anteriore bloccherà la luce polarizzata orizzontalmente. Pertanto, questo segmento apparirà scuro all'osservatore. Se il segmento dei cristalli liquidi è spento, non cambierà la polarizzazione della luce, quindi rimarrà polarizzata verticalmente. Quindi il polarizzatore anteriore trasmette questa luce. Questi display, comunemente indicati come LCD retroilluminati, utilizzano la luce ambientale come sorgente:
- Orologio.
- LCD riflettente.
- Di solito le calcolatrici usano questo tipo di display.
Segmenti positivi e negativi
Un'immagine positiva viene creata da pixel scuri o segmenti su uno sfondo bianco. In essi, i polarizzatori sono perpendicolari tra loro. Ciò significa che se il polarizzatore anteriore è verticale, il polarizzatore posteriore sarà orizzontale. Quindi OFF e lo sfondo lasceranno passare la luce e ON la bloccheranno. Questi display sono generalmente utilizzati in applicazioni in cui è presente luce ambientale.
È anche in grado di creare display a stato solido ea cristalli liquidi con diversi colori di sfondo. Un'immagine negativa viene creata da pixel chiari o segmenti su uno sfondo scuro. In essi sono combinati i polarizzatori anteriore e posteriore. Ciò significa che se il polarizzatore anteriore è verticale, anche il posteriore sarà verticale e viceversa.
Quindi i segmenti OFF e lo sfondo bloccano la luce, ei segmenti ON lasciano passare la luce, creando un display luminoso su uno sfondo scuro. Gli LCD retroilluminati utilizzano in genere questo tipo, che viene utilizzato dove la luce ambientale è debole. È anche in grado di creare diversi colori di sfondo.
Visualizza memoria RAM
DD è la memoria che memorizza i caratteri visualizzati sullo schermo. Per visualizzare 2 righe di 16 caratteri, gli indirizzi sono definiti come segue:
| Linea | Visibile | Invisibile |
| Top | 00H 0FH | 10H 27H |
| Basso | 40H - 4FH | 50H 67H |
Ti permette di creare un massimo di 8 caratteri o 5x7 caratteri. Una volta che i nuovi caratteri sono stati caricati in memoria, è possibile accedervi come se fossero normali caratteri memorizzati nella ROM. La RAM CG utilizza parole larghe 8 bit, ma sul display LCD vengono visualizzati solo i 5 bit meno significativi.
Quindi D4 è il punto più a sinistra e D0 è il polo a destra. Ad esempio, il caricamento di un byte RAM CG a 1Fh richiama tutti i punti di questa riga.
Controllo modalità bit
Sono disponibili due modalità di visualizzazione: 4 bit e 8 bit. Nella modalità a 8 bit, i dati vengono inviati al display dai pin da D0 a D7. La stringa RS è impostata su 0 o 1, a seconda che si desideri inviare un comando o dei dati. Anche la riga R/W deve essere impostata a 0 per indicare il display da scrivere. Resta da inviare un impulso di almeno 450 ns all'ingresso E per indicare che sono presenti dati validi sui pin da D0 a D7.
Il display leggerà i dati sul fronte di discesa di questo ingresso. Se è richiesta una lettura, la procedura è identica, ma questa volta la riga R/W è impostata su 1 per richiedere una lettura. I dati saranno validi sulle linee D0-D7 nello stato della linea alta.
Modalità a 4 bit. In alcuni casi, potrebbe essere necessario ridurre il numero di cavi utilizzati per pilotare il display, ad esempio quando il microcontrollore ha pochissimi pin di I/O. In questo caso, è possibile utilizzare la modalità LCD a 4 bit. In questa modalità, per trasmetteredati e leggendoli, vengono utilizzati solo i 4 bit più significativi (da D4 a D7) del display.
4 bit significativi (da D0 a D3) vengono quindi collegati a terra. I dati vengono quindi scritti o letti inviando in sequenza i quattro bit più significativi, seguiti dai quattro bit meno significativi. Un impulso positivo di almeno 450 ns deve essere inviato sulla linea E per testare ogni bocconcino.
In entrambe le modalità, dopo ogni azione sul display, puoi assicurarti che possa elaborare le seguenti informazioni. Per fare ciò, è necessario richiedere una lettura in modalità comando e selezionare il flag Busy BF. Quando BF=0, il display è pronto per accettare nuovi comandi o dati.
Dispositivi di tensione digitale
Gli indicatori digitali a cristalli liquidi per tester sono costituiti da due sottili lastre di vetro, sulle cui superfici affacciate sono state applicate sottili tracce conduttive. Quando il vetro è visto da destra, o quasi ad angolo retto, queste tracce non sono visibili. Tuttavia, a determinati angoli di visuale, diventano visibili.
Schema elettrico.
Il tester qui descritto consiste in un oscillatore rettangolare che genera una tensione CA perfettamente simmetrica senza alcuna componente CC. La maggior parte dei generatori logici non sono in grado di generare un'onda quadra, generano forme d'onda quadra il cui duty cycle oscilla intorno al 50%. Il 4047 utilizzato nel tester ha un'uscita scalare binaria che garantisce la simmetria. Frequenzal'oscillatore è di circa 1 kHz.
Può essere alimentato da un'alimentazione 3-9 V. Di solito sarà una batteria, ma un'alimentazione variabile ha i suoi vantaggi. Mostra a quale tensione funziona in modo soddisfacente l'indicatore di tensione a cristalli liquidi e c'è anche una chiara relazione tra il livello di tensione e l'angolo con cui il display è chiaramente visibile. Il tester assorbe non più di 1 mA.
La tensione di prova deve essere sempre collegata tra il terminale comune, ovvero il piano posteriore, e uno dei segmenti. Se non si sa quale terminale sia il backplane, collegare una sonda del tester al segmento e l' altra sonda a tutti gli altri terminali finché il segmento non è visibile.
