Жидкокристалические индикаторы

ЖИДКОКРИСТАЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ

РЕЖИМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ЖКИ

Режимы от ображения 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

Режим отображения Изображение Применение Прямой солнечный свет Офисное освещение Приглушенный свет Очень слабый свет Рефлективный позитивный Темные сегменты на светлом фоне Без подсветки. Обеспечивает лучший фронтальный контраст и стабильность. Великолепно Очень хорошо Плохо Очень плохо Трансфлективный позитивный Темные сегменты на сером фоне Может освещаться отраженным внешним светом или подсветкой Великолепно (без подсветки) Хорошо (без подсветки) Хорошо (подсветка) Очень хорошо (подсветка) Трансфлективный негативный Светло-серые сегменты на темном фоне Требуется яркое освещение или подсветка. Часто используется с цветным трансфлектором (полупрозрачный отражатель) Хорошо (без подсветки) Хорошо (без подсветки) Хорошо (подсветка) Очень хорошо (подсветка) Трансмиссивный позитивный Темные сегменты на подсвеченном фоне Разработан для плохих условий освещения, возможно использование при внешнем освещении Хорошо (без подсветки) Хорошо (подсветка) Очень хорошо (подсветка) Великолепно (подсветка) Трансмиссивный негативный Подсвеченные сегменты на темном фоне Не может быть использован без подсветки Плохо (подсветка) Хорошо (подсветка) Очень хорошо (подсветка) Великолепно (подсветка)

 

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).

а)	б)

Рис. 5 - Работа рефлективного индикатора:

а) - рефлективный индикатор в выключенном состоянии. Свет проходит через горизонтальный поляризатор и отражается обратно.
б) - во включенном состоянии свет находится в противофазе с горизонтальным поляризатором, так что он не доходит до рефлектора.

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).

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.

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

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.

ИНДИКАЦИЯ ЖКИ

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

Технология получения цвета Рефлективный Трансмиссивный Трансфлективный Многоцветный передний поляризатор + - + Стандартный одноцветный передний поляризатор Красный, Синий, Серый, Зеленый + - + Цветная шелкография (большой выбор цветов) - + + Задний фильтр произвольного цвета - + + Произвольный фильтр и шелкография + + +

СПОСОБЫ ПРИСОЕДИНЕНИЯ ЖКИ

КОНТРОЛЛЕРЫ ЖКИ

Общие принципы

Существует два типа контроллеров ЖКИ: прямой и мультиплексный. Оба типа имеют свои преимущества и недостатки.

Таблица 4

Прямое управление

Прямое (статическое,симплексное) управление означает, что каждый сегмент ЖКИ имеет независимое соединение с контроллером. ЖКИ с прямым управлением имеют высокий контраст и широкий температурный диапазон. Они обычно используются для уличных устройств (колонки АЗС, часы).
Симплексные контроллеры обычно создают управляющее напряжение частотой от 30 до 60 Гц. Частоты менее 30 Гц вызывают мерцание дисплея, а выше 60 Гц требуют черезмерного тока управления. Это важный параметр, особенно для устройств, работающих от батареек. Если ЖКИ превышает предельные частоты и напряжения, выключенные сегменты могут случайно подсвечиваться. Такая частичная активация сегментов называется паразитной помехой.

При увеличении числа сегментов, количество независимых соединений и схем управления растет.

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

Сегменты мультиплексного индикатора сгруппированы в матрицу. Контроллер создает разноамплитудные, синхронизированные по времени сигналы для строки и столбца, адресуя конкретный сегмент.

Поскольку в мультиплексных ЖКИ напряжение приложено к выключенным сегментам, разработчику следует минимизировать напряжения, могущие вызвать паразитные помехи. Уровни смещения напряжения используются для деления напряжения, уменьшая вероятность помех. К примеру контроллер со смещением 1/3 разделен на три уровня: Vdd, 2/3Vdd и 1/3Vdd.

Контраст сегмента зависит от действующего напряжения COM минус сигнал на SEG в текущей ячейке матрицы. Форма сигнала, а значит и действующее напяжение может быть как выше напряжения включения (Voff), так и ниже напяжения визуального предела (Von). Напряжения могут быть настроены для оптимального контраста сегмента.

Производители микросхем выбирают уровни смещения и форму сигнала, которые оптимизируют характеристики ЖКИ. Конечный пользователь может настроить уровни напряжения для подбора свойств ЖК ячейки, изменяя сопротивления внешнего делителя.

При увеличении мультиплексности отношение Von/Voff стремится к единице, по причине корреляции свойств сигналов драйвера. Максимально возможная мультиплексность в конечном счете остается на усмотрение конечного пользователя, но при увеличении мультиплексности уменьшаются контраст сегмента, угол обзора, температурный диапазон.

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.

ЖИДКОКРИСТАЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ