Struktura

Displeje LCD

Displeje LCD

LCD displeje, jinak též zobrazovací jednotky s malou hustotou informace a kapalnými krystaly, mají široké využití. V začátcích se používaly miniaturní typy v náramkových hodinkách z důvodu nízké spotřeby energie. Později se rozšířily i do kalkulaček, měřicích přístrojů a do předmětů spotřební elektroniky vůbec. Technologie LCD ovládla výrobu displejů k různým elektronickým hrám, obrazovek přenosných PC (notebooky) a nahradila obrazovky stolních PC. Dnes se můžeme setkat i se super tenkými plochými obrazovkami, které lze ohýbat i rolovat („elektronický papír“ – viz obrázek 3) a jsou téměř nezávislé na zdroji energie (vhodné k pročítání denního tisku nebo jako prostorově výhodná náhrada tištěných knih).

Obr. 1: Aplikace LCD displeje v radiobudíku

Obr. 2: Alfanumerický LCD displej

 

  

Obr. 3: Elektronický papír – nejnovější podoba LCD displeje od firmy FUJITSU

Princip LCD je založen na technologii tekutých krystalů (LCD = Liquid Crystal Display). Tekuté krystaly jsou látky, které se kromě tekutého a pevného stavu vyskytují také v tzv. „kapalné krystalické fázi“. V tomto stavu jsou tekuté, ale mají optické a elektromagnetické vlastnosti pevných látek.

LCD displeje s malou hustotou informace mohou zobrazovat znaky tvořené:

  • segmenty;

  • jednotlivými body sestavenými do matic;

  • speciálními tvary segmentů.

Zobrazovací jednoty LCD jsou často vyráběny jako zákaznické se speciálními znaky podle požadavků zákazníka.

Důležité vlastnosti zobrazovacích jednotek LCD

Z hlediska praktického využití jsou důležité:

  • nízká cena;

  • nízká hmotnost;

  • malé rozměry;

  • velmi nízká spotřeba elektrické energie.

Sledovatelnost znaků

Zobrazovací jednotky s tekutými krystaly jsou pasivními zobrazovacími prvky, které neemitují optické záření, ale používají optické záření vytvářené jinými zdroji.

Základní zobrazovací jednotkou displeje je 1 pixel. U barevných počítačových LCD monitorů se každý pixel skládá z tzv. subpixelů. Ty jsou v každém pixelu tři a jejich barvy odpovídají RGB . Kombinací svítivosti jednotlivých pixelů je možné dosahovat velkého počtu barev.

Z hlediska způsobu osvětlení rozeznáváme displeje:

  • Reflexivní (reflexní) – aby je bylo možné sledovat, vyžadují vnější osvětlení ze strany pozorovatele. Pro osvětlení není používáno optické záření okolního prostředí. Zobrazení je kvalitní za denního světla nebo v dobře osvětlených prostorách budov. Čelní optické záření dopadající na displej je k pozorovateli odráženo pomocí zrcadla umístěného na zadní straně displeje. Reflexivní LCD jsou používány v kalkulačkách, digitálních hodinkách apod. Jeho výhodou je nepatrná spotřeba, a proto prodloužená životnost napájecího článku.

  • Transmisivní (transmisní) - aby bylo možné sledovat zobrazovanou informaci, je nutné umístit zdroj osvětlení za displej. Aby bylo možné displej prosvítit, je zadní část LCD průhledná. Displeje pracují nejlépe při horším okolním osvětlení.

  • Transflektivní (transflexní) - je kombinací reflexního a transmisivního osvětlení. Zadní osvětlení může být podle světelných podmínek prostředí vypnuto nebo zapnuto. Při dobrých světelných podmínkách prostředí se tak snižuje spotřeba.

Jako podsvícení displeje bývá obvykle použito ploché nízkotlaké výbojky. Ta je umístěna v zadní části monitoru. Její světlo prochází nejprve polarizačním filtrem, poté elektrodou, vrstvou tekutých krystalů, opět elektrodou a nakonec druhým polarizačním filtrem.

Podsvícení může být i barevné, pak je možné je realizovat:

  • pomocí LED diod;
  • pomocí elektroluminiscenční fólie;
  • u displejů LCD je používáno též podsvícení pomocí fluorescenčních lamp;
  • s chladnou katodou (CCFL).

Podsvícení podstatně zvyšuje spotřebu zobrazovacích jednotek LCD. Zorný úhel displejů LCD je poměrně malý. Při výrobě je možné upravit úhel, pod kterým je displej nejlépe čitelný.

 

Budící napětí: Základní princip činnosti LCD spočívá v tom, že když mezi elektrody, mezi kterými je tekutý krystal, přiložíme napětí, vzniklé elektrické pole způsobí zrušení původního spirálového uspořádání nematických tekutých krystalů, což má za následek zastavení průchodu optického záření a ztmavnutí dané buňky displeje.

Velikost budícího napětí závisí na typu displeje. U alfanumerických displejů je požadovaná velikost budoucího napětí v rozmezí jednotek voltů – přibližně do 5 V, u grafických displejů je vzhledem k jiné struktuře požadováno napětí přibližně do hodnoty 30V.

 

Napájení je zpravidla uskutečňováno pomocí k tomu účelu vyráběných integrovaných obvodů – budičů. LCD budiče jsou součástí i některých mikroprocesorů, případně integrovaných obvodů určených pro speciální aplikace (např. integrované obvody pro měřicí přístroje, hry, hodinky, mobilní telefony, …).

Bodové maticové displeje jsou zpravidla dodávány se zabudovanou elektronikou, která kromě budičů obsahuje i dekodér a počítačové rozhraní pro předávání dat a řídicích instrukcí.

Kontrast a zorný úhel se mění se změnou napájecího napětí displeje a s teplotou prostředí. Výrobci displejů LCD uvádí ve své dokumentaci doporučená zapojení pro nastavení optimálního kontrastu a pro teplotní kompenzaci.

Teplota prostředí: rozsah provozních teplot LCD je dán teplotním rozmezím, ve kterém se projevují vlastnosti dané substance jako tekutého krystalu. Se snižováním teploty kapalina tuhne a krystaly se stávají méně pohyblivými, až jsou téměř nepohyblivé. Při vyšších teplotách se kapalina zakaluje, displej postupně tmavne, až při určité teplotě mají znaky a zbylá část stejnou barvu.

Běžně dosahovaný rozsah provozních teplot je 0℃ až + 70℃. Pro speciální aplikace jsou dosahovány rozsahy provozních teplot např. – 20 až + 70℃, případně i větší.

Na teplotě je také závislá velikost provozního napětí. Aby nedošlo ke zhoršení kontrastu, je nutné jej se zvyšující teplotou zmenšovat. Zejména u velkých zobrazovacích jednotek je prováděna teplotní kompenzace pomocí obvodů umístěných přímo na modulu LCD.

Způsob zobrazení: Zobrazení může být pozitivní či negativní. Standardní zobrazení je pozitivní, tzn., že zobrazované body, segmenty, případně znaky jsou zobrazovány tmavě. Toto zobrazení je nejlepší při reflektivním nebo transmisivním zobrazení. Negativní zobrazení zpravidla využívá transmisivní způsob osvětlení.

Co to jsou kapalné krystaly?

Kapalné krystaly byly objeveny již v roce 1888 rakouským botanikem Reinitzerem, který zkoumal benzoan cholesterilu. Při svých výzkumech zjistil, že se při zvyšování teploty tuhý krystal změnil v kalnou kapalinu, při dalším zvyšování teploty došlo k další změně a kapalina se stala jasně průhlednou.

Kapalné krystaly jsou téměř průzračné substance, které vykazují vlastnosti pevné hmoty i kapaliny. Je pro ně vlastní, že v určitém rozmezí teplot u nich existuje stabilní mezifáze, ve které jsou molekuly v kapalině uspořádány obdobně jako v krystalu pevné látky. Vazby molekul však nejsou příliš silné, molekuly se mohou pohybovat. Pohyb molekul může být vyvolán mechanickými vlivy, ale také vhodně polarizovaným elektrickým či magnetickým polem. Změna uspořádání molekul vyvolaná některým z uvedených vlivů má za následek změnu optických vlastností, která se projevuje změnou propustnosti optického záření. V roce 1963 objevil R. Williams, že se optické záření procházející tenkou vrstvou tekutých krystalů ohýbá podle jejich krystalické struktury.

Většina kapalných krystalů jsou organické sloučeniny, jejichž molekuly mají podlouhlý tvar. Podle uspořádání molekul jsou kapalné krystaly děleny do tří skupin:

  • nematické krystaly;

  • choleterické krystaly;

  • smektické krystaly.

Pro zobrazování mají největší význam nematické krystaly.

Třebaže byly první vzorky LCD displejů vyrobeny již v roce 1968, datuje se použití tekutých krystalů pro zobrazovací jednotky od r. 1971, kdy byl pány Chmadtem a Helfrichem objeven princip „Twisted Nematic“ označovaných zkratkou TN. Strukturu kapalných krystalů lze snadno ovlivnit vnějšími poli i tvarem a vlastnostmi stěn nádob, ve kterých jsou umístěny. Těchto vlastností se využívá k uspořádávání a orientaci vzorku používaných v displejích.

Displeje LCD typu TN využívají polarizaci optického záření.

Bílé optické záření obsahuje vlny, které kmitají ve všech možných směrech. Polarizační filtr je zařízení, které umožní prostup pouze optického záření s určitým úhlem kmitání.

Jestliže jsou do cesty optického záření umístěny dva polarizační filtry se stejnou orientací, optické záření jimi oběma prochází. Když však jsou filtry navzájem pootočeny o 90o, prvním filtrem projde vhodně polarizované optické záření, kdežto druhý filtr toto optické záření nepropustí.

Princip Twiste Nematic (TN)

Jestliže jsou tekuté krystaly vloženy mezi dvě drážkované elektrody, jejichž drážky jsou vzájemně pootočeny o 90o, usměrňují se krystaly v blízkosti drážek ve směru drážek. Krystaly jsou v tomto případě v pootočeném – twistovém uspořádání.

Polarizované optické záření, které prochází prostředím s natočenými krystaly, se rovněž natáčí. Po připojení napájecího napětí na elektrody tohoto uspořádání dojde k vertikálnímu natočení krystalů. Nyní jsou všechny krystaly orientovány stejným směrem kolmo na elektrody, a proto nepropustí dopadající optické záření, které má nezměněnou polarizaci. Z uvedeného popisu vyplývá, že když není na vývody struktury s kapalnými krystaly připojeno napájecí napětí, optické záření jí prochází, po jeho připojení optické záření neprochází a daná oblast displeje bude tmavá.

Uspořádání elektrod:

Při zobrazování znaků je vždy jedna elektroda společná. Její označení je COM. Kontakty segmentů jsou vyvedeny na okraj displeje. Aby nebránily průchodu optického záření, jsou všechny elektrody průhledné. Tekuté krystaly jsou umístěny mezi skly s elektrodami. Uspořádání může být segmentové nebo maticové.

Displej obsahuje čelní a zadní průhledné elektrody. Ty jsou naneseny na skla, mezi kterými jsou tekuté krystaly. Při pozitivním zobrazení jsou tmavé ty body, mezi jejichž elektrody je přiloženo napětí.

Praktické využití TN LCD:

Zobrazovací jednotky využívající princip TN jsou používány ve většině malých zobrazovacích jednotek. Jeho výhodou je nízká cena výrobních přípravků a nízká cena zobrazovacích jednotek. Tento typ displeje vykazuje velmi malé změny barev se změnou teploty a umožňuje použití v širokém teplotním rozsahu s rychlou časovou odezvou.

Uspořádání prvků displeje LCD:

Princip uspořádání jednotlivých prvků zobrazovací jednotky LCD je znázorněn na obrázku 4.

Displej je tvořen dvěma skly, na které jsou z vnitřní strany naneseny průhledné elektrody. Vyrovnávací vrstvy na vnitřních stranách skel slouží k natočení tekutých krystalů. Polarizační filtry jsou umístěny na vnějších stranách skel.

Na zadní straně reflektivního displeje je umístěno zrcadlo. Transmisivní a transflektivní mají na zadní straně umístěn zdroj optického záření na podsvícení. Tekuté krystaly jsou umístěny mezi vyrovnávacími vrstvami. Tloušťka jejich vrstvy je velmi malá (řádově desítky μm).

Obr. 4: Uspořádání LCD displeje

Popis obrázku:

1 - svislý filtrový film polarizuje vstupující světlo

2 - skleněná podložka s ITO elektrodami. Tvary těchto elektrod budou určovat tmavé tvary, které se objeví, když je LCD zapnut nebo vypnut.

3 - zakroucené tekuté krystaly

4 - skleněná podložka s obyčejnou elektrodou

5 - vodorovný filtrový film k bloku umožňující průchod světla skrz

6 - reflexní povrch posílající světlo zpět k divákovi

Zdokonalené principy zobrazovacích jednotek LCD

Ve snaze zlepšit kontrast a další optické vlastnosti zobrazovacích jednotek LCD byly vyvinuty další typy s označením HTN, STN, DSTN, FSTN a další, které mají hlavní uplatnění zejména v zobrazovacích jednotkách s velkou hustotou zobrazované informace.

Hlavní zásady pro používání LCD displejů:

  • LCD jednotky nesmí být buzeny stejnosměrným napětím, protože by to způsobilo jejich zničení (rozklad tekutiny elektrolýzou). Kmitočet střídavých budících impulzů je zpravidla větší než 30 Hz. Překročení specifikovaných mezí budícího napětí zmenšuje životnost displeje. Jelikož jsou segmenty či buňky v principu jeho činnosti kondenzátory, představují pro budicí obvody kapacitní zátěž. Jejich kapacita závisí na velikostech jednotlivých prvků displeje. Protože se vzrůstajícím kmitočtem klesá reaktance kondenzátoru, vzrůstá se zvětšením kmitočtu buzení spotřeba displeje. Ta je v normálních podmínkách velmi malá a nepřekračuje hodnotu 0,1mW na 1 cm2 aktivní plochy displeje (není-li použito podsvícení).
  • Kontakt polarizačního filtru s kapkami vody je škodlivý a po určité době může způsobit jeho deformaci. Proto je nutné utírat kapky vody co nejdříve po jejich vzniku, případné nečistoty neodstraňovat z povrchu displeje omýváním vodou.
  • Při pájení vývodu je nutné dodržovat pájecí teplotu mezi 260 – 300℃, ne déle než 5 s.
  • Zorný úhel může být měněn změnou budícího napětí.
  • Při teplotách převyšující rozsah provozních teplot může dojít ke ztmavnutí displeje. Po ochlazení se obnoví normální činnost.
  • Při nízkých teplotách se zpomaluje odezva displeje na změny signálu a může dojít k tomu, že zatímco začínají být zobrazovány nové informace, jsou určitou dobu zároveň zobrazovány ještě původní.

Některé další typy displejů, které se v současné době používají:

HTN (Hyper Twisted Nematic)

U tohoto typu je zvětšeno natočení krystalů z 90o na 110o.

Vzhledem k dobrému poměru ceny a technických vlastností jsou tyto displeje vhodné pro aplikace v telekomunikacích a přístrojové technice.

STN (Super Twisted Nematic)

Struktura těchto displejů je založena na zvětšení úhlu natočení nad hodnotu > 200o (nejčastěji 240o). To umožňuje další zvýšení kontrastu zobrazení a zvětšení pozorovacího úhlu. Tyto displeje mají poněkud vyšší cenu, proto jsou používány v náročnějších provedeních displejů.

DSTN (Double Super Twisted Nematic) a TSTN (Triple STN)

Struktura DSTN, která je založen ana dvouvrstvé struktuře STN, řeší problémy s barvami. Technologie TSTN používá pro zobrazení jednoho bodu trojici buněk STN, kdy každá buňka v trojici tvořící jeden zobrazovaný bod odpovídá jedné základní barvě (RGB).

FSTN (film Compensated Super Twisted Nematic)

Struktura FSTN přidává ke struktuře STN optické zpožďovací fólie. To umožňuje výrobu černobílých displejů s vysokým kontrastem a velkým pozorovacím úhlem. Používají se v mobilních telefonech či PDA.

 

Statické buzení zobrazovacích jednotek

U displejů, které mají malý počet zobrazovacích znaků, budíme jednotlivé prvky těchto znaků (segmenty) staticky. Například sedmisegmentový displej používá k zobrazení číslic 7 segmentů. Při statickém buzení je každý segment zobrazovací jednotky napájen samostatně. Má-li se daný segment vybudit, je na jeho vývody přivedeno napětí nezávisle na funkci ostatních segmentů.

Výhoda spočívá v jednoduchosti zapojení, k buzení je možné použít jednoduché prvky logických obvodů. Nevýhodou je velké množství propojovacích bodů, které narůstá s počtem zobrazovaných znaků.

 

Multiplexní buzení sedmisegmentových zobrazovacích jednotek

Aby bylo minimalizováno množství bodu buzení, je používáno multiplexní buzení segmentů.

Funkce multiplexního buzení spočívá v tom, že znaky nejsou zobrazovány současně, ale postupně jeden po druhém větší rychlostí, než je setrvačnost lidského oka.

Společné elektrody jednotlivých znaků jsou postupně připojovány k napájecímu napětí tak, že současně je připojena vždy jen jedna. Podle zobrazovaného znaku jsou v odpovídajících časových intervalech spínány k druhé straně zdroje propojené řady segmentů podle toho, který má být vybuzen. Vzájemnou kombinací obou činností se aktivují příslušné segmenty jen u znaku, u kterého je připojena společná elektroda.

 

Multiplexní buzení maticových zobrazovacích jednotek

Maticové displeje jsou tvořeny soustavou bodů (pixelů) uspořádaných do mřížky. Mřížka bodů je uspořádána do řádků a sloupců, kde jsou jednotlivé body tvořeny segmenty ve tvaru koleček nebo čtverečků. Pro zobrazení určitého bodu je nutné vybrat správný řádek a sloupec a připojit mezi ně napětí. Tím se v jejich průsečíku zobrazí bod.

Princip zobrazování informace je následující: Budiče řádků postupně připojují k napájecímu obvodu podle zobrazované informace určité body, takže jsou nejprve zobrazovány body řádku č. 1, pak č. 2 atd. Po zobrazení bodů posledního řádku je opět zobrazen první řádek a proces se opakuje.

Budiče řádků a sloupců jsou ovládány řídicí jednotkou, kterou je zpravidla mikropočítač, mohou být i součástí mikroprocesoru.

Zdroje

  • KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

  • Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Aplikace LCD displeje v radiobudíku, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Alfanumerický LCD displej, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronický papír – nejnovější podoba LCD displeje od firmy FUJITSU, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
  • Obr. 4: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Uspořádání LCD displeje, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Logolink