Een liquid crystal display is een soort elektrisch gegenereerd beeld op een dun plat paneel. De eerste lcd's, die in de jaren zeventig op de markt kwamen, waren kleine schermen die voornamelijk werden gebruikt in rekenmachines en digitale horloges met zwarte cijfers op een witte achtergrond. Lcd's zijn overal te vinden in elektronische systemen voor thuisgebruik, mobiele telefoons, camera's en computermonitoren, maar ook in horloges en televisies. De ultramoderne lcd-flatpanel-tv's van tegenwoordig hebben de traditionele, omvangrijke CRT's in televisies grotendeels vervangen en kunnen high-definition kleurenbeelden produceren tot 108 inch diagonaal over het scherm.
Geschiedenis van vloeibare kristallen
Vloeibare kristallen werden in 1888 per ongeluk ontdekt door de botanicus F. Reinitzer uit Oostenrijk. Hij ontdekte dat cholesterylbenzoaat twee smeltpunten heeft, bij 145 ° C verandert in een troebele vloeistof en bij temperaturen boven 178,5 ° C wordt de vloeistof transparant. Totom een verklaring voor dit fenomeen te vinden, gaf hij zijn monsters aan de natuurkundige Otto Lehmann. Met behulp van een microscoop uitgerust met getrapte verwarming, toonde Lehman aan dat de stof optische eigenschappen heeft die kenmerkend zijn voor sommige kristallen, maar nog steeds een vloeistof is, en daarom werd de term "vloeibaar kristal" bedacht.
Tijdens de jaren 1920 en 1930 bestudeerden onderzoekers de effecten van elektromagnetische velden op vloeibare kristallen. In 1929 toonde de Russische natuurkundige Vsevolod Frederiks aan dat hun moleculen in een dunne film tussen twee platen hun uitlijning veranderden wanneer een magnetisch veld werd aangelegd. Het was de voorloper van het moderne voltage liquid crystal display. Het tempo van de technologische ontwikkeling sinds het begin van de jaren negentig is snel geweest en blijft groeien.
LCD-technologie is geëvolueerd van zwart-wit voor eenvoudige horloges en rekenmachines naar veelkleurig voor mobiele telefoons, computerschermen en televisies. De wereldwijde LCD-markt nadert nu $ 100 miljard per jaar, tegen $ 60 miljard in 2005 en $ 24 miljard in 2003, respectievelijk. De productie van LCD's is wereldwijd geconcentreerd in het Verre Oosten en groeit in Centraal- en Oost-Europa. Amerikaanse bedrijven lopen voorop in productietechnologie. Hun displays domineren nu de markt en het is onwaarschijnlijk dat dit in de nabije toekomst zal veranderen.
Fysica van het kristallisatieproces
De meeste vloeibare kristallen, zoals cholesterylbenzoaat, bestaan uit moleculen met lange staafachtige structuren. Deze speciale structuur van vloeibare moleculenkristallen tussen twee polarisatiefilters kunnen worden gebroken door spanning op de elektroden aan te brengen, het LCD-element wordt ondoorzichtig en blijft donker. Op deze manier kunnen verschillende weergave-elementen worden omgeschakeld naar lichte of donkere kleuren, waardoor cijfers of tekens worden weergegeven.
Deze combinatie van aantrekkingskrachten die bestaan tussen alle moleculen die zijn geassocieerd met een staafachtige structuur, veroorzaakt de vorming van een vloeibaar-kristalfase. Deze interactie is echter niet sterk genoeg om de moleculen permanent op hun plaats te houden. Sindsdien zijn er veel verschillende soorten vloeibare kristalstructuren ontdekt. Sommige zijn gerangschikt in lagen, andere in de vorm van een schijf of vormen kolommen.
LCD-technologie
Het werkingsprincipe van een liquid crystal display is gebaseerd op de eigenschappen van elektrisch gevoelige materialen, vloeibare kristallen genaamd, die stromen als vloeistoffen maar een kristallijne structuur hebben. In kristallijne vaste stoffen bevinden de samenstellende deeltjes - atomen of moleculen - zich in geometrische reeksen, terwijl ze in vloeibare toestand vrij willekeurig kunnen bewegen.
Het liquid crystal display-apparaat bestaat uit moleculen, vaak staafvormig, die zich in één richting ordenen maar toch kunnen bewegen. Vloeibare kristalmoleculen reageren opeen elektrische spanning die hun oriëntatie verandert en de optische eigenschappen van het materiaal verandert. Deze eigenschap wordt gebruikt op LCD's.
Een dergelijk paneel bestaat gemiddeld uit duizenden beeldelementen (“pixels”), die afzonderlijk worden gevoed door spanning. Ze zijn dunner, lichter en hebben een lagere bedrijfsspanning dan andere weergavetechnologieën en zijn ideaal voor apparaten op batterijen.
Passieve matrix
Er zijn twee soorten displays: passieve en actieve matrix. Passieve worden aangestuurd door slechts twee elektroden. Het zijn stroken transparante ITO die 90 naar elkaar draaien. Dit creëert een kruismatrix die elke LC-cel afzonderlijk bestuurt. Adressering wordt gedaan door logica en stuurprogramma's gescheiden van het digitale LCD-scherm. Omdat er bij dit type controle geen lading in de LC-cel zit, keren de vloeibaar-kristalmoleculen geleidelijk terug naar hun oorspronkelijke staat. Daarom moet elke cel met regelmatige tussenpozen worden gecontroleerd.
Passieven hebben een relatief lange responstijd en zijn niet geschikt voor televisietoepassingen. Bij voorkeur zijn er geen drivers of schakelcomponenten zoals transistors op het glassubstraat gemonteerd. Verlies van helderheid als gevolg van schaduw door deze elementen komt niet voor, dus de bediening van de LCD's is heel eenvoudig.
Passieve worden veel gebruikt met gesegmenteerde cijfers en symbolen voor kleine lezing in apparaten zoalsrekenmachines, printers en afstandsbedieningen, waarvan er vele in zwart-wit zijn of slechts enkele kleuren hebben. Passieve grafische zwart-wit- en kleurendisplays werden gebruikt in vroege laptops en worden nog steeds gebruikt als alternatief voor actieve matrix.
Actieve TFT-schermen
Actieve matrixdisplays gebruiken elk één transistor om aan te sturen en een condensator om lading op te slaan. In de IPS-technologie (In Plane Switching) maakt het werkingsprincipe van een vloeibaar-kristalindicator gebruik van een ontwerp waarbij de elektroden niet stapelen, maar zich naast elkaar in hetzelfde vlak op een glazen substraat bevinden. Het elektrische veld dringt horizontaal door de LC-moleculen.
Ze zijn evenwijdig aan het schermoppervlak uitgelijnd, wat de kijkhoek aanzienlijk vergroot. Het nadeel van IPS is dat elke cel twee transistoren nodig heeft. Dit verkleint het transparante gebied en vereist een helderdere achtergrondverlichting. VA (Vertical Alignment) en MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) gebruiken geavanceerde vloeibare kristallen die verticaal worden uitgelijnd zonder een elektrisch veld, dat wil zeggen loodrecht op het schermoppervlak.
Gepolariseerd licht kan erdoorheen, maar wordt geblokkeerd door de voorste polarisator. Een cel zonder activering is dus zwart. Omdat alle moleculen, zelfs die aan de randen van het substraat, uniform verticaal zijn uitgelijnd, is de resulterende zwartwaarde dus erg groot in alle hoeken. In tegenstelling tot passieve matrixLCD-schermen met vloeibare kristallen, actieve-matrixschermen hebben een transistor in elke rode, groene en blauwe subpixel die ze op de gewenste intensiteit houdt totdat die rij in het volgende frame wordt geadresseerd.
Cel schakeltijd
De responstijd van displays is altijd een groot probleem geweest. Door de relatief hoge viscositeit van het vloeibare kristal schakelen LCD-cellen vrij langzaam. Door de snelle bewegingen in het beeld leidt dit tot de vorming van strepen. Vloeibaar kristal met lage viscositeit en gemodificeerde besturing van vloeibare kristallen (overdrive) lossen deze problemen meestal op.
De responstijd van moderne LCD's is momenteel ongeveer 8 ms (de snelste responstijd is 1 ms), waardoor de helderheid van een beeldgebied wordt gewijzigd van 10% naar 90%, waarbij 0% en 100% de helderheid in stabiele toestand zijn, ISO 13406 -2 is de som van de schakeltijd van licht naar donker (of vice versa) en vice versa. Vanwege het asymptotische schakelproces is echter een schakeltijd van <3 ms vereist om zichtbare banden te vermijden.
Overdrive-technologie vermindert de schakeltijd van vloeibare kristalcellen. Hiervoor wordt tijdelijk een hogere spanning op de LCD-cel gezet dan nodig is voor de werkelijke helderheidswaarde. Door de korte spanningspiek van het liquid crystal display breken de inerte vloeibare kristallen letterlijk uit hun positie en egaliseren ze veel sneller. Voor dit procesniveau moet de afbeelding in de cache worden opgeslagen. Samen met speciaal ontworpen voor de overeenkomstige waardenweergavecorrectie, de corresponderende spanningshoogte hangt af van het gamma en wordt gecontroleerd door opzoektabellen van de signaalprocessor voor elke pixel, en berekent de exacte tijd van de beeldinformatie.
Hoofdcomponenten van indicatoren
De rotatie in de polarisatie van licht geproduceerd door vloeibaar kristal is de basis voor hoe een LCD werkt. Er zijn in principe twee soorten LCD's, doorlatend en reflecterend:
- Doorlatend.
- Transmissie.
Transmissie LCD-schermbediening. Aan de linkerkant stra alt de LCD-achtergrondverlichting ongepolariseerd licht uit. Wanneer het door de achterste polarisator (verticale polarisator) gaat, wordt het licht verticaal gepolariseerd. Dit licht raakt vervolgens het vloeibare kristal en zal de polarisatie verdraaien als het wordt ingeschakeld. Daarom, wanneer verticaal gepolariseerd licht door het ON-vloeibare kristalsegment gaat, wordt het horizontaal gepolariseerd.
Volgende - de voorste polarisator blokkeert horizontaal gepolariseerd licht. Dit segment zal dus donker lijken voor de waarnemer. Als het vloeibaar-kristalsegment is uitgeschakeld, verandert het de polarisatie van het licht niet, dus het blijft verticaal gepolariseerd. Dus de voorste polarisator laat dit licht door. Deze schermen, gewoonlijk LCD's met achtergrondverlichting genoemd, gebruiken omgevingslicht als hun bron:
- Klok.
- Reflecterend LCD-scherm.
- Meestal gebruiken rekenmachines dit type weergave.
Positieve en negatieve segmenten
Een positief beeld wordt gecreëerd door donkere pixels of segmenten op een witte achtergrond. Daarin staan de polarisatoren loodrecht op elkaar. Dit betekent dat als de voorste polarisator verticaal is, de achterste polarisator horizontaal zal zijn. Dus UIT en de achtergrond laten het licht door, en AAN blokkeert het. Deze displays worden meestal gebruikt in toepassingen waar omgevingslicht aanwezig is.
Het is ook in staat om solid-state en liquid crystal displays te maken met verschillende achtergrondkleuren. Een negatief beeld wordt gecreëerd door lichte pixels of segmenten op een donkere achtergrond. Daarin worden de voorste en achterste polarisatoren gecombineerd. Dit betekent dat als de voorste polarisator verticaal is, de achterkant ook verticaal zal zijn en vice versa.
Dus de UIT-segmenten en de achtergrond blokkeren het licht, en de AAN-segmenten laten het licht door, waardoor een lichte weergave tegen een donkere achtergrond ontstaat. LCD's met achtergrondverlichting gebruiken meestal dit soort, dat wordt gebruikt waar het omgevingslicht zwak is. Het is ook in staat om verschillende achtergrondkleuren te creëren.
Geheugen RAM weergeven
DD is het geheugen waarin de tekens worden opgeslagen die op het scherm worden weergegeven. Om 2 regels van 16 karakters weer te geven, zijn de adressen als volgt gedefinieerd:
| Lijn | Zichtbaar | Onzichtbaar |
| Boven | 00H 0FH | 10H 27H |
| Laag | 40H - 4FH | 50H 67H |
Hiermee kunt u maximaal 8 tekens of 5x7 tekens maken. Zodra nieuwe tekens in het geheugen zijn geladen, kunnen ze worden geopend alsof het normale tekens zijn die in ROM zijn opgeslagen. CG RAM gebruikt 8-bit brede woorden, maar alleen de 5 minst significante bits verschijnen op het LCD-scherm.
Dus D4 is het meest linkse punt en D0 is de paal aan de rechterkant. Als u bijvoorbeeld een RAM-byte CG op 1Fh laadt, worden alle punten van deze regel opgeroepen.
Bitmodusbesturing
Er zijn twee weergavemodi beschikbaar: 4-bit en 8-bit. In 8-bits modus worden gegevens naar het display verzonden via pinnen D0 tot D7. De RS-string is ingesteld op 0 of 1, afhankelijk van of u een opdracht of gegevens wilt verzenden. De R/W-lijn moet ook op 0 worden gezet om het te schrijven display aan te geven. Er moet nog een puls van ten minste 450 ns naar ingang E worden gestuurd om aan te geven dat er geldige gegevens aanwezig zijn op pinnen D0 tot D7.
Het display zal gegevens aflezen op de dalende flank van deze ingang. Als een uitlezing vereist is, is de procedure identiek, maar deze keer is de R/W-regel ingesteld op 1 om een uitlezing aan te vragen. De gegevens zijn geldig op regels D0-D7 op de hoge regelstatus.
4-bits modus. In sommige gevallen kan het nodig zijn om het aantal draden dat wordt gebruikt om het beeldscherm aan te sturen, te verminderen, bijvoorbeeld wanneer de microcontroller zeer weinig I/O-pinnen heeft. In dit geval kan de 4-bit LCD-modus worden gebruikt. In deze modus, om te zendengegevens en deze te lezen, worden alleen de 4 meest significante bits (D4 tot D7) van het display gebruikt.
4 significante bits (D0 tot D3) worden dan verbonden met aarde. Gegevens worden vervolgens geschreven of gelezen door de vier meest significante bits in volgorde te verzenden, gevolgd door de vier minst significante bits. Er moet een positieve puls van ten minste 450 ns naar lijn E worden gestuurd om elke nibble te testen.
In beide modi kun je er na elke actie op het scherm voor zorgen dat het de volgende informatie kan verwerken. Om dit te doen, moet u een leesopdracht aanvragen in de opdrachtmodus en de vlag Busy BF aanvinken. Wanneer BF=0, is het display klaar om een nieuw commando of nieuwe data te accepteren.
Digitale spanningsapparaten
Digitale liquid crystal indicatoren voor testers bestaan uit twee dunne glasplaten, op de tegenoverliggende oppervlakken waarvan dunne geleidende sporen zijn aangebracht. Wanneer het glas van rechts of bijna haaks wordt bekeken, zijn deze sporen niet zichtbaar. Bij bepaalde kijkhoeken worden ze echter wel zichtbaar.
Elektrisch schakelschema.
De hier beschreven tester bestaat uit een rechthoekige oscillator die een perfect symmetrische wisselspanning genereert zonder enige gelijkstroomcomponent. De meeste logische generatoren zijn niet in staat om een blokgolf te genereren, ze genereren blokvormige golfvormen waarvan de duty cycle rond de 50% schommelt. De 4047 die in de tester wordt gebruikt, heeft een binaire scalaire uitvoer die symmetrie garandeert. Frequentieoscillator is ongeveer 1 kHz.
Het kan worden gevoed door een voeding van 3-9 V. Meestal zal het een batterij zijn, maar een variabele voeding heeft zijn voordelen. Het laat zien bij welke spanning de spanningsindicator liquid crystal naar tevredenheid werkt, en er is ook een duidelijke relatie tussen het spanningsniveau en de hoek waaronder het display goed zichtbaar is. De tester trekt niet meer dan 1 mA.
De testspanning moet altijd worden aangesloten tussen de gemeenschappelijke klem, d.w.z. het achterste vlak, en een van de segmenten. Als niet bekend is welke aansluiting de backplane is, sluit dan een sonde van de tester aan op het segment en de andere sonde op alle andere aansluitingen totdat het segment zichtbaar is.
