3.3 Жидкокристаллические индикаторы и способы управления ими.

В настоящее время широкое распространение получили жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). От светодиодных они отличаются тем, что не излучают свет, а лишь меняют коэффициент пропускания или поглощения света на определенных участках. При этом такие участки будут выглядеть темнее, либо светлее окружающих. Они могут быть выполнены в виде сегментов, либо точек.

ЖКИ формируют изображение лишь при наличии внешнего источника света, который может располагаться как перед индикатором, так и за ним.

Работа ЖКИ индикаторов основана на использовании специальных веществ, которые называются жидкими кристаллами. Их структура имеет свойства характерные как для жидкости (возможность перемещения молекул), так и для твердых тел – упорядоченность. Чаще всего для создания цифровых ЖКИ используются вещества, обладающие нематическими свойствами. Их молекулы представляют собой длинные нити, которые могут определенным образом ориентироваться. Такая ориентация в частности происходит под действием внешнего электрического поля.

В большинстве жидкокристаллических индикаторов используется эффект вращения плоскости поляризации. Свет представляет собой поток электромагнитного излучения, причем векторы электрического и магнитного полей могут в ходе распространения луча менять свое направление в пространстве (это характерно для неполяризованного света), а могут сохранять его (в этом случае свет считается поляризованным).

Свет от обычных источников (ламп накаливания, светодиодов, солнца и т. п.) неполяризован. Однако, пропуская световой поток через особым образом обработанные прозрачные пластинки (поляризаторы) со специальной структурой внешнего слоя, можно получить свет поляризованный в том или ином направлении.

Если два поляризатора расположить так, чтобы направления поляризации совпадали (рис. 3.17), то, пройдя через первый свет поляризуется, а так как направление поляризации у второй пластинки такое же, то он пройдет и через нее. Для наблюдателя такая структура будет прозрачной.

Если один из поляризаторов повернуть на 90 градусов (рис.3.18), то пройдя первый из них и получив вертикальное направление поляризации поток света не будет пропущен второй пластинкой (поглотится), так как направление ее поляризации горизонтально, а такой компоненты в дошедшем потоке нет. При освещении внешним источником данная структура будет казаться наблюдателю темной. Если первый поляризатор выполнить в виде набора участков в виде точек или полосок, направлением поляризации которых можно управлять независимо друг от друга, то удастся формировать различные знаки и символы. Однако такой способ управления на практике не используется, так как он требует механического воздействия на соответствующие элементы индикатора. В ЖКИ для изменения направления вектора поляризации применяются жидкие кристаллы.

Упрощенная структура ячейки жидкокристаллического индикатора приведена на рис. 3.19. Между двумя поляризаторами со скрещенными направлениями поляризации помещается тонкий слой жидкого кристалла нематической структуры, молекулы которого представляют собой длинные параллельные нити. Они располагаются вдоль осей поляризации на границах пластинок и плавно меняют свое направление в области между ними.

Если на такую структуру направить поток света, то после прохождения нижней пластинники он поляризуется и будет плавно менять направление поляризации по мере распространения к верхней, так как молекулы жидкого кристалла также выполняют роль поляризатора с изменяющимся в пространстве направлением. Поэтому до второй пластинки свет дойдет уже вертикально поляризованным и пройдет ее без поглощения. Для наблюдателя данная структура будет казаться прозрачной.

Если между пластинками поляризаторов приложить электрическое поле, то молекулы жидкого кристалла вытянутся вдоль него и дополнительного поворота плоскости поляризации света не произойдет. Световой поток будет поглощаться как в слое жидкого кристалла, так и вторым поляризатором. Так как в этом случае ячейка не пропускает свет, то она будет темной.

В жидкокристаллических индикаторах электрод заднего поляризатора делается сплошным, а электроды переднего выполняются в виде сегментов или точек. Они изготавливаются на основе токопроводящих окислов металлов, тонкие пленки которых прозрачны. Жидкие кристаллы являются диэлектриками, поэтому такой индикатор представляет собой аналог конденсатора и практически не потребляет тока от источника постоянного напряжения. Для управления им требуется очень маленькая мощность, составляющая единицы и доли микроватт на ячейку. Поэтому такие индикаторы находят широкое применение в автономных системах, питающихся от встроенных источников энергии.

Особенностью жидкокристаллической ячейки является относительно большое время реакции на воздействие электрического поля. Оно составляет десятки миллисекунд, в то время как светодиодные индикаторы являются практически безынерционными.

При использовании для управления индикатором постоянного напряжения долговечность его работы оказывается невысокой. Это связано с возникновением процессов электролиза жидкого кристалла и разрушением его структуры. Чтобы избежать данного эффекта для управления используют знакопеременное напряжение с частотой десятки герц. При этом молекулы жидкого кристалла будут периодически поворачиваться вслед за изменением направления поля, ячейка останется темной, но так как каждый из электродов попеременно будет выполнять роль анода и катода, то процессы электролиза не будут успевать развиваться. Вследствие того, что частоты управляющих сигналов низки, токи через соответствующие участки индикатора, представляющие собой конденсаторные структуры будут сравнимы с токам утечки.

Однако применение двуполярного напряжения в цифровых устройствах затруднено тем, что в этом случае потребуется второй источник питания и аналоговые управляющие схемы. Поэтому данная задача решается путем использования логических элементов, выполняющих операцию суммирования по модулю два, которые могут функционировать в качестве управляемого инвертора.

Если на один из входов такого элемента подать периодический сигнал с частотой, а на другой - информационный сигнал(рис. 3.20), то напряжение на его выходе будет совпадать с периодическим сигналом при нулевом значениии окажется в противофазе с ним при единичном значении (рис. 3.21).

При этом разность потенциалов между входом на который подается периодический сигнал и выходом будет равна нулю когдаи окажется знакопеременной в случае, если.

Для управления ЖКИ его общий электрод подключается к источнику периодического сигнала, а сегмент к выходу соответствующего элемента исключающее ИЛИ. Схема управления семисегментным индикатором в статическом режиме работы приведена на рис.3.22.

Вследствие относительно большой инерционности жидкокристаллических индикаторов реализовать рассмотренные ранее динамические системы управления не представляется возможным. Однако путем усложнения структуры ЖКИ и использования многофазных сигналов были построены динамические системы управления индикаторами сегментного и матричного типов.

В настоящее время разработаны жидкокристаллические индикаторы, сохраняющие состояние ячеек и при отключении питания.

Жидкокристаллические индикаторы широко применяются в различных устройствах для отображения символьной и графической информации. На их основе разработаны LCD (liquid crystal display) жидкокристаллические панели, представляющие собой матрицу ячеек, с возможностью независимого управления каждой из них.

Различают несколько разновидности таких панелей, в частности с пассивной (TN) и активной (TFT) матрицами. Упрощенная структура первой из них приведена на рис. 3.23. Конструктивно такая матрица представляет собой систему из двух стеклянных пластин, между которыми размещается слой жидкокристаллического вещества, а на пластины наносятся взаимно-перпендикулярные прозрачные электроды, соединенные со схемами управления столбцами C и строками R. Ячейка матрицы располагается на пересечении строки и столбца. Ее эквивалентную схему можно представить в виде совокупности резистора, конденсатора и светопропускающего клапана.

При отсутствии разности потенциалов на электродах ячейки матрицы прозрачны. На панель направляется свет от специального источника и в таком состоянии она выглядит как светящийся экран. Наличие между электродами соответствующих ячеек напряжения, превышающего определенный уровень, вызывает изменение положения молекул жидкого кристалла и эти ячейки перестают пропускать свет.

В местах их расположения появляются темные точки, из которых формируется изображение. Варьируя величину управляющего напряжения можно менять степень поворота молекул и коэффициент светопропускания ячейки, что позволяет воспроизводить градации яркости.

При формировании изображения осуществляется сканирование матрицы по строкам, для чего на каждую из них поочередно подается импульс напряжения отрицательной полярности U1. Одновременно на столбцы, связанные с ячейками, которые должны изменить свое состояние поступает положительный импульс с амплитудой U2. Это условно отображено на рис. 3.23 в виде знаков +,- и 0 для нулевого уровня управляющего сигнала.

При опросе первой строки и наличии положительного напряжения на столбцах С1 и С3 происходит перезаряд конденсаторов соответствующих ячеек (Я1, Я3) до некоторого положительного напряжения. К моменту окончания импульса опроса напряжение на ячейке Я2 из-за воздействия отрицательного потенциала строки станет отрицательным, а на Я4, вследствие положительного потенциала столбца С1 изменится в положительную сторону (рис.3.24).

В следующем такте сканирования, верхние обкладки конденсаторов ячеек Я1, Я3 окажутся соединенными с корпусом и к ним будет приложено суммарное напряжение величиной . Это вызовет перевод ячеек в непрозрачное состояние и формирование темных участков в местах их расположения. На данном интервале времени разность потенциалов на электродах ячеек Я2, Я4 недостаточна для изменения их состояния. После окончания сканирования строкиR3 изменит свое состояние ячейка Я9 и т.д. Полярность напряжения на ячейках периодически меняет знак, что не дает развиваться процессам электролиза.

LCD панель с пассивной матрицей проста по конструкции, но обладает рядом существенных недостатков. Из-за небольшого времени воздействия на ячейку напряжения превышающего пороговое (заштрихованная область на рис. 3.24) необходимо использовать жидкокристаллические материалы со значительным временем релаксации, то есть перехода после возбуждения в первоначальное состояние. Это не позволяет отображать быстроменяющиеся сцены. Кроме того, наличие остаточного напряжения на ячейках приводит к невысокой контрастности изображения, определяемой отношением яркости полностью затемненной и прозрачной ячеек. Еще одним недостатком является наличие связи между ними, что вызывает смазывание динамически меняющихся изображений. В настоящее время такие панели практически полностью вытеснены активными с тонкопленочными управляющими полевыми транзисторами.

Структура активной TFT (thin film transistor) матрицы и упрощенные временные диаграммы ее работы приведены на рис. 3.25 и рис. 3.26. Здесь работой каждой ячейки управляет полевой транзистор, изготовленный по тонкопленочной технологии и размещенный на индикаторной панели. Затворы транзисторов соединяются со строками матрицы, а истоки со столбцами.

Вмомент поступления положительного импульса на строку открываются транзисторы, связанные с ячейками данной строки. Конденсаторы тех ячеек, которые должны изменить свое состояние заряжаются под действием напряжения, подаваемого на соответствующие столбцы. При переходе к следующей строке, транзисторы предыдущей закрываются, а так как ячейка практически не потребляет тока, то ее состояние остается неизменным до следующего цикла сканирования, то есть в течение кадра.

Для того, чтобы предотвратить деградацию участков жидкого кристалла вследствие электролиза, напряжение на них должно периодически менять знак. С этой целью через кадр полярность импульсов, поступающих на столбцы меняется на противоположную.

В такой матрице ячейки (пиксели) оказываются электрически изолированными друг от друга, что обеспечивает хороший контраст изображения. Сохранение напряжения после снятия управляющего воздействия позволяет использовать жидкокристаллические вещества с малым временем релаксации. Это обеспечивает небольшое время отклика панели и возможность воспроизведения быстроменяющихся изображений.

В цветных LCD панелях каждый пиксель выполняется на основе трех независимо управляемых ячеек с соответствующими светофильтрами. При сложении красного, синего и зеленого цветов с различными интенсивностями формируются вся цветовая гамма в видимом диапазоне.

Новым направлением в системах отображения информации, работающих на отражение является использование так называемых электронных чернил. Базовыми элементами дисплеев на их основе являются микрокапсулы, внутри которых находятся окрашенные частицы двух цветов – белые, заряженные положительно и черные с отрицательным зарядом (рис. 3.27). Внутреннее пространство микрокапсулы заполнено прозрачной жидкостью.

Слои микрокапсул расположены между двумя рядами взаимно перпендикулярных электродов строк и столбцов, верхние из которых прозрачны. При подаче разности потенциалов на строку и столбец, в точке их пересечения возникает электрическое поле. Окрашенные частицы собираются у электрода с противоположным знаком потенциала. При этом соответствующая точки изображения (пиксел) окрасится в черный, либо в белый цвет, так как пигментные частицы, сгруппировавшиеся в верхней части микрокапсулы, скроют от наблюдателя нижний слой.

Дисплеи на базе электронных чернил, которые часто называются цифровой бумагой, способны сохранять изображения и при отсутствии питания, подача напряжения необходима лишь для изменения состояния пиксела. В качестве подложки используются: стекло, пластик, металлическая фольга и другие материалы. Такие устройства могут быть сделаны гибкими и имеют очень малую толщину.

В настоящее время недостатками устройств отображения на базе электронных чернил являются большое время переключения пиксела (0,5 – 1 сек.) и ограниченное количество воспроизводимых оттенков серого.

Контрольные вопросы.

1. С какой целью последовательно со светодиодом при его подключении к источнику напряжения устанавливается резистор?

2. Какова скважность восьмиразрядных систем динамической индикации, функционирующих по методу компарации и мультиплексирования?

3. Сколько внешних выводов у светодиодной матрицы размером 5×7?

4. В каком случае система скрещенных поляризаторов будет прозрачной – при наличии, либо при отсутствии жидкокристаллического вещества между ними?

5. Чем обусловлена необходимость двуполярного напряжения для управления ЖКИ?

6. Чем объясняется более высокая контрастность активной ЖКИ панели по сравнению с пассивной?