Лекція 15. ІНДИКАТОРИ НА РІДКИХ КРИСТАЛАХ ТА ІНШІ ТИПИ ІНДИКАТОРІВ

Прилади на рідких кристалах.

Електрохромні індикатори.

Індикатори інших типів.

15.1.Прилади на рідких кристалах

Рідкий кристал (РК) – це агрегатний стан речовини, в якому вона проявляє властивості як рідини (текучість, в’язкість, поверхневий натяг), так і твердого тіла (анізотропія оптичних та електричних властивостей). Незвичайні властивості РК вперше описав в 1888 році Ф. Рейнітцер. Такі властивості обумовлені, з одної сторони, тим, що осі (або площини симетрії) сусідніх молекул РК є практично паралельними, з другої сторони – центри мас цих молекул не утворюють періодичної структури, а розміщуються хаотично в просторі і при цьому можуть вільно переміщуватися.

Впорядкованість розміщення сусідніх молекул обумовлена існуванням слабких сил електричної (дипольної) взаємодії, вплив якої стає помітним, якщо молекули рідини мають витягнуту форму. У більшості РК молекули мають сигароподібну форму. Підвищення температури збільшує хаотичний рух молекул, У результаті чого їх орієнтація порушується і РК перетворюється у звичайну рідину.

Розрізняють три основних фази РК: смектичну, нематичну, холестеричну. Смектична характеризується найбільшою впорядкованістю розміщення молекул – їх осі не тільки паралельні, але і центри мас молекул лежать в одній площині. У результаті в такому РК утворюються шари однаково зорієнтованих молекул, розміщених на однакових відстанях одна від одної. У нематичних РК спільна орієнтація осей молекул зберігається, але центри їх ваги вже не лежать в одній площині, а розміщені в просторі хаотично. У холестеричних РК осі молекул лежать в одній площині, направлені в одну сторону, але осі молекул у сусідній, паралельній площині повернуті відносно них на деякий кут.

Таким чином, холестеричний РК складається із окремих шарів, взаємна орієнтація молекул в яких монотонно змінюється при переході від шару до шару.

РК є діелектриками. Їх питома провідність залежить від присутності домішок і знаходиться в межах 10–6...10–9 Ом–1 м–1. Вони мають анізотропію відносної діелектричної проникності та показника

165

(на рис. 15.2 цей кут 90°). У готовій комірці обидві підкладки також розміщені перпендикулярно (тобто напрямки поліровки в них взаємно перпендикулярні). При відсутності електричного поля світло про-ходить через комірку, яка знаходиться між схрещеними поляризатором та аналізатором, тому РК повертає площину поляризації на 90°. Якщо ж на такий індикатор подати напругу, достатню для виникнення твіст-ефекту, то осі молекул РК повернуться вздовж поля і поворот плос-кості поляризації проходити вже не буде, тому світло крізь таку комірку вже пройти не зможе.

В індикаторах на твіст-ефекті із-за використання поляризатора і аналізатора втрачається більше 50 % падаючого світла. Окрім цього, меншим (ніж в індикаторах на ефекті динамічного розсіювання) в них виявляється і кут огляду. У той самий час такі індикатори мають і переваги – вони характеризуються меншою густиною струму, що про-ходить через комірку (приблизно 3 мкА/см2 замість 10 мкА/см2), що призводить до збільшення терміну їх експлуатації та зниженню до 5...10 В (замість 15...40 В) їх робочої напруги.

Перспективним є також індикатори на ефекті “гість – гос-подар”. У таких індикаторах у склад речовини РК (“господаря”) вво-дяться молекули барвника (“гостя”). Молекули РК та барвника орієн-туються в одному напрямку (паралельно поверхні підкладок). Світло, поляризоване уздовж цього напрямку, поглинається барвником і не виходить із комірки (рис. 15.3, а).

Світло молекулою барвника поглинається в тому випадку, коли її довга вісь паралельна площині поляризації падаючого світла (електричне поле викликає рух електронів від одного кінця молекули до другого, на що витрачається енергія). Зовнішнє електричне поле, яке подається на індикатор, повертає молекулу РК, вслід за ними повертаються молекули барвника і в результаті цього світло проходить через комірку (рис. 15.3, б).

U

Рис. 15.3 – Пояснення ефекту “гість – господар”:

Ф1 – вхідний світловий потік; Ф2 – вихідний світловий потік а – напруги на індикаторі немає; б – напруга на індикаторі є

Одним з основних параметрів індикаторів на РК є яскравісний контраст kЯ (відношення яскравості об’єкта та фону). Він, як правило, досить значний і складає 0,85...0,9. Контраст залежить від кута спостереження та прикладеної напруги. Тому, як і на інші типи індикаторів, у паспорті на такі прилади вказується допустимий кут обзору і приводяться вольт-контрастні характеристики, подібні тим, які показані на рис. 15.4.

теричного кристала, то при відбиванні світла від тих площин, мо168

лекули, в яких орієнтовано однаковим чином, виникає інтерференція, в результаті якої підсилюється відбите світло з довжиною хвилі, яка дорівнює кроку спіралі холестеричного РК. При цьому такий кристал здається забарвленим. Керуючі за допомогою електричного поля кроком спіралі РК, можна неперервно змінювати забарвлення індикатора.

10ються із вісьмох сегментів (рис. 15.5) (кож-

По суті такий індикатор є найпростішим дисплеєм на РК компактної плоскої конструкції. На такому дисплеї можуть бути зображені і більші за розміром знаки та символи.

Джерела світла, які необхідні для роботи індикаторів на РК, можна розміщувати як перед ними, так і позаду них. У першому випадку позаду цифрових сегментів встановлюють дзеркальну пластину (рис. 16.7, де 1 – шар РК, 2 – скляна підкладка, 3 – прозорий електрод, 5 – дзеркальний електрод, 4 – герметизуюча прокладка), світло відбивається від неї і проходить через сегменти, прозорість яких залежить від величини струму. При роботі індикатора в відбитих променях як джерело світла можна використовувати навколишнє освітлювання.

169

3 4 5

1

2

Рис. 15.7 – Будова РК-індикатора, який працює на відбивання

В іншому випадку джерело світла (мініатюрні лампи розжарювання або люмінесцентні джерела) розміщують так, щоб створити підсвічування зображень символів або картин на екрані дисплея.

Іноді замість дзеркальної пластини використовується чорна матова поверхня. Індикатор працює на пропускання. При використанні відповідних фільтрів можна отримати кольорове зображення тих або інших знаків.

Для керування роботою індикатора на РК необхідний пристрій, який вмикає напругу до того або іншого сегмента за заданою програмою. Дляцьогоможебутивикористанасхема, якаприведенанарис. 15.8.

+U

–U

Рис. 15.8 – Схема комутації сегментів РК-індикатора

Тут до кожного сегмента підводиться живлення лише в тому випадку, якщо відповідний транзистор відкритий (на рисунку показаний тільки один транзистор). Між спільним електродом і полюсом джерела ввімкнено обмежувальний опір Rобм = 10...100 кОм. За допо-

170